董佳佳，王 強(qiáng)，包德勝，楊 莉，翟改霞，趙小娟，孫文婷

(中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

隨著我國(guó)天然草原植被不斷恢復(fù)及人工草地建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，國(guó)家對(duì)牧草收獲機(jī)械化政策的扶持力度不斷加大，極大地調(diào)動(dòng)了農(nóng)牧民購(gòu)機(jī)的積極性，活躍了國(guó)內(nèi)牧草機(jī)械市場(chǎng)。用戶(hù)對(duì)先進(jìn)的牧草摟翻裝備產(chǎn)生了強(qiáng)烈需求，但目前國(guó)內(nèi)摟草機(jī)摟翻性能差，自動(dòng)化程度低，地面仿形能力差，功能單一，效率低、損失大，使牧草產(chǎn)量及質(zhì)量均受到很大影響[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)摟草設(shè)備發(fā)展相對(duì)滯后導(dǎo)致割后牧草不能及時(shí)得到收集與晾曬，草條干燥時(shí)間增長(zhǎng)，因落葉、氧化、光化學(xué)等原因，在收貯晾曬過(guò)程中造成營(yíng)養(yǎng)損失達(dá)30%～40%甚至更多，并且多有陳草、泥沙等混雜，使收貯牧草品質(zhì)嚴(yán)重降低，同時(shí)給撿拾尤其是壓捆等后續(xù)收貯工序帶來(lái)困難，牧草產(chǎn)量及質(zhì)量均受到很大影響[2-4]。這種嚴(yán)重的浪費(fèi)給我國(guó)飼草資源本就匱乏的現(xiàn)狀造成巨大的壓力。

針對(duì)以上問(wèn)題，課題組設(shè)計(jì)了多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)。該機(jī)采用縱裂式雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，摟草裝置結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)向鎖定裝置靈活，方便摟草機(jī)工作模式的調(diào)整。與橫向摟草機(jī)相比，其連續(xù)性較好，牧草無(wú)纏繞現(xiàn)象，草條蓬松規(guī)整透氣性好，有利于后續(xù)進(jìn)行牧草撿拾打捆作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、前后轉(zhuǎn)子、摟耙、地輪行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向鎖和液壓系統(tǒng)等組成。

1.傳動(dòng)軸 2.牽引架 3.圓柱齒輪箱 4.前梁 5.前轉(zhuǎn)子 6.中間梁 7.后梁 8.轉(zhuǎn)向鎖定裝置 9.擋草簾 10.后轉(zhuǎn)子 11.地輪行走機(jī)構(gòu) 12.護(hù)桿 13.摟耙 14.升降油缸 15.支腿圖1 多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of multifunctional horizontal rotary forage raking and turning machine

該機(jī)采用縱裂式雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，主要由兩個(gè)轉(zhuǎn)子前后配置組成，其中前轉(zhuǎn)子均布11個(gè)摟齒臂，后轉(zhuǎn)子均布12個(gè)摟齒臂，每個(gè)摟齒臂上有4副彈齒。工作時(shí)，通過(guò)液壓機(jī)構(gòu)調(diào)整后轉(zhuǎn)子相對(duì)于前轉(zhuǎn)子的位置，使得機(jī)具既可以形成單列草條，也可以形成雙列草條。本機(jī)具既可以完成摟集草條工作，也可以實(shí)現(xiàn)翻鋪草條的工作，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[5]。

表1 多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of multifunctional horizontal rotary forage raking and turning machine

1.2 工作原理

多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供，其整個(gè)動(dòng)作過(guò)程由機(jī)械傳動(dòng)、液壓操控來(lái)完成。作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)牽引機(jī)具前進(jìn)的同時(shí)，動(dòng)力輸出軸經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)前后兩個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)行摟草和翻鋪草條作業(yè)。動(dòng)力通過(guò)圓錐齒輪箱帶動(dòng)與錐齒輪連接的凸輪罩連同整個(gè)摟草轉(zhuǎn)子做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于受凸輪軌道的控制及凸輪罩鎖定位置的限制，摟耙彈齒根據(jù)要求在不同位置轉(zhuǎn)成不同傾角，并隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)完成對(duì)牧草的摟集過(guò)程。轉(zhuǎn)向鎖3個(gè)不同的擋位，用來(lái)控制摟草機(jī)不同的工作位置。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)作業(yè)時(shí)，動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)萬(wàn)向傳動(dòng)軸傳遞給圓柱齒輪箱，圓柱齒輪箱有兩個(gè)相同轉(zhuǎn)速的輸出軸再經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳遞給前、后轉(zhuǎn)子齒輪箱驅(qū)動(dòng)兩個(gè)摟齒轉(zhuǎn)子一同作業(yè)[6]。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.2 Power transmission system

