旋转锹式玉米秸秆深埋还田机的设计

宋健鹏，林 静，马 铁，吕秋立，田 阳

(沈阳农业大学 工程学院,沈阳 110161)

旋转锹式玉米秸秆深埋还田机的设计

宋健鹏，林 静，马 铁，吕秋立，田 阳

(沈阳农业大学 工程学院,沈阳 110161)

针对目前秸秆存在随意堆放、大面积焚烧和利用率低等问题,在研究国内外秸秆还田机的发展现状基础上，设计了一种旋转锹式还田机。利用Solid Works软件对旋转锹式玉米秸秆深埋还田机进行了三维建模，运用ANSYS软件对其关键部件旋转锹和刀轴进行了有限元分析。力学分析表明：应力主要集中在刀片背后弯曲部分，在正切刃部分变形最大。模态分析表明：工作时刀轴的振动频率远低于固有频率范围内的最小频率，不会发生共振。研究成果可为秸秆深埋还田机的设计和改进提供参考。

秸秆深埋还田机；旋转锹；有限元分析；模态分析

0 引言

作物秸秆问题涉及到土壤肥力、环境保护、水土保持及再生资源有效利用等可持续发展问题。农作物秸秆中含有丰富的氮、磷、钾和微量元素成分，是我国重要的有机肥源之一[1]。大量研究表明，秸秆还田能够有效增加土壤有机质含量，改善土壤，特别对缓解我国氮、磷、钾肥比例失调的矛盾，弥补磷、钾化肥不足有十分重要的意义，也可以解决我国因秸秆过剩而产生的堆集、焚烧造成的环境污染问题。

从20世纪70年代末开始，我国农机工作者在引进国外农业科研成果的基础上，先后研发了与秸秆、根茬粉碎还田和整株还田相关的各种作业机具[2-4]。1974年，依据旋转锹[5]工作原理，江苏东台县根据绿肥埋青的要求研究设计了一种绿肥翻青机。1979年，江苏盐城研制出了可以在沙质土壤并且含水率较低时作业的反转旋耕埋青机。1981年，中国农科院郑州果树所依据旋转锹的工作原理，设计改装了用于沙质土壤果园绿肥翻青的1GF-150型旋耕机，但在粘性土壤地作业时效果不理想[6]。熊元芳设计了一种以手扶拖拉机为动力，集埋草、切草、碎土、旋耕于一体的1GMS-69型水田埋草旋耕机，能够将水田中的稻杆、高茬、绿肥等直接还田[7]。华中农业大学设计研发的集压杆、旋耕、碎土、深埋、平地等功能一体的1GMC-70型船式旋耕埋草机，可将稻秆、杂草、绿肥等一次性深埋还田[8]。为了更好地实现还田作业，本文设计了一种旋转锹式秸秆还田机，在性能上兼有旋耕机和铧式犁的优点，可以进行深耕、翻垡而又不堵塞且能耗低，作业后地表平整。

为保证旋转锹在作业中有足够的刚度和强度，通过ANSYS对旋转锹进行静力分析，分析旋转锹在作业时的变形和应力情况。为确定其在作业中具有良好的动态特性，对旋转锹刀轴进行了模态分析，得到其低阶振动的固有频率及振动模态图。

1 整机的总体结构和工作原理

1.1 总体结构

旋转锹式玉米秸秆深埋还田机主要由机架、悬挂装置、传动装置、清垄装置、旋转锹及覆土镇压装置等组成，如图1所示。

1.地轮 2.悬挂架 3.减速器 4.清垄装置 5.机架 6.旋转锹 7.覆土装置 8.镇压装置图1 旋转锹式玉米秸秆深埋还田机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of rotating spade type maize straw buried counters-field set

该机选择与功率大于36.75kW的轮式拖拉机配套使用，动力输出轴转速为540r/min，经减速器减速后刀轴转速为65r/min，本设计取秸秆还田机的前进速度为2.34km/h，约为0.65m/s。

1.2 工作原理

秸秆还田机与拖拉机三点悬挂连接，工作时动力输出轴经变速箱将动力传到旋转刀轴，刀轴带动旋转锹完成翻垡作业；机组不断前进，刀片连续不断地对未作业耕地进行切削；覆土镇压装置将作业后翻起的垄沟进行覆土镇压，进一步实现秸秆深埋。

