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1JHL-2型秸稈深埋還田機設(shè)計與試驗

2017-11-13 01:34李寶筏
農(nóng)業(yè)工程學報 2017年20期
關(guān)鍵詞:耕層開溝輸送帶

林 靜,馬 鐵,李寶筏

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1JHL-2型秸稈深埋還田機設(shè)計與試驗

林 靜,馬 鐵,李寶筏

(沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院,沈陽 110866)

為了改善土壤耕層結(jié)構(gòu),協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣矛盾,有機養(yǎng)分消耗與積累矛盾,實現(xiàn)秸稈深埋還田,研制了1JHL-2型秸稈深埋還田機,主要由秸稈粉碎裝置、螺旋開溝裝置、輸送裝置、落料裝置和覆土裝置等組成。該機具收集兩壟秸稈埋于一條壟溝,可實現(xiàn)秸稈壟溝隔行交替深埋,一次完成秸稈粉碎、收集、開溝、深埋、鎮(zhèn)壓等多項作業(yè),適用于東北平原中南部棕壤土區(qū)合理耕層構(gòu)建的秸稈深埋還田的技術(shù)要求。通過對秸稈在輸送裝置上的斜拋運動分析和土壤顆粒相對于螺旋式開溝器動力學分析,確定了機具的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù):秸稈粉碎裝置的作業(yè)幅寬為120 cm,輸送裝置的工作寬度為80 cm,螺旋式開溝器開溝寬度為40 cm;秸稈粉碎軸轉(zhuǎn)速為1 620 r/min,Y型甩刀的刀尖線速度為40 m/s,輸送帶帶速為1.416 m/s。通過田間試驗得到,在機具前進速度為3 km/h,開溝裝置轉(zhuǎn)速為270 r/min,開溝深度為28 cm的情況下,秸稈切碎合格率為93.5%,秸稈深埋率為92%。達到了秸稈深埋還田、增強土壤有機質(zhì)的要求,實現(xiàn)虛實并存的耕層結(jié)構(gòu),為秸稈深埋還田機的設(shè)計和評價提供參考。

農(nóng)業(yè)機械;設(shè)計;農(nóng)作物;秸稈深埋還田;合理耕層;螺旋開溝器;運動學分析

0 引 言

中國秸稈資源十分豐富,目前年產(chǎn)各種作物秸稈約為6′1011~8′1011kg,但是僅有1/4的秸稈用于還田,大量的秸稈被焚燒、堆積或遺棄,既造成資源浪費,又造成環(huán)境污染。焚燒秸稈還會造成土壤水分的蒸發(fā)及土壤結(jié)構(gòu)的破壞,使土壤板結(jié),肥力下降,土壤生態(tài)系統(tǒng)惡化,作物產(chǎn)量下降。秸稈還田對土壤的理化性狀有很好的改善作用,是秸稈綜合利用的一項重要技術(shù)。秸稈深埋,在分解過程中進行礦化釋放養(yǎng)分,同時也進行腐殖化,增加土壤有機質(zhì)含量,降低土壤容重,增加土壤孔隙度,改善土壤結(jié)構(gòu),進而提高保水、透氣、保肥等效果,提高了土壤本身調(diào)節(jié)水、肥、氣、熱的能力,有效地改善土壤耕層結(jié)構(gòu)[1-13]。

為了有效解決耕層質(zhì)量問題,國內(nèi)很多學者開始進行秸稈還田機方式和配套機具研究。于寒等研究了不同形式的秸稈還田方式對土壤的影響,得出在玉米連作的土壤中,秸稈深埋能顯著提高土壤中的微生物量,含碳量,降低真菌數(shù)量,提高土壤活性[14]。王奇從理論上對水稻整稈深埋還田的作業(yè)方式、還田刀具及裝置進行了研究[15]。李真通過試驗驗證,玉米整桿深埋還田能使土壤蓄水保墑,玉米根莖粗壯,使玉米增產(chǎn)5.49%[16]。朱家廣等研制了1L-120SM型根茬秸稈深埋犁[17]。田家治等為解決留茬地的秸稈深埋問題,研制了1LF-2型秸稈深埋翻耕犁[18]。毛罕平等研制成功秸稈粉碎深埋復式作業(yè)機,將秸稈與土壤進行混拌,但不能夠進行間作業(yè)[19]。王川等研制了一種秸稈深埋保護性耕作復合機能將地面90%的秸稈深埋到地表10 cm以下[20]。

