本文摘要：摘要：本文设计了一种棉花秸秆收获机定长切断装置，在实现对田间棉秆导向剪切、捡拾移位、输送及打捆收获作业的基础上实现定长切断功能。利用Solidworks软件对收获机整机建模后，提取该机具核心切断装置进行静力学与疲劳寿命分析。静力学分析结果表明：间隙星刀在模拟
摘要：本文设计了一种棉花秸秆收获机定长切断装置，在实现对田间棉秆导向剪切、捡拾移位、输送及打捆收获作业的基础上实现定长切断功能。利用Solidworks软件对收获机整机建模后，提取该机具核心切断装置进行静力学与疲劳寿命分析。静力学分析结果表明：间隙星刀在模拟工作条件下最大等效应力为41.40MPa，最大总变形为0.029mm，而齿刀的最大等效应力为88.72MPa，最大形变为0.046mm，二者所承受最大等效应力与总变形均远低于所选材料的承受极限，同时疲劳寿命分析表明：间隙星刀在循环加载受力100000次以上才可能出现疲劳损伤，齿刀则在循环加载847140次时出现单个疲劳损伤点，综合静力学与疲劳寿命分析可知，该机切断装置符合设计要求，能够满足实际作业需求。研究结果为该机具提供理论依据的同时，为其他农业机械的设计应用提供新的参考与方向。
关键词：密植棉秆;秸秆切断;静力学分析;疲劳寿命
引言
棉花作为一种重要储备物资，在新疆种植面积最大，据2019年的统计调查，新疆棉花种植面积达2540.5khm2，占我国棉花产量的76.08%[1]。棉花秸秆作为棉花生产种植的副产品产量巨大，是一种重要的可再生资源[2]。随着国家对可再生资源提质增效利用政策的发布，棉花秸秆资源得到越来越多的重视，市场上涌现出形式多样的棉花秸秆收获机械[3]。
但现有棉花秸秆收获机功能单一，无法满足市场需求，例如：肥饲料厂需要切碎程度高的秸秆，而造纸行业则需求较为完整的秸秆[4]。为提高对棉秆的进一步利用，丁龙朋设计了锯片式棉秆切割试验台并进行了试验研究，得出切割转速、输送速度和切割器倾角对试验指标切割功耗和割断率的影响，设计出合适的棉秆切割台[5];宋占华等人结合棉秆切割试验，对棉花秸秆往复式切割器动刀片进行了优化设计，使切割效率更高[6]。
目前，随着国家对环境保护的重视与倡导，秸秆焚烧现象已经得到有效控制[7]，然而秸秆还田不适用于木质化程度高的棉花秸秆，高木质化使棉秆无法仅依靠冬休完成降解，不仅不能转化为能被植物吸收的养分，反而会导致病菌滋生，影响植物正常生长;因此，对于棉花秸秆，机械回收才是最佳之选[8]。现有棉花秸秆收获机功能相对单一，集不对行剪切、定长切断和压缩打捆收获为一体的收获机型很少[9-13]。针对上述问题，设计了一种棉花秸秆定长切断收获机，实现了棉秆的按需定长切断收获。
1结构组成与工作原理
1.1结构组成
棉花秸秆定长切断收获机主要包括机架、导向器、剪切装置、限深轮、牵引架、捡拾装置、链传动装置、螺旋辊筒、切断装置、棉秆打捆装置、液压推杆装置和相关传感器等。
1.2工作原理
机具牵引架悬挂在轮式拖拉机的牵引机构上，导向器、剪切装置、捡拾装置、链传递装置、输送装置、定长切断装置和棉秆打捆装置按特定作业顺序依次安装在机架上。
实际作业时，位于最前端的导向器及剪切装置首先对棉秆进行位置引导和近地表秆部剪切，打顶后冠部蓬松的棉秆在机器前进过程中后仰进入捡拾区，由捡拾装置拨秆齿挑起抛向切断区域，位居捡拾装置两侧后方的螺旋辊筒则在转动过程中将两侧棉秆向中间传递，同时其螺旋转动使打顶后冠重秆轻的棉秆倾斜转动，秸秆自身的长度与硬度能够保证在倾斜转动时依旧有一定长度的秸秆悬空。
这段悬空秸秆的转动进一步将中间位置收获的竖直秸秆斜置并压缩整理，促使中间切断区棉秆水平铺放，之后棉秆顺利进入切断区，由间隙星刀与齿刀配合完成切断，通过控制齿刀工作数量实现定长切断，输送带将切断后的棉秆送至打捆装置后，棉秆首先堆积在打捆装置的下部，随着进入打捆装置棉秆数量的增多，堆积在打捆装置底部的棉秆在辊筒带动下运动，旧棉秆受自身重力的影响覆压进入的新棉秆，持续的打滚运动像滚雪球一样将棉秆打捆。
当松散的棉秆充满整个打捆装置时，棉秆的持续输入及辊筒的不断转动将松散的棉秆由外向内压实，形成棉秆捆，当压缩压力达到辊筒上压力传感器预设上限值时，压力报警器响起，驾驶员通过控制液压操纵杆将打捆装置后舱门支起，排出棉花秸秆捆，同时借用位移传感器来判断开合是否达到排出要求，并在开合满足要求一定时间后关闭舱门，如此循环就可实现棉花秸秆的打捆收获。
2切断装置设计
2.1切断装置总体结构设计
切断装置包括底板、弹簧、调节轴、齿刀、间隙星刀、齿轮、刀轴和固定座。刀轴与固定在调节轴上的弹簧实现对齿刀的固定，通过调整弹簧的安装数量可以控制实际工作齿刀数，满足多长度定长切断要求。当间隙星刀通过链传动获得动力后顺时针旋转，其刀具间隙与作业齿刀交错可以完成棉秆的定长切断。
2.2间隙星刀
