摘要:针对9HS-170型黄贮饲料收获机田间作业时存在动刀易损坏、漏割等问题,对黄贮饲料收获机动刀结构及排列方式进行了改进设计。对改进后的动刀进行了运动学分析,得到了动刀顶端的运动轨迹方程。基于ANSYS软件对切割滚筒进行了模态分析,结果表明:切割滚筒最低临界转速为3689.6r/min,而实际工作中切割滚筒转速为1033r/min,机器正常工作中不会发生共振现象。利用多体动力学软件ADAMS分析了动刀运动特性,得到了机器不同前进速度下动刀顶端运动轨迹曲线,确定了机器工作最佳前进速度为4km/h。田间试验表明:机器生产率为0.62hm2/h,收获损失率为2.35%,标准草长率为89.53%,平均割茬高度为129.9mm,各项性能指标均优于国家标准。研究结果可为黄贮饲料收获机的优化设计提供理论依据。
引言
我国农作物秸秆资源丰富,而玉米秸秆年产量约为2.7亿t,位居各类农作物秸秆产量之首。玉米秸秆中富含氮、磷、钾、钙等营养成分,是农业生产中优良的可再生资源[1,2,3,4,5]。目前,玉米秸秆综合利用技术主要有肥料化、饲料化、燃料化等,其中饲料化是秸秆综合利用的研究热点[6,7,8,9]。研究表明,玉米秸秆经黄贮处理后可提高其营养价值,改善饲料的适口性,对改善生态环境、促进畜牧业发展具有重要意义。黄贮饲料收获机可实现对秸秆的切割、捡拾及抛送装车为一体的联合作业,将秸秆加工成牲畜可利用的丝状物料,极大地提高了秸秆资源利用效率[10,11]。
随着计算机仿真技术的发展,越来越多的研究者利用该技术研究工程技术问题。肉孜·阿木提等[12]基于ANSYS软件对秸秆收获机甩刀进行了静力学分析,得到了甩刀的位移形变云图,为甩刀的设计及加工提供了参考依据。薄鸿明等[13]利用ANSYS软件对玉米秸秆还田机的刀轴进行了模态分析,得出了刀轴的固有频率和临界转速。康小云等[14]运用SolidWorksMotion对秸秆收获机割刀传动机构进行了仿真分析,得到了割刀运动参数,为割刀切割性能的优化提供了理论依据。
笔者针对9HS-170型黄贮饲料收获机田间作业时存在动刀易损坏、漏割等问题,对动刀结构及排列方式进行了改进设计,以改善机器作业质量,提高机器工作稳定性和可靠性。
1、整机结构及工作原理
1.1整机结构及主要参数
9HS-170型黄贮饲料收获机主要由机架、悬挂装置、切割滚筒、螺旋输送装置、抛送装置、镇压装置及传动系统组成,如图1所示。机器主要技术参数如表1所示。
图19HS-170型黄贮饲料收获机结构示意图
表1主要技术参数
1.2工作原理
机器通过三点悬挂装置与拖拉机连接,动力由拖拉机后动力输出轴提供。田间作业时,动刀将秸秆从根部切断,并随即将秸秆抛起,在动刀与定刀的配合下,秸秆受到剪切、搓擦、冲击等作用被加工成丝状物料,并抛送至螺旋输送装置内,物料在螺旋输送装置的推动下进入抛送装置,后经抛送叶片抛出装车。
2、动刀改进设计及运动分析
2.1动刀结构改进设计
为更好地捡拾、粉碎玉米秸秆,提高动刀工作可靠性,改进后的动刀由两片折弯角度为150°的刀片通过铆接而成,通过销轴连接于刀座上,使动刀可在刀座上摆动,减小石块等坚硬物对动刀的冲击作用,从而达到保护动刀的目的。考虑到机器工作过程中动刀频繁与秸秆摩擦,动刀材料采用65Mn,刃口经淬火、回火热处理,提高刀片的耐磨性和强度。动刀结构示意图如图2所示。
图2动刀结构示意图
2.2动刀数量及排列方式优化
动刀数量影响着秸秆捡拾、粉碎效果。动刀数量太多,会增加机器空载能耗,且会使机器制造成本增加;动刀数量太少,秸秆粉碎效果变差,会出现漏割等问题。动刀数量一般由动刀排列密度决定[13],计算公式为
N=C×L(1)
式中N—动刀数量(个);
