尤 泳 王紅達 郇曉龍 王德成 康琛琛 葉炳南

(中國農業(yè)大學工學院， 北京 100083)

0 引言

王草是優(yōu)質飼草，具有供草期長、生物量大、可食用比例高、營養(yǎng)價值高等特點[1-3]，對我國畜牧業(yè)的發(fā)展有重要意義，研制高效的王草收獲機械與裝備可促進王草種植資源的開發(fā)與利用。

國內外飼草收獲機械主要針對青貯玉米、亞麻等作物，其主要工作部件可分為割臺系統(tǒng)、喂入系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、拋送系統(tǒng)等，其中破碎裝置是保證切碎均勻性的關鍵部件。國外飼草收獲機械破碎裝置多采用滾筒式，采用液壓驅動可實現對切碎長度的無級調節(jié)、對喂入量波動適應性強、切割阻力均勻，搭配具有揉搓功能的粉碎輥，能夠破碎均勻、粉碎細致，收獲效率可達15～100 t/h[4-7]，但其價格昂貴，不適應我國小地形作業(yè)需求。國內飼草作物收獲機破碎裝置主要采用盤刀式、滾筒式，其中滾筒式破碎裝置結構緊湊，應用較為廣泛[8-9]。賈春陽[10]設計的穗莖兼收型玉米收獲機秸稈破碎裝置采用雙排人字形布置，可完成莖稈破碎，但切碎長度離散度較大，均勻性較差；梁榮慶等[11]設計的青貯玉米收獲機采用盤刀式切碎裝置，可實現青貯玉米的收獲和破碎，但適用于小喂入量收獲；張銀平等[12]設計的穗莖兼收型玉米收獲機采用滾筒式切碎裝置，但未對破碎裝置具體設計及切碎質量的影響進行研究。

現有收獲機械對王草分蘗能力強、生長不均的特點適應性較差，存在喂入不均、切割不齊等問題。本文根據王草生長特性，在現有收獲機破碎裝置的基礎上，設計4排人字形滾筒破碎裝置，通過試驗確定其最佳工作參數，以期提高王草機械化收獲水平。

1 王草生長特性

簇生王草刈割期株高達2 m，年刈割4～7次，鮮草產量達300 t/hm2，營養(yǎng)豐富，飼喂價值高；單株分蘗數可達26，且各株分蘗數存在差異；刈割期王草含水率達90%左右，且韌性及抗剪能力強，收獲難度較大[13-14]。據測量，70%～90%含水率下莖稈抗拉強度平均為55.89 MPa，抗剪強度為21.63 MPa。

使用傳統(tǒng)高莖稈類飼料作物收獲裝備對簇生王草進行收獲時存在喂入量大，喂入、切割不均等問題，所收獲破碎王草段牲畜采食率低。本次試驗所用王草取自河北省石家莊市無極縣北蘇鎮(zhèn)，王草種植狀態(tài)如圖1所示。

2 王草收獲機總體結構與工作過程

2.1 總體結構

王草收獲機主要由割臺總成、喂入裝置、滾筒破碎裝置、拋送裝置、集料箱、收獲機底盤總成組成，王草多種植于丘陵山地，面積較小，采用履帶式收獲機通用底盤實現小地塊靈活收獲作業(yè)，收獲模塊功能如圖2所示。

將王草收獲機分為六大模塊，對各模塊進行針對性設計可有效提高設計效率，其中底盤總成與常用履帶式稻麥聯合收獲機所用底盤相同；割臺部件為針對簇生王草設計的圓盤式割臺；喂入裝置采用喂入螺旋輸送器及鏈式輸送器相結合的形式；破碎裝置是針對王草喂入量大且分布不均所設計的滾筒式破碎裝置；拋送裝置與集料箱采用現有技術裝備，其主要工作部件結構如圖3所示。

