王草收獲機(jī)滾筒破碎裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

尤 泳 王紅達(dá) 郇曉龍 王德成 康琛琛 葉炳南

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

王草是優(yōu)質(zhì)飼草，具有供草期長、生物量大、可食用比例高、營養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn)[1-3]，對我國畜牧業(yè)的發(fā)展有重要意義，研制高效的王草收獲機(jī)械與裝備可促進(jìn)王草種植資源的開發(fā)與利用。

國內(nèi)外飼草收獲機(jī)械主要針對青貯玉米、亞麻等作物，其主要工作部件可分為割臺系統(tǒng)、喂入系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、拋送系統(tǒng)等，其中破碎裝置是保證切碎均勻性的關(guān)鍵部件。國外飼草收獲機(jī)械破碎裝置多采用滾筒式，采用液壓驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)對切碎長度的無級調(diào)節(jié)、對喂入量波動適應(yīng)性強(qiáng)、切割阻力均勻，搭配具有揉搓功能的粉碎輥，能夠破碎均勻、粉碎細(xì)致，收獲效率可達(dá)15～100 t/h[4-7]，但其價(jià)格昂貴，不適應(yīng)我國小地形作業(yè)需求。國內(nèi)飼草作物收獲機(jī)破碎裝置主要采用盤刀式、滾筒式，其中滾筒式破碎裝置結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用較為廣泛[8-9]。賈春陽[10]設(shè)計(jì)的穗莖兼收型玉米收獲機(jī)秸稈破碎裝置采用雙排人字形布置，可完成莖稈破碎，但切碎長度離散度較大，均勻性較差；梁榮慶等[11]設(shè)計(jì)的青貯玉米收獲機(jī)采用盤刀式切碎裝置，可實(shí)現(xiàn)青貯玉米的收獲和破碎，但適用于小喂入量收獲；張銀平等[12]設(shè)計(jì)的穗莖兼收型玉米收獲機(jī)采用滾筒式切碎裝置，但未對破碎裝置具體設(shè)計(jì)及切碎質(zhì)量的影響進(jìn)行研究。

現(xiàn)有收獲機(jī)械對王草分蘗能力強(qiáng)、生長不均的特點(diǎn)適應(yīng)性較差，存在喂入不均、切割不齊等問題。本文根據(jù)王草生長特性，在現(xiàn)有收獲機(jī)破碎裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)4排人字形滾筒破碎裝置，通過試驗(yàn)確定其最佳工作參數(shù)，以期提高王草機(jī)械化收獲水平。

1 王草生長特性

簇生王草刈割期株高達(dá)2 m，年刈割4～7次，鮮草產(chǎn)量達(dá)300 t/hm2，營養(yǎng)豐富，飼喂價(jià)值高；單株分蘗數(shù)可達(dá)26，且各株分蘗數(shù)存在差異；刈割期王草含水率達(dá)90%左右，且韌性及抗剪能力強(qiáng)，收獲難度較大[13-14]。據(jù)測量，70%～90%含水率下莖稈抗拉強(qiáng)度平均為55.89 MPa，抗剪強(qiáng)度為21.63 MPa。

使用傳統(tǒng)高莖稈類飼料作物收獲裝備對簇生王草進(jìn)行收獲時(shí)存在喂入量大，喂入、切割不均等問題，所收獲破碎王草段牲畜采食率低。本次試驗(yàn)所用王草取自河北省石家莊市無極縣北蘇鎮(zhèn)，王草種植狀態(tài)如圖1所示。

2 王草收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作過程

2.1 總體結(jié)構(gòu)

王草收獲機(jī)主要由割臺總成、喂入裝置、滾筒破碎裝置、拋送裝置、集料箱、收獲機(jī)底盤總成組成，王草多種植于丘陵山地，面積較小，采用履帶式收獲機(jī)通用底盤實(shí)現(xiàn)小地塊靈活收獲作業(yè)，收獲模塊功能如圖2所示。

將王草收獲機(jī)分為六大模塊，對各模塊進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)可有效提高設(shè)計(jì)效率，其中底盤總成與常用履帶式稻麥聯(lián)合收獲機(jī)所用底盤相同；割臺部件為針對簇生王草設(shè)計(jì)的圓盤式割臺；喂入裝置采用喂入螺旋輸送器及鏈?zhǔn)捷斔推飨嘟Y(jié)合的形式；破碎裝置是針對王草喂入量大且分布不均所設(shè)計(jì)的滾筒式破碎裝置；拋送裝置與集料箱采用現(xiàn)有技術(shù)裝備，其主要工作部件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 工作過程

