劉信鵬，杜嵇華，李尊香，焦靜，黃小紅，牛釗君

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所,廣東湛江,524091;2.湛江市熱帶作物秸稈高效循環(huán)利用工程技術(shù)中心,廣東湛江,524091;3.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所,廣東湛江,524088)

0 引言

甘蔗是我國(guó)熱帶和亞熱帶地區(qū)的主要農(nóng)作物之一,2021年榨季全國(guó)甘蔗產(chǎn)量大約8 200萬(wàn)噸左右,產(chǎn)生甘蔗葉秸稈大約1 200萬(wàn)噸左右,一般每公頃可產(chǎn)生6 000～10 500 kg(以15%蔗莖重計(jì)算)的甘蔗葉秸稈,然而大部分都被堆積漚爛、就地焚燒處理,造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染、火災(zāi)隱患,成為生活環(huán)境保護(hù)的瓶頸問(wèn)題[1-2]。目前按秸稈捆的形狀,打捆機(jī)可分為方、圓捆兩種類型,美國(guó)、巴西、德國(guó)等國(guó)家早在19世紀(jì)初期對(duì)農(nóng)作物秸稈機(jī)械化結(jié)捆技術(shù)進(jìn)行研究,如紐荷蘭BB9080大方捆打捆機(jī)和約翰迪爾F441R圓捆機(jī),已在市場(chǎng)上應(yīng)用,由于體積龐大、成本高、農(nóng)作物行距株距等農(nóng)藝要求不同,不適用于我國(guó)廣東、海南、廣西等南方熱帶地區(qū)中小型農(nóng)田精耕細(xì)作的甘蔗農(nóng)藝模式。我國(guó)對(duì)秸稈打捆技術(shù)研究起步較晚,目前主要針對(duì)小麥、水稻、玉米等旱作物秸稈進(jìn)行結(jié)捆研究,多為鏈?zhǔn)?、鋼輯外卷式、固定式等[3-5],然而對(duì)于甘蔗葉打捆作業(yè)時(shí)仍存在粉碎不勻、纏繞、阻塞等問(wèn)題。

綜上所述,國(guó)外秸稈打捆機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,甘蔗種植農(nóng)藝要求與國(guó)內(nèi)差異較大,直接引進(jìn)應(yīng)用會(huì)損傷甘蔗宿根,影響來(lái)年蔗芽率;國(guó)內(nèi)甘蔗葉離田打捆機(jī)作業(yè)時(shí)仍存在傷宿根、粉碎不徹底、纏繞、堵塞打捆機(jī)、結(jié)捆出捆難等問(wèn)題[6],呈現(xiàn)出甘蔗葉秸稈機(jī)械化撿拾結(jié)捆程度低,導(dǎo)致甘蔗葉收集打捆作業(yè)效率低、秸稈資源浪費(fèi)嚴(yán)重。以新臺(tái)糖ROC22號(hào)甘蔗的蔗葉、蔗鞘為試驗(yàn)對(duì)象,根據(jù)甘蔗每節(jié)生一葉、葉鞘緊抱蔗莖呈管狀等特點(diǎn),結(jié)合甘蔗葉寬窄、長(zhǎng)短、厚薄、維管束分布、毛群分布及葉緣鋸齒等物理特性,設(shè)計(jì)中對(duì)稱垂斜切式撿拾粉碎機(jī)構(gòu)[7],以提高粉碎機(jī)構(gòu)對(duì)甘蔗葉的粉碎率,促進(jìn)甘蔗葉秸稈粉碎結(jié)捆離田應(yīng)用,加快甘蔗葉資源化利用。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

甘蔗葉圓捆打捆機(jī)主要由下懸掛架、動(dòng)力輸入軸、撿拾粉碎機(jī)構(gòu)、螺旋絞龍喂料機(jī)構(gòu)、繩捆放置箱、固定端鋼輥輸入鏈輪、導(dǎo)繩機(jī)構(gòu)、纏繩機(jī)構(gòu)、張開端鋼輥輸入鏈輪、結(jié)捆室、出捆升降油缸、報(bào)警閃光燈等組成,如圖1所示。

