穗茎兼收型玉米收获机茎秆粉碎刀的设计

陈丹阳，马跃进，郝建军，赵建国，杨 欣，李建昌，闫 棠

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)

0 引言

我国是农业大国,玉米是主要的粮食作物之一，玉米年产量呈逐年上升趋势。2016年，我国玉米年产量高达21 955.4万t[1]，按产粮和茎秆比为 1∶1.2[2]计算，每年约产出26 346.5万t的玉米茎秆。由于目前同时收获果穗和茎秆的玉米收获机并未进入市场，使得收获果穗后大量茎秆留置田中，农民为抢时播种将茎秆焚烧。据统计，茎秆焚烧会导致区域PM2.5、CO、NO2日均浓度分别上升4.2、2.9、4.4倍[3]，不仅对环境造成污染而且安全隐患严重。

然而，玉米茎秆具有多功能性，可用作饲料、肥料、工业原料及新型能源等[4]，与人民生活息息相关。目前，大部分自走式玉米联合收获机只收获果穗，将茎秆还田，少量的玉米收获机配有茎秆回收装置，由于粉碎后的玉米茎秆比较疏松，容积密度小，给运输造成困难，且未打捆的玉米茎秆一般采用堆放等方式存放，结构疏松、占用空间很大。由此可见，穗茎兼收型玉米联合收获机的研制是制约茎秆有效利用的主要问题。

本课题在现有玉米联合收获机上增设了粉碎和打捆装置，研制了可以集摘穗与茎秆粉碎、压块功能于一身的多功能玉米联合收获机，大大提高了作业效率。该技术既有利于种植业，又有利于促进养殖业发展，提高了农民的经济效益，对循环经济的实现、农业可持续发展具有重要作用和意义，是一机投入多方受益、值得推广的新机型。

茎秆粉碎装置是穗茎兼收型玉米收获机的核心工作部件，它将摘穗后的茎秆粉碎，才能将其打成高密度的草捆后再储存、运输，其设计成功与否关系到整机性能。为此，根据整机布置要求及文献资料调研，对粉碎刀进行了设计，并通过三维软件的应力分析功能对其进行分析，得到了应力应变云图，验证了该设计的可行性，为以后的设计提供参考。

1 穗茎兼收型玉米收获机整机布置方案

整机布置方案如图1所示。

1. 驾驶室 2.割台 3.茎秆粉碎机 4. 驱动前轮 5.果穗箱 6. 液压油箱总成 7.压块机图1 穗茎兼收型玉米收获机整机布置Fig.1 Arrangement of corn harvester for reaping corn and stalk

由于增加了压块装置，整机的底盘需要进行全新的配置，将发动机、油箱等工作部件置于驾驶室之后、果穗收集箱之下，以节省底盘空间，果穗输送采用中间输送方式。茎秆压块机安装在底盘最后位置，茎秆输送筒将碎茎秆直接输送到压块机的入料口处，压块后的茎秆以方捆形式落入田中，以便于后期的运输和存放。在压块机布置完成后，确定果穗收集箱的最终尺寸参数，安装布置果穗收集仓，完成果穗的收集工作。

茎秆粉碎装置在驱动前轮之前，在玉米茎秆倒伏之前就对茎秆进行粉碎且避免了驱动前轮的碾压，解决了玉米茎秆粉碎后含土量高及茎秆倒伏后难以回收等难题。

2 茎秆粉碎机方案设计

茎秆粉碎机作为穗茎兼收型玉米收获机的核心工作部件，其设计是否合理是决定穗茎兼收型玉米收获机性能好坏的关键因素之一，只有合理的结构和参数设计，才能保证茎秆切碎质量并降低功耗。