C—动刀排列密度(个/m);
L—工作幅宽(m)。
动刀排列密度一般为20~40个/m,综合考虑机器结构及功耗,动刀排列密度取20个/m,机器工作幅宽为1.7m,由式(1)得出动刀数量为34个。
动刀的排列方式对机器的作业效果及稳定性具有重要影响,目前此类机器动刀排列方式主要有螺旋排列和对称排列。考虑到动刀与定刀配合作业特点,动刀排列方式采用十字交错对称排列,如图3所示。对称排列可使动刀作用在刀辊上的离心力合力为零,从而减小机器工作时的振动和噪声,提高机器工作平稳性。
图3动刀排列方式
2.3动刀运动分析
机器工作时,切割滚筒旋转方向为逆时针(从机器右侧方向看),动刀运动过程可分解为两个简单运动,分别为直线运动(牵连运动)和回转运动(相对运动)。直线运动是由拖拉机带动机器产生的,回转运动是动刀相对于刀辊轴心的旋转运动[15],则动刀顶端的绝对速度矢量方程为
公式(2)
式中—动刀顶端绝对速度(m/s);
—机器前进速度(m/s);
—动刀线速度(m/s)。
若已知动刀回转半径R、旋转角速度ω和机器前进速度,即可求出动刀顶端运动轨迹方程。以机器前进方向为x轴正方向,垂直向上方向为y轴正方向,刀辊轴心O为原点,建立平面直角坐标系,如图4所示。设动刀顶端运动轨迹所在的连续路线上瞬时点为A。
图4动刀运动分析示意图
在机器在作业时间t内,动刀端点A(x,y)的坐标可表示为
公式3
式中ω—刀辊回转角速度(rad/s);
t—任一时间段(s);
R—动刀回转半径(mm);
ωt—动刀转角(rad)。
将式(3)整理可得出A点的运动轨迹方程为
公式(4)
在秸秆收获机研究中,常引用粉碎速比(动刀相对速度与牵连速度比值),记为λ,数学表达式为
公式(5)
将式(5)带入式(4)得A点轨迹方程为
公式(6)
由公式(6)可知,机器工作过程中动刀顶端运动轨迹是摆线。
3、切割滚筒及动刀仿真分析
3.1切割滚筒模态分析
3.1.1仿真前处理
采用SolidWorks2016建立切割滚筒三维模型,保存为Parasolid格式,将模型导入ANSYS软件中进行网格划分和材料参数设定。网格类型选择四面体网格,网格边长为3mm,网格划分结果如图5所示。其节点数为372546,网格数量为65552个。
图5切割滚筒网格划分结果
3.1.2仿真结果分析
通过计算机仿真,得到了切割滚筒前6阶振型及固有频率,1阶振型云如图6所示,前6阶振型的固有频率如表2所示。
图61阶振型云图
表2前6阶振型的固有频率
由图6、表2可知:切割滚筒前6阶固有频率随阶数增加逐渐增大,1阶固有频率为61.494Hz,此时振动较大处位于切割滚筒中部。
切割滚筒临界转速ni计算公式为
ni=60fi(7)
式中ni—临界转速(r/min);
fi—固有频率(Hz)。
由式(7)得出切割滚筒最低临界转速为3689.6r/min,而实际工作中切割滚筒转速为1033r/min,因此机器工作时不会发生共振现象。
3.2动刀顶端运动轨迹仿真分析
动刀顶端运动轨迹主要受机器前进速度影响,机器前进速度过慢会降低生产效率,前进速度太快会使秸秆粉碎效果变差。通过ADAMS软件分析动刀顶端运动轨迹,以确定机器工作最佳前进速度。将切割滚筒三维模型保存为Parasolid格式并导入ADAMS软件中,给刀辊添加转速为1033r/min的转动副驱动,切割滚筒前进方向速度设定为3、4、5km/h等3个水平。通过模拟仿真得到了机器不同前进速度下单个动刀顶端运动轨迹,如图7所示。
图7动刀顶端运动轨迹
