祝 露 王德成 尤 泳 鄔 備 馬文鵬 郇曉龍

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 長沙 410323)

0 引言

近年來，各地區(qū)大力發(fā)展以林下種植、林下養(yǎng)殖、相關(guān)產(chǎn)品采集加工和森林景觀利用等為主要形式的林下經(jīng)濟(jì)，其中，林草種植模式是依托森林、林地及其生態(tài)環(huán)境，在林內(nèi)或林地邊緣開展飼草或綠肥植物等種植或利用的復(fù)合經(jīng)營模式。發(fā)展林草種植模式能保護(hù)生態(tài)環(huán)境，避免在發(fā)展經(jīng)濟(jì)過程中產(chǎn)生單一的植物群落，有利于改善林地小氣候、提高土壤理化性質(zhì)，有助于林木生長[1-3]。例如楊樹-紫花苜蓿的林草復(fù)合系統(tǒng)能更充分利用資源，獲得較高的組合產(chǎn)量和土地利用效率。林間種草是能同時產(chǎn)生生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的一種發(fā)展模式，值得研究和推廣。

林草模式中的飼草或雜草需要適時刈割，否則一方面會影響牧草的質(zhì)量和產(chǎn)量[4]，另一方面，未被刈割的植被在秋冬季節(jié)燃點很低，極易引發(fā)森林火災(zāi)，刈割清理林間牧草或雜草是一種有效的森林防火手段[5]。即使是單一模式的人工林，秋冬季節(jié)前收割林間雜草植被也很有必要。但是，人工收割林間牧草雜草勞動強度大、效率低。因此，研制一款適用于林間的牧草收獲機具有重要意義。

針對平原大地塊牧草種植區(qū)，我國引進(jìn)和研制了多種大幅寬、高效率的收割機，但仍存在性能不穩(wěn)定和可靠性差等問題[6-8]。已有收割機適用于優(yōu)質(zhì)天然打草場和大地塊的人工草場，但無法滿足林間牧草收獲的技術(shù)要求。鄔備等[9-10]根據(jù)我國苜蓿種植特點研制了9GYZ-1.2型苜蓿刈割壓扁機，該機能適應(yīng)丘陵山區(qū)作業(yè)，為自走式牧草收獲機械的研制積累了經(jīng)驗。但林間割草作業(yè)環(huán)境更為復(fù)雜，其可靠性與安全性還需要進(jìn)行試驗驗證。人工林作業(yè)間距狹小、土壤堅實度差異大，除飼草之外還有一些硬質(zhì)雜草，切割難度較大，本文根據(jù)實地調(diào)研提出林間草帶收割機的設(shè)計要求，并據(jù)此設(shè)計一款針對林下牧草的自走式林間飼草收割機。

1 整機結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求

1.1 林間割草作業(yè)特點與技術(shù)要求

通過文獻(xiàn)分析以及對人工林情況的實地調(diào)研，得到林草種植模式中林間割草作業(yè)環(huán)境特點及技術(shù)要求如下：

(1)我國林草發(fā)展模式中的林木種類繁多，林下可種植的牧草有菊首、苜蓿、鴨茅、黑麥草等，其中紫花苜蓿是應(yīng)用較廣的一種牧草品種[11-12]。林草模式中的行距株距并不統(tǒng)一，同一類型的林木株距行距也會因地區(qū)不同存在差異[13]，如北京蘋果林株行距3 m×4 m，陜西幼齡蘋果樹株行距2 m×4 m。對于行距為2 m的小行距林木品種，需要有較為靈活的自走式牧草收割機來完成林間牧草與雜草的收割。本文設(shè)計的收割機主要是為了適應(yīng)小株距的林草種植模式，在此條件下收割機的幅寬應(yīng)小于2 m。履帶式林間草帶收割機的作業(yè)情況如圖1所示。

(2)人工林間植被類型較為豐富，除了種植的飼草外還有雜草或稀疏灌木，這對收割機的切割器形式與參數(shù)要求較高。對于旋轉(zhuǎn)式切割器，割刀線速度應(yīng)滿足旋轉(zhuǎn)式切割器的設(shè)計要求，大小在60～90 m/s之間[14]。

