多功能水平回轉式牧草摟翻一體機設計與試驗

董佳佳，王 強，包德勝，楊 莉，翟改霞，趙小娟，孫文婷

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

隨著我國天然草原植被不斷恢復及人工草地建設規(guī)模逐年擴大，國家對牧草收獲機械化政策的扶持力度不斷加大，極大地調(diào)動了農(nóng)牧民購機的積極性，活躍了國內(nèi)牧草機械市場。用戶對先進的牧草摟翻裝備產(chǎn)生了強烈需求，但目前國內(nèi)摟草機摟翻性能差，自動化程度低，地面仿形能力差，功能單一，效率低、損失大，使牧草產(chǎn)量及質(zhì)量均受到很大影響[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國摟草設備發(fā)展相對滯后導致割后牧草不能及時得到收集與晾曬，草條干燥時間增長，因落葉、氧化、光化學等原因，在收貯晾曬過程中造成營養(yǎng)損失達30%～40%甚至更多，并且多有陳草、泥沙等混雜，使收貯牧草品質(zhì)嚴重降低，同時給撿拾尤其是壓捆等后續(xù)收貯工序帶來困難，牧草產(chǎn)量及質(zhì)量均受到很大影響[2-4]。這種嚴重的浪費給我國飼草資源本就匱乏的現(xiàn)狀造成巨大的壓力。

針對以上問題，課題組設計了多功能水平回轉式牧草摟翻一體機。該機采用縱裂式雙轉子結構，摟草裝置結構緊湊，轉向鎖定裝置靈活，方便摟草機工作模式的調(diào)整。與橫向摟草機相比，其連續(xù)性較好，牧草無纏繞現(xiàn)象，草條蓬松規(guī)整透氣性好，有利于后續(xù)進行牧草撿拾打捆作業(yè)。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構及主要技術參數(shù)

多功能水平回轉式牧草摟翻一體機整機結構如圖1所示，主要由機架、傳動系統(tǒng)、前后轉子、摟耙、地輪行走機構、轉向鎖和液壓系統(tǒng)等組成。

1.傳動軸 2.牽引架 3.圓柱齒輪箱 4.前梁 5.前轉子 6.中間梁 7.后梁 8.轉向鎖定裝置 9.擋草簾 10.后轉子 11.地輪行走機構 12.護桿 13.摟耙 14.升降油缸 15.支腿圖1 多功能水平回轉式牧草摟翻一體機結構Fig.1 Structure of multifunctional horizontal rotary forage raking and turning machine

該機采用縱裂式雙轉子結構，主要由兩個轉子前后配置組成，其中前轉子均布11個摟齒臂，后轉子均布12個摟齒臂，每個摟齒臂上有4副彈齒。工作時，通過液壓機構調(diào)整后轉子相對于前轉子的位置，使得機具既可以形成單列草條，也可以形成雙列草條。本機具既可以完成摟集草條工作，也可以實現(xiàn)翻鋪草條的工作，其主要技術參數(shù)如表1所示[5]。

表1 多功能水平回轉式牧草摟翻一體機主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of multifunctional horizontal rotary forage raking and turning machine

1.2 工作原理

多功能水平回轉式牧草摟翻一體機動力由拖拉機動力輸出軸提供，其整個動作過程由機械傳動、液壓操控來完成。作業(yè)時，拖拉機牽引機具前進的同時，動力輸出軸經(jīng)傳動系統(tǒng)、驅動前后兩個轉子進行摟草和翻鋪草條作業(yè)。動力通過圓錐齒輪箱帶動與錐齒輪連接的凸輪罩連同整個摟草轉子做回轉運動，由于受凸輪軌道的控制及凸輪罩鎖定位置的限制，摟耙彈齒根據(jù)要求在不同位置轉成不同傾角，并隨著轉子的旋轉完成對牧草的摟集過程。轉向鎖3個不同的擋位，用來控制摟草機不同的工作位置。

