4QG-2型青貯割臺全齒輪式傳動系統(tǒng)的設(shè)計

梁榮慶，劉學(xué)峰，張德學(xué)，李青江，孫盛剛，閔令強(qiáng)，梁衛(wèi)紅

(1.山東農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100；2.山東雙佳農(nóng)裝科技有限公司，濟(jì)南 250100；3.聊城市東昌府區(qū)柳園辦事處農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，山東 聊城 252000)

0 引言

青貯飼料是將新鮮的青貯玉米、高粱、燕麥或苜蓿等切碎后經(jīng)微生物厭氧發(fā)酵[1]處理而成的，具有調(diào)制方便、耐久藏及養(yǎng)分保存率高等優(yōu)點[2-3]，可供牲畜全年飼喂，是畜牧業(yè)最重要的飼料來源[4-5],在一定程度上緩解了畜牧業(yè)快速增長與牧草飼料短缺的矛盾。與其他青貯飼料相比，青貯玉米產(chǎn)量高，營養(yǎng)物質(zhì)含量更為豐富，可與牧草相媲美，是反芻動物首選優(yōu)質(zhì)飼料[6]。近年來，隨著我國畜牧業(yè)的發(fā)展及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，青貯玉米種植面積也在逐年擴(kuò)大，但主要依靠人工進(jìn)行收獲，勞動強(qiáng)度大、成本高、效率低，且收獲時間較長，嚴(yán)重影響青貯飼料質(zhì)量，在一定程度上阻礙了畜牧業(yè)的健康發(fā)展，因此青貯玉米的機(jī)械化收獲勢在必行。

國外對青貯玉米機(jī)械化收獲技術(shù)的研究較早，產(chǎn)品較為成熟。發(fā)達(dá)國家為適應(yīng)自身種植模式多以大型自走式青貯玉米收獲機(jī)為主，整機(jī)動力多采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，效率高、穩(wěn)定性及工作可靠性較好，易于實現(xiàn)自動化控制、過載保護(hù)及無級調(diào)速[7-9]，可方便地對切碎刀盤的切削速度及物料喂入速度進(jìn)行控制，從而獲得較好的物料加工效果，保證了青貯玉米的切割質(zhì)量。我國對青貯玉米收獲機(jī)的研究起步較晚，自行研制生產(chǎn)的青貯玉米收獲機(jī)械型號及種類繁多，產(chǎn)品質(zhì)量不一。由于受種植模式影響，多以中小型機(jī)械為主，整機(jī)動力多采用皮帶進(jìn)行傳遞，帶傳動功率損失較大，結(jié)構(gòu)緊湊性較差，安裝調(diào)試較為繁瑣，并存在彈性滑動現(xiàn)象[10]，需張緊輪進(jìn)行張緊，物料的喂入速度調(diào)整較為困難。當(dāng)喂入量過大時易發(fā)生堵塞，需停機(jī)對物料進(jìn)行清理[11-14]，嚴(yán)重影響作業(yè)效果及作業(yè)質(zhì)量。因此，設(shè)計一種全齒輪式傳動系統(tǒng)對4QG-2型青貯割臺的所需動力進(jìn)行傳輸，驅(qū)動各核心部件進(jìn)行工作，并對喂入輥的喂入速度進(jìn)行多檔位調(diào)整及反轉(zhuǎn)控制，滿足其作業(yè)要求，實現(xiàn)喂入堵塞的物料“反吐”，在保證青貯玉米收獲質(zhì)量的同時，也為青貯玉米收獲機(jī)的研制提供一定的理論基礎(chǔ)及技術(shù)參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)的組成及工作過程

1.1 整機(jī)組成

4QG-2型青貯割臺主要由滾筒式切割撿拾裝置、夾持喂入裝置、切碎揉搓裝置、全齒輪傳動系統(tǒng)及拋送裝置等核心部件組成，如圖1所示。該割臺結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，整體布局合理，性價比較高，可適用于不同工況作業(yè)環(huán)境，適應(yīng)性較強(qiáng)，主要用于青(黃)貯玉米、高粱等禾本植物的收獲，收獲效果較好。

