冬春鮮喂飼用油菜收獲機(jī)滾刀式切碎裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

蔣亞軍 廖宜濤 廖慶喜,2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

油菜是我國長江中下游地區(qū)主要秋種夏收作物，既是優(yōu)質(zhì)油料作物，又是優(yōu)質(zhì)蜜源、大規(guī)模觀花旅游、優(yōu)質(zhì)鮮飼和青貯飼料作物，極具發(fā)展?jié)摿1]。飼用油菜是在冬春季節(jié)刈割油菜苗期到尾花期全株用于鮮喂或青貯飼喂牲畜的飼料，其生物量大、產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、成本低，可有效緩解牲畜缺乏青飼料的問題[2]；特別是冬春季節(jié)輔助主料鮮喂，可促進(jìn)牲畜生長，縮短育肥周期，降低飼喂成本。要促進(jìn)飼用油菜作物生產(chǎn)的快速發(fā)展，推進(jìn)農(nóng)牧種養(yǎng)深度融合，輕簡(jiǎn)高效的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)是關(guān)鍵。目前適應(yīng)于油菜種植農(nóng)藝要求的輕簡(jiǎn)高效精量聯(lián)合播種裝備已經(jīng)在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用[3]，但缺乏適應(yīng)的飼用油菜輕簡(jiǎn)高效收獲裝備，由人工刈割油菜直接飼喂或切碎后飼喂，勞動(dòng)量大、效率低。

國內(nèi)外現(xiàn)有飼料作物收獲機(jī)主要針對(duì)玉米、牧草等青貯收獲，收獲機(jī)主要包括割臺(tái)總成、喂入裝置、切碎裝置、拋送裝置等。為提高收獲機(jī)適應(yīng)性，車剛等[4-5]研制了盤刀式揉搓切碎裝置，其切碎飼料質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高。國外莖稈切碎裝置多采用滾刀式切碎器[6-8]，可實(shí)現(xiàn)切碎長度無級(jí)可調(diào)。為滿足青貯物料發(fā)酵條件，現(xiàn)有切碎裝置[9-14]主要采用具有揉搓功能的盤刀式切碎裝置和帶有籽粒破碎裝置的滾刀式切碎裝置。

前期研究發(fā)現(xiàn)盤刀式切碎裝置用于飼用油菜收獲，物料受過度揉搓擠壓，導(dǎo)致物料汁水溢出無法飼喂，而且切碎后物料易堵在長而窄的輸送通道內(nèi)而無法繼續(xù)作業(yè)。在此基礎(chǔ)上本文針對(duì)飼用油菜含水率高、質(zhì)地脆嫩，易于剪切、擠壓破損的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適用于飼用油菜的滾刀式切碎裝置，以滿足切碎和飼喂要求。通過田間試驗(yàn)，測(cè)試其工作性能和效率以驗(yàn)證其工藝路線的可行性，為后續(xù)飼用油菜收獲機(jī)研發(fā)和優(yōu)化提供參考。

1 物料特性及收獲難點(diǎn)

冬春鮮喂飼用油菜物料特性是設(shè)計(jì)飼用油菜收獲機(jī)及其關(guān)鍵部件的基礎(chǔ)。選取飼用油菜主推品種華油雜62，在湖北省潛江市飼用油菜試驗(yàn)基地開展試驗(yàn)。油菜生長狀態(tài)如圖1a～1c所示，生物量跟蹤測(cè)試表明油菜盛花期生物量最大，可達(dá)75 000 kg/hm2，而苜蓿、紅豆草等飼草作物生物量[15]在9 000 kg/hm2左右，飼用油菜優(yōu)勢(shì)明顯；盛花期生物量比苗期高約40%，比果莢期高約10%，原因是花期油菜莖稈粗蛋白、粗脂肪含量最高，結(jié)實(shí)后植株莖葉營養(yǎng)向果莢轉(zhuǎn)移，干物質(zhì)積累速率下降，因此飼用油菜花期是最佳收獲期。

