河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 劉江濤 張晉國 弋景剛 趙金 韓中東

前言

棉花是人民生活必需品，也是我國主要經(jīng)濟(jì)作物，我國棉花產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的25%左右，棉花種植對(duì)棉農(nóng)收入、紡織業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，棉花產(chǎn)業(yè)是部分地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)和農(nóng)民收入的重要來源。

我國棉花總產(chǎn)量保持相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)，受棉花種植面積、自然環(huán)境等因素影響，棉花總產(chǎn)量存在一定的波動(dòng)。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年中國棉花產(chǎn)量約為573.1萬噸，同比2020年下降約3.04%。

近幾年，我國棉花多功能播種機(jī)發(fā)展較快，例如旋耕播種一體化作業(yè)機(jī)、施肥覆膜穴播作業(yè)機(jī)、施水播種一體化機(jī)等。棉花幼芽頂土出苗能力差，對(duì)種植環(huán)境要求較高，棉花播種后遇雨造成土壤板結(jié)，表層土壤中空氣缺乏，棉籽發(fā)芽速度減緩，導(dǎo)致棉花無法破土發(fā)芽，為了保證棉花出苗率，一般采用棉花覆膜播種，改善種植環(huán)境，增溫保墑，縮短棉花出苗時(shí)間，但農(nóng)用薄膜回收困難，殘膜對(duì)土壤破壞嚴(yán)重。本文選擇棉花秸稈粉碎機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，進(jìn)行了棉花播種機(jī)秸稈粉碎裝置設(shè)計(jì)，通過仿真試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)后的棉花秸稈粉碎刀輥進(jìn)行工作參數(shù)驗(yàn)證，提高了棉花秸稈粉碎合格率，且滿足棉花播種農(nóng)藝要求。

1 棉花播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

棉花播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、皮帶輪、機(jī)架、定刀、棉花秸稈粉碎機(jī)構(gòu)、防護(hù)簾、后拋擋板等組成。該機(jī)工作幅寬為2200mm，行數(shù)為3行，行間距為760mm，通過皮帶輪帶動(dòng)棉花秸稈粉碎刀輥旋轉(zhuǎn)，粉碎棉花秸稈，并拋撒粉碎后的棉花秸稈，實(shí)現(xiàn)碎棉花秸稈自動(dòng)均勻拋送覆蓋，使用碎棉花秸稈替代塑料薄膜覆蓋增溫保墑。

圖1 棉花播種機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 棉花秸稈粉碎機(jī)構(gòu)

2.1 刀片類型

棉花秸稈粉碎常用刀包括直型刀、錘爪型刀、甩刀三種。

直型刀垂直刀輥安裝，刀片長度短，具有鋒利的刀片刃口，刀片數(shù)量較多，一般成組使用，每組三片或四片，容易纏繞田間雜草，適用于小麥和水稻等細(xì)而柔軟的秸稈粉碎作業(yè)，不適合該機(jī)對(duì)棉花秸稈粉碎的要求。

錘爪型刀片利用高速旋轉(zhuǎn)的錘爪來搗碎、撕剪棉花秸稈，棉花秸稈粉碎效果好。錘爪質(zhì)量、體積較大，沖擊慣性力大，切碎過程產(chǎn)生較大負(fù)壓，有利于棉花碎秸稈拋撒。錘爪采用高強(qiáng)度耐磨鋼鑄造而成，刀片強(qiáng)度大且耐磨，但工作時(shí)消耗的功率較大，容易造成棉花播種機(jī)振動(dòng)，影響粉碎效果，且該機(jī)需要進(jìn)行棉花播種作業(yè)，振動(dòng)影響播種效果。

甩刀型刀片工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刀片沖擊粉碎棉花秸稈，并將其送入粉碎腔體內(nèi)，在粉碎腔體內(nèi)的定刀相，受到動(dòng)、定刀剪切，在下落過程中，受到后續(xù)刀片擊打，提高了棉花秸稈粉碎率。由于結(jié)構(gòu)參數(shù)、制造材料限制，現(xiàn)有刀片先接觸棉花秸稈的一角易磨損，降低了棉花秸稈粉碎效果、刀片使用壽命。

該機(jī)采用的棉花秸稈粉碎刀軸包括長軸頭、刀軸、刀座、開口銷、動(dòng)刀、定刀等，如圖2所示。兩把L型刀對(duì)稱安裝在刀輥的刀座上組成動(dòng)刀，生產(chǎn)成本低、替換方便，動(dòng)刀通過螺栓安裝在刀輥上，殼體上安裝定刀，動(dòng)刀和定刀共同作用于棉花秸稈，提高了棉花秸稈粉碎效果。