2.1 茎秆粉碎机的组成与工作原理

茎秆粉碎机包括碎茎秆输送器、碎茎秆输送筒、刀辊及甩刀等，如图2所示。茎秆粉碎机以前置悬挂安装连接方式安装在玉米收获机驱动前轮与果穗割台之间，碎茎秆通过茎秆粉碎机的输送筒将茎秆输送到打捆机的入料口处。茎秆粉碎机下方设有顶出油缸负责茎秆粉碎机做升降往复运动，通过发动机动力输出轮传递来的动力完成茎秆粉碎、输送工作。

1.输送筒 2.茎秆粉碎机壳 3.减速箱 4.张紧轮 5.悬挂支臂 6.皮带轮 7.悬挂臂 8.固定悬挂臂的轴套 9.甩刀 10.油缸 11.固定油缸的轴图2 茎秆粉碎机及连接件Fig.2 Stalk pulverizes and fittings

由于割台的限制，茎秆粉碎机的活动空间有限。根据此活动空间，设计茎秆粉碎机的外壳尺寸。茎秆粉碎机的外壳尺寸确定后，茎秆粉碎装置的运动范围就确定了。基于以上因素限制及国际无缝钢管的规格制定，最终确定刀辊的回转外径为140mm。茎秆粉碎装置包括粉碎刀和刀辊，之后设计粉碎刀的结构尺寸，使其达到粉碎效果好且消耗功率低的效果。

2.2 茎秆收获生产率

华北地区玉米单产平均为5 500kg/hm2[1]，玉米茎秆干产量与玉米籽粒产量之比为1.2∶1，故茎秆产量为6 600kg/hm2。在收获时，玉米茎秆不能完全收获，以80%玉米茎秆回收，20%玉米茎秆残茬还田[5]来计算，收集的茎秆质量为6 600×0.8=5 280kg/hm2。

玉米收获时茎秆含水率平均为64.98%[6]，根据本机设计方案，茎秆收获时含水率较高，取含水率为70%，于是得到茎秆产量为qi=5 280/0.7 =7 542.86kg/hm2。

茎秆收获生产率的计算公式为[7]

Qj=0.1qjBjvj

(1)

式中Bj—工作幅宽(m)；

qj—茎秆产量(kg/hm2)；

vj—整机行进速度(km/h)。

计算得Qj=9 051.43kg/h。

3 粉碎刀的设计及分析

茎秆粉碎机的粉碎刀片是粉碎装置的重要工作部件，经常与泥土、石块及其它田间杂质接触摩擦，工作条件极为恶劣，且由于其转速一般较高，需要承受很大的冲击力才能达到粉碎茎秆的目的。因此，粉碎刀的质量直接影响茎秆粉碎机的粉碎质量和可靠性。

3.1 粉碎刀类型的选择

粉碎刀按结构形式可分为直刀型、锤爪型及甩刀型。其中，甩刀型又包括L型及其改进型刀、T型刀、Y型甩刀型及鞭式[8]，如图3所示。

直刀型 锤爪型 Y型刀

T型刀 L型及其改进型刀 鞭式刀图3 各种粉碎刀类型Fig.3 Various types of grinding blade

直刀型粉碎性能较好、质量小、消耗功率较小，由于需要组合使用且排列较密，成本较高；锤爪式粉碎性能好，但其质量大、消耗功率大、成本高；Y型刀粉碎性能较好、质量小、消耗功率小、捡拾性能好，但结构复杂；T型刀粉碎效果好、质量较小，但成本较高；L及其改进型粉碎效果较好、质量小、功率小、成本较低，且以打击为主；鞭式粉碎质量较好、工作效率高，但其消耗功率高、成本高。

茎秆粉碎多以打击粉碎为主，切割为辅，其工作原理是通过高速旋转的刀片打击茎秆，从而达到粉碎目的。综合成本与效率多方面因素，Y型刀与L型及其改进型刀满足设计要求，本设计选择L型及其改进型刀，并将两片刀组合成Y型。这样设计既吸取了Y型刀捡拾效果好的优势，又改善了Y型刀的不足，当刀片遇到砂石等较硬冲击时还可以通过两片刀的摆动来减小刀座及刀辊的冲击力。