圖1 植株形態(tài)與輸送通道堵塞Fig.1 Plant morphology and blocked congestion channel

分別測(cè)定飼用油菜抽薹期、盛花期和果莢期的植株物理機(jī)械特性，結(jié)果如表1所示。飼用油菜莖稈和葉片含水率均在83%以上，常用玉米等飼料作物收獲時(shí)的含水率在75%以下[16]，油菜莖稈隨著生長過程的變化，其含水率降低，木質(zhì)化程度增加，莖稈彎曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度增加，但顯著低于玉米、牧草[17]等作物。

綜上所述，飼用油菜是含水率高、質(zhì)地脆嫩、易于剪切、擠壓破損的作物，因此現(xiàn)有收獲機(jī)械采用盤刀式或具有擠壓破碎功能的滾刀式切碎方式，收獲效果均不理想。圖1d為前期研究采用盤刀式切碎方式收獲情況，切碎物料呈糊狀，易粘附在通道管壁上造成輸送通道堵塞，且飼喂效果不佳。

表1 飼用油菜主要物理特性參數(shù)Tab.1 Main physical characteristics parameters of fodder rapeseed

注：莖葉比為莖稈鮮質(zhì)量與葉片鮮質(zhì)量比。

2 飼用油菜收獲機(jī)設(shè)計(jì)與工作過程

2.1 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為降低飼用油菜機(jī)械化收獲成本投入，將模塊化設(shè)計(jì)方法(MDM)應(yīng)用到飼用油菜收獲機(jī)研發(fā)中，對(duì)長江中下游保有量大的履帶式谷物聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行功能定義及分解。對(duì)比分析谷物機(jī)械化收獲與飼用油菜機(jī)械化收獲工藝流程，其中行走功能、切割功能和輸送功能與谷物聯(lián)合收獲功能需求一致。為實(shí)現(xiàn)飼用收獲與谷物收獲功能切換，通過對(duì)切碎功能和飼用油菜集卸功能模塊組合重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)飼用油菜收獲機(jī)的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)，其工藝流程與模塊分類如圖2所示。

圖2 工藝流程與模塊分類Fig.2 Technological process and module classified

將切碎裝置和飼用油菜集料倉根據(jù)模塊之間標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計(jì)原則，按照收獲機(jī)功能需求變化對(duì)模塊進(jìn)行增減和替換的要求，實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)功能的快速重構(gòu)。切碎裝置與集料倉均采用螺栓連接安裝于收獲機(jī)底盤后方，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖3 飼用油菜收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of fodder rapeseed harvester1.割臺(tái) 2.鏈耙式輸送裝置 3.履帶行走系統(tǒng) 4.飼用油菜滾刀式切碎裝置 5.飼用油菜集料卸料倉 6.谷物脫粒分離清選裝置 7.谷物收獲集料卸料倉

2.2 滾刀式切碎裝置工作過程

根據(jù)物料不同狀態(tài)，可將切碎裝置工作過程分為4個(gè)階段：抓取壓實(shí)階段、切削擠壓階段、切斷推送階段、拋擲吹送階段。抓取壓實(shí)階段，即物料由鏈耙式輸送裝置喂入喂入口時(shí)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)喂料結(jié)構(gòu)將物料壓實(shí)后均勻喂入。切削擠壓階段，即物料進(jìn)入喂入口后，動(dòng)刀以一定的線速度切割物料，在切割過程中，動(dòng)刀對(duì)物料產(chǎn)生滑切的同時(shí)還存在一定的擠壓。切斷推送階段，即隨著切碎器主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)刀將切碎后的物料沿罩殼內(nèi)壁圓弧推送至罩殼切向方向，在離心力作用下被拋擲。拋擲吹送階段，即動(dòng)刀對(duì)切碎后的物料提供足夠速度，沿拋送罩殼內(nèi)壁被拋出至集料卸料裝置。待物料裝滿后由液壓油缸將集料卸料裝置翻卸至運(yùn)輸車。其工作過程如圖4所示。

表2 飼用油菜收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Major technical parameters of fodder rapeseed harvester

