李自宣,徐可可,嚴(yán)詩(shī)友,許良元,楊 洋,汪志祥

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,合肥 230036)

0 引言

隨著我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械的迅速發(fā)展(如大功率拖拉機(jī)的出現(xiàn))及參與土地耕作人員的逐漸減少,滅茬機(jī)具從單一的滅茬機(jī)逐漸向復(fù)合機(jī)具發(fā)展,從單軸向雙軸發(fā)展,從小功率逐漸向中大功率發(fā)展[1-5]。目前,國(guó)內(nèi)使用的旋耕施肥播種機(jī)主要針對(duì)北方旱作特點(diǎn)設(shè)計(jì)制造,針對(duì)南方耕地的機(jī)型較少。以江淮地區(qū)為例,隨著我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化的迅速發(fā)展[6-10],實(shí)現(xiàn)機(jī)具的一機(jī)多用和聯(lián)合作業(yè)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)[11]。

由于玉米根茬在地表以下,難以處理,需要利用機(jī)械化作業(yè)進(jìn)行滅茬[12]。為此,設(shè)計(jì)出一種玉米根茬還田刀輥系統(tǒng)。滅茬刀刃口曲線為阿基米德螺旋線,回轉(zhuǎn)半徑隨著回轉(zhuǎn)角度的增大而增加,可使刀片穩(wěn)定入土,實(shí)現(xiàn)了根茬滑切;上層切割速度小、下層切割速度大,符合田間玉米根茬粉碎特點(diǎn),不僅能降低功耗,還提高了滅茬效果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

工作時(shí),PTO與主變速箱通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接;主變速箱通過(guò)中間傳動(dòng)直接帶動(dòng)旋耕刀輥旋轉(zhuǎn),側(cè)邊PTO將動(dòng)力傳遞給側(cè)邊變速箱;動(dòng)力通過(guò)該變速箱最終傳遞到滅茬刀軸上,刀軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀具高速旋轉(zhuǎn),刀軸轉(zhuǎn)向與機(jī)組的前進(jìn)方向相同;同時(shí),通過(guò)拖拉機(jī)操縱桿可以調(diào)節(jié)整機(jī)旋耕和滅茬深度,從而實(shí)現(xiàn)旋耕和滅茬的作業(yè)效果。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu) 2.主變速箱 3.機(jī)架 4.擋土蓋板 5.覆土鎮(zhèn)壓裝置 6.側(cè)邊變速箱 7.旋耕刀輥系統(tǒng) 8.滅茬刀輥系統(tǒng) 9.前擋土板 10.側(cè)邊安裝板圖1 雙軸式旋耕滅茬機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of twin-axis rotary tillage and stubble extinguishing machine

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1 滅茬刀輥滅茬原理

當(dāng)滅茬刀輥旋轉(zhuǎn)滅茬作業(yè)時(shí),滅茬刀輥的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)兩種簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)合成得到。工作過(guò)程中,刀軸帶動(dòng)刀具不斷高速旋轉(zhuǎn),以刀軸軸心為中心,旋轉(zhuǎn)1周所形成的運(yùn)動(dòng)為刀輥的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),其旋轉(zhuǎn)速度為刀具尖端的線速度;直線運(yùn)動(dòng)是機(jī)組前進(jìn)的直線運(yùn)動(dòng),機(jī)組的前進(jìn)速度為Vm[13]。滅茬刀軌跡如圖2所示。

圖2 滅茬刀軌軌跡示意圖Fig.2 Tack diagram of stubble cutter track

1.2.2 刀輥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)L型滅茬刀的研究和刀片的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析可知:滅茬作業(yè)時(shí),刀片受到秸稈根茬的阻力和慣性力的作用,刀片的速度可以分解成兩部分,一部分為對(duì)秸稈的砍切速度,一部分為對(duì)秸稈的滑切速度。在新設(shè)計(jì)的刀片中,增加前傾角度。新增的前傾角度在保證砍切速度大小的同時(shí)增大刀片的滑切速度,利于秸稈的粉碎,且能吸收一定的沖擊能力,可提高刀具壽命、降低能耗。

