自走式香蕉秸秆粉碎还田机设计与仿真分析*

吴紫晗，李粤，郭超凡，贺宁波，姚德宇，位士全

(海南大学机电工程学院，海口市，570228)

0 引言

我国是世界第三大香蕉生产国，海南省是中国香蕉产业的主要发展地之一[1-2]。据2021年中国统计年鉴，我国香蕉的产量达11 513 kt，海南省香蕉产量达1 129 kt[3]。香蕉具有生长周期短和产量高的特点，若在收获后不及时对香蕉秸秆进行有效的处理，香蕉秸秆将会大量堆积直至腐烂于田间，这将直接影响香蕉产业的可持续发展。

香蕉秸秆的直径粗大，含水量高，纤维含量丰富[4-5]，粉碎还田是高效处理秸秆的一种方式。李粤等[6-7]基于滑切防缠原理，设计二级粉碎结构，试验表明异向双辊的结构可有效切碎香蕉秸秆根茬。目前，所研发的粉碎还田机多是采用拖拉机三点悬挂装置牵引传递动力从而进行粉碎作业的。因此本文拟设计一种能够在田间自主行走的香蕉秸秆粉碎还田机。基于此设计思路，通过理论分析确定了机具的主要结构参数，并对粉碎刀片和粉碎过程进行仿真分析，以期在保证秸秆能被有效粉碎的基础上降低机器的能耗，提升粉碎效果，在研究思路上为南方香蕉种植区秸秆最大成效还田、香蕉秸秆粉碎还田机自动化的发展提供技术参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

自走式香蕉秸秆粉碎还田机主要由7个部分构成，分别为切割装置、喂入装置、输送装置、粉碎装置、机架、传动装置和行走装置。切割装置通过传动带与电动机相连，主要由切割刀轴和切割刀盘构成。传动装置固定在机架上，传动装置的电动机与行走装置相连，从而实现机器的自走。喂入装置包括喂入螺旋刀辊和喂入挡板。输送装置主要采用传送皮带对香蕉秸秆进行输送。粉碎装置主要包括1个中心粉碎刀辊、3个行星粉碎刀辊和滑切粉碎刀片等。整机结构如图1所示。

图1 整机结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of the machine1.机架 2.液压杆 3.进料口 4.输送带 5.喂入挡板 6.左旋螺旋刀辊 7.切割刀盘 8.切割刀轴 9.纵向螺旋刀辊 10.右旋螺旋刀辊 11.V型传动带 12.行走装置

1.2 工作原理

自走式香蕉秸秆粉碎还田机在田间工作时，传动装置的电动机带动整个机器稳定运行。作业时，香蕉秸秆首先被切断装置切断，在前进的同时机器对切断的香蕉秸秆进行螺旋挤压喂入，香蕉秸秆被一对异向转动的横向螺旋刀辊推送至纵向螺旋刀辊，继而被推送至输送装置，经由输送装置的传送带输送至粉碎装置的进料口，粉碎刀片高速旋转进行粉碎作业，最后经落料口抛撒还田，从而实现香蕉秸秆的机械化粉碎还田。整机主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数表Tab. 1 Main technical parameters

2 关键部件设计与参数确定

2.1 喂入装置的设计

2.1.1 喂入装置的位置参数

喂入装置主要由螺旋刀辊和喂入挡板构成。一对螺旋刀辊水平放置并进行异轴异向的转动，用于将被切断的香蕉秸秆向中间挤压聚集，纵向螺旋刀辊位于横向螺旋刀辊后方且用于将秸秆向粉碎装置传递，目的是对切断后的香蕉秸秆保证有效喂入。喂入刀辊的排布方式如图2所示，参数b为秸秆进入纵向放置的螺旋刀辊的缓冲区间，目的是为了减少纵向螺旋刀辊的工作负荷，本设计中b取490 mm。

图2 喂入螺旋刀辊排布示意图Fig. 2 Schematic diagram of the layout of spiral knife roller1.右旋螺旋刀辊 2.纵向螺旋刀辊 3.左旋螺旋刀辊

2.1.2 螺旋刀辊主要结构参数

喂入螺旋刀辊的结构示意图如图3所示。在本设计中，喂入螺旋刀辊采用对称十字排布，以保证能对单垄宽的香蕉秸秆进行粉碎，通过式(1)、式(2)可以确定螺旋刀辊的轴向长度[8]。

L1≥d1+s+σ×h

(1)

(2)

