余朝靜，張大斌，齊永杰，劉祖國，盧 澤

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴陽 550025；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,南寧 530001)

0 引言

煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，隨著煙草種植面積的增加，煙葉采摘后大量煙稈殘留在田間，每年約有260萬t煙稈被廢棄[1]，對環(huán)境造成了較大的污染，也是一種資源浪費(fèi)。殘留在田間的煙稈會滋生大量病菌，對來年煙草的種植與生長產(chǎn)生較大影響[2]，需在煙葉采摘結(jié)束后立即拔除煙稈。由于我國煙稈的機(jī)械化回收程度較低，煙稈的拔除工作通常由人工完成，費(fèi)時費(fèi)力，且效率較低。因此，實現(xiàn)煙稈的機(jī)械化回收已成為一種迫切需要。

煙稈拔稈機(jī)用于煙葉采摘結(jié)束后煙稈的拔稈作業(yè)，按拔稈工作原理的不同主要分為齒梳式拔稈機(jī)、圓盤式拔稈機(jī)、鏈夾式拔稈機(jī)和掘蔸式拔稈機(jī)等[3-5]。其中，掘蔸式拔稈機(jī)利用旋耕原理，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)根莖掘起刀輥上安裝旋耕刀，旋轉(zhuǎn)刀輥的刀片隨著機(jī)具的前進(jìn)反轉(zhuǎn)入土挖掘并將煙蔸掘出。該機(jī)具有良好的適應(yīng)性，能有效降低刀輥切土阻力和拔稈作業(yè)功耗。其工作部件刀輥的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對拔稈作業(yè)的工作穩(wěn)定性、功率消耗和機(jī)組的平衡性等指標(biāo)有較大影響。近年來，大量學(xué)者對旋耕機(jī)刀輥[6]、滅茬機(jī)刀輥[7]及秸稈還田機(jī)刀輥[8-9]的結(jié)構(gòu)和參數(shù)展開了研究，并促進(jìn)了相關(guān)機(jī)械的發(fā)展；而對掘蔸式煙稈拔稈機(jī)刀輥參數(shù)的研究還未見報道。本文以掘蔸式拔稈機(jī)為研究對象，對拔稈機(jī)刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以得到較合理的參數(shù)設(shè)計。

1 刀輥主要結(jié)構(gòu)及工作原理

掘蔸式煙稈拔稈機(jī)的刀輥主要由刀軸、旋耕刀、拔稈橫刀、刀座及刀盤等組成，如圖1所示。

1.刀盤 2.刀座 3.拔稈橫刀 4.刀軸 5.旋耕刀

拔稈機(jī)作業(yè)時，動力驅(qū)動刀輥旋轉(zhuǎn)，刀輥反轉(zhuǎn)，旋耕刀由煙壟壟底開始切削土壤，對壟體進(jìn)行切削以疏松煙壟土壤并將部分煙蔸掘出地面；在拔稈橫刀作用下，整顆煙稈和土塊沿機(jī)罩內(nèi)部滑動，向后拋擲輸送至后部收集裝置以避免煙稈與刀輥的纏繞、堵塞，從而實現(xiàn)煙稈的連續(xù)拔稈作業(yè)。

2 刀輥運(yùn)動參數(shù)的選取

2.1 刀輥旋耕刀運(yùn)動方程和切土軌跡

拔稈機(jī)在拔稈作業(yè)過程中，刀輥的絕對運(yùn)動由刀輥的圓周運(yùn)動與拔稈機(jī)前進(jìn)所具有的直線運(yùn)動所合成。因此，以刀輥中心為坐標(biāo)原點，拔稈機(jī)前進(jìn)方向為x軸正向，垂直向上為y軸正向建立坐標(biāo)系，得到刀輥旋耕刀刀端點的運(yùn)動方程為[10]

(1)