圖4 切碎裝置工作示意圖Fig.4 Schematic of chopping device1.鏈耙式輸送裝置 2.自適應(yīng)調(diào)節(jié)喂料機(jī)構(gòu) 3.定刀 4.滾刀式切碎器 5.切碎裝置殼體 6.拋送罩殼 Ⅰ.抓取壓實(shí)階段 Ⅱ.切削擠壓階段 Ⅲ.切斷推送階段 Ⅳ.拋擲吹送階段

3 切碎裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

滾刀式切碎裝置主要由自適應(yīng)調(diào)節(jié)喂料機(jī)構(gòu)、喂入口罩殼、下罩殼、支架、滾刀式切碎器、上罩殼等組成，其中自適應(yīng)調(diào)節(jié)喂料機(jī)構(gòu)和滾刀式切碎器是其關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 切碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of chopping device1.自適應(yīng)調(diào)節(jié)喂料機(jī)構(gòu) 2.喂入壓輥 3.喂入口罩殼 4.下罩殼 5.支架 6.滾刀式切碎器 7.上罩殼

3.1 自適應(yīng)調(diào)節(jié)喂料機(jī)構(gòu)

飼用油菜在不同收獲期生物量差異大，且不同地塊和播種量造成生物量分布不均，因此切碎裝置喂料機(jī)構(gòu)需滿足大波動(dòng)喂入量下物料的順暢喂入。本文設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)喂料機(jī)構(gòu)，由支撐架、吊環(huán)螺釘、圓柱螺旋拉伸彈簧、罩殼、軸承座、滾筒、牙板、喂入壓輥軸和支撐側(cè)板組成，如圖6所示。根據(jù)飼用油菜收獲過程中喂入量的變化，喂入壓輥可繞著切碎器主軸上下浮動(dòng)，從而實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)喂入壓輥與喂入底板之間的間隙，以適應(yīng)喂入量波動(dòng)，避免因喂入量過大造成切碎裝置喂入口堵塞，提高切碎裝置對(duì)喂入量的適應(yīng)性。

圖6 自適應(yīng)調(diào)節(jié)喂料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of adaptive adjustable mechanism of feedstock1.支撐架 2.吊環(huán)螺釘 3.圓柱螺旋拉伸彈簧 4.罩殼 5.軸承座 6.滾筒 7.牙板 8.喂入壓輥軸 9.支撐側(cè)板

切碎器主軸通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給喂入壓輥軸，帶動(dòng)喂入壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)，并在彈簧等輔助部件的共同作用下將輸送鏈耙送過來的物料壓實(shí)，均勻地喂入至切碎器等待切割。為提高喂入壓輥的抓取能力，滾筒上的牙板刃口設(shè)計(jì)成鋸齒形，增大牙板與物料之間的摩擦力。

喂料機(jī)構(gòu)的喂入作用依靠轉(zhuǎn)動(dòng)的喂入輥對(duì)物料擠壓所產(chǎn)生的摩擦力，假設(shè)喂入前物料層厚度為Hg，經(jīng)喂入輥壓實(shí)后物料層厚度為hg，其喂入過程受力分析如圖7所示，為使物料順利喂入，需滿足

(1)

式中fg——壓輥對(duì)物料的摩擦力，N

FN——壓輥對(duì)物料的正壓力，N

θg——壓輥回轉(zhuǎn)中心與正壓力夾角，(°)

φg——壓輥對(duì)物料的摩擦角，(°)

圖7 物料在喂入?yún)^(qū)受力分析Fig.7 Mechanics analysis of material in feeding zone

喂入壓輥需要滿足φg>θg的基本條件才能使物料層順利喂入。喂入壓輥半徑r為

hg+r=Hg+rcos(2θg)

(2)

當(dāng)φg=θg時(shí)，最小喂入壓輥半徑rmin為

(3)

取喂入前物料層最大厚度Hg為0.06 m，經(jīng)喂入輥壓實(shí)后物料層厚度hg為0.045 m，φg為20°，通過式(3)計(jì)算得rmin=0.064 m，根據(jù)結(jié)構(gòu)選取r=0.07 m。