目前秸稈深埋還田機亟待解決的問題是:秸稈的粉碎程度低于國家標準,未粉碎至10 cm以下;秸稈還田的深度較淺,多為地表覆蓋或者淺層還田至地表以下10 cm的土壤中[21-23]。因此,結(jié)合目前中國秸稈還田機械的研究現(xiàn)狀以及東北地區(qū)玉米田間土壤的實際情況,依據(jù)農(nóng)學和土壤專家提出在東北地區(qū)推行的“苗帶緊,行間松”和隔行深埋的技術(shù)要求[24-29],研制一種秸稈深埋還田機,為雨養(yǎng)旱地合理耕層構(gòu)建配套機具,滿足秸稈隔行深埋的要求,減少機具的進地次數(shù),降低農(nóng)民的生產(chǎn)成本,具有重要的科學研究價值與生產(chǎn)應(yīng)用的前景。

1 整機的總體結(jié)構(gòu)與工作機理

1.1 整機的總體結(jié)構(gòu)

1JHL-2型秸稈深埋還田機,采用三點懸掛的方式與拖拉機掛接,由前端至后端依次設(shè)置的關(guān)鍵部件有秸稈粉碎裝置、彈齒式升運裝置、螺旋式開溝裝置、落料裝置、覆土裝置以及鎮(zhèn)壓裝置,結(jié)構(gòu)如圖1所示。輔助部件包括機架、前置傳動箱、傳動裝置、后置傳動箱等。秸稈粉碎裝置的軸連接前置傳動箱的動力輸出軸;輸送裝置傾斜安裝,兩端分別與秸稈粉碎裝置和落料裝置相接;螺旋式開溝裝置安裝在后置傳動箱下方,圓盤開溝裝置位于螺旋式開溝裝置之前。圓盤開溝裝置切開土壤,減小螺旋式開溝裝置的工作阻力。落料裝置位于螺旋式開溝裝置和覆土裝置之間。機具在作業(yè)中一次可完成秸稈粉碎收集、秸稈深埋、鎮(zhèn)壓等多項聯(lián)合作業(yè),實現(xiàn)“苗帶緊,行間松”和隔行深埋的技術(shù)要求。

1.機架 2.輸送裝置 3.落料裝置 4.覆土裝置 5.鎮(zhèn)壓裝置 6.后置傳動箱 7.螺旋式開溝器 8.圓盤開溝器 9.秸稈粉碎裝置 10.前置傳動箱 11.懸掛裝置

1.2 工作機理

秸稈深埋還田機與拖拉機進行掛接后,拖拉機動力輸出軸通過聯(lián)軸器將動力傳至機具的前置傳動箱。分別通過帶傳動和鏈傳動傳遞到秸稈粉碎裝置和后置傳動箱。后置傳動箱為螺旋式開溝器、輸送裝置和秸稈撥軸提供動力。機具工作時,覆蓋在地表的秸稈進入秸稈粉碎裝置前端的擋草簾,秸稈粉碎軸在帶輪的帶動下反轉(zhuǎn)(順時針旋轉(zhuǎn))。被打碎后的秸稈向后拋起,在秸稈粉碎裝置外殼的遮擋作用下,落到秸稈粉碎裝置后端的接料板上(秸稈長度打碎至5 cm以下)。接料板上開設(shè)槽口,彈齒式輸送裝置從槽口處將粉碎后的秸稈摟到輸送帶上。由輸送帶向上輸送,到達頂部后,秸稈拋落至落料裝置。螺旋式開溝器開出深溝,秸稈通過落料裝置落到所開溝內(nèi),最后通過覆土器將土壤填回溝內(nèi)將秸稈覆蓋,覆土器設(shè)置有高度調(diào)節(jié)孔,可根據(jù)覆土量的大小調(diào)節(jié)覆土器的高度。松土覆蓋后,由鎮(zhèn)壓器將松土壓實。防土壤過松跑墑,改善土壤耕層結(jié)構(gòu),達到保水、吸水、透氣、保溫等合理耕層結(jié)構(gòu),增加土壤肥力和有機質(zhì)含量,使大量廢棄的秸稈深埋還田。避免秸稈地表還田造成的使土壤過松導致跑風,易發(fā)生病蟲害,與作物幼苗爭奪養(yǎng)分等問題。

1.3 動力配套

機具動力由拖拉機動力輸出軸提供。由經(jīng)驗公式可知拖拉機的最大功率輸出max為

式中max為拖拉機最大輸出功率,kW;為動力輸出軸負載的功率消耗,kW;F為機具的牽引阻力,N;M為拖拉機使用質(zhì)量,kg;為拖拉機的滾動阻力系數(shù)(取值為0.8);為拖拉機作業(yè)速度,km/h;為重力加速度,m/s2。

其中拖拉機動力輸出軸負載的功率主要包括秸稈粉碎裝置消耗的功率1、輸送裝置消耗的功率2和螺旋開溝裝置消耗的功率3。1可以參考寬幅為1.2 m的甩刀型秸稈還田機的功率,取值為3.89 kW;輸送裝置功率2可由式(2)確定。

