香蕉秸秆粉碎还田刀辊参数研究

宋雅婷，李　粤，唐宁宁，吴思浩

(海南大学 机电工程学院，海口　570228)



香蕉秸秆粉碎还田刀辊参数研究

宋雅婷，李粤，唐宁宁，吴思浩

(海南大学 机电工程学院，海口570228)

摘要：香蕉秸秆粉碎秸秆还田作为南方农业保护性耕作中不可或缺的一部分，尚缺乏粉碎效果良好的秸秆粉碎装备。针对该问题，对香蕉秸秆粉碎还田机核心部件粉碎刀的数量、排列、运动和受力进行了理论分析，得到了其计算通式，确定了其工作参数范围。同时，应用 SoildWorks2013 / Simulation插件进行刀轴的模态分析，为以后香蕉秸秆粉碎还田机的设计和关键部件的选型提供理论依据。

关键词：香蕉秸秆；粉碎还田；刀辊

0引言

秸秆粉碎还田作为保护性耕作的关键技术之一，可以提高土壤的蓄水保墒能力，有效减少土壤风蚀、水蚀，进而提高农作物产量，促进农业的可持续发展。香蕉作为我国南方地区重要的经济作物，其秸秆还田也成为了热带农业研究中的重要内容。香蕉秸秆的直接粉碎还田不仅避免了人工处理香蕉秸秆所造成的资源浪费和环境污染，还能增加土壤有机质、改善蕉园土壤结构。另外，粉碎后的香蕉秸秆碎片覆盖于地面，可缓冲雨水对土壤的侵蚀，减少地表径流的产生，减缓地面水分的蒸发，增强土壤的蓄水能力，从而有利于实现香蕉种植业的可持续发展[1-3]。

粉碎刀辊是香蕉秸秆粉碎还田机的关键部件，也是粉碎作业的执行部件，其工作参数和运动学规律对刀辊的设计和优化有重要参考意义[4-6]。为了进一步研究香蕉秸秆粉碎还田机的工作原理，为以后的设计提供资料，以香蕉秸秆粉碎刀辊为研究对象，对香蕉秸秆粉碎刀的结构参数和受力分别进行了理论分析，研究探讨了香蕉秸秆粉碎刀运动轨迹及其计算通式，并应用 SoildWorks2011/ Simulation插件进行刀轴的模态分析，为香蕉秸秆粉碎还田机的设计和粉碎还田机关键部件的选型提供理论依据。

1粉碎刀辊结构和运动参数分析

1.1粉碎刀片的数量

粉碎刀片数量对于香蕉秸秆粉碎还田机的粉碎率和功耗有着决定性的影响[7-8]。粉碎刀片数量过多，一方面将增加安装成本、启动转矩和空载功耗，另一方面过密集的粉碎刀容易导致刀辊发生堵塞和缠绕；而刀片过少，将导致对秸秆的漏切和粉碎不完全。刀片数量的合理数值一般可根据粉碎刀密度来计算得到

C=N/L

式中C—粉碎刀密度(片/m)；

N—刀片个数(当锤爪为n，n/3是锤爪的个数)(片)；

L—作业幅宽(m)。

几种常见的粉碎刀都具有各自的优缺点和适用场合，而由于不同类型粉碎刀特性不同，粉碎刀密度范围也会有所区别。表1中对常用粉碎刀参数和应用特点进行了对比分析。

1.2粉碎刀排列

粉碎刀辊在高速旋转时会产生很大的离心力，刀辊稍有不平衡就会导致粉碎刀辊相对机具的大幅振动。因此，在刀轴上对粉碎刀片进行合理的排列，不仅能在保证机具粉碎质量的情况下减少功率的消耗，而且还能够通过保障粉碎刀辊的动平衡性能以减少振动[9-10]。

在进行动平衡分析时，刀辊被理想化为刀辊质量均匀分布、没有制造和安装误差的回转模型，因此仅在粉碎刀排列方面进行动平衡的计算。每把粉碎刀单独来看都是一个不平衡的转子；但将粉碎刀辊视作整体时，所有由粉碎刀单独引起的不平衡量最终能在刀辊轴端相互抵消掉，也就是说对整体而言刀辊是平衡的。本文将粉碎刀辊上每把粉碎刀在x和y轴上所产生的不平衡力分别平移到两个刀辊端面，若在A和B两个校正面上的主矩、主矢均最后抵消为零，则意味着整个刀辊处于动平衡状态[11]。刀辊受力分析如图1所示。