3.2 滾刀式切碎器

滾刀式切碎器采用平板式，主要由滾筒基座、滾筒主軸、動(dòng)刀座、動(dòng)刀、動(dòng)刀護(hù)板等組成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 滾刀式切碎器Fig.8 Cylinder-type cutterhead1.動(dòng)刀座 2.滾筒基座 3.切碎器主軸 4.動(dòng)刀 5.動(dòng)刀護(hù)板

3.2.1動(dòng)刀結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

動(dòng)刀刃口為直線形，其刃口曲線可近似認(rèn)為橢圓曲線的一部分，橢圓曲線由平板刀刀底面與滾筒中心線成一定角度傾斜相截時(shí)形成，刃口曲線取橢圓曲線接近平直的一段以保證平板刀刀刃AB的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓柱面，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖9所示。

圖9 動(dòng)刀在滾筒上結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.9 Structure parameters of locomotory knife on cylinder

從圖9中可得到橢圓曲線的方程為

(4)

動(dòng)刀刀刃結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系為

(5)

式中X、Z——刀刃上某點(diǎn)的坐標(biāo)值，m

α——?jiǎng)拥兜酌嫠谄矫媾c主軸中心線的夾角，(°)

R——刀刃軌跡半徑，m

φ——刀刃上某點(diǎn)的安裝前傾角，(°)

谷物聯(lián)合收獲機(jī)輸送鏈耙內(nèi)槽寬度為0.55 m，取切碎滾筒寬度為0.60 m，計(jì)算得動(dòng)刀片長度為0.29 m。取刀刃軌跡半徑R=0.25 m，試驗(yàn)表明，動(dòng)刀安裝前傾角φ越大，其切碎性能越好，但拋送性能越差。適收期飼用油菜莖稈含水率高、切碎難度小，為兼顧切碎器拋送性能，取A點(diǎn)安裝前傾角φA=30°。由動(dòng)刀刃參數(shù)方程式(4)、(5)可計(jì)算取整得B點(diǎn)的安裝前傾角φB=37°。傾斜角α受切碎器結(jié)構(gòu)限制，設(shè)計(jì)中取α=5°，動(dòng)刀刃角取20°。

3.2.2切割過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

切碎器工作時(shí)，動(dòng)刀圍繞切碎器主軸做順時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)。為保證切碎過程為滑切，以減少功耗，動(dòng)刀需傾斜安裝，并與定刀有一夾角，使得動(dòng)刀與定刀始終處于滑切狀態(tài)。分析動(dòng)刀和定刀運(yùn)動(dòng)方式，如圖10所示。

圖10 動(dòng)刀運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.10 Kinematic diagram of locomotory knife

當(dāng)動(dòng)刀刀刃AB旋轉(zhuǎn)到喂入口abcd的開始點(diǎn)d處時(shí)，開始切割物料；運(yùn)動(dòng)到a點(diǎn)時(shí)，在定刀刀刃ab的作用下做有支撐切割；運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)完成一次切割。取動(dòng)刀與定刀刃線相交點(diǎn)E，將動(dòng)刀刃線上E點(diǎn)的速度v分為沿刃口方向的滑切速度vt和垂直刃口方向的正切速度vn，vt與v之間的夾角為滑切角τ，動(dòng)刀刀刃AB與定刀刀刃ab夾角為推擠角χ，則推擠角與滑切角的關(guān)系為

(6)

整理得

(7)

(8)

式中h——定刀配置高度，m

由式(6)、(7)可知，推擠角與滑切角成正比關(guān)系，滑切角過大引起推擠角過大。切碎過程中，選擇合理的滑切角可使切割單位面積所需的功率最小。根據(jù)試驗(yàn)采用直線刃口的動(dòng)刀，取滑切角范圍為10°～18°，推擠角范圍為4°～8°[18]。設(shè)計(jì)中取滑切角τ=10°，推擠角χ=5°，由式(8)計(jì)算得出定刀配置高度h=43.41 mm，取43 mm。

3.2.3拋送過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

切碎物料離開拋料口的運(yùn)動(dòng)可視為斜上拋運(yùn)動(dòng)。在初速度vp所在的豎直平面內(nèi)，選定切碎器主軸中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O，取水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，如圖11所示。