式中vm—機(jī)組前進(jìn)速度；

R—旋耕刀端點旋轉(zhuǎn)半徑；

ω—旋轉(zhuǎn)角速度。

根據(jù)我國西南地區(qū)煙草種植農(nóng)藝要求，煙草采用單壟種植，壟寬700～750mm，壟間距1 050～1 150mm，壟高200～250mm，煙葉收獲結(jié)束后壟高150～200mm，煙株距550～600mm。為實現(xiàn)煙稈的拔稈與煙壟的耕整作業(yè)，旋耕刀端點旋轉(zhuǎn)半徑R應(yīng)大于壟高。同時，在一定的機(jī)組前進(jìn)速度和拔稈入土深度下，應(yīng)選擇大回轉(zhuǎn)半徑、小轉(zhuǎn)速以降低拔稈機(jī)能耗[11]，但過大的半徑將相應(yīng)地增大拔稈機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸。綜合各因素，取R=250mm。根據(jù)課題作業(yè)指標(biāo)要求，取vm=0.37m/s，得到刀輥旋耕刀端點切土軌跡如圖2所示。

圖2 刀輥旋耕刀端點切土軌跡

定義旋耕刀端點的回轉(zhuǎn)切線速度與拔稈機(jī)的前進(jìn)速度之比為旋耕速比[10]λ，得

(2)

將旋耕速比λ帶入式(1)得

(3)

上式表示λ值不同時，旋耕刀的運(yùn)動軌跡各不相同，分別取λ=0.5、λ=1和λ=3時的運(yùn)動軌跡如圖3所示。

圖3 不同旋耕速比的旋耕刀運(yùn)動軌跡

λ值不同時，刀輥旋耕刀的運(yùn)動軌跡也將不同：在λ=0時，旋耕刀運(yùn)動軌跡為直線，不能完成拔稈作業(yè)；λ在0～1之間時，運(yùn)動軌跡為短幅擺線，旋耕刀端點沿x方向的速度分量均有vx>0，即旋耕刀在各種位置的切削速度方向與拔稈機(jī)前進(jìn)方向一致，故旋耕刀不能向后切土拋稈，不能完成拔稈作業(yè)；λ>1時，其軌跡變?yōu)殚L幅擺線，旋耕刀端點沿x方向的速度分量存在vx<0，即旋耕刀轉(zhuǎn)動到一定部位，其切削速度方向?qū)⑴c拔稈機(jī)前進(jìn)的方向相反，旋耕刀能切削土壤并將煙稈拋向后方，完成拔稈作業(yè)[11]。

2.2 溝底不平度

拔稈機(jī)拔稈作業(yè)時，刀輥耕層底部會出現(xiàn)波浪形的凸起[10]，其高度hc主要取決于旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R、旋耕速比λ和刀輥同一切土小區(qū)內(nèi)旋耕刀數(shù)z。為使刀輥能完成拔稈作業(yè)，需保證旋耕刀正切部能切到煙蔸底部，因此溝底不平度應(yīng)小于0.25，則

(4)

式中hc—溝底不平度；

z—同一切土小區(qū)內(nèi)旋耕刀數(shù)；

λ—旋耕速比；

R—旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑。

根據(jù)式(4)，利用MatLab得出拔稈溝底不平度與旋耕速比和同一切土小區(qū)內(nèi)旋耕刀數(shù)的變化曲線，如圖4所示。由圖4可知：提高旋耕速比λ和增加同一切土小區(qū)內(nèi)旋耕刀數(shù)z能降低溝底不平度，提高刀輥拔稈性能。

圖4 拔稈溝底不平度與旋耕速比和同一切土小區(qū)內(nèi)旋耕刀數(shù)的關(guān)系

2.3 切土節(jié)距

切土節(jié)距S指沿安裝在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的旋耕刀在轉(zhuǎn)過相應(yīng)的安裝角時間內(nèi)機(jī)組的前進(jìn)距離，也就是同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)相鄰兩把旋耕刀切下的土垡的水平縱向厚度[10]，其計算公式為

