4QM-4.0型麻類青飼料聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

劉佳杰，馬蘭，向偉，顏波，文慶華，呂江南

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙市，410205)

0 引言

飼用苧麻等麻類作物的嫩莖葉中營養(yǎng)豐富且年生物產(chǎn)量高，是一種優(yōu)良的植物蛋白飼料原料[1-3]。使用時(shí)可直接作青飼料進(jìn)行喂養(yǎng)，也可以打包制作成青貯飼料，還可以作蛋白飼料添加劑加以利用。飼用苧麻已經(jīng)列入農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃(2016—2020)》[4]。在飼用苧麻發(fā)展過程中，缺乏大型高效生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備是產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的難題。生產(chǎn)上使用的小型割曬機(jī)與切碎機(jī)分段收獲加工模式，生產(chǎn)成本高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，不利于產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。采用聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)模式是提高飼用苧麻收獲效率，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路[5]。

青飼料聯(lián)合收割機(jī)主要分為自走式和懸掛式兩種[6]。應(yīng)用作物主要集中在青貯玉米、高粱等高稈作物和苜蓿、小麥等矮稈作物。美國及西歐的自走式青貯飼料收獲機(jī)技術(shù)較先進(jìn)，所生產(chǎn)的自走式青貯飼料收獲機(jī)具有自動(dòng)化程度高、行走速度快、收獲效率高和駕駛環(huán)境舒適等特點(diǎn)，且機(jī)器割臺(tái)多種多樣，一般具有自動(dòng)磨刀、自動(dòng)潤滑、自動(dòng)對(duì)行及金屬探測等功能[7]。國內(nèi)青飼料聯(lián)合收割機(jī)研究起步相對(duì)較晚，基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。主要體現(xiàn)在產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，可靠性低，自動(dòng)化水平不高。經(jīng)過近些年的發(fā)展，目前，我國已經(jīng)初步形成了玉米和牧草的青飼料收獲機(jī)械的技術(shù)體系，并擁有了大型成套生產(chǎn)設(shè)備[8]。但是在飼用苧麻青飼料聯(lián)合收割機(jī)專用設(shè)備設(shè)計(jì)上，關(guān)鍵部件參數(shù)以及物料與部件相互作用關(guān)系方面上的研究十分欠缺，尚未見有關(guān)報(bào)道。

由于麻類作物與苜蓿、黑麥草、飼用玉米等青飼料作物在物理特性上有較大差異。在生產(chǎn)上，采用現(xiàn)有大型玉米或牧草聯(lián)合收割機(jī)收獲苧麻時(shí)，收割割臺(tái)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)纖維纏繞滾筒和物料堵塞割臺(tái)的現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)器無法正常工作。4QM-4.0型麻類青飼料收割機(jī)割臺(tái)根據(jù)飼用苧麻的田間生長特性及飼用苧麻物料自身物理特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過理論計(jì)算與試驗(yàn)分析，確定了割臺(tái)各關(guān)鍵裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 整機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)工作原理

根據(jù)飼用苧麻種植規(guī)范和收割要求，該機(jī)主要由收割割臺(tái)、輸送裝置、行走裝置、切碎裝置、提升裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、集料箱等部分組成。收獲機(jī)的配套動(dòng)力為70 kW，整機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、操縱方便的特點(diǎn)。機(jī)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 4QM-4.0型麻類青飼料聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu)圖

工作原理如下：麻類青飼料聯(lián)合收割機(jī)的動(dòng)力采用液壓系統(tǒng)提供，能一次完成飼用苧麻收割、輸送、切碎和集料等各項(xiàng)作業(yè)，整機(jī)工作時(shí)，調(diào)整收割機(jī)割臺(tái)撥禾輪的高度，使撥禾裝置與作物莖稈高度保持在合適范圍；分禾裝置將作業(yè)幅寬內(nèi)兩側(cè)的麻稈扶起；切割裝置將田間麻稈切斷并經(jīng)撥禾輪撥入切割割臺(tái)上，切割割臺(tái)上的彈齒和輸送攪龍將麻莖稈送入縱向輸送裝置；隨后切碎裝置內(nèi)的夾持裝置將麻莖稈夾持住，切碎刀輥開始工作完成整個(gè)切碎過程；切碎后的物料經(jīng)過提升裝置輸送至集料箱；待集料箱滿后經(jīng)液壓卸料裝置將物料卸載裝入運(yùn)輸車內(nèi)。

