李　普，張　云，劉忠舍，劉麗娟

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特　010018；2.蒙拓農(nóng)牧科技有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾　021000)

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9GLGA-2.1單刀割摟一體機的設計與試驗

李普1，張云1，劉忠舍2，劉麗娟2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特010018；2.蒙拓農(nóng)牧科技有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021000)

摘要：簡述了9GLGA-2.1單刀割摟一體機的工作原理，并對切割器梁進行彎矩分析，對草條的收集進行受力分析，對彈齒的運動軌跡及漏摟率和花葉損失率進行試驗分析。試驗研究表明：該割摟一體機適用于低產(chǎn)量的天然牧場，各項參數(shù)均達到設計要求，操作簡單，有效降低了漏摟草率和花葉損失率。

關鍵詞：單刀割摟一體機；切割器梁；彈齒

0引言

隨著我國市場經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械化對農(nóng)村經(jīng)濟、文化、生活 起著舉足輕重的作用。畜牧業(yè)機械在農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中占有重要地位。目前，我國畜牧業(yè)機械在國際市場上的競爭力還處于較低水平，加快發(fā)展畜牧業(yè)機械水平，不僅為牧民創(chuàng)造了便利，更是我國提高機械化水平的需要[1]。內(nèi)蒙古自治區(qū)有著天然的草原牧場，面積較大；但草原畜牧業(yè)并沒有擺脫靠天養(yǎng)畜的落后局面，牧民對牧草的收集有著環(huán)境的局限性，且不能大量地收回。我國的牧草機械主要有收割、摟草、打捆、壓垛及二次加壓打包作業(yè)工藝系統(tǒng)等，牧民不能根據(jù)自己草場情況選擇合適的機具，使得收獲效益并不高。近年來，隨著草原環(huán)境改變，牧草單位產(chǎn)量并不樂觀，加之牧民擁有的專業(yè)機械較少，使牧草的收集、處理產(chǎn)生了一定的困難[2]。為此，根據(jù)草場的實際情況，設計了針對草原牧場作業(yè)的單刀割摟一體機，并對割摟機進行設計和計算，使其能夠?qū)崿F(xiàn)高效率作業(yè)，同時降低成本，使割摟機能夠走進每一戶牧民家里，高效地為牧民服務。

1工作原理

單刀割摟一體機主要用于牧草的收割、翻曬、并鋪及攤鋪等處理，以加快牧草的干燥，如圖1所示。割摟機通過牽引架由拖拉機帶動作業(yè)。摟草時，放下?lián)X經(jīng)油缸與地面持平，使之既不摟破草皮又能摟起草；與此同時，經(jīng)割刀提升架構作用于割刀，放置于割草的適當位置等待割摟草作業(yè)；機器運行時行走輪動作，通過輪軸帶動升降機構中的棘輪與凸輪傳遞到連桿，從而使摟齒機架實現(xiàn)往復摟草動作；摟草動作結束后,上舉割刀和摟齒使油缸卸載，此時機器處于空載，正常行駛。

1.牽引架　2.割刀提升機構　3. 割刀底座

2主要部件設計及參數(shù)確定

2.1　結構特點

功能上：①漏割區(qū)小，摟集的牧草干凈；②保證摟集起來的草條清潔，且草條中的陳腐草和泥土等雜物少[3-4]；③摟集起的草條連續(xù)、蓬松、均勻干燥；④割摟機對牧草的作用強度小。結構上：整機簡單緊湊，單位摟幅占地小，割刀啟動時慣性力作用小。在動力特性上，整機重心接近地輪軸中心，無論作業(yè)還是運輸在縱向和橫向都達到了穩(wěn)定。摟草機主要參數(shù)如表1所示。

表1　液壓升降式摟草機主要參數(shù)

2.2　切割器梁

切割器梁是刀具的重要組成部件，其強度決定了割草效率和機器整體強度。因其有較長的懸臂梁，故靠近內(nèi)壁處所受扭矩最大。根據(jù)等強度原則，梁所受彎矩為

M=W·σ

式中W—材料抗彎截面模量；

σ—截面應力，滿足σ≤[σ]。

刀端面與地面摩擦力引起彎矩為

MF=F(L-x)

