免耕播种机锯切防堵装置试验研究

免耕播种机锯切防堵装置试验研究

防堵装置的选择在残耕地区运行的免费种子能否达到良好的抗堵塞能力已成为影响播种机生产效率和播种质量的重要因素。防堵装置分为切茬型和分开型2类。切茬型多用被动圆盘刀,主要靠重力切茬,机体笨重,价格昂贵,且切茬性能不可靠;国内学者曾将被动圆盘刀改为驱动式,虽能有效的利用滑切达到良好切断效果,但传动装置较多,离地间隙小,易引起缠草堵塞。而分开型是利用扫、拨和绕流等方式清除播种单体前的秸秆层,开出无覆盖层的播种条带。如轮齿式拨草盘和曲面型分草器,具有分草性能好、结构简单、成本低等优点,但秸秆覆盖量大时堵塞问题无法解决。分析表明,被动式防堵装置不仅需增加配重,且对秸秆覆盖量大时的堵塞问题仍难以解决;而主动式防堵装置由于采用高速旋转的甩刀或锤爪切割器,其平稳性差,消耗功率大,单位幅宽功耗达15～40kW/m,刀端线速度一般在37～56m/s之间。因此,探讨一种有效的免耕播种机防堵装置以使免耕播种机低功耗、可靠作业,对实际生产作业是十分必要的。基于上述试验研究成果,结合锯齿圆盘切刀具有硬度高、剪切性能强、自锐性好、平稳性好以及能将砍切变为锯切的特点,本文选择驱动式锯齿圆盘切刀作为免耕播种机防堵切刀进行试验研究。1结构和工作原则1.1抛撒板及锯切防堵装置安装锯切防堵装置主要由锯齿圆盘、支撑搓板组合、抛撒板、主轴、罩壳和机架与传动系统等组成,如图1所示。其中锯齿圆盘、抛撒板和支撑搓板组合是该装置的主要部件。设计的锯齿圆盘直径为350mm、60齿;抛撒板安装在相邻两锯齿圆盘间,其最大回转直径为270mm;支撑搓板组合由锯齿形定刀和直刀形定刀组合而成,其中锯齿形定刀与锯齿圆盘动刀相配合对秸秆进行剪切,而直刀形定刀主要是阻挡未切断秸秆落入抛撒区,同时也参与剪切。锯切防堵装置安装在土槽试验台上,工作幅宽400mm。其特点是秸秆既可由锯齿动刀直接切碎,也可由锯齿动刀和支撑搓板组合作用而切碎,兼有无支撑与有支撑两种切割方式,锯齿刀端线速度低于甩刀式切割器的线速度,即具有将高速砍切变为低速锯切的特点。1.2秸秆的切割和抛送锯齿圆盘由动力驱动作逆向旋转,当锯齿底部与秸秆接触时,秸秆受地面摩擦力的作用与锯齿进行无支撑切割,已切断的秸秆失去约束,依靠惯性力和抛撒板的旋转作用向后抛送,未完全切断的秸秆在惯性力和向上倾斜的锯齿作用下,向前上方运动与支撑搓板发生剪切,从而完成秸秆的全部切断。切断秸秆由抛撒板将其抛送到开沟器后方,如此反复,实现秸秆的连续切割和抛送。工作时锯齿圆盘不入土,其旋转最低点离地15～30mm。1.3锯切防堵装置锯切防堵装置防堵原理是依靠连续逆向旋转的主动型锯齿切刀和抛撒板完成对秸秆的切割和抛撒,一方面利用锯齿切刀将秸秆完全切断,其切断秸秆长度(100mm)小于相邻两开沟器间距(150～200mm),以保证断秆向开沟器后方抛送;另一方面,落入相邻两开沟器间的断秆通过抛撒板及时抛送到开沟器的后方。整个工作过程,秸秆被切断、打碎、抛出。锯切防堵装置工作原理示意图如图2所示。图中,vm为机组前进速度,h为锯齿圆盘最低点的离地间隙,Q为无支撑切割点,K为有支撑切割点。通过分析和试验,锯齿形状取曲背齿,前角35°。前角大,下锯轻快,推料省力,锯齿切削性能好。