L改进型刀片切割茎秆时用斜切的方式，即刀片与茎秆纤维成一定斜角，而L型刀片切割茎秆是横断切，即刀片垂直茎秆纤维。理论上，L改进型刀片比L型刀片粉碎茎秆所需的功耗小30%～40%[9]。因而，本设计选用L改进型刀片。

3.2 粉碎刀受力分析

当粉碎刀高速旋转时，在离心力的作用下处于径向射线的位置，与刀辊形成一个旋转整体。粉碎刀切割茎秆时，切割阻力使粉碎刀产生偏转，切割过后，甩刀在离心力的作用下恢复到原位。粉碎刀的受力状态如图4所示。

图4 粉碎刀受力分析Fig.4 Force analysis for grinding blade

由图4可知

T×b=m×g×a×sinβ+

m×ω2×R1×a×sinβ+f×m×ω2×ρ×r

刀辊上的正压力时最大值产生于β=0时，此时，摩擦力矩=f×m×ω2×ρ×r作用在粉碎刀上相对于粉碎刀销轴的力矩方程式可写成

(2)

式中β—刀具工作偏转角(°)；

ω—刀轴回转角速度(rad/s)；

ρ—刀具质心离刀轴回转中心距离(mm)；

T—作用在刀具端部的切割阻力(N)；

b—刀具所受切割阻力的力臂；

m—刀具质量(g)；

f—摩擦因数，f=0.15；

R1—刀片回转半径(mm)；

a—刀具质心离销轴中心的距离(mm)；

g—重力加速度(m/s2)；

L—销轴中心离刀轴中心的距离(mm)。

茎秆粉碎机工作时，偏转角过大，不利于粉碎，也将造成茎秆的割茬高度增加，由式(2)可知:

1)当粉碎刀几何尺寸及安装尺寸一定时，增大质量m，β将减小，因此粉碎刀的m值不宜过小。

2)由粉碎刀结构可知，当m值一定，增大ρ值时，a值也将增大，那么β将减小。所以，在粉碎刀质量一定的情况下，把粉碎刀的质量重心向刀端移动，同样可以获得减小甩刀偏转角的效果。

3.3 粉碎刀的结构参数

粉碎刀的结构参数主要有弯折角φ、正切面刃角i、滑切角β、弯曲半径r、切削宽度L、刃厚b、刀辊半径R[9]，如图5所示。

图5 粉碎刀结构参数Fig.5 Structural parameters of grinding blade

1)弯折角φ，即粉碎刀正切面与侧切面夹角。弯折角过大，会使刀尖容易接触到土壤或根茬，粉碎刀受力增加，加速其磨损，降低刀具使用寿命；弯折角过小，粉碎刀切割茎秆时首先在弯折处接触茎秆，之后滑向侧切刃，使刀辊易阻塞，切割阻力增大。

2)正切面刃角i。i减小，粉碎刀锋利，功耗小，但i过小会使刀具寿命降低。

3)滑切角β。滑切角为正值时，滑切角过大，切割阻力增大，粉碎作用减小；滑切角为负值时，粉碎刀易缠草，刀辊易阻塞。

4)弯曲半径r。粉碎刀弯曲处要有合适的弯曲半径，这主要从制造工艺及刀具强度来考虑，过小的r会使粉碎刀弯曲处强度降低，降低刀具使用寿命。

5)切削宽度L。应从粉碎质量出发，综合机具结构、材料强度和功耗等方面综合考虑L值。切削宽度大可减少粉碎刀的排数，但单刀阻力增大，沿弯曲处易打断；切削宽度小，粉碎效率低，漏茬现象严重，需增加粉碎刀组数，结构复杂。

