苜蓿打捆機撿拾喂入機構設計

徐易恒 張亞振 王家忠 韓子樂

0 引言

苜蓿營養(yǎng)價值很高，素有“牧草之王”之美稱。近年來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構調整，苜蓿的種植面積不斷擴大，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展很快。刈割苜蓿應選擇在單位面積內營養(yǎng)物質最高時期［1］。為確保苜蓿在最佳刈割期內收獲，應用機械化收獲設備是必然的選擇。該設計在傳統(tǒng)苜蓿打捆機撿拾喂入機構的基礎上［2］，進行優(yōu)化設計，增加切碎機構，以期獲得更好的作業(yè)性能。

1 撿拾器設計

1.1 設計要求

紫花苜蓿一般一年可以刈割3～5茬，含水量15%～18%時，干草總產(chǎn)量大約為600～1 200 kg/667 m2。第一茬的產(chǎn)量最高，產(chǎn)量在300～500 kg/667 m2之間。該設計設定干草產(chǎn)量500 kg/667 m2。其它設計要求：作業(yè)幅寬1.84 m，作業(yè)效率≥3 t/h，作業(yè)速度≥4 km/h。

1.2 撿拾器結構設計

撿拾器整體結構見圖1。

圖 1 撿拾器結構

撿拾器盤焊接在撿拾器滾筒軸上，隨滾筒軸的轉動而轉動。軸承通過螺栓聯(lián)接安裝在撿拾器盤上，彈齒梁的端部焊接軸，彈齒梁軸通過過盈配合與軸承相連接，即彈齒梁可以繞撿拾器滾筒軸轉動。彈齒梁上固定有14個間距相同的彈齒，彈齒梁的端部焊接軸與凸輪盤連接板焊接相連，凸輪盤連接板的另一端與滾輪相連。滾輪在凸輪盤的滑槽內沿滑槽的軌跡滑動。

1.3 撿拾器轉速計算

物料堆積、撿拾不凈是撿拾器工作時經(jīng)常遇到的問題，為避免這些問題，設計應滿足三個條件。

第一，撿拾器彈齒末端的線速度應大于或等于打捆機的前進速度。否則，彈齒將推動物料向前移動，只能撿拾一部分物料，余下的物料會被遺留下來積聚在田間。用公式表示：

式中：v1——撿拾器彈齒末端的線速度，m/s；

n ——打捆撿拾滾筒轉速，r/min；

Rmax——撿拾器彈齒末端最大回轉半徑，m；

v ——打捆機的前進速度，m/s。

撿拾器工作參數(shù)如圖2所示。Rmax= 0.203 m，打捆機前進速度為6 km/h，由此得出n≥ 78 r/min。

圖 2 撿拾器工作參數(shù)

第二，撿拾器應能連續(xù)撿拾物料。撿拾器能否連續(xù)地撿拾物料，取決于物料由一個彈齒運動到相鄰一個彈齒所需的時間。在此時間內，打捆機向前移動距離應小于彈齒運動相鄰兩個彈齒夾角所走的距離。如果相鄰兩彈齒間的夾角為φ，那么，撿拾器彈齒轉過此角度所需的時間為：

式中：ω——撿拾器滾筒軸的角速度，rad/s；

z ——彈齒排的數(shù)量，個；

t ——彈齒轉過此角度所需的時間，s。

式中：n ——扒桿的轉速，r/min。

將式（3）代入式（2）：

式中：s ——打捆機向前移動距離，m；

v ——打捆機的前進速度，m/min；

t——彈齒轉過此角度所需的時間，min。

將式（4）的t值代入式（5）：

式（6）中，s值隨v的增大而增大，隨z和ω的減小而增大。

最佳的s值根據(jù)被撿拾的物料種類設定。在收獲干牧草時，s值應等于或小于撿拾作物長度。苜蓿的撿拾長度為0.5 m，則s ≤ 0.5 m 。當s = 0.5 m時，由公式（6）可得：

撿拾器能將物料撿拾起來的條件是，撿拾器轉速n≥ 78 r/min；撿拾器能夠連續(xù)地撿拾物料的條件是，撿拾器轉速n≥ 64 r/min。由此設定撿拾器轉速n≥ 78 r/min。

第三，撿拾器不漏撿。要想使撿拾器不漏檢，相鄰兩排彈齒端部連線的運動軌跡曲面交線高度 h（見圖3）應滿足式（9）。查詢農(nóng)業(yè)機械設計手冊可知[3]，撿拾器轉速 n與打捆機前進速度v應滿足式（10）。

