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摘要：秸秆是世界第四大能源，但目前普遍存在籽粒收获后茎秆废弃田间的现象。本文为实现田间废弃秸秆的捡拾回收，进行了秸秆捡拾装置的设计分析，阐述了利用Pro/E与Adams进行三维建模与虚拟仿真思路，提供了一种适用于稻麦秸秆捡拾割台的设计方案，为田间禾秆类作物收获后的废弃秸秆捡拾回收提供了参考。
关键词：稻麦;捡拾割台;设计方法;虚拟仿真;捡拾效果
秸秆是仅次于煤炭、石油以及天然气的全球第四大能源，在世界能源总消费量中占14%。近年来，稻麦收获后废弃田间的秸秆焚烧已严重影响空气质量，破坏了土壤和生态环境，对公共安全带来极大的隐患[1]。我国是一个农业大国，农作物秸秆年产量约为7亿吨，占全球秸秆产量的大约30%左右，可目前秸秆综合利用率仅为33%。国内外用于收获稻麦秸秆及牧草的机器多为利用拖拉机牵引，自动完成捡拾、喂入、压缩和打捆等作业程序，在东北等大块田地应用广泛[2]。但稻麦收获时，农民为了提高收割效率以及减少收割机功率损耗，往往是高茬收割，留茬大于20cm，这不仅给后续农田作业带来了困难，还会极大的降低稻麦秸秆的回收利用率[3]。
本文提供了一种高留茬捡拾割台的设计方案，不仅能对散落在田间的作物秸秆进行捡拾打捆，且可以对留茬较高的作物秸秆进行切割回收，增加了秸秆的回收利用率，有利于保护环境和社会经济的可持续发展。
1.捡拾器重要参数设计与分析
1.1捡拾器结构及工作过程
捡拾装置主要由捡拾机架、凸轮导轨、端盖、滚筒盘、捡拾主轴、弹齿、弹齿支撑管、滚轮、曲柄、护条等组成，捡拾主轴的两端分别通过轴承与端盖连接，端盖焊接在捡拾机架上。弹齿成排布置在弹齿支撑管上，弹齿支撑管周向均匀分布在滚筒盘上，滚筒圆盘焊接在捡拾主轴两端;弹齿支撑管一端与曲柄成一角度固定连接，并通过滚轮放置在凸轮导轨上。
工作时，捡拾装置捡拾主轴带动滚筒盘转动，滚筒盘转动带动弹齿支撑管转动，滚轮随着弹齿支撑管在凸轮导轨上滚动以控制弹齿的运动轨迹，当弹齿运动至捡拾器下方时，弹齿从护条伸出，捡拾散落在田间的稻麦秸秆并往上推举;当弹齿运行到捡拾器上方时，需要将物料向后输送并完成收齿的动作。弹齿一个运动周期需要完成放齿、捡拾、升运输送以及收齿四个动作。
1.2弹齿捡拾器运动轨迹分析
捡拾器在作业时，弹齿不仅随着滚筒绕主轴转动，同时还随着自走式捡拾打捆机在水平方向匀速前进[4]。弹齿的运动是相对于主轴的转动，弹齿的摆动和随着机器水平匀速前进三个运动的合成，弹齿的运动轨迹应为一条摆线。令λ=Rω/Vt，λ为摆线的特征参数，摆线的形状取决于λ的大小。当λ<1，曲线上每一点的水平分速度方向都与机器的前进速度方向相同;当λ=1，曲线只有在最高点时水平分速度为零，其余点的水平分速度方向与机器前进速度方向相同;当λ>1，曲线上存在某一段的水平分速度方向与机器前进速度方向相反的点，具有向后输送物料的条件。所以使自走式捡拾打捆机能正常作业的必要条件是λ>1，即滚筒的线速度大于机器前进速度。
1.3秸秆捡拾性能分析
评价自走式捡拾打捆机捡拾性能的直接因素就是漏捡率的大小[5]，运动轨迹曲线中相邻两个弹齿轨迹曲线不重合的区域即为漏捡区，为了捡拾器在工作时不致漏捡，必须满足的条件为：h ≤ H-d，h为捡漏区高度;H为护板离地高度;d为弹齿端部最小离地间隙。
自走式捡拾打捆机的捡拾质量还与作物的破损率有关，为防止弹齿在捡拾过程中的带草现象的发生，要求其捡拾器工作时放齿迅速，但端部线速度不能大于3m/s，否则会对物料造成较大冲击;在物料升运阶段，要求速度平稳、速率变化小;在收齿阶段，要求弹齿端部线速度保持竖直向下[6]。
2. 捡拾切割装置结构参数与设计方法
2.1整机总体设计参数与方案
本文以现有稻麦联合收获打捆复式作业机为研究样机，其高留茬切割打捆机作业流程主要由捡拾、切割、输送、喂入以及压缩打捆等工艺组成[7]。其中，捡拾采用的是弹齿滚筒式捡拾器;切割是利用原机型割台割刀对高留茬作物进行切割;输送采用的是原机型的链耙式输送装置以及脱粒输送装置;喂入机构采用下喂入方式的拨叉喂入机构;压缩打捆装置采用对心式曲柄滑块机构。配套动力为88.2kw、捡拾幅宽为2.4m、留茬高度5-8m、压缩活塞行程550mm、工作频率93次/min。
