绞笼式烟秆拔除机的设计与试验

燕亚民，孔会东，楚宜民，杨富营

(1.许昌职业技术学院，河南许昌 461000；2.许昌同兴现代农业科技有限公司，河南许昌 461000；3.许昌市建安区农业机械管理局，河南许昌 461000)

烟草生产属于劳动密集产业。为防止烟草病虫害的发生，烟草收获时须将含须根的烟秆从田地里清除干净。传统烟秆拔除靠人力完成，劳动强度大、效率低，而且人工拔除烟秆根系容易残留在土壤中，引发霉变、滋生病菌，影响来年烟草种植。因此，研制烟秆拔除机非常必要。烟秆拔除机是实现烟草种植机械化的关键设备之一，使用烟秆拔除机可以有效减轻烟农的劳动强度，提高生产效率，降低生产成本。本文在吸收国内外不同类型秸秆拔除机优点的基础上，结合我国烟草种植农艺特点，并考虑烟秆在田间的生长情况、植株倒伏倾斜情况、离散分布情况、根系在土壤中分布情况、土壤情况，设计一种绞笼式烟秆拔除机。绞笼式烟秆拔除机由减速传动箱、板状拨杆装置、三叶螺旋状绞笼、深度调节装置、悬挂牵引装置及防护罩等组成，可一次性完成烟秆拔除、根部土壤清除、烟垄平整等工作，具有整体结构紧凑、体积小，移动、操作及维护方便，生产效率高等优点。

1 整体结构与技术指标

1.1 结构与工作原理

绞笼式烟秆拔除机主要组成如图1所示，减速传动箱包括1个主动锥齿轮轴、1个横向中间轴和2个纵向输出轴。输出轴外端通过法兰连接三叶螺旋状绞笼，横向中间轴在箱体伸出端安装有链轮，可通过链传动驱动安装于绞笼上方的板状拨杆装置。深度调节装置安装在减速传动箱前支架下方，悬挂牵引装置安装在减速传动箱前支架上方。烟秆拔除机通过悬挂牵引装置挂在轮式拖拉机上，减速传动箱主动锥齿轮轴通过万向传动装置与拖拉机输出轴联接。

工作时，拖拉机悬挂烟秆拔除机在烟垄上，通过液压升降装置降下烟秆拔除机后，拖拉机输出轴接通减速传动箱主动锥齿轮轴，牵引烟秆拔除机行走，带动左右三叶螺旋状绞笼相向旋转，同时通过链传动带动板状拨杆装置旋转。左右三叶螺旋状绞笼的旋转将烟垄土壤推到烟秆两侧，烟秆被挖出并推向后方，板状拨杆装置则进一步向后方拨动烟秆(二次拨杆)，使烟秆从防护罩后方排出。二次拨杆既可除掉烟秆根部的土壤，又能防止烟秆聚集在防护罩内。左右三叶螺旋状绞笼的入土深度通过深度调节装置调节，确保烟秆根系的拔净率，并减少动力消耗。

1.主动锥齿轮轴；2.悬挂牵引装置；3.减速传动箱；4.防护罩；5.板状拨杆装置；6.三叶螺旋状绞笼；7.深度调节装置。图1 绞笼式烟秆拔除机结构Fig.1 Structure of winch-cage tobacco stalk extractor

1.2 主要技术指标

根据烟秆拔除有关要求，结合机具结构布局、动力传输情况，确定烟秆拔除机的主要技术参数(表1)。

表1 绞笼式烟秆拔除机的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of winch-cage tobacco stalk extractor