式中：L1——作业宽度，mm；

L——螺旋刀辊空心轴长度，mm；

b——纵向刀辊的预留宽度，mm；

d1——株宽，mm；

s——株距，mm；

σ——秸秆倾倒系数；

h——香蕉秸秆平均高度，mm。

图3 螺旋刀辊结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of the structure of spiral knife roller1.螺旋刀辊空心轴 2.螺旋刀片

根据海南省香蕉种植区情况可知，株宽d1为800 mm，株距s为1 500 mm，香蕉秸秆平均高度h为1 500～2 000 mm，倾倒系数σ取0.1，代入并结合工作幅宽和能耗的考虑，本设计取L为990 mm。

为了保证螺旋刀辊的工作稳定性，一般将其内、外径的比值控制在0.5～0.6之间。当比值增大时，空心轴的质量也在增加，从而会增加机器的功耗；当比值过小时，其壁厚太薄，刀辊容易弯曲变形，从而会降低机具的使用寿命，影响粉碎效果。结合已有的装置，本文设计的空心轴外径d=180 mm。

在空心轴外径一定和机器前进速度稳定的情况下，已有机具的田间试验表明[9]: 承受同等大小载荷的螺旋刀刃，当刀刃外径D>350 mm时，刀片所受的力矩就越大，容易产生转矩从而发生变形；当刀刃外径D<200 mm时，则不能充分割破香蕉秸秆。参考已有机具，本文设计的螺旋刀刃外径D=280 mm。

螺旋刀刃的厚度t值太小，刀刃切割时极容易变形；t值太大，刀刃增厚则降低了其锋利程度，影响切割效果。参考之前秸秆粉碎装置的设计[10]，取刀片厚度t=4 mm。当螺旋刀片的螺距S<80 mm，相邻刀刃挤压香蕉秸秆外圆周时，单位面积上秸秆所承受的径向载荷过小，秸秆纤维易缠绕；若螺距S>120 mm，则不能将秸秆有效切割喂入。综合考虑，本设计取螺距S=115 mm。

2.2 粉碎装置参数设计

2.2.1 粉碎装置主要结构

粉碎装置是整机的重要结构之一，其主要由滚筒转动齿轮组、行星齿轮、中心齿轮、中心粉碎刀辊、进料装置、行星粉碎刀辊、滚筒、落料孔、落料装置和中心齿轮传动轴构成。1个中心粉碎刀辊与3个行星粉碎刀辊构成类恒星系统，滚筒与该系统进行相对转动。图4为粉碎装置结构示意图。

图4 粉碎装置结构示意图Fig. 4 Schematic diagram of the structure of crushing device1.中心齿轮传动轴 2.落料装置 3.轴向滚动轴承 4.落料孔 5.滚筒 6.行星粉碎刀辊 7.进料装置 8.中心粉碎刀辊 9.中心齿轮 10.行星齿轮 11.滚筒转动齿轮组

香蕉秸秆经输送带进入粉碎装置进料口，粉碎装置内部由中心齿轮传动轴传递动力，将动力传递给3个行星齿轮，行星齿轮带动行星粉碎刀辊转动对香蕉秸秆进行粉碎作业，中心粉碎刀辊与行星粉碎刀辊进行反向转动可以避免秸秆纤维缠绕刀辊的问题[11]。为防止进入粉碎装置区域的秸秆随着时间的增加在装置内堆积，在装置外部设置一对滚筒转动齿轮组，滚筒与外部大齿轮上表面焊接为一体，大齿轮上表面与轴向滚动轴承上部焊为一体，滚筒转动齿轮组将动力传递给滚筒，进而带动滚筒转动。

2.2.2 粉碎刀辊设计

粉碎刀辊与行星齿轮通过键连接。沿粉碎刀辊的轴向方向共设置5个刀盘，刀盘与粉碎刀辊之间通过键连接，刀片与刀盘之间通过螺钉连接，每个刀盘上固定3把粉碎刀片，刀片在刀盘上固定的位置由式(3)确定，每个刀盘基于前一组刀盘位置上错开β角度固定，刀片在轴向上质量分布均匀，从而粉碎作业过程使得粉碎刀辊具有较好的稳定性，如图5所示。

(3)

式中：m——刀片数量；

γ——刀片在刀盘上固定角度，(°)。

将相关数值代入式(3)，得刀片在刀盘上固定角度γ=120°，错开角度β=60°。

粉碎刀辊的相对位置参数设计极大程度影响了机器的粉碎效果，其主要包括刀辊轴心水平距离l、刀辊漏料间隙L2、刀辊相邻粉碎刀片垂直距离S1、刀辊轴向相邻刀盘连接刀片的同侧间距S2、刀辊顶部角度α和刀辊上部圆锥高度H，如图6所示。