表1　几种常用粉碎刀参数和应用特点对比

图1　刀辊受力分析示意图

将图1左边第1把刀所在的平面设为A面，最右边第1把刀所在的平面设为B面。将刀辊上所有的力平移到A平面和B平面分别沿xy方向分解，可得到的两个平衡方程式为

式中θi—第i把刀的刀轴周向角；

F—每组粉碎刀产生的离心力；

S—A面与B面间的距离；

Si—第i把刀离B面的距离；

N—粉碎刀总数。

将刀辊上甩刀排列的数值代入上面两式中，若FAX=FAY=FBX=FBY=0，则刀辊符合动平衡要求，机具工作时稳定性较好。

1.3粉碎刀的运动分析

在香蕉秸秆粉碎还田机作业时，粉碎刀有两种运动：一边绕着粉碎刀辊轴心进行回转运动，一边跟随机具前进做直线运动[12]，两种简单运动合成即得到粉碎刀的绝对运动。图2为粉碎刀辊反转的情况(即粉碎刀辊的旋转方向从左向右看为顺时针的情形)。

图2　反转粉碎刀的运动

以刀辊中心为原点建立坐标系，刀辊前进方向与x轴正向保持一致，y轴正方向竖直向上。假定机具为匀速直线运动，粉碎刀由粉碎刀辊带动做匀速旋转运动，刀片端点初始位置与x轴正向成一定夹角，处于水平位置下方。粉碎刀刀端处的运动轨迹方程为

式中x、y—粉碎刀刀端在任意时刻的位置坐标;

v—机具前进速度(m/s)；

R—粉碎刀辊的回转半径(m)；

ω—刀轴角速度(rad/s)；

t—工作时间(s)。

粉碎刀刀端在x轴和y轴方向上的分速度表达式可由上式对时间t求导得到

式中vx—粉碎刀端点在x轴方向分速度(m/s)；

vy—粉碎刀端点在y轴方向分速度(m/s)。

根据x轴和y轴上的分速度可得粉碎刀端点的绝对速度vz为

上式为反转粉碎刀刀端的绝对运动表达式。根据表达式可知：粉碎刀运动轨迹特性受到了粉碎刀辊回转半径R、刀轴角速度ω和机具前进速度v几个因素的共同影响。图3为粉碎刀辊正转(即从左向右看粉碎刀辊为逆时针旋转)的情形。

图3　正转粉碎刀的运动

以刀辊中心为原点建立坐标系(同图2)，刀辊前进方向与x轴正向保持一致，y轴正向朝上。通过正转粉碎刀的运动示意图发现：正转粉碎刀刀端可与反转粉碎刀刀端的运动轨迹方程和速度方程共用来表达[13]。

当vzmin=v0-v(即其圆周线速度与水平速度反向)时，刀片绝对速度达到最小值；当vzmax=v0+v(即其圆周速度与水平速度同向)时，刀片绝对速度达到最大值。其中，v为机具前进速度(m/s)；v0为刀片刀尖的相对速度ωt(m/s)。

在粉碎装置结构一定的情况下，粉碎刀转速直接影响秸秆粉碎的效果，所以确定粉碎刀的转速是粉碎还田机设计的关键之一[14]。

粉碎刀刀端的绝对速度取值如果太小，将不能有效地将香蕉秸秆切断，且易造成纤维缠绕，机具效率低；如果取值过大，将使粉碎刀对香蕉秸秆捡拾和抛送能力下降，加速轴承和刀具的磨损，同时增加动力的消耗。

李明[15]等人通过试验得出粉碎机具的粉碎效果和捡拾效果在刀端线速度为48m/s 时最好。毛罕平[16]等人根据试验证明：在无支撑情况下，能粉碎香蕉秸秆的粉碎刀刀端的最小速度为34m/s[17]，即

vzmin=v0min-vmax≥34m/s

v0min=Rw=vzmin+vmax

式中n—粉碎刀辊转速(r/min)；

R—粉碎刀回转半径(m)；

ω—粉碎刀角速度(rad/s)；

vz—粉碎刀端点的绝对速度(m/s)；

v0min—粉碎刀端点的最小相对速度(m/s);

