本文摘要：摘要：本文設計了一種棉花秸稈收獲機定長切斷裝置，在實現對田間棉稈導向剪切、撿拾移位、輸送及打捆收獲作業的基礎上實現定長切斷功能。利用Solidworks軟件對收獲機整機建模后，提取該機具核心切斷裝置進行靜力學與疲勞壽命分析。靜力學分析結果表明：間隙星刀在模擬
摘要：本文設計了一種棉花秸稈收獲機定長切斷裝置，在實現對田間棉稈導向剪切、撿拾移位、輸送及打捆收獲作業的基礎上實現定長切斷功能。利用Solidworks軟件對收獲機整機建模后，提取該機具核心切斷裝置進行靜力學與疲勞壽命分析。靜力學分析結果表明：間隙星刀在模擬工作條件下最大等效應力為41.40MPa，最大總變形為0.029mm，而齒刀的最大等效應力為88.72MPa，最大形變為0.046mm，二者所承受最大等效應力與總變形均遠低于所選材料的承受極限，同時疲勞壽命分析表明：間隙星刀在循環加載受力100000次以上才可能出現疲勞損傷，齒刀則在循環加載847140次時出現單個疲勞損傷點，綜合靜力學與疲勞壽命分析可知，該機切斷裝置符合設計要求，能夠滿足實際作業需求。研究結果為該機具提供理論依據的同時，為其他農業機械的設計應用提供新的參考與方向。
關鍵詞：密植棉稈;秸稈切斷;靜力學分析;疲勞壽命
引言
棉花作為一種重要儲備物資，在新疆種植面積最大，據2019年的統計調查，新疆棉花種植面積達2540.5khm2，占我國棉花產量的76.08%[1]。棉花秸稈作為棉花生產種植的副產品產量巨大，是一種重要的可再生資源[2]。隨著國家對可再生資源提質增效利用政策的發布，棉花秸稈資源得到越來越多的重視，市場上涌現出形式多樣的棉花秸稈收獲機械[3]。
但現有棉花秸稈收獲機功能單一，無法滿足市場需求，例如：肥飼料廠需要切碎程度高的秸稈，而造紙行業則需求較為完整的秸稈[4]。為提高對棉稈的進一步利用，丁龍朋設計了鋸片式棉稈切割試驗臺并進行了試驗研究，得出切割轉速、輸送速度和切割器傾角對試驗指標切割功耗和割斷率的影響，設計出合適的棉稈切割臺[5];宋占華等人結合棉稈切割試驗，對棉花秸稈往復式切割器動刀片進行了優化設計，使切割效率更高[6]。
目前，隨著國家對環境保護的重視與倡導，秸稈焚燒現象已經得到有效控制[7]，然而秸稈還田不適用于木質化程度高的棉花秸稈，高木質化使棉稈無法僅依靠冬休完成降解，不僅不能轉化為能被植物吸收的養分，反而會導致病菌滋生，影響植物正常生長;因此，對于棉花秸稈，機械回收才是最佳之選[8]�，F有棉花秸稈收獲機功能相對單一，集不對行剪切、定長切斷和壓縮打捆收獲為一體的收獲機型很少[9-13]。針對上述問題，設計了一種棉花秸稈定長切斷收獲機，實現了棉稈的按需定長切斷收獲。
1結構組成與工作原理
1.1結構組成
棉花秸稈定長切斷收獲機主要包括機架、導向器、剪切裝置、限深輪、牽引架、撿拾裝置、鏈傳動裝置、螺旋輥筒、切斷裝置、棉稈打捆裝置、液壓推桿裝置和相關傳感器等。
1.2工作原理
機具牽引架懸掛在輪式拖拉機的牽引機構上，導向器、剪切裝置、撿拾裝置、鏈傳遞裝置、輸送裝置、定長切斷裝置和棉稈打捆裝置按特定作業順序依次安裝在機架上。
實際作業時，位于最前端的導向器及剪切裝置首先對棉稈進行位置引導和近地表稈部剪切，打頂后冠部蓬松的棉稈在機器前進過程中后仰進入撿拾區，由撿拾裝置撥稈齒挑起拋向切斷區域，位居撿拾裝置兩側后方的螺旋輥筒則在轉動過程中將兩側棉稈向中間傳遞，同時其螺旋轉動使打頂后冠重稈輕的棉稈傾斜轉動，秸稈自身的長度與硬度能夠保證在傾斜轉動時依舊有一定長度的秸稈懸空。
這段懸空秸稈的轉動進一步將中間位置收獲的豎直秸稈斜置并壓縮整理，促使中間切斷區棉稈水平鋪放，之后棉稈順利進入切斷區，由間隙星刀與齒刀配合完成切斷，通過控制齒刀工作數量實現定長切斷，輸送帶將切斷后的棉稈送至打捆裝置后，棉稈首先堆積在打捆裝置的下部，隨著進入打捆裝置棉稈數量的增多，堆積在打捆裝置底部的棉稈在輥筒帶動下運動，舊棉稈受自身重力的影響覆壓進入的新棉稈，持續的打滾運動像滾雪球一樣將棉稈打捆。
當松散的棉稈充滿整個打捆裝置時，棉稈的持續輸入及輥筒的不斷轉動將松散的棉稈由外向內壓實，形成棉稈捆，當壓縮壓力達到輥筒上壓力傳感器預設上限值時，壓力報警器響起，駕駛員通過控制液壓操縱桿將打捆裝置后艙門支起，排出棉花秸稈捆，同時借用位移傳感器來判斷開合是否達到排出要求，并在開合滿足要求一定時間后關閉艙門，如此循環就可實現棉花秸稈的打捆收獲。
2切斷裝置設計
2.1切斷裝置總體結構設計
切斷裝置包括底板、彈簧、調節軸、齒刀、間隙星刀、齒輪、刀軸和固定座。刀軸與固定在調節軸上的彈簧實現對齒刀的固定，通過調整彈簧的安裝數量可以控制實際工作齒刀數，滿足多長度定長切斷要求。當間隙星刀通過鏈傳動獲得動力后順時針旋轉，其刀具間隙與作業齒刀交錯可以完成棉稈的定長切斷。
