姜 偉，卜令昕，周 進(jìn)，張 華，邸志峰

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

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9YFM-1900型玉米秸稈打捆滅茬一體機(jī)的設(shè)計與仿真

姜 偉，卜令昕，周 進(jìn)，張 華，邸志峰

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

為解決玉米秸稈還田量過大、常年累積的問題，研發(fā)一種玉米秸稈打捆滅茬一體機(jī)。9YFM-1900型玉米秸稈打捆滅茬一體機(jī)主要由機(jī)架、動力傳動裝置、秸稈切碎裝置、壓捆室、喂入攪龍、打捆機(jī)構(gòu)、滅茬裝置和行走機(jī)構(gòu)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)秸稈切碎、攪龍輸送、撥叉喂入、活塞推壓、穿針打結(jié)和滅茬還田等一系列功能。通過ADAMS和ABAQUS軟件對各關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真分析確定關(guān)鍵參數(shù)，為機(jī)器設(shè)計和樣機(jī)試制提供了依據(jù)。

玉米秸稈；打捆；滅茬；仿真

0 引言

我國每年可生成7億t多玉米秸稈，秸稈隨意拋棄和焚燒不僅造成大氣環(huán)境污染及資源浪費(fèi)，還破壞了土壤結(jié)構(gòu)，危及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)階段我國大部分玉米秸稈通過玉米收獲機(jī)還田，秸稈還田量較大且常年累積，造成土壤表層懸松，影響種子出苗。因此，根據(jù)實際需要，應(yīng)用打捆機(jī)一次性完成玉米秸稈打捆和根茬還田，是解決玉米秸稈適量還田的有效途徑。根據(jù)調(diào)研反饋，玉米收獲機(jī)的還田裝置動力消耗大且切碎效果不佳，往往需要專用還田機(jī)再處理一遍，造成人力物力的不必要損失。目前大方捆打捆機(jī)技術(shù)日趨成熟，因此基于方型打捆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了9YFM-1900型玉米秸稈打捆滅茬一體機(jī)。

1 設(shè)計原理及機(jī)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)

9YFM-1900型玉米秸稈打捆一體機(jī)主要由機(jī)架、動力傳動裝置、秸稈切碎裝置、壓捆室、喂入攪龍、打捆機(jī)構(gòu)、滅茬裝置和行走機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

作業(yè)時，切碎裝置將玉米秸稈切碎并拋送到切碎裝置后方兩側(cè)的喂入攪龍，切碎的秸稈由攪龍強(qiáng)制輸送到進(jìn)料口，由送料撥叉連續(xù)不斷喂入壓捆室，同時活塞進(jìn)行推送壓縮；壓縮活塞不斷往復(fù)運(yùn)動，隨著喂入量的增加，秸稈捆長度不斷增加，當(dāng)達(dá)到預(yù)定捆長時，打捆機(jī)構(gòu)進(jìn)行穿針打結(jié)，前捆被推出壓縮室，完成一個秸稈捆；玉米莖稈經(jīng)過切碎裝置作業(yè)留下的根茬，由滅茬裝置切碎拋送還田。

1．機(jī)架 2.動力傳動裝置 3.莖稈切碎裝置 4.壓捆室 5.喂入攪龍 6.打捆機(jī)構(gòu) 7.滅茬機(jī)構(gòu) 8.行走機(jī)構(gòu)

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計與仿真

2.1 送料撥叉

送料撥叉的作用是將攪龍輸送過來的玉米秸稈撥送到壓捆室，由活塞推送壓縮。送料撥叉主要由傳動鏈輪、撥叉軸、撥叉組合和拐臂組成，如圖2所示。為研究其運(yùn)動規(guī)律，將送料撥叉模型導(dǎo)入ADAMS軟件中并進(jìn)行前處理，如圖3所示，得到撥叉端點的運(yùn)動速度和運(yùn)動軌跡。