式中R—旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑；

λ—旋耕速比；

z—同一切土小區(qū)內(nèi)旋耕刀數(shù)。

切土節(jié)距的大小將直接影響旋耕刀碎土質(zhì)量、拔稈機(jī)工作質(zhì)量和拔稈機(jī)的功率消耗，其大小與旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑成正比，與旋耕速比和同一切土小區(qū)內(nèi)旋耕刀數(shù)成反比。刀片數(shù)增多，刀間的空隙變小，容易纏稈、纏草、堵泥等。在同一切土小區(qū)內(nèi)的刀片數(shù)z=2時，分別取λ=3和λ=6時得到不同旋耕速比下的切土節(jié)距，如圖5所示。

圖5 不同旋耕速比下的切土節(jié)距

旋耕速比λ越大，切土節(jié)距越小，溝底凸起高度也越小，刀輥拔稈性能將越好。但在旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R一定的條件下，通過降低拔稈機(jī)前進(jìn)速度vm來提高旋耕速比λ，會使拔稈機(jī)前進(jìn)速度降低，進(jìn)而使生產(chǎn)效率降低；而通過提高刀輥轉(zhuǎn)速來提高旋耕速比λ，會使刀輥轉(zhuǎn)速過快，進(jìn)而使功率消耗增加。因此，合理選擇旋耕速比λ對刀輥拔稈性能和功率消耗尤為重要。

從降低能量消耗的觀點看，在滿足拔稈作業(yè)質(zhì)量要求的前提下,應(yīng)選擇較大的切土節(jié)距。但切土節(jié)距加大時，溝底不平度也會加大[12]。因此，綜合各因素及西南地區(qū)煙地拔稈農(nóng)藝要求，取切土節(jié)距S=100mm，旋耕速比λ=8，計算得到此時刀輥轉(zhuǎn)速為n=110r/min。

3 旋耕刀優(yōu)化設(shè)計

旋耕刀是拔稈機(jī)刀輥的主要工作部件，其形狀和參數(shù)對拔桿機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和功率消耗有很大的影響。為避免使拔稈機(jī)刀輥纏草和在刀輥前方形成壅土并重復(fù)切削，從而減少功耗和避免后拋的煙稈被土壤掩埋，同時刀輥旋耕刀要求正切面(角度)拋土性能強(qiáng)[13]。因此，其設(shè)計應(yīng)有別于其它通用旋耕刀。為滿足拔稈要求并減少刀輥纏草和提高旋耕刀正切面拋土性能，依據(jù)GB/T5669-1995標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ型刀主要用于淺耕滅茬，對Ⅲ型彎刀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計來作為拔稈機(jī)刀輥旋耕刀。

旋耕刀的參數(shù)主要包括側(cè)切刃、正切刃、正切部彎折半徑、工作幅寬和回轉(zhuǎn)半徑等，正切刃和側(cè)切刃較為銳利，刃口為曲線，有較好的滑切性能。按正切刃部分的折彎方向，有左彎刀和右彎刀兩種。作業(yè)時彎刀側(cè)切刃末端先切土，然后側(cè)切刃與正切刃同時切開土垡，其切土方式為由遠(yuǎn)及近切土，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

3.1 旋耕刀側(cè)切刃曲線設(shè)計

旋耕刀的側(cè)切刃曲線采用阿基米德螺線，其方程為

ρ=ρ0+a′θ

式中ρ0—螺線起點的極徑；

θ—螺旋線上任意點的極角；

a′—螺旋極角增加1弧度時極徑的增量。

旋耕刀側(cè)切刃極徑ρ與拔稈機(jī)刀輥回轉(zhuǎn)半徑R的大小無關(guān)，為避免無刃部分切土，側(cè)切刃起始極徑ρ0可由下式求得[10]，即

式中R—回轉(zhuǎn)半徑；

S—切土節(jié)距；

h—拔稈切土深度。

螺線終點的極角θn可由下式求得，即

其中,τn為螺線終點處的滑切角，常取50°～60°，文中取τn=60°，帶入數(shù)值計算得到θn=31.8°。

在確定ρ0、ρn和θn值后，可求得a′的值為

從0～θn之間分成若干份，順序選定若干θ值帶入螺旋線側(cè)切刃曲線，可分別計算出相應(yīng)的極徑ρ值，即可作出側(cè)切刃螺線。

圖6 刀輥旋耕刀結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 側(cè)切刃靜態(tài)滑切角的設(shè)計計算