1.2 飼用苧麻的生長特性及最佳收獲高度

為了使收割機(jī)割臺(tái)適應(yīng)飼用苧麻田間收獲，對(duì)飼用苧麻田間生長特性進(jìn)行了調(diào)查。通過對(duì)不同刈割高度下飼用苧麻“中苧1號(hào)”和“中苧2號(hào)”的生長性能、產(chǎn)量和飼用品質(zhì)變化情況進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：以年風(fēng)干物和粗蛋白產(chǎn)量最高為評(píng)價(jià)指標(biāo)，不同的飼用苧麻品種最佳刈割高度存在差異[9]，“中苧1號(hào)”的最佳刈割高度為1 200～1 400 mm，而“中苧2號(hào)”的最佳刈割高度為1 000～1 200 mm[10]。因此，收割機(jī)割臺(tái)應(yīng)對(duì)1 000～1 400 mm高度的作物具備收獲能力?？紤]到作物生長差異性，割臺(tái)高度調(diào)整范圍設(shè)計(jì)為800～1 600 mm。飼用苧麻生長特性及最佳刈割高度見表1。

表1 飼用苧麻生長特性及最佳刈割高度

1.3 臥式收割割臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足不同高度麻莖稈輸送需求，在臥式割臺(tái)中部設(shè)計(jì)了彈齒輸送器。在機(jī)器工作時(shí)，彈齒輸送器、撥禾輪與喂入攪龍相互配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)苧麻物料的高效輸送；為便于苧麻莖稈的順利鋪放，臥式割臺(tái)的長度比傳統(tǒng)谷物收割機(jī)割臺(tái)的長度長300 mm，收割臺(tái)總長度達(dá)1 000 mm以上，保證了飼料收割機(jī)可以滿足1 600 mm 以下的苧麻莖稈收獲與輸送。為了適應(yīng)不同高度苧麻莖稈收割，本割臺(tái)可通過液壓缸進(jìn)行高度升降。

收割機(jī)割臺(tái)主要由喂入攪龍、往復(fù)式割刀、撥禾輪、彈齒輸送器、擋板和導(dǎo)麻板等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 臥式收割割臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 撥禾輪參數(shù)設(shè)計(jì)

撥禾輪作為收割作業(yè)中重要的導(dǎo)向部件，作業(yè)時(shí)撥禾輪將物料撥向割刀，并在切割的過程中配合切割動(dòng)作扶持作物[11]。對(duì)于傾斜倒伏作物，撥禾輪可將其扶起，避免損失，切斷后，撥禾輪繼續(xù)將作物向后推送入割臺(tái)內(nèi)部，在喂入攪龍的作用下送入縱向輸送裝置防止堵塞。

撥禾輪的運(yùn)動(dòng)是由機(jī)器整體前進(jìn)速度和撥禾輪繞軸圓周運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成。對(duì)撥禾輪正截面建立坐標(biāo)系，以撥禾輪中心軸在地面的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)，收獲機(jī)前進(jìn)方向?yàn)樽鴺?biāo)系X1軸正方向，以對(duì)地面的垂直高度為Y1軸正方向。撥禾輪的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)方程見式(1)，運(yùn)動(dòng)軌跡見圖3所示。

圖3 撥禾輪的運(yùn)動(dòng)軌跡

(1)

式中：V1——收割機(jī)的前進(jìn)速度，m/s；

R1——撥禾輪的圓周半徑，mm；

w1——撥禾輪的角速度，rad/s；

H——切割器離撥禾輪軸的高度，mm；

h——割茬高度，mm；

t——行進(jìn)時(shí)間，s。

圖3中的β為撥禾輪圓周轉(zhuǎn)速與收割機(jī)前進(jìn)速度的比值，被稱為撥禾輪速比。

(2)