2.2間隙星刀
間隙星刀由兩片形狀相同的5mm厚四角星狀65Mn彈簧鋼刀組成，其中心到尖端距離R為175mm，兩片星刀中間間隙為5.2mm，略寬于厚度5mm的齒刀，以保證完美配合完成棉稈剪切。每兩片四角星刀組成一個間隙星刀，各間隙星刀間通過厚度為54mm的壓環固定于動力軸承上，導程T為69mm，為緩解棉稈切斷作業中產生的沖擊力和沖擊力矩、提高切斷效率，采用螺旋排列方式，將間隙星刀以螺旋角為86.4°分布。
3傳動系統設計
本機具結合實際工作情況及傳動系統的設計要求，剪切裝置、撿拾裝置、螺旋滾筒、切斷裝置、輸送裝置及打捆裝置均選用鏈傳動，鏈傳動系統在正常工作時不僅要保證機具能夠正常的傳動工作，還要保證機具傳動系統具備足夠的可靠性，因此，傳動鏈條、鏈輪均采用45鋼，并經過熱處理使其滿足鏈傳動系統剛度要求[16]。
4切斷裝置的有限元分析
ANSYS有限元軟件是功能強大的計算機輔助工程軟件，可以求解多種力學相關問題[17]。Workbench是ANSYS公司提出的協同仿真環境，能對復雜機械系統的結構靜力學、結構動力學、剛體動力學等進行分析模擬，為本設計棉花秸稈定長切割打捆收獲機的關鍵部件有限元分析提供良好平臺[18]。本棉花秸稈定長切割打捆收獲機在引導裝置對棉稈引導后，由剪切裝置將棉稈剪斷，再經撿拾裝置撿拾到切斷裝置按需切斷，最后由打捆裝置將棉稈打捆收獲，切斷裝置的性能對該棉稈收獲機能否正常運行至關重要，為此對切斷裝置進行有限元靜力學分析與壽命分析，以檢測其性能是否達標。
本文應用ANSYSWorkbench2020R2對切斷裝置進行有限元分析，利用Solidworks軟件對整機三維建模后，將剪切裝置的另存為.x_t中性文件保存并導入Workbench軟件中。定義切斷裝置間隙星刀和齒刀的材料為65Mn彈簧鋼，密度為7810kg/m3，彈性模量為2.06×105MPa，屈服強度為430MPa，泊松比為0.3，以保證切斷裝置刀具的剛度與耐久度滿足作業需求。
為提高對切斷裝置分析的準確性，將網格劃分為單元數8925、節點數41338的密集網格，并施加載荷和約束，最后使用StaticStructural對切斷裝置兩刀具分別模擬分析，以顯示間隙星刀與齒刀在模擬外載荷作用下的等效應力和總變形。根據模型求解的結果檢驗關鍵零部件的結構設計與材料選用是否合理，為機具的進一步優化提供理論參考。
5結論
(1)該機在棉稈不對行引導、近地表剪切、撿拾移位、壓縮打捆的基礎上集定長切斷于一體，實現棉稈按需定長切斷作業，達到按照企業需求長度復合要求的棉花秸稈。
(2)該機前進速度為3~5km/h，經計算得理論生產率為0.6~1hm2/h，并對整機鏈傳動轉速進行計算，得出各主要部件的轉速，其中剪切動力軸轉速220r/min、撿拾裝置轉速532r/min、切斷裝置的轉速為441r/min、輸送裝置與打捆轉速均為582r/min，整機轉速滿足作業需求。
(3)對該棉稈收獲機的核心工作部件切斷裝置進行了有限元靜力學分析與壽命分析，得出間隙星刀與齒刀在模擬工作條件下最大等效應力分別為41.40MPa和88.72MPa，而最大總變形分別為0.029mm和0.046mm，二者所承受最大等效應力與總變形均低于所選材料的承受極限，疲勞壽命分析則表明間隙星刀在循環加載受力100000次以上可能出現疲勞損傷，齒刀則在循環加載847140次時出現單個疲勞損傷點。綜合靜力學與疲勞壽命分析結果可知，該機切斷裝置設計符合要求。
參考文獻：
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[2]賀小偉，劉金秀，王龍，等.密植棉稈對行起拔鋪放機的設計與運動仿真[J].中國農機化學報，2020，41(1)：6-11.
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[5]丁龍朋，陳永成，葛云，等.棉稈剪切力學特性的研究[J].中國農機化學報，2016，37(5)：116-118.
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[7]武建設，陳學庚.新疆兵團棉花生產機械化發展現狀問題及對策[J].農業工程學報，2015，31(18)：5-10.
[8]賀小偉，劉金秀，李傳峰，等.我國棉稈機械收獲技術現狀分析及對策研究[J].中國農機化學報，2019，40(3)：19-25.
作者：趙鵬飛1,2，王旭峰1,2，邢劍飛1,2，劉金秀1,2，胡燦1,2，王龍1,2，賀小偉1,2※
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