如圖4、圖5所示：在一個運(yùn)動周期內(nèi)，送料撥叉依次完成摟草和急回的動作。將圖5的軌跡進(jìn)行坐標(biāo)變換導(dǎo)入壓捆室和送料撥叉結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行驗證，如圖6所示。在向上摟草的過程中， 即B-A段， 撥叉速度比較平緩，避免秸稈拋送脫離撥叉的情況，有助于秸稈均勻成型、密度一致。撥叉端點到達(dá)頂點A時，時序上活塞應(yīng)在此時將撥叉撥送上來的秸稈進(jìn)行推送壓縮。A點之后，撥叉急回，到達(dá)B點之后進(jìn)行下一次摟草動作。從圖6中可以看到：撥叉端點的軌跡完全覆蓋了進(jìn)料口，不會出現(xiàn)漏拾現(xiàn)象；撥叉端點軌跡與弧形板和清料門幾乎平行并留有間隙，避免干涉。

1.傳動鏈輪 2.撥叉軸 3撥叉組合 4拐臂

圖3 ADAMS中的撥叉模型

圖4 撥叉端點速度圖

圖5 撥叉端點軌跡圖

1.壓捆室 2.撥叉 3.撥叉格柵 4.攪龍 5.撥叉端點軌跡 6.清料門圓弧板

2.2 壓縮機(jī)構(gòu)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分為對心式和偏置式兩種。在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下,偏置式曲柄滑塊結(jié)構(gòu)較對心式結(jié)構(gòu)滑塊行程小,并且具有急回特性,效率較高。所以，本設(shè)計采用偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，偏置距離e=35mm，設(shè)計行程550mm，曲柄半徑r=275，連桿長度L=577mm。

楊明韶等人對開式壓縮理論的分析表明：當(dāng)活塞壓力從零到最大時,草捆密度也從最小值達(dá)到最大值;當(dāng)活塞回行時,壓縮物料由于物料特性先保持此密度一段時間,然后由于物料的應(yīng)力松弛開始膨脹。若壓縮活塞在物料還未進(jìn)行膨脹時,進(jìn)行第2次壓縮則物料可能得到更高的密度，所以提高壓縮頻率可以提高效率。增加曲柄的轉(zhuǎn)速可以提高壓縮頻率并得到較大的壓縮力，但也導(dǎo)致了慣性力的增大使設(shè)備失穩(wěn)，所以曲柄轉(zhuǎn)速不能過高。參考國內(nèi)外大方捆打捆機(jī)頻率設(shè)置，曲柄轉(zhuǎn)速為100r/min。受壓捆室尺寸影響，活塞截面面積為440mm×355mm；為減少活塞運(yùn)動阻力，活塞設(shè)置有上下輥輪，與壓捆室中的導(dǎo)軌配合；活塞前端設(shè)置有切刀，與壓捆室中的定刀配合切斷秸稈避免堵塞，活塞三維模型如圖7所示。

圖7 活塞三維模型

為驗證活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，用ADAMS軟件進(jìn)行仿真，將活塞三維模型導(dǎo)入Adams中，如圖8所示。

圖8 ADAMS中的活塞曲柄連桿模型

通過圖9可以看出：活塞運(yùn)動的1個周期內(nèi)，活塞行程s=551.4mm，當(dāng)活塞運(yùn)行到最遠(yuǎn)端時加速度最大，達(dá)到4.5×104mm/s2，因此壓捆室上設(shè)置4個彈簧阻尼體平衡此時的慣性力。

圖9 活塞的位移和加速度

活塞與撥叉的運(yùn)動應(yīng)滿足一定的時序關(guān)系，即撥叉端點達(dá)到頂點時活塞應(yīng)出現(xiàn)在相應(yīng)位置，將秸稈推送壓縮，如圖10所示。此時，曲柄與水平面夾角為85°，撥叉連桿搖臂與水平面夾角為135°。

2.3 切碎裝置與滅茬裝置

切碎裝置與滅茬裝置均采用刀輥上加裝L型直刀的形式。

切碎裝置采用動定刀切割秸稈的方式以提高切碎效果，刀座在刀輥上螺旋線分布(見圖11)，回轉(zhuǎn)半徑r=253mm，刀輥軸線與地面距離355mm。根據(jù)吳鴻欣等人的研究，切割轉(zhuǎn)速越高，切斷效果越好；一般有支撐切割的線速度為6～10m/s，無支撐切割的線速度為20～30m/s時可以達(dá)到切斷效果。本設(shè)計要求較高的秸稈切碎質(zhì)量，故切斷刀輥轉(zhuǎn)速n1=2 100r/min。