6)刃厚b。当正切面刃角i与刀片厚度确定后，刃厚就确定了。

7)刀辊半径R。该半径已确定为140mm。

3.4 粉碎刀结构尺寸的确定

由以上两节分析可知，粉碎刀的结构尺寸与诸多因素相关，以下逐一对各个尺寸进行确定：

1)由式(2)可知：提高甩刀质量可以减小甩刀偏转角。刀片质心的位置基本不受刀片厚度的影响，甩刀厚度一般为6～8mm[10]。经过市场调研，甩刀更换非常复杂，而且更换后的甩刀与之前使用过的甩刀在质量及性能方面存在较大差异，容易造成刀辊的不平衡。另外，由于对甩刀进行大开刃，因此本文设计采用8mm，防止刀片变形，保证较高的安全系数，提高甩刀的使用寿命。

2)刀片宽度。考虑刀对切碎茎秆的气流输送，防止刀片在工作过程中产生变形，通常刀片宽度为30～100mm[11]，为了提高捡拾率，刀片宽度取70mm。

3)弯折角。江苏农林职业技术学院刘永华老师对L形刀折弯角170°、160°、150°、135°作过对比试验，试验结果表明，135°L形刀片的采集率最大，但对折弯角为135°～90°没有经过试验[12]。

根据式(2)可知：应将刀片的重心位置向刀端移动，以保证刀辊的平衡。利用软件的分析功能来检验刀片的重心位置，以销孔处为原点，弯折角为135°时重心坐标为(9.975，-93.920，35.000)，弯折角为120°时重心坐标为(8.740，-95.317，35.000)。由此可见，弯折角越大，重心离刀端越近，因此选取弯折角为135°。

4)刃角。在冲击式无支撑情况下，在设计刀片结构尺寸时，刀片刃角不易过小。刃角建议选择在20°～40°。参考旋耕机刀片和实践经验，选择倾斜线与水平方向之间的夹角为20°[13]。

5)材料选择。选用65Mn材料制造刀片，采用热处理工艺方案为:淬火(加热温度830～840℃,时间为10min)，等温淬火(温度250～260℃,时间大于或等于30分钟)，回火(温度250～260℃,时间2h)[14]。 根据以上设计计算以及结合现有粉碎刀的模型结构，确定粉碎刀的最终尺寸:弯折角φ为135°，正切面刃角i为20°，切削宽度L为37.5mm，刃厚b为8mm，弯曲半径r为30mm，如图6所示。

图6 粉碎刀结构尺寸参数Fig.6 Structural parameters of grinding blade

3.5 粉碎刀应力分析

3.5.1 定义材料及网格划分

应力分析前首先对粉碎刀的材料进行设置，材料属性如表1所示。

表1 材料属性表

之后设置网格，网格的划分数量直接影响计算精度，网格划分越多，计算精度越高，但求解越慢。本文采用h—收敛，优化最大数设置为0，网格平均元素大小为0.1，最小元素大小为0.1，分级系数为1.5，最大转角为60°。由于粉碎刀的主要工作部位为刀刃部分，因此对该部分进行局部网格控制，设置元素大小为2mm，如图7所示。共得到9 106个节点，4 423个元素，由图7可以看出刀刃部分的网格划分明显比其他部分要细。

图7 粉碎刀网格划分Fig.7 Divide the grid for grinding blade

3.5.2 添加载荷和约束

Burmistrova测得茎秆切碎力为7.0～18.4N/mm[15]，由于要分析粉碎刀的最大受力情况，故本文在有限元分析中将作用在动刀刃上的垂直均布载荷q取最大值18.4N/mm，即对粉碎刀的刀刃上添加2 400N的力。设定重力的方向，所添加力在图7中以箭头形式标出，添加孔销约束，全部准备工作完成后对粉碎刀进行有限元分析。