2.2 工作過程

王草收獲機收獲過程分為以下工作階段：收割階段，刈割期簇生王草植株在圓盤式刀盤甩刀作用下完成刈割，并在夾持齒作用下撥至喂入螺旋輸送器，完成王草收割；喂入階段，刈割后王草莖稈在喂入螺旋輸送器的作用下輸送至鏈耙式輸送器，在齒板作用下王草被夾持喂入形成王草喂入流；破碎階段，王草喂入流經由鏈齒式輸送器輸送至破碎裝置，在夾持輸送輥的作用下送于定刀與隨滾筒式破碎裝置旋轉的動刀形成的剪切副，進而完成王草莖稈流的破碎；拋送階段，破碎后的王草段經過滾筒式破碎裝置及拋送葉片離心力作用獲得動能，并在拋送葉片轉動產生的氣流作用下沿拋送筒完成拋送，進入集料箱。

3 滾筒式破碎裝置設計

滾筒式破碎裝置主要工作部件為喂入輥、定刀、滾筒破碎器、防護罩殼等，其中喂入輥為兩輥對置形式，上輥周向布置鋸齒板增大對王草喂入流的夾持力，下輥采用光輥防止莖稈纏繞；為適應王草喂入流不均勻波動帶來的切碎阻力的波動，在雙排布置的基礎上，優(yōu)化采用人字形布置4排刀具，通過滑切作用完成對莖稈的破碎。滾筒式破碎裝置整體結構如圖4a所示，滾筒式破碎器刀具布置形式如圖4b所示。

3.1 喂入夾持機構

簇生王草生物量大，刈割時期、收獲機作業(yè)速度等均會影響王草喂入量，固定喂入量夾持輸送不能適應喂入量的波動，為此設計主要由喂入光輥、帶齒喂入輥、帶滑塊軸承座、彈簧、罩殼等組成的喂入夾持機構，兩喂入輥直徑相同，如圖5所示，其中帶齒喂入輥在帶滑塊軸承座支撐下，沿滑軌上下波動，并通過彈簧恢復力實現喂入輥間隙調整，其中彈簧預緊力通過螺栓調節(jié),從而實現對波動喂入量的適應。

液壓馬達經減速箱驅動兩喂入輥，實現等速反向旋轉，并通過調節(jié)液壓馬達轉速實現對喂入速度的調節(jié)，夾持機構通過兩水平對置輥對物料產生的夾持、摩擦作用完成喂入[15]。為保證喂入順利、不發(fā)生堵塞，上輥采用周向均勻布置夾持鋸齒增大摩擦，物料喂入示意圖如圖6所示。

以物料和喂入輥接觸弧中點處對物料進行受力分析，為保證物料順利喂入，喂入輥轉動對物料莖稈的摩擦力應大于其正壓力的水平分力，表示為[16-17]

fNcosα-Nsinα≥0

(1)

其中

f≥tanφ

式中f——靜摩擦因數，取0.37[17]

φ——喂入輥對物料莖稈的摩擦角，約20°

N——喂入輥對莖稈正壓力，N

α——正壓力與豎直方向夾角，(°)

由式(1)可得當φ≥α時，喂入輥可完成對物料的夾持喂入，由文獻[17]可知，喂入輥半徑R計算式為

L=2R+h=2Rcos(2α)+H

(2)

式中H——喂入莖稈流厚度，mm

h——喂入輥間隙，mm

L——兩輥軸心距，mm

為保證順利喂入，應滿足式(1)條件，即φ≥α，喂入輥半徑為

(3)

