祝 露 王德成 尤 泳 鄔 備 馬文鵬 郇曉龍
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 北京 100083; 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 長沙 410323)
近年來,各地區(qū)大力發(fā)展以林下種植、林下養(yǎng)殖、相關(guān)產(chǎn)品采集加工和森林景觀利用等為主要形式的林下經(jīng)濟(jì),其中,林草種植模式是依托森林、林地及其生態(tài)環(huán)境,在林內(nèi)或林地邊緣開展飼草或綠肥植物等種植或利用的復(fù)合經(jīng)營模式。發(fā)展林草種植模式能保護(hù)生態(tài)環(huán)境,避免在發(fā)展經(jīng)濟(jì)過程中產(chǎn)生單一的植物群落,有利于改善林地小氣候、提高土壤理化性質(zhì),有助于林木生長[1-3]。例如楊樹-紫花苜蓿的林草復(fù)合系統(tǒng)能更充分利用資源,獲得較高的組合產(chǎn)量和土地利用效率。林間種草是能同時(shí)產(chǎn)生生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的一種發(fā)展模式,值得研究和推廣。
林草模式中的飼草或雜草需要適時(shí)刈割,否則一方面會(huì)影響牧草的質(zhì)量和產(chǎn)量[4],另一方面,未被刈割的植被在秋冬季節(jié)燃點(diǎn)很低,極易引發(fā)森林火災(zāi),刈割清理林間牧草或雜草是一種有效的森林防火手段[5]。即使是單一模式的人工林,秋冬季節(jié)前收割林間雜草植被也很有必要。但是,人工收割林間牧草雜草勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。因此,研制一款適用于林間的牧草收獲機(jī)具有重要意義。
針對(duì)平原大地塊牧草種植區(qū),我國引進(jìn)和研制了多種大幅寬、高效率的收割機(jī),但仍存在性能不穩(wěn)定和可靠性差等問題[6-8]。已有收割機(jī)適用于優(yōu)質(zhì)天然打草場(chǎng)和大地塊的人工草場(chǎng),但無法滿足林間牧草收獲的技術(shù)要求。鄔備等[9-10]根據(jù)我國苜蓿種植特點(diǎn)研制了9GYZ-1.2型苜蓿刈割壓扁機(jī),該機(jī)能適應(yīng)丘陵山區(qū)作業(yè),為自走式牧草收獲機(jī)械的研制積累了經(jīng)驗(yàn)。但林間割草作業(yè)環(huán)境更為復(fù)雜,其可靠性與安全性還需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。人工林作業(yè)間距狹小、土壤堅(jiān)實(shí)度差異大,除飼草之外還有一些硬質(zhì)雜草,切割難度較大,本文根據(jù)實(shí)地調(diào)研提出林間草帶收割機(jī)的設(shè)計(jì)要求,并據(jù)此設(shè)計(jì)一款針對(duì)林下牧草的自走式林間飼草收割機(jī)。
通過文獻(xiàn)分析以及對(duì)人工林情況的實(shí)地調(diào)研,得到林草種植模式中林間割草作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)及技術(shù)要求如下:
(1)我國林草發(fā)展模式中的林木種類繁多,林下可種植的牧草有菊首、苜蓿、鴨茅、黑麥草等,其中紫花苜蓿是應(yīng)用較廣的一種牧草品種[11-12]。林草模式中的行距株距并不統(tǒng)一,同一類型的林木株距行距也會(huì)因地區(qū)不同存在差異[13],如北京蘋果林株行距3 m×4 m,陜西幼齡蘋果樹株行距2 m×4 m。對(duì)于行距為2 m的小行距林木品種,需要有較為靈活的自走式牧草收割機(jī)來完成林間牧草與雜草的收割。本文設(shè)計(jì)的收割機(jī)主要是為了適應(yīng)小株距的林草種植模式,在此條件下收割機(jī)的幅寬應(yīng)小于2 m。履帶式林間草帶收割機(jī)的作業(yè)情況如圖1所示。
(2)人工林間植被類型較為豐富,除了種植的飼草外還有雜草或稀疏灌木,這對(duì)收割機(jī)的切割器形式與參數(shù)要求較高。對(duì)于旋轉(zhuǎn)式切割器,割刀線速度應(yīng)滿足旋轉(zhuǎn)式切割器的設(shè)計(jì)要求,大小在60~90 m/s之間[14]。
(3)相對(duì)于農(nóng)田和人工草地,人工林間的地面平整性更差,土壤堅(jiān)實(shí)度差異大,收割機(jī)行走系統(tǒng)應(yīng)具備良好的接地性及轉(zhuǎn)彎性能[15-16]。
