小型牧草收割機(jī)的設(shè)計(jì)

陳鵬德

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

在我國，相當(dāng)大面積的牧草分布在山區(qū)丘陵地帶，其中以苜蓿分布最為廣泛。苜蓿是一種草質(zhì)優(yōu)良、成本低廉、收割次數(shù)多、生長周期短的畜牧飼料，然而苜蓿莖稈韌性大、強(qiáng)度高，人工收割勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低下。目前，我國的牧草收獲機(jī)種類較多，但技術(shù)不成熟，體積較大，難以在地塊狹小、土地形狀不規(guī)則的山區(qū)作業(yè)。為此，設(shè)計(jì)一種由往復(fù)式割刀收割、輸送收集系統(tǒng)和行走支撐系統(tǒng)組成的小型牧草收割機(jī)，通過各裝置的相互配合收割牧草。同時(shí)，該裝置還具有修剪草坪、收割小麥的功能。

1 小型牧草收割機(jī)設(shè)計(jì)思路與要求

1.1 總體方案

小型牧草收割機(jī)的設(shè)計(jì)需要充分發(fā)揮鏈輪與皮帶輪的特性，最大限度地利用皮帶輪和鏈輪裝置對牧草進(jìn)行收割且保證收割質(zhì)量。根據(jù)牧草生長在狹小地塊且地塊不規(guī)則的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種專用的小型牧草收割機(jī)，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少收割對苜蓿的踐踏及對草根的傷害。機(jī)具配有調(diào)節(jié)割茬高低的裝置，利用機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。

1.2 設(shè)計(jì)要求

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率調(diào)節(jié)范圍為3～10 kW。適用收割牧草的高度為40～60 mm。割臺(tái)位置最低距離地面高度 30 mm。 作業(yè)速度為 0.8～1.5 m／s。

2 小型牧草收割機(jī)整機(jī)總體設(shè)計(jì)

小型牧草收割機(jī)由機(jī)架、收割裝置、電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、牧草輸送收集輸送系統(tǒng)、行走系統(tǒng)組成，總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 小型牧草收割機(jī)總體結(jié)構(gòu)Figure 1 Overall structure of small forage harvester

小型牧草收割機(jī)的總體尺寸（長×寬×高）為1000 mm×1000 mm×550 mm，整機(jī)質(zhì)量約為 100 kg。 收割裝置由汽油機(jī)輸出動(dòng)力，利用皮帶輪和鏈輪帶動(dòng)拔禾輪旋轉(zhuǎn)。牧草輸送收集系統(tǒng)由電機(jī)輸出動(dòng)力，利用皮帶輪傳動(dòng)，減速器控制輸送帶速度，使刮板輸送帶傳送物料。行走系統(tǒng)利用小前輪限制割茬高度，工人推動(dòng)小車驅(qū)動(dòng)兩后輪運(yùn)動(dòng)。另一電機(jī)與割刀構(gòu)成收割系統(tǒng)。

使用時(shí)，啟動(dòng)汽油機(jī)，動(dòng)力通過1號(hào)皮帶輪傳輸至動(dòng)力輸出軸，動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力通過2號(hào)皮帶輪傳遞到刮板輸送器，將牧草收集到收草箱。在動(dòng)力傳遞期間，動(dòng)力輸出軸傳遞出的動(dòng)力經(jīng)二級減速器減速，使刮板運(yùn)輸器低速運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，動(dòng)力輸出軸經(jīng)鏈輪將動(dòng)力傳遞給螺旋輸送器，螺旋輸送器將割刀切割下來的牧草輸送至伸縮拔齒處，再由伸縮拔齒將牧草輸送到刮板運(yùn)輸機(jī)上。同時(shí)，動(dòng)力通過3號(hào)皮帶輪再次輸送至撥禾輪，帶動(dòng)撥禾輪轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪頂尖與動(dòng)刀接觸時(shí)，推動(dòng)割刀向右移動(dòng)，凸輪底部與動(dòng)刀接觸，動(dòng)刀向左移動(dòng)，完成一次往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)。小型牧草收割機(jī)的工作原理如圖2所示。

圖2 小型牧草收割機(jī)的工作原理Figure 2 Working principle of small forage harvesters

3 收割機(jī)的功率需求分析

收割機(jī)功率包括立式割臺(tái)往復(fù)切割器切割功率P1、輸送功率P2功率和行走系統(tǒng)的行走功率P3。

式中：Vm為機(jī)器前進(jìn)速度，m／s；B為機(jī)器割幅，m；L0為切割每平方米面積的莖稈所需功率，Nm／m2。經(jīng)測定牧草L0＝200～300 m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，輸送系統(tǒng)功率需求為：

式中：Pb為輸送系統(tǒng)單位割幅所需功率，kW／m，一般為 0.22～0.5 kW。

行走系統(tǒng)的行走輪功率取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)輪式機(jī)器行走速度為 4 km／h，切割機(jī)耗用功率為 1.0～2.3 kW／t。機(jī)具重100 kg，則其行走功率P3為0.24 kW。

