農(nóng)作物秸稈還田機(jī)的設(shè)計(jì)

張皖哲　鄭鐵　王潤濤　徐之欣　張文涵

摘 要：該文研究設(shè)計(jì)了一款動(dòng)力消耗低、切割大小滿足生活要求的農(nóng)作物秸稈還田機(jī)系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的工作原理并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)仿真。系統(tǒng)主要由進(jìn)料結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、揉搓結(jié)構(gòu)、切碎結(jié)構(gòu)組成，通過運(yùn)動(dòng)仿真確定關(guān)鍵參數(shù)，使系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中更有操作性與安全性。

關(guān)鍵詞：切碎 揉搓 運(yùn)動(dòng)仿真 傳動(dòng)

中圖分類號：S224 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0094-02

我國有產(chǎn)量巨大、類型繁多、分布廣泛的農(nóng)作物秸稈。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)作物秸稈大量剩余，通常直接焚燒或作為燃料使用，這不僅造成了資源浪費(fèi)，還污染了環(huán)境。通過機(jī)械式秸稈還田技術(shù)不僅可以緩解農(nóng)忙時(shí)勞動(dòng)力缺少的問題，秸稈還田還具有增長土壤微生物數(shù)量和提高酶的活性、增高土壤養(yǎng)分含量、提高糧食產(chǎn)量等作用，有效地緩解了因秸稈燃燒而造成的環(huán)境污染情況[1]。該設(shè)計(jì)以生物質(zhì)秸稈為原料，研究制備高效生物質(zhì)秸稈粉碎還田設(shè)備。經(jīng)過對切碎和揉搓機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真，確定系統(tǒng)的參數(shù)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由進(jìn)料結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、揉搓結(jié)構(gòu)、切碎結(jié)構(gòu)組成。其中定刀組和動(dòng)刀組等構(gòu)成了切碎結(jié)構(gòu)；揉搓板、轉(zhuǎn)子、錘片和篩片等構(gòu)成了秸稈揉搓結(jié)構(gòu)。進(jìn)料口處的物料通過進(jìn)料結(jié)構(gòu)和切碎機(jī)后方風(fēng)機(jī)的作用下不斷進(jìn)入切碎室。動(dòng)力經(jīng)過電動(dòng)機(jī)傳送給皮帶輪，再傳送到主軸上，錘片和動(dòng)刀在主軸的帶動(dòng)下一起高速運(yùn)轉(zhuǎn)。秸稈在切碎室中被切碎、經(jīng)過錘片作用使其粉碎，篩片一直進(jìn)行篩選，粉碎徹底的秸稈離開運(yùn)動(dòng)軌道經(jīng)過篩片到達(dá)出料口，而粉碎不徹底的秸稈則在切碎室內(nèi)重新被切碎。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)

2.1 切碎結(jié)構(gòu)與揉搓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

切碎結(jié)構(gòu)主要依照現(xiàn)有的鍘草機(jī)破碎雜草的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用直刃刀切割，刀片數(shù)為4。為使機(jī)器的功率不會(huì)過大，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度也不能過大，因此該設(shè)計(jì)選擇的主軸轉(zhuǎn)速為n=1 300 r/min。定刀與動(dòng)刀的間隔通常關(guān)乎切割順利與否，工作效率是否高，切割質(zhì)量是否好。過大的間隔可能切得不徹底或切不斷，過小的間隔可能會(huì)增加刀具的磨損，因此間隔選擇2～3 mm[2-3]。

由于切碎室內(nèi)的秸稈是與錘片同向運(yùn)轉(zhuǎn)，且差速較小，錘片與秸稈間的大部分作用只能使秸稈產(chǎn)生形變，而要想完全粉碎需要經(jīng)過多次碰撞作用。為了在切碎室內(nèi)能讓秸稈更徹底地被粉碎，該文使用矩形錘片。錘片的直徑和動(dòng)刀的直徑相同，同為0.68 m，錘片尾部的線速度為35 m/s，轉(zhuǎn)速n=1 215 r/min。