1) 刃口曲線設(shè)計(jì)及刀片模型圖。為了提高滅茬刀的切斷能力,設(shè)計(jì)以“阿基米德螺旋線”與“L型曲線”的“合成曲線”為滅茬刀正切刃的刃口曲線。“阿基米德螺旋線”的設(shè)計(jì)參數(shù)主要是根據(jù)滅茬深度和滅茬半徑確定,如圖3所示。

圖3 阿基米德螺旋線Fig.3 Archimedes helix

圖3中,O為刀具旋轉(zhuǎn)中心;r為刀具旋轉(zhuǎn)半徑;r’為刀具在滅茬之前的旋轉(zhuǎn)半徑;R為刀具在滅茬后的旋轉(zhuǎn)半徑;Δr為入土深度差;θ為刀片旋轉(zhuǎn)角度;β為刀片入土角度。

阿基米德螺旋線方程為

r=r′+bθθ∈[0,60]

(1)

式中b—螺旋線系數(shù)。

由式(1)可知,螺旋線的旋轉(zhuǎn)半徑隨著角度的增大而逐漸增大。因此,刀口曲線能達(dá)到穩(wěn)定入土和形成滑切的要求,滿足不同深度根茬粉碎要求。

根據(jù)滅茬工況及參考同類設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)刀寬為40mm、刀厚為5mm、刀片刃口厚度為2mm。將刀具尺寸確定后,通過(guò)三維軟件繪制刀具的模型圖,如圖4所示。

圖4 滅茬刀三維模型Fig.4 Three-Dimensional Model of stubble Cutter

2) 刀片排列及刀輥裝配。采用雙螺旋線規(guī)則排列的方式,刀輥上的刀片按2條螺旋線排列。其中,左彎刀按一條螺旋線排列,右彎刀按另一條螺旋線排列,相間180°,而且兩條螺旋線的旋向一致。此排列方式左、右刀輥上對(duì)稱位置刀盤(pán)上的左、右刀片按規(guī)定順序依次入土,使受力均勻,減少?zèng)_擊振動(dòng);刀輥在回轉(zhuǎn)1周的過(guò)程中,在同一相位角上,只有1把刀入土,而且左右刀片交錯(cuò)順序入土,避免同向刀片相繼入土,以保證工作穩(wěn)定和刀輥載荷均勻,并減少了軸向力。刀輥裝配如圖5所示。

圖5 刀輥裝配三維圖Fig.5 Three dimensional drawing of the tool roll assemble

圖5中,刀輥系統(tǒng)中作業(yè)節(jié)距及刀片數(shù)的確定直接影響整機(jī)秸稈粉碎還田和滅茬的效果,可根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算,即

(2)

式中S—作業(yè)節(jié)距(mm);

n—刀軸的轉(zhuǎn)速(r/min);

Z—同一刀盤(pán)上安裝的刀片數(shù)量;

Vm—機(jī)具前進(jìn)速度。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),滅茬合格長(zhǎng)度不大于100mm,因此以S=100mm為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

代入式(2)計(jì)算得:Z=4.2,取整數(shù)Z=4,即同一刀盤(pán)安裝刀片數(shù)量為4個(gè)。

2 EDEM仿真分析

2.1 刀輥模型建立與導(dǎo)入

應(yīng)用三維制圖軟件對(duì)設(shè)計(jì)的刀輥系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模(比例1:1)并導(dǎo)入EDEM軟件中,如圖6所示。設(shè)置刀輥圓盤(pán)與刀軸材料屬性為65Mn。

圖6 虛擬試驗(yàn)中刀輥模型Fig.6 Tool roll model in virtual test

2.2 土壤、秸稈顆粒建模

采用SoildWorks建立球狀土壤結(jié)構(gòu)模型,設(shè)置EDEM球形填充單元的半徑為3mm。對(duì)于玉米秸稈模型,采用SoildWorks三維軟件繪制10個(gè)直徑為16mm、球心間距為5mm、長(zhǎng)105mm的長(zhǎng)線型模型為玉米秸稈模型,如圖7所示。

圖7 玉米秸稈模型Fig.7 Corn stalk model

2.3 EDEM軟件仿真環(huán)境設(shè)定

1) 前處理器模塊的設(shè)置。設(shè)定土壤顆粒接觸模型參數(shù)[14],如表1所示。

表1 離散元模型基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of discrete element model