式中秸稈密度,kg/m3;輸送帶上秸稈的體積,kg;輸送帶質(zhì)量,kg;輸送帶的升運速度,m/s;計算得2=13.4 kW。

開溝器的功率3可由式(3)確定。

式中為開溝比阻(取值為20 N/cm2);H為開溝深度,cm;為開溝寬度,cm;計算得3=20 kW。

將得到的各個部分功率累加得到為37.29 kW??紤]到其他工作部件消耗的功率,取值為40 kW,阻力F為24 kN。田間試驗選擇John Deere1354拖拉機提供動力,M為4 570 kg,代入式(1)可得max=100 kW。1JHL-2型秸稈深埋還田機的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 1JHL-2型秸稈深埋還田機技術(shù)參數(shù)

1.4 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

如圖2所示,拖拉機動力輸出軸將動力傳至前置傳動箱,經(jīng)過傳動箱變速之后,動力向兩側(cè)傳動,經(jīng)前置傳動箱輸出軸2和前置傳動箱輸出軸9,分別傳給鏈輪3和帶輪10,傳動比分別為1.8和1。帶輪10帶動帶輪8,傳動比為1:3。鏈輪3帶動鏈輪5,傳動比為15:13。經(jīng)輸入軸4傳至后置傳動箱,動力向下傳至螺旋式開溝器,向側(cè)面經(jīng)輸出軸11將動力輸出;帶輪12帶動帶輪13和帶輪14,傳動比均為1。

1.秸稈粉碎軸 2.前置傳動箱鏈輪輸出軸 3.主動鏈輪 4.后置傳動箱輸入軸 5.從動鏈輪 6.輸送帶主動軸 7.秸稈撥軸 8.秸稈粉碎傳動從動帶輪 9.前置傳動箱帶輪輸出軸 10.秸稈粉碎傳動主動帶輪 11.后置傳動箱帶輪輸出軸 12.主動帶輪 13.輸送帶主動軸從動帶輪 14.秸稈撥軸從動帶輪

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 秸稈粉碎裝置的設(shè)計

秸稈粉碎裝置的作用是將聯(lián)合收獲機收獲之后鋪撒在地表的秸稈進行進一步粉碎并收集到輸送裝置上。秸稈粉碎裝置主要由秸稈粉碎軸、Y型甩刀、安裝架、外殼、擋草簾等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.秸稈粉碎軸 2.Y型甩刀 3.安裝架 4.外殼 5.擋草簾

2.1.1 秸稈粉碎軸的設(shè)計

秸稈粉碎軸采用10 mm厚壁鋼管制成,直徑為150 mm,通過焊接于兩端的軸頭安裝于秸稈粉碎裝置外殼上。為實現(xiàn)切碎和撿拾秸稈的作用,秸稈粉碎軸轉(zhuǎn)向應(yīng)為反轉(zhuǎn)。秸稈粉碎裝置秸稈粉碎過程屬于無支撐切割。這種切割方式對于刀尖線速度要求較高,對玉米秸稈進行切碎作業(yè)時,刀尖線速度不小于30 m/s,否則會影響秸稈的粉碎效果[30]。刀尖線速度取決于秸稈粉碎軸的回轉(zhuǎn)半徑及轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速大小對秸稈粉碎裝置及整機的平衡、振動及秸稈粉碎效果有較大影響。在轉(zhuǎn)速一定的情況下,增大回轉(zhuǎn)半徑可增大刀尖線速度,但秸稈粉碎軸的動不平衡因素也隨之增大,使裝置振動劇烈。結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有秸稈粉碎還田機參數(shù)和刀尖要求的最小線速度,確定秸稈粉碎裝置回轉(zhuǎn)半徑為235 mm,秸稈粉碎軸轉(zhuǎn)速為1 620 r/min,刀尖線速度為40 m/s。

2.1.2 秸稈粉碎刀具的選擇

常見的粉碎刀具包括錘爪型粉碎刀、甩刀型粉碎刀和直刀型粉碎刀3種。甩刀型粉碎刀在田間作業(yè)時隨秸稈粉碎軸高速旋轉(zhuǎn),沖擊并切斷秸稈,粉碎效率高,具備良好的秸稈粉碎和撿拾能力,切碎性能優(yōu)于直刀型粉碎刀,功耗小于錘爪型粉碎刀,滿足秸稈粉碎裝置粉碎和收集秸稈的要求,因此選用甩刀型粉碎刀。將兩片彎刀背對成一組刀具安裝于秸稈粉碎軸的刀座上,甩刀與刀座之間留有0.5 mm的間隙,在保證甩刀不軸向躥動的同時能夠自由轉(zhuǎn)動。定刀焊接在秸稈粉碎裝置外殼上,間距為145 mm。秸稈粉碎裝置刀具組合形式,如圖4所示。

