徐易恒 張亞振 王家忠 韓子樂

0 引言

苜蓿營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，素有“牧草之王”之美稱。近年來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，苜蓿的種植面積不斷擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展很快。刈割苜蓿應(yīng)選擇在單位面積內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)最高時(shí)期［1］。為確保苜蓿在最佳刈割期內(nèi)收獲，應(yīng)用機(jī)械化收獲設(shè)備是必然的選擇。該設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)苜蓿打捆機(jī)撿拾喂入機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上［2］，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加切碎機(jī)構(gòu)，以期獲得更好的作業(yè)性能。

1 撿拾器設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

紫花苜蓿一般一年可以刈割3～5茬，含水量15%～18%時(shí)，干草總產(chǎn)量大約為600～1 200 kg/667 m2。第一茬的產(chǎn)量最高，產(chǎn)量在300～500 kg/667 m2之間。該設(shè)計(jì)設(shè)定干草產(chǎn)量500 kg/667 m2。其它設(shè)計(jì)要求：作業(yè)幅寬1.84 m，作業(yè)效率≥3 t/h，作業(yè)速度≥4 km/h。

1.2 撿拾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

撿拾器整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖 1 撿拾器結(jié)構(gòu)

撿拾器盤焊接在撿拾器滾筒軸上，隨滾筒軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承通過螺栓聯(lián)接安裝在撿拾器盤上，彈齒梁的端部焊接軸，彈齒梁軸通過過盈配合與軸承相連接，即彈齒梁可以繞撿拾器滾筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)。彈齒梁上固定有14個(gè)間距相同的彈齒，彈齒梁的端部焊接軸與凸輪盤連接板焊接相連，凸輪盤連接板的另一端與滾輪相連。滾輪在凸輪盤的滑槽內(nèi)沿滑槽的軌跡滑動(dòng)。

1.3 撿拾器轉(zhuǎn)速計(jì)算

物料堆積、撿拾不凈是撿拾器工作時(shí)經(jīng)常遇到的問題，為避免這些問題，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足三個(gè)條件。

第一，撿拾器彈齒末端的線速度應(yīng)大于或等于打捆機(jī)的前進(jìn)速度。否則，彈齒將推動(dòng)物料向前移動(dòng)，只能撿拾一部分物料，余下的物料會(huì)被遺留下來積聚在田間。用公式表示：

式中：v1——撿拾器彈齒末端的線速度，m/s；

n ——打捆撿拾滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；

Rmax——撿拾器彈齒末端最大回轉(zhuǎn)半徑，m；

v ——打捆機(jī)的前進(jìn)速度，m/s。

撿拾器工作參數(shù)如圖2所示。Rmax= 0.203 m，打捆機(jī)前進(jìn)速度為6 km/h，由此得出n≥ 78 r/min。

圖 2 撿拾器工作參數(shù)

第二，撿拾器應(yīng)能連續(xù)撿拾物料。撿拾器能否連續(xù)地?fù)焓拔锪希Q于物料由一個(gè)彈齒運(yùn)動(dòng)到相鄰一個(gè)彈齒所需的時(shí)間。在此時(shí)間內(nèi)，打捆機(jī)向前移動(dòng)距離應(yīng)小于彈齒運(yùn)動(dòng)相鄰兩個(gè)彈齒夾角所走的距離。如果相鄰兩彈齒間的夾角為φ，那么，撿拾器彈齒轉(zhuǎn)過此角度所需的時(shí)間為：

式中：ω——撿拾器滾筒軸的角速度，rad/s；

z ——彈齒排的數(shù)量，個(gè)；

t ——彈齒轉(zhuǎn)過此角度所需的時(shí)間，s。

式中：n ——扒桿的轉(zhuǎn)速，r/min。

將式（3）代入式（2）：

式中：s ——打捆機(jī)向前移動(dòng)距離，m；

v ——打捆機(jī)的前進(jìn)速度，m/min；

t——彈齒轉(zhuǎn)過此角度所需的時(shí)間，min。

將式（4）的t值代入式（5）：

式（6）中，s值隨v的增大而增大，隨z和ω的減小而增大。

最佳的s值根據(jù)被撿拾的物料種類設(shè)定。在收獲干牧草時(shí)，s值應(yīng)等于或小于撿拾作物長(zhǎng)度。苜蓿的撿拾長(zhǎng)度為0.5 m，則s ≤ 0.5 m 。當(dāng)s = 0.5 m時(shí)，由公式（6）可得：

