趙鵬飛，周衛(wèi)國，王旭峰，劉金秀，邢劍飛，賀小偉※

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾843300；2.自治區(qū)教育廳普通高等學?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室）

0 引言

棉花產(chǎn)業(yè)在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位。據(jù)2019 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，我國棉花種植面積已達3.339×106hm2，作為棉花種植副產(chǎn)品的棉稈資源產(chǎn)量巨大[1]。棉稈富含纖維素與多種礦物質(zhì)，具有可觀的開發(fā)利用價值[2]。隨著國家對環(huán)境保護的重視與可再生資源提質(zhì)增效利用政策的發(fā)布，各類秸稈資源得到不同程度的重視與利用，衍生出形式多樣的利用方式。目前對棉稈主要進行回收轉化再利用，即在棉稈收獲后利用現(xiàn)代加工工藝改變棉稈理化性質(zhì)，以轉化為微飼料、瓦楞紙、培養(yǎng)基質(zhì)、發(fā)電原料等[3-6]。

隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，區(qū)域化集中種植成為棉花種植的主要方式，新疆棉區(qū)機采棉種植分布相對集中且廣泛采用1 膜6 行的密植種植農(nóng)藝。由于對環(huán)境保護的重視，焚燒處理方式正在逐漸消失，目前新疆棉區(qū)對棉稈的處理方式以翻埋為主[7]，但木質(zhì)化程度高的棉稈在翻埋后僅依靠冬休無法完全降解，且還田棉稈往往附帶有地表殘膜、多種病原菌，對下一年農(nóng)作物的種植、生長會產(chǎn)生嚴重影響[8]?，F(xiàn)有棉花秸稈收獲機械主要以剪切式為主，將棉稈地表以上部分剪切后回收或粉碎還田，但由于棉稈木質(zhì)化程度相比大多數(shù)作物秸稈較高，致使棉稈剪切收獲方式存在作業(yè)功耗高及根茬留地的問題[9]。

新疆棉區(qū)棉田多采用膜下滴灌技術，結合實際棉田測量發(fā)現(xiàn)，棉稈根系大多集中在土壤0～15 cm 深處，呈現(xiàn)如圖1 的特征，僅需對種植區(qū)土壤淺翻即可實現(xiàn)整株鏟拔?，F(xiàn)有棉稈收獲機械多為懸掛式，以拖拉機為動力實現(xiàn)棉稈分段式收獲，而自走式棉稈整稈聯(lián)合收獲機械相對較少，隨著棉花生產(chǎn)全程機械化水平的不斷推進，集切土減阻、鏟拔、撿拾輸送、集箱于一體的自走式棉稈整株收獲機將是未來棉稈收獲機械發(fā)展趨勢之一。

圖1 棉花秸稈根部

為提高新疆棉區(qū)密植棉稈的收獲效率和資源利用率，設計了一種自走式密植棉稈整株收獲機，利用柴油機與液壓馬達為各作業(yè)部件的運轉提供動力，并配備多個變速箱實現(xiàn)轉速調(diào)配，實現(xiàn)棉稈對行切土減阻、不對行根部鏟拔、撿拾輸送及收集作業(yè)。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

自走式密植棉稈整株收獲機如圖2，主要包括駕駛室、機架、減阻裝置、行走輪、鏟拔裝置、撿拾裝置、輸送裝置、柴油機、回收箱和變速箱。該收獲機采用對行切土減阻、不對行鏟撥的集成式收獲方法，可針對基于密植農(nóng)藝種植的棉稈開展一體化收獲作業(yè)（機采棉密植種植農(nóng)藝如圖3），總體結構緊湊，功能齊全。

圖2 整機結構示意

圖3 機采棉(66+10)cm 密植種植模式

1.2 工作原理

本文設計的自走式密植棉稈整株收獲機以柴油機及液壓馬達為動力源，經(jīng)調(diào)速箱調(diào)速后為機具行走與作業(yè)提供動力。作業(yè)前，將減阻裝置固定位調(diào)整至較佳位置，確保各切土圓盤入土深度和切土位置合適，作業(yè)時，首先由切土圓盤對棉稈根側土壤進行切土減阻，以減小后續(xù)鏟拔裝置對棉稈鏟拔時的作業(yè)功耗，隨后鏟拔裝置以順時針方向切入土壤，在淺翻土壤的同時將棉稈連根鏟出，并向后方拋送、鋪放在地表，接著撿拾裝置逆時針旋轉，其上密布排列的釘齒將地表棉稈拾起后拋向輸送裝置，棉稈則隨即與釘齒輸送帶碰撞，根部附帶土壤被拍碎、脫落，最后棉稈被釘齒輸送帶掛接著向上運動，遇到擋板后與輸送帶分離，進入回收箱收集，如此連續(xù)完成棉稈整稈收獲作業(yè)，該機工作原理如圖4。

