扒刀式馬鈴薯殺秧機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

扒刀式馬鈴薯殺秧機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

近年來，隨著國內(nèi)馬蹄種植面積的逐年增加，對(duì)馬蹄種植和收獲機(jī)械的需求也越來越大。然而，與中國高中生馬蹄的種植和收獲機(jī)相比，它突然遇到了差距，并開發(fā)出了懸掛式閘門機(jī)。馬鈴薯收獲機(jī)在收獲之前,須對(duì)地表的莖秧進(jìn)行處理。馬鈴薯莖秧人工清除工作量大、效率低,影響馬鈴薯機(jī)械收獲。馬鈴薯機(jī)械殺秧可使馬鈴薯塊莖的表皮充分木栓化,與莖秧分離更加容易,表皮老化可顯著減少收獲、運(yùn)輸和貯藏中的機(jī)械損傷;還可提高馬鈴薯收獲效率,保證馬鈴薯機(jī)械收獲順利進(jìn)行。以德國Grimme公司、美國Reekie公司、荷蘭APH公司等為代表的國外馬鈴薯殺秧機(jī)的各類產(chǎn)品,工作幅寬大,零配件供應(yīng)渠道不暢通,在我國地區(qū)適應(yīng)性差,難以適應(yīng)我國西北地區(qū)馬鈴薯種植大多分布在小地塊、山地和水平梯田上的現(xiàn)狀。為此,本文針對(duì)甘肅馬鈴薯種植情況,設(shè)計(jì)了一種適合西北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)壟作種植的甩刀式馬鈴薯殺秧機(jī)。1一般結(jié)構(gòu)和工作原則1.1機(jī)構(gòu)組成、作用甩刀式馬鈴薯殺秧機(jī)主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、殺秧裝置、輔助裝置三大部分組成,如圖1所示。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由萬向節(jié)、傳動(dòng)軸、齒輪箱和皮帶裝置組成,其作用是將拖拉機(jī)的動(dòng)力傳給工作部件進(jìn)行打秧作業(yè)。殺秧裝置由罩殼、刀軸和鉸接在刀軸上的甩刀組成,用于粉碎、拋撒馬鈴薯莖秧。輔助裝置包括懸掛架和限深輪等,通過調(diào)整限深輪的高度,可調(diào)節(jié)甩刀的離地間隙即留茬高度。1.2中心傳動(dòng)箱及帶輪傳動(dòng)箱壓力甩刀式馬鈴薯殺秧機(jī)與12.1kW的輪式拖拉機(jī)配套,拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)萬向節(jié)傳動(dòng)軸將動(dòng)力輸入中間傳動(dòng)箱,由傳動(dòng)軸傳送到主動(dòng)皮帶輪,主動(dòng)皮帶輪通過皮帶將動(dòng)力傳送到刀軸皮帶輪,刀軸皮帶輪帶動(dòng)刀軸高速旋轉(zhuǎn),刀軸上鉸接的甩刀繞刀軸高速旋轉(zhuǎn),同時(shí)隨機(jī)組前進(jìn)。前進(jìn)中,旋轉(zhuǎn)的甩刀把莖秧從根部砍斷切碎,被高速拋入罩殼,沿罩殼內(nèi)壁滑到尾部,在出口處拋撒到田間。2關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)2.1切割刀設(shè)計(jì)2.1.1降壓刀的種類及特點(diǎn)甩刀是殺秧機(jī)的關(guān)鍵部件,且容易磨損。其形狀和尺寸不僅對(duì)刀軸的設(shè)計(jì)和甩刀排列有較大影響,而且直接影響殺秧的效果;甩刀按形狀分類主要有直刀、L型及其改進(jìn)型刀、T型刀、錘爪、Y型刀等。其中L型及其改進(jìn)型刀切割莖秧是斜切,刀片與莖秧呈一定斜角,可減少切割阻力,降低功耗;Y型甩刀,雙面開刃,剪切力強(qiáng),莖秧粉碎率高,具有較強(qiáng)的耐磨和抗沖擊韌性。根據(jù)文獻(xiàn),為了提高甩刀的耐磨性,甩刀材料選用6~8mm厚65Mn鋼片。2.1.2降壓機(jī)種類及排列方式殺秧機(jī)的甩刀數(shù)量要合理,甩刀數(shù)目過少,莖秧不能完全切割,而不能達(dá)到殺秧的要求。甩刀數(shù)目過多,啟動(dòng)扭矩和消耗功率增大,且易造成堵塞,影響殺秧效果。理論上甩刀數(shù)量可采用公式(1)計(jì)算:式中,N為甩刀總數(shù)(片);C為甩刀密度(片·mm-1);L為甩刀在主軸上分布的長(zhǎng)度(mm)。對(duì)于甩刀密度C的取值,直刀一般取0.05~0.07片·mm-1,L型(L改進(jìn)型)和Y型取0.02~0.04片·mm-1,T型取0.01片·mm-1。本機(jī)的作業(yè)幅寬為1000mm,刀片數(shù)量取20片。為減小甩刀的震動(dòng),提高機(jī)具的平衡性能,甩刀排列應(yīng)滿足以下要求:①甩刀的排列方式要合理,刀片在刀軸軸向上等間距分布,在刀軸周向上呈等角分布,空載時(shí)受力均勻,以使工作平衡。②在保證不漏割的前提下盡可能減少甩刀數(shù)量,以減少動(dòng)力消耗,降低作業(yè)成本。甩刀的排列方式有單螺線排列、雙螺線排列、對(duì)稱排列、交錯(cuò)平衡排列等幾種。單、雙螺線排列在殺秧過程中,莖秧側(cè)向移動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重,使機(jī)具平衡性能下降。