因Z1=Z2，Z3=Z4，Z5=Z6，機(jī)具作業(yè)傳動(dòng)比按式(1)計(jì)算

(1)

式中Z3——前轉(zhuǎn)子圓錐齒輪傳動(dòng)主動(dòng)錐齒輪齒數(shù)

Z4——后轉(zhuǎn)子圓錐齒輪傳動(dòng)主動(dòng)錐齒輪齒數(shù)

Z5——前轉(zhuǎn)子圓錐齒輪傳動(dòng)從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)

Z6——后轉(zhuǎn)子圓錐齒輪傳動(dòng)從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)

設(shè)計(jì)i=1.5。

2.2 摟草裝置

摟草裝置是多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)的核心部件。摟草裝置主要由立軸、錐齒輪副、軸承、齒輪箱蓋、齒臂軸、凸輪軌道和導(dǎo)向輥?zhàn)拥冉M成，如圖3所示。

1.立軸 2.錐齒輪副 3.導(dǎo)向輥?zhàn)?4.凸輪軌道 5.齒臂軸6.齒輪箱蓋 7.軸承圖3 摟草裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of raking device

齒輪箱以立軸為中心支軸，凸輪軌道、冠狀齒輪、齒輪箱上下蓋、連接座等部件均安裝在立軸上。冠狀齒輪安裝于齒輪箱上蓋，與安裝在連接座上的花鍵錐齒輪軸配對(duì)嚙合。齒臂軸套套在齒臂軸上后，與齒輪箱上下蓋連接，齒臂軸頭部導(dǎo)向輥?zhàn)禹槃?shì)插入凸輪軌道槽內(nèi)。動(dòng)力通過(guò)花鍵齒輪軸進(jìn)入，通過(guò)與之嚙合的冠狀齒輪帶動(dòng)齒輪箱體轉(zhuǎn)動(dòng)，使凸輪軌道驅(qū)動(dòng)齒臂軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)安裝于齒臂軸另一端的摟齒臂進(jìn)行摟集作業(yè)[7]。齒輪箱完全封閉式設(shè)計(jì)保證了徹底和永久潤(rùn)滑，在后續(xù)的工作中免潤(rùn)滑，提高了機(jī)具安全可靠性。

2.3 轉(zhuǎn)向鎖定裝置

多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)工作狀態(tài)由轉(zhuǎn)向鎖定裝置調(diào)整。該裝置由控制把手、螺栓套筒、調(diào)整壓縮彈簧、鎖緊板、上下板、伸出梁端銷(xiāo)軸、調(diào)整墊圈、轉(zhuǎn)向鎖油缸、機(jī)架銷(xiāo)軸、鎖緊螺栓、固定螺栓、轉(zhuǎn)動(dòng)拉伸彈簧和限位銷(xiāo)軸套等組成，如圖4所示[8]。

1.控制把手 2.螺栓套筒 3.調(diào)整壓縮彈簧 4.鎖緊板 5.上板6.下板 7.伸出梁端銷(xiāo)軸 8.調(diào)整墊圈 9.轉(zhuǎn)向鎖油缸 10.機(jī)架銷(xiāo)軸 11.鎖緊螺栓 12.固定螺栓 13.轉(zhuǎn)動(dòng)拉伸彈簧 14.限位銷(xiāo)軸套圖4 轉(zhuǎn)向鎖定裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of steering locking device