圖1 圓捆打捆整體模型Fig.1 Overall model of round baling

1.2 工作原理

通過(guò)60 kW以上的拖拉機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸出,將動(dòng)力輸送到連接打捆機(jī)變速箱的萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸,經(jīng)變速箱輸入到機(jī)器的帶輪輸出軸,由右側(cè)皮帶帶動(dòng)撿拾粉碎軸旋轉(zhuǎn),對(duì)甘蔗葉進(jìn)行撿拾粉碎,左側(cè)粉碎軸的帶輪通過(guò)皮帶帶動(dòng)螺旋絞龍喂入機(jī)構(gòu)的帶輪輸入軸,帶動(dòng)螺旋絞龍旋轉(zhuǎn),將撿拾粉碎機(jī)構(gòu)拋送的甘蔗葉輸送到鏈條帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的鋼輥喂入端,經(jīng)成捆室鏈條帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的張開端鋼輥和固定端鋼輥,將甘蔗葉進(jìn)行結(jié)捆成型繞動(dòng)旋轉(zhuǎn),甘蔗葉在成捆室鋼輥旋轉(zhuǎn)的作用下旋轉(zhuǎn)滾動(dòng),連續(xù)不斷的甘蔗葉喂入,使成捆室旋轉(zhuǎn)的甘蔗葉不斷地被收縮壓緊成型,當(dāng)甘蔗葉圓捆成型后,會(huì)觸動(dòng)成捆室固定鋼輥后端的微動(dòng)觸發(fā)開關(guān),駕駛室內(nèi)警報(bào)蜂鳴,報(bào)警燈閃爍,按下結(jié)繩按鈕,將結(jié)捆繩纏繞在成型的圓捆甘蔗葉上,纏繞2～4導(dǎo)繩行程后,按下出倉(cāng)按鈕,將結(jié)繩緊固的甘蔗葉圓捆從成捆室倒出,完成一次甘蔗葉撿拾、粉碎、輸送、成捆、出捆作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 撿拾粉碎機(jī)構(gòu)

結(jié)合甘蔗葉含水率、寬窄、長(zhǎng)短、厚薄、維管束分布、毛群分布及葉緣鋸齒等物理特性,采用秸稈粉碎還田機(jī)類比設(shè)計(jì)方法,在刀輥軸上按螺旋線排列14組中對(duì)稱垂斜切式甩刀,甩刀類型采用結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的中垂刀和4把傾斜45°對(duì)稱斜切刀組成的中對(duì)稱垂斜切式撿拾粉碎機(jī)構(gòu),該撿拾粉碎機(jī)構(gòu)主要由刀輥軸、固定銷、限位墊圈、開刃斜切刀、開刃垂直刀、粉碎刀固定架、刀片連接銷軸、刀架固定輥、固定螺栓、螺紋孔、防護(hù)罩等零件組成,如圖2所示,設(shè)計(jì)的中對(duì)稱垂斜切式粉碎機(jī)構(gòu),作業(yè)時(shí)刀輥軸高速旋轉(zhuǎn),開刃垂直刀與斜切刀在離心力的作用下,更有利于將甘蔗葉粉碎拋送到螺旋絞龍機(jī)構(gòu),通過(guò)張開端鋼輥將絞龍機(jī)構(gòu)中的甘蔗葉旋轉(zhuǎn)喂入成捆室內(nèi)部,提高結(jié)捆效率,完成撿拾、粉碎、物料喂入、結(jié)捆過(guò)程[8]。

圖2 中對(duì)稱垂斜切撿拾粉碎機(jī)構(gòu)Fig.2 Symmetrical vertical oblique cutting of picking up and crushing mechanism1.固定銷 2.刀輥軸 3.刀架固定輥 4.刀片連接銷軸 5.粉碎刀固定架 6.固定螺栓 7.螺紋孔 8.帶刀牙垂直刀 9.帶刀牙斜切刀 10.限位墊圈

中對(duì)稱垂斜切式粉碎機(jī)構(gòu)的撿拾粉碎刀固定架由螺栓固定在刀輥軸上,通過(guò)連接銷軸與限位墊圈將粉碎垂直刀和斜切刀串聯(lián)固定在刀架上,并在銷軸的兩端用固定銷限位固定,如圖3所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是針對(duì)甘蔗葉厚度、含水率的不同,通過(guò)調(diào)節(jié)刀片限位墊圈個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)各粉碎刀在連接銷軸上的限位位置及粉碎刀個(gè)數(shù),獲得粉碎物料的切碎效果,并利用驅(qū)地輪和拖拉機(jī)升降臂調(diào)節(jié)最低限位位置,使布置的撿拾粉碎刀能將緊貼地面雜亂無(wú)章的甘蔗葉撿拾、粉碎、拋送。

