甘蔗叶圆捆打捆机捡拾粉碎机构设计与试验*

刘信鹏，杜嵇华，李尊香，焦静，黄小红，牛钊君

(1.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所,广东湛江,524091;2.湛江市热带作物秸秆高效循环利用工程技术中心,广东湛江,524091;3.中国热带农业科学院农业机械研究所,广东湛江,524088)

0 引言

甘蔗是我国热带和亚热带地区的主要农作物之一,2021年榨季全国甘蔗产量大约8 200万吨左右,产生甘蔗叶秸秆大约1 200万吨左右,一般每公顷可产生6 000～10 500 kg(以15%蔗茎重计算)的甘蔗叶秸秆,然而大部分都被堆积沤烂、就地焚烧处理,造成资源浪费、环境污染、火灾隐患,成为生活环境保护的瓶颈问题[1-2]。目前按秸秆捆的形状,打捆机可分为方、圆捆两种类型,美国、巴西、德国等国家早在19世纪初期对农作物秸秆机械化结捆技术进行研究,如纽荷兰BB9080大方捆打捆机和约翰迪尔F441R圆捆机,已在市场上应用,由于体积庞大、成本高、农作物行距株距等农艺要求不同,不适用于我国广东、海南、广西等南方热带地区中小型农田精耕细作的甘蔗农艺模式。我国对秸秆打捆技术研究起步较晚,目前主要针对小麦、水稻、玉米等旱作物秸秆进行结捆研究,多为链式、钢辑外卷式、固定式等[3-5],然而对于甘蔗叶打捆作业时仍存在粉碎不匀、缠绕、阻塞等问题。

综上所述,国外秸秆打捆机结构复杂,甘蔗种植农艺要求与国内差异较大,直接引进应用会损伤甘蔗宿根,影响来年蔗芽率;国内甘蔗叶离田打捆机作业时仍存在伤宿根、粉碎不彻底、缠绕、堵塞打捆机、结捆出捆难等问题[6],呈现出甘蔗叶秸秆机械化捡拾结捆程度低,导致甘蔗叶收集打捆作业效率低、秸秆资源浪费严重。以新台糖ROC22号甘蔗的蔗叶、蔗鞘为试验对象,根据甘蔗每节生一叶、叶鞘紧抱蔗茎呈管状等特点,结合甘蔗叶宽窄、长短、厚薄、维管束分布、毛群分布及叶缘锯齿等物理特性,设计中对称垂斜切式捡拾粉碎机构[7],以提高粉碎机构对甘蔗叶的粉碎率,促进甘蔗叶秸秆粉碎结捆离田应用,加快甘蔗叶资源化利用。

1 整体结构与工作原理

1.1 整体结构

甘蔗叶圆捆打捆机主要由下悬挂架、动力输入轴、捡拾粉碎机构、螺旋绞龙喂料机构、绳捆放置箱、固定端钢辊输入链轮、导绳机构、缠绳机构、张开端钢辊输入链轮、结捆室、出捆升降油缸、报警闪光灯等组成,如图1所示。

图1 圆捆打捆整体模型Fig.1 Overall model of round baling

1.2 工作原理

通过60 kW以上的拖拉机进行动力输出,将动力输送到连接打捆机变速箱的万向节传动轴,经变速箱输入到机器的带轮输出轴,由右侧皮带带动捡拾粉碎轴旋转,对甘蔗叶进行捡拾粉碎,左侧粉碎轴的带轮通过皮带带动螺旋绞龙喂入机构的带轮输入轴,带动螺旋绞龙旋转,将捡拾粉碎机构抛送的甘蔗叶输送到链条带动旋转的钢辊喂入端,经成捆室链条带动旋转的张开端钢辊和固定端钢辊,将甘蔗叶进行结捆成型绕动旋转,甘蔗叶在成捆室钢辊旋转的作用下旋转滚动,连续不断的甘蔗叶喂入,使成捆室旋转的甘蔗叶不断地被收缩压紧成型,当甘蔗叶圆捆成型后,会触动成捆室固定钢辊后端的微动触发开关,驾驶室内警报蜂鸣,报警灯闪烁,按下结绳按钮,将结捆绳缠绕在成型的圆捆甘蔗叶上,缠绕2～4导绳行程后,按下出仓按钮,将结绳紧固的甘蔗叶圆捆从成捆室倒出,完成一次甘蔗叶捡拾、粉碎、输送、成捆、出捆作业。