利用MATLAB軟件EDITOR窗口編程，分析式(1)和式(2)，給參數(shù)β賦值繪制式(1)參數(shù)方程運(yùn)動(dòng)曲線。發(fā)現(xiàn)不同的撥禾輪速比，將導(dǎo)致不同運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)β>1時(shí)，撥禾輪彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，軌跡圖如圖3中①所示；當(dāng)β≦1，撥禾輪彈齒軌跡圖如圖3中②和③所示。只有當(dāng)β>1時(shí)，撥禾輪彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，撥禾輪才有向后分速度，才能實(shí)現(xiàn)正常的撥禾。

撥禾輪速比過大會(huì)導(dǎo)致割臺(tái)振動(dòng)增大與顆粒類作物收獲時(shí)損失率增加。一般易落粒作物的β值取1.5～2.0[12]。考慮本作物為無籽粒整稈收獲，本設(shè)計(jì)β取2.0。機(jī)器的行走速度V1為1.2 m/s，則可根據(jù)式(3)計(jì)算撥禾輪的轉(zhuǎn)速n1。

(3)

為減少作物葉片損失，彈齒工作時(shí)應(yīng)該從豎直方向插入作物。撥禾輪的半徑需滿足式(4)。撥禾輪豎直入禾時(shí)此刻其水平分速度為0[13-15]，對(duì)式(1)進(jìn)行時(shí)間微分，可以得到撥禾輪運(yùn)動(dòng)速度對(duì)X1軸的水平分量Vx，因此有式(6)。

同時(shí)彈齒入作物的軌跡的最低點(diǎn)應(yīng)該位于作物重心位置稍微偏上，如低于重心位置則作物可能會(huì)彎曲懸掛在彈齒之上，被拋出機(jī)器外面，因此撥禾輪的半徑還需要滿足式(5)。

L=H+h-R1sinw1t

(4)

(5)

(6)

式中：L——苧麻莖稈高度，mm。

取L=1 200 mm，h=150 mm。聯(lián)合式(2)～式(6)，計(jì)算得出R1=840 mm，H=1 470 mm，n1=27.9 r/min。撥禾輪主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 撥禾輪主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 收割機(jī)割刀參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到收割機(jī)主要收割對(duì)象為飼用苧麻等麻類作物，根據(jù)研究顯示飼用苧麻的最佳收割高度為1 000～1 400 mm，莖粗一般為7～17 mm。選擇單動(dòng)刀往復(fù)式切割方式，Ⅱ型割刀，切割平均速度為1.0 m/s。單動(dòng)刀切割裝置主要由往復(fù)式動(dòng)刀與定刀及支撐架組成，往復(fù)式切割器的切割原理是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)通常選用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 往復(fù)式割刀曲柄連桿機(jī)構(gòu)

以曲柄中心O為圓心半徑，以右方向?yàn)閤軸正方向。則割刀的位移、速度如式(7)～式(10)。

=L2+r-L2cosa-rcosωt

(7)

因?yàn)長≥r，因此有：X≈r-rcosωt

(8)

(9)

ω=2πn2

(10)

式中：X——割刀從C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的位移，mm；

L2——連桿長度，mm；

V2——割刀速度，m/s；

ω——曲柄角速度，rad/s；

r——曲柄半徑，mm；

n2——曲柄的轉(zhuǎn)速，r/min。

其中平均速度V2設(shè)計(jì)值為1 m/s，曲柄的半徑為25 mm；通過式(9)、式(10)計(jì)算出曲柄的轉(zhuǎn)速為540 r/min，旋轉(zhuǎn)頻率為9.00 Hz。

2.3 莖稈撿拾輸送器參數(shù)設(shè)計(jì)

莖稈撿拾輸送器是收獲機(jī)械的關(guān)鍵部件之一，其撿拾性能的好壞直接影響收割割臺(tái)的作業(yè)效果[16]。撿拾器工作時(shí)，伸縮撥齒在滾筒的驅(qū)動(dòng)下逆前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)，撥指從滾筒下方的撥指套中伸出，從鋪放物料的底層伸入后向后挑起物料，隨著機(jī)器的前進(jìn)和滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)將物料挑至滾筒的后方，物料經(jīng)慣性作用進(jìn)入割臺(tái)攪龍。

