棉花播种机秸秆粉碎机构设计与仿真研究

河北农业大学机电工程学院 刘江涛 张晋国 弋景刚 赵金 韩中东

前言

棉花是人民生活必需品，也是我国主要经济作物，我国棉花产量占世界总产量的25%左右，棉花种植对棉农收入、纺织业和经济发展具有重要意义。同时，棉花产业是部分地区农村经济的支柱性产业和农民收入的重要来源。

我国棉花总产量保持相对稳定，同时，受棉花种植面积、自然环境等因素影响，棉花总产量存在一定的波动。根据国家统计局的统计数据，2021年中国棉花产量约为573.1万吨，同比2020年下降约3.04%。

近几年，我国棉花多功能播种机发展较快，例如旋耕播种一体化作业机、施肥覆膜穴播作业机、施水播种一体化机等。棉花幼芽顶土出苗能力差，对种植环境要求较高，棉花播种后遇雨造成土壤板结，表层土壤中空气缺乏，棉籽发芽速度减缓，导致棉花无法破土发芽，为了保证棉花出苗率，一般采用棉花覆膜播种，改善种植环境，增温保墒，缩短棉花出苗时间，但农用薄膜回收困难，残膜对土壤破坏严重。本文选择棉花秸秆粉碎机构为研究对象，进行了棉花播种机秸秆粉碎装置设计，通过仿真试验对设计后的棉花秸秆粉碎刀辊进行工作参数验证，提高了棉花秸秆粉碎合格率，且满足棉花播种农艺要求。

1 棉花播种机整机结构

棉花播种机整体结构如图1所示，主要由传动机构、皮带轮、机架、定刀、棉花秸秆粉碎机构、防护帘、后抛挡板等组成。该机工作幅宽为2200mm，行数为3行，行间距为760mm，通过皮带轮带动棉花秸秆粉碎刀辊旋转，粉碎棉花秸秆，并抛撒粉碎后的棉花秸秆，实现碎棉花秸秆自动均匀抛送覆盖，使用碎棉花秸秆替代塑料薄膜覆盖增温保墒。

图1 棉花播种机结构图

2 棉花秸秆粉碎机构

2.1 刀片类型

棉花秸秆粉碎常用刀包括直型刀、锤爪型刀、甩刀三种。

直型刀垂直刀辊安装，刀片长度短，具有锋利的刀片刃口，刀片数量较多，一般成组使用，每组三片或四片，容易缠绕田间杂草，适用于小麦和水稻等细而柔软的秸秆粉碎作业，不适合该机对棉花秸秆粉碎的要求。

锤爪型刀片利用高速旋转的锤爪来捣碎、撕剪棉花秸秆，棉花秸秆粉碎效果好。锤爪质量、体积较大，冲击惯性力大，切碎过程产生较大负压，有利于棉花碎秸秆抛撒。锤爪采用高强度耐磨钢铸造而成，刀片强度大且耐磨，但工作时消耗的功率较大，容易造成棉花播种机振动，影响粉碎效果，且该机需要进行棉花播种作业，振动影响播种效果。

甩刀型刀片工作时高速旋转，带动刀片冲击粉碎棉花秸秆，并将其送入粉碎腔体内，在粉碎腔体内的定刀相，受到动、定刀剪切，在下落过程中，受到后续刀片击打，提高了棉花秸秆粉碎率。由于结构参数、制造材料限制，现有刀片先接触棉花秸秆的一角易磨损，降低了棉花秸秆粉碎效果、刀片使用寿命。

该机采用的棉花秸秆粉碎刀轴包括长轴头、刀轴、刀座、开口销、动刀、定刀等，如图2所示。两把L型刀对称安装在刀辊的刀座上组成动刀，生产成本低、替换方便，动刀通过螺栓安装在刀辊上，壳体上安装定刀，动刀和定刀共同作用于棉花秸秆，提高了棉花秸秆粉碎效果。

图2 棉花秸秆粉碎刀轴

2.2 刀辊转速

棉花秸秆粉碎后需抛撒作业，研究表明，在粉碎棉花秸秆较硬时，要达到粉碎、抛撒效果，动刀刀端线速度要达到30m/s，刀辊转速要高于普通粉碎时的转速1800~2000r/min，一般为2200 r/min。

2.3 刀轴旋转方向

棉花秸秆粉碎需要刀片对秸秆进行多次冲击揉搓，不同刀轴旋转方向，影响整机粉碎效率和能耗，正反两种旋转方向对比分析如下。

2.3.1 正向旋转

正向旋转时，刀片先接触棉花秸秆根茬，将其切断后，碎棉花秸秆被正向旋转的刀片从抛撒口抛出，不经过粉碎腔粉碎，棉花秸秆粉碎效果较差。

2.3.2 反向旋转

反向旋转时，刀片从棉花茎秆根部处开始切断，棉花秸秆失去地表根茬约束，高速旋转刀片将其送入粉碎腔内，在粉碎腔内经过砍切、打击、撕裂、揉搓，棉花秸秆粉碎效果好。

2.4 刀片数量

刀片数量多会增加能耗，容易造成碎棉花秸秆堵塞，刀片数量少粉碎效果差。在机具前进速度、刀轴转速、刀片数量、工作幅宽相同条件下，刀片数量存在最佳值。依据甩刀密度公式：

n=C·L

式中：n—甩刀数量，把

C—刀具的排列密度，把/cm

L—机具的工作幅宽，cm

甩刀分布密度一般为0.2~0.4把/cm，该机工作幅宽为2200cm，可知刀片数量范围为44~88把，考虑到棉花播种机秸秆粉碎、抛撒效果，刀片数量最佳值为70把。

3 棉花秸秆粉碎、抛撒仿真分析

3.1 棉花秸秆粉碎机构仿真模型建模

建立棉花秸秆粉碎机构仿真模型，将机具前进速度、刀轴转速、刀片数量作为粉碎效果的影响因素，在不影响仿真结果准确性的前提下，将仿真模型简化，保留棉花秸秆粉碎机构。如图3所示。

图3 棉花秸秆粉碎机构简化仿真模型

利用solidworks建立棉花秸秆模型，并导入到EDEM的颗粒模块中，将颗粒填充进棉花秸秆仿真模型。棉秆平均长度为700mm，平均直径为15mm。填充颗粒直径设置为14mm，每个棉花秸秆填充50个颗粒，棉花秸秆仿真模型如图4所示，物性及接触参数如表1所示。

表1 物性及接触参数

图4 棉花秸秆颗粒仿真模型

3.2 仿真结果与分析

选取转速2200r/min、前进速度4km/h、刀片数量70把，仿真过程如图5所示，棉花秸秆粉碎、抛撒效果如图6所示。

图5 棉花秸秆粉碎、抛撒仿真过程

图6 棉花秸秆粉碎、抛撒仿真效果

由图5、6可知：棉花秸秆粉碎、抛撒效果满足棉花播种要求。

4 结语

设计了棉花秸秆粉碎、施肥、旋耕、播种于一体的棉花播种机，重点对棉花秸秆粉碎结构进行优化设计。棉花秸秆粉碎、抛撒仿真结果表明：棉花秸秆粉碎、抛撒效果满足棉花播种农艺要求。