(3)相對于農(nóng)田和人工草地，人工林間的地面平整性更差，土壤堅實度差異大，收割機行走系統(tǒng)應(yīng)具備良好的接地性及轉(zhuǎn)彎性能[15-16]。

(4)對于林間草帶收割機，需要一套靈敏的起落機構(gòu)，遇到石塊或樹樁等障礙物前在1～2 s內(nèi)將切割器提起到一定高度[14]，在林區(qū)工作的收割機，分割器提升高度應(yīng)大于40 cm，保證收割機在林區(qū)具備良好的通過性。

1.2 整機結(jié)構(gòu)

履帶式林間草帶收割機由動力裝置、機架、履帶底盤、前置式雙圓盤切割器、齒輪箱、液壓系統(tǒng)及操縱系統(tǒng)等組成，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整機有高速、低速、倒擋3個擋位，作業(yè)幅寬1.5 m，轉(zhuǎn)彎半徑0.4 m，在遇到障礙物時能在1.5 s內(nèi)將切割器向上提升40 cm，在狹窄的環(huán)境中具備良好的通過性。

在割草作業(yè)時，圓盤式切割器高速旋轉(zhuǎn)，帶動割刀以較大的線速度無支撐切割牧草。相較于往復(fù)式切割器，旋轉(zhuǎn)式切割器對于生長茂密的牧草及硬質(zhì)雜草具有更好的適應(yīng)性，一般不會發(fā)生纏草現(xiàn)象。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 行走系統(tǒng)計算與分析

在人工林區(qū)，土壤堅實度差異較大[17]，當(dāng)?shù)孛尜|(zhì)地松軟時，接地比壓是衡量機具通過性能的重要指標(biāo)。接地比壓過大時，行走系統(tǒng)容易沉陷在土壤里，不僅影響效率，還可能使機具發(fā)生前后傾斜，使切割器接觸地面，影響割草效果。故選擇接地比壓小的行走系統(tǒng)，能減小對土壤的壓實，更適應(yīng)人工林的作業(yè)環(huán)境[18-21]。履帶式主要特點是接地比壓小，爬坡能力強。

假設(shè)收割機的重心位置與幾何中心相重合，履帶接地壓力呈均勻分布狀態(tài)，則接地壓力的表達(dá)式為

(1)

式中pb——履帶平均接地壓力，Pa

B——履帶接地寬度，m

L——履帶接地長度，m

G——收割機整機重力，N

履帶與地面摩擦力時刻與履帶的運動速度相反，在轉(zhuǎn)向運動的每一個瞬間，履帶上各點的摩擦力方向始終垂直于該點到轉(zhuǎn)向軸的連線，大小與該點在豎直方向的載荷成正比，向右轉(zhuǎn)向時受力示意圖如圖3所示。則收割機在轉(zhuǎn)彎時左右兩側(cè)履帶上受到的阻力矩分別為

(2)

(3)

式中M1——左側(cè)履帶所受阻力矩，N·m

M2——右側(cè)履帶所受阻力矩，N·m

μ——履帶與地面的動摩擦因數(shù)

l——兩側(cè)履帶上點到中心線OO1的距離，m

b——左側(cè)履帶中軸線到點O1的距離，m

履帶底盤的驅(qū)動力位于左側(cè)履帶的最前端，收割機緩慢轉(zhuǎn)彎的過程中，驅(qū)動力產(chǎn)生的力矩應(yīng)當(dāng)和摩擦阻力矩大致相等，即

M0=M1+M2

(4)

式中M0——履帶向右轉(zhuǎn)向時驅(qū)動力矩，N·m

本文基于小幅寬、小轉(zhuǎn)彎半徑、低功耗的設(shè)計原則選用履帶的參數(shù)，履帶接地長度1 m，履帶寬度0.35 m，左右兩側(cè)履帶的中心距為0.75 m，在此條件下，履帶接地比壓為8.47 kPa，轉(zhuǎn)彎半徑0.4 m，履帶總寬度1.1 m。

2.2 切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

圓盤式切割器是整個收割機的核心部件，也是決定收割機切割效果的關(guān)鍵[22]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