3.2 破碎裝置

滾筒式破碎裝置主要工作部件為軸向等距均勻布置的4排刀具，采用平板形動刀片，單排刀具沿周向均勻布置于滾筒座上，且采用人字形布置。相比于雙排人字形布置方式，4排均勻布置方式可提高阻力均勻性，降低切割過程中莖稈切割阻力對刀軸的交變作用，降低軸承的磨損及破碎功耗，同時較短的刀片可增加動定刀間隙均勻性，且可提高滑切角，實現高效破碎切割。如圖7a所示，切割過程中在動定刀夾角相同的情況下，雙排刀具由于存在兩動刀間相位差，在相同切割長度下其軸向分力Fh及F′h對軸向部件產生扭動載荷，且在轉動切割過程中兩刀參與切割的有效長度發(fā)生變化，使扭動載荷波動，產生交變影響，造成軸承等承載部件疲勞；如圖7b所示，雙排刀具變4排刀具，交替布置，使得兩刀具同時參與切割，Fh1及F′h1相互抵消，可適應喂入不均的王草莖稈流，降低交變載荷對軸承等承載部件疲勞破壞。

3.2.1切割原理與刀具布置

破碎裝置刀具為平板形動刀片，采用人字形布置，其刃口與定刀刃口呈一定夾角θ，可產生滑切作用，有效降低切割阻力，提高切割效率。以定刀刃口為基準其切割過程如圖8所示，P1P2Q2Q1表示喂入莖稈區(qū)，P1Q1表示定刀刃口，mn表示平行板動刀刃口，當動刀刃口接觸喂入區(qū)P2時開始壓縮切割過程，動刀刃口接觸喂入區(qū)Q1切割過程結束。

取動刀刃口一點，設其回轉半徑為Rd，滾筒破碎裝置的轉動角速度為ωp，則該點線速度為V=ωpRd，其方向與定刀刃口P1Q1垂直，線速度可分解為垂直刃口的砍切速度Vs與滑切速度Vt，其中Vt=Vsinτ，τ為滑切角，則其滑切角越大，滑切速度越大，功耗越低，由圖可知刀具夾角θ與滑切角τ、推擠角χ相等。

本設計采用4排刀具布置，因整機作業(yè)空間限制，取破碎滾筒長440 mm，取刀具長100 mm，動、定刀間隙取δ=1 mm[18-20]，動刀刃口長度相比滾筒總長較小，其斜置時刃口直線可近似看作橢圓曲線的一部分，動刀在滾筒式破碎裝置的位置參數如圖9所示。

(4)

由圖9可得參數間關系為

Ztanβ=Rdsinγ

(5)

式中Z0——動刀刃口點m的Z軸坐標

β——動刀底面平面與XOZ平面夾角，(°)

Rd——動刀刃口回轉半徑，為緊湊設計，取210 mm

γ——動刀刃口m端安裝前傾角，(°)

因動刀斜置，其安裝前傾角為變量，為保證滾筒破碎裝置具有一定拋送能力，參照《農業(yè)機械設計手冊》取γ=40°，且當滑切角越大時，滑切速度越大，切割力越小，但滑切角增加會對物料形成擠壓，影響切割質量，為緊湊設計，取其傾角β=4°，刀具推擠角χ及滑切角τ取12°[20-26]，設置動定刀間隙δ=1 mm。

3.2.2理論切割長度

破碎裝置工作時，通過動、定刀剪切副將喂入物料切割破碎，其切割長度為單排兩相鄰刀具切破碎動作間隔時間內的物料進給長度，計算式為

(6)

(7)

式中l(wèi)——物料切割長度，mm

vw——喂入進給速度，m/s

np——破碎輥轉速，r/min

W——單排動刀片布置數量，本設計取6

R——喂入輥半徑，mm

nw——喂入輥轉速，r/min

參照農業(yè)行業(yè)標準NY/T 2088—2011《玉米青貯收獲機作業(yè)質量》，合格莖稈破碎切割長度由飼喂對象決定，飼喂牛為30～50 mm，羊為20～30 mm，選取莖稈破碎目標長度為30 mm，合格莖稈長度l≤50 mm，喂入部分采用鏈耙式輸送器，依據文獻[20]，鏈耙式輸送器輸送速度一般為3～5 m/s，為保證順利喂入不堵塞，vw≥vl(vl為鏈耙式輸送器輸送速度)，取最小值vw=3 m/s，代入式(6)、(7)可得喂入輥轉速nw≥382 r/min，破碎輥轉速np范圍為600～1 000 r/min。