1.Y型甩刀 2.刀座 3.定刀

2.1.3 Y型甩刀在秸稈粉碎軸上的排列

刀具的數(shù)量和排列方式直接影響著秸稈粉碎裝置的粉碎效果、工作阻力以及機具的振動頻率等[31]。參考農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊,對于Y型甩刀,其安裝密度一般為0.23~0.4個/cm,秸稈粉碎裝置的工作幅寬為120 cm,其合理安裝個數(shù)[32]為28~48個。考慮到秸稈粉碎裝置的功率消耗不可過大,故秸稈粉碎軸上共安裝16組刀具,共32把Y型甩刀。16組刀具分為兩大組,按照雙螺旋線排列,相鄰兩組刀具軸向距離為150 mm。位于同一條螺旋線上的相鄰兩組刀具的徑向夾角為72°,如圖5所示。工作過程中,每次最多有2把甩刀同時作業(yè),能夠減少工作阻力,提高使用壽命。

圖5 Y型甩刀在秸稈粉碎軸上排列規(guī)律

2.2 輸送裝置的設(shè)計

輸送裝置是根據(jù)牧草撿拾裝置中的滑道升運器式撿拾器改進而成,其動力由后置傳動箱提供[33-34]。輸送裝置主要由輸送帶、彈齒軸、彈齒、短柄、導槽板、輸送帶滾軸等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。輸送裝置與地面夾角為45°。由于只有向上輸送秸稈的作用,在過渡段和非工作段未與秸稈相接觸,因此相對于滑道升運器式撿拾器,其結(jié)構(gòu)和運動方式較為簡單,只需著重考慮彈齒間隙、升運速度等問題。根據(jù)傳統(tǒng)機具的設(shè)計經(jīng)驗,彈齒間距一般為63~100 mm??紤]到秸稈在秸稈粉碎裝置的粉碎下秸稈長度減小,結(jié)合工作幅寬,將彈齒間距設(shè)置為54 cm,每根彈齒軸上安裝6組彈齒。

1.輸送帶滾軸 2.輸送帶 3.彈齒 4.彈齒軸 5.短柄 6.導槽板

2.2.1 彈齒的運動過程

彈齒的工作過程應(yīng)滿足工作時伸出長度,非工作狀態(tài)下收起的要求。這樣可以有效節(jié)省機具的空間。如圖7所示,-段為工作段,彈齒與輸送帶角度為83°;-段為過渡段,彈齒逐漸縮回;-段為非工作段,彈齒與輸送帶平行;-段為過渡段,彈齒逐漸伸出直至工作狀態(tài)。

圖7 彈齒運動過程示意圖

2.2.2 輸送裝置秸稈喂入量的計算

根據(jù)田間實測,東北地區(qū)玉米收獲后田間秸稈的覆蓋厚度平均為3 cm。機具工作幅寬為1.2 m,前進速度為3 km/h。由

式中V為秸稈粉碎裝置每秒處理秸稈的體積,m3;S為秸稈覆蓋厚度,m;為機具工作幅寬,m;計算可得:V=0.029 m3。

輸送裝置秸稈輸送量為0.029 m3/s,輸送帶滾軸轉(zhuǎn)速為260 r/min,輸送帶表面的回轉(zhuǎn)半徑為0.052 m,輸送裝置的工作寬度為0.8 m。由

式中為輸送帶滾軸角速度,rad/s;為輸送帶滾軸轉(zhuǎn)速,rad/s;ν為輸送帶速度,m/s;為輸送帶表面回轉(zhuǎn)半徑,m;為秸稈在輸送帶上的厚度,m。計算可得:=27.227 rad/s,ν= 1.416 m/s,=0.017 5 m。

2.2.3 秸稈拋落速度分析

考慮到秸稈在輸送帶上參差不齊,可將輸送帶上秸稈模型厚度設(shè)為17.5 mm。秸稈隨輸送裝置輸送至最高點后,會脫離輸送帶,做斜拋運動進入落料裝置。選擇秸稈離開輸送帶時,距離秸稈厚度中心9 mm(秸稈厚度的1/2)處為質(zhì)點,分析秸稈斜拋運動情況,并繪制運動軌跡,可為落料裝置的設(shè)計提供理論依據(jù)。圖8為秸稈斜拋運動速度及軌跡圖。

注:ν為秸稈初始速度,m×s-1;νx為秸稈初始速度的水平分速度,m×s-1;νy為秸稈初始速度的垂直分速度,m×s-1;h為斜拋運動初始點與最高點的垂直距離,m;Ht為斜拋運動最高點與料口的垂直距離,m;S1為斜拋運動初始點與最高點的水平距離,m;S2為斜拋運動最高點與秸稈落到料口處的水平距離,m;α0為初始速度與水平面的夾角,(°)。