圖11 物料拋送軌跡Fig.11 Trajectory of material throwing

不能忽視空氣阻力對(duì)離開拋料口物料斜上拋運(yùn)動(dòng)的影響?？諝庾枇Ψ浅?fù)雜，與空氣的密度和物料的運(yùn)動(dòng)速度、形狀和體積等因素有關(guān)。在低速情況下(200 m/s)，可認(rèn)為空氣阻力與物料速度一次方成正比[19]。由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓第二定律得出物料運(yùn)動(dòng)軌跡方程

(9)

式中m——物料質(zhì)量，kg

x、y——物料在t時(shí)刻的軌跡坐標(biāo)值，m

t——物料運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

b1——空氣阻力系數(shù)，kg/s

g——重力加速度，取9.8 m/s2

vx、vy——物料在t時(shí)刻的速度分別在X、Y軸上的投影，m/s

vp——物料的初速度，m/s

θp——物料拋出軌跡與水平方向夾角，即出射角，(°)

將式(9)采用分離變量法得到位移關(guān)系方程

(10)

由式(10)可知，物料質(zhì)量和空氣阻力系數(shù)影響水平射程和豎直射程，切碎后的莖稈因質(zhì)量大且空氣阻力系數(shù)小，水平射程和豎直射程都比葉片的射程大。給定物料初速度，如果出射角太大，則切碎物料運(yùn)動(dòng)將接近直上直下，水平射程不會(huì)很遠(yuǎn)。如果出射角太小，則由于重力加速度的影響，切碎物料不會(huì)在空中經(jīng)歷很長時(shí)間，水平距離也不會(huì)很遠(yuǎn)。

切碎器主軸轉(zhuǎn)速越高，刀刃頂部線速度越高，輸送能力也越高，要實(shí)現(xiàn)物料順利拋送至集料倉需滿足

(11)

式中μ1——?dú)んw內(nèi)壁摩擦及空氣阻力損失系數(shù)，取0.22

μ2——物料與動(dòng)刀發(fā)生碰撞損失系數(shù)，取0.65

vm——物料到達(dá)最高點(diǎn)處速度，m/s

H——物料拋送高度，取0.5 m

要滿足物料能順利拋送至集料倉內(nèi)，并保證至少能填滿2/3的容積，則物料到達(dá)最高點(diǎn)速度vm范圍為8～12 m/s[20]，取拋料口傾斜角為θp=80°，由式(11)計(jì)算得出切碎器刀刃線速度vp為14.64～20.98 m/s，則切碎器主軸轉(zhuǎn)速為559～802 r/min。

3.2.4理論切碎長度

切碎器工作時(shí)，動(dòng)刀隨滾筒做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將喂入的物料切碎。物料切碎長度為相鄰動(dòng)刀兩次切割動(dòng)作之間物料喂入的進(jìn)給量，故物料切碎長度為

(12)

式中l(wèi)——物料理論切碎長度，m

vw——物料喂入速度，m/s

nd——切碎器主軸轉(zhuǎn)速，r/min

z——?jiǎng)拥稊?shù)量，取20

文獻(xiàn)[21]表明，青飼作物切碎長度依據(jù)家畜種類、飼料類別及老嫩狀況而定，飼喂牛為30～80 mm，飼喂羊?yàn)?0～60 mm，切碎長度越均勻飼喂效果越好。按照谷物聯(lián)合收獲機(jī)輸送鏈耙線速度，取物料喂入速度vw=3 m/s，代入式(12)計(jì)算得物料理論切碎長度區(qū)間為[22 mm，32 mm]，表明切碎器主軸轉(zhuǎn)速符合設(shè)計(jì)要求。切碎裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 切碎裝置主要參數(shù)Tab.3 Main structure parameters of chopping device

4 切碎裝置臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與裝置

本試驗(yàn)以盛花期華油雜62油菜全株為試驗(yàn)材料，含水率為85.11%，田間測(cè)產(chǎn)統(tǒng)計(jì)莖稈產(chǎn)量為3.98～7.57 kg/m2。采用自制的飼用油菜切碎裝置試驗(yàn)臺(tái)，模擬田間收獲的喂入切碎過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，如圖12所示。