旋轉(zhuǎn)式切割器為圓盤式結(jié)構(gòu)，主要由錐齒輪箱、滾筒、圓盤、割刀等構(gòu)成，高度可以調(diào)節(jié)。切割器通過支撐連桿及液壓缸固接在收割機的前方，方便拆卸維修，其動力輸入來自帶輪，當(dāng)圓盤與凸起的地面接觸使載荷過大時，傳動帶即在輪上打滑，可防止嚙合齒輪與動力系統(tǒng)受到損壞。

圓盤直徑為630 mm，采用矩形光刃刀片，刃角為15°，切割器的幅寬為150 cm，左邊圓盤與右邊圓盤旋轉(zhuǎn)方向相反，都朝向內(nèi)側(cè)，割刀線速度的計算公式為

(5)

式中vl——切割器割刀線速度，m/s

n——旋轉(zhuǎn)式切割器的額定轉(zhuǎn)速，r/min

D——圓盤直徑，m

計算出當(dāng)圓盤以額定角速度旋轉(zhuǎn)時，切割線速度為72.6 m/s，滿足旋轉(zhuǎn)式切割器的線速度要求[14]。

以切割器的右圓盤為例，當(dāng)圓盤帶動割刀割草作業(yè)時，切割區(qū)域即為刀刃掃過的區(qū)域[23]。

對于刀片1，其刀刃上a、b兩點的運動方程為

(6)

(7)

式中xa、xb——刀片1內(nèi)外端點在橫坐標(biāo)軸上的值，mm

ya、yb——刀片1內(nèi)外端點在縱坐標(biāo)軸上的值，mm

ra——刀片1刀刃內(nèi)端點旋轉(zhuǎn)半徑，mm

rb——刀片1刀刃外端點旋轉(zhuǎn)半徑，mm

θa——內(nèi)端點與盤心連線與x軸夾角，rad

θb——外端點與盤心連線與x軸夾角，rad

ω——切割器旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

v——機器作業(yè)速度，mm/s

t——刀盤轉(zhuǎn)過的時間，s

a、b兩點的運動軌跡之間的區(qū)域就是刀片1的切割區(qū)域。

當(dāng)圓盤式切割器割刀以足夠大的線速度與牧草接觸，并在瞬間使牧草下端莖稈達(dá)到應(yīng)力極限被切斷，此時的牧草莖稈會獲得一個沿著割刀速度切線方向的初始速度，并沿著初速度的水平方向繼續(xù)運動，直到接觸滾筒或地面后停下來，最終平鋪在切割器的中間位置，可避免牧草散落在兩側(cè)，被履帶碾壓污染。

2.3 動力和傳動系統(tǒng)設(shè)計

柴油機作為動力裝置，需要為履帶驅(qū)動輪、液壓提升裝置、切割器3處帶輪提供動力。

柴油機輸出帶輪的動力分2部分傳輸，第1部分通過傳送帶傳輸?shù)铰膸У妆P驅(qū)動帶輪，第2部分通過齒輪箱傳輸至提升割臺的液壓系統(tǒng)以及切割器處。

在忽略帶輪打滑的情況下，柴油機額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，履帶驅(qū)動帶輪轉(zhuǎn)速為1 650 r/min，液壓泵轉(zhuǎn)速為1 467 r/min，切割器轉(zhuǎn)速達(dá)2 357 r/min。

2.4 機架設(shè)計與優(yōu)化

2.4.1機架設(shè)計

機架支撐了整機的零部件，承載了動力系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)以及外罩等零部件，其在作業(yè)過程中除了受壓力外還會受到扭矩的作用。收割機機架的設(shè)計應(yīng)當(dāng)在滿足強度要求的基礎(chǔ)上盡可能結(jié)構(gòu)簡單，兼具優(yōu)異的減振性能特點[24-25]。

收割機機架由Q235結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，作為重要的承載部件需要達(dá)到足夠的強度。對機架的變形以及應(yīng)力分布進(jìn)行綜合分析，對應(yīng)力集中的部位進(jìn)行加固。

收割機機架設(shè)計如圖6所示，其中履帶底盤前橫梁和履帶底盤后橫梁為履帶底盤上自帶承重部分，材料也為Q235結(jié)構(gòu)鋼，雖不屬于機架的結(jié)構(gòu)范圍，但承受了機架以及機架所承載的所有零件的總重量，因此需要和機架一起進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度分析計算。