在EDEM軟件中定義合適的土壤試樣槽型試驗(yàn)臺(tái),并設(shè)定該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的詳細(xì)參數(shù)。該滅茬刀輥虛擬樣機(jī)試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表2所示。

表2 EDEM中滅茬刀輥運(yùn)動(dòng)參數(shù)的具體設(shè)定Table 2 Setting of motion parameters of stubble cutter roll in EDEM

依據(jù)土壤試樣槽型試驗(yàn)臺(tái)和顆?？紫抖鹊拇笮?設(shè)置150 000個(gè)顆粒,以100 000個(gè)/s的速率且呈正態(tài)分布的形式產(chǎn)生,隨機(jī)分布在土槽內(nèi)。

2) 求解器Simulator仿真參數(shù)設(shè)定。在設(shè)置選項(xiàng)中設(shè)定固定時(shí)間步長(zhǎng)為4.2e-06s,總的仿真時(shí)間為6s,網(wǎng)格尺寸設(shè)置為6mm,其網(wǎng)格邊長(zhǎng)的大小為最小粒子半徑的2倍。

2.4 虛擬仿真試驗(yàn)過(guò)程及分析

滅茬刀輥在土壤試樣槽型試驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行旋切虛擬樣機(jī),仿真過(guò)程如圖8所示。

圖8 滅茬刀輥旋切虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程Fig.8 Motion simulation process of rotation virtual prototype of stubble cutter roll

2.4.1 秸稈粉碎和碎土仿真結(jié)果

秸稈粉碎仿真結(jié)果對(duì)比如圖9所示。由圖9可知:秸稈顆粒黏結(jié)鍵初始數(shù)量為1 090個(gè),在旋切過(guò)程中秸稈顆粒黏結(jié)鍵數(shù)量在不斷減少,說(shuō)明秸稈顆粒被滅茬刀具不斷粉碎;在相同時(shí)間段,通過(guò)所剩秸稈顆粒黏結(jié)鍵數(shù)目對(duì)比,優(yōu)化刀輥的旋切效果明顯優(yōu)于原型刀輥,優(yōu)化刀輥工作完成后還剩149個(gè)黏結(jié)鍵未被刀輥破壞,即碎茬率為86.3%;原型刀輥仿真作業(yè)后還剩195個(gè)黏結(jié)鍵未被破壞,即碎茬率為82.1%。在旋切作業(yè)過(guò)程中,優(yōu)化刀輥相對(duì)于原型刀輥破壞的秸稈顆粒黏結(jié)鍵明顯更多,碎茬率相對(duì)提升了4.2%。

圖9 秸稈粉碎仿真結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of straw crushing simulation results

碎土仿真結(jié)果對(duì)比如圖10所示。由圖10可知:在刀輥旋切的3～6s時(shí)間內(nèi),刀具不斷破碎土壤團(tuán)粒,土壤顆粒黏結(jié)鍵在不斷減少。優(yōu)化刀輥工作完成后,還剩6 020個(gè)黏結(jié)鍵未被刀輥破壞,未被破壞黏結(jié)鍵的土壤團(tuán)粒直徑均大于40mm,為不合格的土壤團(tuán)粒,占所有土壤團(tuán)粒的11.3%,即優(yōu)化刀輥的碎土率為88.7%。原型刀輥仿真作業(yè)后,還剩7 946個(gè)黏結(jié)鍵未被破壞,占土槽內(nèi)所有土壤團(tuán)粒的14.9%,即原型刀輥的碎土率為85.1%。在旋切作業(yè)過(guò)程中,優(yōu)化刀輥相對(duì)于原型刀輥破壞的土壤顆粒黏結(jié)鍵明顯更多,碎土率相對(duì)提升了3.6%。

圖10 碎土仿真結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of simulation results of broken soil

