根茬粉碎还田机除茬刀滚功耗模型的建立.pdf

收稿日期:199905043国家“九五”重中之重科技攻关资助项目(项目编号:9500103招标04)胡少兴吉林工业大学研究生部博士生,130025长春市马旭吉林工业大学机械科学与工程学院博士副教授马成林吉林工业大学博士生导师教授赵延波哈尔滨工程机械制造厂研究所工程师,150004哈尔滨市根茬粉碎还田机除茬刀滚功耗模型的建立3胡少兴马旭马成林赵延波【摘要】通过对除茬刀结构参数的分析,设计了9组除茬刀。采用正交试验及对试验数据的分析,得到了除茬刀最佳结构参数,用部分正交回归试验,建立了单除茬刀滚功耗模型,为根茬粉碎还田机的设计提供了理论依据。叙词:根茬粉碎刀轴模型参数设计试验研究中图分类号:S222129文献标识码:AARotaryPowerDissipationModeloftheMachineforChoppingandReturningStubbleintoSoilHuShaoxingMaXuMaChenglin(JilinUniversityofTechnology)ZhaoYanbo(HarbinManufacturerInstituteofEngineeringMachinery)AbstractInthispaper,thestructuralparametersofchoppingstubblebladeswasanalyzed,ninechoppingstubblebladeswithvariousstructuralparametersweremanufactured.Thehorizontalandverticalforceandthetorsionalmomentoftheseninechoppingstubblebladesweremeasuredrespectively.Onthebasisoftheanalysisoforthogonalexperiment,theoptimumstructuralparameterofchoppingstubblebladewasdetermined.Theexperimentofachoppingstubblerotarycultivationwiththeoptimumstructuralparameterwasdone；thepowerdissipationmodelofachoppingstubblerotarycultivationwasestablished.Atthesametime,theeffectsofeachparameteronthepowerdissipationofchoppingstubblerotarycultivationwereanalyzed.Themainreasonofthepoorchoppingstubblequalityofthemachineusedasacompletesetwith81811kWtractoratpresentwasfoundoutintheoryandthetheoreticalbasisofdesigningthemachineforchoppingstubblespreadtofieldwasprovided.KeywordsChoppingstubble,Cuttershaft,Model,Parameter,Design,Experimentalinvestigations引言根茬粉碎还田机在我国虽使用面广,生产厂家多,但都没有测定过工作部件的功率消耗,只是根据旋耕机的有关理论来研究功率变化规律,对于除茬刀参数的选择也只依靠经验。本文主要研究根茬粉碎还田机主要工作部件的基础理论,通过对除茬刀结构参数分析,研制了9组除茬刀,并测定了除茬刀单刀负荷。采用正交试验及分析,确定了除茬刀最佳结构参数。用部分正交回归试验,建立了单除茬刀滚功耗模型,分析了单除茬刀滚的运动参数与功耗的关系；从理论上解释了目前与81811kW拖拉机配套的双行根茬粉碎还田机除茬质量差的主要原因。2000年5月农业机械学报第31卷第3期1除茬刀试验研究单刀试验是在吉林工业大学农机试验室土槽内进行的。试验时测区取中间10m,试验用土为典型黑钙土,根茬取自田间,并模拟田间根茬地表。