付 君，孫玉峰，陳 志，付乾坤，程 超，顏詩旋，任露泉

(1.吉林大學(xué) a.工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022；2.中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100080；3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083；4.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

玉米是我國第一大糧食作物，也是我國種植面積最大、產(chǎn)量最高的農(nóng)作物之一[1]。2013年，我國玉米生產(chǎn)總量為2.02億t，產(chǎn)生的玉米秸稈高達(dá)3.46億t，2014年吉林省玉米秸稈產(chǎn)量4 373.6萬t[2]。因此，探索玉米秸稈的有效利用途徑，成為當(dāng)前行業(yè)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。玉米秸稈的利用主要包括燃料、飼料和還田，三者在東北春玉米區(qū)的利用率分別為43.6%、19.9%和17.9%[3]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牟文雅等[4]發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田可在一定程度上增加土壤線蟲數(shù)量和種類多樣性。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)宋健鵬等[5]設(shè)計(jì)了帶有旋轉(zhuǎn)鐵鍬的秸稈深埋還田機(jī)，增強(qiáng)了秸稈還田效果。然而，我國東北地區(qū)冬季漫長，低溫寒冷的氣候特征極大地制約了玉米秸稈的腐爛進(jìn)程，削弱了秸稈還田效果；還田后未完全腐爛的玉米秸稈改變了土壤物理構(gòu)造，增大了春耕土壤阻力和作業(yè)功耗，削弱了播種精度和出苗率[6]。

隨著國家糧改飼戰(zhàn)略的推進(jìn)，玉米秸稈的飼料化利用前景更加廣闊[7]。其中，黃貯玉米秸稈飼料化利用迫切需要解決無土撿拾工藝難題。因此，本設(shè)計(jì)基于凸輪機(jī)構(gòu)偏心振動(dòng)原理，通過機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)去土，并利于偏心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)撿拾裝置，以解決秸稈纏繞和堵塞等通用技術(shù)問題。

1 工作原理及技術(shù)參數(shù)

1.1 工作原理

黃貯玉米秸稈撿拾機(jī)主要包括撿拾機(jī)構(gòu)、翻拋機(jī)構(gòu)、去土機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)和機(jī)架等，如圖1所示。撿拾指固定在撿拾滾筒上，撿拾滾筒偏心固定在撿拾機(jī)罩的下方，利用撿拾機(jī)罩的定向開口和偏心裝配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)撿拾指的自動(dòng)防纏、防堵與清障。翻拋機(jī)構(gòu)安裝在撿拾機(jī)構(gòu)后側(cè)，其作業(yè)部件為星形齒，順時(shí)針低速轉(zhuǎn)動(dòng)的星形齒和順時(shí)針高速轉(zhuǎn)動(dòng)的撿拾機(jī)構(gòu)對(duì)秸稈起到加速作用，迫使秸稈被翻起，增加振動(dòng)去土效果。去土機(jī)構(gòu)的前端安裝撿拾鏟，將倒伏在田間的秸稈抬起，降低撿拾指與地面的碰撞磨損，提高整機(jī)對(duì)秸稈的撿拾率；撿拾機(jī)構(gòu)上開設(shè)單向?qū)Я习搴团磐量?，單向?qū)Я习宓膬A斜方向與秸稈的運(yùn)動(dòng)方向相同，被翻拋的秸稈在去土機(jī)構(gòu)的振動(dòng)作用下，夾雜在其中的土壤在慣性力作用下下落，通過排土口進(jìn)入田間。輸送機(jī)構(gòu)依靠螺旋葉片將秸稈向機(jī)器的后部中央輸送，利用耙形翻拋刀將秸稈送至機(jī)器后方，供收集或打捆。

本文設(shè)計(jì)的黃貯玉米秸稈撿拾機(jī)，采用前懸掛方式掛接在拖拉機(jī)前方，撿拾后的秸稈通過攪龍輸送至料箱或側(cè)方同步運(yùn)行的收集車中；利用凸輪機(jī)構(gòu)行程差構(gòu)建往復(fù)振動(dòng)，振動(dòng)頻率與整機(jī)行進(jìn)作業(yè)速度匹配，實(shí)現(xiàn)撿拾喂入量和去土效果的耦合優(yōu)化。

1.撿拾機(jī)構(gòu) 2.翻拋機(jī)構(gòu) 3.機(jī)架 4.輸送機(jī)構(gòu) 5.翻拋刀 6.螺旋葉片 7.攪龍滾筒 8.排土口 9.單向?qū)Я习?10.星形齒 11.去土機(jī)構(gòu) 12.撿拾鏟 13.撿拾指 14.撿拾滾筒 15.撿拾機(jī)罩