(a) 粉碎刀辊结构

(b) 粉碎刀片分布 图5 粉碎刀辊结构和刀片分布示意图Fig. 5 Schematic diagram of the structure of crushing knife roller structure and blade1.行星圆柱齿轮 2.粉碎刀片 3.刀盘 4.刀轴

图6 粉碎刀辊相对位置示意图Fig. 6 Schematic diagram of the relative position of crushing knife roller1.中心粉碎刀辊 2.粉碎刀片 3.行星粉碎刀辊

刀辊顶部角度α的设置是为了以便进入料斗的香蕉秸秆碎片顺着角度滑入粉碎刀片区域，减少打刀现象的发生，本设计取α=60°。漏料间隙L2越大，被粉碎的香蕉秸秆越易抛出，本文取L2=35 mm。高度H的设置是为了给秸秆碎片预留缓冲时间，本设计取H=50 mm。根据已确定的参数，则刀辊的轴心水平距离

l=2H×tanα+L2

(4)

求解并取整可得l=208 mm。本文设计的刀辊相邻粉碎刀片垂直距离S1为15 mm，相邻刀盘的刀片同侧距离S2为35 mm，切割线速度v为30～48 m/s时可以获得较优的香蕉秸秆粉碎质量，目前国内粉碎还田装置的刀具的回转半径R一般在240～300 mm范围内[12]，考虑动平衡等因素，选取回转半径为250 mm，即本设计选取粉碎刀辊回转外径w=500 mm。

粉碎刀辊的转速计算公式如式(5)。

(5)

式中：v——粉碎香蕉秸秆的切割线速度，m/s；

ω——粉碎刀辊的角速度，rad/s；

n——粉碎刀辊的转速，r/min。

求解可得n=1 146～1 834 r/min，本文选取粉碎刀辊的转速为1 500 r/min进行静力学分析。

2.2.3 粉碎刀片结构设计

粉碎刀片主要由连接孔、刀柄、刀身、弯折角和刀刃5部分构成，如图7所示。粉碎刀片与粉碎刀盘之间通过螺钉固定。刀柄与刀身连接处的弯折角τ为30°，使得安装粉碎刀片时刀柄上表面与粉碎刀盘下表面贴合，此时刀身正好围绕刀盘转动。等滑切角式切割刀片在切割纤维含量少的藤茎类秸秆方面效果显著[13]，滑切角越大，刀片切割茎秆纤维时越不易被缠绕[14]。

基于滑切原理，针对香蕉茎秆纤维含量多的特性，刀片刃口曲线设计了一种变滑切角式切割刀片，在切割时，刀刃对秸秆单位面积产生的压强最大，能够保证有效粉碎香蕉秸秆。通过控制粉碎装置中的中心粉碎刀辊的正反转，使得粉碎作业有不同效果。将朝着法线内的刃口倾角θ设置为30°，法线向外的刃口倾角λ设置为45°。

图7 粉碎刀片结构示意图Fig. 7 Schematic diagram of the structure of crushing blade1.刀身 2.刀刃 3.弯折角 4.连接孔 5.刀柄

3 粉碎刀片的有限元静力学分析

3.1 建立有限元模型

粉碎刀片直接承受着来自传动系统的动力和香蕉秸秆的摩擦阻力，其应力和应变直接影响着秸秆的粉碎质量和还田机的工作状态，对刀片进行静力学仿真分析，可为刀具实际工作时产生的受力情况提供理论基础。刀具材料选取为65Mn钢，65Mn钢含碳量较高且含有金属锰。将65Mn作为刀具材料，可以使得刀具的强度和硬度得以提高。

网格数量的多少影响着结果的精度和计算规模的大小。为了保证计算精度，选择自动划分法划分网格，同时通过Sizing来控制网格质量，网格划分结果如图8所示。

图8 粉碎刀片的网格划分图Fig. 8 Mesh division of crushing knife

3.2 施加载荷及约束

将刀片连接孔处设置为Fixed Support约束，粉碎刀辊的转速设置为1 500 r/min，并在空间坐标模式下对粉碎刀片的刀刃处施加力[15]的大小为Fx=55 N，Fy=55 N，Fz=-55 N，结果如图9所示。

图9 刀片施加载荷图Fig. 9 Diagram of the applied load on the knife

3.3 仿真分析结果

通过Static Structural求解得到刀具的应力云图和变形云图。从图10可知，刀片受力后的最大位移为0.159 88 mm，最大位移位置发生在刀片尾部，结合刀片工作实况，该变形在可接受范围内。从图11可知，等效应力最大为260.91 MPa，所受应力最大区域为刀片弯折角处，此时应力小于65Mn钢的屈服强度[σ]=270 MPa，刀片满足强度条件，材料安全可用。

