李明志，臧瑞田，屈津東，蘇云龍，孫嘉賓，丁海娟

（濰坊科技學(xué)院機(jī)電信息學(xué)部，山東 壽光 262700）

引言

飼用甜高粱是我國一種重要的飼用作物，具有產(chǎn)量大、分布廣等特點(diǎn)。隨著飼用甜高粱在我國種植規(guī)模的快速擴(kuò)大，其秸稈出現(xiàn)大量剩余，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。方捆打捆機(jī)的出現(xiàn)，大大方便了秸稈處理，打捆技術(shù)日益成為核心關(guān)鍵技術(shù)。但長期以來，我國飼用甜高粱收獲打捆裝備技術(shù)基礎(chǔ)研究不足，生產(chǎn)機(jī)械嚴(yán)重缺乏，整機(jī)可靠性和作業(yè)效率不高，核心部件和高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口，導(dǎo)致飼用甜高粱綜合生產(chǎn)成本居高不下。國際知名農(nóng)機(jī)企業(yè)憑借技術(shù)和資本優(yōu)勢全面進(jìn)入中國，搶占了高端飼用甜高粱聯(lián)合收獲打捆農(nóng)機(jī)市場，我國農(nóng)機(jī)生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。加快發(fā)展智能飼用甜高粱聯(lián)合收獲打捆農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)，對于提升相應(yīng)裝備供給能力、縮小與國外主流產(chǎn)品差距、支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大。

1 打捆機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)的工作原理

甜高粱打捆機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)的主要作用是對高粱莖稈進(jìn)行撿拾和打捆。撿拾機(jī)構(gòu)主要由刀輥、撿拾刀片和刀座、撿拾擋板等組成。

工作時，由傳動機(jī)構(gòu)將拖拉機(jī)的動力傳輸給撿拾機(jī)構(gòu)，將甜高粱莖稈從農(nóng)田中撿拾起來，在刀輥高速旋轉(zhuǎn)的帶動下，產(chǎn)生巨大的沖擊力和切向力把高粱莖稈切碎，撿拾擋板可以把打碎后飛起的高粱莖稈擋住并導(dǎo)入喂入系統(tǒng)中進(jìn)行打捆處理。撿拾刀片安裝在刀輥上，再通過銷軸將撿拾刀片安裝在刀座上，使撿拾刀片可以隨著刀輥高速旋轉(zhuǎn)[1-3]。在離心力的作用下，撿拾刀片可以垂直于刀輥旋轉(zhuǎn)。刀座與撿拾刀片由銷軸連接，當(dāng)遇到地里的硬物時可以有效避免刀片受到損傷，延長撿拾刀片的使用壽命。

決定撿拾機(jī)構(gòu)的撿拾率和打捆效果的因素有：撿拾刀片的形狀、刀片在刀輥上的分列排布、輸入動力的大小、撿拾作業(yè)時行進(jìn)的速度、刀輥的轉(zhuǎn)速等。綜合考慮現(xiàn)在市場上的打捆作業(yè)速度和撿拾效果，確定打捆機(jī)在作業(yè)時的行進(jìn)速度為2 m/s。

2 撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 刀輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀輥屬于撿拾機(jī)構(gòu)中的重要部分，刀輥上的撿拾刀片將甜高粱莖稈打碎和撿拾。刀輥在作業(yè)時高速轉(zhuǎn)動，還要克服打碎高粱莖稈時的阻力，為了保證刀輥運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加刀輥的寬度，同時增加撿拾刀片的數(shù)量，提高撿拾作業(yè)的寬幅，這樣也可以減小打捆機(jī)構(gòu)在傳動過程中動力的損耗。為了進(jìn)一步降低功率損耗，把刀輥設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)以減輕刀輥的質(zhì)量。

刀輥的工作寬度對打捆機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性有很大影響，刀輥的工作寬度決定于刀輥寬度，也就是兩側(cè)軸頭內(nèi)側(cè)的長度。合理的刀輥寬度能夠提高撿拾機(jī)構(gòu)的作業(yè)效率，減少作業(yè)次數(shù)和能源損耗，作業(yè)時刀輥的平衡性好，可減小對撿拾機(jī)構(gòu)的磨損，延長刀輥的使用壽命。刀輥寬度過小時，撿拾作業(yè)的次數(shù)增加，作業(yè)效率降低，拖拉機(jī)行駛路程增加，油耗上升，并且撿拾機(jī)構(gòu)容易疲勞，大大降低撿拾機(jī)構(gòu)的壽命。遇到較粗的甜高粱莖稈也難以打碎，容易造成堵塞，打捆機(jī)的故障率增加，打捆效果差。刀輥寬度過大時，工作效率提高，但動力需求也增加，對拖拉機(jī)的功率要求提高，同時，對撿拾機(jī)構(gòu)的整體平衡產(chǎn)生影響，容易發(fā)生安全事故，可靠性不高。根據(jù)現(xiàn)在市場通用刀輥寬幅并結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)和甜高粱莖稈長度，選取刀輥寬度為2.4 m。圖1所示為撿拾機(jī)構(gòu)示意圖。