王草收獲機(jī)收獲過程分為以下工作階段：收割階段，刈割期簇生王草植株在圓盤式刀盤甩刀作用下完成刈割，并在夾持齒作用下?lián)苤廖谷肼菪斔推?，完成王草收割；喂入階段，刈割后王草莖稈在喂入螺旋輸送器的作用下輸送至鏈耙式輸送器，在齒板作用下王草被夾持喂入形成王草喂入流；破碎階段，王草喂入流經(jīng)由鏈齒式輸送器輸送至破碎裝置，在夾持輸送輥的作用下送于定刀與隨滾筒式破碎裝置旋轉(zhuǎn)的動刀形成的剪切副，進(jìn)而完成王草莖稈流的破碎；拋送階段，破碎后的王草段經(jīng)過滾筒式破碎裝置及拋送葉片離心力作用獲得動能，并在拋送葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的氣流作用下沿拋送筒完成拋送，進(jìn)入集料箱。

3 滾筒式破碎裝置設(shè)計(jì)

滾筒式破碎裝置主要工作部件為喂入輥、定刀、滾筒破碎器、防護(hù)罩殼等，其中喂入輥為兩輥對置形式，上輥周向布置鋸齒板增大對王草喂入流的夾持力，下輥采用光輥防止莖稈纏繞；為適應(yīng)王草喂入流不均勻波動帶來的切碎阻力的波動，在雙排布置的基礎(chǔ)上，優(yōu)化采用人字形布置4排刀具，通過滑切作用完成對莖稈的破碎。滾筒式破碎裝置整體結(jié)構(gòu)如圖4a所示，滾筒式破碎器刀具布置形式如圖4b所示。

3.1 喂入夾持機(jī)構(gòu)

簇生王草生物量大，刈割時(shí)期、收獲機(jī)作業(yè)速度等均會影響王草喂入量，固定喂入量夾持輸送不能適應(yīng)喂入量的波動，為此設(shè)計(jì)主要由喂入光輥、帶齒喂入輥、帶滑塊軸承座、彈簧、罩殼等組成的喂入夾持機(jī)構(gòu)，兩喂入輥直徑相同，如圖5所示，其中帶齒喂入輥在帶滑塊軸承座支撐下，沿滑軌上下波動，并通過彈簧恢復(fù)力實(shí)現(xiàn)喂入輥間隙調(diào)整，其中彈簧預(yù)緊力通過螺栓調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)對波動喂入量的適應(yīng)。

液壓馬達(dá)經(jīng)減速箱驅(qū)動兩喂入輥，實(shí)現(xiàn)等速反向旋轉(zhuǎn)，并通過調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對喂入速度的調(diào)節(jié)，夾持機(jī)構(gòu)通過兩水平對置輥對物料產(chǎn)生的夾持、摩擦作用完成喂入[15]。為保證喂入順利、不發(fā)生堵塞，上輥采用周向均勻布置夾持鋸齒增大摩擦，物料喂入示意圖如圖6所示。

以物料和喂入輥接觸弧中點(diǎn)處對物料進(jìn)行受力分析，為保證物料順利喂入，喂入輥轉(zhuǎn)動對物料莖稈的摩擦力應(yīng)大于其正壓力的水平分力，表示為[16-17]

fNcosα-Nsinα≥0

(1)

其中

f≥tanφ

式中f——靜摩擦因數(shù)，取0.37[17]

φ——喂入輥對物料莖稈的摩擦角，約20°

N——喂入輥對莖稈正壓力，N

α——正壓力與豎直方向夾角，(°)

由式(1)可得當(dāng)φ≥α?xí)r，喂入輥可完成對物料的夾持喂入，由文獻(xiàn)[17]可知，喂入輥半徑R計(jì)算式為

L=2R+h=2Rcos(2α)+H

(2)

式中H——喂入莖稈流厚度，mm

h——喂入輥間隙，mm

L——兩輥軸心距，mm

為保證順利喂入，應(yīng)滿足式(1)條件，即φ≥α，喂入輥半徑為

(3)