由于輸送裝置傾斜角為45°,水平分速度與垂直分速度關(guān)系為ν=ν=νcos0。段秸稈處于上升過程,由公式

計算得=0.05 m,1=0.1 m。段秸稈處于下降過程,豎直方向為自由落體運動,最高點距離集料口平面距離為0.267 m,由式(9)計算得2=0.23 m。秸稈離開輸送帶落入集料斗之前的水平位移為0.33 m,為落料裝置的尺寸設(shè)計和安裝位置提供了依據(jù)。

2.3 落料裝置的設(shè)計

落料裝置的作用是將輸送裝置輸送上來的秸稈倒入開溝器所開溝內(nèi)。落料裝置由集料斗、秸稈撥軸、落料管、輔助開溝器等組成。集料斗和落料管由薄鋼板折彎而成,輔助開溝器有地下工作部分,故采用強度更大的鋼板焊接而成。集料斗、落料管、輔助開溝器通過螺栓副連接,其結(jié)構(gòu)如圖9a所示。落料裝置后端與輸送裝置末端間距為490 mm,大于秸稈離開輸送裝置之后的水平位移,能夠保證秸稈落入集料斗中。

1.集料斗 2.秸稈撥軸 3.落料管 4.輔助開溝器 5.秸稈撥刀 6.螺栓副 7.刀座

秸稈撥軸是防止秸稈在集料斗內(nèi)發(fā)生堵塞的重要裝置。秸稈撥軸上安裝有秸稈撥刀,可以對秸稈進行二次粉碎。粉碎后的秸稈從輸送裝置上拋落,在秸稈撥刀的作用下繼續(xù)下落,沿落料管進入輔助開溝器。秸稈撥軸為方軸,每個面上安裝2把秸稈撥刀,間距為315 mm。8把秸稈撥刀相互交錯安裝,其結(jié)構(gòu)如圖9b所示。集料斗秸稈喂入量為1.6 m3/min,秸稈撥軸的轉(zhuǎn)速為260 r/min,理論上撥動秸稈的體積為13 m3/min,秸稈疏導量遠遠大于喂入量,因此可以有效的起到防堵作用。

2.4 螺旋式開溝器的設(shè)計

2.4.1 螺旋開溝器參數(shù)的設(shè)計和轉(zhuǎn)速的確定

根據(jù)東北平原中南部棕壤土區(qū)合理耕層構(gòu)建的秸稈深埋還田的技術(shù)要求,該機具開溝器設(shè)計為螺旋式。螺旋式開溝器開溝深度為30 cm,開溝寬度為40 cm,故螺旋葉片最大外緣直徑為40 cm,葉片厚度為3 mm。螺旋葉片焊接于直徑為10 cm的圓柱主體上,葉片邊緣部分開刃口。鉆尖部分高度為100 mm,鉆尖上的螺旋葉片厚度為3 mm,螺旋高度為80 mm,鉆尖與螺旋柱之間連接形式為焊接。為保證螺旋葉片的強度,所選用的材料為65Mn合金鋼,圓柱主體采用45號圓鋼。螺旋式開溝器的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

1.固定圓板 2.螺旋軸 3.螺旋葉片 4.鉆尖

螺旋葉片參數(shù)的設(shè)計主要是螺旋升角的確定。為了保證較高的開溝效率,開溝機的螺旋升角1=15°~20°,本機設(shè)計的螺旋升角最大為16°。螺旋開溝器每轉(zhuǎn)進給量S與螺旋葉片上一點運動方向與水平面的夾角(范圍為0.4°~1°,取值為1°)的關(guān)系可由式(10)確定。

式中為螺旋葉片外圓直徑,m。

變螺距螺旋葉片實質(zhì)是由變螺距螺旋線的若干條切線組成,而變螺距螺旋線是由圓柱母線上底部端點在母線繞軸心轉(zhuǎn)動過程中勻加速向上移動,所形成的若干點組成,將其展開到平面上為一條拋物線。若以圓柱底面圓心建立空間坐標軸,螺旋線方程可表示為

式中為螺旋葉片的半徑,m;1為母線轉(zhuǎn)動的圈數(shù);為母線經(jīng)過的弧長,m;為螺旋線方程二次項系數(shù);為螺旋線方程常數(shù)項系數(shù)。

