李曉良，劉志兵，李曉康，丁立利

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

青貯飼料是青綠飼料在厭氧條件下, 經(jīng)過乳酸菌發(fā)酵調(diào)制或其他調(diào)制能夠長久保存的青綠多汁飼料。青貯飼料具有青綠多汁、營養(yǎng)豐富、適口性好、來源廣泛等特點, 飼草養(yǎng)分損失少, 消化率高。青貯飼料在收獲的過程中首先要經(jīng)過切碎，將青貯飼料切碎后，才能進(jìn)行下一步的發(fā)酵保存，因此，切碎喂入的優(yōu)良決定著青貯飼料的品質(zhì)。

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的國內(nèi)外自走式青貯飼料收獲機(jī)，幾乎所有的切碎部分和喂入部分都是通過各種傳動方式由同一動力驅(qū)動，導(dǎo)致在工作過程中，喂入部分和切碎部分所需的功率以及功率損耗都無法分開測量，這樣就無法準(zhǔn)確合理的對整機(jī)各部分進(jìn)行動力分配。由于切碎和喂入由同一動力驅(qū)動，并且兩者在工作時轉(zhuǎn)速都是恒定的，所以無法進(jìn)行驗證喂入轉(zhuǎn)速、切碎轉(zhuǎn)速、動定刀間隙對切碎長度以及青飼料質(zhì)量的影響。并且，按照現(xiàn)有的自走式青貯飼料收獲機(jī)的實驗方法，需要在樣機(jī)制造完成后，在實驗田地進(jìn)行長期的田間實驗，這樣不僅實驗成本高，還費時費力。

自走式青貯飼料收獲機(jī)切碎喂入實驗裝置，不僅可以做實驗驗證喂入轉(zhuǎn)速、切碎轉(zhuǎn)速、動定刀間隙對切碎長度以及青飼料質(zhì)量的影響，而且實驗裝置簡單，不需要進(jìn)行田間實驗，在實驗室就可以完成全部的實驗內(nèi)容，節(jié)約了實驗時間與成本。因此，對自走式青貯飼料收獲機(jī)切碎喂入進(jìn)行試驗裝置研究具有重要意義[1]。

1 切碎喂入實驗裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

自走式青貯飼料切碎喂入實驗裝置主要由底座、切碎喂入裝置、物料輸送裝置、變頻電機(jī)、動態(tài)扭矩傳感器以及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 切碎喂入實驗裝置的基本結(jié)構(gòu)1.切碎喂入裝置 2.動態(tài)扭矩傳感器 3.變頻電機(jī) 4.底座 5.物料輸送裝置

本實驗裝置采用喂入和切碎分開提供動力的方式，動態(tài)扭矩傳感器，通過實驗裝置控制系統(tǒng)，驅(qū)動喂入、切碎和割臺電機(jī)開始工作，在工作過程中，實時采集扭矩傳感器轉(zhuǎn)速、扭矩等信息，并計算功率，通過實驗裝置，可實時測量轉(zhuǎn)速和功率，特別是功率，為整機(jī)的功率消耗和功率分配提供依據(jù)，使功率分配更有效，更合理。本實驗裝置采用變頻電機(jī)，可以隨時改變喂入轉(zhuǎn)速和切碎轉(zhuǎn)速，在通過改變切碎部分的動定刀間隙，采用控制變量的實驗方法，可以研究三個變量對切碎物料品質(zhì)的影響，優(yōu)化自走式青貯飼料收獲機(jī)的物料收獲性能。

2 實驗裝置關(guān)鍵部分分析

2.1 切碎滾刀、定刀結(jié)構(gòu)