2 关键部件设计

2.1 旋转锹的设计

旋转锹是秸秆深埋还田机的核心工作部件，主要由刀轴、刀片、刀盘和托土板等组成，如图2所示。刀盘焊接在刀轴上，刀片通过螺栓安装在刀盘上，每个刀盘安装3把刀片；刀的背后装有托土板(装在刀盘的内侧)。工作时，刀片切开土垡，托土板和刀片一起将垡片带到后面；刀片向上提起垡片时，垡片脱离托土板而滑下。该部件工作的特点在于具有托土板。

1.刀轴 2.刀片 3.刀盘 4.托土板图2 旋转锹结构示意图Fig.2 Schematic diagram of rotary spade

若要保证土垡能够顺利从刀片上滑下，应该使刀片下滑平面的下滑力大于土粒重力、离心力的分量，以及土粒与刀片间的外摩擦力之和，受力分析如图3所示。

根据图3 作用在旋转锹刀片上土粒M 的受力分析可得

mgsin(α-β)≥um[ω2rcosβ+

gcos(α-β)]+mω2rsinβ

(1)

若α>αc土垡将会被抛出，αc应满足

(2)

式中m—土粒M 的质量；

g—重力加速度；

α—离心力与竖直方向上的夹角；

β—刀片安装角，β≈ 20°～30° ；

u—摩擦因数；

ω—旋转角速度；

αc—土粒抛出时的临界角度。

刀轴转速n应满足

(3)

图3 作用在旋转锹刀片上土粒M的受力分析Fig.3 Stress analysis in rotating blade shovel soil particles M

2.2 清垄装置的设计

清茬装置的结构如图4所示。左右清茬装置分别安装在机具的左右横梁上，并且与机器前进方向偏斜一定角度α。机器前进时，呈螺旋线形的刀刃在土壤阻力的带动下旋转前进，同时切断残茬并将其推向垄沟内。

1.清垄盘 2.清垄连杆 3.固定板图4 清垄装置结构示意图Fig.4 Schematic diagram of stubble cleaning device

清垄宽度的大小取决于清茬轮半径R与机器前进方向的夹角α。清茬轮半径不宜过大，否则会使回转角速度过大，不利于清垄。选取清茬轮半径R=165mm，α=30°。为减少清茬轮动土，可将入土深度h设为20 mm。清垄宽度计算公式[9-10]为

(4)

式中L—清茬轮清垄长度。

通过计算可得到清垄宽度b=80mm，基本能够满足清垄要求。

2.3 覆土镇压装置的设计

在镇压前，通过挡土板对土壤进行覆土。镇压装置采用了结构简单、通用性强的宽幅橡胶轮，地轮镇压幅宽为300mm，地轮直径为300mm。

3 工作部件的有限元分析

3.1 旋转锹刀片三维模型的建立

旋转锹刀片形状较复杂，刀片的侧切刃是向外弯曲的形状。这种形状除了能保持适度的滑切角外，还能由远及近的切开土垡，即工作时在刀轴中心较远处先接触土壤，然后逐渐向前和向深处切土。在Solid Works中建立三维模型，结构如图5所示。

图5 旋转锹刀片实体模型Fig.5 Rotary shovel blade solid model

3.2 旋转锹刀片的有限元分析

3.2.1 前期处理及划分网格

将Solid Works中建立好旋转锹刀片的三维模型以IGS格式进行保存，导入ANSYS Workbench中，然后定义旋转锹刀片的材料为65Mn钢，设置单元尺寸为3mm，设置网格尺寸，划分网格并细化网格，共生成242 073个节点、13 994个单元。

3.2.2 边界条件的定义

利用ANSYS对旋转锹刀片进行有限元分析，目的是分析刀片在工作时的变形和应力大小，校核刀片的强度，为进一步设计优化旋转锹刀片结构做准备。在旋转锹刀片安装孔位置处施加固定约束，并分别在侧切刃、过度面刃和正切刃处施加垂直于刃口方向大小为5MPa的载荷[11]。

3.2.3 分析结果

旋转锹刀片是秸秆还田机的主要工作部件，刀片质量的好坏和寿命的长短能够直接影响机具工作的稳定性。旋转锹刀片的位移、应力和应变分布图，如图6～图8所示。从图6～图8可以看出：在离固定约束最远处(即正切刃部分)刀片总变形最大，表明最远处刚度最差，在设计时应注意其刚度，刀柄处变形最小；在刀片背后弯曲部分所受应力较大，在刀柄和正切刃部分应力较小，在设计时应当注意；应变的最大处和最小处和应力的分析结果基本一致。

图6 位移分布图Fig.6 The displacement nephogram

图7 应力分布图Fig.7 Stress nephogram

图8 应变分布图Fig.8 Strain nephogram

3.3 刀轴的模态分析

模态分析是分析结构自然频率和模态形状的方法，一般应用在工程振动领域。模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。一般情况下，低阶振动特性对结构的动态特性影响较为明显，低阶振型决定结构的动态特性。