因此本機(jī)甩刀采用交錯(cuò)平衡排列方式,如圖2所示。刀軸一般可認(rèn)為是均質(zhì)回轉(zhuǎn)體,它的離心力可近似為零。工作時(shí),離心力引起的振動(dòng)是通過軸承支點(diǎn)傳給整機(jī)的,因此減振的關(guān)鍵,在于使刀具及其附件產(chǎn)生的離心力對(duì)刀軸支點(diǎn)的力矩為零。即刀軸的平衡就是刀具及其附件產(chǎn)生的離心力所構(gòu)成空間力系的平衡問題。下面對(duì)此進(jìn)行分析。圖3為刀軸上刀具及其附件產(chǎn)生的離心力分解示意,設(shè)左邊第一刀位的對(duì)稱平面為A,最右邊的對(duì)稱平面為B。將各分力向X、Y軸分解,得到A面上兩個(gè)合力Fax、Fay和B面上兩個(gè)合力Fbx、Fby,兩平面上的平衡方程為:式中,N為甩刀數(shù)目;F為甩刀及刀座產(chǎn)生的離心力(N);φ為相鄰刀片間角度(°)。將甩刀排列的數(shù)值代入(2)、(3)式平衡方程計(jì)算,滿足平衡方程。因此,甩刀排列合理。2.1.3降階段支降壓r機(jī)具工作時(shí),甩刀一面旋轉(zhuǎn),一面隨機(jī)具前進(jìn)作平動(dòng),因此甩刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是甩刀旋轉(zhuǎn)和機(jī)具前進(jìn)兩種運(yùn)動(dòng)的合成,其運(yùn)動(dòng)軌跡是余擺線,如圖4所示。設(shè)刀軸旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn),機(jī)具的前進(jìn)速度為vm,甩刀的角速度為ω,甩刀上任一點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑為R,則時(shí)間t時(shí)刀刃上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為:將式(4)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),可得甩刀上任一點(diǎn)在x軸和y軸方向的分速度為:甩刀上任一點(diǎn)的絕對(duì)速度v為其中,Rω=vp是甩刀端點(diǎn)的線速度,令λ=vp/vm,如果λ<1,甩刀端點(diǎn)的水平速度始終與機(jī)組前進(jìn)方向相同,其運(yùn)動(dòng)軌跡是短擺線;如果λ>1,甩刀旋轉(zhuǎn)到一定位置時(shí),就有vx≤0,甩刀端點(diǎn)絕對(duì)速度的水平分速度與機(jī)組前進(jìn)方向相反,其運(yùn)動(dòng)軌跡是余擺線。由圖4可知,要使殺秧機(jī)不漏割,保證莖秧切碎,水平速度vx的絕對(duì)速度不低于殺秧速度vp,則有|vx|≥vp。甩刀在殺秧時(shí)與莖秧接觸,有vx≤0,此時(shí)sinωt=(R-H)/R,代入(5)式,得:上式表示了甩刀端點(diǎn)的線速度vp、機(jī)組前進(jìn)速度vm、甩刀轉(zhuǎn)速n、甩刀回轉(zhuǎn)半徑R及殺秧高度h之間的關(guān)系?？紤]殺秧效果及一般農(nóng)藝要求,取vp=34m·s-1,R=280mm,H=85mm,vm=0.68m·s-1[10-11],將上述參數(shù)代入(7)式,得甩刀轉(zhuǎn)速n≥1699r·min-1,因此甩刀轉(zhuǎn)速應(yīng)大于等于1699r·min-1。2.2給排水設(shè)計(jì)2.2.1傳動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖5為甩刀式馬鈴薯殺秧機(jī)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。傳動(dòng)系統(tǒng)采用雙軸式結(jié)構(gòu),中間軸上安裝有皮帶盤,后軸上裝有甩刀。根據(jù)田間實(shí)際工作情況,動(dòng)力傳遞分兩級(jí):一級(jí)傳動(dòng)為齒輪箱與中間軸的傳動(dòng);二級(jí)傳動(dòng)為中間軸與甩刀刀軸的傳動(dòng)。拖拉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)路線為:輸出軸6→齒輪箱5→中間軸4→皮帶盤→皮帶→甩刀軸。2.2.2齒輪齒的體系設(shè)計(jì)式中,i為理論最大傳動(dòng)比;n1為殺秧機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)速;n2為甩刀軸所需最小轉(zhuǎn)速。齒輪箱傳動(dòng)為單級(jí)圓錐齒輪,其傳動(dòng)比為:式中,i1為Ⅰ級(jí)傳動(dòng)比;Z2為從動(dòng)圓錐齒輪齒數(shù);Z1為主動(dòng)圓錐齒輪齒數(shù)。側(cè)邊從動(dòng)為帶傳動(dòng),其傳動(dòng)比為:式中,i2為Ⅱ級(jí)傳動(dòng)比;dd2為甩刀軸上帶輪節(jié)圓直徑;dd1為中間軸上帶輪節(jié)圓直徑。