圖12 切碎裝置試驗(yàn)臺(tái)Fig.12 Test-bed of chopping device1.物料 2.輸送臺(tái) 3.切碎裝置 4.機(jī)架 5.接料盒 6.扭矩功率傳感器 7.M400數(shù)據(jù)采集軟件 8.三菱變頻器

切碎器主軸轉(zhuǎn)速、喂入輥轉(zhuǎn)速及輸送臺(tái)驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速均通過變頻器調(diào)節(jié)，安裝的扭矩功率傳感器(北京新宇航測(cè)控科技股份有限公司，轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍：0～5 000 r/min，靈敏度：±0.5%，扭矩測(cè)量范圍：±20 N·m，準(zhǔn)確度等級(jí)：±0.05%)測(cè)定切碎器主軸扭矩和轉(zhuǎn)速。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

按收獲樣機(jī)田間作業(yè)最大行走速度0.5 m/s、割幅2 m計(jì)算，理論喂入量為3.98～6.91 kg/s，臺(tái)架試驗(yàn)中設(shè)計(jì)喂入量為7 kg/s。試驗(yàn)設(shè)定輸送帶喂入速度為3 m/s；試驗(yàn)時(shí)將刈割的油菜全株按設(shè)定喂入量稱取后，均勻鋪放在輸送帶上；試驗(yàn)前先啟動(dòng)切碎器主軸與喂入壓輥電動(dòng)機(jī)，并待二者轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后啟動(dòng)輸送臺(tái)電動(dòng)機(jī)；物料拋出后，對(duì)各接料盒(360 mm×250 mm×130 mm)物料進(jìn)行分選并稱量。

4.3 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)以物料切碎長度合格率和功耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)。切碎長度合格率計(jì)算方法：將接料盒中采集的莖稈收集并稱取其質(zhì)量mz，用直尺分選出大于60 mm的莖稈并稱取其質(zhì)量mb，即不合格莖稈質(zhì)量，切碎長度合格率計(jì)算公式為

(13)

式中Yh——切碎長度合格率，%

功耗通過安裝在切碎器主軸上的扭矩功率傳感器測(cè)定，每組試驗(yàn)結(jié)束后將傳感器測(cè)定的瞬時(shí)扭矩、功率和所需時(shí)間導(dǎo)出，利用有效工作時(shí)段瞬時(shí)功率計(jì)算獲得切碎功耗，計(jì)算公式為

(14)

式中YW——切碎功耗，kJ

P(t)——瞬時(shí)功率，kW

tz——切碎所需時(shí)間，s

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.4.1單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)設(shè)定物料喂入速度vw=3 m/s，為保證物料流暢喂入，喂入壓輥轉(zhuǎn)速需滿足

(15)

式中ny——喂入壓輥轉(zhuǎn)速，r/min

圖13 喂入壓輥轉(zhuǎn)速對(duì)長度合格率和功耗的影響Fig.13 Effects of rotational speed of feeding roller on length qualified rate and power

由式(15)計(jì)算可得最小喂入壓輥轉(zhuǎn)速為409 r/min。設(shè)置切碎器主軸轉(zhuǎn)速為550 r/min，喂入壓輥轉(zhuǎn)速選取6個(gè)水平，每個(gè)水平下重復(fù) 3 次試驗(yàn)(下同)。喂入壓輥轉(zhuǎn)速與莖稈合格率、功耗的關(guān)系曲線如圖13所示。

由圖13可知，物料長度合格率和功耗均隨喂入壓輥轉(zhuǎn)速的增大而減小，原因在于隨著喂入壓輥的轉(zhuǎn)速增加，物料喂入速度提高，單位時(shí)間內(nèi)切碎器作用在物料層的切割次數(shù)減少，不合格莖稈長度數(shù)量增加，導(dǎo)致莖稈長度合格率降低，同時(shí)切碎器切割次數(shù)的減少降低了切碎器剪切功耗；喂入壓輥轉(zhuǎn)速在400～550 r/min范圍內(nèi)，長度合格率較為穩(wěn)定，當(dāng)喂入壓輥轉(zhuǎn)速達(dá)到600 r/min后，合格率急劇下降，因此喂入壓輥轉(zhuǎn)速不宜超過600 r/min。綜合考慮長度合格率和功耗，喂入壓輥在400～550 r/min范圍內(nèi)結(jié)果較優(yōu)。