撿拾器能將物料撿拾起來的條件是，撿拾器轉(zhuǎn)速n≥ 78 r/min；撿拾器能夠連續(xù)地?fù)焓拔锪系臈l件是，撿拾器轉(zhuǎn)速n≥ 64 r/min。由此設(shè)定撿拾器轉(zhuǎn)速n≥ 78 r/min。

第三，撿拾器不漏撿。要想使撿拾器不漏檢，相鄰兩排彈齒端部連線的運(yùn)動(dòng)軌跡曲面交線高度 h（見圖3）應(yīng)滿足式（9）。查詢農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知[3]，撿拾器轉(zhuǎn)速 n與打捆機(jī)前進(jìn)速度v應(yīng)滿足式（10）。

式中：H ——護(hù)板離地高度，m；

d ——彈齒端部與地面最小間隙，m。

圖 3 撿拾器漏撿參數(shù)

式中：n ——打捆撿拾滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；

Rmax——撿拾器彈齒末端最大回轉(zhuǎn)半徑，m；

v ——打捆機(jī)的前進(jìn)速度，m/s；

φ——與h相應(yīng)的滾筒轉(zhuǎn)角，rad。

式中：h ——相鄰兩排彈齒端部連線的運(yùn)動(dòng)軌跡曲面交線高度，m；

n = 135 r/min，滿足 n ≥ 78 r/min。

1.4 撿拾器轉(zhuǎn)速校核

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的設(shè)計(jì)要求，彈齒末端在撿拾段和舉升段的絕對(duì)速度應(yīng)小于3 m/s。

打捆機(jī)以6 km/h的速度行走。根據(jù)設(shè)計(jì)軌道形狀（圓弧形）和轉(zhuǎn)速，當(dāng)彈齒位于撿拾段與舉升段的過度位置、進(jìn)入舉升段的初始時(shí)間時(shí)，線速度最大。此時(shí)的彈齒處于水平偏下的位置，為了便于計(jì)算，選取水平位置計(jì)算彈齒端點(diǎn)的速度。

式中：ω—撿拾器滾筒軸的角速度，rad/s；

n —打捆撿拾滾筒轉(zhuǎn)速，r/min。

式中：ω——撿拾器滾筒軸的角速度，rad/s；

Rmax——撿拾器彈齒末端最大回轉(zhuǎn)半徑，m。

絕對(duì)速度等于牽連速度加相對(duì)速度

式中：ve——打捆機(jī)的作業(yè)速度，m/s；

vr——彈齒在水平位置上時(shí)彈齒端點(diǎn)的速度，m/s；

va——彈齒的絕對(duì)速度，m/s。

3.25 m/s大于3 m/s，不滿足設(shè)計(jì)要求，所以要略微減小行駛速度，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)行駛速度達(dá)到1.52 m/s時(shí)，滾筒的轉(zhuǎn)速為123 r/min，此時(shí)的絕對(duì)速度為2.9 m/s。在彈齒位于撿拾位置與舉升位置過度時(shí)，線速度最大。計(jì)算絕對(duì)速度時(shí)，牽連速度與相對(duì)速度的數(shù)值相同，區(qū)別僅在于二者夾角不同，而且夾角相差不會(huì)高于45°。此時(shí)，絕對(duì)速度還沒有達(dá)到3 m/s，還有0.1 m/s的間隔。照此看來，行駛速度達(dá)到1.52 m/s時(shí)，滾筒的轉(zhuǎn)速為123 r/min，滿足設(shè)計(jì)要求。得出結(jié)論：打捆機(jī)行走最大速度為1.52 m/s，即5.5 km/h。

1.5 撿拾器效率

撿拾效率和常數(shù)g有關(guān)，g值根據(jù)苜蓿的種植狀況確定。設(shè)g值為0.75 kg/m2，v值為1.52 m/s，L值為1.84 m。