2.2关键部件参数设计
捡拾装置是自走式捡拾打捆机的核心部件，设计的捡拾装置需要与稻麦联合收获打捆复式作业机的割台相配合。通过测绘得到该作业机割台左右侧板的距离为2480mm，为了方便捡拾装置安装在割台上，故设计捡拾器幅宽为2400mm。弹齿通常间距为63-100mm[8]，因此在长2200mm的弹齿支撑管上布置11个弹齿;弹齿最小离地间隙d ≤20mm。为了保证弹齿的离地间隙为20mm，保证弹齿末端在最低位置时与护刃器的垂直距離为30mm，设计弹齿的长度为185mm。由于拨禾轮的转动方向与捡拾装置所需要的转动方向刚好相反，因此采用一对啮合齿轮作为反转机构安装在捡拾装置上。
3三维建模及运动学仿真分析方法
3.1捡拾装置及割台的三维建模与装配
首先应用Pro/E中的零部件绘制模块根据关键部件设计的尺寸对每一个实体进行单独建模，全部完成后进入装配模块将这些绘制好的单独实体逐个进行装配[9]。经过调整后，当护条最下端与护刃器的垂直距离为120mm时可以保证留茬作物顺畅通过，同时弹齿与切割器不会相碰，并且弹齿的最小离地间隙满足设计要求。
3.2捡拾装置运动学仿真分析
本文是通过ADAMS/Exchange模块将Pro/E软件的几何图形数据读入ADAMS/View，将建好的Pro/Engineer文件*.asm另存为*.x_t文件后导入到ADAMS中，并添加约束、质量属性以及驱动力。 将主轴与两个端盖、弹齿支撑管与滚筒盘之间、槽轮轴与曲柄及槽轮之前设置为转动副;槽轮与凸轮导轨设置为凸轮副;齿轮a与齿轮b设置为齿轮副。捡拾器主轴采用调质后的45号钢，两个端盖和滚筒盘采用Q235钢，弹齿支撑管为铸铁，弹齿采用60Si2Mn，机架采用20号钢。最后设置在轴承处设置摩擦系数为0.0012，其它位置静摩擦系数0.15，滑动摩擦系数0.1。齿轮b为主动件，将速度设置为720mm/s;设置第二个驱动力的速度值为1000mm/s。定义分析时间长度为2秒，间隔为0.01秒。
4.结果与讨论
通过仿真可以快速求解弹齿运动轨迹以及弹齿末端在各个阶段的线速度参数;同时得到捡拾器输入轴在工作所承受的扭矩从而计算该装置理论上的功率损耗，并最终选择采用四根弹齿支撑管的设计方式。本文设计的稻麦收获后田间废弃秸秆捡拾装置可以实现田间废弃秸秆捡拾、留茬切割、自走式打捆功能;基于本文设计的稻麦收获后田间废弃秸秆捡拾装置具有良好推广运用前景。
参考文献
[1]乔凤霞. 农作物秸秆综合利用的重要性及对策[J]. 现代农业科技， 2020（13）： 164+166.
[2]郁志宏， 淮守成， 王文明. 基于弹齿轨迹的滚筒式牧草捡拾器遗漏率及工作参数优化[J]. 农业工程学报， 2018， 34（04）： 37-43.
[3]付佑胜， 刘伟中， 张凯， 曹凯歌， 赵桂东. 麦秸秆高留茬条件下不同秸秆覆盖量对稻田杂草及水稻产量的影响[J]. 西南农业学报， 2019， 32（10）： 2313-2318.
[4]张丰烁. 弹齿式滚筒捡拾装置的设计仿真及试验研究[D]. 东北农业大学， 2019.
[5]王国辉， 雷良育， 胡峰. 全喂入联合收割机和打捆机两用捡拾器优化分析[J]. 江苏农机化， 2019（03）： 17-19.
[6]戚得众， 雷亚阔， 陈源， 孙勇. 打捆机捡拾器多目标优化研究与设计[J]. 机械设计与制造， 2018（10）： 153-156.
[7]谢伟， 李旭， 方志超， 全伟， 罗海峰， 吴明亮. 水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机设計[J]. 农业工程学报， 2019， 35（11）： 19-25.
[8]杜韧， 赵忠贤， 王健， 李佳栋， 孟奇凯， 宋博威. 圆捆机拾捡器的运动学仿真和试验验证[J]. 机械设计， 2019， 36（01）： 167-171.
