絞籠式煙稈拔除機的設計與試驗

燕亞民，孔會東，楚宜民，楊富營

(1.許昌職業技術學院，河南許昌 461000；2.許昌同興現代農業科技有限公司，河南許昌 461000；3.許昌市建安區農業機械管理局，河南許昌 461000)

煙草生產屬于勞動密集產業。為防止煙草病蟲害的發生，煙草收獲時須將含須根的煙稈從田地里清除干凈。傳統煙稈拔除靠人力完成，勞動強度大、效率低，而且人工拔除煙稈根系容易殘留在土壤中，引發霉變、滋生病菌，影響來年煙草種植。因此，研制煙稈拔除機非常必要。煙稈拔除機是實現煙草種植機械化的關鍵設備之一，使用煙稈拔除機可以有效減輕煙農的勞動強度，提高生產效率，降低生產成本。本文在吸收國內外不同類型秸稈拔除機優點的基礎上，結合我國煙草種植農藝特點，并考慮煙稈在田間的生長情況、植株倒伏傾斜情況、離散分布情況、根系在土壤中分布情況、土壤情況，設計一種絞籠式煙稈拔除機。絞籠式煙稈拔除機由減速傳動箱、板狀撥桿裝置、三葉螺旋狀絞籠、深度調節裝置、懸掛牽引裝置及防護罩等組成，可一次性完成煙稈拔除、根部土壤清除、煙壟平整等工作，具有整體結構緊湊、體積小，移動、操作及維護方便，生產效率高等優點。

1 整體結構與技術指標

1.1 結構與工作原理

絞籠式煙稈拔除機主要組成如圖1所示，減速傳動箱包括1個主動錐齒輪軸、1個橫向中間軸和2個縱向輸出軸。輸出軸外端通過法蘭連接三葉螺旋狀絞籠，橫向中間軸在箱體伸出端安裝有鏈輪，可通過鏈傳動驅動安裝于絞籠上方的板狀撥桿裝置。深度調節裝置安裝在減速傳動箱前支架下方，懸掛牽引裝置安裝在減速傳動箱前支架上方。煙稈拔除機通過懸掛牽引裝置掛在輪式拖拉機上，減速傳動箱主動錐齒輪軸通過萬向傳動裝置與拖拉機輸出軸聯接。

工作時，拖拉機懸掛煙稈拔除機在煙壟上，通過液壓升降裝置降下煙稈拔除機后，拖拉機輸出軸接通減速傳動箱主動錐齒輪軸，牽引煙稈拔除機行走，帶動左右三葉螺旋狀絞籠相向旋轉，同時通過鏈傳動帶動板狀撥桿裝置旋轉。左右三葉螺旋狀絞籠的旋轉將煙壟土壤推到煙稈兩側，煙稈被挖出并推向后方，板狀撥桿裝置則進一步向后方撥動煙稈(二次撥桿)，使煙稈從防護罩后方排出。二次撥桿既可除掉煙稈根部的土壤，又能防止煙稈聚集在防護罩內。左右三葉螺旋狀絞籠的入土深度通過深度調節裝置調節，確保煙稈根系的拔凈率，并減少動力消耗。

1.主動錐齒輪軸；2.懸掛牽引裝置；3.減速傳動箱；4.防護罩；5.板狀撥桿裝置；6.三葉螺旋狀絞籠；7.深度調節裝置。圖1 絞籠式煙稈拔除機結構Fig.1 Structure of winch-cage tobacco stalk extractor

1.2 主要技術指標

根據煙稈拔除有關要求，結合機具結構布局、動力傳輸情況，確定煙稈拔除機的主要技術參數(表1)。

表1 絞籠式煙稈拔除機的主要技術參數Table 1 Main technical parameters of winch-cage tobacco stalk extractor