(4)對(duì)于林間草帶收割機(jī),需要一套靈敏的起落機(jī)構(gòu),遇到石塊或樹樁等障礙物前在1~2 s內(nèi)將切割器提起到一定高度[14],在林區(qū)工作的收割機(jī),分割器提升高度應(yīng)大于40 cm,保證收割機(jī)在林區(qū)具備良好的通過性。
履帶式林間草帶收割機(jī)由動(dòng)力裝置、機(jī)架、履帶底盤、前置式雙圓盤切割器、齒輪箱、液壓系統(tǒng)及操縱系統(tǒng)等組成,基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
整機(jī)有高速、低速、倒擋3個(gè)擋位,作業(yè)幅寬1.5 m,轉(zhuǎn)彎半徑0.4 m,在遇到障礙物時(shí)能在1.5 s內(nèi)將切割器向上提升40 cm,在狹窄的環(huán)境中具備良好的通過性。
在割草作業(yè)時(shí),圓盤式切割器高速旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)割刀以較大的線速度無支撐切割牧草。相較于往復(fù)式切割器,旋轉(zhuǎn)式切割器對(duì)于生長茂密的牧草及硬質(zhì)雜草具有更好的適應(yīng)性,一般不會(huì)發(fā)生纏草現(xiàn)象。
在人工林區(qū),土壤堅(jiān)實(shí)度差異較大[17],當(dāng)?shù)孛尜|(zhì)地松軟時(shí),接地比壓是衡量機(jī)具通過性能的重要指標(biāo)。接地比壓過大時(shí),行走系統(tǒng)容易沉陷在土壤里,不僅影響效率,還可能使機(jī)具發(fā)生前后傾斜,使切割器接觸地面,影響割草效果。故選擇接地比壓小的行走系統(tǒng),能減小對(duì)土壤的壓實(shí),更適應(yīng)人工林的作業(yè)環(huán)境[18-21]。履帶式主要特點(diǎn)是接地比壓小,爬坡能力強(qiáng)。
假設(shè)收割機(jī)的重心位置與幾何中心相重合,履帶接地壓力呈均勻分布狀態(tài),則接地壓力的表達(dá)式為
(1)
式中pb——履帶平均接地壓力,Pa
B——履帶接地寬度,m
L——履帶接地長度,m
G——收割機(jī)整機(jī)重力,N
履帶與地面摩擦力時(shí)刻與履帶的運(yùn)動(dòng)速度相反,在轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)瞬間,履帶上各點(diǎn)的摩擦力方向始終垂直于該點(diǎn)到轉(zhuǎn)向軸的連線,大小與該點(diǎn)在豎直方向的載荷成正比,向右轉(zhuǎn)向時(shí)受力示意圖如圖3所示。則收割機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)左右兩側(cè)履帶上受到的阻力矩分別為
(2)
(3)
式中M1——左側(cè)履帶所受阻力矩,N·m
M2——右側(cè)履帶所受阻力矩,N·m
μ——履帶與地面的動(dòng)摩擦因數(shù)
l——兩側(cè)履帶上點(diǎn)到中心線OO1的距離,m
b——左側(cè)履帶中軸線到點(diǎn)O1的距離,m
履帶底盤的驅(qū)動(dòng)力位于左側(cè)履帶的最前端,收割機(jī)緩慢轉(zhuǎn)彎的過程中,驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生的力矩應(yīng)當(dāng)和摩擦阻力矩大致相等,即
M0=M1+M2
(4)
式中M0——履帶向右轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩,N·m
本文基于小幅寬、小轉(zhuǎn)彎半徑、低功耗的設(shè)計(jì)原則選用履帶的參數(shù),履帶接地長度1 m,履帶寬度0.35 m,左右兩側(cè)履帶的中心距為0.75 m,在此條件下,履帶接地比壓為8.47 kPa,轉(zhuǎn)彎半徑0.4 m,履帶總寬度1.1 m。
圓盤式切割器是整個(gè)收割機(jī)的核心部件,也是決定收割機(jī)切割效果的關(guān)鍵[22],其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
旋轉(zhuǎn)式切割器為圓盤式結(jié)構(gòu),主要由錐齒輪箱、滾筒、圓盤、割刀等構(gòu)成,高度可以調(diào)節(jié)。切割器通過支撐連桿及液壓缸固接在收割機(jī)的前方,方便拆卸維修,其動(dòng)力輸入來自帶輪,當(dāng)圓盤與凸起的地面接觸使載荷過大時(shí),傳動(dòng)帶即在輪上打滑,可防止嚙合齒輪與動(dòng)力系統(tǒng)受到損壞。
圓盤直徑為630 mm,采用矩形光刃刀片,刃角為15°,切割器的幅寬為150 cm,左邊圓盤與右邊圓盤旋轉(zhuǎn)方向相反,都朝向內(nèi)側(cè),割刀線速度的計(jì)算公式為