式中F—刀端面與地面摩擦力；

L—切割器梁長度。

牧草阻力引起的彎矩為

式中q—單位切割器長度的牧草阻力。

故切割梁所受合成彎矩為

已知刀端面與地面壓力為120N，牧草在切割器上的單位阻力為38N/mm，切割器長度為2.1m。通過考慮機器的工藝性及經(jīng)濟性，選用20mm的鋼板進行加工，在保證機器質(zhì)量的同時，降低了成本，提高了經(jīng)濟效益。

2.3　彈齒

2.3.1彈齒設計

采用螺線型彈齒進行作業(yè)，其曲率半徑從下至上逐漸減小，利于形成松散的齒條，使之透氣性好，便于干燥。齒端較小的曲率半徑，降低了草條上升阻力，利于摟草時草條的上升[5-6]。

2.3.2彈齒摟草分析

彈齒是單刀割摟一體機的主要工作部件，α角的確定，直接影響牧草的收集。為了實現(xiàn)摟草器卷草而非拖草，形成松散的草條，首先對彈齒進行受力分析，如圖2所示。當機器前進時，不考慮草條的壓縮變形，認為草條以相同速度沿彈齒表面上升。

dα-干草顆粒與彈齒摩擦力； dm-摟草阻力；

由受力分析可知

dc=dn

由曲線分析可知:草條的初始上升角α應為20°，太小或太大草皮都不易上升；當α為20°～90°時，彈齒的曲率半徑應較大，從而提高草條的滾落點；當α<90°時，dc與dn的方向是相同的，草條伏貼于彈齒的曲面上，受到后續(xù)的草條推動而上升；當α>90°以后，彈齒的曲率半徑應減小，使草條上升極限角增大，從而便于形成草卷；當α>90°時，dc與dn的方向相反，隨著角度的不斷增大，直到dc=dn時，草皮不再伏貼于彈齒曲面上開始滾落，從而形成草卷。

圖3　草條上升影響曲線

3牧草收集條件試驗分析

3.1　試驗基地與設備

本試驗2015年8月中旬于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市哈克鎮(zhèn)牧場進行。鑒于呼倫貝爾特殊的環(huán)境氣候及牧草生長的限制性條件，此時牧草較為稀疏，陽光充足，便于牧草的割摟。

使用的動力設備是配套功率為26kW的約翰迪爾350拖拉機，動力輸出轉(zhuǎn)速為540r/min和720r/min，行駛速度為2.04～28.3km/h。試驗所使用的儀器有：50m的卷尺、游標卡尺、角度尺、草含水量檢測儀、風速儀、土壤硬度計、土壤濕度計、攝像機、照相機和其他輔助儀器等。試驗前對液壓升降式摟草機進行了運轉(zhuǎn)和調(diào)試，使其達到了最佳工作狀態(tài)。

3.2　彈齒端部運動軌跡

根據(jù)現(xiàn)場摟草拍攝處理，經(jīng)影像處理分析，結合《農(nóng)業(yè)機械手冊》彈齒運動軌跡圖得到如圖4彈齒端部的運動軌跡[7]。

S1-彈齒上升到最高點機器的前進距離；S2-彈齒從最高點開始下落到下一上升點開始處機器前進的距離。

圖4彈齒端部運動軌跡

Fig.4Tine ends trajectory

由圖4可知：彈齒端部要盡量靠近牧草草攤的邊緣，不碰亂草條，為有效提高摟草效率，不摟草段S2的距離盡可能達到最小。當彈齒頂部升起高度為420～480mm、機器前進速度為110～125m/min時，達到最大工作效率。

3.3　漏摟草率

在試驗過程中，分別排列相等質(zhì)量、同一批次10行10m長的草鋪，經(jīng)摟草機作業(yè)后，分別稱重剩余草條的質(zhì)量進行記錄。在試驗過程中，分別排列相等重量同一批次10行10m長的草鋪，經(jīng)摟草機作業(yè)后，分別稱重剩余草條的質(zhì)量進行記錄，則有