2 關鍵零部件設計

2.1 減速傳動箱的設計

減速傳動箱結構如圖2所示，主要由箱體、主動錐齒輪軸、從動錐齒輪、中間軸、撥桿裝置驅動鏈輪、輸出錐齒輪等組成。箱體是減速傳動箱的關鍵部件，為整體式結構，可以減少箱體零件數量，簡化減速傳動箱加工、裝配及調整工藝，使箱體安裝簡單，便于檢查調整，裝配質量有保證。采用整體式結構容易確保主動錐齒輪軸與左右2個輸出錐齒輪軸之間的夾角一致，這是確保2個絞籠入土深度一致、受力一致的關鍵。中間軸是減速傳動箱的主要傳力部件，該軸上加工花鍵和臺肩，通過定位套筒和調整墊確保3組錐齒輪的正確嚙合。主動錐齒輪軸通過2個圓錐滾子軸承裝在法蘭套上，法蘭套通過法蘭止口與箱體連為一體，主動錐齒輪軸由軸上的定位套筒和調整墊調節位置。輸出錐齒輪通過花鍵與絞籠軸聯接。工作時，主動錐齒輪軸通過從動錐齒輪將動力傳遞至中間軸上，安裝在中間軸上的4個輸出錐齒輪帶動絞籠，實現2個絞籠相向旋轉。

1.箱體；2.主動錐齒輪軸；3.從動錐齒輪；4.中間軸；5.撥桿裝置驅動鏈輪；6.右輸出錐齒輪。圖2 減速傳動箱結構Fig.2 Structure diagram of reduction gear box

2.2 三葉螺旋狀絞籠的設計

三葉螺旋狀絞籠是煙稈拔除機的關鍵部件，結構如圖3所示。拔煙稈時，煙稈根系和土壤作用在絞籠上，容易使絞籠與箱體聯接部位疲勞并斷裂。因此，使用通軸聯接絞籠與輸出錐齒輪。通軸端加工花鍵，直接與輸出錐齒輪內孔花鍵聯接，并通過2個圓錐滾子軸承、定位套筒、調整墊安裝在箱體上。絞籠另一端焊接3個螺旋形葉片。3個螺旋形葉片均勻分布，形成整體式三葉螺旋狀絞籠。葉片由合金鋼成型后焊接，強度高，使用壽命長。

3 試驗與分析

3.1 試驗條件

試驗在河南省煙草公司許昌市公司全程機械化煙田示范園區進行。試驗場地為剛采收后的煙田(圖4)，土壤為褐土質，含水率約30%；煙稈高度約1.4 m，有輕度倒伏和傾斜；煙壟高度大于15 cm，煙壟上雜草多為莖長約25 cm的野草。

圖4 試驗場地照片Fig.4 Test site photo

3.2 試驗方法及評價指標

采用單因素試驗和正交試驗，試驗因素為機具工作速度、絞籠旋轉速度、絞籠入土深度。評價指標為煙稈拔除率和須根殘留率。煙稈拔除率為實際拔除煙稈數量與計劃拔除煙稈數量之比；須根殘留率為拔除煙稈過程中煙稈根系被拔斷的煙稈數量與計劃拔除煙稈數量之比。依據煙稈拔除機的主要技術參數(表1)，煙稈拔除率≥98%時，須根殘留率≤5%。

3.2.1 單因素試驗

固定絞籠入土深度為20 cm，絞籠旋轉速度為315 r/min，設定機具工作速度分別為12 m/s、13 m/s、14 m/s、15 m/s、16 m/s，考察機具工作速度對煙稈拔除率和須根殘留率的影響。

固定絞籠入土深度為20 cm，機具工作速度為14 m/s，設定絞籠旋轉速度分別為255 r/min、285 r/min、315 r/min、345 r/min、375 r/min，考察絞籠旋轉速度對煙稈拔除率和須根殘留率的影響。

固定機具工作速度為14 m/s，絞籠旋轉速度為315 r/min，設定絞籠入土深度分別為10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm，考察絞籠入土深度對煙稈拔除率和須根殘留率的影響。

3.2.2 正交試驗

對機具工作速度(A)、絞籠旋轉速度(B)、絞籠入土深度(C)進行三因素三水平正交試驗，因素水平如表2所示。

表2 正交試驗因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 單因素試驗結果分析

3.3.1.1 機具工作速度對煙稈拔除率和須根殘留率的影響

由圖5可知：當機具工作速度為12～14 m/s時，煙稈拔除率隨機具工作速度的提高而升高；當機具工作速度為14～16 m/s時，煙稈拔除率隨機具工作速度的提高而降低。須根殘留率隨機具工作速度的提高而不斷升高。這說明機具工作速度對煙稈拔除率和須根殘留率的影響是明顯的。綜合考慮煙稈拔除率和須根殘留率，選擇機具工作速度為14 m/s較為合適。