试验台是为测试除茬刀滚的负荷而研制的,主要由土槽台车、除茬工作部件和测试系统组成。111结构参数的分析目前根茬粉碎还田机上的除茬刀有旋耕刀、旋茬刀、L型直刀等。其中旋茬刀只能用于起根茬；圆犁刀、旋耕刀,虽起到一定的除茬作用,但除茬率低,功耗大；L型直刀,是普遍使用的除茬刀,刀刃型式有单面、双面。除茬刀有7个结构参数(见图1),如何合理选择这些参数,是设计新型刀片的技术关键。图1除茬刀简图(1)弯折角5,即除茬刀正切面与侧切面夹角。弯折角过大,刀尖首先接触土壤或根茬,除茬刀受力增加,降低除茬刀的使用寿命；弯折角过小,除茬刀切割根茬时首先在弯折处接触土壤或根茬,然后滑向侧切刃,刀滚易堵塞,切割阻力增大。(2)正切面刃角i。i减小,除茬刀锋利,功耗小,但过小时除茬刀使用寿命降低；i增大,效果相反。(3)滑切角B。当图1所示的滑切角为正值(有利于根茬滑切),即滑切角过大时,切割阻力增大,碎茬作用减小；滑切角减小至0时,除茬刀入土性差；当滑切角为负值时,除茬刀缠草,刀滚易堵塞。(4)弯曲半径r。除茬刀弯曲处要有合适的弯曲半径r(见图1)。r过小将使除茬刀弯曲处强度降低,减少除茬刀的使用寿命。(5)切削宽度L。切削宽度大可减少除茬刀的排数,但单刀阻力增大,沿弯曲处易打断；切削宽度小,碎茬率低,漏茬现象严重,需增加除茬刀排数,使结构复杂。试验证明除茬刀的工作幅宽L不应小于垄中的根茬宽度,但150mm宽的正切刃口除茬刀,其刀根部抗弯能力较弱,寿命较低。在刀片厚度相同的情况下与86mm宽的除茬刀相比前者寿命降低50%,因此除茬刀宜采用短正切刃。(6)刃厚b。当除茬刀刃厚大于016mm时,除茬性能显著下降,在疏松土壤中尤为严重,所以除茬刀的刃口应比旋耕刀的刃口锋利,其刃厚控制在016mm以内。(7)刀滚半径R。根茬粉碎还田机作业时,在一定的机器前进速度和除茬深度下,对刀滚应尽量选择小转速、大回转半径。但配小型拖拉机全悬挂机具时也要考虑其他结构参数和提升能力。单除茬刀试验时,根据现有除茬刀的回转半径,并查阅大量的旋耕刀参数1,最后选取R=250mm。综上所述,刀滚半径R、切削宽度L已定,刃口锋利和刃角越小,功耗越低。所以我们在设计新刀片时,只研究弯折角5、滑切角B和弯曲半径r对除茬刀负荷的影响。112试验指标的确定为了确定除茬刀片的最佳结构参数,选用L9(34)正交表。把扭矩、水平分力、垂直分力作为试验指标,并考虑除茬试验效果。试验时机器前进速度为1139ms,刀滚转速380rmin1,除茬深度90mm,通过测试得到单除茬刀负荷(见表1)。113单刀试验分析运用正交试验及对试验数据的分析(见表1)得出:单刀参数较佳组合为B1r353,这与目前使用中的一种L型除茬刀参数非常接近。对于水平和垂直分力,弯折角5是主要影响因素。扭矩受滑切角B影响最大,验证了对单刀参数分析的正确性。图2、3、4为较佳组合除茬刀测试的波形图(除茬刀的入土点记为零度)。从图2、3、4可以看出:入土角大约在10时,扭矩、水平分力、垂直分力出现峰值,其后逐渐减小,到出土时入土角接近于零。这是因为除茬刀刚入土时,切到的根茬较少,随着除茬深度的增加,被粉碎的根茬和抛土量都增大,除茬刀将要出土时,切到的根茬和抛土量又减少。2除茬刀滚的试验研究利用L型除茬刀,对单除茬刀滚的功耗进行了分析与测定,建立了单除茬刀滚功耗模型。211除茬刀在刀滚上的排列除茬刀片的合理排列,有利于提高作业质量,改善除茬机的动力特性,并能提高根茬覆盖率、除茬率、碎土率等,特别是可以降低功耗。东北地区玉米采取垄作,因此除茬部件宜采用分段式。为避免漏耕,每组除茬刀滚的耕幅不得低于252mm。为避免和减小其旋转过程中附加动载荷和作业中的脉冲振63农业机械学报2000年表1除茬刀试验方案和试验结果分析试验号因素试验指标1B()2rmm345()水平分力Fi,xN垂直分力Fi,yN扭矩MiNm11(5)1(20)11(90)22414260144711212(25)22(103)25416259115511313(30)33(112)2121525514551542(0)123238172561453125223123217268176519623122271125213481773(-5)1322371725812571383213232182571851