切碎喂入實驗裝置采用直刃斜裝式滾刀，轉(zhuǎn)動輥上焊接有2組刀片，每組6片，其特點是工作負(fù)載均勻，切碎效果好。滾刀與定刀的排布如圖2所示，當(dāng)青貯飼料通過喂入輥進(jìn)入切碎滾刀后，高速旋轉(zhuǎn)的滾刀和定刀配合，將青貯飼料切碎。直刃斜裝滾刀的另一個作用是物料拋送，將切碎后的物料通過拋料筒拋送到料倉。試驗證明刀片的傾斜角α決定著裝置的切碎性能和物料的拋送性能，而切碎性能與物料拋送性能兩者成反比，綜合考慮，取傾斜角α=12°。此外，動定刀的間隙對切碎物料的長度和品質(zhì)都有很大的影響，在實驗過程中可以通過調(diào)整動刀的位置來研究動定刀間隙對物料確切的影響，為青貯飼料收獲機(jī)提供依據(jù)，提高性能。

2.2 實驗裝置底座

切碎喂入實驗裝置整體由型材焊接而成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了使實驗更加真實的模擬自走式青貯飼料收獲機(jī)的工作狀態(tài)，試驗證明收獲機(jī)工作時切碎部分的傾斜角為10°左右，因此，底盤與切碎喂入連接部分設(shè)計有10°的安裝角。此外，底座上還設(shè)計有安裝青貯飼料收獲機(jī)割臺的安裝座，方便與割臺進(jìn)行聯(lián)動實驗。

圖 2 滾刀與定刀 圖3 底座1.定刀 2.滾刀

為了驗證底座的可靠性，對切碎喂入與底座連接件進(jìn)行有限元分析,材料為Q235，切碎喂入部分的重量約為6 000 N。經(jīng)過簡化計算，底座連接件上表面添加的力為3 000 N，生成網(wǎng)格，最后進(jìn)行運算分析，分析結(jié)果如圖4所示；根據(jù)云圖可知，連接件所受的最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，最大應(yīng)變?yōu)?.02×10-4m，應(yīng)變很小，從而可以推斷其結(jié)構(gòu)強度是可靠的。用同樣的方法對其他部分進(jìn)行有限元分析，它們的結(jié)構(gòu)強度均能滿足工作要求[2]。

圖4 應(yīng)力、應(yīng)變云圖

2.3 實驗裝置傳動系統(tǒng)

如圖5所示，由變頻電機(jī)提供動力，經(jīng)過聯(lián)軸器，動態(tài)扭矩傳感器，帶輪，皮帶，將動力傳入切碎滾和喂入輥。動態(tài)扭矩傳感器實時采集工作時的轉(zhuǎn)速和功率，在顯示屏上顯示。為了研究不同切碎轉(zhuǎn)速和不同喂入轉(zhuǎn)速對切碎物料的影響，可以通過變頻控制器來控制喂入和切碎轉(zhuǎn)速。

圖5 傳動系統(tǒng)1.帶輪 2.皮帶 3.聯(lián)軸器 4.動態(tài)扭矩傳感器 5.變頻電機(jī)

2.4 控制系統(tǒng)

實驗裝置控制系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器(PLC)與人機(jī)界面(HMI)相結(jié)合，通總線的方式控制變頻器進(jìn)而驅(qū)動喂入電機(jī)、切碎電機(jī)工作，在工作過程中，實時采集扭矩傳感器信息、轉(zhuǎn)速，并計算設(shè)備的功率，能在觸摸屏顯示設(shè)備的運行狀態(tài)，以及相關(guān)信息。本系統(tǒng)具有物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，用戶可通過網(wǎng)頁、手機(jī)APP實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，系統(tǒng)具有歷史數(shù)據(jù)存儲功能，能存儲設(shè)備運行狀態(tài)信息，并生成報表，用戶可自行打印到PC端。

