智能伸縮型青貯取料機的研制

范良俊

（上海市農(nóng)業(yè)機械研究所，上海市 201100）

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

青貯飼料作為奶牛養(yǎng)殖的主要粗飼料，對奶牛養(yǎng)殖有著重要的意義，如今奶牛養(yǎng)殖已經(jīng)實現(xiàn)集約化和規(guī)模化，而青貯取料則是其中關(guān)鍵作業(yè)的環(huán)節(jié)。歐美國家的牧場規(guī)模大，青貯取料設(shè)備也十分先進。如意大利司達特生產(chǎn)的Dobermann自走式青貯切割攪拌機（圖1），包括立、臥式兩種攪拌形式，容積從12～28 m3不等，通過機電液一體化技術(shù)和自動控制技術(shù)，其實現(xiàn)了青貯取料、輸送、攪拌和設(shè)備行走等多個功能；法國庫恩生產(chǎn)的SPW型自走式飼料攪拌機（圖2）具有高效的青貯切割性能，均勻的攪拌效果和高質(zhì)量的喂送功能，料箱容積從19～25 m3不等，自帶可編程稱重系統(tǒng)，實現(xiàn)精確喂送；自帶的液壓系統(tǒng)可以滿足行走、切割、升降等多個功能，且均可實現(xiàn)編程控制。這些進口的青貯切割攪拌機一般配備180～300匹的大馬力發(fā)動機，設(shè)備的行走、取料、伸縮均采用了集取料、運輸、攪拌及地盤行走為一體的電液控制系統(tǒng)。

圖1 Dobermann自走式青貯切割攪拌機

圖2 SPW型自走式飼料攪拌機

國內(nèi)牧場對于青貯取料大部分會采用鏟車鏟挖的方式，容易造成青貯飼料的坍塌和浪費。主要還是因為進口設(shè)備過于昂貴，國內(nèi)設(shè)備性能不可靠和一些牧場的規(guī)模相對較小等原因。但隨著我國牧場規(guī)模的不斷擴大，牧場對于機械化作業(yè)的需求也十分迫切。通過引進吸收消化國外技術(shù)的方式，青貯取料機也不斷國產(chǎn)化。黑龍江省畜牧機械化研究所在2017年研制的9JLQQ-1600型自走式青貯取料機，該設(shè)備裝備了兩套液壓系統(tǒng)，行走液壓系統(tǒng)和取料液壓系統(tǒng)，解決了國產(chǎn)青貯取料機車輪小和底盤低，取料滾筒動力不足，行走速度和跨越障礙能力差的問題；9QQ-1600-5型全遙控青貯取料機（圖3），采用電機控制雙聯(lián)泵的液壓系統(tǒng)控制地盤行走和取料作業(yè)，取料寬度1.6 m，高度可達4 m以上。雖然國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出一部分青貯取料機，但是依然存在很多缺點和不足，大多為電機驅(qū)動并需要現(xiàn)場拉電，設(shè)備轉(zhuǎn)運不方便，取料高度相對較低，取料截面不平整容易造成塌陷。因此，研發(fā)一款行動靈活、截面平整，取料效率高的青貯取料設(shè)備很有必要。

圖3 9JLQQ-1600型自走式青貯取料機

2 取料機總體方案

本次研發(fā)的可伸縮取料臂青貯取料機主要由取料頭、伸縮臂組件、舉升臂組件、操控系統(tǒng)、行走與機架組件、動力系統(tǒng)、排料輸送等機構(gòu)組成。該機采用全液壓控制，可實現(xiàn)手動和自動兩種操作模式。設(shè)備性能參數(shù)如表1。

表1 高效可伸縮取料臂青貯取料機性能參數(shù)表

2.1 取料機構(gòu)

該取料機采用全密封的伸縮機構(gòu)，伸縮機構(gòu)可根據(jù)青貯飼料高度伸縮取料頭，取料高度最高可達8 m，伸縮機構(gòu)端部設(shè)置有取料滾筒，物料切割作業(yè)時可保障切割面接近90°，有效避免物料在取料過程中的坍塌。伸縮臂內(nèi)部設(shè)置多節(jié)傳送帶，從而確保飼料穩(wěn)定、連續(xù)運送。

根據(jù)圖4所示，取料作業(yè)時，將舉升臂組件提升至取料頭到青貯窖最高處的合適位置并開始取料，同時伸縮臂開始伸出進行一定深度的取料作業(yè)，當完成一定深度的取料后，下降一定高度繼續(xù)取料，伸縮臂縮回，如此往復作業(yè)，避免了原有上下作業(yè)時一半的空行程，提高了效率。其次，能夠保證取料截面接近90°，防止青貯飼料塌陷。

圖4 伸縮型青貯取料機取料方法示意圖

2.2 行走系統(tǒng)

該機的行走系統(tǒng)擁有行走與橫向移動兩種方式，且均采用液壓行走系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)場作業(yè)時，采用行走、液壓轉(zhuǎn)向；由于青貯飼料橫向長度較長，通過轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)取料機橫移所需掉頭空間很大，且浪費時間。本次研發(fā)的取料機行走系統(tǒng)帶有橫向行走系統(tǒng)，通過升降油缸將橫向行走馬達降至地面。再利用橫移馬達實現(xiàn)取料機整機橫移，提高設(shè)備靈活性，提高生產(chǎn)效率。

2.3 液壓系統(tǒng)