3.3.1.2 絞籠旋轉速度對煙稈拔除率和須根殘留率的影響

由圖6可知：當絞籠旋轉速度為255～315 r/min時，煙稈拔除率隨絞籠旋轉速度的提高而升高；當絞籠旋轉速度為315～375 r/min時，煙稈拔除率隨絞籠旋轉速度的提高而緩慢降低。另外，當絞籠旋轉速度在255～285 r/min時，須根殘留率隨絞籠旋轉速度的提高而降低；當絞籠旋轉速度為285～375 r/min時，須根殘留率隨絞籠旋轉速度的提高而升高。這說明絞籠旋轉速度對煙稈拔除率和須根殘留率的影響是明顯的。綜合考慮煙稈拔除率和須根殘留率，絞籠旋轉速度為285～315 r/min比較合適。

圖6 不同絞籠旋轉速度下的煙稈拔除率和須根殘留率Fig.6 The removal rate of tobacco talk and residual rate of fibrous root under different rotation speeds of winch-cage

3.3.1.3 絞籠入土深度對煙稈拔除率和須根殘留率的影響

由圖7可知，煙稈拔除率隨絞籠入土深度增大而升高，須根殘留率隨絞籠入土深度增大而降低。但絞籠入土深度越大，機具的動力消耗就越大，因此選擇絞籠入土深度20 cm較為合適。

圖7 不同絞籠入土深度的煙稈拔除率和須根殘留率Fig.7 The removal rate of tobacco stalk and residual rate of fibrous root under different depths of winch-cage into soil

3.3.2 正交試驗結果分析

從表3可以看出：影響煙稈拔除率的因素主次順序是絞籠入土深度、絞籠旋轉速度和機具工作速度；影響須根殘留率的因素主次順序是絞籠入土深度、機具工作速度和絞籠旋轉速度。煙稈拔除率高、須根殘留率低的最優組合為A2B2C3，即機具工作速度為14 m/s，絞籠旋轉速度為315 r/min，絞籠入土深度為30 cm。

表3 正交實驗結果Table 3 Results of orthogonal test

因正交試驗與單因素試驗結果不完全相同，進一步選取單因素試驗較優組合A2B2C2與正交試驗最優組合A2B2C3比較試驗。結果顯示，與20 cm相比，絞籠入土深度為30 cm時，煙稈拔除率和須根殘留率變化較小，但動力消耗增加明顯，即選擇絞籠入土深度為20 cm時，機具性能最佳。因此試驗優化組合確定為A2B2C2，即機具工作速度為14 m/s，絞籠旋轉速度為315 r/min，絞籠入土深度為20 cm時，煙稈拔除率≥98%，須根殘留率≤5%。

4 結論

設計的絞籠式煙稈拔除機，減速傳動箱的箱體采用整體式結構，簡化了減速傳動箱的加工、裝配及調整工藝，減少了箱體零件數量，便于檢查調整，裝配質量有保證。所設計的三葉螺旋狀絞籠，均勻分布的3個螺旋形葉片焊接在絞籠的一端，形成一個高強度的整體；葉片由合金鋼成型后焊接，強度高，絞籠使用壽命長。單因素試驗和正交試驗結果顯示，影響煙稈拔除率的因素主次順序是絞籠入土深度、絞籠旋轉速度和機具工作速度；影響須根殘留率的因素主次順序是絞籠入土深度、機具工作速度和絞籠旋轉速度?？紤]機具工作的經濟性，滿足煙稈拔除率和須根殘留率要求的最優組合為機具工作速度14 m/s、絞籠旋轉速度315 r/min、絞籠入土深度20 cm。所設計的絞籠式煙稈拔除機能夠滿足煙田的拔稈需求，作業質量好，效率高，功耗少，操作方便，可以作為實現煙草種植全程機械化的關鍵設備應用。