伸縮撥指上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，所以其運(yùn)動(dòng)軌跡取決于滾筒筒體的圓周線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的比值λ，計(jì)算公式如式(11)所示。

(11)

式中：Vb——撥齒的線速度，m/s；

nb——撥齒的轉(zhuǎn)速，rad/s；

rb——撥齒滾筒半徑，m。

根據(jù)飼用苧麻莖稈的物理特性，為了減少物料的重復(fù)撥送，取λ為2。機(jī)器的前進(jìn)速度V1為1.2 m/s，設(shè)計(jì)撥齒輪滾筒半徑rb為150 mm。根據(jù)式(11)可計(jì)算出撥齒的轉(zhuǎn)速為152.80 r/min，旋轉(zhuǎn)頻率為2.55 Hz。撿拾輸送器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 撿拾輸送器結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 割臺(tái)喂入攪龍參數(shù)設(shè)計(jì)

喂入攪龍又叫螺旋推運(yùn)器，是由螺旋攪龍和伸縮扒指組成，當(dāng)作物被水平切割器切斷后，在兩側(cè)螺旋葉片的作用下向伸縮扒指推送，最后由扒指送入輸送槽。割臺(tái)攪龍由滾筒和外側(cè)攪龍葉片焊接而成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。螺旋攪龍輸送器滾筒直徑及旋轉(zhuǎn)速度一般是由機(jī)器的生產(chǎn)率決定的，考慮到飼用苧麻等麻類作物易纏繞的特性，開展了滾筒苧麻纖維纏繞試驗(yàn)，結(jié)果表明：滾筒直徑與滾筒的旋轉(zhuǎn)速度是影響纖維纏繞滾筒的兩個(gè)重要因素。滾筒直徑越大，旋轉(zhuǎn)的速度越低越不利于纖維纏繞的形成。對(duì)飼用苧麻而言，當(dāng)滾筒直徑D大于300 mm、滾筒轉(zhuǎn)速低于200 r/min時(shí)、纏繞現(xiàn)象基本得到控制[17]。為了保證攪龍?jiān)诠ぷ鬟^程中盡可能的不被苧麻纖維纏繞，因此喂入攪龍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)f(x)需滿足式(12)～式(17)。

圖6 喂入攪龍三維結(jié)構(gòu)圖

f(x)=minf(D，n3)

(12)

D≥300 mm

(13)

n3≤200 r/min

(14)

Q=δ×ρ×q

(15)

(16)

Q>U

(17)

式中：D——喂入攪龍滾筒直徑，mm；

n3——滾筒旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，r/min；

Q——攪龍滾筒單位時(shí)間內(nèi)撥送物料重量，kg/s；

δ——物料壓實(shí)系數(shù)；

ρ——壓實(shí)飼用苧麻密度，kg/m3；

q——攪龍單位時(shí)間內(nèi)撥送物料體積，m3/s；

SKLMN——截面的面積，m2；

LKM——K點(diǎn)到M點(diǎn)的直線距離，m；

U——機(jī)器額定喂入量，其設(shè)計(jì)值為4 kg/s。

根據(jù)纖維纏繞試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果，在本設(shè)計(jì)中取D=320 mm，攪龍轉(zhuǎn)速n3=170 r/min。結(jié)合飼用苧麻的物料特性與收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)，δ取0.4，ρ=170 kg/m3，SKLMN=0.087 m2，LKM=0.15 m。根據(jù)式(15)和式(16)，可以計(jì)算得出Q=7.92 kg/s>U。因此本設(shè)計(jì)取攪龍結(jié)構(gòu)參數(shù)D=320 mm，攪龍轉(zhuǎn)速n3=170 r/min，可滿足攪龍4 kg/s的喂入輸送量，又可以有效遏制纖維纏繞的形成。

