扒刀式马铃薯杀秧机的设计与试验

扒刀式马铃薯杀秧机的设计与试验

近年来，随着国内马蹄种植面积的逐年增加，对马蹄种植和收获机械的需求也越来越大。然而，与中国高中生马蹄的种植和收获机相比，它突然遇到了差距，并开发出了悬挂式闸门机。马铃薯收获机在收获之前,须对地表的茎秧进行处理。马铃薯茎秧人工清除工作量大、效率低,影响马铃薯机械收获。马铃薯机械杀秧可使马铃薯块茎的表皮充分木栓化,与茎秧分离更加容易,表皮老化可显著减少收获、运输和贮藏中的机械损伤;还可提高马铃薯收获效率,保证马铃薯机械收获顺利进行。以德国Grimme公司、美国Reekie公司、荷兰APH公司等为代表的国外马铃薯杀秧机的各类产品,工作幅宽大,零配件供应渠道不畅通,在我国地区适应性差,难以适应我国西北地区马铃薯种植大多分布在小地块、山地和水平梯田上的现状。为此,本文针对甘肃马铃薯种植情况,设计了一种适合西北旱作农业区垄作种植的甩刀式马铃薯杀秧机。1一般结构和工作原则1.1机构组成、作用甩刀式马铃薯杀秧机主要由传动机构、杀秧装置、辅助装置三大部分组成,如图1所示。传动机构主要由万向节、传动轴、齿轮箱和皮带装置组成,其作用是将拖拉机的动力传给工作部件进行打秧作业。杀秧装置由罩壳、刀轴和铰接在刀轴上的甩刀组成,用于粉碎、抛撒马铃薯茎秧。辅助装置包括悬挂架和限深轮等,通过调整限深轮的高度,可调节甩刀的离地间隙即留茬高度。1.2中心传动箱及带轮传动箱压力甩刀式马铃薯杀秧机与12.1kW的轮式拖拉机配套,拖拉机动力输出轴经万向节传动轴将动力输入中间传动箱,由传动轴传送到主动皮带轮,主动皮带轮通过皮带将动力传送到刀轴皮带轮,刀轴皮带轮带动刀轴高速旋转,刀轴上铰接的甩刀绕刀轴高速旋转,同时随机组前进。前进中,旋转的甩刀把茎秧从根部砍断切碎,被高速抛入罩壳,沿罩壳内壁滑到尾部,在出口处抛撒到田间。2关键设备的设计2.1切割刀设计2.1.1降压刀的种类及特点甩刀是杀秧机的关键部件,且容易磨损。其形状和尺寸不仅对刀轴的设计和甩刀排列有较大影响,而且直接影响杀秧的效果;甩刀按形状分类主要有直刀、L型及其改进型刀、T型刀、锤爪、Y型刀等。其中L型及其改进型刀切割茎秧是斜切,刀片与茎秧呈一定斜角,可减少切割阻力,降低功耗;Y型甩刀,双面开刃,剪切力强,茎秧粉碎率高,具有较强的耐磨和抗冲击韧性。根据文献,为了提高甩刀的耐磨性,甩刀材料选用6~8mm厚65Mn钢片。2.1.2降压机种类及排列方式杀秧机的甩刀数量要合理,甩刀数目过少,茎秧不能完全切割,而不能达到杀秧的要求。甩刀数目过多,启动扭矩和消耗功率增大,且易造成堵塞,影响杀秧效果。理论上甩刀数量可采用公式(1)计算:式中,N为甩刀总数(片);C为甩刀密度(片·mm-1);L为甩刀在主轴上分布的长度(mm)。对于甩刀密度C的取值,直刀一般取0.05~0.07片·mm-1,L型(L改进型)和Y型取0.02~0.04片·mm-1,T型取0.01片·mm-1。本机的作业幅宽为1000mm,刀片数量取20片。为减小甩刀的震动,提高机具的平衡性能,甩刀排列应满足以下要求:①甩刀的排列方式要合理,刀片在刀轴轴向上等间距分布,在刀轴周向上呈等角分布,空载时受力均匀,以使工作平衡。②在保证不漏割的前提下尽可能减少甩刀数量,以减少动力消耗,降低作业成本。甩刀的排列方式有单螺线排列、双螺线排列、对称排列、交错平衡排列等几种。单、双螺线排列在杀秧过程中,茎秧侧向移动现象严重,使机具平衡性能下降。因此本机甩刀采用交错平衡排列方式,如图2所示。刀轴一般可认为是均质回转体,它的离心力可近似为零。工作时,离心力引起的振动是通过轴承支点传给整机的,因此减振的关键,在于使刀具及其附件产生的离心力对刀轴支点的力矩为零。即刀轴的平衡就是刀具及其附件产生的离心力所构成空间力系的平衡问题。下面对此进行分析。图3为刀轴上刀具及其附件产生的离心力分解示意,设左边第一刀位的对称平面为A,最右边的对称平面为B。将各分力向X、Y轴分解,得到A面上两个合力Fax、Fay和B面上两个合力Fbx、Fby,两平面上的平衡方程为:式中,N为甩刀数目;F为甩刀及刀座产生的离心力(N);φ为相邻刀片间角度(°)。将甩刀排列的数值代入(2)、(3)式平衡方程计算,满足平衡方程。因此,甩刀排列合理。2.1.3降阶段支降压r机具工作时,甩刀一面旋转,一面随机具前进作平动,因此甩刀的绝对运动是甩刀旋转和机具前进两种运动的合成,其运动轨迹是余摆线,如图4所示。设刀轴旋转中心为坐标原点,机具的前进速度为vm,甩刀的角速度为ω,甩刀上任一点的旋转半径为R,则时间t时刀刃上任一点的运动方程为:将式(4)对时间t求导,可得甩刀上任一点在x轴和y轴方向的分速度为:甩刀上任一点的绝对速度v为其中,Rω=vp是甩刀端点的线速度,令λ=vp/vm,如果λ<1,甩刀端点的水平速度始终与机组前进方向相同,其运动轨迹是短摆线;如果λ>1,甩刀旋转到一定位置时,就有vx≤0,甩刀端点绝对速度的水平分速度与机组前进方向相反,其运动轨迹是余摆线。