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)采用前懸掛和前動(dòng)力輸出與一拖東方紅X904拖拉機(jī)配套，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 黃貯玉米秸稈撿拾機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 秸稈喂入量

本機(jī)選取中國第一拖拉機(jī)集團(tuán)有限公司東方紅X904型拖拉機(jī)作為本撿拾機(jī)的配套拖拉機(jī)。拖拉機(jī)工作速度選取為拖拉機(jī)Ⅲ擋前進(jìn)速度v=3.10km/h，則拖拉機(jī)工作速度v=0.86m/s。

根據(jù)本機(jī)的工作幅寬L=1.5m、玉米秸稈高度H=0.2m、玉米秸稈密度ρ=35kg/m3、拖拉機(jī)工作速度v=0.86m/s，可求得撿拾機(jī)秸稈喂入量為

Q=LHρv=9.03kg/s

2.1.2 撿拾功能區(qū)域

撿拾機(jī)構(gòu)采用偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。其中，撿拾機(jī)罩將撿拾滾筒包裹在內(nèi)，構(gòu)成無效撿拾區(qū)S1，伸出撿拾機(jī)罩的撿拾指構(gòu)成月牙狀的有效撿拾區(qū)S2，有效撿拾區(qū)能夠促使秸稈在撿拾機(jī)構(gòu)下部進(jìn)入整機(jī)，限制秸稈進(jìn)入機(jī)罩內(nèi)部，從而降低秸稈與撿拾指和撿拾滾筒的纏繞和堵塞。

圖2 撿拾功能區(qū)域示意圖

撿拾指作業(yè)時(shí)的截面輪廓總面積為S，則有效撿拾區(qū)的面積為

S2=S-S1=R2(π-2α-sin2α)=0.04m3

撿拾機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)1圈的撿拾量為

Qj=S2Lρk

其中，撿拾機(jī)的工作幅寬L=1.5m，秸稈密度ρ=35kg/m3，充滿系數(shù)k=0.5。代入上式可得到單圈撿拾量為Qj=1.05kg/r，則撿拾轉(zhuǎn)速nj=Q/Qj=516r/min。

2.1.3 撿拾功率

黃貯玉米秸稈撿拾過程中消耗的功率P主要包括水平方向推動(dòng)秸稈克服摩擦力的功率P1和豎直方向抬高秸稈時(shí)克服重力的功率P2。

撿拾指末端的線速度為

vj’=ωR=2πnR/60=10.53m/s

其中，撿拾轉(zhuǎn)速n=516r/min,撿拾指末端半徑R=0.19m。因拖拉機(jī)的行進(jìn)速度v=0.86m/s ，則有效撿拾速度為

vj=vj’-v=9.67m/s

撿拾機(jī)克服摩擦力消耗的功率為

P1=μmgvj=565.9W

其中，摩擦因數(shù)μ=0.65，撿拾秸稈質(zhì)量m即為本機(jī)器秸稈喂入量，即m=9.03kg/s。

撿拾機(jī)克服重力消耗的功率為

P2=Qgh=17.26W

其中，撿拾高度h=R=0.19m，撿拾機(jī)秸稈喂入量Q=9.03kg/s。

則撿拾機(jī)的總功率為P=P1+P2=583.16W。

2.2 翻拋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻拋機(jī)構(gòu)上的星形齒焊接在翻拋滾筒上，翻拋機(jī)構(gòu)以240r/min的速度勻速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)撿拾后的秸稈向機(jī)器后側(cè)行進(jìn)。翻拋機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速與振動(dòng)去土的頻率相同，考慮到f=4Hz，故翻拋轉(zhuǎn)速nf=240r/min。