對進行求導,可得變螺距螺旋線某一點螺旋角的正切值為

將初始位置′=tan1,1=0帶入公式(13)得常數(shù)項系數(shù)=tan1,變螺距螺旋線二次項系數(shù)為

式中1為螺旋外援上某一點螺旋線高度,m。

根據(jù)方程繪制變螺距螺旋線的形成過程,如圖11a所示。首先畫出螺旋的頂面圓和螺旋線的平面展開坐標系,將頂面圓平分為若干份(圖中為12份),根據(jù)螺旋線方程描出內(nèi)外螺旋上的坐標點,過坐標點向左做水平線,過頂面圓上的等分點向上做豎直線,將水平線和豎直線相交點(,, …,)用平滑曲線連接即為變螺距螺旋線。

a. 螺旋線形成示意圖

a. Sketch of blade cutting angle

注:為螺旋葉片外圓直徑,mm;為螺旋內(nèi)柱直徑,mm;h為螺旋葉片高度,mm;0為名義切土前角,(°);0為名義切土后角,(°);為實際切土前角,(°);為實際切土后角,(°);為螺旋葉片上一點運動方向與水平面的夾角,(°)。

Note:is diameter of outer edge of spiral blade, mm;is diameter of spiral column, mm;histhe height of spiral blade;0is nominal soil rake angle, (°);0is nominal soil shear angle, (°);is actual soil rake angle, (°);is actual soil shear angle, (°);is angle between movement direction of spiral blade and horizontal plane, (°).

b. 刀片切土角示意圖

b. Sketch of blade cutting angle

圖11 螺旋開溝器關(guān)鍵部件設(shè)計分析示意圖

Fig.11 Design and analysis sketch of critical component of spiral type opener

開溝器的轉(zhuǎn)速對實際開溝的效果影響很大,不僅影響開溝效率和功率,而且對螺旋葉片損傷很大。根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊,螺旋葉片外緣任意一點線速度應(yīng)小于10 m/s。螺旋開溝器轉(zhuǎn)速可由式(15)確定為

式中F為無因次相似準數(shù),2.5~4.5。

當螺旋升角為16°,為1°時,由農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊中查表可知,被輸送土壤的運動方向與水平面的夾角取值最小為16°。為保證土壤能順利排出螺旋體外,可適當增大取值。當取值為24°,螺旋升角為16°,為1°時。根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊中查表可得F為4.01。經(jīng)理論計算可得螺旋開溝器轉(zhuǎn)速為268 r/min。螺旋葉片下端刃口切土角參數(shù)選擇的原則是使切土扭矩和螺旋軸向力最小,在切削硬度比較大的土壤時,名義切土前角0=40°~45°,名義切土后角0=20°~25°,此時切削扭矩和阻力最小。在實際設(shè)計時,為保證刃口強度和耐磨性,實際切土前角可以適當增大。由于切土刀具焊接與螺旋葉片的下端初始部位,因此理論上切土后角等于螺旋葉片的初始角度,考慮到東北地區(qū)土壤堅實度較大,選擇理論上切土前角為50°。刀片切土角如圖11b所示。

開溝過程中,螺旋葉片不同半徑處個點的運動軌跡是螺旋升角不同的螺旋線,實際的切土角和理論上切土角是不等的,可由式(16)與式(17)計算。

式中S為螺旋開溝器每轉(zhuǎn)進給量,mm。

螺旋開溝器在切削土壤的工作過程中,螺旋葉片會受到土壤的反作用力。為保證螺旋開溝裝置工作時的橫向穩(wěn)定,防止受力不平衡,螺旋葉片刀具采用雙螺旋線布置形式。開溝時,為了避免底部土壤擠壓葉片,保證碎土能夠隨螺旋葉片帶出到地面,螺旋葉片刀具采用變螺距雙螺旋線的布置形式。理想耕層犁底層深度大約在25 cm左右。東北地區(qū)犁底層上移嚴重,大多為15~20 cm。由于犁底層土壤堅實度明顯大于耕層土壤,螺旋開溝器在工作過程中,下半部分螺旋所受的擠壓力較大;因此,在加工螺旋葉片時,可以對下部螺旋進行局部熱處理,增加其強度,防止變形。

2.4.2 土壤顆粒的運動學分析

為了便于分析土壤顆粒的運動過程和刀片的受力情況,將土壤看作一個質(zhì)點,分布于螺旋葉片上。機具前進速度和與轉(zhuǎn)速相比很慢,可以忽略不計。本過程忽略土壤顆粒在螺旋葉片上的徑向運動,只考慮土壤顆粒沿刃口部邊緣上升的過程。土壤被切削擠壓成散粒狀,在溝壁摩擦力的作用下,土粒角速度小于螺旋的回轉(zhuǎn)角速度。土粒沿著螺旋葉片滑動,使得土壤顆粒的絕對速度存在垂直向上的分量,即>0,土壤顆粒隨著螺旋葉片上升拋至兩側(cè),土壤顆粒的運動和受力情況,如圖12所示。