由图4可知,要使杀秧机不漏割,保证茎秧切碎,水平速度vx的绝对速度不低于杀秧速度vp,则有|vx|≥vp。甩刀在杀秧时与茎秧接触,有vx≤0,此时sinωt=(R-H)/R,代入(5)式,得:上式表示了甩刀端点的线速度vp、机组前进速度vm、甩刀转速n、甩刀回转半径R及杀秧高度h之间的关系。考虑杀秧效果及一般农艺要求,取vp=34m·s-1,R=280mm,H=85mm,vm=0.68m·s-1[10-11],将上述参数代入(7)式,得甩刀转速n≥1699r·min-1,因此甩刀转速应大于等于1699r·min-1。2.2给排水设计2.2.1传动传动机构图5为甩刀式马铃薯杀秧机传动简图。传动系统采用双轴式结构,中间轴上安装有皮带盘,后轴上装有甩刀。根据田间实际工作情况,动力传递分两级:一级传动为齿轮箱与中间轴的传动;二级传动为中间轴与甩刀刀轴的传动。拖拉机动力传动路线为:输出轴6→齿轮箱5→中间轴4→皮带盘→皮带→甩刀轴。2.2.2齿轮齿的体系设计式中,i为理论最大传动比;n1为杀秧机输入轴转速;n2为甩刀轴所需最小转速。齿轮箱传动为单级圆锥齿轮,其传动比为:式中,i1为Ⅰ级传动比;Z2为从动圆锥齿轮齿数;Z1为主动圆锥齿轮齿数。侧边从动为带传动,其传动比为:式中,i2为Ⅱ级传动比;dd2为甩刀轴上带轮节圆直径;dd1为中间轴上带轮节圆直径。该机实际总传动比为:该机实际总传动比小于理论最大传动比,符合要求。3农田试验与结果分析3.1地表及杀秧试验条件甩刀式马铃薯杀秧机样机在甘肃省定西市安定区凤翔镇进行了田间试验。试验地为采用全膜双垄沟播技术的旱地,地表平整宽阔,有少许杂草,垄总宽为90cm、大垄宽60cm、小垄宽30cm、垄高为18cm、结薯深度15~20cm。杀秧试验条件基本均匀。主要仪器设备有:甩刀式马铃薯杀秧样机(图6)、AKC-205B型扭矩传感器、TS-5HM型智能测试仪、电子天平。3.2农村杀秧机载荷测定试验指标为茎秧漏打率Ld和功耗。式中,Ld为漏打率(%);m1为每平方米漏打秧秆质量(g);m2为每平方米应打秧秆质量(g)。将单次试验完成后裸露在地表的茎秧,用电子天平称取其质量,通过预先计算出试验前小区内的茎秧的平均质量,计算茎秧的漏打率。由理论力学原理可知,在杀秧机工作过程中,功耗P与转矩M和转速n之间的关系为:因此,在杀秧机作业时,只需测定拖拉机动力输出轴上的转矩和转速,即可计算出杀秧机功耗。借助于转矩转速测量仪测定输出轴上的转矩和转速。试验所使用的仪器为AKC-205B型扭矩传感器、TS-5HM型智能测试仪,测试时将转矩转速传感器安装于试验用机的传动线路上。在机具作业过程中,转矩转速传感器将动力输出轴所受的转矩和转速等物理信号转变为连续的电信号,再经测量仪的数据采集系统将电信号转化为数字信号记录、保存并打印出来。3.3试验因素和水平试验主要考察甩刀的转速、机具前进速度及刀片类型对试验指标茎秧漏打率Ld和功耗的影响,试验因素及水平见表1。3.4试验计划试验方案见表2。3.5试验结果的分析3.5.1降压机耗水比对由试验结果的极差分析知,从茎秧漏打率指标可见,因素A对试验的影响最大,取第1水平为好;再者是因素B,取第1水平为好;因素C的影响最小,取第2水平为好。所以各因素的较好水平为:A1B1C2,即甩刀转速1700r·min-1、机具前进速度2.44km·h-1、Y型甩刀。从功耗指标可见,因素A对试验的影响最大,取第1水平为好;再者是因素B,取第2水平为好;因素C的影响最小,取第1水平为好。各因素的较好水平为:A1B2C1,即甩刀转速1700r·min-1、机具前进速度3.8km·h-1、L型刀片。3.5.2降压机参数选取方差分析见表3,从茎秧漏打率指标看,当显著性水平α=0.01时,F0.01(2,3)=30.82,当显著性水平α=0.05时,F0.05(2,3)=9.55,因素A(甩刀转速)、因素B(机具前进速度)高度显著,因素C(甩刀刀片类型)对茎秧漏打率影响不显著,可见,因素主次为:A、B、C。从功耗指标看,当显著性水平为α=0.01和显著性水平α=0.05时,因素A(甩刀转速)对功耗影响显著,当显著性水平α=0.1时,因素B(机具前进速度)显著,可见,因素主次为:A、B、C。综合分析,为了减小茎秧漏打率,提高机具的生产效率,A因素选A1(甩刀转速1700r·min-1);B因素选B2(3.8km·h-1);C因素选C2(Y型甩刀刀片)。4田间试验对马铃薯杀秧机的效果评