側(cè)切刃螺線上一點的極徑與該點切線的夾角為旋耕刀側(cè)切刃的靜態(tài)滑切角τ，其大小應(yīng)滿足旋耕阻力小和不纏草的要求[10]，即

τ<90-φ

其中，φ為植被莖葉、秸稈根茬對旋耕刀刃口的摩擦角。

植被莖葉、秸稈根茬對旋耕刀刃口的摩擦角φ在28.8°～55.5°之間。因此，τ在34.5°～61.2°之間時，旋耕刀旋耕阻力小，且旋耕刀纏草少[14]。旋耕刀側(cè)切刃曲線上任一點的靜態(tài)滑切角τ為

3.3 正切刃曲線設(shè)計

正切刃是一空間曲線，為使耕底較為平整，旋耕刀對煙蔸根系損傷切斷較少，正切刃曲線位于刀輥的外圓柱面上，即在側(cè)視圖上其投影為圓弧。正切刃與側(cè)切刃兩段刃口間以圓弧線光滑過渡。

3.4 正切部彎折半徑與工作幅寬設(shè)計

刀輥旋耕刀正切部彎折處應(yīng)選擇一個合適的折彎半徑r。彎折半徑過小時，彎折圓弧處易黏土，功率消耗較大，同時過小的折彎半徑會降低彎折處強(qiáng)度，減少了旋耕刀的使用壽命；而彎折半徑過大時，旋耕刀拋土性能降低，不利于煙稈和碎土的拋送，易造成堵塞。刀輥旋耕刀工作幅寬的增大可減少刀輥上旋耕刀數(shù)量，減少破茬比率，有助于煙蔸的完整掘起，但過大則容易造成煙稈的堵塞和纏草，功率消耗的較大，同時還會影響旋耕刀的剛度。試驗表明：針對不同的土壤特征，刀輥旋耕刀彎折半徑r取30～40mm，旋耕刀幅寬b取30～50mm時能滿足刀輥拔稈要求。文中取r=30mm，b=30mm。得到刀輥旋耕刀主要參數(shù)如表1所示。

表1 刀輥旋耕刀主要參數(shù)

4 刀輥旋耕刀的排列

刀輥旋耕刀的排列方式對拔稈機(jī)的拔稈作業(yè)質(zhì)量、功率消耗、平衡性能和使用壽命等都有很大的影響，是決定拔稈機(jī)性能的重要因素。

4.1 排列基本原則

針對拔稈機(jī)設(shè)計的特殊性，需要解決拔稈過程中存在的漏拔、重拔、堵塞、纏草、壅土、軸向受力不均勻、振動大及能耗高等問題。拔稈機(jī)刀輥旋耕刀的合理排列應(yīng)滿足以下原則[10]:①在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)配置2把以上的旋耕刀避免漏拔；②在不產(chǎn)生漏拔的前提下，旋耕刀軸向間距越大越好，徑向相鄰兩旋耕刀夾角應(yīng)盡量大些,以免纏草和堵塞；③旋耕刀軸向分布應(yīng)均勻，徑向呈等角分布，使刀軸每轉(zhuǎn)過一個相等的角度時，均有一把旋耕刀入土，以減小扭矩波動幅度，保證拔稈機(jī)穩(wěn)定性和刀軸復(fù)合均勻。

