9YFM-1900型玉米秸秆打捆灭茬一体机的设计与仿真

姜 伟，卜令昕，周 进，张 华，邸志峰

(山东省农业机械科学研究院，济南 250100)



9YFM-1900型玉米秸秆打捆灭茬一体机的设计与仿真

姜 伟，卜令昕，周 进，张 华，邸志峰

(山东省农业机械科学研究院，济南 250100)

为解决玉米秸秆还田量过大、常年累积的问题，研发一种玉米秸秆打捆灭茬一体机。9YFM-1900型玉米秸秆打捆灭茬一体机主要由机架、动力传动装置、秸秆切碎装置、压捆室、喂入搅龙、打捆机构、灭茬装置和行走机构组成，能够实现秸秆切碎、搅龙输送、拨叉喂入、活塞推压、穿针打结和灭茬还田等一系列功能。通过ADAMS和ABAQUS软件对各关键部件进行仿真分析确定关键参数，为机器设计和样机试制提供了依据。

玉米秸秆；打捆；灭茬；仿真

0 引言

我国每年可生成7亿t多玉米秸秆，秸秆随意抛弃和焚烧不仅造成大气环境污染及资源浪费，还破坏了土壤结构，危及农业的可持续发展。现阶段我国大部分玉米秸秆通过玉米收获机还田，秸秆还田量较大且常年累积，造成土壤表层悬松，影响种子出苗。因此，根据实际需要，应用打捆机一次性完成玉米秸秆打捆和根茬还田，是解决玉米秸秆适量还田的有效途径。根据调研反馈，玉米收获机的还田装置动力消耗大且切碎效果不佳，往往需要专用还田机再处理一遍，造成人力物力的不必要损失。目前大方捆打捆机技术日趋成熟，因此基于方型打捆机的结构特点，设计了9YFM-1900型玉米秸秆打捆灭茬一体机。

1 设计原理及机构

1.1 结构

9YFM-1900型玉米秸秆打捆一体机主要由机架、动力传动装置、秸秆切碎装置、压捆室、喂入搅龙、打捆机构、灭茬装置和行走机构组成，如图1所示。

1.2 工作原理

作业时，切碎装置将玉米秸秆切碎并抛送到切碎装置后方两侧的喂入搅龙，切碎的秸秆由搅龙强制输送到进料口，由送料拨叉连续不断喂入压捆室，同时活塞进行推送压缩；压缩活塞不断往复运动，随着喂入量的增加，秸秆捆长度不断增加，当达到预定捆长时，打捆机构进行穿针打结，前捆被推出压缩室，完成一个秸秆捆；玉米茎秆经过切碎装置作业留下的根茬，由灭茬装置切碎抛送还田。

1．机架 2.动力传动装置 3.茎秆切碎装置 4.压捆室 5.喂入搅龙 6.打捆机构 7.灭茬机构 8.行走机构

2 关键部件的设计与仿真

2.1 送料拨叉

送料拨叉的作用是将搅龙输送过来的玉米秸秆拨送到压捆室，由活塞推送压缩。送料拨叉主要由传动链轮、拨叉轴、拨叉组合和拐臂组成，如图2所示。为研究其运动规律，将送料拨叉模型导入ADAMS软件中并进行前处理，如图3所示，得到拨叉端点的运动速度和运动轨迹。

如图4、图5所示：在一个运动周期内，送料拨叉依次完成搂草和急回的动作。将图5的轨迹进行坐标变换导入压捆室和送料拨叉结构图进行验证，如图6所示。在向上搂草的过程中， 即B-A段， 拨叉速度比较平缓，避免秸秆抛送脱离拨叉的情况，有助于秸秆均匀成型、密度一致。拨叉端点到达顶点A时，时序上活塞应在此时将拨叉拨送上来的秸秆进行推送压缩。A点之后，拨叉急回，到达B点之后进行下一次搂草动作。从图6中可以看到：拨叉端点的轨迹完全覆盖了进料口，不会出现漏拾现象；拨叉端点轨迹与弧形板和清料门几乎平行并留有间隙，避免干涉。

1.传动链轮 2.拨叉轴 3拨叉组合 4拐臂

图3 ADAMS中的拨叉模型

图4 拨叉端点速度图

图5 拨叉端点轨迹图

1.压捆室 2.拨叉 3.拨叉格栅 4.搅龙 5.拨叉端点轨迹 6.清料门圆弧板

2.2 压缩机构

曲柄滑块机构分为对心式和偏置式两种。在相同结构参数的情况下,偏置式曲柄滑块结构较对心式结构滑块行程小,并且具有急回特性,效率较高。所以，本设计采用偏置式曲柄滑块机构，偏置距离e=35mm，设计行程550mm，曲柄半径r=275，连杆长度L=577mm。

杨明韶等人对开式压缩理论的分析表明：当活塞压力从零到最大时,草捆密度也从最小值达到最大值;当活塞回行时,压缩物料由于物料特性先保持此密度一段时间,然后由于物料的应力松弛开始膨胀。若压缩活塞在物料还未进行膨胀时,进行第2次压缩则物料可能得到更高的密度，所以提高压缩频率可以提高效率。增加曲柄的转速可以提高压缩频率并得到较大的压缩力，但也导致了惯性力的增大使设备失稳，所以曲柄转速不能过高。参考国内外大方捆打捆机频率设置，曲柄转速为100r/min。受压捆室尺寸影响，活塞截面面积为440mm×355mm；为减少活塞运动阻力，活塞设置有上下辊轮，与压捆室中的导轨配合；活塞前端设置有切刀，与压捆室中的定刀配合切断秸秆避免堵塞，活塞三维模型如图7所示。