式中：H ——護板離地高度，m；

d ——彈齒端部與地面最小間隙，m。

圖 3 撿拾器漏撿參數(shù)

式中：n ——打捆撿拾滾筒轉速，r/min；

Rmax——撿拾器彈齒末端最大回轉半徑，m；

v ——打捆機的前進速度，m/s；

φ——與h相應的滾筒轉角，rad。

式中：h ——相鄰兩排彈齒端部連線的運動軌跡曲面交線高度，m；

n = 135 r/min，滿足 n ≥ 78 r/min。

1.4 撿拾器轉速校核

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設計手冊的設計要求，彈齒末端在撿拾段和舉升段的絕對速度應小于3 m/s。

打捆機以6 km/h的速度行走。根據(jù)設計軌道形狀（圓弧形）和轉速，當彈齒位于撿拾段與舉升段的過度位置、進入舉升段的初始時間時，線速度最大。此時的彈齒處于水平偏下的位置，為了便于計算，選取水平位置計算彈齒端點的速度。

式中：ω—撿拾器滾筒軸的角速度，rad/s；

n —打捆撿拾滾筒轉速，r/min。

式中：ω——撿拾器滾筒軸的角速度，rad/s；

Rmax——撿拾器彈齒末端最大回轉半徑，m。

絕對速度等于牽連速度加相對速度

式中：ve——打捆機的作業(yè)速度，m/s；

vr——彈齒在水平位置上時彈齒端點的速度，m/s；

va——彈齒的絕對速度，m/s。

3.25 m/s大于3 m/s，不滿足設計要求，所以要略微減小行駛速度，從而達到設計要求。

當行駛速度達到1.52 m/s時，滾筒的轉速為123 r/min，此時的絕對速度為2.9 m/s。在彈齒位于撿拾位置與舉升位置過度時，線速度最大。計算絕對速度時，牽連速度與相對速度的數(shù)值相同，區(qū)別僅在于二者夾角不同，而且夾角相差不會高于45°。此時，絕對速度還沒有達到3 m/s，還有0.1 m/s的間隔。照此看來，行駛速度達到1.52 m/s時，滾筒的轉速為123 r/min，滿足設計要求。得出結論：打捆機行走最大速度為1.52 m/s，即5.5 km/h。

1.5 撿拾器效率

撿拾效率和常數(shù)g有關，g值根據(jù)苜蓿的種植狀況確定。設g值為0.75 kg/m2，v值為1.52 m/s，L值為1.84 m。

式中：Q ——生產(chǎn)效率，kg/h；

v ——打捆機作業(yè)速度，m/s；

L——撿拾器作業(yè)幅寬，m。

由此得出：撿拾器每秒的撿拾量為7 551.36 kg/h，即2.09 kg/s。

2 喂入機構設計

采用人字型斷續(xù)螺旋刀片式喂料機構可以使草料向中間堆積。旋轉喂入機構刀片的排列形式為斷續(xù)螺旋刀片式，具有工作負荷對稱、揉切質量好、機器震動小的特點。采用solidworks三維實體軟件設計的旋轉喂入機構的三維實體結構見圖4。該旋轉喂入機構由喂入輥、定刀片焊接組成。旋轉切割喂入機構由30片（15組）刀片組成，每組刀片間距為69 mm，按照2 000 mm的恒定螺距對稱排列。

圖 4 人字型螺旋刀片式喂料機構

2.1 喂入輥轉速計算

喂入輥的外徑R=195 mm，內徑r=80 mm，喂入輥長度h = 1 m，喂入輥結構如圖1所示。喂入輥轉動一周喂入的體積為：

干苜蓿的單位體積重量為15 kg/m3[3]。考慮到撿拾苜蓿的松散程度，苜蓿在撿拾后的密度為10 kg/m3，所以，喂入輥轉動一周喂入苜蓿的質量約為1 kg。

由前文可知，撿拾器撿拾量為2.09 kg/s，則喂入輥的喂入量應大于2.09 kg/s，即轉速應大于125.4 r/min（2.09 r/s）?？紤]到地面物料堆積不均勻導致的喂入輥喂入量不均勻，以及定刀需要占據(jù)一部分喂入空間等原因，為避免草料在喂入輥中堵塞，取安全系數(shù)k = 2，則喂入輥的轉速應設計為250.8 r/min。