1.2 整機(jī)工作過程

4QG-2型青貯割臺可采用三點懸掛或單獨設(shè)計的過渡件與雙向駕駛的大馬力拖拉機(jī)或玉米收獲機(jī)進(jìn)行配套使用，以配套動力的PTO后動力輸出作為驅(qū)動動力。該割臺安裝及拆卸較為方便，其主要的工作過程：工作時，配套設(shè)備PTO輸出的動力通過傳動軸經(jīng)全齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動滾筒式切割撿拾裝置、夾持喂入裝置及切碎揉搓裝置進(jìn)行工作，左、右滾筒式切割撿拾裝置將物料(青貯玉米或高粱)進(jìn)行切割，并將其輸送至夾持喂入裝置；夾持喂入裝置中的帶有鋸齒的左、右喂入輥對物料進(jìn)行強(qiáng)制輸送至切碎揉搓裝置，高速旋轉(zhuǎn)的切削刀盤帶動切碎動刀旋轉(zhuǎn)對強(qiáng)制喂入的物料進(jìn)行切碎；與此同時交錯安裝在切碎刀盤上的左右螺旋凸起的拋送葉片與安裝在切碎揉搓裝置底部的揉搓板配合使用對切碎的物料進(jìn)行揉搓，左右?guī)в新菪蛊鸬膾佀腿~片將切碎揉搓后的物料進(jìn)行拋送，輸送至運(yùn)輸裝置或青貯打包機(jī)中，完成整個作業(yè)流程。其工作過程如圖2所示。

1.滾筒式切割撿拾裝置 2.機(jī)架總成 3.夾持喂入裝置

圖2 4QG-2型青貯割臺的工作過程

為保障物料合理的切削長度，切碎動刀數(shù)設(shè)置為2、3、4、6、12可調(diào)，以滿足不同牲畜的喂養(yǎng)對青貯飼料切削長度的需求。此外，該機(jī)還能實現(xiàn)物料不同喂入速度的調(diào)節(jié)及“反吐”功能，可在不拆裝切碎動刀的情況下實現(xiàn)物料切段長度的調(diào)節(jié)；而“反吐”功能則可實現(xiàn)在物料喂入過多發(fā)生堵塞時控制強(qiáng)制喂入輥進(jìn)行反轉(zhuǎn)，能夠及時清理堵塞的物料，保證整機(jī)的正常工作。

2 全齒輪式傳動系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 全齒輪式傳動系統(tǒng)工作要求

整機(jī)工作過程中，切碎揉搓裝置除實現(xiàn)切碎揉搓外，還需利用拋送葉片對切碎揉搓后的物料進(jìn)行拋送，則需高速驅(qū)動切碎刀盤進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)(相對于拖拉機(jī)的前進(jìn)方向)；為使物料能夠正常切割喂入則需左右兩側(cè)的滾筒式切割撿拾裝置及夾持喂入裝置中的左右兩側(cè)強(qiáng)制喂入輥及左右兩側(cè)壓草輥轉(zhuǎn)速相同而轉(zhuǎn)向相反；此外，為保證喂入輥具有不同的喂入速度及“反吐”功能，則需要變速箱對其進(jìn)行控制。

在滿足整機(jī)工作要求的同時，設(shè)計的全齒輪式傳動系統(tǒng)需結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、功率損失較小，該傳動系統(tǒng)的動力傳輸示意圖如圖3所示。

圖3 全齒輪式傳動系統(tǒng)動力傳輸示意圖

在整個傳動系統(tǒng)中，由于旋轉(zhuǎn)刀盤直接安裝在主傳動上，則配套動力輸入轉(zhuǎn)速即是旋轉(zhuǎn)刀盤的工作轉(zhuǎn)速，因此本文主要對夾持喂入裝置驅(qū)動齒輪系及滾筒式切割撿拾裝置的驅(qū)動齒輪系進(jìn)行設(shè)計。

2.2 夾持喂入裝置驅(qū)動齒輪系的設(shè)計

夾持喂入裝置驅(qū)動齒輪系主要是驅(qū)動夾持式喂入裝置進(jìn)行工作。工作過程中，由于旋轉(zhuǎn)刀盤轉(zhuǎn)速與動力輸入轉(zhuǎn)速相同，為滿足飼喂不同牲畜對青飼料切段長度的需求，除變動切碎動刀數(shù)量外，還需對喂入輥的喂入速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，則喂入輥的喂入線速度為

(1)

其中，v喂為喂入線速度(m/s)；L為切碎長度(mm)；n為旋轉(zhuǎn)刀盤轉(zhuǎn)速(r/min)；k為動刀片數(shù)量。

試驗過程中，該機(jī)的配套動力選用東汽1304雙向大馬力拖拉機(jī)，其輸出動力為82kW，PTO最高輸出轉(zhuǎn)速為1 000r/min，則旋轉(zhuǎn)刀盤轉(zhuǎn)速也為1 000r/min。初定常用切碎動刀數(shù)量為3把，設(shè)定物料切碎長度為25～45mm(牛為30～50mm，羊為20～30mm[15])，則該狀態(tài)下喂入輥的理論喂入線速度范圍為1.25～2.25m/s，此時喂入輥的轉(zhuǎn)速為

(2)

