9QZ-200 自走履帶式青飼料收獲機設計與試驗*

李正鎖，李曉康，王硯麟，張家瑞，劉圓園，沈小波，謝 艷

(1.甘肅省機械科學研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030； 2.甘肅省草地農(nóng)業(yè)機械重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；3.中牧實業(yè)股份有限公司 蘭州生物藥廠，甘肅 蘭州 730046)

0 引 言

隨著我國草牧業(yè)的快速發(fā)展，青飼料收獲機械的市場需求呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。 目前我國丘陵、山地機械化綜合作業(yè)水平較低，發(fā)展較慢，與平原地區(qū)差距較大，區(qū)域發(fā)展不平衡問題日益突出，嚴重阻礙了我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的總體進程。 因此，在丘陵山區(qū)實施青飼料機械化收獲作業(yè)已成為草牧業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。 國外的機具雖然自動化程度高，但是價格昂貴，維護和運行成本高，難以廣泛推廣；而國產(chǎn)機型以輪式結(jié)構(gòu)居多，不適合丘陵、山地地區(qū)的青飼料收獲作業(yè)，并且傳統(tǒng)青貯飼料收獲機料倉通常都采用一次側(cè)翻式結(jié)構(gòu)，因為料倉容積普遍較大，青飼料受休止角、堆積容重及料倉傾角的影響，不能完全倒出，嚴重影響收獲機的收獲效率[3]。 針對上述現(xiàn)狀，研制了一種自走履帶式青飼料收獲機，采用的鏈板式料倉，可將黏性較大的青飼料全部倒入接料車廂，可適用于丘陵、山地和小地塊。 通過設計達到作業(yè)范圍廣，適應性強的技術(shù)要求。

1 結(jié)構(gòu)設計及主要技術(shù)指標

1.1 結(jié)構(gòu)設計

9QZ-200 型自走履帶式青貯飼料收獲機主要由割臺、駕駛室、切碎喂入裝置、拋送裝置、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、底盤、料倉及液壓控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等部件組成，如圖1 所示。 該機主要適用于玉米、甜高粱等青貯作物的收獲，在田間作業(yè)時能一次完成對青貯作物的收割、切碎、揉搓、拋送、集料及倒料裝車[4]。

圖1 4QZ-200 自走履帶式青飼料收獲機示意圖

1.2 傳動系統(tǒng)

該機由發(fā)動機提供動力，傳動系統(tǒng)將動力分為三路，第一路為常閉式行走傳動系統(tǒng)，該路動力從發(fā)動機傳遞至HST 后，由HST 控制底盤的行走與轉(zhuǎn)向；第二路為常開式作業(yè)傳動系統(tǒng)，傳遞路徑為發(fā)動機-液壓合器-喂入切碎裝置-割臺，其中喂入切碎裝置設置有正反轉(zhuǎn)變速箱，當發(fā)生堵塞時，喂入切碎裝置及割臺可以反轉(zhuǎn)，達到快速清堵的效果；第三路動力從發(fā)動機傳遞至液壓泵，通過液壓泵驅(qū)動割臺升降油缸、料倉舉升油缸及卸料馬達。

1.3 工作原理

整機田間作業(yè)時，割臺將青飼料秸稈割斷并通過喂入裝置送入切碎機構(gòu)，通過切碎刀的高速旋轉(zhuǎn)，將青飼料切碎，經(jīng)拋料筒拋至料倉中，駕駛員可以通過顯示屏觀察整機運行狀態(tài)，待料倉裝滿后，液壓系統(tǒng)控制料倉兩側(cè)的油缸升起，當油缸到達最大行程時，料倉完全升起，此時卸料馬達帶動料倉鏈板向外運輸青飼料，直至料倉內(nèi)青飼料全部倒入接料車。

1.4 技術(shù)參數(shù)

9QZ-200 自走履帶式青飼料收獲機主要技術(shù)參數(shù)如表1 所列。

表1 4QZ-200 自走履帶式青飼料收獲機主要技術(shù)參數(shù)

2 主要工作部件結(jié)構(gòu)計算及分析

2.1 底盤總成

為滿足丘陵山地、水田等地區(qū)的行走要求，底盤設計為轉(zhuǎn)彎半徑小、接地比壓小的橡膠履帶底盤。 設計的底盤主要由機架、HST、輪系及履帶等構(gòu)成，使用110 kW 柴油機提供動力，集成靜液壓驅(qū)動行走無級變速系統(tǒng)，無需換擋實現(xiàn)前進后退及無級變速，操作簡單，方便靈活；采用履帶式底盤結(jié)構(gòu)，由于履帶式底盤重心低、附著系數(shù)大，具有良好的行走穩(wěn)定性及較強的爬坡能力，并可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，能夠很好地適應丘陵、山地地區(qū)的作業(yè)特性，并且履帶的接地壓力小，對土壤結(jié)構(gòu)有一定的保護作用。 整機的接地比壓決定了可通行作業(yè)的范圍，根據(jù)整機的設計布局確定履帶接地長度為1.75 m，通過計算履帶接地比壓計算選型履帶寬度為0.45 m，按整機最大爬坡角度為15°計算，取履帶滾動阻力系數(shù)為0.15，計算整機牽引力，取整機作業(yè)行進速度為2 km/h，則可計算出整機驅(qū)動所需的功率。

