【導(dǎo)讀】Keywords:no-tillageplanter;sawinganti-blockingmechanism;cuttingmechanism;cuttingrate

　　

【正文】 種機防堵性能提供了一條新途徑。 關(guān)鍵詞 :免耕播種機 。鋸切防堵裝置 。切割機理 。切碎率 免耕播種機鋸切防堵裝置設(shè)計及其切割機理的研究 廖慶喜 1，高煥文 2，舒彩霞 （ 程技術(shù)學(xué)院，武漢 430070。 2. （中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083） 摘要 :針對我國北方旱地一年兩熟地區(qū)免耕播種機堵塞現(xiàn)象和已有卞動式防堵裝置轉(zhuǎn)速高( 1500 r/ min 以上 )、功耗大 (單位幅寬達 16 kW/m，含牽引功率 )的現(xiàn)實問題，設(shè)計了一種新型免耕播種機鋸切防堵裝置，分析了該裝置的切割機理，應(yīng)用有限元 ANSYS 軟件計算了鋸齒圓盤切刀的應(yīng)力分布，得出了鋸齒圓盤切刀川于玉 米秸稈切割的可行性。上述 試驗表明 :1)該裝置采用逆轉(zhuǎn)式作業(yè)，兼有無支撐和有支撐兩種切割方式，切 割徹底，并能借助刀齒前角和拋撒板將已切斷秸稈定向拋送到開溝器后方，實現(xiàn)了切割、定向拋撒一體化功能 。2)秸稈切碎率隨轉(zhuǎn)速和秸稈含水率的增大而增大 ，秸稈含水率高時有利于提高切割質(zhì)量 。3)秸稈切碎率在動定刀間隙一定時，隨前進速度增大而降低，小間隙時無漏切和撕皮現(xiàn)象，切割 質(zhì)量高，功耗小。理論和試驗結(jié)果表明 :與其他卞動式防堵裝置相比，鋸切防堵裝置具有良好的切割性 能，其轉(zhuǎn)速低 (650 r/min)、功耗小 (單位幅寬為 kW/m)、秸稈覆蓋量適應(yīng)性強，為改善免耕播種機防堵性能提供了一條新途徑。 關(guān)鍵詞 :免耕播種 機 。鋸切防堵裝置 。切割機理 。切碎率 中圖分類號 ： S223 文獻標(biāo)識碼 ： A 文章編號 ： 10026819(2021)05006407 收稿日期 ： 20210615 說明 免耕播種機堵塞 問題是 影響 我國一年兩熟 的 北方旱地地區(qū) 的 生產(chǎn)效率和播種質(zhì)量關(guān)鍵因素之一。這是因為有大量的作物根茬 而且在作物收割不久就要進行播種 ，不留時間 使 作物根茬腐爛。目前，有兩種方法來解決 免耕播種機的堵塞問題： 1）在播種前用秸稈刀切碎秸稈 ，這將導(dǎo)致增加 的工作程序，并增加生產(chǎn)成本，以及推遲播期 。 2）茬 被安裝在 免耕播種機 上的切除機構(gòu) 清除，如在河北 農(nóng)哈哈機械有限公司的 紡紗地帶和溝小麥播種機和 中 國產(chǎn)農(nóng)業(yè)大學(xué)[ 1 ]的 2BMDF玉米地帶等等。在實踐中，駕駛砍機制 在防堵問題上有巨大作用 ， 但是因為秸稈切碎時的 高轉(zhuǎn)速 ，會產(chǎn)生更大的振動和噪聲以及降低安全 。 據(jù)報道，幾個主要秸稈切碎機制 的 刀片基礎(chǔ)線速度是 37 ? 56 米 /秒 [ 2 ] ，其中大部分是砧板機制結(jié)合切割突出了更高的驚人速度和更高的功率消耗 [ 3 ] ，例如：刀片基礎(chǔ)線速度高達 34 米 /秒能取得削減玉米秸稈 的 良 好效果 [ 4 ] ， 而 大米和小麥秸稈 高達 24 米 /秒 [ 5 ] 。 即使玉米秸稈被 與與垂直的滑動切口相切 ，其切割一個和兩三個秸稈 的速度 必須上升到 米 /秒， 米 /秒， 米 /秒 [ 6 ] ，并且 有較高的功率消耗。 