4.2 排列方法

常見的排列方式有螺旋線排列、對稱排列及交錯平衡排列3種方式[6]。為使刀輥滿足拔稈與煙壟耕整的要求，同時又使其功耗小，刀輥受力均勻，提出了旋耕刀在刀輥上的4n±2最優(yōu)數(shù)列雙螺旋線排列法。該法將旋耕刀在刀輥上按雙頭螺旋線有規(guī)則排列，兩螺旋線旋向相反，升角相同，同條螺旋線上安裝同向刀片，相鄰的螺旋線上安裝反向刀片。旋耕刀通過刀盤安裝于刀軸上，同一刀盤上安裝兩把安裝反向刀片，其刀座間相位夾角為180°。在滿足雙頭螺旋線排列要求下，旋耕刀總刀數(shù)取最佳數(shù)列4n±2(n為自然數(shù))。采用4n±2最優(yōu)數(shù)列雙螺旋線排列法，左右旋耕刀按排列順序依次入土，刀輥的受力均勻，拔稈機(jī)作業(yè)平穩(wěn)；同時由于兩個異性刀片入土，可以達(dá)到完全抵消軸向力的目的[15]。

根據(jù)名義工作幅寬B和截面間距L，初步計算出切削區(qū)數(shù)mQ、截面數(shù)m、總刀數(shù)N和實際工作幅寬[16]Bs為

其中，mQ取整數(shù)；N滿足4n±2的數(shù)列規(guī)律(n為自然數(shù))；名義工作幅寬與實際工作幅寬差值ΔB小于10mm。

根據(jù)拔稈農(nóng)藝要求，名義工作幅寬B應(yīng)大于壟寬并小于壟間距，取700mm≤B≤1 100mm。煙蔸直徑200mm，為防止漏拔同時相鄰截面旋耕刀間不夾蔸造成堵塞，取100mm≤L≤150mm。初選名義工作幅寬B=700mm，截面間距L=100mm。將名義工作幅寬B和截面間距S值帶入式(12)計算，檢查總刀數(shù)N是否滿足4n±2的數(shù)列規(guī)律，若不滿足數(shù)列規(guī)律，選擇和計算值N接近的兩個數(shù)供選擇；然后檢查ΔB是否大于10mm，若ΔB>10mm，以步長為10mm改變截面間距S重新計算，直到滿足要求。

計算得到實際工作幅寬ΔB=700mm，截面間距L=100mm，截面數(shù)m=8、總刀數(shù)N=14，旋耕刀相繼工作的相位差為θ=25.7°，同一螺旋線上的相鄰旋耕刀的相位差U=51.4°

表2 刀輥旋耕刀最優(yōu)數(shù)列雙螺旋線排列參數(shù)

按設(shè)計結(jié)果將旋耕刀在刀輥上的排列畫成展開圖，以刀輥上其中一條螺旋線的起點為坐標(biāo)原點。以刀輥上的刀盤數(shù)為橫坐標(biāo)X，其取值為X=1，2，3，…，7，并以拔稈機(jī)的前進(jìn)方向為縱坐標(biāo)正方向，刀輥上旋耕刀數(shù)量縱坐標(biāo)Y，其取值為Y=0，1，2，3，…，14。根據(jù)所取橫縱坐標(biāo)的值繪制網(wǎng)格，縱坐標(biāo)的一格代表拔稈機(jī)刀輥上順序入土的兩把旋耕刀之間的夾角θ。刀輥上有2條螺旋線，其升角相同，每條螺旋線上排列的旋耕刀的數(shù)量相等，其數(shù)量與刀輥上刀盤數(shù)量相同，同一條螺旋線上安裝同向旋耕刀，而在另一條螺旋線上安裝反向旋耕刀，每一刀盤上各有1把左彎刀和1把右彎刀[6]，刀輥上刀片總數(shù)為14。λ為升角，β為螺旋角，旋耕刀總刀數(shù)取最佳數(shù)列4n±2(n為自然數(shù))。刀輥旋耕刀最優(yōu)數(shù)列雙螺旋線排列如圖7所示。

圖7 刀輥旋耕刀最優(yōu)數(shù)列雙螺旋線排列

5 田間試驗

為檢驗所設(shè)計的刀輥結(jié)構(gòu)及其參數(shù)是否能滿足拔稈要求，以及拔稈機(jī)的工作質(zhì)量、能耗和機(jī)組振動狀況等，對刀輥進(jìn)行加工，并將所加工刀輥安裝于課題組所研制的山地烤煙拔稈機(jī)上進(jìn)行拔稈試驗。