2 关键部件设计

2.1 捡拾粉碎机构

结合甘蔗叶含水率、宽窄、长短、厚薄、维管束分布、毛群分布及叶缘锯齿等物理特性,采用秸秆粉碎还田机类比设计方法,在刀辊轴上按螺旋线排列14组中对称垂斜切式甩刀,甩刀类型采用结构参数可调的中垂刀和4把倾斜45°对称斜切刀组成的中对称垂斜切式捡拾粉碎机构,该捡拾粉碎机构主要由刀辊轴、固定销、限位垫圈、开刃斜切刀、开刃垂直刀、粉碎刀固定架、刀片连接销轴、刀架固定辊、固定螺栓、螺纹孔、防护罩等零件组成,如图2所示,设计的中对称垂斜切式粉碎机构,作业时刀辊轴高速旋转,开刃垂直刀与斜切刀在离心力的作用下,更有利于将甘蔗叶粉碎抛送到螺旋绞龙机构,通过张开端钢辊将绞龙机构中的甘蔗叶旋转喂入成捆室内部,提高结捆效率,完成捡拾、粉碎、物料喂入、结捆过程[8]。

图2 中对称垂斜切捡拾粉碎机构Fig.2 Symmetrical vertical oblique cutting of picking up and crushing mechanism1.固定销 2.刀辊轴 3.刀架固定辊 4.刀片连接销轴 5.粉碎刀固定架 6.固定螺栓 7.螺纹孔 8.带刀牙垂直刀 9.带刀牙斜切刀 10.限位垫圈

中对称垂斜切式粉碎机构的捡拾粉碎刀固定架由螺栓固定在刀辊轴上,通过连接销轴与限位垫圈将粉碎垂直刀和斜切刀串联固定在刀架上,并在销轴的两端用固定销限位固定,如图3所示。其结构特点是针对甘蔗叶厚度、含水率的不同,通过调节刀片限位垫圈个数来调节各粉碎刀在连接销轴上的限位位置及粉碎刀个数,获得粉碎物料的切碎效果,并利用驱地轮和拖拉机升降臂调节最低限位位置,使布置的捡拾粉碎刀能将紧贴地面杂乱无章的甘蔗叶捡拾、粉碎、抛送。

图3 中对称垂斜切式甩刀Fig.3 Middle symmetrical vertical bevel slinger

2.2 捡拾粉碎刀受力分析

捡拾粉碎刀实际作业过程中作高速圆周旋转,在离心力作用下,近似处于圆周径向状态,更容易克服捡拾粉碎甘蔗叶的阻力[9-10],其受力分析与旋转方向,如图4、图5所示。

图4 工作时甩刀的受力分析Fig.4 Force analysis of knife swing at work

图5 粉碎刀旋转方向Fig.5 Rotation direction of grinding knife

其中刀长为L的粉碎刀自身重力mg与旋转运动过程中产生的离心力F1,在克服捡拾粉碎甘蔗叶阻力F2时,形成偏转角α。在不考虑捡拾粉碎刀、限位垫圈、销轴的摩擦力矩的前提下,捡拾粉碎刀相对于O点的力主要有粉碎刀自身重力mg、旋转离心力F1、阻力F2,力臂分别是L0sinα、l1、l2、l3,存在如下关系。

L2=Lcosα

(1)

(2)

l1=F2L2=F2Lcosα

(3)

l2=mgL0sinα

(4)

l3=mω2R2L1=mω2R1L0sinα

(5)

式中：ω——刀辊的角速度,rad/s;

l1——切削阻力力臂,mm;

l2——重力力臂,mm;

l3——离心力臂,mm;

L——刀长,mm;

L0——甩刀质量中心到甩刀旋转中心直线距离,mm;

L1——刀辊中心到甩刀旋转中心水平距离,mm;