对刀轴进行单元划分，在各节点处建立平衡方程组，整理后得到运动方程为[12]

(5)

式中 [M]—质量矩阵；

[C]—阻尼矩阵；

[K]—刚度矩阵；

[F]—外载荷矩阵；

{u}—节点位移向量；

模态分析是在无阻尼状态下且不考虑外部载荷的条件下进行的，即[C]=0，{F(t)}=0。因此，式(5)可简化成模态向量Φi与振动频率ωi的关系方程式为[13]

([K]-ωi2[M]){Φi}=0

(6)

式中 {ωi}—第i阶自然振动频率；

{Φi}—第i阶模态形状的特征向量。

求解式(6)，即可得出系统的固有频率和模态向量，从而得到模态振型。

进行模态分析时，由于不考虑外部载荷的影响，只需要对刀轴的两侧施加零位移约束即可。还田机在工作时各种激振频率相对较低，因此只需要考虑接近这些频率的低阶固有模态[14-15]。施加约束求解，得到前6阶的固有频率如表1所示，振型如图9所示。

表1 刀轴的固有频率

图9 刀轴的模态振型图Fig.9 Modal shape of the cutter shaft

由表1可以看出：前6阶固有频率的分布范围在744～3541Hz之间，振型的弯曲程度反映了刀轴发生扭转弯曲变形的程度。还田机作业时刀轴转速为75r/min，转化成频率约是1.25Hz，远小于固有频率范围内的最小频率，因此不会发生共振，设计安全合理。

3.4 基于MatLab的刀端轨迹运动

机具工作时，刀片一面旋转，一面随机组前进，因此刀片的运动轨迹是机组前进和刀轴旋转两种运动的合成。刀端的轨迹方程为[16]

x=Rcosωt+vmt

(7)

y=Rsinωt

(8)

式中R—刀端点转动半径(m)；

ω—刀轴旋转角速度(rad/s)；

t—时间(s)；

vm—机具前进速度(m/s)。

选取刀端点的转动半径R=0.4m，机组前进速度vm=0.8m/s，转速n=75r/min，将刀端的轨迹运动方程经编程后输入MatLab中得到其运动轨迹。其中，横坐标与机具前进方向一致，纵坐标是竖直方向上的位移。刀端轨迹运动规律如图10所示。

图10 刀端轨迹运动图Fig.10 Knife trajectory motion diagram

4 结论

1)通过对秸秆还田机国内外研究现状的分析探讨，结合生产实际，农机与农艺相结合，设计了一种秸秆深埋还田机，并确定了整体结构。

2)运用ANSYS软件对旋转锹刀片和刀轴进行有限元分析，结果表明：在外力的作用下，应力主要集中在刀片背后弯曲部分，刀尖处的变形最大；还田机工作时刀轴转速为75r/min，远小于固有频率对应的最低转速，因此不会发生共振，结构设计合理。

3)通过MatLab对旋转锹刀片的运动轨迹分析可知：只有当刀轴转速与机组前进速度的比值一定时，刀端轨迹才能保持一致。

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Design and Test of Rotating Spade Type Maize Straw Returning Root Deep Machine

Song Jianpeng , Lin Jing , Ma Tie , Lv Qiuli , Tian Yang

(College of Engineering , Shenyang Agricultural University , Shenyang 110161 , China )

Facing with the problems of the straw pill up at will , straw large area burning and low utilization rate of straw after harvest ,on the basis of the research on the development status of straw returning machine at home and abroad, design a kind of rotary spade field straw chopper. Using Solid Works for three-dimensional modeling, using ANSYS software for its key components rotating spade and knife shaft for finite element analysis. Mechanics analysis shows that, the stress mainly concentrated in behind the blades bend parts, the maximum deformation in tangent blade. The modal analysis showed that the work is far lower than the natural frequency of vibration frequency range of the minimum frequency, resonance will not occur. The research results provide reference for the design and improvement of deep field straw chopper.

straw returning root deep machine; rotary spade; finite element method; static analysis

2016-12-02

公益性行业(农业)科研专项(201503116-09);国家自然科学基金项目(51275318)

宋健鹏(1991-)，男，山东蓬莱人，硕士研究生，(E-mail)990263110@qq.com。

林 静(1967-)，女，辽宁铁岭人，教授，博士生导师，(E-mail)synydxlj69@163.com。

S224.29

A

1003-188X(2018)02-0095-05