稻麥?zhǔn)斋@后田間廢棄秸稈撿拾裝置設(shè)計(jì)方法

任輝 李禧堯 粟澤 饒洋鴻 王英男

摘要：秸稈是世界第四大能源，但目前普遍存在籽粒收獲后莖稈廢棄田間的現(xiàn)象。本文為實(shí)現(xiàn)田間廢棄秸稈的撿拾回收，進(jìn)行了秸稈撿拾裝置的設(shè)計(jì)分析，闡述了利用Pro/E與Adams進(jìn)行三維建模與虛擬仿真思路，提供了一種適用于稻麥秸稈撿拾割臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，為田間禾稈類作物收獲后的廢棄秸稈撿拾回收提供了參考。

關(guān)鍵詞：稻麥;撿拾割臺(tái);設(shè)計(jì)方法;虛擬仿真;撿拾效果

秸稈是僅次于煤炭、石油以及天然氣的全球第四大能源，在世界能源總消費(fèi)量中占14%。近年來(lái)，稻麥?zhǔn)斋@后廢棄田間的秸稈焚燒已嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量，破壞了土壤和生態(tài)環(huán)境，對(duì)公共安全帶來(lái)極大的隱患[1]。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約為7億噸，占全球秸稈產(chǎn)量的大約30%左右，可目前秸稈綜合利用率僅為33%。國(guó)內(nèi)外用于收獲稻麥秸稈及牧草的機(jī)器多為利用拖拉機(jī)牽引，自動(dòng)完成撿拾、喂入、壓縮和打捆等作業(yè)程序，在東北等大塊田地應(yīng)用廣泛[2]。但稻麥?zhǔn)斋@時(shí)，農(nóng)民為了提高收割效率以及減少收割機(jī)功率損耗，往往是高茬收割，留茬大于20cm，這不僅給后續(xù)農(nóng)田作業(yè)帶來(lái)了困難，還會(huì)極大的降低稻麥秸稈的回收利用率[3]。

本文提供了一種高留茬撿拾割臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，不僅能對(duì)散落在田間的作物秸稈進(jìn)行撿拾打捆，且可以對(duì)留茬較高的作物秸稈進(jìn)行切割回收，增加了秸稈的回收利用率，有利于保護(hù)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1.撿拾器重要參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

1.1撿拾器結(jié)構(gòu)及工作過程

撿拾裝置主要由撿拾機(jī)架、凸輪導(dǎo)軌、端蓋、滾筒盤、撿拾主軸、彈齒、彈齒支撐管、滾輪、曲柄、護(hù)條等組成，撿拾主軸的兩端分別通過軸承與端蓋連接，端蓋焊接在撿拾機(jī)架上。彈齒成排布置在彈齒支撐管上，彈齒支撐管周向均勻分布在滾筒盤上，滾筒圓盤焊接在撿拾主軸兩端;彈齒支撐管一端與曲柄成一角度固定連接，并通過滾輪放置在凸輪導(dǎo)軌上。

工作時(shí)，撿拾裝置撿拾主軸帶動(dòng)滾筒盤轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)彈齒支撐管轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪隨著彈齒支撐管在凸輪導(dǎo)軌上滾動(dòng)以控制彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)彈齒運(yùn)動(dòng)至撿拾器下方時(shí)，彈齒從護(hù)條伸出，撿拾散落在田間的稻麥秸稈并往上推舉;當(dāng)彈齒運(yùn)行到撿拾器上方時(shí)，需要將物料向后輸送并完成收齒的動(dòng)作。彈齒一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期需要完成放齒、撿拾、升運(yùn)輸送以及收齒四個(gè)動(dòng)作。

1.2彈齒撿拾器運(yùn)動(dòng)軌跡分析

撿拾器在作業(yè)時(shí)，彈齒不僅隨著滾筒繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還隨著自走式撿拾打捆機(jī)在水平方向勻速前進(jìn)[4]。彈齒的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，彈齒的擺動(dòng)和隨著機(jī)器水平勻速前進(jìn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成，彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為一條擺線。令λ=Rω/Vt，λ為擺線的特征參數(shù)，擺線的形狀取決于λ的大小。當(dāng)λ<1，曲線上每一點(diǎn)的水平分速度方向都與機(jī)器的前進(jìn)速度方向相同;當(dāng)λ=1，曲線只有在最高點(diǎn)時(shí)水平分速度為零，其余點(diǎn)的水平分速度方向與機(jī)器前進(jìn)速度方向相同;當(dāng)λ>1，曲線上存在某一段的水平分速度方向與機(jī)器前進(jìn)速度方向相反的點(diǎn)，具有向后輸送物料的條件。所以使自走式撿拾打捆機(jī)能正常作業(yè)的必要條件是λ>1，即滾筒的線速度大于機(jī)器前進(jìn)速度。