图10 刀片的变形云图Fig. 10 Deformation of the knife

图11 刀片的应力云图Fig. 11 Schematic diagram of equivalent stress of knife

4 粉碎过程的模拟试验

4.1 模型参数设置

建立香蕉秸秆—粉碎刀片参数化模型。由于香蕉秸秆在切割和喂入阶段已进行了初步的粉碎，将仿真模型的香蕉秸秆直径设置为30 mm。在不对仿真效果造成太大影响的前提下，仿真秸秆模型长度设置为100 mm，从而减少仿真时间。根据其他作物秸秆的特性[16]，香蕉秸秆部分参数选取如表2所示。

表2 香蕉秸秆仿真模型材料参数Tab. 2 Banana straw simulation model material parameters

4.2 试验方案设计及结果

采用ANSYS Workbench LS-Dyna模块仿真模拟粉碎刀片切割香蕉秸秆的具体过程[17]，选取刀片刀端线速度A、刀具切割角度B作为试验因素，以香蕉秸秆所受的最大应力C和能量损耗Q作为指标，香蕉秸秆所受的最大应力即是香蕉秸秆发生断裂时的应力值，能量损耗是指粉碎刀片切断香蕉秸秆所消耗的功，其影响着机器的工作状态和效果。试验因素水平编码表如表3所示，试验方案及结果如表4所示。

表3 因素水平编码表Tab. 3 CodingTable of experimental factors and levels

表4 试验方案及结果Tab. 4 Test scheme and results

4.3 结果分析

为定量研究试验因素对试验指标的影响，以此找出最佳参数组合。对试验数据进行处理得出两个单因素对试验指标影响的趋势图如图12所示。

(a) 刀端线速度对试验指标的影响

(b) 切割角度对试验指标的影响 图12 各试验因素对试验指标影响趋势图Fig. 12 Trend diagram of the effects of each test factor on the test indexes

从表4和图12(a)分析可得，随着粉碎刀片的线速度A的增大，应力C和能量损耗Q也随之增大。秸秆所受的应力越大，秸秆越易断裂。当线速度达到30 m/s 之后，应力虽然仍有上升趋势，但上升幅度明显降低，反而会增加能量损耗。在实际作业过程中为降低能量损耗，应在保证秸秆能被有效粉碎的情况下，参数尽量选取较小值，配合折线图走向，本文选取的优化刀片刀端线速度为30 m/s。

从表4和图12(b)分析可得，随着切割角度B的增大，秸秆所受的应力C也随之增大，这是因为随着切割角度的增大，秸秆随着粉碎刀片运动的时间逐渐变长，更有助于切削秸秆，当切割角度为15°时，秸秆所受的应力最大。秸秆所受的应力越大，相应地刀具的切割阻力越大，功耗就会随之上升。在实际作业中应该在保证秸秆粉碎率的情况下，再综合考虑能耗等因素，因此本文选取的优化刀具切割角度为15°。综上所述，本文最终选取的优化组合为A2B3，即:刀端线速度为30 m/s，切割角度为15°，此时秸秆所受最大应力为12.885 2 MPa，能量损耗为3.50 J。

5 结论

针对香蕉秸秆体积粗大，韧性强的特点，本文设计了一款能够在田间独立行走的香蕉秸秆粉碎还田机，可以对香蕉秸秆进行切割、喂入、输送、粉碎和抛撒作业，并通过理论分析对各关键部件结构和位置参数研究。

1) 通过对各关键部件结构参数的研究: 粉碎刀辊和刀片排列分布，粉碎刀辊的相对位置设计，确定螺旋喂入刀辊的结构参数，粉碎刀辊和粉碎刀片最优组合参数；并设计了一种变滑切粉碎刀片，将朝着法线内的刃口倾角θ设置为30°，法线向外的刃口倾角λ设置为45°。

2) 利用ANSYS Workbench对粉碎刀片进行静力学仿真分析。结果表明，在正常工作下，粉碎刀片的最大等效应力为260.91 MPa，最大形变为0.159 88 mm，承受的等效应力低于材料的屈服强度，总变形在合理范围内，结构设计合理，能够保证作业的稳定性和可靠性。

3) 对粉碎装置进行仿真模拟试验，以刀片刀端线速度A、刀具切割角度B作为试验因素，以秸秆所受最大应力C和能量损耗Q作为指标，进行二因素三水平试验，确定最优参数组合为刀片刀端线速度为30 m/s、切割角度为15°，此时最大应力为12.885 2 MPa，能量损耗为3.50 J。