翻拋功率P分為水平方向摩擦力做功功率P1和豎直方向重力做功功率P2兩部分。

翻拋機(jī)構(gòu)的星形齒的末端線速度為

vf=ωfRf=2πnfRf/60=5.65m/s

其中，星形齒的末端半徑Rf=0.225m。

翻拋摩擦功率為

P1=μmgvf=324.99W

其中，摩擦因數(shù)μ=0.65；翻拋秸稈質(zhì)量m取單位時(shí)間內(nèi)喂入的秸稈質(zhì)量，即m=9.03kg。

翻拋重力功率為

P2=QGhf=24.78W

其中，翻拋高度hf=0.28m,撿拾機(jī)秸稈喂入量Q=9.03kg/s。

翻拋機(jī)構(gòu)的功率為

P=P1+P2=349.77W

2.3 振動(dòng)去土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 振動(dòng)去土原理

振動(dòng)去土機(jī)構(gòu)如圖3所示。利用凸輪和軸承的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)架和去土機(jī)構(gòu)在垂直方向的高度差，利用拉簧實(shí)現(xiàn)二者高度差的回位，兩個(gè)吊耳分別安裝在機(jī)架和去土機(jī)構(gòu)上，通過吊耳固定拉簧，通過皮帶輪帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)。通過凸輪設(shè)計(jì)，將去土機(jī)構(gòu)的振幅定義為10mm，根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性和土壤與秸稈的粘附力大小，設(shè)定去土機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率為4Hz[8-11]，即凸輪每秒鐘上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)4次，因此與凸輪相連的皮帶輪的轉(zhuǎn)速為240r/min。

1.拉簧 2.機(jī)架 3.凸輪 4.軸承 5.去土機(jī)構(gòu)

2.3.2 振動(dòng)去土功率

振動(dòng)去土過程中，拉簧需要將去土機(jī)構(gòu)及鋪放在其上的秸稈同時(shí)提升，故振動(dòng)去土過程中的實(shí)際作業(yè)總質(zhì)量mz包括兩部分，即已撿拾的秸稈質(zhì)量mz1和去土機(jī)構(gòu)的零部件質(zhì)量mz2。其中，已撿拾的秸稈質(zhì)量mz1=ρa(bǔ)bc。在本文設(shè)計(jì)中，已撿拾的秸稈在去土機(jī)構(gòu)上的鋪放高度為a=0.165m、鋪放寬度為b=0.9m、鋪放長度為c=1.5m、秸稈密度為ρ=35kg/m3。計(jì)算可得秸稈質(zhì)量mz1=7.80kg，去土機(jī)構(gòu)的零部件總質(zhì)量mz2=53.80kg。

因此，振動(dòng)去土過程中，彈簧每次往復(fù)運(yùn)動(dòng)需要抬起的總質(zhì)量為

mz=mz1+mz2=61.6kg

因振幅hz=0.01m，振動(dòng)頻率f=4 Hz，故去土機(jī)構(gòu)的振動(dòng)功率為

Pz=mzghzf=24.15W

2.4 輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 輸送速度

輸送機(jī)構(gòu)主要由翻拋刀、螺旋葉片和攪龍滾筒構(gòu)成，攪龍滾筒逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，螺旋葉片在攪龍滾筒的左側(cè)呈左旋方向排列，在攪龍滾筒的右側(cè)呈右旋方向排列，耙形的翻拋刀在攪龍滾筒的中部徑向均布排列；攪龍滾筒兩側(cè)的秸稈沿軸向向中間輸送，通過中間的耙形翻拋刀將秸稈輸送至后續(xù)處理裝置中。

輸送機(jī)構(gòu)的輸送量由兩側(cè)螺旋葉片的輸送量Q1和中部翻拋刀的輸送量Q2組成，二者之和等于撿拾機(jī)的秸稈喂入量Q。

由螺旋葉片輸送量計(jì)算公式，得

Q1=π(Rs12-rs12)Ssnsρφ/60

其中，螺旋葉片外徑Rs1=0.2m；螺旋葉片內(nèi)徑rs1=0.05m；螺距Ss=0.25m；秸稈密度ρ=35kg/m3；充滿系數(shù)φ=0.3，ns為輸送機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速。

中部翻拋刀的輸送量Q2為

Q2=π(Rs22-rs22)Lsnsρφ/60

其中，翻拋刀外徑Rs1=0.2m；翻拋刀內(nèi)徑rs2=0.1m；翻拋刀軸向長度Ls=0.25m；秸稈密度ρ=35kg/m2。

根據(jù)Q=Q1+Q2，得

ns=60Q/πρφ[(Rs12-rs12)Ss+(Rs22-rs22)Ls]

