机采棉密植棉秆对行铲拔铺条机的设计与有限元分析

贺小伟 刘金秀 李传峰 李平 王旭峰 弋晓康

（塔里木大学机械电气化工程学院/新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔843300）

新疆是我国重要的商品棉基地，棉秆资源丰富、产量巨大。2018年，新疆棉花播种面积为2.491 3×106hm2，占全国的74.3%，棉花总产量为5.111×106t[1]，若按皮棉草谷比平均值5.02计算[2]，则新疆棉秆总产量达到2.565 7×107t，棉秆产量占全国的83.84%。棉花秸秆富含木质素、纤维素、粗蛋白、氮和磷等，自然适宜性综合评价高，开发利用潜力可观，是一种重要的农业可再生资源，目前在农畜业、工业和能源领域有着十分广泛的用途[3]，经转化后可用作饲料、肥料、燃料、生物炭、复合材料、木糖和菌类培养基质等[4]。

随着棉秆高效转化技术的快速发展，棉秆的需求量不断提高，亟需加强棉秆机械化收获技术研究。棉秆对行收获方法具有作业功耗低、实现整秆收获等优点，符合绿色发展的需求，国内外学者在棉秆对行收获技术研究方面已取得了较大的进展[5-10]。但现有齿盘式、链夹式、对辊式、圆盘式对行收获方法主要适用于种植行距较宽的等行距棉秆收获，存在拔断率高、作业效率低等缺点[5-8]；现有对行铲切式棉秆收获机多采用单翼铲或双翼铲对棉秆完成单一的铲切作业，生产效率低，且存在铲切后的棉秆缠膜严重、根茬携带泥土多等问题[9-10]。可见，现有对行收获方法并不适用于新疆机采棉密植棉秆的收获，亟待开发与密植栽培工艺相配套的对行收获方法及机构。

本文借鉴薯类作物挖掘收获方法，并结合机采棉种植农艺，设计了一种机采棉密植棉秆对行铲拔铺条机，能够一次性实现整株棉秆对行铲切、拔、铺条等多项作业，同时具有分离泥土和整理棉秆的功能；针对外部激励可能引起机架振幅大的问题，进行机架有限元模态分析，求解自由模态下机架的模态频率和振型，并与外激频率比较分析，达到避免共振、改善整机动态性能的目的。该研究对实现棉秆资源化高效利用、促进新疆经济发展具有积极意义。

1 机采棉种植模式

结合新疆棉区自然条件，为适应机械化采收，机采棉种植新农艺以行距超窄配置为特点，在不降低棉花产量的前提下，广泛采用试验成功的（66+10）cm宽窄行密植种植模式[11]，如图1所示。新疆棉区目前大面积播种的机采棉棉花品种有新陆中82、新陆中37和新陆中88等，如图2所示为采棉机作业后的田间棉秆，该棉秆品种为新陆中82。

图1 机采棉（66+10）cm密植种植模式行距

图2 新陆中82密植棉秆田间分布

2 整机结构与工作原理

2.1 整体结构

机采棉密植棉秆对行铲拔铺条机的整体结构如图3所示，主要包括机架、三点悬挂架、动力传动系统、棉秆推压装置、切土装置、限深轮、铲切装置、铲切调节装置、拨秆铺条辊和挡脱板。

图3 整机结构

2.2 工作原理

如图4所示，该机具与轮式拖拉机连接在一起构成作业机组，通过机具上的三点悬挂架正悬挂在轮式拖拉机的悬挂机构上，悬挂机构不仅起传递牵引力的作用，还可以通过调节其高度达到控制铲切深度的目的；动力由拖拉机的动力输出轴通过万向节传递给机具锥齿轮变速箱的动力输入轴。

图4 棉秆对行铲拔铺条作业机组

棉秆推压装置、切土装置、限深轮、铲切装置、拔秆铺条辊、挡脱板按作业顺序依次布置在机架上，每个单元的作业高度或深度均可调。如图5所示，作业机组前行时，首先由位于前端的棉秆推压装置对棉秆进行推压使其聚拢、伏卧，接着切土装置在分别距离2行窄行距棉秆根茬40～50 mm处将土切开并向外侧翻动，之后铲切装置以一定角度入土铲切棉茬，并将整株棉秆提升、导流至土壤表层，后置的拔秆铺条辊与铲切装置协同作业，及时将整株棉秆沿切线方向抛拨于田间并铺条，最后挡脱板将滞留在拔秆铺条辊上的棉秆、残枝及残膜脱离掉，使拔秆铺条辊逆时针旋转重新进入下一次的拔秆作业。