刀輥的直徑也是對撿拾機(jī)構(gòu)性能影響很大的因素之一，它對刀輥的轉(zhuǎn)速和在工作期間的平穩(wěn)性有著直接影響，也會影響拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷和打捆機(jī)的工作壽命。配套的刀輥直徑與打捆機(jī)的配合度更高，撿拾作業(yè)的效率、質(zhì)量和穩(wěn)定性也就越高，故障率越低。如果刀輥的強(qiáng)度不能達(dá)到要求，很容易在刀座處發(fā)生變形。由于地面坑洼不平，工作時刀輥很容易碰到硬物或石子，發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的沖擊和顛簸直接破壞撿拾機(jī)構(gòu)的動平衡，影響撿拾效率和撿拾質(zhì)量。刀輥的直徑越大，整個撿拾機(jī)構(gòu)的尺寸也增加，給拖拉機(jī)的動力造成更大的負(fù)擔(dān)，故障率增加，而且撿拾刀片之間的空隙變大，撿拾質(zhì)量受到影響。如果刀輥的直徑過小，刀輥的強(qiáng)度達(dá)不到要求，容易發(fā)生變形，而且撿拾刀片的排列過于緊密，在撿拾機(jī)構(gòu)作業(yè)時，很容易發(fā)生撿拾刀片相互碰撞，故障率升高，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，無法有效撿拾和打碎高粱莖稈。所以，綜合考慮甜高粱莖稈打捆的實(shí)際要求，結(jié)合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，撿拾刀片的長度定為135 mm（刀柄90 mm，彎折部分長度45 mm），撿拾刀片的質(zhì)量設(shè)計(jì)為0.5 kg/片，刀輥外徑為180 mm，內(nèi)徑尺寸為160 mm，刀輥與刀座之間采用焊接高強(qiáng)度連接，撿拾刀片用銷軸連接在刀座上且可以自由轉(zhuǎn)動[4]。

2.2 刀輥轉(zhuǎn)速分析

甜高粱莖稈的打碎撿拾主要取決于打捆機(jī)刀輥的轉(zhuǎn)速。為提高打碎效果，將刀輥的旋轉(zhuǎn)方向設(shè)為與撿拾作業(yè)方向相同，即刀輥在豎直平面內(nèi)進(jìn)行高速回轉(zhuǎn)，在拖拉機(jī)牽引下刀輥在水平方向直線運(yùn)動。選取刀輥幾何中心為原點(diǎn)O，機(jī)組作業(yè)前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，豎直方向?yàn)閥軸正方向，建立撿拾刀片的運(yùn)動軌跡如圖2所示。因此，撿拾刀片的運(yùn)動軌跡參數(shù)方程式為：

式中：ω為刀輥的角速度，rad/s；V為打捆作業(yè)機(jī)組的前進(jìn)速度，m/s；R為撿拾刀片的回轉(zhuǎn)半徑，mm。

對軌跡方程式（1）進(jìn)行求導(dǎo)，得到速度方程：

撿拾刀片的絕對速度Va的表達(dá)式：

式中：Vr為刀片端點(diǎn)最大回轉(zhuǎn)半徑線速度，令Vr=ωR=，其中n為刀輥轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)?shù)镀木€速度方向與作業(yè)行進(jìn)水平方向相反，且機(jī)具前進(jìn)速度V取最大值時，甩刀的絕對速度Va最小，此時刀片的回轉(zhuǎn)線速度Vr最小，即：

結(jié)合已知條件得出刀軸最低轉(zhuǎn)速：

研究表明，刀片端點(diǎn)的回轉(zhuǎn)線速度Vr≥35 m/s時，才能實(shí)現(xiàn)打捆機(jī)撿拾和切碎，當(dāng)Vr≥48 m/s時，撿拾和切碎效果最佳[5]。機(jī)具工作前進(jìn)速度V=2 m/s，撿拾刀片的回轉(zhuǎn)半徑R為220 mm，此時刀輥的最小轉(zhuǎn)速為2 084 r/min。

2.3 刀座的設(shè)計(jì)