其中，n喂為喂入輥轉(zhuǎn)速(r/min)；D為喂入輥直徑(mm)。

試驗過程中所使用的喂入輥直徑為177mm，此時喂入輥的理論轉(zhuǎn)速范圍為134.9～242.9r/min，求取最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速平均值為188.9r/min。因此，根據(jù)該理論數(shù)據(jù)設(shè)計喂入輥變速箱的3個檔位，為使該機(jī)具有“反吐”功能，設(shè)計一個倒擋控制喂入輥在不停機(jī)的狀況下實現(xiàn)反轉(zhuǎn)[16]，則夾持喂入裝置驅(qū)動齒輪系動力傳輸路線圖如圖4所示。

圖4 夾持喂入裝置驅(qū)動齒輪系動力傳輸路線圖

如圖4所示，主傳動動力經(jīng)一對錐齒輪Z1與Z2換向后傳遞至喂入輥變速箱，該變速箱由齒輪組Z3、Z4及Z5、Z6組成，對喂入輥轉(zhuǎn)度及旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行控制。其中，Z3與Z11組成第Ⅰ檔位(最低速檔位)動力傳輸，Z4與Z10組成第Ⅱ檔位(中間速度檔位)動力傳輸，Z5與Z9組成第Ⅲ檔位(最高速檔位)動力傳輸，而Z6、Z7與Z8則組成第Ⅳ檔位(倒擋)動力傳輸。Z12、Z13、Z15、Z16及Z17將動力傳至右喂入輥驅(qū)動軸及右壓草輥驅(qū)動軸，從而驅(qū)動右喂入輥及右壓草輥進(jìn)行工作；Z14、Z18、Z19及Z20則將動力傳至左喂入輥驅(qū)動軸及左壓草輥驅(qū)動軸，從而驅(qū)動左喂入輥及左壓草輥進(jìn)行工作。由于Z15～Z20各直齒輪齒數(shù)均相同，則左、右喂入輥轉(zhuǎn)速及左、右壓草輥轉(zhuǎn)速相等，而轉(zhuǎn)向相反。

在設(shè)計過程中，由于受實際加工參數(shù)影響，根據(jù)實際情況對各檔位的齒輪理論計算齒數(shù)進(jìn)行了略微調(diào)整及圓整，最終獲得各檔位喂入輥喂入速度為Ⅰ=1.27m/s、Ⅱ=1.69m/s、Ⅲ=2.24m/s、Ⅳ=1.49m/s，則在喂入速度為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ時，切碎動刀數(shù)量各為2、3、4、6及12時的物料理論切段長度如表1所示。

表1 物料理論切段長度表

2.3 滾筒式切割撿拾裝置驅(qū)動齒輪系的設(shè)計

切割撿拾裝置的工作質(zhì)量是影響青貯玉米機(jī)械化收獲的關(guān)鍵因素之一，為提高整機(jī)的作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性，4QG-2型青貯割臺采用滾筒式切割撿拾裝置對物料進(jìn)行不對行切割撿拾喂入，滾筒式切割撿拾裝置主要由扶禾撿拾喂入滾筒及圓盤割刀組成，如圖5所示。

1.圓盤割刀 2.鋸齒式切割刀 3.扶持喂入滾筒 4.轉(zhuǎn)軸

為適應(yīng)整機(jī)工作幅寬(2 200mm)，圓筒式切割撿拾裝置圓筒直徑為860mm，圓筒最底層撥齒外緣直徑為1 120mm，圓盤割刀最外緣直徑為1 090mm，由于其利用無支撐切割，旋轉(zhuǎn)割刀的線速度需達(dá)到30m/s以上[17-19]。因此，本文設(shè)計的該機(jī)圓盤割刀轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速相同，為1 000r/min，則此時圓盤割刀的切割線速度為57.07m/s。

為保證物料的有效撿拾及喂入，滾筒式撿拾喂入裝置喂入速度需與喂入輥的喂入速度及整機(jī)的前進(jìn)速度相匹配。本割臺設(shè)計的滾筒轉(zhuǎn)速為52.97r/min，線速度為3.11m/s，略大于喂入輥最高檔位時的喂入線速度(Ⅲ=2.24m/s)，高于機(jī)組前進(jìn)速度0.56m/s(東汽1304雙向駕駛拖拉機(jī)反向駕駛最低運(yùn)行速度為2km/h)，則滾筒式切割撿拾裝置驅(qū)動齒輪系傳動路線圖如圖6所示。

