于文龍,呂鳳玉,孫 安,吳新明,范怡汝,丁 莉

(1.甘肅省機械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730030; 2.甘肅金科峰農(nóng)業(yè)裝備工程有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730070;3.甘肅省先進(jìn)設(shè)計與制造技術(shù)工程實驗室,甘肅 蘭州 730030; 4.甘肅省飼草機械裝備創(chuàng)新中心,甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

丘陵山區(qū)地塊的面積通常較小且形狀不規(guī)則,因而不同地域種植的牧草品種的差異性較大。這些牧草包括箭舌豌豆、苜蓿等豆科牧草,羊草、冰草、甜高粱、全株玉米、燕麥等禾本科牧草,胡枝子、檸條等灌木類等高矮桿作物。不同地形及不同作物所用的收獲機不同。國外牧草收獲機以大型為主,主要適用于規(guī)則平整的大田作業(yè),但大型收獲機在我國梯田、水地等丘陵山地的適應(yīng)性很差。國內(nèi)銷量較好的農(nóng)哈哈、美迪等公司的青貯收獲機行走系統(tǒng)采用輪式底盤,對土地的壓實力大,易造成土壤板結(jié)。星光農(nóng)機、沃得農(nóng)機設(shè)計的騎馬式履帶底盤糧食收獲機,在這些地域的通過性都較好,但實現(xiàn)不了青貯牧草收獲作業(yè)。雷沃谷神、頂呱呱、沃工等公司研發(fā)的履帶式割幅1.6～2.4 m的青飼料收獲機,可有效解決上述地區(qū)青貯收獲作業(yè)問題,可填補機具短缺的空白[1-5]。青貯收獲機在收獲完相應(yīng)作物后,整車的重心會提高,由于地塊的橫坡和縱坡角度變化大,使轉(zhuǎn)彎掉頭危險性較大,因此需要機手對機具操作熟練且能應(yīng)對突發(fā)狀況。我國丘陵山區(qū)的經(jīng)濟普遍不發(fā)達(dá),且從事農(nóng)業(yè)的人員年齡偏大,因此開發(fā)一款操作使用簡單、安全性高、性價比高的青貯收獲機對于解決丘陵山區(qū)無合適機具可用、勞動力短缺等問題具有積極意義。筆者針對上述問題,研究設(shè)計了一種具有收割、切碎及拋送等功能的9QZ-1.6青貯玉米收獲機。田間試驗表明,此設(shè)備具備對高桿作物良好的收獲能力,尤其在開道作業(yè)和小型地塊作業(yè)過程中有較強優(yōu)勢,這為收獲機在整體布局、設(shè)備舒適性及關(guān)鍵零部件等優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計提供了參考和依據(jù)。

1 9QZ-1.6型青飼料收獲機總體結(jié)構(gòu)和工作原理

9QZ-1.6青飼料收獲機適用于山地丘陵地區(qū)收獲作業(yè),整機收獲青貯玉米流程如圖1所示。秸稈含水率在65%～75%之間,其采用輪邊液壓驅(qū)動裝置、高性能進(jìn)口液壓組件,操作簡單方便、行走能力強,可實現(xiàn)原地調(diào)頭。割臺采用上傳動割茬低,圓盤割刀不對行收割,作業(yè)環(huán)節(jié)包括扶禾、秸稈切斷、秸稈喂入、秸稈切碎、碎料拋送、碎料入料倉、卸料。收獲機割臺下設(shè)置有用于切斷秸稈的高速旋轉(zhuǎn)的刀片,割下的作物輸送到釘齒式喂入機構(gòu),進(jìn)而由切碎機構(gòu)對秸稈進(jìn)行鍘切,然后切碎刀盤高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力將碎料通過切碎刀輥上的拋送葉片加速拋送入拋料筒,最后送入料倉。料倉容積大,且能快速卸料。

圖1 9QZ-1.6青飼料收獲機收獲流程示意圖

自走式青貯收獲機工作時,發(fā)動機輸出動力并將動力傳遞到整體式液壓傳動裝置(HST),用以控制底盤行駛系統(tǒng),動力經(jīng)變速箱傳遞到前端掛接的懸掛式收獲部件,控制其進(jìn)行作業(yè)。收獲功能部件包括切割輸送裝置、喂入裝置、切碎裝置和拋送裝置及其他功能部件。青貯收獲機向前行駛,青貯作物進(jìn)入割臺工作區(qū)域,作物底部被旋轉(zhuǎn)的割刀盤割斷后,撥禾齒將底部割斷的作物順著進(jìn)料通道送入夾持喂入裝置,喂入輥旋轉(zhuǎn)將作物送到切碎裝置中,切碎刀輥快速旋轉(zhuǎn),把作物切段切碎,細(xì)碎物料通過拋料裝置收集在料倉中。9QZ-1.6履帶自走式青貯飼料收獲機主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 9QZ-1.6主要技術(shù)參數(shù)(設(shè)計值)

