張家瑞，丁立利，李正鎖，李曉康，沈小波

(1. 甘肅省機械科學研究院有限責任公司，蘭州市，730030；2. 甘肅省草地農(nóng)業(yè)機械重點實驗室，蘭州市，730030)

0 引言

青貯飼料尤其是全株玉米青貯因其營養(yǎng)價值高、保存效果好等優(yōu)勢，能幫助牧場節(jié)本增效，已成為我國養(yǎng)殖業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)飼料之一[1]。青貯玉米的最適收獲時期一般在1/2乳線和1/4乳線階段，植株含水率在61%～68%，即籽粒乳熟中期[2]。

國內(nèi)外青貯玉米收獲機械主要部件由割臺裝置、喂入裝置、切碎裝置和拋送裝置等組成，部分機型因收獲加工工藝不同，增設有打捆裝置[3]。其中，喂入裝置和切碎裝置是保證整機切碎均勻性的關(guān)鍵部件。國外青貯收獲機收獲效率可達15～100 t/h[4-6]，可一次性完成收獲、切碎、拋送和裝車，并配有切斷長度無極可調(diào)和籽粒破碎等功能。整機自動化程度高，可靠性好，但價格昂貴，不適應我國小地形作業(yè)需求。國內(nèi)青貯玉米收獲機切碎裝置主要有盤刀式和滾筒式，盤刀式切碎裝置結(jié)構(gòu)簡單，但由于結(jié)構(gòu)限制，喂入口寬度不宜過大，其生產(chǎn)效率比滾筒式低[7]。滾筒式切碎裝置入料口較寬，切斷效果好，廣泛應用于各種中大型青貯收獲機。近年來，尤泳等[8]研制的王草收獲機、魏天路等[9]設計的青飼料收獲機切碎輥、薛釗等[10]設計的青飼玉米收獲機械切碎裝置等都采用了滾筒式切碎裝置。

為了解喂入裝置和切碎裝置功率分布情況，探究不同行走速度下喂入裝置和切碎裝置功率變化，本文研制了青貯玉米喂入切碎試驗臺，搭建了一套青貯玉米喂入切碎裝置測控系統(tǒng)，通過上位機控制試驗臺，實時監(jiān)測喂入裝置和切碎裝置的運行狀態(tài)。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

青貯玉米喂入切碎試驗臺主要由割臺、喂入裝置、切碎裝置、拋送裝置和電機等組成。為模擬田間收獲模式，設計了插禾運輸機，如圖1所示。

圖1 喂入切碎裝置試驗臺結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

工作前，人工將玉米秸稈固定在插禾運輸機上，依次啟動割臺、喂入裝置和切碎裝置，待各裝置達到預設速度，啟動插禾運輸機，將玉米秸稈送至割臺，玉米秸稈經(jīng)由割臺切割和扶禾輸送齒輸送至喂入裝置。喂入裝置由兩個喂入輥組成，起到壓緊玉米秸稈的作用。隨后，玉米秸稈在切碎裝置切碎后，經(jīng)過拋送裝置，將其送出，完成青飼料切碎步驟。表1為試驗臺的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 試驗臺技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Parameters of test bench

2 關(guān)鍵部件設計與分析

2.1 喂入裝置設計

喂入裝置主要由鏈輪、軸承座、固定輥(上輥)、浮動輥(下輥)、壓緊連桿和壓緊彈簧等組成，用來將割臺送入的玉米秸稈壓緊并喂入切碎裝置，以便獲得良好的切碎質(zhì)量和較為精準的切碎長度，如圖2所示。

圖2 喂入裝置結(jié)構(gòu)示意圖

假設喂入前玉米秸稈厚度為H1，經(jīng)過喂入裝置壓緊后物料厚度為H2，物料喂入過程示意如圖3所示。

圖3 物料喂入過程示意圖

O1和O2分別表示上固定輥(上輥)和浮動輥(下輥)的圓心，當玉米秸稈送入喂入裝置后，兩喂入輥對玉米秸稈產(chǎn)生正向壓力N，為保證物料順利喂入，需滿足

(1)