多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)轉(zhuǎn)向鎖定裝置分設(shè)3個(gè)不同的擋位，控制伸出梁扭轉(zhuǎn)位置，如圖5所示。當(dāng)伸出梁需要向左偏轉(zhuǎn)時(shí)，先保證伸出梁在中心位置，然后調(diào)整控制把手到圖5a所示擋位，此時(shí)在鎖緊板及限定銷(xiāo)軸套的限制下，轉(zhuǎn)向鎖油缸只能縮短，不可伸長(zhǎng)，在轉(zhuǎn)向鎖油缸縮短過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)伸出梁只能向左扭轉(zhuǎn)。當(dāng)伸出梁需要向右偏轉(zhuǎn)時(shí)，以相同方式，將控制把手調(diào)整到圖5c所示擋位，此時(shí)轉(zhuǎn)向鎖油缸只能伸長(zhǎng)，不可縮短，在轉(zhuǎn)向鎖油缸伸長(zhǎng)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)伸出梁只能向右扭轉(zhuǎn)。當(dāng)控制把手調(diào)整到圖5b所示擋位時(shí)，轉(zhuǎn)向鎖油缸不受鎖緊板限定，此時(shí)轉(zhuǎn)向鎖油缸可以伸長(zhǎng)或縮短，即實(shí)現(xiàn)伸出梁處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[9]。

圖5 轉(zhuǎn)向鎖定裝置擋位Fig.5 Steering lock gear position

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

在呼和浩特市土默特左旗塔布賽牧草種植基地進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地作物為苜蓿草，苜蓿割后在田間晾曬數(shù)日，其含水量達(dá)到40%左右進(jìn)行摟翻作業(yè)試驗(yàn)[10-11]。機(jī)具配套動(dòng)力為約翰迪爾654型拖拉機(jī)，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速540 r/min。

3.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

性能試驗(yàn)方法按GB/T 14247—2015《摟草機(jī)試驗(yàn)方法》的規(guī)定執(zhí)行。

3.2.1 漏摟率的測(cè)定

在每一行程選5 m分別撿拾摟草機(jī)通過(guò)的面積內(nèi)未摟到的且長(zhǎng)度>7 cm的牧草稱(chēng)量，計(jì)算漏摟率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，漏摟率按式(2)～(3)計(jì)算。

表2 漏摟率測(cè)定數(shù)據(jù)Tab.2 Measurement data of leakage rate

(2)

式中B——平均漏摟牧草質(zhì)量，kg/m2

m1——各行程5 m內(nèi)漏摟牧草質(zhì)量之和，kg

nx——測(cè)定行程數(shù)

A——摟草機(jī)平均摟幅，m

(3)

式中Ll——漏摟率， %

mc——摟前牧草質(zhì)量，kg/m2

根據(jù)式(2)計(jì)算的牧草漏摟率為2.2%(<5%)，漏摟部分主要是較短的或已脫落的花葉。

多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)田間作業(yè)運(yùn)行平穩(wěn)，摟集的草條蓬松、寬度均勻且漏摟率小。試驗(yàn)草場(chǎng)及機(jī)具試驗(yàn)作業(yè)過(guò)程如圖6～8所示。

圖6 試驗(yàn)草場(chǎng)Fig.6 Experimental pasture

圖7 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Operation site

圖8 摟翻后的牧草Fig.8 Grass after raking and turning

3.2.2 花葉損失率的測(cè)定

測(cè)定摟前花葉和莖稈的濕質(zhì)量與干質(zhì)量、摟后花葉和莖稈的濕質(zhì)量與干質(zhì)量，計(jì)算葉稈比和花葉損失率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，葉稈比按式(4)計(jì)算。

表3 葉稈比、花葉損失率測(cè)定數(shù)據(jù)Tab.3 Loss rate measurement data of leaf stalk ratio and flower leaf

(4)

式中Sy——葉稈比

my——烘干后花葉質(zhì)量，g

mj——烘干后莖稈質(zhì)量，g

按式(5)計(jì)算花葉損失率

(5)

式中Syh——作業(yè)后的葉稈比

Syq——作業(yè)前的葉稈比

田間試驗(yàn)證明，多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)作業(yè)草條整齊、翻曬均勻疏松、花葉損失率為2.5%(<3%)，花葉損失小、作業(yè)效果好、可靠性高。

4 結(jié)論

研制了一款多功能水平回轉(zhuǎn)式牧草摟翻一體機(jī)，該機(jī)采用縱裂式雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，摟草裝置結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)向鎖定裝置能夠靈活、方便地實(shí)現(xiàn)牧草摟翻工作模式的調(diào)整，是優(yōu)質(zhì)飼草生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的機(jī)具。

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)漏摟率2.2%、花葉損失率2.5%，達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求。各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)及關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，適宜于我國(guó)牧草生產(chǎn)需求。