注:Fn1為螺旋葉片對土壤顆粒的支撐力,N;Fn2為溝壁對土壤顆粒的支撐力,N;F1為螺旋葉片對土壤顆粒的摩擦力,N;F2為溝壁對土壤顆粒的摩擦力,N;Fe為土壤顆粒的離心力,N;G為土壤顆粒的重力,N;V1為土壤顆粒隨葉片旋轉(zhuǎn)的速度,m×s-1;V2為土壤顆粒相對葉片運動的速度,m×s-1;V3為土壤顆粒的絕對速度,m×s-1;a為土壤顆粒所處點的螺旋升角,(°);β為土壤顆粒絕對速度與水平面的夾角,(°)。

3 田間試驗與分析

3.1 田間試驗條件與設(shè)備

裝置田間試驗于2017年4月24日在遼寧省鐵嶺縣蔡牛鎮(zhèn)張莊合作社玉米地塊進行,土壤類型為棕壤土。田間工況為春季玉米留茬地,留茬高度平均為18 cm,玉米播種行距55 cm,平均株距35 cm。秸稈覆蓋量平均為0.8 kg/m2,秸稈平均長度為10 cm。在田間沿著對角線選取9個點測量不同深度的土壤含水率和堅實度,5 cm深處土壤的平均含水率為27.4% ,土壤堅實度為1 258 kPa;10 cm深處土層土壤平均含水率為30%,土壤堅實度為1 294 kPa;20 cm深處土壤平均含水率為30.76%,土壤堅實度為1 344 kPa;25 cm深土壤平均含水率為31%,土壤堅實度為1 495 kPa。為獲得真實的土壤內(nèi)外摩擦角,用漏斗漏土形成土錐,測量土錐的底面直徑和高度后計算得土壤的內(nèi)摩擦角為36.90°。將土壤均勻撒在65Mn鋼板上慢慢抬高,當土壤顆粒開始滑動時,測量某一出土壤的高度和距離鋼板、地面接觸點的水平距離,測量后計算得,土壤與鋼板之間的摩擦角為28.10°。

試驗主要儀器設(shè)備:約翰迪爾1354型拖拉機,螺旋式開溝秸稈深埋還田機,SM-2 型高精度土壤水分測量儀(澳作生態(tài)儀器有限公司),測量范圍0.05~0.6 m3/m3,精度在0~40 ℃時為0.05 m3/m3;SC900 型土壤緊實度測量儀(澳作生態(tài)儀器有限公司),土壤深度測量量程0~45 cm、土壤堅實度測量量程0~7 000 kPa,最大加載95 kg,分辨率2.5 cm、35 kPa,質(zhì)量1.25 kg;皮尺,卷尺,直尺等輔助工具。

3.2 試驗指標

田間試驗以秸稈切碎合格率和深埋率為試驗指標,以秸稈還田機作業(yè)質(zhì)量國家標準NY/T 500-2002作為檢驗標準。秸稈切碎合格率的計算公式為

式中為秸稈切碎合格率,%;1為取樣點作業(yè)前秸稈的平均長度,cm;2為取樣點作業(yè)后的秸稈的平均長度,cm。秸稈深埋率的計算公式為

式中為深埋率,%;1為取樣點作業(yè)前單位面積的秸稈質(zhì)量,kg;2為取樣點作業(yè)后的秸稈質(zhì)量,kg。

3.3 結(jié)果與分析

首先在試驗田中隨機選取5組等面積的地塊,按照機具前進速度為3 km/h、開溝器轉(zhuǎn)速為270 r/min、開溝深度為28 cm進行5次試驗,每個地塊進行一次,前進距離不低于50 m,每次作業(yè)完成后,隨機在作業(yè)區(qū)域選取5個點,以該點為中心畫出120 cm′60 cm的矩形區(qū)域,稱重統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)的秸稈切碎合格率和秸稈深埋率,取5次試驗的平均值作為試驗的結(jié)果值。經(jīng)過試驗,得到切碎后秸稈長度為3~5 cm,切碎合格率為93.5%,深埋合格率為92%,該結(jié)果符合農(nóng)業(yè)技術(shù)要求和國家標準,能夠?qū)崿F(xiàn)秸稈深埋還田的技術(shù)要求。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)東北平原中南部棕壤土區(qū)秸稈深埋還田的技術(shù)要求,研制了1JHL-2型秸稈深埋還田機,在作業(yè)中一次可完成秸稈粉碎、收集、深埋、覆土鎮(zhèn)壓等多功能聯(lián)合作業(yè),實現(xiàn)虛實并存的耕層結(jié)構(gòu),有效實現(xiàn)秸稈深埋還田、培肥地力,增強土壤有機質(zhì)的作用。

2)通過對秸稈粉碎和輸送裝置動力學分析,秸稈粉碎軸的轉(zhuǎn)速為1 620 r/min,輸送帶的輸送速度為1.416 m/s,Y型甩刀刀尖線速度40 m/s,秸稈撿拾效果良好,滿足機具作業(yè)要求。通過對螺旋開溝過程中土壤顆粒的運動和受力分析,確定了螺旋式開溝器螺旋升角最大為16°。