計(jì)算得到輸送機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為ns=548r/min。

2.4.2 輸送功率

輸送機(jī)構(gòu)的功率Ps分為翻拋刀功率Ps1和螺旋葉片功率Ps2兩部分。

翻拋刀的末端線速度為

vs=ωsRs2=2πnsRs2/60=11.47m/s

其中，翻拋刀的末端半徑Rs2=0.2m。

則翻拋刀的功率為

Ps1=μmgvs=659.76W

其中，摩擦因數(shù)μ=0.65；撿拾秸稈質(zhì)量m即為本機(jī)器秸稈喂入量，m=9.03kg。

螺旋葉片功率為

Ps2=QgLs1W0η

其中，螺旋葉片軸向長度Ls1=4Ss=1m；阻力系數(shù)W0=1.2；效率系數(shù)η=0.8。

因此，輸送機(jī)構(gòu)的總功率為

Ps=Ps1+Ps2=737.81W

3 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

如圖4所示：本文設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)兩種傳動(dòng)方式，錐齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，并可改變動(dòng)力傳遞方向；帶傳動(dòng)傳動(dòng)平穩(wěn)，能緩沖減振，傳動(dòng)中心距大，制造維護(hù)方便。

由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸為本撿拾機(jī)提供所需要?jiǎng)恿?，?jīng)聯(lián)軸器與變速箱輸入軸(Ⅰ軸)相連接，經(jīng)錐齒輪減速后，由變速箱輸出軸(Ⅱ軸)輸出；Ⅱ軸經(jīng)帶傳動(dòng)與本機(jī)動(dòng)力軸(Ⅲ 軸)相連接；Ⅲ 軸與動(dòng)力軸(Ⅲ 軸)均安裝有凸輪機(jī)構(gòu)，具有相同轉(zhuǎn)速；在機(jī)器的另一側(cè)，布置有其他兩級(jí)帶傳動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)撿拾秸稈、輸送秸稈的功能。

圖4 玉米秸稈黃貯撿拾機(jī)傳動(dòng)圖

3.2 各傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速

變速箱輸入軸(Ⅰ軸)轉(zhuǎn)速n1=540r/min(選取拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速540r/min 作為變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速)。變速箱輸出軸(Ⅱ軸)轉(zhuǎn)速n2=n3=240r/min，動(dòng)力軸(Ⅲ 軸)轉(zhuǎn)速n3=nt=240r/min，撿拾機(jī)構(gòu)(Ⅴ 軸)轉(zhuǎn)速n5=nj=516r/min，翻拋機(jī)構(gòu)(Ⅳ 軸)轉(zhuǎn)速n4=nf=240r/min，輸送機(jī)構(gòu)(Ⅵ 軸)轉(zhuǎn)速n6=ns=548r/min。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

選取吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)作為黃貯玉米秸稈撿拾機(jī)性能試驗(yàn)場(chǎng)地，地勢(shì)平坦、起伏??；為保證撿拾作業(yè)性能試驗(yàn)合理、可靠，場(chǎng)地內(nèi)玉米秸稈分布均勻, 厚度為200 mm左右，密度為35kg/m3，留茬高度≤80mm；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取東方紅X904型拖拉機(jī)作為試驗(yàn)配套拖拉機(jī)，采用前懸掛和前動(dòng)力輸出方式。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性，將試驗(yàn)田均分為3塊，重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)并取平均值。試驗(yàn)結(jié)果表明：本文所設(shè)計(jì)的黃貯玉米秸稈撿拾機(jī)性能高效，撿拾損失率低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與原有機(jī)具相比，去土效果顯著、秸稈含雜率降低、收獲質(zhì)量明顯提高，且在試驗(yàn)過程中，沒有出現(xiàn)秸稈纏繞堵塞的現(xiàn)象，綜合作業(yè)質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了前置式黃貯玉米秸稈撿拾機(jī)。該機(jī)由撿拾機(jī)構(gòu)、翻拋機(jī)構(gòu)、去土機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)和機(jī)架等5部分構(gòu)成，能夠一次性完成秸稈的地表撿拾、翻拋輸送、振動(dòng)去土和收集，提高了工作效率，降低了秸稈的含雜率，有助于解決秸稈生物質(zhì)利用和環(huán)境保護(hù)的難題。

2)通過理論計(jì)算，確定了撿拾、翻拋、振動(dòng)和輸送等4部分的功率消耗分別為583.16、349.77、24.15、737.81W，并據(jù)此完成了黃貯玉米秸稈撿拾機(jī)的整機(jī)和關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)。

3)完成了整機(jī)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，確定撿拾軸、翻拋軸和輸送軸的轉(zhuǎn)速分別為516、240、548r/min。

4)進(jìn)行了田間機(jī)械性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：該機(jī)撿拾損失率低，去土效果明顯，能夠有效地避免纏繞和堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。