(5)
式中vl——切割器割刀線速度,m/s
n——旋轉(zhuǎn)式切割器的額定轉(zhuǎn)速,r/min
D——圓盤直徑,m
計(jì)算出當(dāng)圓盤以額定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí),切割線速度為72.6 m/s,滿足旋轉(zhuǎn)式切割器的線速度要求[14]。
以切割器的右圓盤為例,當(dāng)圓盤帶動(dòng)割刀割草作業(yè)時(shí),切割區(qū)域即為刀刃掃過的區(qū)域[23]。
對(duì)于刀片1,其刀刃上a、b兩點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為
(6)
(7)
式中xa、xb——刀片1內(nèi)外端點(diǎn)在橫坐標(biāo)軸上的值,mm
ya、yb——刀片1內(nèi)外端點(diǎn)在縱坐標(biāo)軸上的值,mm
ra——刀片1刀刃內(nèi)端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑,mm
rb——刀片1刀刃外端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑,mm
θa——內(nèi)端點(diǎn)與盤心連線與x軸夾角,rad
θb——外端點(diǎn)與盤心連線與x軸夾角,rad
ω——切割器旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s
v——機(jī)器作業(yè)速度,mm/s
t——刀盤轉(zhuǎn)過的時(shí)間,s
a、b兩點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡之間的區(qū)域就是刀片1的切割區(qū)域。
當(dāng)圓盤式切割器割刀以足夠大的線速度與牧草接觸,并在瞬間使牧草下端莖稈達(dá)到應(yīng)力極限被切斷,此時(shí)的牧草莖稈會(huì)獲得一個(gè)沿著割刀速度切線方向的初始速度,并沿著初速度的水平方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng),直到接觸滾筒或地面后停下來,最終平鋪在切割器的中間位置,可避免牧草散落在兩側(cè),被履帶碾壓污染。
柴油機(jī)作為動(dòng)力裝置,需要為履帶驅(qū)動(dòng)輪、液壓提升裝置、切割器3處帶輪提供動(dòng)力。
柴油機(jī)輸出帶輪的動(dòng)力分2部分傳輸,第1部分通過傳送帶傳輸?shù)铰膸У妆P驅(qū)動(dòng)帶輪,第2部分通過齒輪箱傳輸至提升割臺(tái)的液壓系統(tǒng)以及切割器處。
在忽略帶輪打滑的情況下,柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min,履帶驅(qū)動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速為1 650 r/min,液壓泵轉(zhuǎn)速為1 467 r/min,切割器轉(zhuǎn)速達(dá)2 357 r/min。
2.4.1機(jī)架設(shè)計(jì)
機(jī)架支撐了整機(jī)的零部件,承載了動(dòng)力系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)以及外罩等零部件,其在作業(yè)過程中除了受壓力外還會(huì)受到扭矩的作用。收割機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上盡可能結(jié)構(gòu)簡單,兼具優(yōu)異的減振性能特點(diǎn)[24-25]。
收割機(jī)機(jī)架由Q235結(jié)構(gòu)鋼焊接而成,作為重要的承載部件需要達(dá)到足夠的強(qiáng)度。對(duì)機(jī)架的變形以及應(yīng)力分布進(jìn)行綜合分析,對(duì)應(yīng)力集中的部位進(jìn)行加固。
收割機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)如圖6所示,其中履帶底盤前橫梁和履帶底盤后橫梁為履帶底盤上自帶承重部分,材料也為Q235結(jié)構(gòu)鋼,雖不屬于機(jī)架的結(jié)構(gòu)范圍,但承受了機(jī)架以及機(jī)架所承載的所有零件的總重量,因此需要和機(jī)架一起進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算。
2.4.2機(jī)架受力分析