vzmin—粉碎刀端点的最小绝对速度(m/s)；

vmax—机具前进最大速度(m/s)；

vmin—机具前进最小速度(m/s)。

根据上式可求出无支撑情况下粉碎刀辊所必须要达到的最小转速。

1.4粉碎刀的受力分析

粉碎刀是香蕉秸秆粉碎刀辊的粉碎执行部件，也是香蕉秸秆还田机最关键的部件，其受力是影响香蕉秸秆粉碎质量和还田机工作稳定性的重要因素。本文以最常用的粉碎直刀为例进行受力分析，如图4所示。其中，粉碎直刀与粉碎刀座之间利用销轴进行铰接，粉碎刀座焊接在粉碎滚筒上。

以粉碎刀辊的轴心为原点建立坐标系，刀辊前进方向与x轴正方向保持一致，y轴正方向垂直向下。其中，ο为粉碎刀辊轴心；ο1为销轴轴心；οg为粉碎刀质心。粉碎刀辊高速旋转所产生的离心力F使每把粉碎刀在作业时保持在圆径向射线位置上；但当碰到粗大的香蕉秸秆时，粉碎刀的刀端受到来自于香蕉秸秆的瞬间阻力T，迫使粉碎刀绕销轴发生偏转，偏转角为α；而粉碎刀辊和刀座仍以保持原来的转速旋转，在完成香蕉秸秆粉碎后，粉碎刀将会在离心力的作用下恢复到原来的径向射线位置上。粉碎刀刀端相对销轴中心ο1点产生力矩的力有重力G、切割阻力T及销轴作用于粉碎刀的销轴孔内表面的正压力F1，销轴半径为r。若将销轴对粉碎刀的摩擦力矩忽略不计，由图4中几何关系得到

式中α—偏转角；

β—线ο2ο1与线ο1οο的夹角；

R1—粉碎刀质心οg的旋转半径；

R2—粉碎刀质心οο的旋转半径；

h1—销轴中心ο1到切割阻力T作用点ο2的垂直距离；

h2—销轴轴心ο1到线οοg的距离；

S—销轴轴心ο1到οg的连线的距离；

L—销轴中心ο1到切割阻力T作用点ο2的距离。

由于销轴作用于粉碎刀的销轴孔内表面的正压力T通过粉碎刀销轴孔中心，因此对粉碎刀的力矩为0，即∑Mo1=0，则

式中M—粉碎阻力力矩(N·m)；

M1—重力力矩(N·m)；

M2—离心力矩(N·m)；

ω—粉碎刀角速度(rad/s)；

m—粉碎刀质量(kg)。

因此，作用在粉碎刀上的力矩相对于销轴中心ο1的平衡方程式为

TLcos(α-β)=Gh2sinα+mw2R1h2sinα

由上式可以求得

图4　粉碎刀受力分析图

2粉碎节距Sf

粉碎节距是指相邻两把粉碎刀在同一径向平面内相继冲击打切香蕉秸秆的长度，即在前一把粉碎刀接触到香蕉秸秆到同径向相邻粉碎刀接触到香蕉秸秆的时间内机具的前进距离，如图5所示。

图5　粉碎节距示意图

当粉碎刀辊的1个径向平面内有Z把粉碎刀片，刀辊每转过1个刀片所需时间为2π/Z。在2π/Z时间内机具前进的距离即粉碎节距Sf，即

式中v—机具的前进速度(m/s)；

t—刀辊上每转过一个刀片所需的时间(s)；

ω—粉碎刀辊的角速度(rad/s)；

Z—同一径向平面上安装的刀片数量；

Sf—粉碎节距(m)。

粉碎节距大小直接影响香蕉秸秆粉碎效果的优劣。由上式可知：粉碎节距的大小是粉碎装置的机具前进速度、粉碎刀轴转速、同径向平面上安装粉碎刀数等运动参数和结构参数共同控制的。根据国标JB/T 6678—2001，农艺生产中不影响下一季播种的香蕉秸秆粉碎长度应小于0.1m。因此，综合考虑粉碎效果和功耗，粉碎节距S合理取值范围为0.05～0.08m。