圖4 工作原理1.行走裝置2..減阻裝置3.鏟拔裝置4.撿拾裝置5.輸送裝置6.柴油機7.回收箱

1.3 主要技術參數(shù)

移動式機組的理論生產(chǎn)率：

式中W—移動式機組的理論生產(chǎn)率，hm2/h；B—機組的構造幅寬，m；v—機組的理論速度，km/h。

該機具工作幅寬B=2.00 m，機組理論前進速度v為3～5 km/h，根據(jù)式（1）計算理論生產(chǎn)率為0.6～1.0 hm2/h。整機主要技術參數(shù)如下：

機具尺寸（長×寬×高，m）3.70×2.10×1.52

工作幅寬（m）2

機具作業(yè)前進速度（km/h）3～5

柴油機額定轉速（r/min）2 200

液壓馬達轉速（r/min）850

生產(chǎn)率（hm2/h）0.6～1.0

2 主要工作部件的設計與分析

2.1 鏟拔裝置設計

鏟拔裝置基于逆向旋耕原理設計[11]，是該收獲機的核心工作部件，主要包括鏟拔刀、鏟拔輪和刀軸。橫向配置3組同規(guī)格鏟拔裝置，單組鏟拔裝置如圖5。針對（66+10）cm機采棉寬窄行種植模式中2行窄行距棉稈進行鏟拔作業(yè)。鏟拔刀固定在鏟拔輪上，圍繞鏟拔輪周向均勻布置（夾角α 為120°），如圖6，鏟拔刀隨刀軸旋轉鏟入土壤，對淺層土壤鏟拔的同時將棉稈提起，完成棉稈的整稈起拔、拋送及鋪放作業(yè)；該鏟拔裝置作業(yè)時不需要對行，可適用于多種密植模式。

圖5 鏟拔裝置結構

圖6 鏟拔裝置側視圖

2.2 撿拾裝置設計

本文參考殘膜撿拾裝置設計了棉稈撿拾裝置[12]，主要包括釘齒、調(diào)節(jié)桿、輥軸和支撐板，如圖7。釘齒安裝在調(diào)節(jié)桿上，調(diào)節(jié)桿與支撐板固定且隨輥軸一起旋轉，棉稈經(jīng)鏟拔裝置作業(yè)后鋪放于地表，密集排布的釘齒將平鋪于地表的棉稈勾起并拋至輸送裝置上。

圖7 棉稈撿拾裝置結構

2.3 輸送裝置設計

結合現(xiàn)有帶式輸送機設計了輸送裝置[13]，如圖8。主要包括傳動軸、擋板、輸送帶機架和釘齒輸送帶。當撿拾裝置將棉稈拋到輸送裝置時，棉稈根部與釘齒輸送帶碰撞并產(chǎn)生一定的沖擊力，該沖擊力使棉稈根部的土壤脫離，同時勾掛在釘齒輸送帶上的棉稈隨之向回收箱輸送，當棉稈被擋板阻擋后與釘齒輸送帶分離，隨即翻滾進入回收箱，土壤則灑落地表，如此循環(huán)往復即可將棉稈源源不斷地送到回收箱完成收集作業(yè)。

圖8 輸送裝置結構

3 鏟拔裝置運動分析

如圖9，鏟拔裝置工作時對棉稈鏟拔的速度由自身旋轉角速度ω和機具的前進速度vm復合而成，在實際作業(yè)中，鏟拔點的運動軌跡為余擺線[14]，其運動方程為：

式中vm—機具的前進速度，m/s；R—鏟拔裝置半徑，mm；ω—鏟拔刀角速度，rad/s；t—時間，s。

圖9 鏟拔運動示意

則鏟拔點在x 軸與y 軸方向的分速度為：

在鏟拔刀只有鉛垂速度而無水平分速度時，為鏟拔刀切削土壤的有利條件，根據(jù)極值原理[15]，即在公式（4）條件下切土最佳：

鏟拔刀在N 點垂直切入土壤直至切削完成，為避免刀具背部推土，刀具的水平分速度需保持傾向后方，由公式（5）：

假設N 點坐標為（x,y），則：

式中a—鏟拔刀耕深，mm。

將式（6）與式（2）整合代入式（5）得：

又由于：

式中n—鏟拔裝置轉速，r/min。

結合密植棉稈根系實際分布深度，鏟拔刀耕深a取為100 mm，設計時R為300 mm，機具前進速度為3～5 km/h,計算得轉速最小為88 r/min，而本裝置采用的液壓馬達驅(qū)動，其轉速范圍為0～850 r/min，能夠滿足作業(yè)需求。