在保证锯齿足够强度前提下,应减小秸秆与锯齿间的摩擦,利于排秆,参照锯齿的标准,取后角为25°,取锲角为55°。解决堵塞的途径主要有两方面:①从图2可知,锯齿圆盘切刀工作过程中,在0°～90°区间内,未完全切断秸秆将靠锯齿前角钳住秸秆,随锯齿圆盘旋转到定刀组合处参与切割,这时如果没有向上倾斜的刀齿前角,会引起锯齿将秸秆向机组前进方向抛扔,使断秆重切,增加功耗,并影响抛撒效果;而大于90°以后,断秆依靠刀齿前角排出,并通过回转作用向开沟器方向抛送。②落入相邻两锯齿圆盘间的断秆,依靠抛撒板的回转作用实施强制抛送。2试验材料和设备2.1列车行程和前进速度试验设备为自制的试验土槽台。土槽结构尺寸为20m×0.89m×0.6m,台车有效行程为16m,台车前进速度为0.12～1.2m/s。同时还有AKC-205型扭矩传感器(量程:300N·m,精度:0.3%)、自制的锯切式防堵装置、控制柜、计算机操作平台。2.2试验材料试验材料为玉米秸秆,平均高度为2.25m,根部平均直径为25.6mm。2.3功率p的计算锯切式防堵装置安装在土槽台车上,由液压系统控制其升降,由扭矩传感器测得扭矩M、转速n,按照P=Mn/9549计算出功率P。每次试验重复3次,取平均值;抛撒率η=(G-G0)/G×100%,G为待切秸秆总质量(kg),G0为开沟器前方堵塞的秸秆总质量(kg)。3不同因素对秸秆抛撒效果和功率消耗的影响为分析切割速度、台车前进速度、动定刀间隙和秸秆覆盖量等因素对抛撒效果和功率消耗的影响,合理匹配各影响因素间的关系,保证有效切断秸秆并将切碎秸秆抛送到开沟器后方,安排如下不同因素对秸秆切碎效果和功率消耗影响的试验。3.1单因素试验和分析3.1.1转速对功率消耗的影响台车前进速度为0.3m/s,动、定刀的间隙为5mm、锯齿离地间隙为20mm、秸秆覆盖量为7.5t/hm2时,转速对功率消耗影响试验结果如图3所示。图3表明,随锯齿圆盘转速的增加其功率消耗逐步增大。3.1.2秸秆喂入量过大时对功率消耗的影响锯齿圆盘转速650r/min、锯齿离地间隙20mm、秸秆覆盖量7.5t/hm2时,不同前进速度与动、定刀间隙对功率消耗影响的试验结果如图4所示。结果表明,随前进速度的增大,功率消耗相应增大。理论上要实现100%的抛撒率,则秸秆的喂入量应小于或等于防堵装置的抛出能力,因此,当前进速度增大时,若秸秆的喂入量大于抛撒板抛出的秸秆量,则出现已切断的秸秆来不及排出,引起再次切割,导致功率消耗增大。从图4还可以看出,动、定刀间隙增大和无定刀时,功率消耗增大;且动、定刀间隙接近10mm时的功率消耗与无定刀时基本相等。同时,试验发现当动、定刀间隙为5mm时,切断质量优于无定刀和动、定刀间隙大时的切割质量,如图5所示,原因在于动、定刀的小间隙使秸秆受锯齿作用将秸秆完全切断,当间隙增大或接近玉米秸秆直径时,玉米秸秆将可能嵌入锯齿中,并随锯齿圆周旋转再次参与切割,增加秸秆的喂入量,另一方面由于间隙过大,锯齿未能完全将秸秆切断,使秸秆出现撕扯现象,既增加功率消耗,又影响抛撒效果。3.1.3验结果图1选取前进速度为0.3m/s、动定刀间隙为5mm、锯齿与开沟器间距为90mm和转速为650r/min时,考察不同秸秆覆盖量对功率消耗的影响,试验结果如图6所示。图6表明,随秸秆覆盖量Q1的增大,功率消耗增大,在秸秆覆盖量达到15t/hm2以上时,功率消耗呈明显上升趋势。