3.2 破碎裝置

滾筒式破碎裝置主要工作部件為軸向等距均勻布置的4排刀具，采用平板形動刀片，單排刀具沿周向均勻布置于滾筒座上，且采用人字形布置。相比于雙排人字形布置方式，4排均勻布置方式可提高阻力均勻性，降低切割過程中莖稈切割阻力對刀軸的交變作用，降低軸承的磨損及破碎功耗，同時(shí)較短的刀片可增加動定刀間隙均勻性，且可提高滑切角，實(shí)現(xiàn)高效破碎切割。如圖7a所示，切割過程中在動定刀夾角相同的情況下，雙排刀具由于存在兩動刀間相位差，在相同切割長度下其軸向分力Fh及F′h對軸向部件產(chǎn)生扭動載荷，且在轉(zhuǎn)動切割過程中兩刀參與切割的有效長度發(fā)生變化，使扭動載荷波動，產(chǎn)生交變影響，造成軸承等承載部件疲勞；如圖7b所示，雙排刀具變4排刀具，交替布置，使得兩刀具同時(shí)參與切割，F(xiàn)h1及F′h1相互抵消，可適應(yīng)喂入不均的王草莖稈流，降低交變載荷對軸承等承載部件疲勞破壞。

3.2.1切割原理與刀具布置

破碎裝置刀具為平板形動刀片，采用人字形布置，其刃口與定刀刃口呈一定夾角θ，可產(chǎn)生滑切作用，有效降低切割阻力，提高切割效率。以定刀刃口為基準(zhǔn)其切割過程如圖8所示，P1P2Q2Q1表示喂入莖稈區(qū)，P1Q1表示定刀刃口，mn表示平行板動刀刃口，當(dāng)動刀刃口接觸喂入?yún)^(qū)P2時(shí)開始壓縮切割過程，動刀刃口接觸喂入?yún)^(qū)Q1切割過程結(jié)束。

取動刀刃口一點(diǎn)，設(shè)其回轉(zhuǎn)半徑為Rd，滾筒破碎裝置的轉(zhuǎn)動角速度為ωp，則該點(diǎn)線速度為V=ωpRd，其方向與定刀刃口P1Q1垂直，線速度可分解為垂直刃口的砍切速度Vs與滑切速度Vt，其中Vt=Vsinτ，τ為滑切角，則其滑切角越大，滑切速度越大，功耗越低，由圖可知刀具夾角θ與滑切角τ、推擠角χ相等。

本設(shè)計(jì)采用4排刀具布置，因整機(jī)作業(yè)空間限制，取破碎滾筒長440 mm，取刀具長100 mm，動、定刀間隙取δ=1 mm[18-20]，動刀刃口長度相比滾筒總長較小，其斜置時(shí)刃口直線可近似看作橢圓曲線的一部分，動刀在滾筒式破碎裝置的位置參數(shù)如圖9所示。

(4)

由圖9可得參數(shù)間關(guān)系為

Ztanβ=Rdsinγ

(5)

式中Z0——?jiǎng)拥度锌邳c(diǎn)m的Z軸坐標(biāo)

β——?jiǎng)拥兜酌嫫矫媾cXOZ平面夾角，(°)

Rd——?jiǎng)拥度锌诨剞D(zhuǎn)半徑，為緊湊設(shè)計(jì)，取210 mm

γ——?jiǎng)拥度锌趍端安裝前傾角，(°)

因動刀斜置，其安裝前傾角為變量，為保證滾筒破碎裝置具有一定拋送能力，參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》取γ=40°，且當(dāng)滑切角越大時(shí)，滑切速度越大，切割力越小，但滑切角增加會對物料形成擠壓，影響切割質(zhì)量，為緊湊設(shè)計(jì)，取其傾角β=4°，刀具推擠角χ及滑切角τ取12°[20-26]，設(shè)置動定刀間隙δ=1 mm。

3.2.2理論切割長度

破碎裝置工作時(shí)，通過動、定刀剪切副將喂入物料切割破碎，其切割長度為單排兩相鄰刀具切破碎動作間隔時(shí)間內(nèi)的物料進(jìn)給長度，計(jì)算式為

(6)

(7)