簡言之 ,因為駕駛砍機制 目前開發(fā) 有高旋轉(zhuǎn)速 度 (上面 1500轉(zhuǎn) /分 )并且更高的力量消費 (寬度單位能耗高達 16 ? 千瓦 /米，包括牽引動力 ),在實踐中以減少旋轉(zhuǎn)速度和力量消費將 是迫切的 . 根據(jù)實際問題，本文件中的目標(biāo)是要找到一種辦法來解決 64個缺陷， 制造出 對抓住稻草并且它必須 在更高的旋轉(zhuǎn) 速度下， 減少能耗和提高切割效果以及防堵性能免耕播種機 。另外一些實驗， 對 選擇了齒 形 切削刀片的免耕播種機和切削機理的鋸切防堵機制進行了研究 。 2 結(jié)構(gòu)和規(guī)則的鋸切防堵裝置的切割原理 結(jié)構(gòu)和特性 鋸切防堵裝置 由鋸齒圓盤切刀、定刀組合、拋撒板、主軸、罩殼、機架、以及傳動系統(tǒng)組成。 鋸切防堵裝置 的零件圖如圖 、拋撒板、和定刀組合是該裝置的主要組成部分。 設(shè)計的鋸齒圓盤直徑為 350 mm,60齒 。拋撒板安裝在相鄰兩鋸齒圓盤間 ,其最大回轉(zhuǎn)直徑為 270 mm。定刀組合由鋸齒形定刀和直刀形定刀 組合而成 ,鋸齒形定刀與鋸齒圓盤切刀配合對秸稈進行剪切 ,而直刀形定刀主要起阻擋未切斷秸稈落入拋撒區(qū)的作用 ,同時也參與剪切。該裝置安裝在土槽試驗臺上 ,工作幅寬為 600 mm，相鄰間隔為 200毫米 。 其工作特點是秸稈既可由鋸齒切刀直接切碎 ,也可由鋸齒切刀和定刀組合作用而切碎 ,兼有無支撐與有支撐 2 種切割方式 ,鋸齒刀端線速度低于甩刀式切割器線速度 ,即具有將高速砍切變?yōu)榈退黉徢械奶攸c 。 1. 開溝鏟組合 。 。 。 。 。 ； 。 。 。 。 。 。 圖 1 鋸齒防堵裝置結(jié)構(gòu)示意圖 切割原理 鋸齒圓盤切刀由動力驅(qū)動作逆時針旋轉(zhuǎn) 。首先， 當(dāng)鋸齒底部與秸稈接觸時 ,鋸齒嵌住秸稈進行無支撐切割 ,已切斷的秸稈 ,依靠鋸齒圓盤切刀的刀齒和拋撒板的旋轉(zhuǎn)作用向后拋送 。其次， 未完全切斷的秸桿在刀齒作用下 ,向前上方運動與定刀組合發(fā)生剪切作用 ,秸稈進行有支撐切割 ,從而完成秸稈的全部切斷 ,由鋸齒切刀和拋散板將斷稈拋送到開溝器后方。如此反復(fù) ,實現(xiàn)秸桿的連續(xù)切割和拋送。 工作時圓盤鋸齒不入土 ,其旋轉(zhuǎn)最低點離地 15~30 mm。 就田間垂直存在的秸稈的散布情況或某個角度的前進方向而言，鋸切防堵裝置的橫向的鋸齒是為了減少重復(fù)切割、漏割和撕裂稻谷。 鋸切防堵裝置的工作程序 制如下 ： 1）無支撐切割階段：相對地面靜止的稻草首先被鋸齒片切割，然后秸稈被完全切除或牢牢嵌入鋸齒中。已切斷的秸稈做自由運動并落到鄰近的鋸齒上 。 2 )拖拽 交付階段 :在稻草落下了 相 鄰近的鋸牙齒以后，他們將 被拋灑裝置 向上扔到前者 ,而且， 被嵌入鋸牙齒的稻草將 被 更高的速度旋轉(zhuǎn)的鋸牙齒向 前拋出 。 3 )支撐切階段 :在無 支撐階段未被切割的稻草 被 定刀組合切割直到被完全切割。 4 )拋撒 階段 :正在被切割的 稻草直接被鋸齒圓盤切刀和拋散弧板扔到 開溝器的后面 ,再 一次 ,稻草將被 連續(xù)地切割和拋撒。鋸切防堵裝置的工作的原理如圖 2 所示 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 N 為無支撐切割點 。K 為支撐切割點 。M 為研究對象 圖 2 鋸齒防堵裝置防堵原理示意圖 鋸齒圓盤切刀 的力學(xué)性能 切割秸稈 的鋸齒圓盤切刀的切割特性屬于無金屬材料蠕動切割 ,它的最終的目的是 不僅提供切割表面的質(zhì)量 ,而且提高 切 碎 效率，因此它能減少 切削力和能量的消耗 [ 9 ].