飼用甜高粱打捆機撿拾機構的優(yōu)化設計★

李明志，臧瑞田，屈津東，蘇云龍，孫嘉賓，丁海娟

（濰坊科技學院機電信息學部，山東 壽光 262700）

引言

飼用甜高粱是我國一種重要的飼用作物，具有產量大、分布廣等特點。隨著飼用甜高粱在我國種植規(guī)模的快速擴大，其秸稈出現大量剩余，嚴重制約了農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和農業(yè)供給側結構性改革。方捆打捆機的出現，大大方便了秸稈處理，打捆技術日益成為核心關鍵技術。但長期以來，我國飼用甜高粱收獲打捆裝備技術基礎研究不足，生產機械嚴重缺乏，整機可靠性和作業(yè)效率不高，核心部件和高端產品依賴進口，導致飼用甜高粱綜合生產成本居高不下。國際知名農機企業(yè)憑借技術和資本優(yōu)勢全面進入中國，搶占了高端飼用甜高粱聯合收獲打捆農機市場，我國農機生產和產業(yè)安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。加快發(fā)展智能飼用甜高粱聯合收獲打捆農機裝備技術，對于提升相應裝備供給能力、縮小與國外主流產品差距、支撐現代農業(yè)發(fā)展意義重大。

1 打捆機撿拾機構的工作原理

甜高粱打捆機撿拾機構的主要作用是對高粱莖稈進行撿拾和打捆。撿拾機構主要由刀輥、撿拾刀片和刀座、撿拾擋板等組成。

工作時，由傳動機構將拖拉機的動力傳輸給撿拾機構，將甜高粱莖稈從農田中撿拾起來，在刀輥高速旋轉的帶動下，產生巨大的沖擊力和切向力把高粱莖稈切碎，撿拾擋板可以把打碎后飛起的高粱莖稈擋住并導入喂入系統(tǒng)中進行打捆處理。撿拾刀片安裝在刀輥上，再通過銷軸將撿拾刀片安裝在刀座上，使撿拾刀片可以隨著刀輥高速旋轉[1-3]。在離心力的作用下，撿拾刀片可以垂直于刀輥旋轉。刀座與撿拾刀片由銷軸連接，當遇到地里的硬物時可以有效避免刀片受到損傷，延長撿拾刀片的使用壽命。

決定撿拾機構的撿拾率和打捆效果的因素有：撿拾刀片的形狀、刀片在刀輥上的分列排布、輸入動力的大小、撿拾作業(yè)時行進的速度、刀輥的轉速等。綜合考慮現在市場上的打捆作業(yè)速度和撿拾效果，確定打捆機在作業(yè)時的行進速度為2 m/s。

2 撿拾機構的設計

2.1 刀輥的結構設計

刀輥屬于撿拾機構中的重要部分，刀輥上的撿拾刀片將甜高粱莖稈打碎和撿拾。刀輥在作業(yè)時高速轉動，還要克服打碎高粱莖稈時的阻力，為了保證刀輥運行的平穩(wěn)性，增加刀輥的寬度，同時增加撿拾刀片的數量，提高撿拾作業(yè)的寬幅，這樣也可以減小打捆機構在傳動過程中動力的損耗。為了進一步降低功率損耗，把刀輥設計成空心結構以減輕刀輥的質量。

刀輥的工作寬度對打捆機的工作效率和穩(wěn)定性有很大影響，刀輥的工作寬度決定于刀輥寬度，也就是兩側軸頭內側的長度。合理的刀輥寬度能夠提高撿拾機構的作業(yè)效率，減少作業(yè)次數和能源損耗，作業(yè)時刀輥的平衡性好，可減小對撿拾機構的磨損，延長刀輥的使用壽命。刀輥寬度過小時，撿拾作業(yè)的次數增加，作業(yè)效率降低，拖拉機行駛路程增加，油耗上升，并且撿拾機構容易疲勞，大大降低撿拾機構的壽命。遇到較粗的甜高粱莖稈也難以打碎，容易造成堵塞，打捆機的故障率增加，打捆效果差。刀輥寬度過大時，工作效率提高，但動力需求也增加，對拖拉機的功率要求提高，同時，對撿拾機構的整體平衡產生影響，容易發(fā)生安全事故，可靠性不高。根據現在市場通用刀輥寬幅并結合國家標準和甜高粱莖稈長度，選取刀輥寬度為2.4 m。圖1所示為撿拾機構示意圖。