2.4.2機架受力分析

收割機上質(zhì)量較大的部件有柴油機(240 kg)、收割機前置割臺(220 kg)、變速箱(30 kg)、駕駛員(取70 kg)，機架還受自身重力作用，忽略收割機外罩以及液壓元件的重量對其進(jìn)行受力分析，機架在水平面工作時，其受力情況如圖7所示。

在不考慮支撐筋板的情況下，由力學(xué)平衡得

F1+F2+F3+F4+G2+FA+FB=0

(8)

以點B為原點，由力矩平衡條件得

F1x1B+F2x2B+FAxAB+G2xG2B+F3x3B-F4x4B=0

(9)

式中FA——機架前端所受支持力，N

FB——機架后端所受支持力，N

xAB——受力點A與受力點B的垂直距離，m

根據(jù)式(8)、(9)計算得出機架在支撐點A處受到的壓力為4.13 kN，在支撐點B處受到的壓力為2.10 kN，機架各個位置處的彎矩如圖8所示。

機架的前支撐立柱位置的截面A在整個機架結(jié)構(gòu)中彎矩最大，為1.22 kN·m，故A處是機架的危險截面，是否達(dá)到了強度要求還需要計算整個機架的應(yīng)力大小以及分布情況。

2.4.3機架工況分析

支撐機架主要有3種不同情況的負(fù)載工況：正常行駛情況下的機架負(fù)載；在斜坡上工作時所受的重力載荷；在轉(zhuǎn)彎時所承受的扭矩以及重力載荷。這3種工況當(dāng)中，正常行駛情況下的機架是應(yīng)力最小的一種，機架在轉(zhuǎn)彎時所產(chǎn)生的扭矩也遠(yuǎn)小于各零件產(chǎn)生的壓力。故僅需對收割機在斜坡工況下機架的受力與變形情況進(jìn)行分析，即可保證機架滿足強度要求。

2.4.4機架仿真分析

收割機在斜坡上工作時，支撐機架的位置形態(tài)發(fā)生了變化，機架支撐立柱受到切向力和壓力的共同作用。在Workbench軟件中仿真模擬這一工況下的機架受力與固定約束情況，假設(shè)斜坡的角度為30°，載荷設(shè)置如圖9。

根據(jù)仿真結(jié)果，最大應(yīng)力發(fā)生在駕駛員座椅位置的中間梁和橫梁處，與上述機架水平時計算的危險截面位置一致，驗證了計算結(jié)果的正確性。且最大應(yīng)力為125.37 MPa，小于材料屈服極限(235 MPa)，考慮收割機外罩、水箱等其他部件的額外壓力，以及收割機工作過程中的沖擊載荷作用下應(yīng)力峰值較大，機架的前端部分仍存在強度風(fēng)險。

為了減少機架前端變形量和中間部位應(yīng)力集中，對機架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度加強，保證收割機的作業(yè)安全。需在機架前橫梁上焊接支撐梁，以支撐前割臺的壓力，減小變形和機架中間部位的應(yīng)力集中。

3 試驗

3.1 樣機試制

履帶式林間草帶收割機在滄州市盛邦農(nóng)業(yè)機械有限公司加工制造，整機尺寸為3 380 mm×1 520 mm×2 010 mm，外形結(jié)構(gòu)如圖10所示，其尺寸和作業(yè)幅寬滿足在小株距林草模式中作業(yè)的基本條件。

整機配套動力34 kW，幅寬為1.5 m，轉(zhuǎn)彎半徑40 cm。割刀的旋轉(zhuǎn)線速度為72.6 m/s。能夠通過液壓缸將切割器向上提升至最大40 cm，保證了收割機在復(fù)雜地形下的通過性。

3.2 林間牧草收獲試驗

為了驗證收割機的實際作業(yè)效果與整機性能，對收割機進(jìn)行性能試驗。

3.2.1試驗條件與材料

試驗于2019年7月20日在張家口牧草體系綜合試驗站附近的人工林區(qū)進(jìn)行，圖11為試驗場地的環(huán)境情況，人工林間的植被主要為自然條件下生長的針矛類牧草及蒿類雜草，種植林木為不同生長階段的楊樹，當(dāng)天試驗地天氣晴朗，氣溫15～28℃。