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計與分析

割幅小且適用性強的高矮桿割臺主要由機架、扶禾器、分禾器、切割輸送轉(zhuǎn)筒、割刀盤、清草刀及傳動部件等組成,提升拉桿和舉升油缸掛接在履帶自走式底盤上,割臺后方連接在喂入機構(gòu)兩側(cè)壁前段支座上。為使收獲機在丘陵山地有較好的通過性,設(shè)計了割臺液壓升降裝置,可同時滿足不同作物割茬高度以及設(shè)備離地間隙要求[6-7]。

2.1 切割輸送裝置

(1) 圓盤切割器設(shè)計

設(shè)計割幅1 600 mm,機體寬度1 720 mm,滾筒數(shù)量2個,兩滾筒的切割刀盤之間的間隙δ為60 mm,割刀最外緣與割臺側(cè)護(hù)板之間的間隙δ1為30 mm。

切割器割刀盤直徑d0為:

(1)

依據(jù)高略契金力學(xué)試驗,用滑切切割方式,初設(shè)圓盤切割器旋轉(zhuǎn)平面與水平面的夾角α=10°,鋸齒割刀扇形角45°。

圓盤切割器任意一點的運動軌跡是由自身的旋轉(zhuǎn)軌跡與收獲機向前行駛的直線軌跡合成而來的余擺線。以運動中的一點A為例,A點的運動軌跡方程如下:

(2)

(3)

(4)

聯(lián)立上式得:

(13)

式中:r為切割器刀刃端點半徑;ω為切割器角速度;t為切割器旋轉(zhuǎn)時間;φ為切割刀端部與回轉(zhuǎn)中心的夾角;vj為青貯機前進(jìn)速度。

機組前進(jìn)速度初設(shè)vf=2.5 km/h,刀片切割速度取va=35 m/s>vamin

vamin=γω-vj

(5)

(6)

(7)

經(jīng)計算得出切割器轉(zhuǎn)速n=1 200 r/min,為保證較好的切碎效果,割刀進(jìn)程近似于h(h為切刀有效工作長度),刀齒刀刃上最遠(yuǎn)端兩點a和b點在單位時間內(nèi)的位移差與刀齒油箱工作長度相同,要求:

|ya-yb|=h

(8)

圓盤刀刃全長參與切割,即相鄰刀刃在相同單位作業(yè)量情況下工作時長大于或近似等于相同單位作業(yè)量情況下機組前進(jìn)位移所用時間,時間t表示為:

(9)

式中:t為相鄰刀刃轉(zhuǎn)過的時間間隔,s;m為圓盤刀齒數(shù);va為割刀圓周切割速度,m/s;vj為機組作業(yè)前進(jìn)速度,m/s;d0為切割刀盤直徑,mm。

由上式得出評價切割質(zhì)量的指標(biāo),即:

(10)

上式表示了割刀切割線速度與機組前進(jìn)速度之間的關(guān)系,在割茬高度均勻變化程度不大的情況下,實際得出良好的切割質(zhì)量和作業(yè)效率。

(2) 輸送滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)計

下層折彎撥禾齒最先與割斷的作物秸稈接觸輸送,因此,撥禾齒的性能很大程度決定了割臺的輸送能力。下層折彎撥禾齒齒數(shù)初設(shè)Z=24,滾筒轉(zhuǎn)動一周理論輸送作物植株24株,青貯玉米理想均勻株距L=25 cm,機具前進(jìn)收獲速度V=2.5 km/h,則輸送滾筒的轉(zhuǎn)速設(shè)計為:

(11)

式中:n為輸送滾筒轉(zhuǎn)速,r/min;V為機具前進(jìn)收獲速度,m/s;Z為下層折彎撥禾齒齒數(shù);L為株距,m。

經(jīng)計算可知,實際生產(chǎn)過程中V處于2.5～10 km/h之間,為得到較高的輸送效率,將輸送滾筒轉(zhuǎn)速確定為n=50 r/min。