刀輥的直徑也是對撿拾機構性能影響很大的因素之一，它對刀輥的轉速和在工作期間的平穩(wěn)性有著直接影響，也會影響拖拉機發(fā)動機的負荷和打捆機的工作壽命。配套的刀輥直徑與打捆機的配合度更高，撿拾作業(yè)的效率、質量和穩(wěn)定性也就越高，故障率越低。如果刀輥的強度不能達到要求，很容易在刀座處發(fā)生變形。由于地面坑洼不平，工作時刀輥很容易碰到硬物或石子，發(fā)生碰撞時產生的沖擊和顛簸直接破壞撿拾機構的動平衡，影響撿拾效率和撿拾質量。刀輥的直徑越大，整個撿拾機構的尺寸也增加，給拖拉機的動力造成更大的負擔，故障率增加，而且撿拾刀片之間的空隙變大，撿拾質量受到影響。如果刀輥的直徑過小，刀輥的強度達不到要求，容易發(fā)生變形，而且撿拾刀片的排列過于緊密，在撿拾機構作業(yè)時，很容易發(fā)生撿拾刀片相互碰撞，故障率升高，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，無法有效撿拾和打碎高粱莖稈。所以，綜合考慮甜高粱莖稈打捆的實際要求，結合國家相關標準，撿拾刀片的長度定為135 mm（刀柄90 mm，彎折部分長度45 mm），撿拾刀片的質量設計為0.5 kg/片，刀輥外徑為180 mm，內徑尺寸為160 mm，刀輥與刀座之間采用焊接高強度連接，撿拾刀片用銷軸連接在刀座上且可以自由轉動[4]。

2.2 刀輥轉速分析

甜高粱莖稈的打碎撿拾主要取決于打捆機刀輥的轉速。為提高打碎效果，將刀輥的旋轉方向設為與撿拾作業(yè)方向相同，即刀輥在豎直平面內進行高速回轉，在拖拉機牽引下刀輥在水平方向直線運動。選取刀輥幾何中心為原點O，機組作業(yè)前進方向為x軸正方向，豎直方向為y軸正方向，建立撿拾刀片的運動軌跡如圖2所示。因此，撿拾刀片的運動軌跡參數方程式為：

式中：ω為刀輥的角速度，rad/s；V為打捆作業(yè)機組的前進速度，m/s；R為撿拾刀片的回轉半徑，mm。

對軌跡方程式（1）進行求導，得到速度方程：

撿拾刀片的絕對速度Va的表達式：

式中：Vr為刀片端點最大回轉半徑線速度，令Vr=ωR=，其中n為刀輥轉速，r/min。

當刀片的線速度方向與作業(yè)行進水平方向相反，且機具前進速度V取最大值時，甩刀的絕對速度Va最小，此時刀片的回轉線速度Vr最小，即：

結合已知條件得出刀軸最低轉速：

研究表明，刀片端點的回轉線速度Vr≥35 m/s時，才能實現打捆機撿拾和切碎，當Vr≥48 m/s時，撿拾和切碎效果最佳[5]。機具工作前進速度V=2 m/s，撿拾刀片的回轉半徑R為220 mm，此時刀輥的最小轉速為2 084 r/min。

2.3 刀座的設計

刀座是連接撿拾刀片和刀輥的部件。刀輥為弧形面，為了保證刀座能夠與刀輥緊密貼合，將刀座的底面設計成與刀輥相貼合的弧面，保證在焊接時不出現虛焊，保證連接強度[6]。按照設計要求，根據計算得到的數據，刀座尺寸取長為50 mm，寬為35 mm，厚度為6 mm，刀座底部與刀輥焊接處的圓弧半徑r=90 mm，弧度為29°，撿拾粉碎刀片的安裝孔徑d=20 mm。