2 關鍵部件設計

2.1 傳動系統(tǒng)

多功能水平回轉式牧草摟翻一體機作業(yè)時，動力由拖拉機動力輸出軸經(jīng)萬向傳動軸傳遞給圓柱齒輪箱，圓柱齒輪箱有兩個相同轉速的輸出軸再經(jīng)萬向節(jié)傳遞給前、后轉子齒輪箱驅動兩個摟齒轉子一同作業(yè)[6]。動力傳動系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 動力傳動系統(tǒng)Fig.2 Power transmission system

因Z1=Z2，Z3=Z4，Z5=Z6，機具作業(yè)傳動比按式(1)計算

(1)

式中Z3——前轉子圓錐齒輪傳動主動錐齒輪齒數(shù)

Z4——后轉子圓錐齒輪傳動主動錐齒輪齒數(shù)

Z5——前轉子圓錐齒輪傳動從動錐齒輪齒數(shù)

Z6——后轉子圓錐齒輪傳動從動錐齒輪齒數(shù)

設計i=1.5。

2.2 摟草裝置

摟草裝置是多功能水平回轉式牧草摟翻一體機的核心部件。摟草裝置主要由立軸、錐齒輪副、軸承、齒輪箱蓋、齒臂軸、凸輪軌道和導向輥子等組成，如圖3所示。

1.立軸 2.錐齒輪副 3.導向輥子 4.凸輪軌道 5.齒臂軸6.齒輪箱蓋 7.軸承圖3 摟草裝置結構Fig.3 Structure of raking device

齒輪箱以立軸為中心支軸，凸輪軌道、冠狀齒輪、齒輪箱上下蓋、連接座等部件均安裝在立軸上。冠狀齒輪安裝于齒輪箱上蓋，與安裝在連接座上的花鍵錐齒輪軸配對嚙合。齒臂軸套套在齒臂軸上后，與齒輪箱上下蓋連接，齒臂軸頭部導向輥子順勢插入凸輪軌道槽內(nèi)。動力通過花鍵齒輪軸進入，通過與之嚙合的冠狀齒輪帶動齒輪箱體轉動，使凸輪軌道驅動齒臂軸旋轉，從而帶動安裝于齒臂軸另一端的摟齒臂進行摟集作業(yè)[7]。齒輪箱完全封閉式設計保證了徹底和永久潤滑，在后續(xù)的工作中免潤滑，提高了機具安全可靠性。

2.3 轉向鎖定裝置

多功能水平回轉式牧草摟翻一體機工作狀態(tài)由轉向鎖定裝置調(diào)整。該裝置由控制把手、螺栓套筒、調(diào)整壓縮彈簧、鎖緊板、上下板、伸出梁端銷軸、調(diào)整墊圈、轉向鎖油缸、機架銷軸、鎖緊螺栓、固定螺栓、轉動拉伸彈簧和限位銷軸套等組成，如圖4所示[8]。

1.控制把手 2.螺栓套筒 3.調(diào)整壓縮彈簧 4.鎖緊板 5.上板6.下板 7.伸出梁端銷軸 8.調(diào)整墊圈 9.轉向鎖油缸 10.機架銷軸 11.鎖緊螺栓 12.固定螺栓 13.轉動拉伸彈簧 14.限位銷軸套圖4 轉向鎖定裝置結構Fig.4 Structure of steering locking device

多功能水平回轉式牧草摟翻一體機轉向鎖定裝置分設3個不同的擋位，控制伸出梁扭轉位置，如圖5所示。當伸出梁需要向左偏轉時，先保證伸出梁在中心位置，然后調(diào)整控制把手到圖5a所示擋位，此時在鎖緊板及限定銷軸套的限制下，轉向鎖油缸只能縮短，不可伸長，在轉向鎖油缸縮短過程中，實現(xiàn)伸出梁只能向左扭轉。當伸出梁需要向右偏轉時，以相同方式，將控制把手調(diào)整到圖5c所示擋位，此時轉向鎖油缸只能伸長，不可縮短，在轉向鎖油缸伸長過程中，實現(xiàn)伸出梁只能向右扭轉。當控制把手調(diào)整到圖5b所示擋位時，轉向鎖油缸不受鎖緊板限定，此時轉向鎖油缸可以伸長或縮短，即實現(xiàn)伸出梁處于自由運動狀態(tài)[9]。