收割機(jī)上質(zhì)量較大的部件有柴油機(jī)(240 kg)、收割機(jī)前置割臺(tái)(220 kg)、變速箱(30 kg)、駕駛員(取70 kg),機(jī)架還受自身重力作用,忽略收割機(jī)外罩以及液壓元件的重量對(duì)其進(jìn)行受力分析,機(jī)架在水平面工作時(shí),其受力情況如圖7所示。
在不考慮支撐筋板的情況下,由力學(xué)平衡得
F1+F2+F3+F4+G2+FA+FB=0
(8)
以點(diǎn)B為原點(diǎn),由力矩平衡條件得
F1x1B+F2x2B+FAxAB+G2xG2B+F3x3B-F4x4B=0
(9)
式中FA——機(jī)架前端所受支持力,N
FB——機(jī)架后端所受支持力,N
xAB——受力點(diǎn)A與受力點(diǎn)B的垂直距離,m
根據(jù)式(8)、(9)計(jì)算得出機(jī)架在支撐點(diǎn)A處受到的壓力為4.13 kN,在支撐點(diǎn)B處受到的壓力為2.10 kN,機(jī)架各個(gè)位置處的彎矩如圖8所示。
機(jī)架的前支撐立柱位置的截面A在整個(gè)機(jī)架結(jié)構(gòu)中彎矩最大,為1.22 kN·m,故A處是機(jī)架的危險(xiǎn)截面,是否達(dá)到了強(qiáng)度要求還需要計(jì)算整個(gè)機(jī)架的應(yīng)力大小以及分布情況。
2.4.3機(jī)架工況分析
支撐機(jī)架主要有3種不同情況的負(fù)載工況:正常行駛情況下的機(jī)架負(fù)載;在斜坡上工作時(shí)所受的重力載荷;在轉(zhuǎn)彎時(shí)所承受的扭矩以及重力載荷。這3種工況當(dāng)中,正常行駛情況下的機(jī)架是應(yīng)力最小的一種,機(jī)架在轉(zhuǎn)彎時(shí)所產(chǎn)生的扭矩也遠(yuǎn)小于各零件產(chǎn)生的壓力。故僅需對(duì)收割機(jī)在斜坡工況下機(jī)架的受力與變形情況進(jìn)行分析,即可保證機(jī)架滿足強(qiáng)度要求。
2.4.4機(jī)架仿真分析
收割機(jī)在斜坡上工作時(shí),支撐機(jī)架的位置形態(tài)發(fā)生了變化,機(jī)架支撐立柱受到切向力和壓力的共同作用。在Workbench軟件中仿真模擬這一工況下的機(jī)架受力與固定約束情況,假設(shè)斜坡的角度為30°,載荷設(shè)置如圖9。
根據(jù)仿真結(jié)果,最大應(yīng)力發(fā)生在駕駛員座椅位置的中間梁和橫梁處,與上述機(jī)架水平時(shí)計(jì)算的危險(xiǎn)截面位置一致,驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。且最大應(yīng)力為125.37 MPa,小于材料屈服極限(235 MPa),考慮收割機(jī)外罩、水箱等其他部件的額外壓力,以及收割機(jī)工作過程中的沖擊載荷作用下應(yīng)力峰值較大,機(jī)架的前端部分仍存在強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)。
為了減少機(jī)架前端變形量和中間部位應(yīng)力集中,對(duì)機(jī)架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度加強(qiáng),保證收割機(jī)的作業(yè)安全。需在機(jī)架前橫梁上焊接支撐梁,以支撐前割臺(tái)的壓力,減小變形和機(jī)架中間部位的應(yīng)力集中。
履帶式林間草帶收割機(jī)在滄州市盛邦農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司加工制造,整機(jī)尺寸為3 380 mm×1 520 mm×2 010 mm,外形結(jié)構(gòu)如圖10所示,其尺寸和作業(yè)幅寬滿足在小株距林草模式中作業(yè)的基本條件。
整機(jī)配套動(dòng)力34 kW,幅寬為1.5 m,轉(zhuǎn)彎半徑40 cm。割刀的旋轉(zhuǎn)線速度為72.6 m/s。能夠通過液壓缸將切割器向上提升至最大40 cm,保證了收割機(jī)在復(fù)雜地形下的通過性。
為了驗(yàn)證收割機(jī)的實(shí)際作業(yè)效果與整機(jī)性能,對(duì)收割機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)。
3.2.1試驗(yàn)條件與材料
試驗(yàn)于2019年7月20日在張家口牧草體系綜合試驗(yàn)站附近的人工林區(qū)進(jìn)行,圖11為試驗(yàn)場(chǎng)地的環(huán)境情況,人工林間的植被主要為自然條件下生長的針矛類牧草及蒿類雜草,種植林木為不同生長階段的楊樹,當(dāng)天試驗(yàn)地天氣晴朗,氣溫15~28℃。