2.1.1 接地壓力計算

(1) 總質(zhì)量計算

根據(jù)設計，整機總質(zhì)量包括機器自身重量(含油、水)、駕駛員重量和滿載青飼料質(zhì)量總和，可以表示為:

式中:m1為機器自身質(zhì)量(含油、水)，4 610 kg；m2為駕駛員質(zhì)量，60 kg；m3為滿載青飼料總質(zhì)量，kg；ρ為青貯飼料的自然堆積容重，250 kg/m3；V為料倉容積，3.2 m3。

(2) 接地面積計算

式中:A1為履帶接地面積，m2；L為履帶接地長度，1.75 m；B2為左、右側(cè)履帶寬度，0.45 m。

(3) 平均接地比壓計算

式中:p1為履帶平均接地比壓，kPa；M為總質(zhì)量，kg。

2.1.2 整機驅(qū)動功率計算

(1) 牽引力計算

整機最大牽引力由滿載時正常行駛的滾動阻力和最大爬坡阻力構(gòu)成，因此整機最大牽引力可表示為:

F＝Ff＋Fτ＝fMg＋sinθMg＝22 kN (5)

式中:Ff為滾動阻力，kN；Fτ為坡道阻力，kN；f為滾動阻力系數(shù)，0.15；θ為最大爬坡角度，15°。

(2)整機驅(qū)動功率計算

整機驅(qū)動功率可通過最大行進速度和最大牽引力求得:

式中:vmax為最大行進速度，m/s。

因此驅(qū)動整機所需最大功率為44 kW。

2.2 割 臺

割臺主要由轉(zhuǎn)筒、盤式割刀、分禾器、撥禾齒、扶禾桿等構(gòu)成，如圖2 所示。 本割臺采用兩個直徑為738 mm 的圓盤式割刀，按左右對稱布置，割刀上端為帶撥禾齒的轉(zhuǎn)筒，割刀轉(zhuǎn)速為1 106 r/min，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為36.6 r/min。 割臺前端為大、小分禾器，對稱分布在割臺兩側(cè)。 割臺工作時，兩邊割刀與轉(zhuǎn)筒以不同的轉(zhuǎn)速相向回轉(zhuǎn)，將青飼料秸稈切斷送入喂入裝置。 其中，由于圓盤式割刀直徑較大，若按一個整體的零件加工，這對割刀的材料及加工工藝都有極高的要求，成本勢必會增加。 為了解決該技術(shù)問題，將圓盤割刀設計成8 個小的割刀，并將小的割刀分別裝配到特制的圓盤上，便于割刀的安裝和拆卸。 另外，由于轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速較低，割臺在工作過程中會有青飼料秸稈纏繞到轉(zhuǎn)筒上，影響割臺的正常運行。 為此，在割臺支架上設置有清料裝置，隨著轉(zhuǎn)筒的回轉(zhuǎn)，能夠?qū)⒗p繞的青飼料秸稈及時清理，保證轉(zhuǎn)筒的正常運轉(zhuǎn)[4-5]。

圖2 9QZ-200 自走履帶式青貯收獲機割臺示意圖

2.3 料 倉

設計料倉容積為3.2 m3，主要由料倉主體，料倉舉升油缸，卸料馬達，鏈板傳輸裝置等構(gòu)成，如圖3 所示。

圖3 料倉示意圖

由于青飼料受休止角、堆積容重及料倉傾角的影響，若料倉翻轉(zhuǎn)角度小于青飼料的休止角，則不能將青飼料完全倒出，嚴重影響收獲機的生產(chǎn)效率，若增大翻轉(zhuǎn)角度，料倉自身及青飼料的重量將導致整機的重心發(fā)生偏移，降低了收獲機的穩(wěn)定性，可能發(fā)生翻車現(xiàn)象，危及駕駛員的生命安全。 本料倉在側(cè)翻式料倉上增加了鏈板傳輸裝置，當舉升油缸將料倉升至最大高度時，料倉傾角為30°，青飼料不能完全倒出，此時卸料馬達驅(qū)動鏈板傳輸裝置工作，可將剩余的青飼料全部倒入車廂。 本設計結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，不僅提高了料倉卸料的效率，也增加了機器自身的安全性[6]。

3 田間生產(chǎn)試驗

田間生產(chǎn)試驗是通過樣機在生產(chǎn)實際中正常情況下一定工作量的使用，考核樣機的可靠性，動力的配套性，性能穩(wěn)定性，使用的經(jīng)濟性，地區(qū)、作物的適用性，調(diào)整保養(yǎng)方便性等性能[7]。 因此以機器生產(chǎn)率、收獲損失率、標準草長率、平均割茬高度等作為機器性能的評價指標，開展田間試驗，并通過試驗獲得的一手數(shù)據(jù)以指導樣機優(yōu)化設計和生產(chǎn)工藝技術(shù)改進。