2.4.2 刀輥旋切作業(yè)所受阻力

優(yōu)化刀輥與原型刀輥旋切阻力圖如圖11所示。由圖11可知,虛擬仿真試驗(yàn)中,刀輥所受應(yīng)力初始時(shí)迅速增大到最大值。原因是:刀輥在短時(shí)間內(nèi)剛性接觸秸稈和土壤,未完全進(jìn)行旋切作業(yè),此時(shí)出現(xiàn)土壤和根茬秸稈堆積成團(tuán)現(xiàn)象,所以刀輥旋切力激增到最大值,原型刀輥旋切阻力最大值接近2 800N,優(yōu)化刀輥旋切力最大值接近2 600N;在3.5～6s時(shí)間內(nèi),兩種刀輥的旋切力趨于平穩(wěn),由于土壤平整度和根茬秸稈隨機(jī)分布的影響,因此旋切阻力會(huì)存在小幅波動(dòng),優(yōu)化刀輥的阻力波動(dòng)幅度較小,工作時(shí)會(huì)相較平穩(wěn),且優(yōu)化刀輥的旋切阻力大約在1 200～1 500N之間,原型刀輥旋切阻力大小在1 500～2 000N之間。根據(jù)前期對(duì)玉米根茬秸稈的試驗(yàn)研究,得出切斷力的范圍大約在800～1 400N之間,所以刀輥優(yōu)化后在能很好地達(dá)到作業(yè)條件的同時(shí)使旋切阻力明顯下降,可以降低整機(jī)的作業(yè)功耗。

圖11 優(yōu)化刀輥與原型刀輥旋切阻力圖Fig.11 Optimization of turning Resistance Diagram of tool Roller

3 整機(jī)田間性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

樣機(jī)試驗(yàn)中,拖拉機(jī)型號(hào)為JD9230型,試驗(yàn)樣機(jī)為2BFGS-8(8)(200)A1的基礎(chǔ)上改進(jìn)的旋耕施肥播種機(jī),如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.12 Experimental prototype

3.2 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)場(chǎng)地為安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)場(chǎng),作業(yè)區(qū)域總長(zhǎng)度為40m。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在作業(yè)穩(wěn)定下檢測(cè),前后兩端各區(qū)10m為準(zhǔn)備區(qū)域,中間的20m用于測(cè)試所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖13所示。

圖13 農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地Fig.13 Agricultural machinery experiment field

3.3 正交試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)理論分析、虛擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證證明:優(yōu)化后的刀輥是合理的,但刀輥在不同的工作條件下也會(huì)有不同的滅茬效果,影響因素主要有機(jī)組前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速和碎茬深度。現(xiàn)以碎土率和碎茬率為作業(yè)性能指標(biāo),建立正交試驗(yàn)(見(jiàn)表3),來(lái)分析以上3個(gè)影響因素對(duì)作業(yè)性能的影響。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表Table 3 Orthogonal test factor level table

針對(duì)該正交試驗(yàn)設(shè)立3個(gè)因素3個(gè)水平,方案選用L9(34)正交表,正交試驗(yàn)方案在田間進(jìn)行旋耕實(shí)驗(yàn)每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次,試驗(yàn)結(jié)果取其平均值,如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal test results

運(yùn)用Design—Expert軟件對(duì)表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以x1、x2、x3為試驗(yàn)因素A、試驗(yàn)因數(shù)B、試驗(yàn)因數(shù)C的編碼值,進(jìn)行回歸方程模型檢驗(yàn)、回歸方程偏回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)并剔除不顯著項(xiàng),得到擬合效果較好且簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型y1、y2。

1)整機(jī)的作業(yè)速度、刀輥的工作轉(zhuǎn)速和旋耕深度對(duì)碎土率影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖如圖14所示。同時(shí),得出所擬合的回歸方程為

圖14 整機(jī)的作業(yè)速度、刀輥的工作轉(zhuǎn)速和旋耕深度對(duì)碎土率影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖Fig.14 Response surface diagram and contour diagram of the effect of the operating speed of the whole machine, the working speed of the cutter roll and the depth of rotary tillage on the soil breaking rate

y1=86.90-0.75x1+2x2-0.4x3-0.6x1x2+

1.3x1x3+1.6x2x3-0.85x12+0.4x22

(3)