式中l(wèi)——物料切割長度，mm

vw——喂入進(jìn)給速度，m/s

np——破碎輥轉(zhuǎn)速，r/min

W——單排動刀片布置數(shù)量，本設(shè)計(jì)取6

R——喂入輥半徑，mm

nw——喂入輥轉(zhuǎn)速，r/min

參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2088—2011《玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，合格莖稈破碎切割長度由飼喂對象決定，飼喂牛為30～50 mm，羊?yàn)?0～30 mm，選取莖稈破碎目標(biāo)長度為30 mm，合格莖稈長度l≤50 mm，喂入部分采用鏈耙式輸送器，依據(jù)文獻(xiàn)[20]，鏈耙式輸送器輸送速度一般為3～5 m/s，為保證順利喂入不堵塞，vw≥vl(vl為鏈耙式輸送器輸送速度)，取最小值vw=3 m/s，代入式(6)、(7)可得喂入輥轉(zhuǎn)速nw≥382 r/min，破碎輥轉(zhuǎn)速np范圍為600～1 000 r/min。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料為石家莊市無極縣北蘇工業(yè)園區(qū)內(nèi)的王草，3個(gè)月生長期，選取田間生長狀態(tài)良好的王草莖稈，離地50 mm處切割，莖稈根部平均直徑為30.75 mm，平均株高為2.07 m，含水率為90.2%，去除葉片進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)臺架

設(shè)計(jì)并加工與王草收獲機(jī)滾筒破碎裝置原理、尺寸相同的試驗(yàn)臺架，該臺架由喂入輥、定刀、滾筒式破碎輥、防護(hù)罩殼、驅(qū)動電機(jī)、動態(tài)扭矩傳感器、機(jī)架、防護(hù)罩殼等組成，如圖10所示。試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)簡單，喂入對輥轉(zhuǎn)速、滾筒式破碎裝置轉(zhuǎn)速、刀具安裝角度調(diào)節(jié)方便，結(jié)構(gòu)可靠。其中采用JN-DN型動態(tài)扭矩傳感器(安徽蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司，額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min，量程0～200 N·m，綜合精度±0.5%)測量滾筒式破碎裝置轉(zhuǎn)速、扭矩；采用VICTOR 6236P型轉(zhuǎn)速儀(深圳市驛生勝利科技有限公司，準(zhǔn)確度0.5%)測量喂入輥轉(zhuǎn)速；通過電子天平測量破碎物料質(zhì)量，游標(biāo)卡尺測量物料破碎長度；工作部件驅(qū)動電機(jī)通過變頻器分別控制。

4.3 試驗(yàn)因素

由第3節(jié)中設(shè)計(jì)分析過程可知，莖稈切割破碎平均長度、合格率與喂入輥直徑、喂入輥轉(zhuǎn)速、破碎滾筒轉(zhuǎn)速、單排刀具布置數(shù)量有關(guān)。本文選取喂入輥轉(zhuǎn)速、破碎滾筒轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素。

試驗(yàn)前，將刈割的王草莖稈按(2±0.05) kg每份稱取81份等待喂入；調(diào)整動刀片與定刀距離，安裝防護(hù)罩殼；試驗(yàn)時(shí)，分別啟動破碎輥及喂入輥驅(qū)動電機(jī)，調(diào)整變頻器使部件工作至試驗(yàn)速度，待作業(yè)裝置整體穩(wěn)定后，將物料送入喂入輥；收集切割破碎后的莖稈進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測量、稱量。

4.4 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)以莖稈破碎合格率、破碎莖稈平均長度為評價(jià)指標(biāo)。取破碎后物料質(zhì)量mw=500 g，分選出尺寸大于50 mm的物料，并稱其質(zhì)量ma，即為不合格物料質(zhì)量，稱量3次取平均值，其破碎合格率Q計(jì)算式為

(8)

式中Q——莖稈破碎合格率，%

(9)

4.5 單因素試驗(yàn)

4.5.1喂入輥轉(zhuǎn)速對破碎效果的影響

通過第3節(jié)分析可知，喂入輥轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足nw≥382 r/min，故取其起始轉(zhuǎn)速為380 r/min，喂入輥轉(zhuǎn)速選取5個(gè)水平，取破碎滾筒轉(zhuǎn)速np=600 r/min，刀具安裝角θ=12°。以莖稈破碎合格率及平均長度為指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

4.5.2破碎輥轉(zhuǎn)速對破碎效果的影響

由上文分析設(shè)置喂入輥轉(zhuǎn)速為nw=430 r/min，破碎輥轉(zhuǎn)速np范圍為600～1 000 r/min，取9個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，當(dāng)喂入滾筒轉(zhuǎn)速一定，隨破碎滾筒轉(zhuǎn)速的提高，合格率隨之提高，莖稈平均長度隨之降低，因莖稈喂入流速度一定，破碎輥帶動動刀單位時(shí)間內(nèi)切割破碎次數(shù)增加，莖稈平均長度降低。由圖中可知，當(dāng)破碎滾筒轉(zhuǎn)速升高至750 r/min后合格率大于90%，莖稈平均長度小于35 mm，合格率較高，破碎較均勻；另因破碎輥轉(zhuǎn)速增加，空氣阻力會相應(yīng)增加，同時(shí)維持較高轉(zhuǎn)速所耗功率增加，因此在滿足破碎合格率的條件下選取破碎滾筒轉(zhuǎn)速范圍np為750～950 r/min。

