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]。使用時可直接作青飼料進行喂養(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與切碎機分段收獲加工模式，生產(chǎn)成本高，工人勞動強度大，不利于產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。采用聯(lián)合收割機作業(yè)模式是提高飼用苧麻收獲效率，推動產(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技術(shù)較先進，所生產(chǎn)的自走式青貯飼料收獲機具有自動化程度高、行走速度快、收獲效率高和駕駛環(huán)境舒適等特點，且機器割臺多種多樣，一般具有自動磨刀、自動潤滑、自動對行及金屬探測等功能[7]。國內(nèi)青飼料聯(lián)合收割機研究起步相對較晚，基礎(chǔ)相對薄弱。主要體現(xiàn)在產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重，可靠性低，自動化水平不高。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)合收割機專用設(shè)備設(shè)計上，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)合收割機收獲苧麻時，收割割臺經(jīng)常會出現(xiàn)纖維纏繞滾筒和物料堵塞割臺的現(xiàn)象，導(dǎo)致機器無法正常工作。4QM-4.0型麻類青飼料收割機割臺根據(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行結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過理論計算與試驗分析，確定了割臺各關(guān)鍵裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 整機工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整機工作原理

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

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

工作原理如下：麻類青飼料聯(lián)合收割機的動力采用液壓系統(tǒng)提供，能一次完成飼用苧麻收割、輸送、切碎和集料等各項作業(yè)，整機工作時，調(diào)整收割機割臺撥禾輪的高度，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上，切割割臺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

為了使收割機割臺適應(yīng)飼用苧麻田間收獲，對飼用苧麻田間生長特性進行了調(diào)查。通過對不同刈割高度下飼用苧麻“中苧1號”和“中苧2號”的生長性能、產(chǎn)量和飼用品質(zhì)變化情況進行研究。研究結(jié)果表明：以年風(fēng)干物和粗蛋白產(chǎn)量最高為評價指標，不同的飼用苧麻品種最佳刈割高度存在差異[9]，“中苧1號”的最佳刈割高度為1 200～1 400 mm，而“中苧2號”的最佳刈割高度為1 000～1 200 mm[10]。因此，收割機割臺應(yīng)對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，割臺高度調(diào)整范圍設(shè)計為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 臥式收割割臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足不同高度麻莖稈輸送需求，在臥式割臺中部設(shè)計了彈齒輸送器。在機器工作時，彈齒輸送器、撥禾輪與喂入攪龍相互配合，實現(xiàn)了對苧麻物料的高效輸送；為便于苧麻莖稈的順利鋪放，臥式割臺的長度比傳統(tǒng)谷物收割機割臺的長度長300 mm，收割臺總長度達1 000 mm以上，保證了飼料收割機可以滿足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，本割臺可通過液壓缸進行高度升降。

收割機割臺主要由喂入攪龍、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 臥式收割割臺結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計

2.1 撥禾輪參數(shù)設(shè)計

撥禾輪作為收割作業(yè)中重要的導(dǎo)向部件，作業(yè)時撥禾輪將物料撥向割刀，并在切割的過程中配合切割動作扶持作物[11]。對于傾斜倒伏作物，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。

撥禾輪的運動是由機器整體前進速度和撥禾輪繞軸圓周運動復(fù)合而成。對撥禾輪正截面建立坐標系，以撥禾輪中心軸在地面的投影為坐標原點，收獲機前進方向為坐標系X1軸正方向，以對地面的垂直高度為Y1軸正方向。撥禾輪的運動軌跡參數(shù)方程見式(1)，運動軌跡見圖3所示。

圖3 撥禾輪的運動軌跡

(1)

式中：V1——收割機的前進速度，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——行進時間，s。

圖3中的β為撥禾輪圓周轉(zhuǎn)速與收割機前進速度的比值，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)方程運動曲線。發(fā)現(xiàn)不同的撥禾輪速比，將導(dǎo)致不同運動軌跡。當(dāng)β>1時，撥禾輪彈齒的運動軌跡為余擺線，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，撥禾輪彈齒的運動軌跡為余擺線，撥禾輪才有向后分速度，才能實現(xiàn)正常的撥禾。

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

(3)