圖3 中對(duì)稱垂斜切式甩刀Fig.3 Middle symmetrical vertical bevel slinger

2.2 撿拾粉碎刀受力分析

撿拾粉碎刀實(shí)際作業(yè)過(guò)程中作高速圓周旋轉(zhuǎn),在離心力作用下,近似處于圓周徑向狀態(tài),更容易克服撿拾粉碎甘蔗葉的阻力[9-10],其受力分析與旋轉(zhuǎn)方向,如圖4、圖5所示。

圖4 工作時(shí)甩刀的受力分析Fig.4 Force analysis of knife swing at work

圖5 粉碎刀旋轉(zhuǎn)方向Fig.5 Rotation direction of grinding knife

其中刀長(zhǎng)為L(zhǎng)的粉碎刀自身重力mg與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的離心力F1,在克服撿拾粉碎甘蔗葉阻力F2時(shí),形成偏轉(zhuǎn)角α。在不考慮撿拾粉碎刀、限位墊圈、銷軸的摩擦力矩的前提下,撿拾粉碎刀相對(duì)于O點(diǎn)的力主要有粉碎刀自身重力mg、旋轉(zhuǎn)離心力F1、阻力F2,力臂分別是L0sinα、l1、l2、l3,存在如下關(guān)系。

L2=Lcosα

(1)

(2)

l1=F2L2=F2Lcosα

(3)

l2=mgL0sinα

(4)

l3=mω2R2L1=mω2R1L0sinα

(5)

式中：ω——刀輥的角速度,rad/s;

l1——切削阻力力臂,mm;

l2——重力力臂,mm;

l3——離心力臂,mm;

L——刀長(zhǎng),mm;

L0——甩刀質(zhì)量中心到甩刀旋轉(zhuǎn)中心直線距離,mm;

L1——刀輥中心到甩刀旋轉(zhuǎn)中心水平距離,mm;

L2——甩刀邊界端點(diǎn)到甩刀旋轉(zhuǎn)中心垂直距離,mm。

則相對(duì)于撿拾粉碎刀固定銷中點(diǎn)O1的作用力矩平衡方程式為

F2Lcosα=mgL0sinα+mω2R1L0sinα

(6)

(7)

式中：R1——刀輥中心到切刀旋轉(zhuǎn)中心距離,mm;

R2——刀輥中心到甩刀質(zhì)量中心距離,mm;

F1——旋轉(zhuǎn)離心力,N;

F2——甘蔗葉粉碎切割阻力,N。

當(dāng)甩刀幾何尺寸、質(zhì)量一定時(shí),隨著甩刀質(zhì)量、L0/L、刀輥角速度的增大,偏轉(zhuǎn)角α變小,甩刀質(zhì)量中心點(diǎn)慢慢向旋轉(zhuǎn)刀端移動(dòng),利于甘蔗葉的粉碎。

2.3 刀輥轉(zhuǎn)速分析

目前,國(guó)內(nèi)已有秸稈粉碎還田機(jī)的甩刀回轉(zhuǎn)半徑在240～300 mm范圍內(nèi),為保證在不太高的甩刀線速度下能粉碎甘蔗葉,參考已有甘蔗葉粉碎還田機(jī),選取粉碎刀輥回轉(zhuǎn)半徑為250 mm。

在刀輥轉(zhuǎn)速一定的情況下,撿拾粉碎刀輥旋轉(zhuǎn)半徑大小將直接影響甘蔗葉撿拾粉碎機(jī)構(gòu)的刀輥平衡、粉碎機(jī)構(gòu)振動(dòng)、打捆作業(yè)效率,當(dāng)增大撿拾粉碎機(jī)構(gòu)刀輥旋轉(zhuǎn)半徑時(shí),能提高撿拾粉碎刀端的絕對(duì)速度,有利于撿拾粉碎;但撿拾粉碎刀回轉(zhuǎn)半徑增大,會(huì)增大打捆機(jī)的整體尺寸,導(dǎo)致刀輥不平衡因素增大,振動(dòng)激增[11-12]。

為滿足撿拾粉碎條件,根據(jù)速度合成原理,結(jié)合撿拾粉碎機(jī)構(gòu)的刀輥轉(zhuǎn)向與拖拉機(jī)帶動(dòng)打捆機(jī)前進(jìn)方向,得到撿拾粉碎刀刃的絕對(duì)速度、相對(duì)速度、牽連速度如下。