L2——甩刀边界端点到甩刀旋转中心垂直距离,mm。

则相对于捡拾粉碎刀固定销中点O1的作用力矩平衡方程式为

F2Lcosα=mgL0sinα+mω2R1L0sinα

(6)

(7)

式中：R1——刀辊中心到切刀旋转中心距离,mm;

R2——刀辊中心到甩刀质量中心距离,mm;

F1——旋转离心力,N;

F2——甘蔗叶粉碎切割阻力,N。

当甩刀几何尺寸、质量一定时,随着甩刀质量、L0/L、刀辊角速度的增大,偏转角α变小,甩刀质量中心点慢慢向旋转刀端移动,利于甘蔗叶的粉碎。

2.3 刀辊转速分析

目前,国内已有秸秆粉碎还田机的甩刀回转半径在240～300 mm范围内,为保证在不太高的甩刀线速度下能粉碎甘蔗叶,参考已有甘蔗叶粉碎还田机,选取粉碎刀辊回转半径为250 mm。

在刀辊转速一定的情况下,捡拾粉碎刀辊旋转半径大小将直接影响甘蔗叶捡拾粉碎机构的刀辊平衡、粉碎机构振动、打捆作业效率,当增大捡拾粉碎机构刀辊旋转半径时,能提高捡拾粉碎刀端的绝对速度,有利于捡拾粉碎;但捡拾粉碎刀回转半径增大,会增大打捆机的整体尺寸,导致刀辊不平衡因素增大,振动激增[11-12]。

为满足捡拾粉碎条件,根据速度合成原理,结合捡拾粉碎机构的刀辊转向与拖拉机带动打捆机前进方向,得到捡拾粉碎刀刃的绝对速度、相对速度、牵连速度如下。

(8)

(9)

(10)

n——刀辊转速,r/min;

R——刀辊旋转半径,mm。

2.4 前挡板离地高度确定

前置捡拾粉碎机构的保护挡板与地面间距的大小决定甘蔗叶捡拾粉碎的状态与粉碎效果。为避免甘蔗叶粉碎不彻底,缠绕刀辊,堵塞刀辊与保护挡板之间的间隙,粉碎刀漏捡拾粉碎,保护挡板与地面间距h要大于甘蔗叶的最大厚度,由于糖厂轧糖工艺要求,大部分甘蔗还需人工采收,砍收过程产生的甘蔗叶厚度也是参差不齐,结合拖拉机三点悬挂左右对称牵引臂升降的特点,测量捡拾粉碎刀作业时的最低离地高度,h可取值为30～50 cm之间。甘蔗叶捡拾粉碎示意图,如图6所示,其中h为前保护挡板离地高度,h1为捡拾粉碎刀作业时下端离地高度,S1为捡拾粉碎刀与机体前保护挡板的侧隙,S2为捡拾粉碎刀与机体后保护挡板的侧隙[14]。

图6 甘蔗叶切割粉碎示意图Fig.6 Schematic diagram of cutting and crushing sugarcane leaves

3 粉碎刀有限元分析

为了验证捡拾粉碎机构设计的有效性,运用SolidWorks对中对称垂斜切式粉碎刀进行三维建模,导入Ansys中进行刀片仿真分析,其中刀具选用含有金属锰、硅等元素的65Mn弹簧钢,提高刀具的强度和硬度,结合刀具与销轴的安装特点,定义模型单元类型,进行网格细化划分[15],提高仿真分析的准确性,通过对刀具进行仿真分析,得到斜切刀应力与位移云图如图7所示,在位移云图中刀具主要变形发生在最下开刃部。

(a) 刀具网格划分

(11)

式中：τT——扭转切应力,MPa;

T——刀具受到的扭矩,N·mm;

WT——刀具抗扭截面系数,mm3;

n——转速,r/min;

P——传递功率,kW;

d——计算刀具端截面处直径,mm;

