青貯玉米喂入切碎裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

張家瑞，丁立利，李正鎖，李曉康，沈小波

(1. 甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，蘭州市，730030；2. 甘肅省草地農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州市，730030)

0 引言

青貯飼料尤其是全株玉米青貯因其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、保存效果好等優(yōu)勢(shì)，能幫助牧場(chǎng)節(jié)本增效，已成為我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)飼料之一[1]。青貯玉米的最適收獲時(shí)期一般在1/2乳線和1/4乳線階段，植株含水率在61%～68%，即籽粒乳熟中期[2]。

國(guó)內(nèi)外青貯玉米收獲機(jī)械主要部件由割臺(tái)裝置、喂入裝置、切碎裝置和拋送裝置等組成，部分機(jī)型因收獲加工工藝不同，增設(shè)有打捆裝置[3]。其中，喂入裝置和切碎裝置是保證整機(jī)切碎均勻性的關(guān)鍵部件。國(guó)外青貯收獲機(jī)收獲效率可達(dá)15～100 t/h[4-6]，可一次性完成收獲、切碎、拋送和裝車，并配有切斷長(zhǎng)度無(wú)極可調(diào)和籽粒破碎等功能。整機(jī)自動(dòng)化程度高，可靠性好，但價(jià)格昂貴，不適應(yīng)我國(guó)小地形作業(yè)需求。國(guó)內(nèi)青貯玉米收獲機(jī)切碎裝置主要有盤刀式和滾筒式，盤刀式切碎裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于結(jié)構(gòu)限制，喂入口寬度不宜過(guò)大，其生產(chǎn)效率比滾筒式低[7]。滾筒式切碎裝置入料口較寬，切斷效果好，廣泛應(yīng)用于各種中大型青貯收獲機(jī)。近年來(lái)，尤泳等[8]研制的王草收獲機(jī)、魏天路等[9]設(shè)計(jì)的青飼料收獲機(jī)切碎輥、薛釗等[10]設(shè)計(jì)的青飼玉米收獲機(jī)械切碎裝置等都采用了滾筒式切碎裝置。

為了解喂入裝置和切碎裝置功率分布情況，探究不同行走速度下喂入裝置和切碎裝置功率變化，本文研制了青貯玉米喂入切碎試驗(yàn)臺(tái)，搭建了一套青貯玉米喂入切碎裝置測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)控制試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)喂入裝置和切碎裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

青貯玉米喂入切碎試驗(yàn)臺(tái)主要由割臺(tái)、喂入裝置、切碎裝置、拋送裝置和電機(jī)等組成。為模擬田間收獲模式，設(shè)計(jì)了插禾運(yùn)輸機(jī)，如圖1所示。

圖1 喂入切碎裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

工作前，人工將玉米秸稈固定在插禾運(yùn)輸機(jī)上，依次啟動(dòng)割臺(tái)、喂入裝置和切碎裝置，待各裝置達(dá)到預(yù)設(shè)速度，啟動(dòng)插禾運(yùn)輸機(jī)，將玉米秸稈送至割臺(tái)，玉米秸稈經(jīng)由割臺(tái)切割和扶禾輸送齒輸送至喂入裝置。喂入裝置由兩個(gè)喂入輥組成，起到壓緊玉米秸稈的作用。隨后，玉米秸稈在切碎裝置切碎后，經(jīng)過(guò)拋送裝置，將其送出，完成青飼料切碎步驟。表1為試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Parameters of test bench

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 喂入裝置設(shè)計(jì)

喂入裝置主要由鏈輪、軸承座、固定輥(上輥)、浮動(dòng)輥(下輥)、壓緊連桿和壓緊彈簧等組成，用來(lái)將割臺(tái)送入的玉米秸稈壓緊并喂入切碎裝置，以便獲得良好的切碎質(zhì)量和較為精準(zhǔn)的切碎長(zhǎng)度，如圖2所示。

圖2 喂入裝置結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)喂入前玉米秸稈厚度為H1，經(jīng)過(guò)喂入裝置壓緊后物料厚度為H2，物料喂入過(guò)程示意如圖3所示。

圖3 物料喂入過(guò)程示意圖

O1和O2分別表示上固定輥(上輥)和浮動(dòng)輥(下輥)的圓心，當(dāng)玉米秸稈送入喂入裝置后，兩喂入輥對(duì)玉米秸稈產(chǎn)生正向壓力N，為保證物料順利喂入，需滿足

(1)