式中：μ——玉米秸稈與喂入輥摩擦系數(shù)；

N——喂入輥對玉米秸稈正向壓力，N；

θ——N的方向角，(°)。

通過分析可知，要想玉米秸稈能正常喂入，需要θ≤45°。喂入輥半徑r滿足

2r+H2=2rcosα+H1

(2)

式中：α——玉米秸稈層進入喂入輥前與喂入輥的弧長角，(°)。

玉米秸稈能被送入喂入輥的臨界值為α=2θ，有

(3)

取喂入前玉米秸稈最大厚度H1為100～140 mm，經(jīng)過喂入輥后其厚度H2為50～70 mm，α=36°，由式(2)、式(3)可知，喂入輥最小直徑范圍為130～170 mm。在實際生產(chǎn)中，為增加接觸面，通常在喂入輥表面增加齒形葉片。

2.2 切碎裝置設計

玉米秸稈切碎裝置由動刀、定刀、軸承座和切碎主軸等組成，為增加其拋送能力，在刀架上設置拋送板，如圖4所示。其主要工作部件為軸向等距布置的兩排帶有拋送板的平板形刀具。

圖4 切碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖

當玉米秸稈在喂入裝置推動下，進入切碎裝置，由動刀片進行切割，切碎后的物料聚集在拋送板上，獲得一個垂直于刀軸徑向的初始速度后，直接進入拋送裝置，在氣流和初始速度作用下，切碎的玉米秸稈沿拋送裝置的彎管臂內(nèi)運動，最后從出料口拋出。圖5為切割過程分析[8, 11-13]。

如圖5所示，abcd為玉米秸稈喂入口，AB和CD為動刀刀刃，切割過程中動刀AB與CD交替切割，一定程度上降低了動刀作用在軸線上的作用力。v為刀刃AB上的任意一點速度。將v分解為垂直于刃口方向的正切速度vn和平行于刃口的滑切速度vt，那么v與vn的夾角τ為滑切角，刃口與定刀的夾角χ為擠推角。刀具長185 mm，動定刀間隙為3 mm[13-14]，刃口曲線是橢圓曲面的一部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示。

圖5 切割過程示意圖

圖6 動刀刃口結(jié)構(gòu)參數(shù)

(4)

Ztanβ=Rsinφ

(5)

式中：Z——動刀刃口上A點坐標值，mm；

β——動刀平面與主軸中心線的夾角，(°)；

R——動刀軌跡回轉(zhuǎn)半徑，取220 mm；

φ——動刀刀刃安裝前傾角，(°)。

當安裝前傾角較小時，切割阻力增加，功耗增加，參照《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》取φ=42°。且由圖5可知，適當增加滑切角度，可降低切割力，但過大的滑切角會增加功耗，影響切割質(zhì)量，且由于滾筒結(jié)構(gòu)限制，τ取8°，擠推角χ=5°。

2.3 理論切碎長度

青貯飼料切碎長度l取決于喂入裝置喂入速度vw、切碎裝置切碎主軸轉(zhuǎn)速n和切碎裝置動刀片數(shù)量z。

(6)

式中：l——青貯飼料切碎長度，mm；

vw——喂入裝置喂入速度，m/s；

n——切碎裝置切碎主軸轉(zhuǎn)速，r/min；

z——動刀片數(shù)量。

玉米青貯切碎理論長度為12 mm，最長切斷不得超過30 mm。參照《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》，取青貯玉米喂入速度vw范圍為1.6～2.9 m/s，動刀片數(shù)量z=6，切碎主軸轉(zhuǎn)速n=1 497 r/min，代入式(6)，得到理論切碎長度范圍為11～20 mm。

