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      齒盤式秸稈移位裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

      2022-01-19 08:33:02孫萌萌宋明翰何瑞銀魏清
      關(guān)鍵詞:齒盤偏角機(jī)具

      孫萌萌,宋明翰,何瑞銀,魏清

      (1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,南京市,210031;2.南京市高淳區(qū)禾田坊谷物種植家庭農(nóng)場(chǎng),南京市,211302)

      0 引言

      保護(hù)性耕作被稱為一項(xiàng)革命性的農(nóng)業(yè)技術(shù),是全世界應(yīng)用面積最大的農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)[1-3]。免耕播種機(jī)是保護(hù)性耕作技術(shù)中的重要機(jī)具[4],而秸稈移位裝置又是免耕播種機(jī)的關(guān)鍵部件,直接關(guān)系到播種質(zhì)量。秸稈移位裝置能夠清理種床,提高播種機(jī)的田間通過性以及播種質(zhì)量[5]。目前秸稈移位裝置主要分為主動(dòng)型和被動(dòng)型。主動(dòng)型適用于作業(yè)速度較高情況下,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性低[6-8]。被動(dòng)型主要有圓盤式[9]和齒盤撥草式[10-11],其中圓盤式工作時(shí)需要增加垂直載荷才能完成破茬作業(yè),存在土壤擾動(dòng)大、工作阻力大、功耗大等問題。齒盤撥草式裝置是旋轉(zhuǎn)齒盤在作業(yè)時(shí)可以使種帶上的秸稈推移、撥動(dòng)、挑起、最終排放至種帶兩側(cè),以此來實(shí)現(xiàn)“潔區(qū)”播種功能,對(duì)土壤的擾動(dòng)量較小,通常安裝于免耕播種機(jī)前部。曹鑫鵬等[12]對(duì)玉米免耕播種機(jī)的側(cè)置切刀與撥茬齒盤進(jìn)行性能分析,確定影響清茬的主要因素并運(yùn)用EDEM仿真進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn),進(jìn)一步提高清茬性能。目前齒盤撥草式裝置在國外運(yùn)用較為廣泛,針對(duì)我國油菜種植時(shí)秸稈覆蓋量大的問題,目前還難以適用,故還未大面積推廣。本文對(duì)齒盤式的秸稈移位裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì),以滿足油菜播種要求,運(yùn)用EDEM進(jìn)行仿真分析,得到齒盤工作的最佳參數(shù)組合,并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

      1 秸稈移位裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

      本文設(shè)計(jì)的齒盤式秸稈移位裝置(圖1),輪齒均勻分布于齒盤周圍,該裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的壓、挑、撥、排放等作業(yè)過程,齒盤式秸稈移位裝置呈現(xiàn)“八”字型排列,具有撥草與分草兩種功能。

      圖1 秸稈移位裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of straw displacement device1.限位調(diào)節(jié)螺栓 2.開溝器立柱 3.銷軸 4.連接擺臂 5.齒盤

      該裝置由齒盤、連接臂、限位螺桿、限位彈簧等部件組成,其中限位彈簧是為了保證該裝置在實(shí)際工作中遇到地表起伏不平情況時(shí)能夠具有一定的入土深度,使裝置具有仿形功能,保證種床清秸質(zhì)量。該裝置通過限位螺母安裝在機(jī)架上,隨著機(jī)具前進(jìn)而開始回轉(zhuǎn)作業(yè),達(dá)到清理種床的功能。

      2 秸稈移位裝置的運(yùn)動(dòng)分析

      機(jī)具正常作業(yè)時(shí),兩個(gè)齒盤呈現(xiàn)“八”字型排列,齒盤運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)為復(fù)合運(yùn)動(dòng)?,F(xiàn)以齒盤中心為原點(diǎn),構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系,其中x軸平行于齒盤平面,y軸垂直于齒盤平面,z軸垂直于水平面。秸稈移位裝置齒盤平面運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示,其中機(jī)具的前進(jìn)速度為v,齒盤的回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)o的運(yùn)動(dòng)軌跡與機(jī)具的前進(jìn)軌跡一致,運(yùn)動(dòng)偏角γ為齒盤運(yùn)動(dòng)過程中齒盤與前進(jìn)方向的夾角。當(dāng)機(jī)具以速度v勻速工作時(shí),齒盤處最低點(diǎn)a點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程如式(1)所示。