1.3秸稈撿拾性能分析

評(píng)價(jià)自走式撿拾打捆機(jī)撿拾性能的直接因素就是漏撿率的大小[5]，運(yùn)動(dòng)軌跡曲線中相鄰兩個(gè)彈齒軌跡曲線不重合的區(qū)域即為漏撿區(qū)，為了撿拾器在工作時(shí)不致漏撿，必須滿足的條件為：h ≤ H-d，h為撿漏區(qū)高度;H為護(hù)板離地高度;d為彈齒端部最小離地間隙。

自走式撿拾打捆機(jī)的撿拾質(zhì)量還與作物的破損率有關(guān)，為防止彈齒在撿拾過程中的帶草現(xiàn)象的發(fā)生，要求其撿拾器工作時(shí)放齒迅速，但端部線速度不能大于3m/s，否則會(huì)對(duì)物料造成較大沖擊;在物料升運(yùn)階段，要求速度平穩(wěn)、速率變化小;在收齒階段，要求彈齒端部線速度保持豎直向下[6]。

2. 撿拾切割裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計(jì)方法

2.1整機(jī)總體設(shè)計(jì)參數(shù)與方案

本文以現(xiàn)有稻麥聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)為研究樣機(jī)，其高留茬切割打捆機(jī)作業(yè)流程主要由撿拾、切割、輸送、喂入以及壓縮打捆等工藝組成[7]。其中，撿拾采用的是彈齒滾筒式撿拾器;切割是利用原機(jī)型割臺(tái)割刀對(duì)高留茬作物進(jìn)行切割;輸送采用的是原機(jī)型的鏈耙式輸送裝置以及脫粒輸送裝置;喂入機(jī)構(gòu)采用下喂入方式的撥叉喂入機(jī)構(gòu);壓縮打捆裝置采用對(duì)心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。配套動(dòng)力為88.2kw、撿拾幅寬為2.4m、留茬高度5-8m、壓縮活塞行程550mm、工作頻率93次/min。

2.2關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

撿拾裝置是自走式撿拾打捆機(jī)的核心部件，設(shè)計(jì)的撿拾裝置需要與稻麥聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的割臺(tái)相配合。通過測(cè)繪得到該作業(yè)機(jī)割臺(tái)左右側(cè)板的距離為2480mm，為了方便撿拾裝置安裝在割臺(tái)上，故設(shè)計(jì)撿拾器幅寬為2400mm。彈齒通常間距為63-100mm[8]，因此在長(zhǎng)2200mm的彈齒支撐管上布置11個(gè)彈齒;彈齒最小離地間隙d ≤20mm。為了保證彈齒的離地間隙為20mm，保證彈齒末端在最低位置時(shí)與護(hù)刃器的垂直距離為30mm，設(shè)計(jì)彈齒的長(zhǎng)度為185mm。由于撥禾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與撿拾裝置所需要的轉(zhuǎn)動(dòng)方向剛好相反，因此采用一對(duì)嚙合齒輪作為反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在撿拾裝置上。

3三維建模及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析方法

3.1撿拾裝置及割臺(tái)的三維建模與裝配

首先應(yīng)用Pro/E中的零部件繪制模塊根據(jù)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)的尺寸對(duì)每一個(gè)實(shí)體進(jìn)行單獨(dú)建模，全部完成后進(jìn)入裝配模塊將這些繪制好的單獨(dú)實(shí)體逐個(gè)進(jìn)行裝配[9]。經(jīng)過調(diào)整后，當(dāng)護(hù)條最下端與護(hù)刃器的垂直距離為120mm時(shí)可以保證留茬作物順暢通過，同時(shí)彈齒與切割器不會(huì)相碰，并且彈齒的最小離地間隙滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2撿拾裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

本文是通過ADAMS/Exchange模塊將Pro/E軟件的幾何圖形數(shù)據(jù)讀入ADAMS/View，將建好的Pro/Engineer文件*.asm另存為*.x_t文件后導(dǎo)入到ADAMS中，并添加約束、質(zhì)量屬性以及驅(qū)動(dòng)力。