該機(jī)實(shí)際總傳動(dòng)比為:該機(jī)實(shí)際總傳動(dòng)比小于理論最大傳動(dòng)比,符合要求。3農(nóng)田試驗(yàn)與結(jié)果分析3.1地表及殺秧試驗(yàn)條件甩刀式馬鈴薯殺秧機(jī)樣機(jī)在甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地為采用全膜雙壟溝播技術(shù)的旱地,地表平整寬闊,有少許雜草,壟總寬為90cm、大壟寬60cm、小壟寬30cm、壟高為18cm、結(jié)薯深度15~20cm。殺秧試驗(yàn)條件基本均勻。主要儀器設(shè)備有:甩刀式馬鈴薯殺秧樣機(jī)(圖6)、AKC-205B型扭矩傳感器、TS-5HM型智能測(cè)試儀、電子天平。3.2農(nóng)村殺秧機(jī)載荷測(cè)定試驗(yàn)指標(biāo)為莖秧漏打率Ld和功耗。式中,Ld為漏打率(%);m1為每平方米漏打秧稈質(zhì)量(g);m2為每平方米應(yīng)打秧稈質(zhì)量(g)。將單次試驗(yàn)完成后裸露在地表的莖秧,用電子天平稱取其質(zhì)量,通過預(yù)先計(jì)算出試驗(yàn)前小區(qū)內(nèi)的莖秧的平均質(zhì)量,計(jì)算莖秧的漏打率。由理論力學(xué)原理可知,在殺秧機(jī)工作過程中,功耗P與轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系為:因此,在殺秧機(jī)作業(yè)時(shí),只需測(cè)定拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,即可計(jì)算出殺秧機(jī)功耗。借助于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x測(cè)定輸出軸上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)所使用的儀器為AKC-205B型扭矩傳感器、TS-5HM型智能測(cè)試儀,測(cè)試時(shí)將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝于試驗(yàn)用機(jī)的傳動(dòng)線路上。在機(jī)具作業(yè)過程中,轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器將動(dòng)力輸出軸所受的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的電信號(hào),再經(jīng)測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)記錄、保存并打印出來。3.3試驗(yàn)因素和水平試驗(yàn)主要考察甩刀的轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度及刀片類型對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)莖秧漏打率Ld和功耗的影響,試驗(yàn)因素及水平見表1。3.4試驗(yàn)計(jì)劃試驗(yàn)方案見表2。3.5試驗(yàn)結(jié)果的分析3.5.1降壓機(jī)耗水比對(duì)由試驗(yàn)結(jié)果的極差分析知,從莖秧漏打率指標(biāo)可見,因素A對(duì)試驗(yàn)的影響最大,取第1水平為好;再者是因素B,取第1水平為好;因素C的影響最小,取第2水平為好。所以各因素的較好水平為:A1B1C2,即甩刀轉(zhuǎn)速1700r·min-1、機(jī)具前進(jìn)速度2.44km·h-1、Y型甩刀。從功耗指標(biāo)可見,因素A對(duì)試驗(yàn)的影響最大,取第1水平為好;再者是因素B,取第2水平為好;因素C的影響最小,取第1水平為好。各因素的較好水平為:A1B2C1,即甩刀轉(zhuǎn)速1700r·min-1、機(jī)具前進(jìn)速度3.8km·h-1、L型刀片。3.5.2降壓機(jī)參數(shù)選取方差分析見表3,從莖秧漏打率指標(biāo)看,當(dāng)顯著性水平α=0.01時(shí),F0.01(2,3)=30.82,當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí),F0.05(2,3)=9.55,因素A(甩刀轉(zhuǎn)速)、因素B(機(jī)具前進(jìn)速度)高度顯著,因素C(甩刀刀片類型)對(duì)莖秧漏打率影響不顯著,可見,因素主次為:A、B、C。從功耗指標(biāo)看,當(dāng)顯著性水平為α=0.01和顯著性水平α=0.05時(shí),因素A(甩刀轉(zhuǎn)速)對(duì)功耗影響顯著,當(dāng)顯著性水平α=0.1時(shí),因素B(機(jī)具前進(jìn)速度)顯著,可見,因素主次為:A、B、C。綜合分析,為了減小莖秧漏打率,提高機(jī)具的生產(chǎn)效率,A因素選A1(甩刀轉(zhuǎn)速1700r·min-1);B因素選B2(3.8km·h-1);C因素選C2(Y型甩刀刀片)。4田間試驗(yàn)對(duì)馬鈴薯殺秧機(jī)的效果評(píng)