(8)

(9)

(10)

n——刀輥轉(zhuǎn)速,r/min;

R——刀輥旋轉(zhuǎn)半徑,mm。

2.4 前擋板離地高度確定

前置撿拾粉碎機(jī)構(gòu)的保護(hù)擋板與地面間距的大小決定甘蔗葉撿拾粉碎的狀態(tài)與粉碎效果。為避免甘蔗葉粉碎不徹底,纏繞刀輥,堵塞刀輥與保護(hù)擋板之間的間隙,粉碎刀漏撿拾粉碎,保護(hù)擋板與地面間距h要大于甘蔗葉的最大厚度,由于糖廠軋?zhí)枪に囈?大部分甘蔗還需人工采收,砍收過(guò)程產(chǎn)生的甘蔗葉厚度也是參差不齊,結(jié)合拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛左右對(duì)稱牽引臂升降的特點(diǎn),測(cè)量撿拾粉碎刀作業(yè)時(shí)的最低離地高度,h可取值為30～50 cm之間。甘蔗葉撿拾粉碎示意圖,如圖6所示,其中h為前保護(hù)擋板離地高度,h1為撿拾粉碎刀作業(yè)時(shí)下端離地高度,S1為撿拾粉碎刀與機(jī)體前保護(hù)擋板的側(cè)隙,S2為撿拾粉碎刀與機(jī)體后保護(hù)擋板的側(cè)隙[14]。

圖6 甘蔗葉切割粉碎示意圖Fig.6 Schematic diagram of cutting and crushing sugarcane leaves

3 粉碎刀有限元分析

為了驗(yàn)證撿拾粉碎機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性,運(yùn)用SolidWorks對(duì)中對(duì)稱垂斜切式粉碎刀進(jìn)行三維建模,導(dǎo)入Ansys中進(jìn)行刀片仿真分析,其中刀具選用含有金屬錳、硅等元素的65Mn彈簧鋼,提高刀具的強(qiáng)度和硬度,結(jié)合刀具與銷軸的安裝特點(diǎn),定義模型單元類型,進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化劃分[15],提高仿真分析的準(zhǔn)確性,通過(guò)對(duì)刀具進(jìn)行仿真分析,得到斜切刀應(yīng)力與位移云圖如圖7所示,在位移云圖中刀具主要變形發(fā)生在最下開刃部。

(a) 刀具網(wǎng)格劃分

(11)

式中：τT——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,MPa;

T——刀具受到的扭矩,N·mm;

WT——刀具抗扭截面系數(shù),mm3;

n——轉(zhuǎn)速,r/min;

P——傳遞功率,kW;

d——計(jì)算刀具端截面處直徑,mm;

[τT]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,MPa。

經(jīng)過(guò)對(duì)刀具進(jìn)行強(qiáng)度校核,得到刀具的強(qiáng)度為24.3 MPa,小于許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(25～45 MPa),滿足刀具的工作性能要求。

4 田間試驗(yàn)結(jié)果與分析

以含水率為17.2%～32.3%的甘蔗葉為試驗(yàn)對(duì)象,在甘蔗種植行距為120 cm,壟高為14 cm,壟寬為80 cm的廣東省湛江市中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所甘蔗種植基地進(jìn)行甘蔗葉圓捆打捆機(jī)田間撿拾粉碎打捆試驗(yàn),試驗(yàn)前設(shè)定試驗(yàn)區(qū)面積為1.33 hm2,并隨機(jī)劃定5塊100 m×10 m的小試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行甘蔗葉覆蓋厚度及覆蓋率的測(cè)算,每塊試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選取4個(gè)1 m×1 m的測(cè)試區(qū)域,進(jìn)行甘蔗葉覆蓋厚度及覆蓋率的測(cè)算,5塊試驗(yàn)區(qū)的平均測(cè)算結(jié)果見表1。

完成對(duì)試驗(yàn)區(qū)甘蔗葉覆蓋厚度及覆蓋率的測(cè)算后,通過(guò)配套動(dòng)力為雷沃904型拖拉機(jī)的后置懸掛系統(tǒng)將甘蔗葉圓捆打捆機(jī)進(jìn)行牽引連接,作業(yè)前通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)后置懸掛液壓系統(tǒng),確保前置撿拾粉碎機(jī)構(gòu)田間作業(yè)時(shí)的最佳離地間隙。