撿拾刀片的位置排列影響撿拾機構的作業(yè)效果，要保證撿拾打碎質量和效率，必須對撿拾刀片進行合理排列，保證撿拾機構的作業(yè)動平衡。為了確保撿拾刀片排列的科學合理，需遵循以下要求：

1）刀輥上，刀片與刀片之間的軸向距離要均勻，既要避免漏撿漏切，也不能重復切割增加不必要的磨損。同時要保證相鄰撿拾刀片能夠完成秸稈的拋送，防止出現堵塞現象。甩刀數量N的最優(yōu)值由下式確定：

式中：L為刀輥的作業(yè)幅寬，C為甩刀密度。研究表明，打捆機的甩刀密度的取值范圍為0.005～0.01片/mm。

2）撿拾刀片采用螺旋式排布?？紤]到撿拾刀片在高速旋轉時產生離心力，在刀輥上安裝四組撿拾刀片螺旋分布，相對的兩組刀片呈180°分布，以此抵消離心力。

3）刀座的長度會影響撿拾刀片的回轉。刀座的長度需要與撿拾刀片相配合，借鑒經驗，將撿拾刀片與刀座的長度比控制在3∶1。

因為螺旋式刀片排布方式，工作效率高，刀片磨損低，刀輥的動平衡較好，制造工藝簡單，故選用雙螺旋式分布。下頁圖3所示為撿拾刀片的分布展開圖，橫坐標代表刀輥的長度方向，并且為了配合第一列和第十六列的撿拾刀片的撿拾工作范圍，在撿拾刀片的外側留出87.5 mm的空隙，其他撿拾刀片之間的距離為135 mm。縱坐標代表刀輥軸向方向，在軸向均勻螺旋分布四排撿拾刀片，每排相隔90°，每排有八個撿拾刀片，各排相鄰刀座之間的距離為270 mm。相鄰的兩排撿拾刀片錯落分布，留有一定的距離，保證相鄰刀片之間不出現干擾。

2.4 撿拾刀片的結構設計

撿拾刀片的結構形狀對高粱莖稈的打碎效果有很大作用。分析如圖4所示的常見的直刀型、錘爪型、Y型甩刀、T型甩刀、L型甩刀和鞭式甩刀等幾種撿拾刀片的結構特點可知，Y型甩刀的體積小、作業(yè)時阻力小、制造工藝簡單，成本低，對稱結構在高速旋轉時能保持較好的動平衡，打碎效果好，也不容易出現堵塞問題，所以選用Y型甩刀結構。在具體應用時，將兩把L型刀片背對背組合在一起拼成Y型刀片，利用銷軸連接在刀座上，能夠有更強的抗沖擊性能。

撿拾刀片材料采用耐磨性和抗沖擊性較好的高錳鋼65Mn。調研現在市場上常見打捆機撿拾刀片尺寸，經實驗可知，當切削角為20°左右時，切削力和消耗功率最小，因此，改進的Y型甩刀的彎折角取為20°，刀片厚度取8 mm。

3 結論

通過對飼用甜高粱打捆機的撿拾機構進行分析，優(yōu)化設計了撿拾機構以提高撿拾效率。

1）對打捆機的撿拾機構工作原理進行解析，確定了打捆機刀輥的主要參數和結構。撿拾刀片通過銷軸連接在刀座上，刀座焊接在刀輥上，以提高撿拾刀片的使用壽命和抗沖擊性。

2）刀輥轉速切割線速度Vr≥35 m/s滿足要求，撿拾機構工作前進速度2 m/s，刀片回轉半徑為220 mm，刀輥的最小速度為2 084 r/min。

3）撿拾刀片的結構采用改進的Y型甩刀結構，雙螺旋式排列，工作效率高，刀片磨損低，刀輥的動平衡較好，制造工藝簡單。