3 試驗臺測控系統(tǒng)設計

3.1 測控系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件示意圖如圖7所示?？刂葡到y(tǒng)硬件部分主要由上位機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和動力系統(tǒng)組成。動力系統(tǒng)是給青貯玉米喂入切碎裝置試驗臺正常運轉(zhuǎn)提供動力的電氣控制柜組合，主要由變頻器和電動機組成，變頻器和PLC通過通訊模塊建立連接，實現(xiàn)電動機控制狀態(tài)監(jiān)測，并實時記錄電流、電壓；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集電動機扭矩信號，其中插禾運輸機只起到模擬田間收獲的狀態(tài)，因此無需測其扭矩；上位機系統(tǒng)主要由人機交互界面和PLC組成，用于處理和顯示相關(guān)參數(shù)、控制試驗臺的啟停。

圖7 控制系統(tǒng)硬件示意圖

該試驗臺動力裝置采用YX3-180L-4和YX253-225S-4三相異步電動機，該電動機具有調(diào)速范圍廣、運行平穩(wěn)的特點。變頻器采用GD200A-022G/030P-4和GD200A-037G/045P-4開環(huán)矢量變頻器，該變頻器具有優(yōu)異的矢量控制性能，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制、速度控制的一體化，運用DSP控制系統(tǒng)，應用靈活，性能穩(wěn)定，支持提供RS485通訊接口，采用國際標準的ModBus通訊協(xié)議進行主從通訊，可通過PC/PLC控制，進而實現(xiàn)集中控制(設定變頻器控制命令、運行頻率、相關(guān)功能碼參數(shù)修改，變頻器工作狀態(tài)及故障信息監(jiān)控等)，以適應特定應用要求。扭矩傳感器采用HCNJ-101 型動態(tài)扭矩傳感器，該傳感器檢測精度高、穩(wěn)定性好，抗干擾性強，體積小、重量輕、易于安裝。安裝時，扭矩傳感器兩端通過聯(lián)軸器分別與傳動軸連接。

PLC型號根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)、I/O點數(shù)等進行選擇。本系統(tǒng)有模擬量輸入信號3組，而變頻器需通過RS485和RS232實現(xiàn)通訊，硬件組成見表2。

表2 試驗臺硬件參數(shù)Tab. 2 Technical parameters of test bench

3.2 測控系統(tǒng)軟件設計

3.2.1 控制系統(tǒng)軟件功能框圖

本系統(tǒng)主要通過人機交互界面發(fā)送和接收相關(guān)指令，實現(xiàn)對試驗臺控制，控制系統(tǒng)功能框圖見圖8。

圖8 控制系統(tǒng)功能框圖

其主要步驟為功能或界面選擇，割臺、喂入和切碎部件啟停，參數(shù)選擇等。

3.2.2 控制系統(tǒng)人機交互界面設計

選用TPC1062K觸摸屏作為青貯玉米喂入切碎裝置試驗臺的人機交互界面，其可通過串口通信電纜與PLC連接。TPC1062K觸摸屏采用163 mm×226.6 mm 高亮度TFT液晶顯示屏，其分辨率為800像素×480像素，可用于控制信息的輸入和現(xiàn)場采集工作數(shù)據(jù)的顯示。

青貯玉米喂入切碎裝置試驗臺的人機交互界面由主界面、參數(shù)設置、曲線報表、歷史數(shù)據(jù)等組成。在參數(shù)設置界面，可以進行相關(guān)部件運行速度設定；在曲線報表界面，通過選擇相關(guān)參數(shù)，可以完成實時曲線繪制；在主界面右側(cè)，可以檢測其部件運行狀態(tài)。

3.2.3 通訊及監(jiān)控程序

該程序主要用來控制試驗臺運行及監(jiān)控電機運行狀態(tài)。圖9是部分程序，PLC與變頻器通過RS485接口通訊，圖中M1002中繼在PLC啟動時提供正向脈沖，觸發(fā)程序啟動。然后通過MOV指令和SET指令進行通訊格式設置，并完成變頻器頻率設定和讀取。

(a) 通訊部分程序

4 試驗分析

為驗證青貯玉米喂入切碎裝置測控系統(tǒng)實際運行效果，2020年9月10日在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)利用控制系統(tǒng)控制試驗臺對玉米秸稈進行不同條件下的切碎試驗。試驗所用玉米秸稈取自甘肅省農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)機械試驗示范基地處于乳熟中期全株玉米。