設(shè)置喂入壓輥轉(zhuǎn)速為550 r/min，切碎器主軸轉(zhuǎn)速在550～850 r/min內(nèi)選取7個(gè)水平，圖14為切碎器主軸轉(zhuǎn)速與莖稈合格率、功耗的關(guān)系曲線。

圖14 切碎器主軸轉(zhuǎn)速對(duì)長度合格率和功耗的影響Fig.14 Effects of rotational speed of cutterhead on length qualified rate and power

由圖14可知，長度合格率和功耗均隨切碎器主軸轉(zhuǎn)速增大而提高，原因在于切碎器主軸轉(zhuǎn)速提高，單位時(shí)間內(nèi)切碎器作用在物料層的切割次數(shù)增多，合格莖稈長度數(shù)量增加，促使莖稈長度合格率提高，同時(shí)切碎器切割次數(shù)的增多增加了切碎器剪切功耗；切碎器主軸轉(zhuǎn)速在600～800 r/min范圍內(nèi)，功耗增長緩慢，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到850 r/min后，長度合格率提高比例較小，而功耗增加明顯，原因在于過高轉(zhuǎn)速需克服空氣阻力造成的損耗，綜合考慮長度合格率和功耗，切碎器主軸轉(zhuǎn)速在600～800 r/min范圍內(nèi)結(jié)果較優(yōu)。

4.4.2二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)

在喂入壓輥轉(zhuǎn)速在400～550 r/min范圍內(nèi)和切碎器主軸轉(zhuǎn)速在600～800 r/min范圍內(nèi)安排二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，利用Design-Expert數(shù)據(jù)處理軟件，建立喂入壓輥轉(zhuǎn)速、切碎器主軸轉(zhuǎn)速與長度合格率、功耗之間的回歸方程和優(yōu)化模型。試驗(yàn)因素編碼如表4所示，二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

對(duì)表5中數(shù)據(jù)進(jìn)行F檢驗(yàn)和方差分析，經(jīng)軟件處理后，得出切碎長度合格率和功耗的方差分析結(jié)果如表6、7所示。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，選用二次項(xiàng)模型建立切碎長度合格率、功耗與各因素間回歸模型，得到回歸方程為模型失擬項(xiàng)表示所用模型與試驗(yàn)的擬合程度，一般要求失擬項(xiàng)P>0.05。目標(biāo)函數(shù)Yh、YW失擬項(xiàng)分別為0.685 7、0.171 1，均大于0.05，說明失擬因素不存在，可用該回歸方程替代試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果開展相關(guān)分析。

表4 因素編碼Tab.4 Factors coding

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.5 Protocols and results

表6 Yh的二次項(xiàng)模型方差分析Tab.6 Variance analysis of response surface quadratic model for Yh

注：** 表示極顯著，下同。

表7 YW的二次項(xiàng)模型方差分析Tab.7 Variance analysis of response surface quadratic model for YW

由表6和表7方差分析可知，兩者模型P<0.001，說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。F值表示各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，值越大表明影響程度越高，由表6、7可知切碎器主軸轉(zhuǎn)速對(duì)莖稈切碎長度合格率和功耗的影響遠(yuǎn)大于喂入壓輥轉(zhuǎn)速。

4.5 響應(yīng)曲面分析與驗(yàn)證

采用軟件Optimization模塊對(duì)模型開展優(yōu)化分析，得到切碎裝置的最優(yōu)參數(shù)組合。當(dāng)喂入壓輥轉(zhuǎn)速為496.17 r/min、切碎器主軸轉(zhuǎn)速為709.14 r/min時(shí)，莖稈切碎長度合格率為91.16%、功耗為3.98 kJ，此時(shí)，由軟件給出的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)最大值為0.654，為最優(yōu)參數(shù)組合，綜合評(píng)價(jià)響應(yīng)曲面如圖15所示。