2.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是整機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)中的一項(xiàng)重要工作。它是將動(dòng)力傳送給執(zhí)行結(jié)構(gòu)或執(zhí)行構(gòu)件的中間結(jié)構(gòu)。該機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用機(jī)械與液壓相結(jié)合的方法。

秸稈撿拾喂入切碎傳動(dòng)系統(tǒng)包含1組帶傳動(dòng)、1組齒輪傳動(dòng)、3組鏈傳動(dòng)和2組組式齒輪傳動(dòng)，整機(jī)的動(dòng)力由柴油機(jī)提供，動(dòng)力由齒輪一級一級向后傳送。

秸稈深施傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力由液壓馬達(dá)供給。液壓馬達(dá)同時(shí)給3組結(jié)稈深施裝置提供動(dòng)力，該裝置的旋轉(zhuǎn)軸和輸出軸垂直，采用鍋桿傳動(dòng)方式，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且工作聲音低[4]。傳動(dòng)方案如圖2所示。

3 運(yùn)動(dòng)仿真分析

該文使用美國PTC開發(fā)的Pro/E5.0軟件來實(shí)現(xiàn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)仿真分析，該軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)體化建模功能，本身帶有結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真工具，建模與仿真二者可直接轉(zhuǎn)換，便于設(shè)計(jì)中的仿真分析，且無需兩次修改[5]。秸稈還田機(jī)的仿真過程設(shè)計(jì)如圖3。

機(jī)械仿真建模過程釆用自底向上的思想。先設(shè)定單個(gè)零件實(shí)際模型，再通過零件之間的真實(shí)工作位置來安排每個(gè)零件在仿真過程中的位置，并設(shè)定各零件之間的銜接關(guān)系，最后建立整機(jī)模型。

在把整機(jī)模型從Pro/E標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境轉(zhuǎn)換到機(jī)構(gòu)環(huán)境前需要對其進(jìn)行簡化處理，用視圖管理器屏蔽與運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)無關(guān)的部件，這些部件在之后的分析中將不占用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，由此減小電腦的計(jì)算量，提高運(yùn)行速度。將簡化后的模型轉(zhuǎn)到仿真環(huán)境中，根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)方向，設(shè)置各個(gè)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)方式。設(shè)置有關(guān)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，點(diǎn)擊運(yùn)行，機(jī)具即按照設(shè)定的參數(shù)開始模擬粉碎秸稈工作的運(yùn)動(dòng)。

通過虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)，完成整機(jī)的設(shè)計(jì)和各零部件模型的裝配，然后對核心機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，模擬實(shí)際工作時(shí)，保證設(shè)計(jì)參數(shù)能實(shí)際加工運(yùn)行，防止該設(shè)計(jì)在制作中出現(xiàn)問題。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)通過對農(nóng)作物秸稈的性質(zhì)進(jìn)行分析，確定粉碎原理與方式，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一款動(dòng)力功耗低、切割大小滿足生活要求的農(nóng)作物秸稈還田機(jī)。通過仿真測試，確保設(shè)計(jì)可安全地在實(shí)際中被制作。

但是系統(tǒng)還存在一些需要改進(jìn)的地方，該文在研究過程中，因缺少實(shí)驗(yàn)部分，使用類比法確定了一些關(guān)鍵參數(shù)，如主軸轉(zhuǎn)速等，這將影響設(shè)計(jì)的最終結(jié)果能否達(dá)到最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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[3] 張儒.多功能秸稈還田機(jī)設(shè)計(jì)及其秸稈深施裝置性能的實(shí)驗(yàn)研究[D].黑龍江：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

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[5] 肖體瓊.基于Pro/E和ANSYS的水稻直播機(jī)設(shè)計(jì)及有限元分析[C]//水稻生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)交流會(huì)論文集.2006： 125-128.