[τT]——许用扭转切应力,MPa。

经过对刀具进行强度校核,得到刀具的强度为24.3 MPa,小于许用扭转切应力(25～45 MPa),满足刀具的工作性能要求。

4 田间试验结果与分析

以含水率为17.2%～32.3%的甘蔗叶为试验对象,在甘蔗种植行距为120 cm,垄高为14 cm,垄宽为80 cm的广东省湛江市中国热带农业科学院南亚热带作物研究所甘蔗种植基地进行甘蔗叶圆捆打捆机田间捡拾粉碎打捆试验,试验前设定试验区面积为1.33 hm2,并随机划定5块100 m×10 m的小试验区进行甘蔗叶覆盖厚度及覆盖率的测算,每块试验区随机选取4个1 m×1 m的测试区域,进行甘蔗叶覆盖厚度及覆盖率的测算,5块试验区的平均测算结果见表1。

完成对试验区甘蔗叶覆盖厚度及覆盖率的测算后,通过配套动力为雷沃904型拖拉机的后置悬挂系统将甘蔗叶圆捆打捆机进行牵引连接,作业前通过调节拖拉机后置悬挂液压系统,确保前置捡拾粉碎机构田间作业时的最佳离地间隙。

在田间作业试验时设定拖拉机速度为慢1挡1 m/s,如图8所示,对5块小试验区内选取的20个1 m×1 m测量区内的所有粉碎甘蔗叶,用天平称出其质量,随后捡出长度≤15 cm的甘蔗叶秤出其质量,进行3次重复试验,并通过式(12)和式(13)计算出5块试验区内所有测试区内甘蔗叶的平均捡拾率η与粉碎合格率θ分别为86.22%和85.43%[16-17]。

图8 田间试验Fig.8 Field experiment

(12)

(13)

通过运用秒表记录田间作业过程中,完成每一个取样试验的单位时间,并将记录到的5块试验区内20组数值通过式(14)计算其平均值,测定甘蔗叶打捆机中对称垂斜切式粉碎机构工作效率w,通过计算得到中对称垂斜切式粉碎机构工作效率为0.16 hm2/h[18-19]。

(14)

式中：L——取样单位长度,m;

B——作业幅宽,mm;

q——作业一个取样试验单位所花费时间,s。

经过对20组测试区内的捡拾秸秆重量、≤15 cm秸秆重量、剩余秸秆质量进行数据分析,如图9所示,并结合试验性能指标的分析计算公式测算得到甘蔗叶捡拾率为86.22%,粉碎合格率为85.43%,工作效率为0.16 hm2/h,表明蔗叶打捆机的中对称垂斜切式粉碎机构田间作业效果良好,且甘蔗叶捡拾率与粉碎合格率及机具性能都较为稳定,其田间试验效果如图10所示。

图9 试验测试区内三种秸秆重量数据分析Fig.9 Analysis of weight data of three kinds of straw in test area

5 结论

1) 针对甘蔗叶打捆作业时仍存在粉碎不匀、缠绕、阻塞等问题,结合甘蔗叶的物理特性,设计甩刀回转半径为250 mm,并在刀辊轴上按螺旋线排列14组中对称垂斜切式甩刀,甩刀类型采用结构参数可调的中垂刀+4把倾斜45°对称斜切刀,在捡拾粉碎刀作业时的最低离地高度h为30～50 cm之间,当刀辊轴最小转速≥1 830 r/min时,捡拾粉碎刀切割线速度≥48 m/s,达到粉碎甘蔗叶的目的。

2) 运用Solidworks对捡拾粉碎机构进行三维建模设计,运用有限元软件对粉碎刀进行模态应力分析,确定中对称垂斜切式捡拾粉碎机构,进行样机制作。

3) 通过田间试验与数据分析计算得到：中对称垂斜切式粉碎机构在不影响宿根生长的基础上,可实现甘蔗叶粉碎长度在≤15 cm的范围内,甘蔗叶捡拾率为86.22%,粉碎合格率为85.43%,工作效率为0.16 hm2/h。

4) 在实际的成捆作业过程中仍遇到甘蔗叶堆积堵塞结辊间隙,导致成捆室结捆紧实度差、成捆难等问题,因此甘蔗叶圆捆打捆机的捡拾粉碎与成捆机构还需要进一步优化改进。