圖15 響應(yīng)曲面Fig.15 Response surface showing effects of roate speed

根據(jù)響應(yīng)曲面分析得到的最優(yōu)參數(shù)組合開展驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)仍在室內(nèi)切碎裝置試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。為消除誤差，試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值，得到試驗(yàn)結(jié)果為：莖稈切碎長度合格率為91.05%、功率損耗為3.96 kJ，實(shí)際試驗(yàn)值與軟件分析值的差值分別為0.11個(gè)百分點(diǎn)、0.02 kJ。試驗(yàn)結(jié)果與軟件分析值基本接近，驗(yàn)證軟件分析值是可信的。

5 田間試驗(yàn)

2018年3月初，在湖北省潛江市鵬樂農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司飼用油菜種植基地，將該裝置應(yīng)用于冬春鮮喂飼用油菜收獲樣機(jī)上，進(jìn)行了田間試驗(yàn)，收獲的物料直接作為該養(yǎng)牛場(chǎng)每天的青料飼喂。收獲的作物品種為華油雜62，種植方式為機(jī)直播，平均種植密度38株/m2，整株含水率86.30%，平均株高1 237.24 mm，平均單株質(zhì)量0.288 kg。收獲機(jī)前進(jìn)速度為0.5 m/s。田間試驗(yàn)效果如圖16a所示，切碎后的物料狀態(tài)如圖16b所示，切碎后的物料飼喂效果如圖16c所示。

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，飼用油菜收獲機(jī)的各個(gè)部件均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，性能穩(wěn)定，能夠完成收獲作業(yè)。切碎裝置拋料通道無堵塞，物料輸送流暢，莖稈切碎長度合格率滿足飼用油菜飼喂要求。以切碎物料開展飼喂試驗(yàn)，在相同的飼喂量下，機(jī)收飼用油菜基本采食干凈，比人工刈割的整株油菜的采食時(shí)間平均縮短56.21%，采食量平均增加26.37%。

圖16 田間及飼喂試驗(yàn)Fig.16 Field experiment and feeding effect

6 結(jié)論

(1)針對(duì)目前人工收割效率低、成本高，機(jī)械化收獲缺少適用于飼用油菜的切碎裝置的問題，設(shè)計(jì)了滾刀式切碎裝置，通過物料特性、切碎及拋送等作業(yè)要求分析，確定了滾刀式主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。

(2)采用單因素試驗(yàn)研究了喂入壓輥轉(zhuǎn)速與切碎器轉(zhuǎn)速對(duì)莖稈切碎長度合格率和功耗的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：喂入壓輥轉(zhuǎn)速為400～550 m/s，切碎器主軸轉(zhuǎn)速為600～800 m/s，莖稈切碎長度合格率較優(yōu)。

(3)通過二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，得出了喂入壓輥轉(zhuǎn)速、切碎器主軸轉(zhuǎn)速與莖稈切碎長度合格率、功耗之間的回歸方程，方差分析表明，切碎器主軸轉(zhuǎn)速對(duì)莖稈切碎長度合格率和功耗的影響遠(yuǎn)大于喂入壓輥轉(zhuǎn)速。

(4)通過Design-Expert軟件得出切碎裝置最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)組合為喂入壓輥轉(zhuǎn)速496.17 r/min、切碎器主軸轉(zhuǎn)速為709.14 r/min時(shí)，莖稈切碎長度合格率為91.16%、功耗為3.98 kJ。

(5)田間試驗(yàn)表明，滾刀式切碎裝置收獲飼用油菜時(shí)，物料切碎均勻、拋送順暢，未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，莖稈切碎長度合格率滿足飼用油菜飼喂要求。飼喂試驗(yàn)表明：在相同的飼喂量下，機(jī)收飼用油菜比人工刈割的整株油菜的采食時(shí)間平均縮短56.21%，采食量平均增加26.37%。