5.1 試驗條件

試驗場地選為貴州大學(xué)教學(xué)試驗農(nóng)場，試驗對象為煙葉收獲完成后遺留的完整煙株。其中，煙草采用單壟種植，壟寬700～750mm，壟間距1 050～1 150mm，壟高200～250mm，煙株距550～600mm；而進(jìn)行試驗時壟高已降為150～200mm，煙株高800～1 300mm。壟體含水率為18%，平均土壤緊實度為875kPa。由于田間試驗影響因素較多且不易控制，為提高試驗精確性及可比性，選擇試驗條件相近的4壟煙稈進(jìn)行4組拔稈試驗。對每一組試驗測量煙稈拔凈率、工作幅寬、拔稈深度，并觀察拔稈過程中是否存在纏草、堵塞等問題及拔稈機(jī)的振動情況。設(shè)定拔稈機(jī)前進(jìn)速度為0.37m/s，刀輥轉(zhuǎn)速為110r/min進(jìn)行試驗。

5.2 試驗結(jié)果與分析

拔稈機(jī)作業(yè)效果如圖8所示，其拔稈性能參數(shù)平均值測定結(jié)果如表3所示。

圖8 拔稈作業(yè)效果圖

試驗結(jié)果表明:工作幅寬與拔稈深度與設(shè)計值接近，拔稈機(jī)拔凈率為93.9%，其刀輥的工作幅寬、拔稈深度及其他參數(shù)均滿足煙稈拔稈農(nóng)藝要求，且拔凈率較課題組第一代樣機(jī)拔稈效果有明顯提高，還對煙壟起到耕整效果；工作幅寬與拔稈深度穩(wěn)定系數(shù)分別為89.45%和88.98%，表明拔稈機(jī)工作性能穩(wěn)定，機(jī)組振動較小及刀輥受力均勻；在作業(yè)過程中無纏草，堵塞現(xiàn)象。試驗驗證了所設(shè)計的煙草拔稈機(jī)刀輥結(jié)構(gòu)、刀輥旋耕刀、旋耕刀排列及所選工作參數(shù)能滿足拔稈作業(yè)要求，拔稈機(jī)工作穩(wěn)定，刀輥負(fù)荷平穩(wěn)，設(shè)計合理。

表3 拔稈機(jī)拔稈性能試驗結(jié)果

6 結(jié)論

1)依據(jù)刀輥拔稈原理及拔稈農(nóng)藝要求，確定了刀輥半徑為R=250mm。通過對刀輥旋耕刀切土軌跡、溝底不平度、切土節(jié)距、拔稈深度和旋耕速比的分析，得到旋耕速比對旋耕刀切土軌跡、溝底不平度、切土節(jié)距，以及刀輥工作質(zhì)量和功率消耗的影響，并確定了刀輥較優(yōu)設(shè)計參數(shù)組合為：前進(jìn)速度vm=0.37m/s，切土節(jié)距S=100mm，旋耕速比λ=5，刀輥轉(zhuǎn)速n=70r/min。

2)分析得到了旋耕刀的參數(shù)對拔桿機(jī)的工作質(zhì)量與功率消耗的影響，并確定了適合于反轉(zhuǎn)拔稈的旋耕刀參數(shù)為：螺線起點的極徑ρ0=163mm，螺線終點的極徑ρn=240mm，螺線終點的極角θn=31.8°，彎折半徑r=30mm，旋耕刀幅寬b=30mm。

3)提出了旋耕刀在刀輥上的4n±2最優(yōu)數(shù)列雙螺旋線排列法，有效解決了拔稈過程中存在的漏拔、重拔、堵塞、壅土、軸向受力不均勻、振動大，以及能耗高等問題。

4)按所設(shè)計的刀輥進(jìn)行了拔稈田間試驗，結(jié)果表明：工作幅寬與拔稈深度滿足要求，拔凈率達(dá)到93.9%，拔稈作業(yè)質(zhì)量較好，拔稈機(jī)工作穩(wěn)定，振動較小，無纏草、堵塞現(xiàn)象。

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