(1) 控制系統(tǒng)優(yōu)勢

① PC端網(wǎng)頁Web監(jiān)測、控制現(xiàn)場設(shè)備；

② IOS、安卓手機(jī)APP監(jiān)、控現(xiàn)場設(shè)備；

③ 遠(yuǎn)程調(diào)試修改下載PLC梯形圖程序；

④ 遠(yuǎn)程修改下載網(wǎng)絡(luò)觸摸屏程序；

⑤ 歷史數(shù)據(jù)、報警短信云存儲服務(wù)。

(2) 性能參數(shù)

① 電源電壓：AC380 V；

② 控制方式：電控硬件自動或手動控制，通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制；

③ 環(huán)境溫度：(-30)℃-(+40)℃；

④ 相對濕度：月平均相對濕度最大90% (無凝露)；

⑤ 適應(yīng)作業(yè)高度為海拔3 000 m以下；

⑥ 作業(yè)地點無火災(zāi)、無爆炸危險、無金屬粉塵、無化學(xué)腐蝕等影響因素存在。

3 實驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 理論分析

青飼料切碎段長度lp取決于喂入輥的喂入速度vw，切碎器的轉(zhuǎn)速n和切碎器上的動刀片數(shù)z：

lp=60 000vw/nz

式中：lp為青飼料切碎段長度，mm；vw為喂入輥的喂入速度，m/s；n為切碎器的轉(zhuǎn)速，r/min；z為切碎器上的動刀片數(shù)。

由上式可知，青飼料的切碎長度和喂入速度成正比，與滾刀的轉(zhuǎn)速成反比，一般玉米的理論切碎長度為12 mm，最長不能超過30 mm，因此選擇合適的喂入速度和切碎速度對青貯飼料收獲機(jī)極為重要。通過切碎喂入實驗裝置，可以選擇多組不同的喂入和切碎速度，選出適合青貯飼料收獲機(jī)的最優(yōu)切碎速度和喂入速度。

3.2 實驗方法

選擇喂入速度vw，切碎速度n與物料長度lp進(jìn)行正交實驗。首先在恒定的切碎轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min下，驗證喂入速度vw和物料長度lp的關(guān)系；然后在恒定的喂入速度vw=2.5 m/s下，驗證切碎速度n和物料長度lp的關(guān)系。

3.3 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)如表1、2所示，由表1可知，在恒定切碎轉(zhuǎn)速下，切碎物料長度lp與喂入速度vw成正比；由表2可知，在恒定喂入速度下，切碎物料長度lp與切碎轉(zhuǎn)速n成反比。由實驗數(shù)據(jù)可知，實驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)基本一致，平均誤差率為4%。通過此實驗數(shù)據(jù)，可以指導(dǎo)青貯飼料收獲機(jī)合理高效的選擇喂入速度與切碎轉(zhuǎn)速。

表1 恒定切碎轉(zhuǎn)速

表2 恒定喂入速度

4 設(shè)計效果總結(jié)

本設(shè)計裝置通過調(diào)節(jié)滾刀轉(zhuǎn)速改變青飼料的切碎長度，對主要影響切碎性能的切碎過程的理論分析，獲得影響切碎性能的主要因素，通過理論計算及對喂入切碎裝置研究分析、模擬優(yōu)化，有效解決裝置在設(shè)計、研發(fā)、優(yōu)化過程中存在的問題，高效率提出解決辦法，從而縮短青貯收獲機(jī)械關(guān)鍵部件的研發(fā)周期；同時為后期進(jìn)一步的深入研究提供理論基礎(chǔ)，也為青貯收獲機(jī)的研究提供技術(shù)支持。

5 結(jié) 語

自走式青貯飼料收獲機(jī)切碎喂入實驗裝置既可以通過實驗知道切碎和喂入在工作時的功率損耗和功率分配，而且可以改變切碎速度、喂入速度以及動定刀間隙來驗證各自對物料長度和品質(zhì)的影響，可以有效解決自走式青貯飼料收獲機(jī)在作業(yè)過程在功率損耗和切碎物料質(zhì)量等問題[4]，提升青貯飼料收獲機(jī)的品質(zhì)。