4 試驗

4.1 試驗材料

本次試驗材料為石家莊市無極縣北蘇工業(yè)園區(qū)內的王草，3個月生長期，選取田間生長狀態(tài)良好的王草莖稈，離地50 mm處切割，莖稈根部平均直徑為30.75 mm，平均株高為2.07 m，含水率為90.2%，去除葉片進行試驗。

4.2 試驗臺架

設計并加工與王草收獲機滾筒破碎裝置原理、尺寸相同的試驗臺架，該臺架由喂入輥、定刀、滾筒式破碎輥、防護罩殼、驅動電機、動態(tài)扭矩傳感器、機架、防護罩殼等組成，如圖10所示。試驗臺架結構簡單，喂入對輥轉速、滾筒式破碎裝置轉速、刀具安裝角度調節(jié)方便，結構可靠。其中采用JN-DN型動態(tài)扭矩傳感器(安徽蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司，額定轉速6 000 r/min，量程0～200 N·m，綜合精度±0.5%)測量滾筒式破碎裝置轉速、扭矩；采用VICTOR 6236P型轉速儀(深圳市驛生勝利科技有限公司，準確度0.5%)測量喂入輥轉速；通過電子天平測量破碎物料質量，游標卡尺測量物料破碎長度；工作部件驅動電機通過變頻器分別控制。

4.3 試驗因素

由第3節(jié)中設計分析過程可知，莖稈切割破碎平均長度、合格率與喂入輥直徑、喂入輥轉速、破碎滾筒轉速、單排刀具布置數量有關。本文選取喂入輥轉速、破碎滾筒轉速為試驗因素。

試驗前，將刈割的王草莖稈按(2±0.05) kg每份稱取81份等待喂入；調整動刀片與定刀距離，安裝防護罩殼；試驗時，分別啟動破碎輥及喂入輥驅動電機，調整變頻器使部件工作至試驗速度，待作業(yè)裝置整體穩(wěn)定后，將物料送入喂入輥；收集切割破碎后的莖稈進行統(tǒng)計測量、稱量。

4.4 試驗指標

試驗以莖稈破碎合格率、破碎莖稈平均長度為評價指標。取破碎后物料質量mw=500 g，分選出尺寸大于50 mm的物料，并稱其質量ma，即為不合格物料質量，稱量3次取平均值，其破碎合格率Q計算式為

(8)

式中Q——莖稈破碎合格率，%

(9)

4.5 單因素試驗

4.5.1喂入輥轉速對破碎效果的影響

通過第3節(jié)分析可知，喂入輥轉速應滿足nw≥382 r/min，故取其起始轉速為380 r/min，喂入輥轉速選取5個水平，取破碎滾筒轉速np=600 r/min，刀具安裝角θ=12°。以莖稈破碎合格率及平均長度為指標，試驗結果如圖11所示。

4.5.2破碎輥轉速對破碎效果的影響

由上文分析設置喂入輥轉速為nw=430 r/min，破碎輥轉速np范圍為600～1 000 r/min，取9個水平進行試驗，其結果如圖12所示。

由圖12可知，當喂入滾筒轉速一定，隨破碎滾筒轉速的提高，合格率隨之提高，莖稈平均長度隨之降低，因莖稈喂入流速度一定，破碎輥帶動動刀單位時間內切割破碎次數增加，莖稈平均長度降低。由圖中可知，當破碎滾筒轉速升高至750 r/min后合格率大于90%，莖稈平均長度小于35 mm，合格率較高，破碎較均勻；另因破碎輥轉速增加，空氣阻力會相應增加，同時維持較高轉速所耗功率增加，因此在滿足破碎合格率的條件下選取破碎滾筒轉速范圍np為750～950 r/min。