如圖6所示：通過錐齒輪Z21、Z22、Z23及Z24將主傳動軸動力傳遞給左刀盤驅(qū)動軸，從而驅(qū)動刀盤進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。由于主動錐齒輪Z21、Z23分別與從動錐齒輪Z22、Z24齒數(shù)相同，則此時刀盤轉(zhuǎn)速與主傳動軸轉(zhuǎn)速的傳動比i為1，即輸出轉(zhuǎn)速等于輸入轉(zhuǎn)速(1 000r/min)。Z25、Z26、Z27及Z28將動力傳遞給左滾筒驅(qū)動軸，驅(qū)動滾筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成物料的撿拾喂入。右刀盤與右滾筒傳遞路線與左滾筒及左刀盤傳遞路線及齒輪齒數(shù)完全相同，主要由Z29～Z35組成，驅(qū)動左刀盤與左滾筒進(jìn)行工作，而旋轉(zhuǎn)方向則與左刀盤及左滾筒旋轉(zhuǎn)方向相反，保證物料的正常切割、撿拾喂入。

圖6 滾筒式切割撿拾裝置驅(qū)動齒輪系動力傳輸路線圖

切割撿拾效果受圓盤割刀的轉(zhuǎn)速、秸稈的密度及整機(jī)的前進(jìn)速度等因素的影響[20]，根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)對圓盤刀工作時有無漏切現(xiàn)象進(jìn)行理論校核，若無漏割現(xiàn)象則該機(jī)理論圓盤刀刀片數(shù)應(yīng)滿足[21]

(3)

其中，v為機(jī)組工作速度(m/s)；h為切割刀片刃口高度(mm)；n割為割刀轉(zhuǎn)速(r/min)；θ為刀盤安裝角度(°)。

本機(jī)刀盤安裝角度為0°，切割刀片刃口高度為10mm，則計算所得該機(jī)理論圓盤刀刀片數(shù)m=3.3，圓整后為m=4。而實際本機(jī)切割圓盤共安裝6把鋸齒刀片，每個鋸齒刀片有15個小鋸齒刀，共90個小鋸齒刀，因此以上設(shè)計的各參數(shù)均可滿足實際工作要求，保證工作時無漏切現(xiàn)象產(chǎn)生。

根據(jù)整機(jī)工作要求、各裝置齒輪系傳遞路線圖及各裝置空間位置布局最終所設(shè)計的4QG-2型青貯割臺的全齒輪式傳動系統(tǒng)如圖7所示。其主要由主傳動軸、喂入輥變速箱、右傳動軸、右滾筒式切割撿拾裝置驅(qū)動齒輪箱、左傳動軸，以及左滾筒式切割撿拾裝置驅(qū)動齒輪箱等組成。

1.主傳動軸 2.喂入輥變速箱 3.右傳動軸 4.右滾筒切割撿拾裝置驅(qū)動齒輪箱5. 左傳動軸 6.左滾筒切割撿拾裝置驅(qū)動齒輪箱

圖7 全齒輪式動力傳動系統(tǒng)

Fig.7 All gear power transmission system

3 田間性能測試

為驗證QG-2型青貯割臺全齒輪式傳動系統(tǒng)的傳動性、可靠性及穩(wěn)定性，以青貯玉米為收獲對象，對切碎刀盤切削效果及整機(jī)性能進(jìn)行了測試。在試驗過程中，該割臺配套動力為東汽1304拖拉機(jī)，可雙向駕駛，動力為96kW，整機(jī)工作速度2km/h，在工作過程中整機(jī)性能較為穩(wěn)定，作業(yè)效率約為0.7hm2/h，平均割茬高度為120mm，損失率≤4.1%。

喂入輥在不同轉(zhuǎn)速下，切碎動刀數(shù)量分別為2、3、4、6、12把時青貯玉米切段長度如表2所示。其實際測試結(jié)果與理論計算值吻合較好，切碎合格率≥95%，符合NY/T 2088-2011《玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》要求。

表2 青貯玉米秸稈實際平均切段長度

4 結(jié)論

1)根據(jù)該機(jī)工作要求及整機(jī)空間布局情況設(shè)計的全齒輪式傳動系統(tǒng)可較好地對整機(jī)需求動力進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)物料的切割撿拾、喂入及切碎拋送等。

2)設(shè)計的夾持喂入裝置驅(qū)動齒輪系可方便地對喂入輥的喂入轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，并可在不停機(jī)的情況下控制喂入輥進(jìn)行反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)“反吐”功能，可及時清理喂入通道中堵塞的物料。

3)設(shè)計的滾筒式切割撿拾裝置驅(qū)動齒輪系可有效地對青貯玉米進(jìn)行切割喂入，切割速度、喂入速度及機(jī)組前進(jìn)速度匹配較好，無物料的漏切現(xiàn)象產(chǎn)生。

4)田間試驗表明：在不同切碎動刀數(shù)量與不同的喂入度下，物料的理論切段長度與實際值吻合較好，且符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。