图5 工作原理图

作业时，棉秆推压装置距离地面一定高度作业，适当的作业高度可避免棉秆在推压过程中被折断，且经过棉秆推压装置推压后的棉秆不再蓬松，方便后续作业中从铲切装置中顺利通过。圆盘式切土装置提前在棉秆根侧进行切土作业，再通过铲切调节装置对铲切深度和入土角度进行调节，有利于减小铲切装置的铲切阻力。该机组作业紧凑有序，一次作业便可完成多项工序，实现了棉秆的整秆收获。

2.3 主要技术指标

以1膜6行棉花精量播种机的作业幅宽为参照，该机具的工作幅宽确定为2.16 m；作业深度依据棉茬根系生长特性确定为80～150 mm，对该机具的作业生产率和功耗进行估算，得出主要技术参数如表1所示。

表1 棉秆对行铲拔铺条机主要技术参数

2.3.1 机具作业生产率

移动式机组的理论生产率[12]：

式中：W-移动式机组的理论生产率，hm2/h

B-机组的构造幅宽，m

v-机组的理论速度，km/h

该机具工作幅宽B=2.16 m，机组理论前进速度v=2.5～3.6 km/h，根据式（1）计算理论生产率W为0.54～0.78 hm2/h。

2.3.2 机具所需功耗估算

该机具所需功耗主要消耗在机组前进、克服铲切装置的工作土壤阻力和驱动拔秆铺条轮的工作上，参照农业机械设计手册[13]，即：

式中：N—作业机组所需的总功率，kW

N1—机器滚动消耗的功率，kW

N2—铲切装置消耗的功率，kW

N3—传动消耗的功率，kW

用于克服作业机组滚动阻力和铲切装置工作阻力的功率之和，称为作业机组的牵引功率Np,即：

式中：F1—作业机组滚动阻力，N

F2—铲切装置工作阻力，N

V—作业机组工作速度，m/s

作业机组滚动阻力按下式估算：

式中：f—作业机组滚动摩擦系数

G—作业机组质量，kg

根据设计模型分析结果、类比估算方法以及农业机械设计手册[15]，取f为=0.15，G=567 kg，F2=9 000～11 000 N（类比双行固定式挖掘铲的工作阻力F′2=3 430～4 900 N），v=1.0 m/s，N3=0.585·N，代入公式（4）、（3）、（2），估算得Np=9.83～11.83 kW，N=23.69～28.51 kW。

3 主要工作部件设计与分析

3.1 铲切装置

如图6所示，铲切装置包括铲切挂接架、铲切框架、铲切板和导流栅条。铲切装置通过铲切挂接架与机架链接，铲切框架通过螺栓、螺母固结在铲切挂接架上，铲切板铆接在铲切框架下端的安装板上；导流栅条焊接在铲切板的后端，整体为S状，靠近铲切装置处的形状为拱形，起提升棉茬作用，后段为凹状，起筛土作用；相邻栅条间距为10 mm，导流提升根茬的过程中，细碎的土块可从栅条间通过，达到分离泥土的目的。铲切装置针对（66+10）cm机采棉宽窄行种植模式中2行窄行距棉秆进行铲切作业，该机具一共安装了3个铲切装置，实现对1膜6行机采棉宽窄行种植农艺的棉秆对行铲切。

如图7所示，铲切框架包括铲切安装板和2个铲切侧板，其相互对称地固接在铲切安装板两端。2个铲切侧板的前端开有刃口，铲切侧板与地面夹角β为45°，铲切侧板刃口边线与机组前进方向所成夹角倾角α为50°，使得铲切侧板以连续滑切的方式切开两侧土壤，有效降低侧切阻力，减小侧切过程中铲切装置受到的冲击力。铲切装置的核心部件—铲切板采用仿生原理设计，铲切板上均匀布置多个椭圆形凸起，其形状如蝼蛄前胸背板，使得铲切板在土壤中进行作业时，如同蝼蛄潜行土中，形成隧道且不粘土，良好的脱土性能有利于减小铲切阻力、提高铲切效率。每个铲切板都设置有2个铲尖（间距为100 mm），每个铲尖正对2行窄行距棉秆。