圖10 活塞撥叉位置圖

根據(jù)JB/T8401.3-2001根茬粉碎還田機(jī)的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中滅茬深度≥70mm的要求，并考慮機(jī)器的合理布局，滅茬刀采用L型小滅茬刀，刀輥回轉(zhuǎn)半徑R=167mm,入土深度80mm，如圖12所示。

1.中間傳動組合 2.切碎刀輥 3殼體 4定刀

1.滅茬刀輥 2.L型小滅茬刀

2.3.1 滅茬刀軌跡分析

機(jī)器前進(jìn)時，刀片的絕對運(yùn)動是由機(jī)器的前進(jìn)運(yùn)動和刀軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動所合成。為使刀片在切土過程中不產(chǎn)生推土現(xiàn)象，要求其絕對運(yùn)動的軌跡為余擺線，如圖13所示。

圖13 滅茬刀軌跡

在滅茬刀軌跡上任一點M的絕對速度為

(1)

式中R—滅茬刀輥回轉(zhuǎn)半徑(m)；

ω—滅茬刀輥角速度(rad/s)；

vm—機(jī)器前進(jìn)速度(m/s)；

t—滅茬刀輥運(yùn)動時間(s)。

為確保莖稈粉碎，則在切土點A的位置上，vx必須有足夠的向前分量，使其絕對速度大小不低于除茬速度vc，即

(2)

此時，幾何上滿足

cosωt=(R-H)/R

(3)

聯(lián)立式(1)～式(3)可得到轉(zhuǎn)速條件為

(4)

取vm=1.5m/s,H=0.08m,R=0.167m；參考農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊整地機(jī)械的相關(guān)內(nèi)容，取vc=5.5m/s，則n≥439r/min。取滅茬刀輥轉(zhuǎn)速n=500r/min，頻率f=8.3Hz。

2.3.2 基于ABAQUS的滅茬刀輥模態(tài)分析

將滅茬刀輥模型經(jīng)Hypermesh前處理導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果如表1所示。滅茬刀輥工作頻率遠(yuǎn)小于其固有頻率，不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

表1 切碎刀輥約束模態(tài)計算結(jié)果

3 結(jié)論

通過ADAMS對滅茬打捆一體機(jī)的壓捆裝置和送料撥叉仿真分析驗證了其運(yùn)動規(guī)律，確定了關(guān)鍵參數(shù)；通過理論分析得到切碎刀輥與滅茬刀輥轉(zhuǎn)速，并ABAQUS對滅茬刀輥進(jìn)行模態(tài)分析驗證其可行性，為滅茬打捆一體機(jī)的設(shè)計與試制提供了依據(jù)。

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Abstract： To solve problem of large amount of returning corn stalks and yearly accumulation, a kind of stalk binding and stubble machine was designed. 9YFM-1900 type stalk binding and stubble machine included frame, driving device, stalk chopper, baling chamber, screw conveyor, bundling mechanism, stubbing machine and walking mechanism. This machine can complete a series of function of stalk cutting, conveying compression, tying and stubbing. Key parameters were determined by simulating in ADAMS and ABAQUS, and were used to prototype’s design and manufacture.

ID:1003-188X(2017)05-0140-EA

Analysis and Simulation of 9YFM-1900 Type Stalk Bundling and Stubbing Machine

Jiang Wei, Bu Lingxin, Zhou Jin, Zhang Hua, Di Zhifeng

(Shandong Agriculture Machinery Research Institute，Jinan 250100，China)

corn stalk; bundling; stubbing; simulation

2016-04-05

山東省科技發(fā)展計劃項目(2014GNC113003)

姜 偉(1986-)，男，濟(jì)南人，工程師，(E-mail)jiangwei1986@163.com。

S224.29

A

1003-188X(2017)05-0140-04