圖2 棉花秸稈粉碎刀軸

2.2 刀輥轉(zhuǎn)速

棉花秸稈粉碎后需拋撒作業(yè)，研究表明，在粉碎棉花秸稈較硬時(shí)，要達(dá)到粉碎、拋撒效果，動(dòng)刀刀端線速度要達(dá)到30m/s，刀輥轉(zhuǎn)速要高于普通粉碎時(shí)的轉(zhuǎn)速1800~2000r/min，一般為2200 r/min。

2.3 刀軸旋轉(zhuǎn)方向

棉花秸稈粉碎需要刀片對(duì)秸稈進(jìn)行多次沖擊揉搓，不同刀軸旋轉(zhuǎn)方向，影響整機(jī)粉碎效率和能耗，正反兩種旋轉(zhuǎn)方向?qū)Ρ确治鋈缦隆?/p>

2.3.1 正向旋轉(zhuǎn)

正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀片先接觸棉花秸稈根茬，將其切斷后，碎棉花秸稈被正向旋轉(zhuǎn)的刀片從拋撒口拋出，不經(jīng)過粉碎腔粉碎，棉花秸稈粉碎效果較差。

2.3.2 反向旋轉(zhuǎn)

反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀片從棉花莖稈根部處開始切斷，棉花秸稈失去地表根茬約束，高速旋轉(zhuǎn)刀片將其送入粉碎腔內(nèi)，在粉碎腔內(nèi)經(jīng)過砍切、打擊、撕裂、揉搓，棉花秸稈粉碎效果好。

2.4 刀片數(shù)量

刀片數(shù)量多會(huì)增加能耗，容易造成碎棉花秸稈堵塞，刀片數(shù)量少粉碎效果差。在機(jī)具前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、刀片數(shù)量、工作幅寬相同條件下，刀片數(shù)量存在最佳值。依據(jù)甩刀密度公式：

n=C·L

式中：n—甩刀數(shù)量，把

C—刀具的排列密度，把/cm

L—機(jī)具的工作幅寬，cm

甩刀分布密度一般為0.2~0.4把/cm，該機(jī)工作幅寬為2200cm，可知刀片數(shù)量范圍為44~88把，考慮到棉花播種機(jī)秸稈粉碎、拋撒效果，刀片數(shù)量最佳值為70把。

3 棉花秸稈粉碎、拋撒仿真分析

3.1 棉花秸稈粉碎機(jī)構(gòu)仿真模型建模

建立棉花秸稈粉碎機(jī)構(gòu)仿真模型，將機(jī)具前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、刀片數(shù)量作為粉碎效果的影響因素，在不影響仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，將仿真模型簡化，保留棉花秸稈粉碎機(jī)構(gòu)。如圖3所示。

圖3 棉花秸稈粉碎機(jī)構(gòu)簡化仿真模型

利用solidworks建立棉花秸稈模型，并導(dǎo)入到EDEM的顆粒模塊中，將顆粒填充進(jìn)棉花秸稈仿真模型。棉稈平均長度為700mm，平均直徑為15mm。填充顆粒直徑設(shè)置為14mm，每個(gè)棉花秸稈填充50個(gè)顆粒，棉花秸稈仿真模型如圖4所示，物性及接觸參數(shù)如表1所示。

表1 物性及接觸參數(shù)

圖4 棉花秸稈顆粒仿真模型

3.2 仿真結(jié)果與分析

選取轉(zhuǎn)速2200r/min、前進(jìn)速度4km/h、刀片數(shù)量70把，仿真過程如圖5所示，棉花秸稈粉碎、拋撒效果如圖6所示。

圖5 棉花秸稈粉碎、拋撒仿真過程

圖6 棉花秸稈粉碎、拋撒仿真效果

由圖5、6可知：棉花秸稈粉碎、拋撒效果滿足棉花播種要求。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了棉花秸稈粉碎、施肥、旋耕、播種于一體的棉花播種機(jī)，重點(diǎn)對(duì)棉花秸稈粉碎結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。棉花秸稈粉碎、拋撒仿真結(jié)果表明：棉花秸稈粉碎、拋撒效果滿足棉花播種農(nóng)藝要求。