由圖14所示可知:整機(jī)的作業(yè)速度與碎土率呈反比,整機(jī)的作業(yè)速度越大,碎土率越小;旋耕深度與碎土率呈正比,旋耕深度越大,碎土率越大;刀輥的工作轉(zhuǎn)速與碎土率呈正比,刀輥的工作轉(zhuǎn)速越大,碎土率越大。整機(jī)的作業(yè)速度和刀輥的工作轉(zhuǎn)速在0.4m/s、600r/min的條件下時(shí),刀輥碎土性能最好。x1,x2對(duì)碎土率的影響較顯著,x3影響效果不太明顯。總之,整機(jī)的作業(yè)速度、刀輥的工作轉(zhuǎn)速對(duì)碎土率的影響較顯著,且刀輥的工作轉(zhuǎn)速是影響碎土率影響的最主要因素。

2) 整機(jī)的作業(yè)速度、刀輥的工作轉(zhuǎn)速和旋耕深度對(duì)滅茬率影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖如圖15所示。得出所擬合的回歸方程為

y2=82.77-1.05x1+1.63x2+0.43x3+1.60x1x2+

0.27x1x3-1.07x2x3-0.72x12+0.57x22

(4)

由圖15可知:整機(jī)的作業(yè)速度與碎茬率呈反比,整機(jī)的作業(yè)速度越大,碎茬率越小;碎茬深度與碎茬率不相關(guān);刀輥的工作轉(zhuǎn)速與碎土率呈反比,刀輥的工作轉(zhuǎn)速越大,碎茬率越小。整機(jī)的作業(yè)速度和刀輥的工作轉(zhuǎn)速在0.6m/s、600r/min條件下時(shí),刀輥滅茬性能最好,前進(jìn)速度和刀輥轉(zhuǎn)速對(duì)碎茬率的影響存在交互作用?？傊?整機(jī)的作業(yè)速度、刀輥的工作轉(zhuǎn)速對(duì)碎茬率的影響較顯著,且刀輥的工作轉(zhuǎn)速是影響碎茬率影響的最主要因素。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)出了以“阿基米德螺旋線”和“L型曲線”為正切刃口曲線的滅茬刀輥刀片,增加了刀具的前傾角,優(yōu)化了滅茬刀輥的刀身結(jié)構(gòu),提高刀具的碎茬能力。

2) 采用離散元仿真模擬刀輥田間作業(yè)效果,分析土壤顆粒和秸稈顆粒的粉碎及作業(yè)情況,并對(duì)原型刀輥和優(yōu)化刀輥進(jìn)行仿真對(duì)比分析,結(jié)果表明:虛擬仿真過(guò)程中秸稈和土壤顆粒黏結(jié)鍵數(shù)量在不斷減小,說(shuō)明秸稈和土壤顆粒被滅茬刀具不斷粉碎;在相同時(shí)間段,通過(guò)所剩顆粒黏結(jié)鍵數(shù)目對(duì)比,優(yōu)化刀輥的旋切刀輥效果明顯優(yōu)于原型刀輥,且優(yōu)化刀輥的阻力波動(dòng)幅度較小,工作時(shí)會(huì)相較平穩(wěn),所以刀輥優(yōu)化后在能較好地達(dá)到作業(yè)條件的同時(shí),旋切阻力明顯下降且可以降低整機(jī)的作業(yè)功耗。

3) 通過(guò)正交試驗(yàn)分析了整機(jī)的作業(yè)速度、刀輥的工作轉(zhuǎn)速和旋耕滅茬深度對(duì)碎土率、碎茬率的影響,結(jié)果表明:在試驗(yàn)所取的因素水平范圍內(nèi),碎土率隨著作業(yè)速度的增加而減少,隨著刀輥的工作轉(zhuǎn)速的增加而增加,旋耕深度對(duì)碎土率影響較小。整機(jī)的作業(yè)速度和刀輥的工作轉(zhuǎn)速在0.4m/s、600r/min條件下時(shí)刀輥碎土性能最好,故合理選擇整機(jī)的作業(yè)速度、刀輥的工作轉(zhuǎn)速是提高作業(yè)效率和質(zhì)量的前提。整機(jī)的作業(yè)速度、刀輥的工作轉(zhuǎn)速相比滅茬深度對(duì)碎茬率的影響比較顯著,整機(jī)的作業(yè)速度和刀輥的工作轉(zhuǎn)速在0.6m/s、600r/min條件下時(shí)刀輥滅茬性能最好,且刀輥的工作轉(zhuǎn)速是影響碎茬率影響的最主要因素。