2.2 動刀設計

切割機械工作時，功耗的大小與切刀的工作方式以及刀片的特性參數(shù)有關。切刀的工作方式有滑切與正切之分。當按滑切方式工作時，切割阻力小，容易切割，切割時功率消耗也小。因此，宜采用滑切方式進行切割。圖5為切刀滑切角設計示意圖。圖中BC為回轉曲線刃口刀的刀刃，O點為刃口曲線的圓心，A點為切割工作的中點，切刀的回轉半徑為R。當切刀在傳動系統(tǒng)作用下繞刀軸中心P以一定的角速度做定軸回轉切割運動時，刀刃上工作點A的切割速度為v，顯然，v垂直與PA，將v分解為過點A切線和法線方向的兩個分速度vX和vH，則vH為滑切速度，vX為正切速度。vX與v之間夾角α為滑切角。當滑切速度不為零時的切割即稱為有滑切的切割，簡稱滑切。

動刀設計的目的在于切割時減小功率消耗。采用滑切切割時，功率消耗所做的功等于垂直于切割刃口所做的功與平行于切割刃口所做的功之和，同時合理的選擇滑切角也是十分有必要的。

垂直于動刀刃口所做的功為[4]：

式中：W1——垂直于動刀刃口所做的功，N?m；

P——切割阻比（單位刃口長度的切割阻力），N/m；

S——切割物料時掃過的面積，m2。

平行于刃口所做的功為：

式中：W2——平行于動刀刃口所做的功，N?m；

P ——切割阻比，N/m；

f ——摩擦系數(shù)；

γ——滑切角，°；

S ——切割物料時掃過的面積，m2。

則切割總功為：

切割單位面積所需功為：

當滑切角γ增大時，切割阻比P值逐漸降低。當滑切角足夠小時，Pftgγ的值過小，此時P值的大小成為影響單位切割面積所做功的大小的主要因素。因此，此時切割比功也隨之降低，切割也越來越省力；但是當滑切角增大到一定程度時，Pftgγ值成為影響單位切割面積所做功的大小的主要因素，切割比功Wi反而又開始增加，切割也就越來越費力。當滑切角為40°時，消耗功率最小，所以設計動刀滑切角應盡量保持在40°左右。

因為在滑切過程中，動刀的不同刀刃點上的滑切角度不同，每一把動刀的全部刀刃都會參與切割。所以，為了保證切割過程中滑切角都在40°左右，將動刀中點的滑切角設計為40°。從中點向動刀兩端，一端滑切角逐漸增大，另一端滑切角逐漸變小。這樣，就能保證在整個動刀上滑切角最接近40°。如圖5所示，α= 40°。

圖 5 動刀滑切角設計示意圖

定刀的結構分為兩種：鋸齒形和波浪形。如果在旋轉切割喂入機構中采用鋸齒形定刀，可能使苜蓿掛在定刀上，當掛在定刀的數(shù)量足夠多時會出現(xiàn)卡刀的情況。為避免這種情況發(fā)生，設計采用波浪形定刀。采用波浪形定刀還可以增加切割長度，提高切割效率。

為了避免苜蓿不經(jīng)過切割而被直接喂入，應保證動刀與動刀之間的距離足夠小。如果定刀與動刀之間的豎直距離過大，靠近喂入輥的苜蓿就有可能不經(jīng)過切割直接強制喂入。為了避免這種情況，設計動刀與定刀位置時，應使定刀貼近動刀，定刀刀頭距離喂入輥3 mm。為了增大切割長度設計定刀為曲線型，環(huán)繞動刀。圖6為切割喂入機構示意圖。

2.3 定刀數(shù)量設計及苜蓿切碎長度計算

為達到良好的打捆效果，苜蓿干草的適宜長度為60～80 mm。根據(jù)整機功率和喂入輥結構，設計定刀片數(shù)量為15片，則苜蓿切碎的理論長度可按下式計算：

L——動刀喂入輥幅寬，mm；

z ——定刀片數(shù)量。

圖 6 切割喂入機構示意圖

當定刀設計為15片時，切碎長度為66.67 mm?？紤]到并不是所有苜蓿都會平行于喂入輥進入，所以部分苜蓿的實際切割長度會大于66.67 mm。

3 結論

本文通過計算分析，確定了苜蓿打捆機的撿拾器轉速、喂入輥轉速以及定刀結構，為機具試制生產(chǎn)提供了重要技術數(shù)據(jù)。當撿拾器的轉速為123 r/min、與之相匹配的喂入輥轉速為250.8 r/min時，打捆機的行走速度可以達到5.5 km/h，作業(yè)效率≥3 t/h，即1小時可以收獲1 hm2苜蓿。本數(shù)據(jù)有待實驗驗證。