[9]郑秀云. Pro/E软件在机械专业中的应用[J]. 数字技术与应用， 2020， 38（05）： 42+44.
关键词：稻麦;捡拾割台;设计方法;虚拟仿真;捡拾效果
秸秆是仅次于煤炭、石油以及天然气的全球第四大能源，在世界能源总消费量中占14%。近年来，稻麦收获后废弃田间的秸秆焚烧已严重影响空气质量，破坏了土壤和生态环境，对公共安全带来极大的隐患[1]。我国是一个农业大国，农作物秸秆年产量约为7亿吨，占全球秸秆产量的大约30%左右，可目前秸秆综合利用率仅为33%。国内外用于收获稻麦秸秆及牧草的机器多为利用拖拉机牵引，自动完成捡拾、喂入、压缩和打捆等作业程序，在东北等大块田地应用广泛[2]。但稻麦收获时，农民为了提高收割效率以及减少收割机功率损耗，往往是高茬收割，留茬大于20cm，这不仅给后续农田作业带来了困难，还会极大的降低稻麦秸秆的回收利用率[3]。
本文提供了一种高留茬捡拾割台的设计方案，不仅能对散落在田间的作物秸秆进行捡拾打捆，且可以对留茬较高的作物秸秆进行切割回收，增加了秸秆的回收利用率，有利于保护环境和社会经济的可持续发展。
1.捡拾器重要参数设计与分析
1.1捡拾器结构及工作过程
捡拾装置主要由捡拾机架、凸轮导轨、端盖、滚筒盘、捡拾主轴、弹齿、弹齿支撑管、滚轮、曲柄、护条等组成，捡拾主轴的两端分别通过轴承与端盖连接，端盖焊接在捡拾机架上。弹齿成排布置在弹齿支撑管上，弹齿支撑管周向均匀分布在滚筒盘上，滚筒圆盘焊接在捡拾主轴两端;弹齿支撑管一端与曲柄成一角度固定连接，并通过滚轮放置在凸轮导轨上。
工作时，捡拾装置捡拾主轴带动滚筒盘转动，滚筒盘转动带动弹齿支撑管转动，滚轮随着弹齿支撑管在凸轮导轨上滚动以控制弹齿的运动轨迹，当弹齿运动至捡拾器下方时，弹齿从护条伸出，捡拾散落在田间的稻麦秸秆并往上推举;当弹齿运行到捡拾器上方时，需要将物料向后输送并完成收齿的动作。弹齿一个运动周期需要完成放齿、捡拾、升运输送以及收齿四个动作。
1.2弹齿捡拾器运动轨迹分析
捡拾器在作业时，弹齿不仅随着滚筒绕主轴转动，同时还随着自走式捡拾打捆机在水平方向匀速前进[4]。弹齿的运动是相对于主轴的转动，弹齿的摆动和随着机器水平匀速前进三个运动的合成，弹齿的运动轨迹应为一条摆线。令λ=Rω/Vt，λ为摆线的特征参数，摆线的形状取决于λ的大小。当λ<1，曲线上每一点的水平分速度方向都与机器的前进速度方向相同;当λ=1，曲线只有在最高点时水平分速度为零，其余点的水平分速度方向与机器前进速度方向相同;当λ>1，曲线上存在某一段的水平分速度方向与机器前进速度方向相反的点，具有向后输送物料的条件。所以使自走式捡拾打捆机能正常作业的必要条件是λ>1，即滚筒的线速度大于机器前进速度。
1.3秸秆捡拾性能分析
评价自走式捡拾打捆机捡拾性能的直接因素就是漏捡率的大小[5]，运动轨迹曲线中相邻两个弹齿轨迹曲线不重合的区域即为漏捡区，为了捡拾器在工作时不致漏捡，必须满足的条件为：h ≤ H-d，h为捡漏区高度;H为护板离地高度;d为弹齿端部最小离地间隙。
自走式捡拾打捆机的捡拾质量还与作物的破损率有关，为防止弹齿在捡拾过程中的带草现象的发生，要求其捡拾器工作时放齿迅速，但端部线速度不能大于3m/s，否则会对物料造成较大冲击;在物料升运阶段，要求速度平稳、速率变化小;在收齿阶段，要求弹齿端部线速度保持竖直向下[6]。
2. 捡拾切割装置结构参数与设计方法
2.1整机总体设计参数与方案
本文以现有稻麦联合收获打捆复式作业机为研究样机，其高留茬切割打捆机作业流程主要由捡拾、切割、输送、喂入以及压缩打捆等工艺组成[7]。其中，捡拾采用的是弹齿滚筒式捡拾器;切割是利用原机型割台割刀对高留茬作物进行切割;输送采用的是原机型的链耙式输送装置以及脱粒输送装置;喂入机构采用下喂入方式的拨叉喂入机构;压缩打捆装置采用对心式曲柄滑块机构。配套动力为88.2kw、捡拾幅宽为2.4m、留茬高度5-8m、压缩活塞行程550mm、工作频率93次/min。
2.2关键部件参数设计