3.5.3 分析结果

通过三维软件的应力分析功能，得到粉碎刀的等效应力、位移及安全系数分布云图，如图8所示。

图8 粉碎刀应力分布云图Fig.8 Stress distribution of grinding blade

从等效应力分布云图中可以看出：应力最大值在销孔处，为475MPa。粉碎刀采用的材料为65Mn，该材料的屈服强度为785MPa。因最大应力值小于材料的屈服强度，故该设计满足强度要求。从位移分布云图可以看到：变形最大部位为粉碎刀刀端，变形从刀端向销孔方向依次减小。粉碎刀的总长度为1 650mm，而位移最大值为0.848mm，变形量对于粉碎刀长度来说是个非常小的值，因此粉碎刀的设计满足刚度要求。

从安全系数分布云图可以发现：粉碎刀整体安全性能较好，安全系数最小值在销孔附近。这是因为销孔处是粉碎刀的固定处，粉碎刀所承受的力最终大部分由该部位承担，该处的安全系数值为1.7。在一般的设计中，安全系数的值一般大于1.5[16]，可见粉碎刀的设计满足安全条件。

4 样机试制

根据以上设计，委托玉龙农机对粉碎刀进行了试制，并完成茎秆粉碎机的试制，将其装配刀山东奥泰机械厂生产的玉米联合收获机底盘上，如图9所示。该样机进行田间试验，配套拖拉机动力为92kW，工作时刀片离地面约5cm(在设计的运动范围内)，保证留茬高度在9～12cm，工作幅宽为16.5cm。试验结果表明：该设计能够满足茎秆收获要求，且粉碎刀未发生明显的变形，茎秆未发生阻塞现象，验证了该设计的合理性。

图9 样机试制Fig.9 Manufacturing prototype

5 结论

1)通过理论计算、文献调研及三维软件的辅助设计功能,在满足整机布置以及茎秆粉碎、输送作业要求的前提下，对粉碎刀进行参数设计。

2) 通过应力分析，对粉碎刀的强度、刚度及安全系数进行校核，验证了设计的可行性。

3) 通过样机试制和田间试验，再次验证了设计的合理性。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家统计局.国家统计局关于2016年粮食产量的公告[EB/OL].2016-12-18.http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201612/t20161208_1439012.html.

[2] 毕于运,高春雨,王亚静,等.中国茎秆资源数量估算[J].农业工程学报,2009,25(12)：211-217.

[3] 薛传金.谈茎秆焚烧对空气质量的影响[J].干旱环境检测,2015,29(1):23-27.

[4] 李兴平.浅析农作物茎秆的综合利用[J].洛阳理工学院学报,2010,20(3): 8-11.

[5] 包伟.玉米青贮打捆收获机关键部件设计[D].泰安：山东农业大学,2011.

[6] 熊昌国,谢祖琪,易文裕,等.农作物茎秆能源利用基本性能的研究[J].西南农业学报,2010(5):1725-1732.

[7] 卡纳沃伊斯基[波兰].收获机械[M].北京：中国农业出版社,1983：309-332.

[8] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册：(上册)[K].北京:中国农业科学技术出版社，2007.

[9] 河北省农机化所茎秆还田机设计组.论茎秆还田机刀片的设计[J].农牧与食品机械，1992(1):18-22.

[10] 贾洪雷，姜鑫铭.V-L型茎秆粉碎还田刀片设计与试验[J].农业工程学报，2015,31(1)：28-32.

[11] 付雪高,李明,卢敬明，等.碎还田机甩刀的研究进展[J].中国农机化，2011(1):83-87.

[12] 蒲永锋.9YG-2型圆捆打捆机捡拾粉碎装置参数设计与仿真分析[D].长春：吉林大学，2015.

[13] 桑正中.农业机械学(上册)[M].北京：中国农业出版社，1986.

[14] 孟海波.茎秆切割破碎与揉切机刀片耐用性实验研究[D].北京：中国农业大学,2005.

[15] M J O’Dogherty.A review of research on forage chopping[J].Journal of Agriculture Engineering Research，1982，27:267-289.

[16] 唐湘民. Autodesk Inventor 有限元分析和运动仿真详解[M].北京:机械工业出版社, 2009:46-49.