      圖2 齒盤運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of motion analysis

      (1)

      式中:v——機(jī)具前進(jìn)速度,m/s;

      γ——齒盤運(yùn)動(dòng)偏角,(°);

      ω——齒盤旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;

      R——齒盤半徑,m。

      齒盤輪齒上的任意一點(diǎn)軌跡運(yùn)動(dòng)為螺旋式前進(jìn)運(yùn)動(dòng),由圖3所示,假設(shè)齒盤隨著機(jī)具工作轉(zhuǎn)動(dòng)了一圈,那么其中心由a點(diǎn)移動(dòng)到了b點(diǎn),此過程可以視為齒盤由a點(diǎn)滾動(dòng)到了c點(diǎn),再由c點(diǎn)滑動(dòng)到了b點(diǎn)兩個(gè)過程。其中ac為齒盤的滾動(dòng)距離,bc為齒盤的滑動(dòng)距離,當(dāng)ac距離一定時(shí),bc距離越大,秸稈的側(cè)向移位就越明顯。bc距離與γ相關(guān),在0~45°的范圍中,位移偏角越大,秸稈的側(cè)向移位越明顯。因此,前進(jìn)速度v與位移偏角γ是影響秸稈移位效果的重要因素之一。

      圖3 ozy平面中點(diǎn)的運(yùn)行軌跡Fig.3 Locus of the midpoint in ozy plane

      3 秸稈移位裝置關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

      3.1 齒盤傾向

      齒盤作業(yè)是通過齒盤齒爪在前進(jìn)過程中將接觸到的秸稈撥向兩側(cè),完成秸稈移位功能。當(dāng)齒盤前進(jìn)方向恒定時(shí),齒盤排列方式可依據(jù)齒爪的方向與速度方向是否一致分為前傾排列與后傾排列,如圖4所示。

      前傾排列的齒盤低速作業(yè)情況下,齒爪撿拾的秸稈無法拋出,從爪間自動(dòng)落下;齒盤在高速作業(yè)情況下,秸稈及雜草在齒爪間會(huì)發(fā)生自鎖,不會(huì)被拋出也不會(huì)掉落。齒盤傾向?yàn)楹髢A方式時(shí),傾角增加有利于秸稈及雜草外拋,秸稈及雜草越接近齒盤輪爪端部,向外拋送所滿足的角速度越低,越易脫茬[13],一般拋擲性能機(jī)具均布置成后傾形式。

      (a)前傾

      3.2 齒盤位移偏角

      齒盤的嚙合高度h是兩齒盤嚙合點(diǎn)距離地面的高度,對(duì)移位秸稈效果有著重要的影響。齒盤的設(shè)計(jì)過程中,嚙合點(diǎn)高度一般應(yīng)略小于田間秸稈的覆蓋高度H[14],當(dāng)h>H時(shí),部分秸稈往往會(huì)由兩齒盤縫隙之中遺漏,無法到達(dá)理想的清秸效果;當(dāng)h

      當(dāng)水稻收獲后,假設(shè)秸稈均勻鋪設(shè)于地表,本文不考慮秸稈殘茬對(duì)覆蓋高度的影響,水稻秸稈的覆蓋高度一般在80~100 mm,如圖5所示。為了適應(yīng)不同覆蓋量的秸稈覆蓋高度,嚙合高度h取值為80 mm。

      圖5 田間秸稈覆蓋高度Fig.5 Straw covers height in the field

      我國保護(hù)性耕作中,條帶幅寬在10~15 cm之間,由式(2)可得,工作幅寬b與位移偏角γ、齒盤半徑R之間的函數(shù)關(guān)系。

      (2)

      為探究齒盤半徑R、位移偏角γ對(duì)工作幅寬的影響關(guān)系,對(duì)式(2)分別進(jìn)行求導(dǎo)得

      (3)

      (4)

      為探究齒盤半徑R、位移偏角γ對(duì)工作幅寬的影響程度,將式(3)、式(4)相除,得到

      (5)

      圖6 工作幅寬與位移偏角、齒盤半徑的曲線關(guān)系Fig.6 Curve relationship between working width,displacement deflection angle and tooth disc radius

