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新型玉米茎秆粉碎破茬机的试验与分析
作者:潍坊学院 毕世英 管文
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农业环保机械展厅
秸秆粉碎机, 木屑颗粒机, 秸秆压块机, 铡草机, 秸秆气化炉, ...
前言

茎秆作为一种有机肥料直接还田,是一项农业稳产高产及环保的必要措施。目前的茎秆粉碎破茬机在碎茬质量、机具性能等方面存在一些缺陷: 1)重机具研制,轻机理研究;2)对行破茬准确性较差;目前广泛应用的旋耕机具碎茬质量不高,笔者设计的新型玉米茎秆粉碎破茬机采用一个刀辊部件、安装一个定刀片,将茎秆粉碎、根茬切碎、表层松土三项功能置于一次作业中完成,并且实验证明性能可靠。

1 茎秆粉碎破茬机的工作原理

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图1 茎秆粉碎破茬机的工作原理图

玉米茎秆粉碎破茬机采用刀辊逆向旋转来切割玉米茎秆和根茬(如图1)所示,玉米茎秆被拖拉机和茎秆粉碎破茬机压倒,且倒向前方,随后动刀入土在Ⅰ位置将玉米根系切断,后面的动刀再把已切断的玉米茎秆(包括部分根茬)推到Ⅱ位置处,在定刀的配合下,将玉米茎秆和根茬切断。机器不断前进,动刀就不断地在Ⅱ处将玉米茎秆切断。切断的茎秆和根茬在动刀和罩板的作用下散落在地面上,而后大部分又被动刀带入土中。因为玉米茎秆比较粗,具有一定的刚度和韧性,所以在定刀的配合下,能很好的完成切割。与以前的该类型机具相比,该机结构简单,一个刀辊轴就能完成茎秆粉碎和根茬切碎,并且还增加了一个定刀片,使切割过程中有了一个支撑,因而从理论上可以降低刀辊转速,减少动力消耗,为进一步降低该机功耗提供了保证;再者,该机具还可以浅层入土,既可以达到浅耕的目的,又可把部分切碎的茎秆根茬埋入土中。

2 工作部件的受力分析

工作部件也就是动刀,在动力的驱动下作旋转运动,当动刀进入土壤后,受到土壤对它产生的切削阻力,包括切碎根茬所受的力。这个阻力是动刀入土工作时土壤所发生的弹性、塑性变形力、土壤对工作部件表面的摩擦力(包括切碎根茬所受的力)、在切削弧上工作部件对未耕土壤的摩擦力等所有力的合力(见图4)。切削阻力的大小和方向与工作部件的几何形状、运动特点、土壤性质及工作参数有关。

假设工作时土壤对工作部件产生的切削阻力为Rn,土壤的切削阻力可以分解为Rx和Ry,它们的大小和方向随Rn变化而变化,并与Rn的水平夹角 有关。当动刀旋转一周时,土壤的切削阻力由Rnmax变化到0,在最低点达到最大值。对垂直分力Ry来说,当前进速度较小时,几乎保持不变,但当前进速度提高时会急剧增加。

切削土壤的过程是周期性的,它包括挤压、切削和撕裂土壤垡片。在一个切削周期内土壤阻力的变化对于草根达到30%~40%。土壤越干越坚实,这个变化愈大,相反塑性土壤的切削力几乎不变。

3 试验与分析

3.1试验方法及试验因素的选取

本试验拟采用正交试验的办法。正交试验方法是处理多因素试验的一种科学的试验方法,用这种方法只做较少次数的试验便可判断出较优的组合,若对试验结果进行简单的统计分析,还可以更全面、更系统地掌握试验结果,做出正确判断。由于是做现场试验,因素和水平的选取会受到一些实际状况的限制,特别是改变水平比较困难。最后选取了刀辊转速、机器前进速度和动刀倾角三个因素。刀辊转速取三个水平,机器前进速度取三个水平,动刀倾角取两个水平。如表1所示。

表1 试验因素水平表
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3.2正交试验的极差分析

表2 正交试验结果与极差分析
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本试验是研究各水平的变动对粉碎功耗和粉碎合格率两项指标的影响规律,粉碎功耗指标值越低越好;粉碎合格率指标值越高越好,故对回归正交试验的数据处理采用综合指标来衡量,计算方法是:首先是对试验所得到粉碎功耗和粉碎合格率的两项指标进行无量纲化处理,即进行百分制评分,最小值为0,最大值为100,其它值按大小分别求其对应的评分值,以功耗为例来说明其计算过程:

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式中:P-此处的功耗值;Pmin-试验中的最小功耗;Pmax-试验中的最大功耗;y功耗-无量纲化处理后的评分值。同理可以得出粉碎合格率的无量纲化处理后的评分值y粉碎。

试验样机以前做过初步的试验,粉碎合格率较好,但缺点是功耗特别大,因此计算综合指标时,粉碎功耗的权重要取得大一些,所以取粉碎功耗的权重为-0.7,因为粉碎功耗越低越好,取粉碎合格率的权重为0.3,粉碎率越高越好。两者评分乘以各自的的权重,对应相加得到的综合评分值即为综合指标值。

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综合指标值越高越好。经过计算后的综合指标值如表2所示,k1 、k2和k3为各水平综合指标和,R为极差。

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4结论

由综合指标和的平均值和极差R可以看出:影响综合指标的主次因素排列依次为C、A、B,即机器前进速度对综合指标影响最大,其次是刀辊转速,最后是动刀。因素水平的较优组合为A2B1C1,,即刀辊转速为582r/min,动刀倾角为6°,机器前进速度0.67km/h。如果考虑到生产率,对试验中用到的拖拉机来说,最合适的作业速度为2.9km/h,此时次优组合为A1B3C3,即刀辊转速为480r/min,动刀倾角为6°,机器前进速度为2.9km/h。

作者简介:毕世英---硕士、潍坊学院讲师
管文---从事高校机械教学与科研15年,现为《农业机械》杂志地方编委。本文由管文老师推荐到《农业机械》2009.2期
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (4/10/2009)
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