為確保青貯物料通過順暢,夾持輸送撥禾齒的鉗送能力強,各層撥禾齒之間的配合度高,對擋料板進(jìn)行了仿形設(shè)計。此設(shè)計可有效解決物料通道容易堵塞的問題,降低莖稈纏繞的發(fā)生概率。割臺適用性強,割刀盤旋轉(zhuǎn)鋸切力大,能實現(xiàn)對多種桿狀作物的不對行切割收獲作業(yè),切割輸送滾筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 切割輸送滾筒裝置總體結(jié)構(gòu)

2.2 夾持喂入裝置

該收獲機喂入裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 喂入裝置

喂入輥是喂入裝置的核心部件,位置位于物料通道后方,喂入輥豎直設(shè)置,沿喂入輥外緣軸向布置有均勻分布的焊接鋸齒形齒條板,齒條板在左右輥上交錯布置,以保證物料順暢流入切碎裝置[8]。喂入輥轉(zhuǎn)速設(shè)計時需保證設(shè)備生產(chǎn)率≥30 t/h。切碎刀刀片是每個位置的線速度,莖稈被喂入輥卷向切碎刀盤定刀,物料的切碎長度可推導(dǎo)為:

(12)

式中:lc為物料理論切碎長度,m;Vw為物料喂入速度,m/s;nd為切碎器主軸轉(zhuǎn)速,r/min;Zp為動刀數(shù)量,Zp=10。

初設(shè)切碎長度為0.03 m,取物料喂入速度Vw=5 m/s,求得nd=1 200 r/min。

(13)

(14)

將nd=1 200 r/min代入,最終求得喂入輥的轉(zhuǎn)速nw=400 r/min。

2.3 切碎裝置

該切碎裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 切碎裝置結(jié)構(gòu)圖

切碎揉搓裝置為盤刀式,入料口與喂入裝置緊密連接,其主要的功能部件包括旋轉(zhuǎn)刀盤、切削刀片、揉搓板、拋送葉片。切削刀片圓周均勻排列且數(shù)量可調(diào),動刀片刀刃沿與刃線垂直線成一定偏角的方向切入莖稈,即動刀片切割方式為滑切,這種切割方式可減少阻力,使得切割變得更省力。切碎揉搓裝置殼體內(nèi)側(cè)設(shè)置揉搓板及揉搓齒條,使切削刀片和揉搓板條之間形成一段捻動行程,切斷的作物秸稈被刀片和揉搓板條捻碎,再被拋送葉片送至拋料裝置中[9]。

此青貯收獲機實際生產(chǎn)率計算公式為:

Qt=15SQcvf×10-4

(16)

式中:S為割臺的工作幅寬,S=1.6 m;Qc為作物產(chǎn)量,取5 000 kg/畝;vf為機器工作速度,取2.5 km/h;經(jīng)計算得實際生產(chǎn)率Qt=30 t/h。

輸送裝置實際的生產(chǎn)率與理論生產(chǎn)率之比為物料喂入口的充滿系數(shù)ε,ε計算公式為:

(17)

將數(shù)值代入得ε=30/47.52=0.63,此值處于0.6～0.65之間,上述符合設(shè)計要求,實際切碎生產(chǎn)率大于單位時間物料的收獲量,所以物料切碎裝置的設(shè)計也符合實際工作要求。

2.4 拋送機構(gòu)

拋送裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 拋送裝置

拋送葉片數(shù)量與動刀相同,都為10個,均為掌形徑向直葉片,每個拋送葉片與動刀沿切碎刀輥面形成15°,切碎刀輥旋轉(zhuǎn)時,拋送葉片最高點與入口斷面最短距離為120 mm,拋送葉片與拋送底座殼體最短距離為8 mm。旋轉(zhuǎn)過程中,拋送葉片最外緣形成直徑680 mm的圓,將單位時間Δt內(nèi)每組動刀和拋送葉片轉(zhuǎn)過后的拋送物料量與切碎物料量之比定義為單位時間內(nèi)的瞬時拋送效率P,并使P達(dá)到82%[10]。

(18)

(19)

(20)

式中:H為喂入口高度,m;W為喂入口寬度,m;Vw為物料喂入速度,m/s;Δt為單位時間,此處可取0.1 s;R1為拋送葉片最外緣半徑,m;R2為切割動刀下端最內(nèi)緣半徑,m;ly為拋送葉片寬度,m;vq為切碎刀輥線速度,m/s;Rq為切碎刀盤半徑,m;nd為切碎輥主軸轉(zhuǎn)速,r/min;T為周期,s。