捡拾装置是自走式捡拾打捆机的核心部件，设计的捡拾装置需要与稻麦联合收获打捆复式作业机的割台相配合。通过测绘得到该作业机割台左右侧板的距离为2480mm，为了方便捡拾装置安装在割台上，故设计捡拾器幅宽为2400mm。弹齿通常间距为63-100mm[8]，因此在长2200mm的弹齿支撑管上布置11个弹齿;弹齿最小离地间隙d ≤20mm。为了保证弹齿的离地间隙为20mm，保证弹齿末端在最低位置时与护刃器的垂直距離为30mm，设计弹齿的长度为185mm。由于拨禾轮的转动方向与捡拾装置所需要的转动方向刚好相反，因此采用一对啮合齿轮作为反转机构安装在捡拾装置上。
3三维建模及运动学仿真分析方法
3.1捡拾装置及割台的三维建模与装配
首先应用Pro/E中的零部件绘制模块根据关键部件设计的尺寸对每一个实体进行单独建模，全部完成后进入装配模块将这些绘制好的单独实体逐个进行装配[9]。经过调整后，当护条最下端与护刃器的垂直距离为120mm时可以保证留茬作物顺畅通过，同时弹齿与切割器不会相碰，并且弹齿的最小离地间隙满足设计要求。
3.2捡拾装置运动学仿真分析
本文是通过ADAMS/Exchange模块将Pro/E软件的几何图形数据读入ADAMS/View，将建好的Pro/Engineer文件*.asm另存为*.x_t文件后导入到ADAMS中，并添加约束、质量属性以及驱动力。 将主轴与两个端盖、弹齿支撑管与滚筒盘之间、槽轮轴与曲柄及槽轮之前设置为转动副;槽轮与凸轮导轨设置为凸轮副;齿轮a与齿轮b设置为齿轮副。捡拾器主轴采用调质后的45号钢，两个端盖和滚筒盘采用Q235钢，弹齿支撑管为铸铁，弹齿采用60Si2Mn，机架采用20号钢。最后设置在轴承处设置摩擦系数为0.0012，其它位置静摩擦系数0.15，滑动摩擦系数0.1。齿轮b为主动件，将速度设置为720mm/s;设置第二个驱动力的速度值为1000mm/s。定义分析时间长度为2秒，间隔为0.01秒。
4.结果与讨论
通过仿真可以快速求解弹齿运动轨迹以及弹齿末端在各个阶段的线速度参数;同时得到捡拾器输入轴在工作所承受的扭矩从而计算该装置理论上的功率损耗，并最终选择采用四根弹齿支撑管的设计方式。本文设计的稻麦收获后田间废弃秸秆捡拾装置可以实现田间废弃秸秆捡拾、留茬切割、自走式打捆功能;基于本文设计的稻麦收获后田间废弃秸秆捡拾装置具有良好推广运用前景。
参考文献
[1]乔凤霞. 农作物秸秆综合利用的重要性及对策[J]. 现代农业科技， 2020（13）： 164+166.
[2]郁志宏， 淮守成， 王文明. 基于弹齿轨迹的滚筒式牧草捡拾器遗漏率及工作参数优化[J]. 农业工程学报， 2018， 34（04）： 37-43.
[3]付佑胜， 刘伟中， 张凯， 曹凯歌， 赵桂东. 麦秸秆高留茬条件下不同秸秆覆盖量对稻田杂草及水稻产量的影响[J]. 西南农业学报， 2019， 32（10）： 2313-2318.
[4]张丰烁. 弹齿式滚筒捡拾装置的设计仿真及试验研究[D]. 东北农业大学， 2019.
[5]王国辉， 雷良育， 胡峰. 全喂入联合收割机和打捆机两用捡拾器优化分析[J]. 江苏农机化， 2019（03）： 17-19.
[6]戚得众， 雷亚阔， 陈源， 孙勇. 打捆机捡拾器多目标优化研究与设计[J]. 机械设计与制造， 2018（10）： 153-156.
[7]谢伟， 李旭， 方志超， 全伟， 罗海峰， 吴明亮. 水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机设計[J]. 农业工程学报， 2019， 35（11）： 19-25.
[8]杜韧， 赵忠贤， 王健， 李佳栋， 孟奇凯， 宋博威. 圆捆机拾捡器的运动学仿真和试验验证[J]. 机械设计， 2019， 36（01）： 167-171.
[9]郑秀云. Pro/E软件在机械专业中的应用[J]. 数字技术与应用， 2020， 38（05）： 42+44.