在人工林區(qū)選取樹木排列規(guī)整，林下雜草生長旺盛的5個50 m的單程作業(yè)區(qū)域。作業(yè)前，測量標(biāo)定進(jìn)行試驗的區(qū)域，便于測量作業(yè)速度，將林間收割機調(diào)試到最佳狀態(tài)，調(diào)整好切割器的高度。試驗區(qū)域的飼草是林間天然生長的牧草，且地面的平整性和地面視野情況較差，為了保障安全，試驗全程采用低速擋位作業(yè)。

田間性能試驗所用試驗儀器及材料有：100 m卷尺、標(biāo)桿、40 cm鋼尺、2 m卷尺、馬克筆、秒表，圖12為履帶式林間草帶收割機現(xiàn)場割草作業(yè)情況。

3.2.2試驗方法

收割機作業(yè)速度計算式為

(10)

式中L′——試驗測定區(qū)域的長度，m

T——通過測定區(qū)時間的平均值，s

取5次測量結(jié)果的平均值。

割幅的測定：每個行程每5 m測量一次割幅，取為一組數(shù)據(jù)，每1個行程測量10次，取平均值，得到林間割草機實際割幅。

割幅利用系數(shù)是試驗中的實際割幅與收割機割臺設(shè)計割草幅寬的比值，計算公式為

(11)

式中Kf——割幅利用系數(shù)

As——平均實際割幅，m

AL——理論割幅，m

每個工作行程等間隔5 m選取兩個測量點，以鋼直尺測量割茬高度。每個行程的平均割茬高度為

(12)

式中 ∑h——一個行程中測量n次割茬高度的總和，cm

n——每個行程中割茬高度的測量次數(shù)

3.2.3試驗結(jié)果與分析

所有試驗指標(biāo)均在當(dāng)天測量完成，測得履帶式林間草帶收割機試驗結(jié)果如表1所示，并用式(11)計算出割幅利用系數(shù)為0.94。測得5個50 m單行程的平均作業(yè)速度為0.42 m/s，實際割幅的均值為1.41 m，整個試驗區(qū)域的平均割茬高度為7.6 cm，在試驗區(qū)的平坦區(qū)域，割茬高度為4～5 cm，滿足旋轉(zhuǎn)收割機在平坦地區(qū)割茬高度小于等于7 cm的技術(shù)要求。收割機安全性良好，在提起切割器的條件下能順利通過人工林的復(fù)雜地形，爬坡性能良好，機架的強度能夠保證正常工作。

表1 履帶式林間草帶收割機試驗結(jié)果Tab.1 Test results of crawler forage harvester

由圖13可以看出，經(jīng)切割器刈割后的飼草能夠較好地平鋪在路徑中間，避免牧草被兩側(cè)的履帶碾壓污染，保證了天然牧草收割后的質(zhì)量，可以被收集利用。結(jié)果表明履帶式林間草帶收割機具備在小型帶距的林草種植模式中收獲林間牧草的能力。

4 結(jié)論

(1)基于人工林割草作業(yè)環(huán)境特點，提出了林間草帶收割機的設(shè)計要求：收割機幅寬小于2 m，切割線速度為60～90 m/s，切割器提升高度大于40 cm，選用接地壓力和轉(zhuǎn)彎半徑較小的履帶作為行走系統(tǒng)。

(2)設(shè)計了履帶式林間草帶收割機，其配套動力為34 kW、幅寬為1.5 m、轉(zhuǎn)彎半徑為0.4 m、割刀的旋轉(zhuǎn)線速度為72.6 m/s，該機通過液壓缸可將切割器向上提升，最大可達(dá)0.4 m，在復(fù)雜地形下具有較好的通過性。通過仿真確定收割機支撐部件機架的最大應(yīng)力位置，以此對機架的特定部位進(jìn)行強化，保證了機架在復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)安全性。

(3)人工林間牧草收獲試驗表明，履帶式林間草帶收割機平均作業(yè)速度為0.42 m/s，割草高度為7.6 cm，割幅利用系數(shù)為0.94。說明履帶式林間草帶收割機能夠適應(yīng)人工林作業(yè)環(huán)境，可用于收獲小帶距的林草種植模式下的牧草，大大降低了人工收獲牧草的勞動強度。