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

同時彈齒入作物的軌跡的最低點應(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彎曲懸掛在彈齒之上，被拋出機器外面，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

2.2 收割機割刀參數(shù)設(shè)計

考慮到收割機主要收割對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。單動刀切割裝置主要由往復(fù)式動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)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，實現(xiàn)機構(gòu)通常選用曲柄連桿機構(gòu)，如圖4所示。

圖4 往復(fù)式割刀曲柄連桿機構(gòu)

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

=L2+r-L2cosa-rcosωt

(7)

因為L≥r，因此有：X≈r-rcosωt

(8)

(9)

ω=2πn2

(10)

式中：X——割刀從C點運動到B點的位移，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)計值為1 m/s，曲柄的半徑為25 mm；通過式(9)、式(10)計算出曲柄的轉(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

莖稈撿拾輸送器是收獲機械的關(guān)鍵部件之一，其撿拾性能的好壞直接影響收割割臺的作業(yè)效果[16]。撿拾器工作時，伸縮撥齒在滾筒的驅(qū)動下逆前進方向旋轉(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，隨著機器的前進和滾筒的轉(zhuǎn)動將物料挑至滾筒的后方，物料經(jīng)慣性作用進入割臺攪龍。

伸縮撥指上任一點的運動軌跡為余擺線，所以其運動軌跡取決于滾筒筒體的圓周線速度與機具前進速度的比值λ，計算公式如式(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。機器的前進速度V1為1.2 m/s，設(shè)計撥齒輪滾筒半徑rb為150 mm。根據(jù)式(11)可計算出撥齒的轉(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 割臺喂入攪龍參數(shù)設(shè)計

喂入攪龍又叫螺旋推運器，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，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、纏繞現(xiàn)象基本得到控制[17]。為了保證攪龍在工作過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)計目標函數(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——攪龍滾筒單位時間內(nèi)撥送物料重量，kg/s；

δ——物料壓實系數(shù)；

ρ——壓實飼用苧麻密度，kg/m3；

q——攪龍單位時間內(nèi)撥送物料體積，m3/s；

SKLMN——截面的面積，m2；

LKM——K點到M點的直線距離，m；

U——機器額定喂入量，其設(shè)計值為4 kg/s。

根據(jù)纖維纏繞試驗試驗結(jié)果，在本設(shè)計中取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割臺結(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)，可以計算得出Q=7.92 kg/s>U。因此本設(shè)計取攪龍結(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 收割試驗與分析

3.1 收割試驗

為了檢驗樣機收割機割臺作業(yè)性能及主要工作指標，在長沙市望城區(qū)國家苧麻種質(zhì)苗圃進行收割試驗。試驗品種為“中飼1號”。試驗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)合收割機樣機、卷尺、游標卡尺、電子天平、烘箱等。

根據(jù)標準《DG—T 052—2019青飼料收獲機》進行收獲損失率試驗，選擇直立狀態(tài)的飼用苧麻作物進行試驗，將50 m測區(qū)內(nèi)收獲機割幅范圍內(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)計算出本機器收獲損失率為3%。具體試驗結(jié)果見表3所示。

表3 收割試驗結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明：麻類青飼料聯(lián)合收割機的收獲損失率為3%，達到了國家和行業(yè)標準，符合設(shè)計要求；收割后割茬高度為150 mm，設(shè)計值為小于等于200 mm，符合苧麻種植農(nóng)藝要求，有利于其后期生長。收割時，觀察未發(fā)現(xiàn)割臺出現(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)計參數(shù)合理，可以實現(xiàn)對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，設(shè)計了收割機割臺結(jié)構(gòu)，該割臺主要由往復(fù)式切割器、撿拾輸送器、撥禾輪和喂入攪龍組成。該割臺結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)不同高度苧麻莖稈收割需求。同時具有較好的防纖維纏繞性能。

2) 通過理論計算與試驗分析確立各關(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) 田間試驗表明該機收獲損失率為3%，標準草長率為91%，作業(yè)小時生產(chǎn)率為0.25～0.35 hm2/h，割茬高度150 mm。收割時，割臺未出現(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。試驗結(jié)果表明往復(fù)式切割器切割效果良好、整機工作性能穩(wěn)定，該收割機割臺能夠滿足對飼用苧麻作物的收割需求。