4.1 試驗方法

功率和標準草長率是評價試驗裝置工作性能主要指標。功率是通過安裝在喂入裝置和切碎裝置上的扭矩傳感器測定，試驗過程中，實時記錄喂入裝置和切碎裝置的扭矩和轉(zhuǎn)速，利用瞬時功率計算，獲得實時切碎功率。計算公式為

(7)

式中：P——電機功率，kW；

T——電機轉(zhuǎn)矩，N·m；

n′——電機轉(zhuǎn)速，r/min。

標準草長率：即切段長度的均勻性，是檢驗青貯收獲機作業(yè)質(zhì)量標準的關(guān)鍵參數(shù)之一。切斷長度不均勻，會降低飼料的質(zhì)量[13]。每次試驗時，取切碎物料樣本1 200～1 500 g，分為3份，每份質(zhì)量為400～500 g，分別稱重計為取樣質(zhì)量Gy；將每份稱重后樣本置于賓州篩頂層篩上，每個方向水平搖動5次篩子，每水平搖動5次旋轉(zhuǎn)90°，搖篩時不得上下顛覆物料，重復過程7次，獲得不同長度范圍內(nèi)的樣品。將賓州篩內(nèi)符合標準長度草系的樣品層分別稱重并累加，累加后的質(zhì)量記為標準長度草的總質(zhì)量Gc，那么，標準草長率

(8)

式中：S——標準草長率，%；

Gc——標準長度草的總質(zhì)量，g；

Gy——取樣質(zhì)量，g。

4.2 試驗結(jié)果與分析

為還原收獲機田間作業(yè)情況，通過調(diào)節(jié)插禾運輸機的插禾機構(gòu)實現(xiàn)株距行距調(diào)節(jié)，采用1.2、1.6、2 km/h三種插禾運輸機速度模擬田間前進速度，秸稈株距為30 cm，所測得標準草長率和試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案與結(jié)果Tab. 3 Protocols and results

試驗前，先啟動切碎裝置和喂入裝置，待各部件運行穩(wěn)定、傳感器信號正常接收后，啟動插禾運輸機。試驗結(jié)束后，保存試驗數(shù)據(jù)，關(guān)閉試驗臺，更換插禾運輸機上玉米秸稈，進行下一次試驗。

根據(jù)文獻[15-16]可知，青貯玉米收獲機的標準草長率需大于等于85%。由表3可知，平均標準草長率為87.44%，滿足設計需求。喂入裝置和切碎裝置的功率變化曲線如圖9所示。圖9(a)～圖9(c)是喂入裝置在不同前進速度下的功率和轉(zhuǎn)速曲線，圖9(d)～圖9(f)是切碎裝置在不同前進速度下的功率和轉(zhuǎn)速曲線。圖中只畫出了各個部件運行穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速和功率的曲線。

由圖9可知，在空載狀態(tài)下，喂入裝置功率為1.5 kW，切碎功率為2.0 kW；當玉米秸稈進入后，喂入裝置和切碎裝置都出現(xiàn)了功率急劇增加的現(xiàn)象，當喂入速度為1.2、1.6、2.0 km/h時，喂入裝置瞬時最大喂入功率分別為3.5、4.6、5.8 kW；切碎裝置瞬時最大喂入功率分別為22、28、29 kW。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)青貯玉米機械化收獲需求，設計了喂入裝置和切碎裝置，通過收獲要求，確定了各個部件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)。開發(fā)了喂入切碎裝置試驗臺測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時采集、顯示與保存喂入裝置和切碎裝置的扭矩、轉(zhuǎn)速等信息，進而計算得到各個部件的功率消耗。

2) 設計的喂入切碎試驗裝置的標準草長率為87.44%，滿足設計需求。以喂入速度和功率為試驗因素進行的多次試驗，得到了喂入裝置和切碎裝置的空載功率分別為1.5 kW和2.0 kW，滿載瞬時最大功率可達5.8 kW和29 kW。本研究可為青貯飼料收獲機的進一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考和技術(shù)支持。