2 关键零部件设计

2.1 减速传动箱的设计

减速传动箱结构如图2所示，主要由箱体、主动锥齿轮轴、从动锥齿轮、中间轴、拨杆装置驱动链轮、输出锥齿轮等组成。箱体是减速传动箱的关键部件，为整体式结构，可以减少箱体零件数量，简化减速传动箱加工、装配及调整工艺，使箱体安装简单，便于检查调整，装配质量有保证。采用整体式结构容易确保主动锥齿轮轴与左右2个输出锥齿轮轴之间的夹角一致，这是确保2个绞笼入土深度一致、受力一致的关键。中间轴是减速传动箱的主要传力部件，该轴上加工花键和台肩，通过定位套筒和调整垫确保3组锥齿轮的正确啮合。主动锥齿轮轴通过2个圆锥滚子轴承装在法兰套上，法兰套通过法兰止口与箱体连为一体，主动锥齿轮轴由轴上的定位套筒和调整垫调节位置。输出锥齿轮通过花键与绞笼轴联接。工作时，主动锥齿轮轴通过从动锥齿轮将动力传递至中间轴上，安装在中间轴上的4个输出锥齿轮带动绞笼，实现2个绞笼相向旋转。

1.箱体；2.主动锥齿轮轴；3.从动锥齿轮；4.中间轴；5.拨杆装置驱动链轮；6.右输出锥齿轮。图2 减速传动箱结构Fig.2 Structure diagram of reduction gear box

2.2 三叶螺旋状绞笼的设计

三叶螺旋状绞笼是烟秆拔除机的关键部件，结构如图3所示。拔烟秆时，烟秆根系和土壤作用在绞笼上，容易使绞笼与箱体联接部位疲劳并断裂。因此，使用通轴联接绞笼与输出锥齿轮。通轴端加工花键，直接与输出锥齿轮内孔花键联接，并通过2个圆锥滚子轴承、定位套筒、调整垫安装在箱体上。绞笼另一端焊接3个螺旋形叶片。3个螺旋形叶片均匀分布，形成整体式三叶螺旋状绞笼。叶片由合金钢成型后焊接，强度高，使用寿命长。

3 试验与分析

3.1 试验条件

试验在河南省烟草公司许昌市公司全程机械化烟田示范园区进行。试验场地为刚采收后的烟田(图4)，土壤为褐土质，含水率约30%；烟秆高度约1.4 m，有轻度倒伏和倾斜；烟垄高度大于15 cm，烟垄上杂草多为茎长约25 cm的野草。

图4 试验场地照片Fig.4 Test site photo

3.2 试验方法及评价指标

采用单因素试验和正交试验，试验因素为机具工作速度、绞笼旋转速度、绞笼入土深度。评价指标为烟秆拔除率和须根残留率。烟秆拔除率为实际拔除烟秆数量与计划拔除烟秆数量之比；须根残留率为拔除烟秆过程中烟秆根系被拔断的烟秆数量与计划拔除烟秆数量之比。依据烟秆拔除机的主要技术参数(表1)，烟秆拔除率≥98%时，须根残留率≤5%。

3.2.1 单因素试验

固定绞笼入土深度为20 cm，绞笼旋转速度为315 r/min，设定机具工作速度分别为12 m/s、13 m/s、14 m/s、15 m/s、16 m/s，考察机具工作速度对烟秆拔除率和须根残留率的影响。

固定绞笼入土深度为20 cm，机具工作速度为14 m/s，设定绞笼旋转速度分别为255 r/min、285 r/min、315 r/min、345 r/min、375 r/min，考察绞笼旋转速度对烟秆拔除率和须根残留率的影响。

固定机具工作速度为14 m/s，绞笼旋转速度为315 r/min，设定绞笼入土深度分别为10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm，考察绞笼入土深度对烟秆拔除率和须根残留率的影响。

3.2.2 正交试验

对机具工作速度(A)、绞笼旋转速度(B)、绞笼入土深度(C)进行三因素三水平正交试验，因素水平如表2所示。

表2 正交试验因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

3.3 试验结果与分析

3.3.1 单因素试验结果分析

3.3.1.1 机具工作速度对烟秆拔除率和须根残留率的影响

由图5可知：当机具工作速度为12～14 m/s时，烟秆拔除率随机具工作速度的提高而升高；当机具工作速度为14～16 m/s时，烟秆拔除率随机具工作速度的提高而降低。须根残留率随机具工作速度的提高而不断升高。这说明机具工作速度对烟秆拔除率和须根残留率的影响是明显的。综合考虑烟秆拔除率和须根残留率，选择机具工作速度为14 m/s较为合适。