將已知數(shù)據(jù)H=0.22 m,W=0.025 m,Vw=5 m/s,R1=0.34 m,R2=0.185 m,ly=0.13 m,Rq=0.26 m,nd=1 200 r/min,并聯(lián)立以上三式獲得結(jié)果P=0.816,即瞬時拋送效率為82%,拋送效率高。

下拋送筒入口斷面與切碎裝置殼體連接,出口斷面不宜過大,一般為0.04～0.05 m2,下拋送筒的梯度比mTV是下拋送筒的出口斷面積與入口斷面積之比,一般mTV處于0.45～0.55之間,下拋送筒的高度H=(1.25～1.43)mTV,單位m。獲得設(shè)計高度H=560 mm。此收獲機拋送高度可用下式計算:

(21)

式中:vq為拋送葉片即切碎刀輥的圓周速度,m/s;ηH為由于物料在拋送過程中互相碰撞、纏繞并與管壁摩擦而造成拋送高度降低的系數(shù),常用ηH=0.2～0.35,此處取0.2;g為重力加速度,取9.8 m/s2;求得拋送高度為3.4 m。物料的最大拋送距離S為:

(22)

式中:ηH為物料拋送高度降低系數(shù),取0.2;K空為物料在空氣中的阻力系數(shù),取0.5;v拋為拋送物料的初速度,近似于vq,m/s;θ為拋送角,(°),此處取45°;最終獲得了物料拋送距離可達(dá)到10 m。

3 9QZ-1.6型青飼料收獲機樣機田間試驗

3.1 行駛性能試驗

玉米試驗地長大于90 m,符合試驗方法中試驗地長度不小于90 m、測區(qū)長度不小于50 m的要求,測區(qū)前后各留有20 m的穩(wěn)定區(qū)。測定收獲機最大空載行走速度和最大作業(yè)速度,將9QZ-1.6青飼料收獲機樣機駛?cè)敫捎财秸穆访嫔?變速桿掛入最高檔,機器以最大行駛速度行駛50 m,測定所需時間。測三次,計算平均時間,并計算出行駛速度;將青貯飼料收獲機駛?cè)朐囼灥貕K中,作業(yè)時,變速桿掛入最高檔 ,機器以最快作業(yè)速度行駛100 m,測定所需時間,測三次,并計算出行駛速度。樣機空載及最大作業(yè)時的通過時間和行走速度如表2所列。

表2 樣機行走、作業(yè)速度測定表

3.2 作業(yè)性能試驗

(1) 實際收獲作業(yè)速度測定

樣機通過檢測區(qū)時記錄通過的時間,并將測量和計算數(shù)據(jù)記入表3中,按式(23)計算:

表3 全株玉米作業(yè)情況測定表

v=L/t

(23)

式中:v為試驗樣機作業(yè)前進(jìn)速度,m/s;L為測定區(qū)長度,m;t為樣機通過測定區(qū)的時間,s。

(2) 實際收獲生產(chǎn)率測定

過檢測區(qū)時,記錄通過的時間,將測量和計算結(jié)果記入表3中,并按式(24)計算:

vj=3.6 L/t

(24)

式中:vj為試驗機器作業(yè)前進(jìn)速度,km/h;L為測定區(qū)長度,m;t為機器通過測定區(qū)的時間,s。

生產(chǎn)率按式(25)計算:

E=0.1BvjKQC

(25)

式中:E為生產(chǎn)率,t/h;B為割幅寬度,m;vj為試驗機器前進(jìn)(作業(yè))速度,km/h;K為割幅寬度的利用系數(shù);QC為作物產(chǎn)量的每公頃產(chǎn)量,t/hm2。

(3) 割茬高度測定

每個行程測區(qū)長度方向上取定3點,在每個測點1 m×1 m范圍內(nèi)測量玉米秸稈留茬高度,測量割茬切口至地面(壟頂)高度,取其平均值記錄,如表3所列。

4 結(jié) 語

上述試驗于2022年9月10日～2022年9月27日在甘肅金科脈草業(yè)有限責(zé)任公司古浪縣泗水鎮(zhèn)生產(chǎn)基地進(jìn)行。試驗表明,9QZ-1.6青貯飼料收獲機樣機空載和作業(yè)過程中,各項性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。試驗過程中設(shè)備具備對高桿作物良好的收獲能力,尤其在開道作業(yè)和小型地塊作業(yè)過程中有較強優(yōu)勢,后期需對收獲機的整體布局、設(shè)備舒適性及關(guān)鍵零部件等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計,以進(jìn)一步提高設(shè)備作業(yè)效率及可靠性。