129332125218263115215Fi1,xFi2,xFi3,xRi,x230152321824111101523316240102301891922811248172271621112361623918228101118Fi,x=211313Fi,y=233114Mi=48615较优水平B1r353主次因素5、B、rFi1,yFi2,yFi3,yRi,y258132591125917114258132611925619510256182591526018410264112561525615716较优水平B1r353主次因素5、r、BMi1Mi2Mi3Ri521655195317313521557145212512491053165916316551253175313119较优水平B1r353主次因素r、B、5图2单除茬刀扭矩波形图图3单除茬刀水平分力波形图图4单除茬刀垂直分力波形图动,参照现有旋耕机理论,除茬刀的排列应采用螺旋线排列。所以单除茬刀滚的排列共分4排,两边刀盘各6把刀,中间两刀盘各3把刀。212选择试验因素单除茬刀滚试验时,选择对功耗有主要影响的因素,即除茬深度h、机组前进速度vm、刀滚转速n为试验因素,选取L9(34)正交表,并考虑刀滚转速与除茬深度之间一级交互作用。试验指标为单刀滚扭矩Mi,每种试验重复3次。试验结果见表2。213试验结果及分析21311建立单除茬刀滚功耗模型通过对上述试验数据的处理,得出转速对功耗影响显著,前进速度对功耗影响较小。并运用部分正交多项式回归设计,建立了单除茬刀滚功耗模型,其置信度为99%。表2单除茬刀滚扭矩的测试结果序号因素试验指标1nrmin-12hcm34vmms-1MiNm1234567891(340)112(380)223(420)331(6)2(9)3(12)1231231232313121(1111)2(1139)3(1167)312231134101149108155109157159161117171135175111182128185195Mi1Mi2Mi3146106163137181111155157164118170180162155164121163179160138165118164199Mi=1471163Ri35105151231166418073第3期胡少兴等:根茬粉碎还田机除茬刀滚功耗模型的建立N=(-1291098+01445n+0100014n2+71873h-01110h2-01009nh+981237vm-291808vm2)n9549(1)21312结果分析(1)试验因素对功耗的影响根据回归方程,在任意两个因素不变时,可给出功耗随另一因素变化的波形图,如图5和图6所示。从功耗曲线得出:当3个因素任意两个不变时,功耗随另一因素的增大而增大,但增加较慢。将除茬深度(612cm)、刀滚转速(340420rmin)和前进速度(11111167ms),代入式(1)中,得出除茬刀滚图5单刀滚功耗波形图11h=6cm21h=9cm31h=12cm功耗范围为41838176kW。选取刀滚转速380rmin,除茬深度9cm,前进速度1139ms,单除茬刀滚功耗为6178kW。当选取目前与81811kW拖拉机配套的根茬粉碎还田机的转速340rmin,除茬深度9cm,前进作业速度1139ms时,单刀滚功耗为5133kW,这从理论上解释了目前与81811kW拖拉机配套双行根茬粉碎还田机工作质量差的主要原因是主机功率不足。(2)作业质量分析室内单除茬刀滚作业效果见表3。从表中可以得出:采用本文研制的除茬刀,除茬效果好。图6单刀滚功耗波形图11n=340rmin21n=380rmin31n=420rmin表3室内除茬效果的统计作业速度vmms-1转速nrmin-1根茬清除率%根茬覆盖率%除茬率%(长度5cm)碎土率%(直径3cm土块)113938099951796184981543结论(1)为分析除茬刀对根茬粉碎还田机作业性能的影响,研制了9组除茬刀。运用正交试验及其分析,得出一种L型除茬刀负荷最小,参数为:弯折角112、滑切角5、弯曲半径30mm、刀滚半径250mm、刃角17、刃厚0151mm、切削宽度86mm。(2)建立了根茬粉碎还田机的除茬刀滚功耗模型,分析