式中：Q ——生產(chǎn)效率，kg/h；

v ——打捆機(jī)作業(yè)速度，m/s；

L——撿拾器作業(yè)幅寬，m。

由此得出：撿拾器每秒的撿拾量為7 551.36 kg/h，即2.09 kg/s。

2 喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用人字型斷續(xù)螺旋刀片式喂料機(jī)構(gòu)可以使草料向中間堆積。旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)刀片的排列形式為斷續(xù)螺旋刀片式，具有工作負(fù)荷對(duì)稱、揉切質(zhì)量好、機(jī)器震動(dòng)小的特點(diǎn)。采用solidworks三維實(shí)體軟件設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)見圖4。該旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)由喂入輥、定刀片焊接組成。旋轉(zhuǎn)切割喂入機(jī)構(gòu)由30片（15組）刀片組成，每組刀片間距為69 mm，按照2 000 mm的恒定螺距對(duì)稱排列。

圖 4 人字型螺旋刀片式喂料機(jī)構(gòu)

2.1 喂入輥轉(zhuǎn)速計(jì)算

喂入輥的外徑R=195 mm，內(nèi)徑r=80 mm，喂入輥長(zhǎng)度h = 1 m，喂入輥結(jié)構(gòu)如圖1所示。喂入輥轉(zhuǎn)動(dòng)一周喂入的體積為：

干苜蓿的單位體積重量為15 kg/m3[3]?？紤]到撿拾苜蓿的松散程度，苜蓿在撿拾后的密度為10 kg/m3，所以，喂入輥轉(zhuǎn)動(dòng)一周喂入苜蓿的質(zhì)量約為1 kg。

由前文可知，撿拾器撿拾量為2.09 kg/s，則喂入輥的喂入量應(yīng)大于2.09 kg/s，即轉(zhuǎn)速應(yīng)大于125.4 r/min（2.09 r/s）?？紤]到地面物料堆積不均勻?qū)е碌奈谷胼佄谷肓坎痪鶆?，以及定刀需要占?jù)一部分喂入空間等原因，為避免草料在喂入輥中堵塞，取安全系數(shù)k = 2，則喂入輥的轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)計(jì)為250.8 r/min。

2.2 動(dòng)刀設(shè)計(jì)

切割機(jī)械工作時(shí)，功耗的大小與切刀的工作方式以及刀片的特性參數(shù)有關(guān)。切刀的工作方式有滑切與正切之分。當(dāng)按滑切方式工作時(shí)，切割阻力小，容易切割，切割時(shí)功率消耗也小。因此，宜采用滑切方式進(jìn)行切割。圖5為切刀滑切角設(shè)計(jì)示意圖。圖中BC為回轉(zhuǎn)曲線刃口刀的刀刃，O點(diǎn)為刃口曲線的圓心，A點(diǎn)為切割工作的中點(diǎn)，切刀的回轉(zhuǎn)半徑為R。當(dāng)切刀在傳動(dòng)系統(tǒng)作用下繞刀軸中心P以一定的角速度做定軸回轉(zhuǎn)切割運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀刃上工作點(diǎn)A的切割速度為v，顯然，v垂直與PA，將v分解為過點(diǎn)A切線和法線方向的兩個(gè)分速度vX和vH，則vH為滑切速度，vX為正切速度。vX與v之間夾角α為滑切角。當(dāng)滑切速度不為零時(shí)的切割即稱為有滑切的切割，簡(jiǎn)稱滑切。

動(dòng)刀設(shè)計(jì)的目的在于切割時(shí)減小功率消耗。采用滑切切割時(shí)，功率消耗所做的功等于垂直于切割刃口所做的功與平行于切割刃口所做的功之和，同時(shí)合理的選擇滑切角也是十分有必要的。