3粉碎辊筒的模态分析

在进行香蕉秸秆粉碎作业时，粉碎刀辊高速旋转, 且易受到动力载荷的影响，刀辊分布相对于轴线稍有不均便会产生振动；而当辊筒固有频率和高速旋转时受激励工作频率接近时，将对机具的损害很大。因此，对辊筒进行模态分析，以避免辊筒转速因接近其固有频率的临界转速导致的共振和噪声，从而确定粉碎刀辊的合理转速，并为改进该粉碎刀辊的优化设计提供参考[18]。采用SoildWorks 2011软件创建粉碎刀辊辊筒的立体模型，再利用Simulation 插件对辊筒新建频率分析算例并进行网格划分，可得4阶模态分析结果，如表2、图6所示。

表2　滚筒的前4阶固有频率

图6　滚筒前4阶模态分析示意图

由表2数据可知：滚筒的前 4阶固有频率f的变化范围为292.81～750. 73Hz。粉碎作业中刀辊转速的范围n=1 000～2 100rad/min 时，旋转激励频率范围为fx=16.7～35Hz。由于f>>fx，该刀辊转速范围避开了粉碎滚筒固有频率的危险区域，防止了共振的产生，所以刀辊转速的选择在合理范围内。

4结论与展望

粉碎刀辊的参数与粉碎还田机的粉碎效果和作业可靠性密切相关。因此，本文对香蕉秸秆还田机粉碎刀的数量、排列、运动和受力进行了理论分析，并通过对粉碎滚筒的模态分析，获得合理的结构参数和转速范围。在以后的香蕉秸秆粉碎还田机具设计中，着重突破的技术重难点和优化方向的定位为：

1)刀辊转向。无论粉碎刀辊反转还是正转，粉碎刀的运动可用同样的方程式来表达，这使得对粉碎刀辊正反转问题的研究得以简化；但由于其切割方式和切割范围不同，有必要在实际作业中进行试验研究。

2)粉碎刀结构的优化。通过对粉碎刀的受力分析可知：粉碎刀结构和参数进行适当的优化可减小粉碎刀工作偏角及增大粉碎率。这些都对后续工作中粉碎刀的结构设计和参数选择有重大的指导价值。另外，可应用仿生学原理对刀具和机具结构进行更进一步优化，加强研究仿生学在刀具设计上的应用。

3)刀辊结构的优化。粉碎刀辊的转子的质量分布的不均衡是产生机具产生振动的根本原因。粉碎刀排列方式的优劣决定着能否最大限度地降低排列引起的不平衡和避免振动对还田机的影响。尽量减小制造和安装误差，保证甩刀外形尺寸和质量统一也是很重要的一方面。另外，研制针对性强的粉碎刀和寻求合理的粉碎刀排列方式，以满足粉碎香蕉秸秆的特性要求将成为研究的重要内容。

4)突破制约瓶颈，开发复合作业机型。由于香蕉秸秆粗大、含水率高的特性，目前所研究的香蕉秸秆粉碎还田机成本和功耗过高，作业功能单一。在保证粉碎质量前提下尽可能降低生产成本、作业成本，已成为突破香蕉秸秆还田推广制约的关键点。另外，研究开发能够同步完成香蕉秸秆粉碎和根茬破坏的复合作业机，并解决高割茬香蕉秸秆的技术难题，还有待进一步开发研究。

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Abstract ID:1003-188X(2016)06-0078-EA

The Parameters Study on Cutter Roller of Banana Straw Chopper Machine

Song Yating, Li Yue, Tang Ningning, Wu Sihao

(School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Abstract：Banana straw crushing and returning technology as an integral part of conservation tillage in the South agriculture. There is a lack for crushing equipment with good effect.To solve this problem, this paper take theoretical analysis for number, arrangement, motion and the force of flail knife, which are the core components of banana crushing and returning machine, and determine the range of working parameters. Modal analysis of knife shaft by Soildworks 2013/Simulation has provided the basis for design. Theoretical foundation has been provided for designing horizontal banana pseudostem crushing and returning machine about selecting key components.

Key words：banana straw; crushing and returning to field; cutter roller

文章编号：1003-188X(2016)06-0078-06

中图分类号：S226.9

文献标识码：A

作者简介：宋雅婷(1991-)，女，湖南浏阳人，硕士研究生，(E-mail)syt_907235963@163.com。通讯作者：李粤(1965-)，男，广西北流人，教授，硕士生导师， (E-mail)ly-888888@sohu.com。

基金项目：国家公益性行业(农业)科研专项(201503136)

收稿日期：2015-05-27