      因此,半徑R的變化產(chǎn)生的幅寬變化程度相對(duì)于位移偏角γ變化產(chǎn)生的幅寬變化可以忽略不計(jì),故將半徑R看作常量,由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

      D=kd

      (6)

      式中:D——齒盤直徑,cm;

      d——入土深度,cm;

      k——徑深比。

      查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得齒盤徑深比k為5~7,取入土深度為2~4 cm,齒盤直徑取20 cm,將數(shù)據(jù)代入式(2)中得到位移偏角的取值為10.2°~32.5°之間。

      3.3 齒盤形狀

      圖7 超高分子聚乙烯材料打印實(shí)物Fig.7 Ultra-high molecular weight polyethylene material printing material

      依據(jù)撥草輪的設(shè)計(jì)要求,齒數(shù)通常為8~14齒的要求,參照同類機(jī)型,選用輪齒數(shù)目為12齒,選用超高分子聚乙烯制作,如圖7所示。

      4 EDEM仿真試驗(yàn)

      仿真試驗(yàn)探究前進(jìn)速度、位移偏角對(duì)于秸稈清除效果的影響,并確定機(jī)具前進(jìn)速度、位移偏角的最優(yōu)參數(shù)組合。

      4.1 秸稈移位裝置與秸稈—土壤模型構(gòu)建

      齒盤—秸稈—土壤之間的相互作用機(jī)理對(duì)于機(jī)構(gòu)秸稈清理的作業(yè)過程分析至關(guān)重要。擬定秸稈移位裝置的作業(yè)條件為秸稈粉碎還田、地表秸稈長度均勻、秸稈覆蓋均勻,依據(jù)秸稈還田的技術(shù)要求,秸稈的長度通常為5~12 cm。將SolidWorks軟件中繪制的秸稈移位裝置模型(圖8)、土槽模型轉(zhuǎn)換成STEP格式導(dǎo)入EDEM軟件中,如圖9所示。仿真條件設(shè)定為:土壤顆粒為直徑8 mm球型[15],如圖10所示,秸稈顆粒為直徑16 mm的顆粒模型,通過8個(gè)直徑為16 mm的秸稈顆粒以球心間隔8 mm構(gòu)建秸稈模型[16],如圖11所示。

      圖8 秸稈移位裝置模型Fig.8 Straw displacement device model

      圖9 秸稈—土壤模型Fig.9 Straw soil model

      圖10 土壤顆粒模型Fig.10 Soil particle model

      圖11 秸稈模型Fig.11 Straw model

      依據(jù)條帶油菜播種機(jī)前進(jìn)速度以及位移偏角等因素設(shè)置秸稈移位裝置的仿真時(shí)長,待秸稈—土壤土槽模型鋪設(shè)完成后,將秸稈移位裝置導(dǎo)入EDEM模型的一端,調(diào)節(jié)齒盤的觸土深度d=2 cm,設(shè)定裝置的前進(jìn)速度、位移偏角。

      4.2 秸稈移位裝置仿真的主要參數(shù)

      仿真模擬參數(shù)如表1所示。

      表1 仿真模擬參數(shù)表Tab.1 Tab of simulation parameters

      EDEM仿真時(shí)所需的一些物理和力學(xué)參數(shù)依據(jù)參考文獻(xiàn)[17]設(shè)定,其中包括:秸稈、土壤、齒盤三者兩兩之間的恢復(fù)系數(shù)、摩擦因素以及各材料本征參數(shù)。本文秸稈—土壤—秸稈移位裝置的接觸方式均為剛性物體的低速碰撞,恢復(fù)系數(shù)僅和材料本身有關(guān)。

      4.3 仿真結(jié)果與分析

      以機(jī)具的前進(jìn)速度、位移偏角為因素,前進(jìn)速度的取值為0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s,位移偏角的取值為10°、20°、30°,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)來尋求最佳的參數(shù)組合,正交試驗(yàn)表如表2所示。

      表2 因素編碼表Tab.2 Factor coding table

      仿真試驗(yàn)方案以及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。運(yùn)用Design-expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,方差分析的結(jié)果如表4所示。模型的P值為0.000 1,則模型顯著。由表4中各項(xiàng)因素的P值可以看出,機(jī)具的前進(jìn)速度、位移偏角對(duì)秸稈清除率均有顯著影響。