垂直于動(dòng)刀刃口所做的功為[4]：

式中：W1——垂直于動(dòng)刀刃口所做的功，N?m；

P——切割阻比（單位刃口長(zhǎng)度的切割阻力），N/m；

S——切割物料時(shí)掃過的面積，m2。

平行于刃口所做的功為：

式中：W2——平行于動(dòng)刀刃口所做的功，N?m；

P ——切割阻比，N/m；

f ——摩擦系數(shù)；

γ——滑切角，°；

S ——切割物料時(shí)掃過的面積，m2。

則切割總功為：

切割單位面積所需功為：

當(dāng)滑切角γ增大時(shí)，切割阻比P值逐漸降低。當(dāng)滑切角足夠小時(shí)，Pftgγ的值過小，此時(shí)P值的大小成為影響單位切割面積所做功的大小的主要因素。因此，此時(shí)切割比功也隨之降低，切割也越來越省力；但是當(dāng)滑切角增大到一定程度時(shí)，Pftgγ值成為影響單位切割面積所做功的大小的主要因素，切割比功Wi反而又開始增加，切割也就越來越費(fèi)力。當(dāng)滑切角為40°時(shí)，消耗功率最小，所以設(shè)計(jì)動(dòng)刀滑切角應(yīng)盡量保持在40°左右。

因?yàn)樵诨羞^程中，動(dòng)刀的不同刀刃點(diǎn)上的滑切角度不同，每一把動(dòng)刀的全部刀刃都會(huì)參與切割。所以，為了保證切割過程中滑切角都在40°左右，將動(dòng)刀中點(diǎn)的滑切角設(shè)計(jì)為40°。從中點(diǎn)向動(dòng)刀兩端，一端滑切角逐漸增大，另一端滑切角逐漸變小。這樣，就能保證在整個(gè)動(dòng)刀上滑切角最接近40°。如圖5所示，α= 40°。

圖 5 動(dòng)刀滑切角設(shè)計(jì)示意圖

定刀的結(jié)構(gòu)分為兩種：鋸齒形和波浪形。如果在旋轉(zhuǎn)切割喂入機(jī)構(gòu)中采用鋸齒形定刀，可能使苜蓿掛在定刀上，當(dāng)掛在定刀的數(shù)量足夠多時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡刀的情況。為避免這種情況發(fā)生，設(shè)計(jì)采用波浪形定刀。采用波浪形定刀還可以增加切割長(zhǎng)度，提高切割效率。

為了避免苜蓿不經(jīng)過切割而被直接喂入，應(yīng)保證動(dòng)刀與動(dòng)刀之間的距離足夠小。如果定刀與動(dòng)刀之間的豎直距離過大，靠近喂入輥的苜蓿就有可能不經(jīng)過切割直接強(qiáng)制喂入。為了避免這種情況，設(shè)計(jì)動(dòng)刀與定刀位置時(shí)，應(yīng)使定刀貼近動(dòng)刀，定刀刀頭距離喂入輥3 mm。為了增大切割長(zhǎng)度設(shè)計(jì)定刀為曲線型，環(huán)繞動(dòng)刀。圖6為切割喂入機(jī)構(gòu)示意圖。

2.3 定刀數(shù)量設(shè)計(jì)及苜蓿切碎長(zhǎng)度計(jì)算

為達(dá)到良好的打捆效果，苜蓿干草的適宜長(zhǎng)度為60～80 mm。根據(jù)整機(jī)功率和喂入輥結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)定刀片數(shù)量為15片，則苜蓿切碎的理論長(zhǎng)度可按下式計(jì)算：

L——?jiǎng)拥段谷胼伔鶎?，mm；

z ——定刀片數(shù)量。

圖 6 切割喂入機(jī)構(gòu)示意圖

當(dāng)定刀設(shè)計(jì)為15片時(shí)，切碎長(zhǎng)度為66.67 mm。考慮到并不是所有苜蓿都會(huì)平行于喂入輥進(jìn)入，所以部分苜蓿的實(shí)際切割長(zhǎng)度會(huì)大于66.67 mm。

3 結(jié)論

本文通過計(jì)算分析，確定了苜蓿打捆機(jī)的撿拾器轉(zhuǎn)速、喂入輥轉(zhuǎn)速以及定刀結(jié)構(gòu)，為機(jī)具試制生產(chǎn)提供了重要技術(shù)數(shù)據(jù)。當(dāng)撿拾器的轉(zhuǎn)速為123 r/min、與之相匹配的喂入輥轉(zhuǎn)速為250.8 r/min時(shí)，打捆機(jī)的行走速度可以達(dá)到5.5 km/h，作業(yè)效率≥3 t/h，即1小時(shí)可以收獲1 hm2苜蓿。本數(shù)據(jù)有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。