3)通過機具田間試驗,在機具前進速度為3 km/h、開溝器轉(zhuǎn)速為270 r/min、開溝深度為28 cm時,秸稈長度粉碎至5 cm以下,切碎合格率為93.5%,秸稈深埋合格率為92%,達到了秸稈深埋還田機作業(yè)質(zhì)量要求,滿足東北平原中南部棕壤土區(qū)的秸稈深埋還田的技術(shù)要求,可為秸稈深埋還田機的設(shè)計和評價提供參考。

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Design and test of 1JHL-2 type straw deep burying and returning machine

Lin Jing, Ma Tie, Li Baofa

(110866,)

Crop straw is one of the main wastes in agricultural production; it contains nitrogen, phosphorus, potassium and trace elements. Crop straw resource in China is very rich, the current annual output of crop straw is about 6′108- 8′108t. However, only 1/4 of the straw are returned to field, some are used for animal feed, or for fuel, but a large number of straw are burned, or piled up or abandoned. This not only wastes valuable resources, but also causes environmental pollution. For example, the burning of straw will cause soil water evaporation, soil structure destruction, the soil compaction, the soil fertility decline, and deteriorate of soil ecological system accompanied by a crop yield decline. In recent years, with the continuous promotion of conservation tillage, straw returning is gradually accepted by farmers, and the proportion of harvested straw used for returning to the fields has been increasing year by year. The straw returning has benefit to the soil physical and chemical properties. Straw deep bury could facilitate nutrient release through decomposition process, increase soil organic matter content, reduce soil bulk density, increase soil porosity, and improve soil structure, water retention and aeration. Farmers in the three Northeast provinces of China always use small tractor to till their land in recent year, leading to problems of shallow plough layer, soil compaction, and reduction of soil water storage capacity. In view of this phenomenon, combined with the deep straw returning technology, it is needed to develop a machine that is suitable for soil conditions of the Northeast provinces. In order to improve the structure of soil layer, soil water storage, fertilizer use efficiency and increase in organic matter, and solve the problem of straw returning mode of rain fed land in Northeast China,we designed and manufactured 1JHL-2 type returning corn straw machine, which mainly consisted of straw crushing device, conveying device, disk opener, spiral type opener, hopper device, covering device and pressing device. It can complete the straw collection, deep ditching, straw returning, covering and packing. This machine is suitable for the technical requirement of reasonable arable layer in the brown soil region of the South Central Plain of the Northeast Plain. Compared with the other traditional straw collecting machines, this one is quite different on method of collecting straw. It combined the collecting and transporting device to collect and transport the straw, Stubble cleaning device had high rotation speed and it could produce strong negative pressure, this negative pressure picked up the straw to the dam-board, then gathered on the aggregate plate, waiting for the elastic claw. The stubble device operating width is 120 cm, the conveying device operating width is 80 cm. The ditching device adopted a spiral cutter type furrower, with 40 cm furrow width and 30 cm trenching depth. This machine collected two ridge straw and bury in furrow, realized interleave deeply bury. It can not only meet the technical requirements of deep straw returning to the field, but also reduce the consumption of mechanical power. Based on the analysis of straw throwing speed by conveying device and soil particles relative to the spiral type opener device speed and force analysis, the final dimension parameters of the system were determined. Through the kinematics analysis of the key components, the detailed motion parameters were optimized: the stubble shaft speed is 1 620 r/min, Y type of flail knife line speed is 40 m/s, and the speed of conveyor belt is 1.416 m/s. Through five group field tests, under the condition of machine speed of 3 km/h, the ditching device speed of 270 r/min, ditching depth of 28 cm, straw shredding and the qualified rate was 93.5%, the average value of straw buried rate was 92%. We concluded that this machine can complete straw collection, deep buried, repressing joint operations. It not only could achieve deep buried straw, enhance soil organic, realize the coexistence of weak and solid topsoil structure, but also provide reference for optimizing design and evaluation of straw deep bury and returning machine.

agricultural machinery; design; crops; straw deep bury; reasonable plough layer; spiral style opener; kinematics analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.004

S224.29

A

1002-6819(2017)-20-0032-09

2017-06-27

2017-08-14

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503116-09);國家自然科學基金資助項目(51275318)

林 靜,女,教授,博士生導師,主要從事旱作農(nóng)業(yè)機械化及智能化裝備研究。Email:synydxlj69@163.com。中國農(nóng)業(yè)工程學會會員:林靜(E041200749S)

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Lin Jing, Ma Tie, Li Baofa. Design and test of 1JHL-2 type straw deep burying and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 32-40. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.004 http://www.tcsae.org

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