间隙星刀由两片形状相同的5mm厚四角星状65Mn弹簧钢刀组成，其中心到尖端距离R为175mm，两片星刀中间间隙为5.2mm，略宽于厚度5mm的齿刀，以保证完美配合完成棉秆剪切。每两片四角星刀组成一个间隙星刀，各间隙星刀间通过厚度为54mm的压环固定于动力轴承上，导程T为69mm，为缓解棉秆切断作业中产生的冲击力和冲击力矩、提高切断效率，采用螺旋排列方式，将间隙星刀以螺旋角为86.4°分布。
3传动系统设计
本机具结合实际工作情况及传动系统的设计要求，剪切装置、捡拾装置、螺旋滚筒、切断装置、输送装置及打捆装置均选用链传动，链传动系统在正常工作时不仅要保证机具能够正常的传动工作，还要保证机具传动系统具备足够的可靠性，因此，传动链条、链轮均采用45钢，并经过热处理使其满足链传动系统刚度要求[16]。
4切断装置的有限元分析
ANSYS有限元软件是功能强大的计算机辅助工程软件，可以求解多种力学相关问题[17]。Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，能对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学等进行分析模拟，为本设计棉花秸秆定长切割打捆收获机的关键部件有限元分析提供良好平台[18]。本棉花秸秆定长切割打捆收获机在引导装置对棉秆引导后，由剪切装置将棉秆剪断，再经捡拾装置捡拾到切断装置按需切断，最后由打捆装置将棉秆打捆收获，切断装置的性能对该棉秆收获机能否正常运行至关重要，为此对切断装置进行有限元静力学分析与寿命分析，以检测其性能是否达标。
本文应用ANSYSWorkbench2020R2对切断装置进行有限元分析，利用Solidworks软件对整机三维建模后，将剪切装置的另存为.x_t中性文件保存并导入Workbench软件中。定义切断装置间隙星刀和齿刀的材料为65Mn弹簧钢，密度为7810kg/m3，弹性模量为2.06×105MPa，屈服强度为430MPa，泊松比为0.3，以保证切断装置刀具的刚度与耐久度满足作业需求。
为提高对切断装置分析的准确性，将网格划分为单元数8925、节点数41338的密集网格，并施加载荷和约束，最后使用StaticStructural对切断装置两刀具分别模拟分析，以显示间隙星刀与齿刀在模拟外载荷作用下的等效应力和总变形。根据模型求解的结果检验关键零部件的结构设计与材料选用是否合理，为机具的进一步优化提供理论参考。
5结论
(1)该机在棉秆不对行引导、近地表剪切、捡拾移位、压缩打捆的基础上集定长切断于一体，实现棉秆按需定长切断作业，达到按照企业需求长度复合要求的棉花秸秆。
(2)该机前进速度为3~5km/h，经计算得理论生产率为0.6~1hm2/h，并对整机链传动转速进行计算，得出各主要部件的转速，其中剪切动力轴转速220r/min、捡拾装置转速532r/min、切断装置的转速为441r/min、输送装置与打捆转速均为582r/min，整机转速满足作业需求。
(3)对该棉秆收获机的核心工作部件切断装置进行了有限元静力学分析与寿命分析，得出间隙星刀与齿刀在模拟工作条件下最大等效应力分别为41.40MPa和88.72MPa，而最大总变形分别为0.029mm和0.046mm，二者所承受最大等效应力与总变形均低于所选材料的承受极限，疲劳寿命分析则表明间隙星刀在循环加载受力100000次以上可能出现疲劳损伤，齿刀则在循环加载847140次时出现单个疲劳损伤点。综合静力学与疲劳寿命分析结果可知，该机切断装置设计符合要求。
参考文献：
[1]国家统计局.国家统计局关于2019年棉花产量的公告[EB/OL].[2019-12-17].
[2]贺小伟，刘金秀，王龙，等.密植棉秆对行起拔铺放机的设计与运动仿真[J].中国农机化学报，2020，41(1)：6-11.
[3]田童.新疆棉花秸秆资源化的潜力研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2016.
[4]陈明江，平英华，曲浩丽，等.棉秆机械化收获技术与装备现状及发展对策[J].中国农机化学报，2012(5)：23-26.
[5]丁龙朋，陈永成，葛云，等.棉秆剪切力学特性的研究[J].中国农机化学报，2016，37(5)：116-118.
[6]宋占华，宋华鲁，闫银发，等.棉花秸秆往复式切割器动刀片优化设计[J].农业工程学报，2016，32(6)：42-49.
[7]武建设，陈学庚.新疆兵团棉花生产机械化发展现状问题及对策[J].农业工程学报，2015，31(18)：5-10.
[8]贺小伟，刘金秀，李传峰，等.我国棉秆机械收获技术现状分析及对策研究[J].中国农机化学报，2019，40(3)：19-25.
作者：赵鹏飞1,2，王旭峰1,2，邢剑飞1,2，刘金秀1,2，胡灿1,2，王龙1,2，贺小伟1,2※
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