4.6 多因素試驗(yàn)

4.6.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步探究喂入輥轉(zhuǎn)速及破碎輥轉(zhuǎn)速對莖稈破碎合格率、破碎莖稈平均長度的影響，利用Design-Expert軟件采用Central Composite方法進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析。試驗(yàn)因素編碼如表1所示。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Experiment factors coding r/min

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Experimental protocol and results

4.6.2試驗(yàn)結(jié)果分析

通過Design-Expert軟件對結(jié)果進(jìn)行方差分析及回歸擬合，其結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析結(jié)果Tab.3 Result of variance analysis

通過表3可知，對評價(jià)指標(biāo)的分析模型均具有顯著性，且失擬項(xiàng)均不顯著，表明模型較為穩(wěn)定，回歸方程擬合較好。

對莖稈破碎合格率的影響程度從大到小順序?yàn)椋築、A2、B2、A，其中AB的交互作用不顯著，剔除不顯著項(xiàng)，其回歸方程為

Q=-91.54+0.482A+0.17B-4.95×104A2- 6.3×105B2

(10)

對破碎莖稈平均長度的影響程度從大到小順序?yàn)椋築、A、AB、B2、A2，其回歸方程為

(11)

如圖13所示，當(dāng)喂入輥轉(zhuǎn)速一定，破碎輥轉(zhuǎn)速增加時(shí)，莖稈破碎合格率隨之提高，破碎莖稈平均長度隨之降低，因莖稈喂入流速度恒定，單位時(shí)間內(nèi)動刀切割次數(shù)提高，使得合格率及破碎均勻性提高；同理，當(dāng)破碎輥轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，隨喂入輥轉(zhuǎn)速提高，莖稈喂入流速度提高，破碎莖稈平均長度隨之提高，同時(shí)莖稈破碎合格率降低，物料均勻性降低。

4.6.3參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

4.7 田間收獲試驗(yàn)

2020年11月在河北省石家莊市無極縣北蘇工業(yè)園區(qū)王草試驗(yàn)田進(jìn)行收獲試驗(yàn)，種植王草平均高度2.17 m，根部平均直徑為31.5 mm，單株分蘗數(shù)達(dá)26根，與臺架試驗(yàn)王草莖稈為同一種植批次，收獲機(jī)收獲效率為0.42 hm2/h，按照GB/T 10394.3—2009《飼料收獲機(jī) 第3部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn)，待收獲機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后開始試驗(yàn)，如圖14所示。

田間試驗(yàn)顯示，當(dāng)破碎裝置轉(zhuǎn)速達(dá)到要求后，拋送滾筒及拋送筒的撞擊等復(fù)合作用使莖稈破碎更加完全，合格率達(dá)98%，平均長度小于30 mm，達(dá)到飼喂要求。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)高莖稈王草機(jī)械化收獲需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)了滾筒式破碎裝置，采用4排均勻人字形布置，比雙排人字形刀具布置受力更加均勻，降低了交變扭矩帶來的影響。

(2)通過單因素試驗(yàn)研究了喂入輥轉(zhuǎn)速、破碎輥轉(zhuǎn)速對破碎合格率及破碎莖稈平均長度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)破碎輥轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，隨喂入輥轉(zhuǎn)速的增加，莖稈破碎合格率降低、平均長度增大；當(dāng)喂入輥轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，隨破碎輥轉(zhuǎn)速的增加，莖稈破碎合格率升高、平均長度減小，最終確定喂入輥轉(zhuǎn)速范圍為380～480 r/min，破碎輥轉(zhuǎn)速范圍為750～950 r/min。

(3)通過二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)分析了喂入輥轉(zhuǎn)速、破碎輥轉(zhuǎn)速兩因素對莖稈破碎合格率、平均長度的影響，并通過響應(yīng)曲面法分析得出最佳參數(shù)組合為喂入輥轉(zhuǎn)速416.5 r/min、破碎輥轉(zhuǎn)速950 r/min，此時(shí)莖稈破碎合格率、平均長度分別為98.30%和29.04 mm。

(4)經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)高莖稈王草收獲機(jī)破碎裝置作業(yè)效果良好，莖稈破碎合格率達(dá)98%，破碎莖稈平均長度小于30 mm，破碎效果均勻。