因為它 350毫米 的直徑 與 它 毫米 的厚度的 比值 超過 了 150 ,鋸齒圓盤切刀 屬于超過薄圓盤 。它是根據(jù)彈性理論的水平 壓力和 無 軸對稱問題 。 并且因為 鋸齒圓盤切刀 是，由凸緣托盤緊縮 ,它的中心洞的 6 個 自由被限制 ,因此它的中心 部件被認作完全約束而沒有任何旋轉(zhuǎn)和移動。 .鋸齒圓盤切刀 屬于過度的 切刀 工具 ,在秸稈切割中它使其達到非傳統(tǒng)的切割力，主要原因如下： 1 )內(nèi)空并且外硬的稻草結(jié)構(gòu)決定了 微硬部分的差異分布 ,因此單個鋸齒的 力在切稻草 時 是不明確的 。 2 ) 因為鋸 齒圓盤切刀的鋸齒不連續(xù)所以 鋸 齒圓盤切刀 的全部的 切削力在水平方向?qū)⒉淮_定。 這些選擇特征將 使鋸齒圓盤切刀變得更理想 ， 而且這些理想特性 大小 要與外部承受載荷上的承載特性和鋸齒圓盤切刀尺寸相比較。因此為保證切割的平穩(wěn)需弄清鋸齒圓盤切刀所受的力。 圖 3 鋸齒圓盤切刀的壓力分布 鋸齒圓盤切刀的壓力分布由 有限元 ANSYS 軟件 計算評估。當(dāng)秸稈直徑在 20~45 毫米時參與切割秸稈的齒數(shù)一般為 2~3個 [11].由 E等 于 210Gpa[12] 、 μ為 的 25Mn制成的鋸齒圓盤切刀被分成 1200隔間和 1260個小節(jié)。這樣 ANASYS 軟件 根據(jù) 鋸齒圓盤切刀切割秸稈 米的 最平均 扭矩 [ 13 ]的擰傳感器 就獲得了 X,Y 和 XY 平面的力的分布，計算結(jié)果如下： 1） 看到 鋸齒圓盤切刀曾擔(dān)任替代 從整體應(yīng)力分布的鋸齒波，牙齒和周圍中心孔的鋸齒波已分發(fā)給主應(yīng)力，最大壓應(yīng)力達 70776帕 ，此外，最大的拉應(yīng)力高達 19945帕。與鋸齒圓盤切刀 735 兆帕產(chǎn)量疲勞內(nèi)涵 [ 12 ]相比 ，該鋸齒圓盤切刀 很難被摧毀，因此削減玉米秸稈是可行的 。 2 ）圖 3 顯示， 鋸齒圓盤切刀的應(yīng)力 是對稱分布 的 ， 相對更 壓力 的區(qū)域只占整體的 ％ ，其他 占 ％ ； 3 ） 在前齒首先接觸秸稈時，鋸齒圓盤切刀的 前牙的 承受 最大 的力 ，其應(yīng)力值 在 切削秸稈前 最小，可是當(dāng) 開始切斷秸稈 時，應(yīng)力值將大幅增加，其值將 比剛切割時大 倍 。 在 完成切割秸稈 時壓力將降到最低點。 因此， 鋸齒圓盤切刀將承擔(dān)交變應(yīng)力。 3 材料和方法 實驗設(shè)備 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)自制的土槽試驗臺。土槽結(jié)構(gòu)尺寸 20 m 0 89 m 0 6 m。臺車有效行程為 16 m,前進速度為 0 12~1 2 m s1AKC205 型扭矩傳感器 ,量程 300 Nm,精度 0 3%。自制的鋸齒式防堵裝置 ?？刂乒?。計算機操作平臺。 試驗材料 玉米秸稈 ,平均自然高度 2 25m,平均直徑 25 6 mm。 它是由葉片和 葉 皮和骨髓 組成。葉片的重量和骨髓占有全秸稈 的 55 ％以上 而且 機械強度低得多 。皮膚 的 重 量 由表皮和束組織占據(jù) 35 ％左右，皮膚機械強度高達 90 兆帕的抗拉力強度和 3 兆帕的橫向抗拉力強度的測量，這是 鋸齒圓盤切刀選擇橫向的原則 以減少電力消耗 至關(guān)重要的理論基礎(chǔ) 。 試驗方法 鋸齒式防堵裝置懸掛在土槽臺車上 ,由液壓系統(tǒng)控制防堵裝置的離 地間隔。功耗 P 的測定方法是 ,由扭矩傳感器測得扭矩 M,數(shù)據(jù)自動記錄在計算機上 ,按照扭矩傳感器的標(biāo)定及 P=M n/9 549,計算出功率 P 的大小 ,每次試驗重復(fù) 3 次 ,取平均值。