在人工林區(qū)選取樹木排列規(guī)整,林下雜草生長旺盛的5個(gè)50 m的單程作業(yè)區(qū)域。作業(yè)前,測(cè)量標(biāo)定進(jìn)行試驗(yàn)的區(qū)域,便于測(cè)量作業(yè)速度,將林間收割機(jī)調(diào)試到最佳狀態(tài),調(diào)整好切割器的高度。試驗(yàn)區(qū)域的飼草是林間天然生長的牧草,且地面的平整性和地面視野情況較差,為了保障安全,試驗(yàn)全程采用低速擋位作業(yè)。
田間性能試驗(yàn)所用試驗(yàn)儀器及材料有:100 m卷尺、標(biāo)桿、40 cm鋼尺、2 m卷尺、馬克筆、秒表,圖12為履帶式林間草帶收割機(jī)現(xiàn)場(chǎng)割草作業(yè)情況。
3.2.2試驗(yàn)方法
收割機(jī)作業(yè)速度計(jì)算式為
(10)
式中L′——試驗(yàn)測(cè)定區(qū)域的長度,m
T——通過測(cè)定區(qū)時(shí)間的平均值,s
取5次測(cè)量結(jié)果的平均值。
割幅的測(cè)定:每個(gè)行程每5 m測(cè)量一次割幅,取為一組數(shù)據(jù),每1個(gè)行程測(cè)量10次,取平均值,得到林間割草機(jī)實(shí)際割幅。
割幅利用系數(shù)是試驗(yàn)中的實(shí)際割幅與收割機(jī)割臺(tái)設(shè)計(jì)割草幅寬的比值,計(jì)算公式為
(11)
式中Kf——割幅利用系數(shù)
As——平均實(shí)際割幅,m
AL——理論割幅,m
每個(gè)工作行程等間隔5 m選取兩個(gè)測(cè)量點(diǎn),以鋼直尺測(cè)量割茬高度。每個(gè)行程的平均割茬高度為
(12)
式中 ∑h——一個(gè)行程中測(cè)量n次割茬高度的總和,cm
n——每個(gè)行程中割茬高度的測(cè)量次數(shù)
3.2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析
所有試驗(yàn)指標(biāo)均在當(dāng)天測(cè)量完成,測(cè)得履帶式林間草帶收割機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,并用式(11)計(jì)算出割幅利用系數(shù)為0.94。測(cè)得5個(gè)50 m單行程的平均作業(yè)速度為0.42 m/s,實(shí)際割幅的均值為1.41 m,整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域的平均割茬高度為7.6 cm,在試驗(yàn)區(qū)的平坦區(qū)域,割茬高度為4~5 cm,滿足旋轉(zhuǎn)收割機(jī)在平坦地區(qū)割茬高度小于等于7 cm的技術(shù)要求。收割機(jī)安全性良好,在提起切割器的條件下能順利通過人工林的復(fù)雜地形,爬坡性能良好,機(jī)架的強(qiáng)度能夠保證正常工作。
表1 履帶式林間草帶收割機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of crawler forage harvester
由圖13可以看出,經(jīng)切割器刈割后的飼草能夠較好地平鋪在路徑中間,避免牧草被兩側(cè)的履帶碾壓污染,保證了天然牧草收割后的質(zhì)量,可以被收集利用。結(jié)果表明履帶式林間草帶收割機(jī)具備在小型帶距的林草種植模式中收獲林間牧草的能力。
(1)基于人工林割草作業(yè)環(huán)境特點(diǎn),提出了林間草帶收割機(jī)的設(shè)計(jì)要求:收割機(jī)幅寬小于2 m,切割線速度為60~90 m/s,切割器提升高度大于40 cm,選用接地壓力和轉(zhuǎn)彎半徑較小的履帶作為行走系統(tǒng)。
(2)設(shè)計(jì)了履帶式林間草帶收割機(jī),其配套動(dòng)力為34 kW、幅寬為1.5 m、轉(zhuǎn)彎半徑為0.4 m、割刀的旋轉(zhuǎn)線速度為72.6 m/s,該機(jī)通過液壓缸可將切割器向上提升,最大可達(dá)0.4 m,在復(fù)雜地形下具有較好的通過性。通過仿真確定收割機(jī)支撐部件機(jī)架的最大應(yīng)力位置,以此對(duì)機(jī)架的特定部位進(jìn)行強(qiáng)化,保證了機(jī)架在復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)安全性。
(3)人工林間牧草收獲試驗(yàn)表明,履帶式林間草帶收割機(jī)平均作業(yè)速度為0.42 m/s,割草高度為7.6 cm,割幅利用系數(shù)為0.94。說明履帶式林間草帶收割機(jī)能夠適應(yīng)人工林作業(yè)環(huán)境,可用于收獲小帶距的林草種植模式下的牧草,大大降低了人工收獲牧草的勞動(dòng)強(qiáng)度。