圖5 轉向鎖定裝置擋位Fig.5 Steering lock gear position

3 田間試驗

3.1 試驗條件

在呼和浩特市土默特左旗塔布賽牧草種植基地進行田間試驗。試驗地作物為苜蓿草，苜蓿割后在田間晾曬數(shù)日，其含水量達到40%左右進行摟翻作業(yè)試驗[10-11]。機具配套動力為約翰迪爾654型拖拉機，動力輸出軸轉速540 r/min。

3.2 試驗方法及結果

性能試驗方法按GB/T 14247—2015《摟草機試驗方法》的規(guī)定執(zhí)行。

3.2.1 漏摟率的測定

在每一行程選5 m分別撿拾摟草機通過的面積內(nèi)未摟到的且長度>7 cm的牧草稱量，計算漏摟率。試驗數(shù)據(jù)如表2所示，漏摟率按式(2)～(3)計算。

表2 漏摟率測定數(shù)據(jù)Tab.2 Measurement data of leakage rate

(2)

式中B——平均漏摟牧草質(zhì)量，kg/m2

m1——各行程5 m內(nèi)漏摟牧草質(zhì)量之和，kg

nx——測定行程數(shù)

A——摟草機平均摟幅，m

(3)

式中Ll——漏摟率， %

mc——摟前牧草質(zhì)量，kg/m2

根據(jù)式(2)計算的牧草漏摟率為2.2%(<5%)，漏摟部分主要是較短的或已脫落的花葉。

多功能水平回轉式牧草摟翻一體機田間作業(yè)運行平穩(wěn)，摟集的草條蓬松、寬度均勻且漏摟率小。試驗草場及機具試驗作業(yè)過程如圖6～8所示。

圖6 試驗草場Fig.6 Experimental pasture

圖7 作業(yè)現(xiàn)場Fig.7 Operation site

圖8 摟翻后的牧草Fig.8 Grass after raking and turning

3.2.2 花葉損失率的測定

測定摟前花葉和莖稈的濕質(zhì)量與干質(zhì)量、摟后花葉和莖稈的濕質(zhì)量與干質(zhì)量，計算葉稈比和花葉損失率。試驗數(shù)據(jù)如表3所示，葉稈比按式(4)計算。

表3 葉稈比、花葉損失率測定數(shù)據(jù)Tab.3 Loss rate measurement data of leaf stalk ratio and flower leaf

(4)

式中Sy——葉稈比

my——烘干后花葉質(zhì)量，g

mj——烘干后莖稈質(zhì)量，g

按式(5)計算花葉損失率

(5)

式中Syh——作業(yè)后的葉稈比

Syq——作業(yè)前的葉稈比

田間試驗證明，多功能水平回轉式牧草摟翻一體機作業(yè)草條整齊、翻曬均勻疏松、花葉損失率為2.5%(<3%)，花葉損失小、作業(yè)效果好、可靠性高。

4 結論

研制了一款多功能水平回轉式牧草摟翻一體機，該機采用縱裂式雙轉子結構設計，摟草裝置結構緊湊，轉向鎖定裝置能夠靈活、方便地實現(xiàn)牧草摟翻工作模式的調(diào)整，是優(yōu)質(zhì)飼草生產(chǎn)過程中不可或缺的機具。

田間試驗結果表明，該機漏摟率2.2%、花葉損失率2.5%，達到設計和使用要求。各項技術參數(shù)及關鍵部件結構設計合理，適宜于我國牧草生產(chǎn)需求。