农作物秸秆还田机的设计

张皖哲　郑铁　王润涛　徐之欣　张文涵

摘 要：该文研究设计了一款动力消耗低、切割大小满足生活要求的农作物秸秆还田机系统，阐述了系统的工作原理并详细介绍了系统的主体结构与运动仿真。系统主要由进料结构、传动结构、揉搓结构、切碎结构组成，通过运动仿真确定关键参数，使系统在实际应用中更有操作性与安全性。

关键词：切碎 揉搓 运动仿真 传动

中图分类号：S224 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0094-02

我國有产量巨大、类型繁多、分布广泛的农作物秸秆。随着社会和经济的发展，农作物秸秆大量剩余，通常直接焚烧或作为燃料使用，这不仅造成了资源浪费，还污染了环境。通过机械式秸秆还田技术不仅可以缓解农忙时劳动力缺少的问题，秸秆还田还具有增长土壤微生物数量和提高酶的活性、增高土壤养分含量、提高粮食产量等作用，有效地缓解了因秸秆燃烧而造成的环境污染情况[1]。该设计以生物质秸秆为原料，研究制备高效生物质秸秆粉碎还田设备。经过对切碎和揉搓机构的优化，传动机构的设计及运动仿真，确定系统的参数。

1 系统整体设计

系统主要由进料结构、传动结构、揉搓结构、切碎结构组成。其中定刀组和动刀组等构成了切碎结构；揉搓板、转子、锤片和筛片等构成了秸秆揉搓结构。进料口处的物料通过进料结构和切碎机后方风机的作用下不断进入切碎室。动力经过电动机传送给皮带轮，再传送到主轴上，锤片和动刀在主轴的带动下一起高速运转。秸秆在切碎室中被切碎、经过锤片作用使其粉碎，筛片一直进行筛选，粉碎彻底的秸秆离开运动轨道经过筛片到达出料口，而粉碎不彻底的秸秆则在切碎室内重新被切碎。系统框图如图1所示。

2 系统主体设计

2.1 切碎结构与揉搓结构设计

切碎结构主要依照现有的铡草机破碎杂草的方式进行设计，选用直刃刀切割，刀片数为4。为使机器的功率不会过大，主轴转动速度也不能过大，因此该设计选择的主轴转速为n=1 300 r/min。定刀与动刀的间隔通常关乎切割顺利与否，工作效率是否高，切割质量是否好。过大的间隔可能切得不彻底或切不断，过小的间隔可能会增加刀具的磨损，因此间隔选择2～3 mm[2-3]。

由于切碎室内的秸秆是与锤片同向运转，且差速较小，锤片与秸秆间的大部分作用只能使秸秆产生形变，而要想完全粉碎需要经过多次碰撞作用。为了在切碎室内能让秸秆更彻底地被粉碎，该文使用矩形锤片。锤片的直径和动刀的直径相同，同为0.68 m，锤片尾部的线速度为35 m/s，转速n=1 215 r/min。

2.2 传动结构设计

传动结构是整机设计研发中的一项重要工作。它是将动力传送给执行结构或执行构件的中间结构。该机的传动结构采用机械与液压相结合的方法。

秸秆捡拾喂入切碎传动系统包含1组带传动、1组齿轮传动、3组链传动和2组组式齿轮传动，整机的动力由柴油机提供，动力由齿轮一级一级向后传送。

秸秆深施传动系统的动力由液压马达供给。液压马达同时给3组结秆深施装置提供动力，该装置的旋转轴和输出轴垂直，采用锅杆传动方式，运转平稳且工作声音低[4]。传动方案如图2所示。

3 运动仿真分析

该文使用美国PTC开发的Pro/E5.0软件来实现机械的运动仿真分析，该软件可以实现实体化建模功能，本身带有结构运动仿真工具，建模与仿真二者可直接转换，便于设计中的仿真分析，且无需两次修改[5]。秸秆还田机的仿真过程设计如图3。

机械仿真建模过程釆用自底向上的思想。先设定单个零件实际模型，再通过零件之间的真实工作位置来安排每个零件在仿真过程中的位置，并设定各零件之间的衔接关系，最后建立整机模型。

在把整机模型从Pro/E标准环境转换到机构环境前需要对其进行简化处理，用视图管理器屏蔽与运动结构无关的部件，这些部件在之后的分析中将不占用计算机的内存，由此减小电脑的计算量，提高运行速度。将简化后的模型转到仿真环境中，根据动力传动方向，设置各个齿轮运转方式。设置有关电机运动的参数，选择运动学仿真，点击运行，机具即按照设定的参数开始模拟粉碎秸秆工作的运动。

通过虚拟样机的设计，完成整机的设计和各零部件模型的装配，然后对核心机构进行运动学仿真，模拟实际工作时，保证设计参数能实际加工运行，防止该设计在制作中出现问题。

4 结语

该系统通过对农作物秸秆的性质进行分析，确定粉碎原理与方式，进而设计出一款动力功耗低、切割大小满足生活要求的农作物秸秆还田机。通过仿真测试，确保设计可安全地在实际中被制作。

但是系统还存在一些需要改进的地方，该文在研究过程中，因缺少实验部分，使用类比法确定了一些关键参数，如主轴转速等，这将影响设计的最终结果能否达到最优化。

参考文献

[1] 马学良，方宪法，陈开化.我国农作物秸秆高效利用技术现状与趋势[J].农业现代化研究，1995，16（6）：399-400.

[2] 汪莉萍.复合式秸秆粉碎机设计方法理论研究[D].黑龙江：东北林业大学，2010.

[3] 张儒.多功能秸秆还田机设计及其秸秆深施装置性能的实验研究[D].黑龙江：东北农业大学，2014.

[4] 余水生.水田高茬秸秆还田耕整机的研制[D].武汉：华中农业大学，2012.

[5] 肖体琼.基于Pro/E和ANSYS的水稻直播机设计及有限元分析[C]//水稻生产机械化技术交流会论文集.2006： 125-128.