原因在于当锯齿圆盘转速和前进速度一定时,单位时间内喂入的物料量越少,锯齿切碎物料的概率越小,而喂入量较大时,需要同时切碎的秸秆越多,锯齿切碎物料的概率增大,因而功率消耗增大。同时也发现当秸秆的喂入量小于或等于抛出能力时,其抛撒性能最好。如当秸秆覆盖量超过15t/hm2时,其抛撒性能变差,并出现堵塞现象。3.1.4沟器与齿轮效率间距对功率消耗和抛撒性能的影响试验发现,开沟器与锯齿圆盘水平之间的安装间距s(见图2)对已切割秸秆抛撒性能和功率消耗有直接影响,为此,选取秸秆覆盖量为11.25t/hm2、前进速度为0.3m/s、动定刀间隙为5mm和转速为650r/min时,考察开沟器与锯齿圆盘间距变化对功率消耗和抛撒性能的影响,试验结果如图7所示。结果表明,s在5～120mm范围内随间距的增大,功率消耗呈现大、小、大的变化趋势,当开沟器与锯齿圆盘间距为90mm时,其功率消耗最小。原因在于当间距小于90mm(3～4倍秸秆直径)时,由抛撒板抛出的秸秆因开沟器的阻挡而反弹回流,间距越小,反弹回流的秸秆越多,并因锯齿的旋转,反弹回流的秸秆易受锯齿作用再次参与剪切,增大了秸秆喂入量;而当间距大于90mm(5倍秸秆直径)时,由抛撒板抛出的秸秆因开沟器立柱的阻挡而导致碰撞、折射回流,部分切割的秸秆停落在开沟器处,从而引起秸秆在开沟器前的堆拥,当堆拥达到一定程度后,堆拥的秸秆也易受锯齿的回转作用再次参与切割,同样增大了秸秆喂入量,引起功耗增加。3.2功率消耗计算在分析单因素试验基础上,为考察锯齿圆盘转速、台车前进速度、动定刀间隙和秸秆覆盖量等主要因素对功率消耗和抛撒效果的影响,采用部分正交多项式回归设计,考虑锯齿圆盘离地间隙的大小对功率消耗的影响,试验中增加锯齿圆盘离地间隙。试验选用L16(215)正交表,试验因素水平表如表1所示。采用部分正交多项式回归设计安排试验,得出功率消耗最小的最优组合为A2B1C1D1E2,影响功率消耗的主次因素为秸秆覆盖量、动定刀间隙、台车前进速度、锯齿转速和锯齿圆盘离地间隙;而抛撒效果最好的最优组合为A3B1C1D1E2,影响抛撒效果的主次因素为台车前进速度、秸秆覆盖量、锯齿圆盘转速、锯齿圆盘离地间隙和动定刀间隙。因此,综合抛撒效果最好、功率消耗最低,其最优组合为A2B1C1D1E2。即最优组合A=650r/min,B=0.3m/s,C=7.5t/hm2,D=5mm,E=20mm。同时,根据试验方案,运用SPSS软件计算得出,功率消耗的回归方程为P=-1065.636+4.68A+4650.867B-20.677AB+1.344×10-4C-6.52×10-2D+4.28×10-2E+3.315×10-6A3-6.8×10-3A2-1.5×10-5A3B+3.05×10-2A2B方差估计量为0.2523,其预测功率消耗95%的置信区间为P±0.5046。经检验,回归方程中各项回归系数的显著性水平为0.01。4第二、功率消耗比较(1)锯切防堵装置的功率消耗随转速、台车前进速度、动定刀间隙和秸秆覆盖量的增大而增大;而在5～120mm范围内,随开沟器与锯齿圆盘间距s的增大,功率消耗呈现大、小、大的变化趋势,当间距取90mm时功率消耗最小。(2)影响功率消耗的主次因素为C、D、B、A和E,而影响抛撒性能的主次顺序为B、C、A、E