3.3.1.2 绞笼旋转速度对烟秆拔除率和须根残留率的影响

由图6可知：当绞笼旋转速度为255～315 r/min时，烟秆拔除率随绞笼旋转速度的提高而升高；当绞笼旋转速度为315～375 r/min时，烟秆拔除率随绞笼旋转速度的提高而缓慢降低。另外，当绞笼旋转速度在255～285 r/min时，须根残留率随绞笼旋转速度的提高而降低；当绞笼旋转速度为285～375 r/min时，须根残留率随绞笼旋转速度的提高而升高。这说明绞笼旋转速度对烟秆拔除率和须根残留率的影响是明显的。综合考虑烟秆拔除率和须根残留率，绞笼旋转速度为285～315 r/min比较合适。

图6 不同绞笼旋转速度下的烟秆拔除率和须根残留率Fig.6 The removal rate of tobacco talk and residual rate of fibrous root under different rotation speeds of winch-cage

3.3.1.3 绞笼入土深度对烟秆拔除率和须根残留率的影响

由图7可知，烟秆拔除率随绞笼入土深度增大而升高，须根残留率随绞笼入土深度增大而降低。但绞笼入土深度越大，机具的动力消耗就越大，因此选择绞笼入土深度20 cm较为合适。

图7 不同绞笼入土深度的烟秆拔除率和须根残留率Fig.7 The removal rate of tobacco stalk and residual rate of fibrous root under different depths of winch-cage into soil

3.3.2 正交试验结果分析

从表3可以看出：影响烟秆拔除率的因素主次顺序是绞笼入土深度、绞笼旋转速度和机具工作速度；影响须根残留率的因素主次顺序是绞笼入土深度、机具工作速度和绞笼旋转速度。烟秆拔除率高、须根残留率低的最优组合为A2B2C3，即机具工作速度为14 m/s，绞笼旋转速度为315 r/min，绞笼入土深度为30 cm。

表3 正交实验结果Table 3 Results of orthogonal test

因正交试验与单因素试验结果不完全相同，进一步选取单因素试验较优组合A2B2C2与正交试验最优组合A2B2C3比较试验。结果显示，与20 cm相比，绞笼入土深度为30 cm时，烟秆拔除率和须根残留率变化较小，但动力消耗增加明显，即选择绞笼入土深度为20 cm时，机具性能最佳。因此试验优化组合确定为A2B2C2，即机具工作速度为14 m/s，绞笼旋转速度为315 r/min，绞笼入土深度为20 cm时，烟秆拔除率≥98%，须根残留率≤5%。

4 结论

设计的绞笼式烟秆拔除机，减速传动箱的箱体采用整体式结构，简化了减速传动箱的加工、装配及调整工艺，减少了箱体零件数量，便于检查调整，装配质量有保证。所设计的三叶螺旋状绞笼，均匀分布的3个螺旋形叶片焊接在绞笼的一端，形成一个高强度的整体；叶片由合金钢成型后焊接，强度高，绞笼使用寿命长。单因素试验和正交试验结果显示，影响烟秆拔除率的因素主次顺序是绞笼入土深度、绞笼旋转速度和机具工作速度；影响须根残留率的因素主次顺序是绞笼入土深度、机具工作速度和绞笼旋转速度。考虑机具工作的经济性，满足烟秆拔除率和须根残留率要求的最优组合为机具工作速度14 m/s、绞笼旋转速度315 r/min、绞笼入土深度20 cm。所设计的绞笼式烟秆拔除机能够满足烟田的拔秆需求，作业质量好，效率高，功耗少，操作方便，可以作为实现烟草种植全程机械化的关键设备应用。