4 關鍵零部件有限元分析

該自走式密植棉稈整株收獲機在經(jīng)減阻裝置對棉稈根部土壤松翻后，由鏟拔裝置對地表0～8 cm 土壤進行淺翻，鏟拔刀為主要作業(yè)部件，為此對該部件進行靜力學仿真分析。利用Solidworks 完成鏟拔刀三維建模，隨后將其另存為中性文件.x_t 格式并導入ANSYS workbench 2020 R2 中進行有限元分析[16]。

4.1 材料屬性的定義

在實際作業(yè)時，鏟拔裝置上的鏟拔刀要完成入土鏟拔作業(yè)，是完成棉稈連根拔起的關鍵作業(yè)部件，其主要承受土壤的反作用力，由于鏟拔刀不對行作業(yè)，使得單個鏟拔刀整體尺寸較大，在保證其剛度與耐久度的同時材料選用成本較低的Q275，屈服強度為275 MPa。

4.2 網(wǎng)格劃分

為提高鏟拔刀分析的準確性，盡可能地提高網(wǎng)格劃分密度，最終網(wǎng)格劃分結果為單元數(shù)10128，節(jié)點數(shù)52706，網(wǎng)格數(shù)目能夠較好滿足分析條件，網(wǎng)格劃分后的結果如圖10。

圖10 鏟拔刀的網(wǎng)格劃分

4.3 施加載荷及約束

單組鏟拔裝置針對1 膜6 行種植農(nóng)藝中2 行窄行距棉稈進行鏟拔作業(yè)，其上的鏟拔刀通過螺栓連接在鏟拔輪上。查閱相關文獻可知，土壤淺翻阻力約為400～1 000 N[17]，而棉稈拔起所需力約為1 010 N[18]，棉稈鏟拔阻力大于淺翻阻力，故主要分析棉稈鏟拔阻力。當鏟拔刀同時鏟拔2 株棉稈，且作用力垂直于切削刃面處時鏟拔刀受力最大，約為2 020 N，為對鏟拔刀進行更加可靠的分析，綜合考慮對其受力選擇為2 500 N，方向垂直于切削刃，在螺栓固定位施加約束，最終施加結果如圖11。

圖11 鏟拔刀約束受力圖

4.4 結果與分析

使用workbench 軟件中的Static Structural 對鏟拔刀進行相應模擬分析，得出鏟拔刀在模擬外載荷作用下的等效應力和總變形，結果如圖12、13。

由圖12 可知，鏟拔刀等效應力主要集中在螺栓固定孔位處，最大應力為158.94 MPa，小于所選材料的應力極限，因此鏟拔刀的材料選用合理。

由圖13 可知，鏟拔刀最大總變形為0.093 mm，變形量可忽略不計，即所選用材料Q275 符合作業(yè)要求。

圖12 鏟拔刀等效應力圖

圖13 鏟拔刀總變形圖

5 結論

（1）為提高新疆棉區(qū)密植棉稈的收獲效率和資源利用率，設計了一種自走式密植棉稈整株收獲機，一次性作業(yè)即可實現(xiàn)根側切土減阻、鏟拔、撿拾輸送及棉稈收集等多項功能；該機總體結構緊湊，功能齊全，針對基于密植農(nóng)藝種植的棉稈開展一體化整稈收獲作業(yè)。

（2）進行了各主要工作部件設計，并對核心工作部件—鏟拔裝置進行了運動學分析，結合密植棉稈根系實際分布深度0～15cm，當取鏟拔刀耕深a 為100 mm、鏟拔裝置半徑R 為300 mm，得出拔稈裝置最小轉速88 r/min。

（3）對鏟拔裝置的鏟拔刀進行了有限元靜力分析，靜力學分析結果表明：鏟拔刀的最大等效應力為158.94 MPa，最大總變形為0.093 mm，其等效應力與總變形均低于所選材料的承受極限，材料選用安全可靠，符合設計要求。