图7 活塞三维模型

为验证活塞曲柄连杆机构的运动特性，用ADAMS软件进行仿真，将活塞三维模型导入Adams中，如图8所示。

图8 ADAMS中的活塞曲柄连杆模型

通过图9可以看出：活塞运动的1个周期内，活塞行程s=551.4mm，当活塞运行到最远端时加速度最大，达到4.5×104mm/s2，因此压捆室上设置4个弹簧阻尼体平衡此时的惯性力。

图9 活塞的位移和加速度

活塞与拨叉的运动应满足一定的时序关系，即拨叉端点达到顶点时活塞应出现在相应位置，将秸秆推送压缩，如图10所示。此时，曲柄与水平面夹角为85°，拨叉连杆摇臂与水平面夹角为135°。

2.3 切碎装置与灭茬装置

切碎装置与灭茬装置均采用刀辊上加装L型直刀的形式。

切碎装置采用动定刀切割秸秆的方式以提高切碎效果，刀座在刀辊上螺旋线分布(见图11)，回转半径r=253mm，刀辊轴线与地面距离355mm。根据吴鸿欣等人的研究，切割转速越高，切断效果越好；一般有支撑切割的线速度为6～10m/s，无支撑切割的线速度为20～30m/s时可以达到切断效果。本设计要求较高的秸秆切碎质量，故切断刀辊转速n1=2 100r/min。

图10 活塞拨叉位置图

根据JB/T8401.3-2001根茬粉碎还田机的机械行业标准中灭茬深度≥70mm的要求，并考虑机器的合理布局，灭茬刀采用L型小灭茬刀，刀辊回转半径R=167mm,入土深度80mm，如图12所示。

1.中间传动组合 2.切碎刀辊 3壳体 4定刀

1.灭茬刀辊 2.L型小灭茬刀

2.3.1 灭茬刀轨迹分析

机器前进时，刀片的绝对运动是由机器的前进运动和刀轴的回转运动所合成。为使刀片在切土过程中不产生推土现象，要求其绝对运动的轨迹为余摆线，如图13所示。

图13 灭茬刀轨迹

在灭茬刀轨迹上任一点M的绝对速度为

(1)

式中R—灭茬刀辊回转半径(m)；

ω—灭茬刀辊角速度(rad/s)；

vm—机器前进速度(m/s)；

t—灭茬刀辊运动时间(s)。

为确保茎秆粉碎，则在切土点A的位置上，vx必须有足够的向前分量，使其绝对速度大小不低于除茬速度vc，即

(2)

此时，几何上满足

cosωt=(R-H)/R

(3)

联立式(1)～式(3)可得到转速条件为

(4)

取vm=1.5m/s,H=0.08m,R=0.167m；参考农业机械手册整地机械的相关内容，取vc=5.5m/s，则n≥439r/min。取灭茬刀辊转速n=500r/min，频率f=8.3Hz。

2.3.2 基于ABAQUS的灭茬刀辊模态分析

将灭茬刀辊模型经Hypermesh前处理导入ABAQUS进行模态分析，分析结果如表1所示。灭茬刀辊工作频率远小于其固有频率，不会出现共振现象。

表1 切碎刀辊约束模态计算结果

3 结论

通过ADAMS对灭茬打捆一体机的压捆装置和送料拨叉仿真分析验证了其运动规律，确定了关键参数；通过理论分析得到切碎刀辊与灭茬刀辊转速，并ABAQUS对灭茬刀辊进行模态分析验证其可行性，为灭茬打捆一体机的设计与试制提供了依据。

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[6] 吴子岳,高焕文,陈君达.秸秆切碎灭茬机的模型研究与参数优化[J]. 农业机械学报,2001(5):44-46.

Abstract： To solve problem of large amount of returning corn stalks and yearly accumulation, a kind of stalk binding and stubble machine was designed. 9YFM-1900 type stalk binding and stubble machine included frame, driving device, stalk chopper, baling chamber, screw conveyor, bundling mechanism, stubbing machine and walking mechanism. This machine can complete a series of function of stalk cutting, conveying compression, tying and stubbing. Key parameters were determined by simulating in ADAMS and ABAQUS, and were used to prototype’s design and manufacture.

ID:1003-188X(2017)05-0140-EA

Analysis and Simulation of 9YFM-1900 Type Stalk Bundling and Stubbing Machine

Jiang Wei, Bu Lingxin, Zhou Jin, Zhang Hua, Di Zhifeng

(Shandong Agriculture Machinery Research Institute，Jinan 250100，China)

corn stalk; bundling; stubbing; simulation

2016-04-05

山东省科技发展计划项目(2014GNC113003)

姜 伟(1986-)，男，济南人，工程师，(E-mail)jiangwei1986@163.com。

S224.29

A

1003-188X(2017)05-0140-04