式中n0—1m2內(nèi)平均漏摟牧草的質(zhì)量(kg/m2)；

n1—各行10m內(nèi)漏摟牧草質(zhì)量之和(kg)；

N—所測行數(shù)；

B—摟草機的平均摟幅(m)；

S—漏草率(%)。

通過以上計算式計算可得：單刀割摟一體機的漏摟率為1.8%，符合國家小于等于2%的技術標準，說明彈齒的設計正確合理。

3.4　花葉損失率

本試驗選擇呼倫貝爾天然牧場的黃花苜蓿作為試驗對象。其屬于多年生草本豆科類植物，根粗壯，總狀花序密集。

試驗前期在牧場試驗區(qū)進行牧草采集，采取田間區(qū)劃的方式取牧草采集點，每個小區(qū)的面積為10m2(5m×2m)。在每個小區(qū)取約20g的牧草，并進行稱重；然后對取樣牧草進行干燥處理，再次進行稱重，然后計算摟草前牧草的含水率，則

式中M0—干燥前取樣牧草的質(zhì)量(g)；

M1—干燥后取樣牧草的質(zhì)量(g)。

在試驗區(qū)均勻分布10點，在每點上采集牧草20棵，將莖與花葉分離并進行干燥處理，分別進行稱重，計算摟前牧草的葉草比，有為

式中Mn—干燥后花葉部分的質(zhì)量(g)；

Mp—干燥后莖干部分的質(zhì)量(g)。

在每行草條鋪上等距取5個點，均需按隨機分布共取50顆牧草，同摟草前牧草的葉草比測定方式進行摟后牧草的葉草比測定，花葉損失率為

由此得出花葉損失率測定結果如表2所示。

表2　花葉損失測定結果

由試驗結果可知：單刀割摟一體機作業(yè)時，其彈齒對牧草作用強度小，花葉損失率小。這說明，機具的設計合理，拖拉機的選用速度正確。

4結論

9GLGA-2.1單刀割摟一體機解決了草原機械升降靠輪軸行走來帶動，在機器不行走時摟齒不能升降、無法靜止卸載的弱點，以及空載無負荷行駛時還與摟齒連動問題，其漏摟草率、花葉損失率符合國家標準，顯著提高了牧草收獲的效果。該機器經(jīng)試驗分析，設計合理，降低了人工勞動強度，提高了摟草效率，非常適合于低產(chǎn)量的天然牧場，且經(jīng)濟價格適中，非常受廣大牧民的喜愛。

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[6]機械工業(yè)和信息化委員會.JB/T9701.1-2010機引橫向摟草機：型式與基本數(shù)[S].北京：機械工業(yè)出版社,2010.

[7]工業(yè)和信息化部.JB/T9701.2-2010機引橫向摟草機：技術條件[S].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

9GLGA-2.1 Single Knife Hug Machine Design and Test

Li Pu1, Zhang Yun1, Liu Zhongshe2, Liu Lijuan2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Inner Monggolia Agricultural University,Hohhot 010018,China; 2.MengTuo Technology Co.Ltd.,Hulunbeier 021000, China)

Abstract：Briefly 9GLGA-2.1 single knife hug one machine works, and the cutter beams moment analysis, collection of grass strips do stress analysis, trajectory bomb teeth and leak rate test analysis hug. Experimental studies have shown that cutting hug machine for low production of natural pasture, the parameters have reached the mechanical requirements, simple operation, effectively reducing the leakage grass and leaf loss collection rate.

Key words：single knife hug one machine; cutter beam; tine

中圖分類號：S817.11+1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0101-04

作者簡介：李普(1990-),女，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，(E-mail) lipu6265@126.com。通訊作者：張云(1958-)，男，呼和浩特人，教授，碩士生導師，(E-mail)zhangyund1958@163.com。

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)創(chuàng)新引導項目(2015-07)；2014年度裝備制造業(yè)發(fā)展專項資金農(nóng)牧業(yè)機械技術改造項目(海經(jīng)信備案字[2013]03號)

收稿日期：2015-09-24

專利項目："單刀割摟一體機"發(fā)明專利(ZL201430491909.2)(RD05，PS06)