4.6 多因素試驗

4.6.1試驗設計

為進一步探究喂入輥轉速及破碎輥轉速對莖稈破碎合格率、破碎莖稈平均長度的影響，利用Design-Expert軟件采用Central Composite方法進行二次旋轉正交試驗設計及響應面分析。試驗因素編碼如表1所示。試驗方案與結果如表2所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Experiment factors coding r/min

表2 試驗方案與結果Tab.2 Experimental protocol and results

4.6.2試驗結果分析

通過Design-Expert軟件對結果進行方差分析及回歸擬合，其結果如表3所示。

表3 方差分析結果Tab.3 Result of variance analysis

通過表3可知，對評價指標的分析模型均具有顯著性，且失擬項均不顯著，表明模型較為穩(wěn)定，回歸方程擬合較好。

對莖稈破碎合格率的影響程度從大到小順序為：B、A2、B2、A，其中AB的交互作用不顯著，剔除不顯著項，其回歸方程為

Q=-91.54+0.482A+0.17B-4.95×104A2- 6.3×105B2

(10)

對破碎莖稈平均長度的影響程度從大到小順序為：B、A、AB、B2、A2，其回歸方程為

(11)

如圖13所示，當喂入輥轉速一定，破碎輥轉速增加時，莖稈破碎合格率隨之提高，破碎莖稈平均長度隨之降低，因莖稈喂入流速度恒定，單位時間內動刀切割次數提高，使得合格率及破碎均勻性提高；同理，當破碎輥轉速恒定時，隨喂入輥轉速提高，莖稈喂入流速度提高，破碎莖稈平均長度隨之提高，同時莖稈破碎合格率降低，物料均勻性降低。

4.6.3參數優(yōu)化及驗證

4.7 田間收獲試驗

2020年11月在河北省石家莊市無極縣北蘇工業(yè)園區(qū)王草試驗田進行收獲試驗，種植王草平均高度2.17 m，根部平均直徑為31.5 mm，單株分蘗數達26根，與臺架試驗王草莖稈為同一種植批次，收獲機收獲效率為0.42 hm2/h，按照GB/T 10394.3—2009《飼料收獲機 第3部分：試驗方法》進行檢驗，待收獲機運行平穩(wěn)后開始試驗，如圖14所示。

田間試驗顯示，當破碎裝置轉速達到要求后，拋送滾筒及拋送筒的撞擊等復合作用使莖稈破碎更加完全，合格率達98%，平均長度小于30 mm，達到飼喂要求。

5 結論

(1)根據高莖稈王草機械化收獲需求，優(yōu)化設計了滾筒式破碎裝置，采用4排均勻人字形布置，比雙排人字形刀具布置受力更加均勻，降低了交變扭矩帶來的影響。

(2)通過單因素試驗研究了喂入輥轉速、破碎輥轉速對破碎合格率及破碎莖稈平均長度的影響，結果表明，當破碎輥轉速恒定時，隨喂入輥轉速的增加，莖稈破碎合格率降低、平均長度增大；當喂入輥轉速恒定時，隨破碎輥轉速的增加，莖稈破碎合格率升高、平均長度減小，最終確定喂入輥轉速范圍為380～480 r/min，破碎輥轉速范圍為750～950 r/min。

(3)通過二次旋轉正交試驗分析了喂入輥轉速、破碎輥轉速兩因素對莖稈破碎合格率、平均長度的影響，并通過響應曲面法分析得出最佳參數組合為喂入輥轉速416.5 r/min、破碎輥轉速950 r/min，此時莖稈破碎合格率、平均長度分別為98.30%和29.04 mm。

(4)經田間試驗驗證，所設計高莖稈王草收獲機破碎裝置作業(yè)效果良好，莖稈破碎合格率達98%，破碎莖稈平均長度小于30 mm，破碎效果均勻。