3.1 實驗條件與材料

為驗證9QZ-200 自走履帶式青飼料收獲機是否滿足全株玉米的收獲和工藝技術(shù)要求。 2021 年9 月在武威市黃羊鎮(zhèn)依據(jù)標準《GB/T 10394.2—2002 飼料收獲機械 第3 部分:試驗方法》、GB/T 10394.4-2009《飼料收獲機第4 部分:安全和作業(yè)性能要求》、GB/T 21961-2008《玉米收獲機械 試驗方法》及GB/T 8097-2008《收獲機械 聯(lián)合收割機 試驗方法》進行了試驗，試驗地長度大于100 m，地形平整坡度為0。試驗主要使用儀器、工具有轉(zhuǎn)速表、天平、賓州篩、秒表等。

3.2 試驗方法

3.2.1 生產(chǎn)率試驗方法

在樣機作業(yè)范圍內(nèi)任取3 個行程，每個行程長度為100 m，記錄機器完成此行程作業(yè)所用的時間，計算3 個行程的生產(chǎn)率平均值作為機器的生產(chǎn)率。計算公式為:

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(作業(yè))速度，km/h；K為割幅寬度的利用系數(shù)，% ；Qc為作物每公頃產(chǎn)量，t/hm2。

3.2.2 標準草長率

標準草長率是指標準長度的碎秸稈質(zhì)量占其總質(zhì)量的百分數(shù)。 在作業(yè)區(qū)域內(nèi)，選取3 個測點，測定值通過3 次平行試驗與3 次重復試驗取平均值獲得，即每次取樣將樣品分為3 份進行平行試驗，取樣3 次進行3 次重復試驗。 每次取樣待整機正常作業(yè)收獲時，在拋料筒出口處接樣，取切碎物料樣本1 200 ～1 500 g，分為3 份，每份質(zhì)量400～500 g，分別稱重計為小樣質(zhì)量Gy，單位為g，用賓州篩將非標準的切碎物料篩分出來，計算3 個測點標準草長率平均值。計算公式為:

式中:Sc為標準草長率，%；Gc為標準長度草的總質(zhì)量，g；Gy為小樣質(zhì)量，g。注:標準長度草系分別指設備給定的最大、最小切碎尺寸的0.7～1.2 倍范圍內(nèi)。

3.2.3 割茬高度測定

在每個行程測區(qū)長度方向上測定3 點，測定每點1 m×1 m 范圍內(nèi)秸稈留茬高度，測量割茬切口至地面(壟頂)高度，取其平均值。

3.2.4 損失率測定

在測定區(qū)域內(nèi)等間距選取3 個測點，每個測點取1.5 m×1.5 m 范圍作為測定區(qū)域，稱量此區(qū)域內(nèi)收獲秸稈的質(zhì)量，同時收集收獲時損失的秸稈并稱重，計算3 個測點收獲損失率平均值。 計算公式為:

式中:S為收獲損失率；W1為測定區(qū)內(nèi)收獲的青飼料總質(zhì)量，kg；W2為測定區(qū)內(nèi)漏割、落地等損失青飼料總質(zhì)量，kg。

3.3 試驗結(jié)果

本機在武威市黃羊鎮(zhèn)對全株玉米進行了田間試驗，樣機如圖4 所示。 通過田間試驗測得樣機的性能數(shù)據(jù)，如表2 所列。

表2 試驗結(jié)果

圖4 4QZ-200 自走履帶式青飼料收獲機田間試驗

4 結(jié) 語

針對國產(chǎn)機型以輪式結(jié)構(gòu)居多，不適合丘陵、山地地區(qū)的青飼料收獲作業(yè)現(xiàn)狀，通過設計、計算及分析，研制了一種自走履帶式青飼料收獲機。 田間試驗表明:9QZ-200 自走履帶式青飼料收獲機生產(chǎn)率可達11.99 t·h-1，標準草長率為86.14%，割茬高度為125.98，收獲損失率為2.76%，安全性、可靠性、適應性等達到設計要求，滿足生產(chǎn)作業(yè)需求，可一次性完成青貯飼料的收獲、切碎、拋送、集料及裝車功能，整機結(jié)構(gòu)緊湊、動力匹配合理、穩(wěn)定性好、操作方便、工作效率高，尤其在開道作業(yè)、泥濘環(huán)境作業(yè)和小型地塊作業(yè)方面，表現(xiàn)出了較好的適應性，達到了適用于丘陵、山地和小地塊，作業(yè)范圍廣，適應性強的設計目標。

該機的研制可降低工作強度，提高青貯飼料收獲效率，為實現(xiàn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)化、集約化、規(guī)模化發(fā)展提供支撐，有利于促進勞動力就業(yè)、脫貧增收，對我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效、扶貧攻堅起到巨大的支撐和保障作用，為我國農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)的長期協(xié)調(diào)健康發(fā)展提供技術(shù)支持。