稻麥收獲后田間廢棄秸稈撿拾裝置設計方法

任輝 李禧堯 粟澤 饒洋鴻 王英男

摘要：秸稈是世界第四大能源，但目前普遍存在籽粒收獲后莖稈廢棄田間的現象。本文為實現田間廢棄秸稈的撿拾回收，進行了秸稈撿拾裝置的設計分析，闡述了利用Pro/E與Adams進行三維建模與虛擬仿真思路，提供了一種適用于稻麥秸稈撿拾割臺的設計方案，為田間禾稈類作物收獲后的廢棄秸稈撿拾回收提供了參考。

關鍵詞：稻麥;撿拾割臺;設計方法;虛擬仿真;撿拾效果

秸稈是僅次于煤炭、石油以及天然氣的全球第四大能源，在世界能源總消費量中占14%。近年來，稻麥收獲后廢棄田間的秸稈焚燒已嚴重影響空氣質量，破壞了土壤和生態環境，對公共安全帶來極大的隱患[1]。我國是一個農業大國，農作物秸稈年產量約為7億噸，占全球秸稈產量的大約30%左右，可目前秸稈綜合利用率僅為33%。國內外用于收獲稻麥秸稈及牧草的機器多為利用拖拉機牽引，自動完成撿拾、喂入、壓縮和打捆等作業程序，在東北等大塊田地應用廣泛[2]。但稻麥收獲時，農民為了提高收割效率以及減少收割機功率損耗，往往是高茬收割，留茬大于20cm，這不僅給后續農田作業帶來了困難，還會極大的降低稻麥秸稈的回收利用率[3]。

本文提供了一種高留茬撿拾割臺的設計方案，不僅能對散落在田間的作物秸稈進行撿拾打捆，且可以對留茬較高的作物秸稈進行切割回收，增加了秸稈的回收利用率，有利于保護環境和社會經濟的可持續發展。

1.撿拾器重要參數設計與分析

1.1撿拾器結構及工作過程

撿拾裝置主要由撿拾機架、凸輪導軌、端蓋、滾筒盤、撿拾主軸、彈齒、彈齒支撐管、滾輪、曲柄、護條等組成，撿拾主軸的兩端分別通過軸承與端蓋連接，端蓋焊接在撿拾機架上。彈齒成排布置在彈齒支撐管上，彈齒支撐管周向均勻分布在滾筒盤上，滾筒圓盤焊接在撿拾主軸兩端;彈齒支撐管一端與曲柄成一角度固定連接，并通過滾輪放置在凸輪導軌上。

工作時，撿拾裝置撿拾主軸帶動滾筒盤轉動，滾筒盤轉動帶動彈齒支撐管轉動，滾輪隨著彈齒支撐管在凸輪導軌上滾動以控制彈齒的運動軌跡，當彈齒運動至撿拾器下方時，彈齒從護條伸出，撿拾散落在田間的稻麥秸稈并往上推舉;當彈齒運行到撿拾器上方時，需要將物料向后輸送并完成收齒的動作。彈齒一個運動周期需要完成放齒、撿拾、升運輸送以及收齒四個動作。

1.2彈齒撿拾器運動軌跡分析

撿拾器在作業時，彈齒不僅隨著滾筒繞主軸轉動，同時還隨著自走式撿拾打捆機在水平方向勻速前進[4]。彈齒的運動是相對于主軸的轉動，彈齒的擺動和隨著機器水平勻速前進三個運動的合成，彈齒的運動軌跡應為一條擺線。令λ=Rω/Vt，λ為擺線的特征參數，擺線的形狀取決于λ的大小。當λ<1，曲線上每一點的水平分速度方向都與機器的前進速度方向相同;當λ=1，曲線只有在最高點時水平分速度為零，其余點的水平分速度方向與機器前進速度方向相同;當λ>1，曲線上存在某一段的水平分速度方向與機器前進速度方向相反的點，具有向后輸送物料的條件。所以使自走式撿拾打捆機能正常作業的必要條件是λ>1，即滾筒的線速度大于機器前進速度。

1.3秸稈撿拾性能分析

評價自走式撿拾打捆機撿拾性能的直接因素就是漏撿率的大小[5]，運動軌跡曲線中相鄰兩個彈齒軌跡曲線不重合的區域即為漏撿區，為了撿拾器在工作時不致漏撿，必須滿足的條件為：h ≤ H-d，h為撿漏區高度;H為護板離地高度;d為彈齒端部最小離地間隙。

自走式撿拾打捆機的撿拾質量還與作物的破損率有關，為防止彈齒在撿拾過程中的帶草現象的發生，要求其撿拾器工作時放齒迅速，但端部線速度不能大于3m/s，否則會對物料造成較大沖擊;在物料升運階段，要求速度平穩、速率變化小;在收齒階段，要求彈齒端部線速度保持豎直向下[6]。

2. 撿拾切割裝置結構參數與設計方法

2.1整機總體設計參數與方案

本文以現有稻麥聯合收獲打捆復式作業機為研究樣機，其高留茬切割打捆機作業流程主要由撿拾、切割、輸送、喂入以及壓縮打捆等工藝組成[7]。其中，撿拾采用的是彈齒滾筒式撿拾器;切割是利用原機型割臺割刀對高留茬作物進行切割;輸送采用的是原機型的鏈耙式輸送裝置以及脫粒輸送裝置;喂入機構采用下喂入方式的撥叉喂入機構;壓縮打捆裝置采用對心式曲柄滑塊機構。配套動力為88.2kw、撿拾幅寬為2.4m、留茬高度5-8m、壓縮活塞行程550mm、工作頻率93次/min。

2.2關鍵部件參數設計

撿拾裝置是自走式撿拾打捆機的核心部件，設計的撿拾裝置需要與稻麥聯合收獲打捆復式作業機的割臺相配合。通過測繪得到該作業機割臺左右側板的距離為2480mm，為了方便撿拾裝置安裝在割臺上，故設計撿拾器幅寬為2400mm。彈齒通常間距為63-100mm[8]，因此在長2200mm的彈齒支撐管上布置11個彈齒;彈齒最小離地間隙d ≤20mm。為了保證彈齒的離地間隙為20mm，保證彈齒末端在最低位置時與護刃器的垂直距離為30mm，設計彈齒的長度為185mm。由于撥禾輪的轉動方向與撿拾裝置所需要的轉動方向剛好相反，因此采用一對嚙合齒輪作為反轉機構安裝在撿拾裝置上。

3三維建模及運動學仿真分析方法

3.1撿拾裝置及割臺的三維建模與裝配

首先應用Pro/E中的零部件繪制模塊根據關鍵部件設計的尺寸對每一個實體進行單獨建模，全部完成后進入裝配模塊將這些繪制好的單獨實體逐個進行裝配[9]。經過調整后，當護條最下端與護刃器的垂直距離為120mm時可以保證留茬作物順暢通過，同時彈齒與切割器不會相碰，并且彈齒的最小離地間隙滿足設計要求。

3.2撿拾裝置運動學仿真分析

本文是通過ADAMS/Exchange模塊將Pro/E軟件的幾何圖形數據讀入ADAMS/View，將建好的Pro/Engineer文件*.asm另存為*.x_t文件后導入到ADAMS中，并添加約束、質量屬性以及驅動力。