由图7可以看出:动刀顶端运动轨迹是一条连续的摆线,圆弧围成的封闭区域为动刀重割区。当机器前进速度为3km/h时,重割区面积过大,造成机器能耗增加;当机器前进速度为5km/h时,秸秆切碎效率降低;机器前进速度为4km/h时较为合理,能在保证作业质量的前提下节约动力消耗。
4、田间试验
4.1试验条件与材料
为验证9HS-170型黄贮饲料收获机田间作业性能,2018年10月在呼和浩特市白塔村开展田间试验,如图8所示。机器配套动力为JohnDeere-904型轮式拖拉机,拖拉机后动力输出轴转速为540r/min,拖拉机前进速度为4km/h。试验田地表平整,玉米品种为金山126,秸秆平均直径为21.34mm,秸秆含水率为18.62%。
试验所需仪器有皮尺(0~50m)、卷尺(0~5m)、秒表、电子台秤(0~10kg)、游标卡尺(0~150mm)、帆布及干燥箱等。
图8机器性能试验
4.2试验方法
参考GB/T10394.4-2009《饲料收获机第4部分:安全和作业性能要求》、GB/T21961-2008《玉米收获机械试验方法》[16,17],以机器生产率、收获损失率、标准草长率、平均割茬高度作为机器性能的评价指标。
4.2.1机器生产率
在机器作业范围内任取3个行程,每个行程长度为100m,记录机器完成此行程作业所用的时间,计算3个行程的生产率平均值作为机器的生产率。计算公式为
公式(8)
式中E—工作小时生产率(hm2/h);
Q—作业量(hm2);
T—作业时间(s)。
4.2.2收获损失率
在测定区域内等间距选取3个测点,每个测点取(1.5m×1.5m)范围作为测定区域,称量此区域内收获秸秆的质量,同时收集收获时损失的秸秆并称重,计算3个测点收获损失率平均值。计算公式为
公式(9)
式中LS—收获损失率(%);
MS—收获秸秆质量(hm2);
M—损失秸秆质量(s)。
4.2.3标准草长率
标准草长率是指标准长度(秸秆长度≤100mm)的碎秸秆质量占其总质量的百分数。在作业区域内,选取3个测点,每个测点接取物料1500g左右,用标准筛将非标准的秸秆筛分出来,计算3个测点标准草长率平均值。计算公式为
公式(10)
式中Sc—标准草长率(%);
Gc—样品秸秆中粉碎长度不合格的秸秆质量(g);
Gy—样品秸秆质量(g)。
4.2.4平均割茬高度
在作业区域内,随机选取2个行程,每个行程等间距选取3个测点,测量(1m×1m)范围内的玉米根茬高度,计算所有测点平均割茬高度。
4.3试验结果
通过田间试验得出了机器性能数据,如表3所示。机器工作过程中运行平稳,性能良好。机器生产率为0.62hm2/h,收获损失率为2.35%,标准草长率为89.53%,平均割茬高度为129.9mm,各项性能指标均满足国家标准。
表3试验结果
5、结论
1)对动刀结构及排列方式进行了改进设计,从运动学角度分析了动刀运动特性,得到了动刀顶端运动轨迹方程。
2)切割滚筒模态分析结果表明:切割滚筒最低临界转速为3689.6r/min,而实际工作中切割滚筒转速为1033r/min,机器正常工作中不会发生共振现象。确定了机器工作最佳前进速度为4km/h,机器在此速度下工作既能保证作业质量又能节约动力消耗。
3)田间试验结果表明:机器生产率为0.62hm2/h,收获损失率为2.35%,标准草长率为89.53%,平均割茬高度为129.9mm,各项性能指标均满足国家标准。
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基金:内蒙古自治区科技创新引导项目(2017-2019);国家自然科学基金项目(51765055);内蒙古自治区科技成果转化专项(2019CG034)
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