图6 铲切装置

图7 铲切框架和铲切板

3.2 铲切调节装置

如图8所示，铲切调节装置通过调节拉杆、调节螺栓对铲切装置的入土角度进行调节。铲切装置通过挂接臂链接到前横梁的纵向链接耳处，铲切调节装置上的调节拉杆一端与挂接秆链接，另一端通过宽槽口链接耳与机架中横梁链接。铲切调节装置调节入土角度时，通过改变调节螺栓和螺母的螺旋位置使得挂接臂倾斜角度发生变化，当调整到合适的入土角度后，调节拉杆在宽槽口链接耳处的链接位置确定，将该处链接紧固，从而达到调节铲切装置入土角度的目的。

图8 铲切调节装置、铲切装置与机架的连接关系

4 机架的有限元模态分析

机采棉密植棉秆对行铲拔铺条机的机架是承载和支撑铲切装置、动力传动系统、棉秆推压装置、拔秆铺条辊等的关键部件。工作时，若外激振频率接近机架的某一阶固有频率时，会引发机架共振；强烈振动易使关键零部件疲劳破坏，影响整机的作业可靠性，因而对铲拔铺条机机架进行有限元模态分析，验证机架设计的合理性。

4.1 模型的建立

该机具机架的三维模型如图9所示，由等距分布的3根横梁、2根锥齿轮变速箱纵向支撑梁及2个侧板组成。梁结构均采用方钢管，侧板厚度为10 mm，机架模型其他相关参数如表2所示。

图9 机架三维模型

表2 机架模型参数

将机架简化为刚性连接模型，保存文件为STEP格式，导入有限元分析软件ANSYS Workbench18.2中，进行属性定义和网格划分，单元尺寸设置为5 mm，网格划分后共有节点数714 896，单元数299 743，建立的机架有限元模型如图10所示。

图10 有限元模型

4.2 模态分析

在机架前横梁三点悬挂架连接处施加全约束。一般地，机具工作稳定性主要取决低阶模态特性[14-15]，因此在仿真时提取前6阶模态频率和振型分析，得到前6阶的模态振型云图（图11），得到固有频率和振型变化如表3所示。

表3 机架前6阶模态分析结果

图11 机架前6阶模态和振型

由机架前6阶振型云图分析可知，后横梁和侧板是机架主要变形部位；因前横梁和中横梁中间有2根支撑梁，使得机架前端整体刚度大，而后横梁无支撑结构且跨度大，刚度小且易变形；两边侧板前、后伸出端下延较多，挠度大使其易变形。在后横梁和中横梁处添加连接纵梁，增加侧板的厚度可以进一步提高机架的整体刚体。

机采棉密植棉秆对行铲拔铺条机在工作过程中受到的外界激励源主要为：田间路面不平整度、铲切装置、拔秆铺条辊、传动系统以及拖拉机输出轴等产生的振动。铲切装置在耕作深度稳定时激振力较小，而且机采棉棉田平整度较高，田间路面不平整度和铲切装置的激振可忽略。拔秆铺条辊转速为276.9 r/min，最大激振频率为4.62 Hz，动力匹配的拖拉机动力输出轴转速为720 r/min，最大激振频率为12 Hz，可见拖拉机输出轴的振动是该机架的主要激励源，但其激振频率不在机架固有频率范围17.221～60.003 Hz内，作业时不会引起机架共振。

5 结语

1）针对目前广泛推行的机采棉种植模式，设计了一种机采棉密植棉秆对行铲拔铺条机，能够一次性完成棉秆对行铲切、沿切线方向抛拔、铺条等多项作业，同时具有分离泥土和整理棉秆的功能。该机具作业紧凑有序，每个单元的作业高度或深度均可调，实现了棉秆的整秆收获。

2）该机一次作业6行，经计算得理论生产率为0.54～0.78 hm2/h，作业总功率为23.69～28.51 kW，作业效率高、功率消耗低，符合绿色发展的需求。

3)通过有限元模态分析得出该机具机架的前6阶固有频率范围为17.221～60.003 Hz，而外激振动频率范围为0～12 Hz，固有频率与外激振动频率无重叠，故机架在作业时不会出现共振现象，验证了机架设计的合理性。