刀座是連接撿拾刀片和刀輥的部件。刀輥為弧形面，為了保證刀座能夠與刀輥緊密貼合，將刀座的底面設(shè)計(jì)成與刀輥相貼合的弧面，保證在焊接時不出現(xiàn)虛焊，保證連接強(qiáng)度[6]。按照設(shè)計(jì)要求，根據(jù)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，刀座尺寸取長為50 mm，寬為35 mm，厚度為6 mm，刀座底部與刀輥焊接處的圓弧半徑r=90 mm，弧度為29°，撿拾粉碎刀片的安裝孔徑d=20 mm。

撿拾刀片的位置排列影響撿拾機(jī)構(gòu)的作業(yè)效果，要保證撿拾打碎質(zhì)量和效率，必須對撿拾刀片進(jìn)行合理排列，保證撿拾機(jī)構(gòu)的作業(yè)動平衡。為了確保撿拾刀片排列的科學(xué)合理，需遵循以下要求：

1）刀輥上，刀片與刀片之間的軸向距離要均勻，既要避免漏撿漏切，也不能重復(fù)切割增加不必要的磨損。同時要保證相鄰撿拾刀片能夠完成秸稈的拋送，防止出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。甩刀數(shù)量N的最優(yōu)值由下式確定：

式中：L為刀輥的作業(yè)幅寬，C為甩刀密度。研究表明，打捆機(jī)的甩刀密度的取值范圍為0.005～0.01片/mm。

2）撿拾刀片采用螺旋式排布?？紤]到撿拾刀片在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，在刀輥上安裝四組撿拾刀片螺旋分布，相對的兩組刀片呈180°分布，以此抵消離心力。

3）刀座的長度會影響撿拾刀片的回轉(zhuǎn)。刀座的長度需要與撿拾刀片相配合，借鑒經(jīng)驗(yàn)，將撿拾刀片與刀座的長度比控制在3∶1。

因?yàn)槁菪降镀挪挤绞?，工作效率高，刀片磨損低，刀輥的動平衡較好，制造工藝簡單，故選用雙螺旋式分布。下頁圖3所示為撿拾刀片的分布展開圖，橫坐標(biāo)代表刀輥的長度方向，并且為了配合第一列和第十六列的撿拾刀片的撿拾工作范圍，在撿拾刀片的外側(cè)留出87.5 mm的空隙，其他撿拾刀片之間的距離為135 mm。縱坐標(biāo)代表刀輥軸向方向，在軸向均勻螺旋分布四排撿拾刀片，每排相隔90°，每排有八個撿拾刀片，各排相鄰刀座之間的距離為270 mm。相鄰的兩排撿拾刀片錯落分布，留有一定的距離，保證相鄰刀片之間不出現(xiàn)干擾。

2.4 撿拾刀片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

撿拾刀片的結(jié)構(gòu)形狀對高粱莖稈的打碎效果有很大作用。分析如圖4所示的常見的直刀型、錘爪型、Y型甩刀、T型甩刀、L型甩刀和鞭式甩刀等幾種撿拾刀片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，Y型甩刀的體積小、作業(yè)時阻力小、制造工藝簡單，成本低，對稱結(jié)構(gòu)在高速旋轉(zhuǎn)時能保持較好的動平衡，打碎效果好，也不容易出現(xiàn)堵塞問題，所以選用Y型甩刀結(jié)構(gòu)。在具體應(yīng)用時，將兩把L型刀片背對背組合在一起拼成Y型刀片，利用銷軸連接在刀座上，能夠有更強(qiáng)的抗沖擊性能。

撿拾刀片材料采用耐磨性和抗沖擊性較好的高錳鋼65Mn。調(diào)研現(xiàn)在市場上常見打捆機(jī)撿拾刀片尺寸，經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)切削角為20°左右時，切削力和消耗功率最小，因此，改進(jìn)的Y型甩刀的彎折角取為20°，刀片厚度取8 mm。

3 結(jié)論

通過對飼用甜高粱打捆機(jī)的撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了撿拾機(jī)構(gòu)以提高撿拾效率。

1）對打捆機(jī)的撿拾機(jī)構(gòu)工作原理進(jìn)行解析，確定了打捆機(jī)刀輥的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)。撿拾刀片通過銷軸連接在刀座上，刀座焊接在刀輥上，以提高撿拾刀片的使用壽命和抗沖擊性。

2）刀輥轉(zhuǎn)速切割線速度Vr≥35 m/s滿足要求，撿拾機(jī)構(gòu)工作前進(jìn)速度2 m/s，刀片回轉(zhuǎn)半徑為220 mm，刀輥的最小速度為2 084 r/min。

3）撿拾刀片的結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的Y型甩刀結(jié)構(gòu)，雙螺旋式排列，工作效率高，刀片磨損低，刀輥的動平衡較好，制造工藝簡單。