本設(shè)備液壓系統(tǒng)主要可實現(xiàn)取料臂的舉升、取料頭和青貯料的輸送功能，除此之外，可實現(xiàn)取料機的行走、轉(zhuǎn)向、橫移和駐車等功能。伸縮型青貯取料機的液壓系統(tǒng)原理如圖5所示。本取料機液壓系統(tǒng)由三聯(lián)液壓馬達作為驅(qū)動，分別控制取料機的不同工況。

圖5 伸縮型青貯取料機的液壓原理圖

2.3.1 取料工況

取料馬達和排料馬達連續(xù)工作，伸縮油缸和舉升油缸分別交替工作。液壓油通過大流量液壓泵1、溢流閥4.1，通過電磁換向閥6.3左側(cè)得電，進入取料馬達帶動取料切刀進行切料取料作業(yè)；液壓油通過中流量液壓泵2、溢流閥4.2、分流閥5.3進入伸縮油缸14，通過電磁換向閥6.4左右得電，可使取料頭進行水平伸縮移動；液壓油通過中流量液壓泵2、溢流閥4.2、分流閥5.3和5.4，通過電磁換向閥6.7左右得電，可使取料臂上下運動并帶動取料切刀進行上下移動；液壓油通過小流量液壓泵3、溢流閥4.3、通過電磁換向閥6.9左側(cè)得電，驅(qū)動排料馬達，將取料頭取得的青貯料向外運送。

2.3.2 行走工況

設(shè)備行走時，電磁換向閥6.1和6.2左側(cè)得電，制動油缸8松開，液壓油通過大流量液壓泵1，經(jīng)過溢流閥4.1和電磁換向閥6.2和6.3至行走馬達，通過后橋帶動行走地盤進行行走。當取料機需要轉(zhuǎn)向時，只需通過轉(zhuǎn)動方向盤從而推動轉(zhuǎn)向油缸實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。當設(shè)備需要橫移時，電磁換向閥6.11左側(cè)得電，橫移支腿油缸定出，待橫移輪落地并支撐起取料機后，電磁換向閥6.10左側(cè)得電，橫移馬達工作，實現(xiàn)取料機橫移作業(yè)。

2.4 控制系統(tǒng)

本設(shè)備的控制系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，通過控制電磁換向閥實現(xiàn)取料、排料、行走、轉(zhuǎn)向和橫移等動作。特別是在取料作業(yè)時，需要合理控制伸縮油缸和升降油缸的動作，從而實現(xiàn)取料頭的運動軌跡。通過安裝在油缸內(nèi)部的位移傳感器可以實時監(jiān)測油缸的實際位移，從而確定取料頭的位置。通過對不同高度的青貯飼料進行分點定位，確保在不同高度的青貯飼料都可以實現(xiàn)自動取料作業(yè)，并保證取料截面接近90°。

3 參數(shù)計算

3.1 油缸速度計算

已知伸縮油缸的額定流量為Q1=25 L/mm，升降油缸的額定流量為Q2=50 L/mm。設(shè)伸縮臂油缸缸徑D1=100 mm，桿徑d2=70 mm，升降油缸采用三級油缸，其最大缸徑D2=180 mm，最大桿徑d2=160 mm。

則伸縮臂油缸伸出的速度：

升降油缸伸出的速度：

3.2 生產(chǎn)效率計算

為滿足智能伸縮型青貯取料機單機75 kW功率下的每1h取料能力40 t的要求，進行如下核算。已知青貯料密度大約為ρ=750 kg/m3。

設(shè)取料臂水平方向速度V1=191 m/h，豎直方向速度為V1=118 m/h，取料臂完成一次取料下降L1=0.2 m，取料臂水平取料長度為L2=2 m，割幅寬度L3=2.6 m。

1）青貯飼料堆高L為8 m時：取料機完成一次等高取料總質(zhì)量約為

取料機刀頭下降次數(shù)約為n1=40次，水平移動次數(shù)n2=41次，完成等高全部取料時間大約為

則取料機取料額定效率約為：

2）青貯飼料堆高L為6 m時：取料機完成一次等高取料總質(zhì)量約為

取料機刀頭下降次數(shù)約為n1=30次，水平移動次數(shù)n2=31次，完成等高全部取料時間大約為

則取料機取料額定效率約為：

3）青貯飼料堆高L為5 m時：取料機完成一次等高取料總質(zhì)量約為

取料機刀頭下降次數(shù)約為n1=25次，水平移動次數(shù)n2=26次，完成等高全部取料時間大約為

圖6 智能伸縮型青貯取料機空載試驗

則取料機取料額定效率約為：

4）青貯飼料堆高L為4 m時：取料機完成一次等高取料總質(zhì)量約為

取料機刀頭下降次數(shù)約為n1=20次，水平移動次數(shù)n2=21次，完成等高全部取料時間大約為

則取料機取料額定效率約為：

綜上所得，青貯窖在8 m、6 m、5 m和4 m堆高情況下，取料量都大于40 t/h，滿足設(shè)計的要求。

4 整機試驗

在對本次智能伸縮青貯取料機進行組裝后，進行空載和帶載試驗?？蛰d時，取料馬達、傳送帶馬達運行正常，伸縮油缸和升降油缸運行順暢，滿足取料工況的要求。取料機各個主要部件運行參數(shù)如表2。

表2 青貯取料機試驗參數(shù)

5 結(jié)論

通過大量的生產(chǎn)性試驗，本次研發(fā)的智能伸縮青貯取料機基本滿足預(yù)計的取料效率，優(yōu)化了傳統(tǒng)取料的工藝流程，提高取料效率。隨著國內(nèi)奶牛養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，這一類大型、高效、智能的青貯取料機將會發(fā)揮越來越大的作用。