      昨日歡聚,今朝又赴前程,歷史的車輪駛進(jìn)2019。這是一個(gè)“船到中流浪更急,人到半山路更陡的時(shí)候,是一個(gè)愈進(jìn)愈難、愈進(jìn)愈險(xiǎn)而又不進(jìn)則退、非進(jìn)不可的時(shí)候”,也注定了2019年又是一個(gè)新時(shí)代的開篇之年。

      表3 仿真試驗(yàn)方案以及試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Simulation test scheme

      表4 方差分析結(jié)果Tab.4 ANOVA results

      運(yùn)用Design-expert軟件繪制響應(yīng)曲面圖如圖12所示,可以看出,秸稈清除率與位移偏角以及前進(jìn)速度均呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系,當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí),位移偏角越大,裝置的秸稈清除效果越好;當(dāng)位移偏角一定時(shí),機(jī)具前進(jìn)速度越大,裝置的秸稈清除效果越好。當(dāng)前進(jìn)速度為0.6 m/s、位移偏角為30°時(shí)秸稈清除率達(dá)到最大值64.70%;當(dāng)前進(jìn)速度為0.4 m/s、位移偏角為10°時(shí)秸稈清除率達(dá)最小值35.63%。

      圖12 響應(yīng)面圖Fig.12 Response surface graph

      5 臺(tái)架試驗(yàn)

      5.1 試驗(yàn)材料及方法

      試驗(yàn)用秸稈為華粳5水稻秸稈,試驗(yàn)前對(duì)秸稈進(jìn)行人工處理,均勻剪成長度為8 cm,通過試驗(yàn)測(cè)定秸稈的物理特性如下:含水率為18.5%、秸稈密度為895.7 g/m2;測(cè)定0~5 cm的土壤含水率為28.54%,土壤容重為1.29 g/cm3,土壤堅(jiān)實(shí)度為165.3 kPa;前進(jìn)速度、位移偏角取仿真試驗(yàn)中裝置最佳組合,對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

      在裝置作業(yè)后的地表上,沿著條帶區(qū)域隨機(jī)選取5個(gè)取樣點(diǎn),測(cè)量條帶上地表秸稈質(zhì)量,試驗(yàn)重復(fù)3次,共計(jì)15個(gè)測(cè)量點(diǎn),進(jìn)行秸稈清除率的計(jì)算,故本裝置的秸稈清除率即為所測(cè)點(diǎn)處秸稈清除率的平均值。

      (7)

      (8)

      式中:ni——測(cè)量點(diǎn)的秸稈清除率,%;

      k1——機(jī)具作業(yè)前種床上秸稈質(zhì)量,g;

      k2——機(jī)具作業(yè)后種床上秸稈質(zhì)量,g。

      5.2 試驗(yàn)設(shè)備

      試驗(yàn)設(shè)備及工具包括:卷尺、電子天平(精度0.01 g)、滑軌式試驗(yàn)臺(tái)(圖13)、秒表等。

      圖13 試驗(yàn)臺(tái)架Fig.13 Test bench

      5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

      從表5可以看出,當(dāng)裝置參數(shù)組合為前進(jìn)速度0.6 m/s、位移偏角30°時(shí),秸稈清除率為60.69%,由于田間實(shí)際的作業(yè)條件以及秸稈的物理特性與仿真模型存在偏差,因此臺(tái)架試驗(yàn)基本符合仿真試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。

      表5 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Tab.5 Measurement results of arrangement test %

      6 結(jié)論

      1)設(shè)計(jì)了一種齒盤式的秸稈移位裝置,通過對(duì)齒盤的運(yùn)動(dòng)分析,確定了影響秸稈清理的關(guān)鍵因素。通過文獻(xiàn)比較、計(jì)算分析確定了齒盤的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),其嚙合高度為80 mm,齒盤厚度為6 mm,齒數(shù)為12,位移偏角為30°,保證了秸稈的清理效果。

      2)利用離散元仿真,確定了裝置秸稈清除效果的最佳參數(shù)組合是為機(jī)具前進(jìn)速度0.6 m/s、齒盤位移偏角30°,此時(shí)秸稈清除率為64.7%。

      3)通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證表明當(dāng)前進(jìn)速度為0.6 m/s,位移偏角30°時(shí)秸稈清除率為60.69%,與仿真結(jié)果基本一致,滿足設(shè)計(jì)要求。

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