在不考慮傳動(dòng)效率和空轉(zhuǎn)所需功率的情況下，立式割臺(tái)往復(fù)式收割機(jī)最低總功率為：P＝P1+P2+P3＝2.557+0.55+0.24＝3.2（kW）。

4 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

4.1 割臺(tái)

割臺(tái)為小型牧草收割機(jī)的關(guān)鍵部件，主要由電動(dòng)機(jī)、定刀、螺旋輸送器、撥禾輪、伸縮拔齒、凸輪、動(dòng)刀、彈簧組成，其布置如圖3所示。

圖3 割臺(tái)結(jié)構(gòu)Figure 3 Header structure

切割牧草過程中，電機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪推動(dòng)動(dòng)刀向右移動(dòng)，當(dāng)動(dòng)刀移動(dòng)到最右端時(shí)壓縮彈簧；在彈簧的作用下，動(dòng)刀向左推動(dòng)，完成一次往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)。在切割的同時(shí)，撥禾輪與螺旋輸送器同步轉(zhuǎn)動(dòng)。撥禾輪此時(shí)起到3個(gè)作用：一是把割臺(tái)前方的牧草撥向割刀；二是在割刀切割牧草時(shí)扶持牧草，防止其向前傾倒；三是將牧草及時(shí)推送到輸送器上。

4.2 機(jī)架

機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 200 mm，由40 mm×60 mm或40 mm×40 mm方形鋼焊接而成，如圖4所示。

圖4 機(jī)架結(jié)構(gòu)Figure 4 Rack structure

機(jī)架前端與割臺(tái)相連，起支撐作用；中間焊接有底板，用來放置電機(jī)、油箱、收草箱等。機(jī)架中部焊接支撐管，后部焊接扶手。裝置行走由人力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)機(jī)架體積較小，型材輕便，成本低，焊接工序簡單，方便家庭及小型農(nóng)牧場使用。

4.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)割草機(jī)工作的重要部件，由汽油機(jī)、1號(hào)皮帶輪、皮帶、2皮帶輪、鏈輪、動(dòng)力輸出軸和3號(hào)皮帶輪組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 5 Transmission system structure

汽油機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力，由1號(hào)皮帶輪傳遞至動(dòng)力輸出軸，并將動(dòng)力分為2級：一級由2號(hào)皮帶輪傳遞到減速器；另一級由鏈輪傳遞給割臺(tái)的螺旋輸出軸。同樣，螺旋輸出軸通過3號(hào)皮帶輪將動(dòng)力傳遞到撥禾輪。

4.4 動(dòng)力輸出軸受力分析

1）當(dāng)網(wǎng)格單元?jiǎng)澐窒嗤┘拥妮d荷不同時(shí)，動(dòng)力輸出軸受力見圖6。

圖6 應(yīng)力分布圖Figure 6 Stress distribution map

從圖 6可以看出：當(dāng)施加載荷為 1000，2000，3000 N時(shí)，應(yīng)力最大位置均在固定軸承支撐的鏈輪放置處截面上，這與實(shí)際情況相符；3種載荷下的最大應(yīng)力為 1.260e+005，1.513e+007，1.978e+008 N／m2。隨著外加載荷的增加，應(yīng)力隨之增加，近似成線性關(guān)系。

2）當(dāng)網(wǎng)格單元?jiǎng)澐窒嗤┘拥妮d荷不同時(shí)，動(dòng)力輸出軸受力見圖7。

圖7 應(yīng)變分布圖Figure 7 Strain distribution map

從圖7來看，當(dāng)施加載荷為1000，2000，3000 N時(shí)，最大應(yīng)變的位置均為懸臂梁與墻壁固定的部位，與實(shí)際情況相吻合；3種載荷下的最大應(yīng)變分別為7.469e-007，5.526e-005，3.625e-004 N／m2。 隨著載荷的增加，應(yīng)變隨之增加，近似呈線性關(guān)系。

3）動(dòng)力輸出軸受力分析結(jié)果表明，動(dòng)力輸出軸符合要求。

5 結(jié)論

小型牧草收割機(jī)由小電機(jī)加汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用皮帶輪和鏈輪傳動(dòng)，能解決地塊狹小、土地形狀不規(guī)則的山區(qū)丘陵地帶牧草收割難題。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，收割機(jī)具有結(jié)構(gòu)合理、材質(zhì)簡潔、切削效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，適合在中小型家庭或農(nóng)牧場推廣使用。

為更好地驗(yàn)證裝置的性能，還需進(jìn)行割臺(tái)切割的正交試驗(yàn)，確定裝置工作的最佳工藝參數(shù)。同時(shí)，應(yīng)考慮割茬高度和牧草輸送收集過程中是否堵塞的問題。另外，割刀的磨損分析也有待于進(jìn)一步研究。