3 收割試驗(yàn)與分析

3.1 收割試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)樣機(jī)收割機(jī)割臺(tái)作業(yè)性能及主要工作指標(biāo)，在長沙市望城區(qū)國家苧麻種質(zhì)苗圃進(jìn)行收割試驗(yàn)。試驗(yàn)品種為“中飼1號(hào)”。試驗(yàn)用地采用大壟雙行種植模式，壟高為200 mm，壟底寬為1 200 mm，壟高寬為1 000 mm，壟溝寬為400 mm，作物種植寬度為500 mm。試驗(yàn)物料的基本情況如下：作物平均高度分別為 1 086 mm，平均莖粗為9.02 mm，含水率為82.9%。使用的儀器設(shè)備主要有：4QM-4.0型麻類青飼料聯(lián)合收割機(jī)樣機(jī)、卷尺、游標(biāo)卡尺、電子天平、烘箱等。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《DG—T 052—2019青飼料收獲機(jī)》進(jìn)行收獲損失率試驗(yàn)，選擇直立狀態(tài)的飼用苧麻作物進(jìn)行試驗(yàn)，將50 m測區(qū)內(nèi)收獲機(jī)割幅范圍內(nèi)的所有未收獲的物料(不包括超茬部分)收集并稱重，按式(18)計(jì)算收獲損失率[18]。

(18)

式中：y——收獲損失率；

Gs——損失物料質(zhì)量，kg；

G1——每平方米物料質(zhì)量，kg；

B——收割割幅，m。

試驗(yàn)中損失物料重量Gs為3.64 kg，每平米物料重量為2.02 kg，收割幅寬1.20 m，測區(qū)長度L3為50 m。根據(jù)式(12)計(jì)算出本機(jī)器收獲損失率為3%。具體試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。

表3 收割試驗(yàn)結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明：麻類青飼料聯(lián)合收割機(jī)的收獲損失率為3%，達(dá)到了國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，符合設(shè)計(jì)要求；收割后割茬高度為150 mm，設(shè)計(jì)值為小于等于200 mm，符合苧麻種植農(nóng)藝要求，有利于其后期生長。收割時(shí)，觀察未發(fā)現(xiàn)割臺(tái)出現(xiàn)堵料現(xiàn)象，從往復(fù)式刀具的切割到莖稈撿拾輸送器的撥送再到螺旋攪龍的輸送整個(gè)過程流暢，工作性能穩(wěn)定。收割后，觀察苧麻割茬，未發(fā)現(xiàn)作物莖稈基部撕裂現(xiàn)象，說明切割刀具設(shè)計(jì)參數(shù)合理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飼用苧麻作物的切割。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)飼用苧麻作物莖稈特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)，該割臺(tái)主要由往復(fù)式切割器、撿拾輸送器、撥禾輪和喂入攪龍組成。該割臺(tái)結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)不同高度苧麻莖稈收割需求。同時(shí)具有較好的防纖維纏繞性能。

2) 通過理論計(jì)算與試驗(yàn)分析確立各關(guān)鍵部件的工作參數(shù)。撥禾輪的圓周半徑為840 mm、切割器離撥禾輪軸高度為1 470 mm、撥禾輪轉(zhuǎn)速27.9 r/min、升降行程為700 mm、往復(fù)式割刀曲柄轉(zhuǎn)速為540 r/min、莖稈撿拾輸送器撥齒輪滾筒半徑為150 mm、轉(zhuǎn)速152.80 r/min、喂入攪龍直徑320 mm、滾筒旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為170 r/min。

3) 田間試驗(yàn)表明該機(jī)收獲損失率為3%，標(biāo)準(zhǔn)草長率為91%，作業(yè)小時(shí)生產(chǎn)率為0.25～0.35 hm2/h，割茬高度150 mm。收割時(shí)，割臺(tái)未出現(xiàn)堵料及纖維纏繞現(xiàn)象，收割后，苧麻割茬整齊，未發(fā)現(xiàn)作物莖稈基部存在明顯撕裂現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明往復(fù)式切割器切割效果良好、整機(jī)工作性能穩(wěn)定，該收割機(jī)割臺(tái)能夠滿足對(duì)飼用苧麻作物的收割需求。