拋撒率η =[( mm0)/m] 100%,其中 ,m 為待切秸稈總質(zhì)量 ,kg,m0 為開溝器前方堵塞的秸稈總質(zhì)量 ,kg,n 為轉(zhuǎn)速 ,r min1。秸稈模擬田間狀態(tài)鋪放在土槽內(nèi)。 4 結(jié)果與討論 實驗和鋸齒 圓盤切刀 旋轉(zhuǎn)方向的切割質(zhì)量 分析 有些實驗 是鋸齒圓盤切刀在土壤 裝置 中做順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)的 。結(jié)果列于表 1 。 表 1 鋸齒圓盤切刀旋轉(zhuǎn)方向的 實驗結(jié)果 項目 順時針旋轉(zhuǎn) 逆時針現(xiàn)轉(zhuǎn) 切削效果 在有支撐和無支撐情況下切割質(zhì)量良好，可抓住整個秸稈，完全切割無撕碎，良好的統(tǒng)一性切割長度，少量鋸齒圓盤切刀卷齒 切割質(zhì)量差，只有無支撐切割方法， 可抓住部分秸稈，而不能完全切割有嚴重撕裂，并隨機分布切割稻草，和嚴重的包裹切刀 消耗功率 在同一工作條件下，功率消耗相對增加。例如，當(dāng)群眾的秸稈覆蓋在 11250 kg/hm2 ，耗電量價值可能高達 千瓦 在同一工作條件下，能耗相對減少。例如，當(dāng)群眾的秸稈覆蓋在 11250 kg/hm2 ，耗電量值可高達 千瓦 拋撒效果 在同樣的工作條件，增加垂直和水平拋撒距離，并以優(yōu)良的拋撒效果和可行性得到跨越 在一樣工作條件下，減少了垂直和水平拋撒距離和速度，并且拋撒效果和可行性差 適應(yīng)性 當(dāng)大量的秸稈覆蓋在 7500 ? 18750 kg/hm2 ，它適應(yīng)性較好，但超過 18750 kg/hm2 開始下降，沒有卷齒現(xiàn)象，適合不同的秸稈覆蓋情況 當(dāng)大量的秸稈覆蓋在 7500 ? 11250 kg/hm2 時，它有優(yōu)良的適應(yīng)性，但當(dāng)超過15000 kg/hm2 ，開始變差，大部分的秸稈覆蓋多達 18750 kg/hm2 ，超載情況下完成情況差。因此，對于不同的大規(guī)模秸稈覆蓋適應(yīng)性差 表 1 顯示，在逆時針旋轉(zhuǎn)時的切割方式將有利于提高切割質(zhì)量和拋撒效果，能增強不同的覆蓋率。因此，經(jīng)常選擇逆時針旋轉(zhuǎn)的鋸齒圓盤切刀。 旋轉(zhuǎn)速度對切割質(zhì)量的影響 實驗所選擇 的是 速度 為 米 / s 的車輛和間隔 為 5 毫米的移動和固定刀片，并且鋸齒圓盤切刀與地面間隔為 20毫米 以及 11250 kg/hm2 的 秸稈覆蓋，實驗結(jié)果圖 4所示。結(jié)果表明，電力消費和 切割率會增隨鋸齒圓盤切刀 轉(zhuǎn)速的 增加而增大。由于切割秸稈時的扭矩在 基本上相同的工作條件下 是相同的 ，在鋸齒圓盤切刀的轉(zhuǎn)速 高于 650 轉(zhuǎn) /分 時切割率 可高達100 ％ 。這是因為隨著 防堵 免耕播種機轉(zhuǎn)速 的 增加秸稈 切割率會提高，這是是肯定 的。 轉(zhuǎn)速 /轉(zhuǎn) /分 能量消耗 切碎 秸稈濕度對切割質(zhì)量的影響 同樣 莊稼 的秸稈濕度 在不同的秋季和不同的收割時間是不同的。在玉米秸稈被放置在不同區(qū)域的地里后，它的濕度分別為 20%, %, % 和 %。在選擇 米 /秒的牽引速度、動刀定刀 5 毫米的間隔、切刀和地面相距 20 毫米和 650 轉(zhuǎn) /分、 11250 千克 /百米 ^2的覆蓋率的條件 下進行試驗，結(jié)果如圖 5. 秸稈濕度 /% 能量消耗 切碎 圖 5