在田間作業(yè)試驗(yàn)時(shí)設(shè)定拖拉機(jī)速度為慢1擋1 m/s,如圖8所示,對(duì)5塊小試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取的20個(gè)1 m×1 m測(cè)量區(qū)內(nèi)的所有粉碎甘蔗葉,用天平稱出其質(zhì)量,隨后撿出長(zhǎng)度≤15 cm的甘蔗葉秤出其質(zhì)量,進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),并通過(guò)式(12)和式(13)計(jì)算出5塊試驗(yàn)區(qū)內(nèi)所有測(cè)試區(qū)內(nèi)甘蔗葉的平均撿拾率η與粉碎合格率θ分別為86.22%和85.43%[16-17]。

圖8 田間試驗(yàn)Fig.8 Field experiment

(12)

(13)

通過(guò)運(yùn)用秒表記錄田間作業(yè)過(guò)程中,完成每一個(gè)取樣試驗(yàn)的單位時(shí)間,并將記錄到的5塊試驗(yàn)區(qū)內(nèi)20組數(shù)值通過(guò)式(14)計(jì)算其平均值,測(cè)定甘蔗葉打捆機(jī)中對(duì)稱垂斜切式粉碎機(jī)構(gòu)工作效率w,通過(guò)計(jì)算得到中對(duì)稱垂斜切式粉碎機(jī)構(gòu)工作效率為0.16 hm2/h[18-19]。

(14)

式中：L——取樣單位長(zhǎng)度,m;

B——作業(yè)幅寬,mm;

q——作業(yè)一個(gè)取樣試驗(yàn)單位所花費(fèi)時(shí)間,s。

經(jīng)過(guò)對(duì)20組測(cè)試區(qū)內(nèi)的撿拾秸稈重量、≤15 cm秸稈重量、剩余秸稈質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,如圖9所示,并結(jié)合試驗(yàn)性能指標(biāo)的分析計(jì)算公式測(cè)算得到甘蔗葉撿拾率為86.22%,粉碎合格率為85.43%,工作效率為0.16 hm2/h,表明蔗葉打捆機(jī)的中對(duì)稱垂斜切式粉碎機(jī)構(gòu)田間作業(yè)效果良好,且甘蔗葉撿拾率與粉碎合格率及機(jī)具性能都較為穩(wěn)定,其田間試驗(yàn)效果如圖10所示。

圖9 試驗(yàn)測(cè)試區(qū)內(nèi)三種秸稈重量數(shù)據(jù)分析Fig.9 Analysis of weight data of three kinds of straw in test area

5 結(jié)論

1) 針對(duì)甘蔗葉打捆作業(yè)時(shí)仍存在粉碎不勻、纏繞、阻塞等問(wèn)題,結(jié)合甘蔗葉的物理特性,設(shè)計(jì)甩刀回轉(zhuǎn)半徑為250 mm,并在刀輥軸上按螺旋線排列14組中對(duì)稱垂斜切式甩刀,甩刀類型采用結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的中垂刀+4把傾斜45°對(duì)稱斜切刀,在撿拾粉碎刀作業(yè)時(shí)的最低離地高度h為30～50 cm之間,當(dāng)?shù)遁佪S最小轉(zhuǎn)速≥1 830 r/min時(shí),撿拾粉碎刀切割線速度≥48 m/s,達(dá)到粉碎甘蔗葉的目的。

2) 運(yùn)用Solidworks對(duì)撿拾粉碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì),運(yùn)用有限元軟件對(duì)粉碎刀進(jìn)行模態(tài)應(yīng)力分析,確定中對(duì)稱垂斜切式撿拾粉碎機(jī)構(gòu),進(jìn)行樣機(jī)制作。

3) 通過(guò)田間試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到：中對(duì)稱垂斜切式粉碎機(jī)構(gòu)在不影響宿根生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上,可實(shí)現(xiàn)甘蔗葉粉碎長(zhǎng)度在≤15 cm的范圍內(nèi),甘蔗葉撿拾率為86.22%,粉碎合格率為85.43%,工作效率為0.16 hm2/h。

4) 在實(shí)際的成捆作業(yè)過(guò)程中仍遇到甘蔗葉堆積堵塞結(jié)輥間隙,導(dǎo)致成捆室結(jié)捆緊實(shí)度差、成捆難等問(wèn)題,因此甘蔗葉圓捆打捆機(jī)的撿拾粉碎與成捆機(jī)構(gòu)還需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。