式中：μ——玉米秸稈與喂入輥摩擦系數(shù)；

N——喂入輥對(duì)玉米秸稈正向壓力，N；

θ——N的方向角，(°)。

通過(guò)分析可知，要想玉米秸稈能正常喂入，需要θ≤45°。喂入輥半徑r滿足

2r+H2=2rcosα+H1

(2)

式中：α——玉米秸稈層進(jìn)入喂入輥前與喂入輥的弧長(zhǎng)角，(°)。

玉米秸稈能被送入喂入輥的臨界值為α=2θ，有

(3)

取喂入前玉米秸稈最大厚度H1為100～140 mm，經(jīng)過(guò)喂入輥后其厚度H2為50～70 mm，α=36°，由式(2)、式(3)可知，喂入輥?zhàn)钚≈睆椒秶鸀?30～170 mm。在實(shí)際生產(chǎn)中，為增加接觸面，通常在喂入輥表面增加齒形葉片。

2.2 切碎裝置設(shè)計(jì)

玉米秸稈切碎裝置由動(dòng)刀、定刀、軸承座和切碎主軸等組成，為增加其拋送能力，在刀架上設(shè)置拋送板，如圖4所示。其主要工作部件為軸向等距布置的兩排帶有拋送板的平板形刀具。

圖4 切碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)玉米秸稈在喂入裝置推動(dòng)下，進(jìn)入切碎裝置，由動(dòng)刀片進(jìn)行切割，切碎后的物料聚集在拋送板上，獲得一個(gè)垂直于刀軸徑向的初始速度后，直接進(jìn)入拋送裝置，在氣流和初始速度作用下，切碎的玉米秸稈沿拋送裝置的彎管臂內(nèi)運(yùn)動(dòng)，最后從出料口拋出。圖5為切割過(guò)程分析[8, 11-13]。

如圖5所示，abcd為玉米秸稈喂入口，AB和CD為動(dòng)刀刀刃，切割過(guò)程中動(dòng)刀AB與CD交替切割，一定程度上降低了動(dòng)刀作用在軸線上的作用力。v為刀刃AB上的任意一點(diǎn)速度。將v分解為垂直于刃口方向的正切速度vn和平行于刃口的滑切速度vt，那么v與vn的夾角τ為滑切角，刃口與定刀的夾角χ為擠推角。刀具長(zhǎng)185 mm，動(dòng)定刀間隙為3 mm[13-14]，刃口曲線是橢圓曲面的一部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示。

圖5 切割過(guò)程示意圖

圖6 動(dòng)刀刃口結(jié)構(gòu)參數(shù)

(4)

Ztanβ=Rsinφ

(5)

式中：Z——?jiǎng)拥度锌谏螦點(diǎn)坐標(biāo)值，mm；

β——?jiǎng)拥镀矫媾c主軸中心線的夾角，(°)；

R——?jiǎng)拥盾壽E回轉(zhuǎn)半徑，取220 mm；

φ——?jiǎng)拥兜度邪惭b前傾角，(°)。

當(dāng)安裝前傾角較小時(shí)，切割阻力增加，功耗增加，參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取φ=42°。且由圖5可知，適當(dāng)增加滑切角度，可降低切割力，但過(guò)大的滑切角會(huì)增加功耗，影響切割質(zhì)量，且由于滾筒結(jié)構(gòu)限制，τ取8°，擠推角χ=5°。

2.3 理論切碎長(zhǎng)度

青貯飼料切碎長(zhǎng)度l取決于喂入裝置喂入速度vw、切碎裝置切碎主軸轉(zhuǎn)速n和切碎裝置動(dòng)刀片數(shù)量z。

(6)

式中：l——青貯飼料切碎長(zhǎng)度，mm；

vw——喂入裝置喂入速度，m/s；

n——切碎裝置切碎主軸轉(zhuǎn)速，r/min；

z——?jiǎng)拥镀瑪?shù)量。

玉米青貯切碎理論長(zhǎng)度為12 mm，最長(zhǎng)切斷不得超過(guò)30 mm。參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取青貯玉米喂入速度vw范圍為1.6～2.9 m/s，動(dòng)刀片數(shù)量z=6，切碎主軸轉(zhuǎn)速n=1 497 r/min，代入式(6)，得到理論切碎長(zhǎng)度范圍為11～20 mm。

3 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件示意圖如圖7所示。控制系統(tǒng)硬件部分主要由上位機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)組成。動(dòng)力系統(tǒng)是給青貯玉米喂入切碎裝置試驗(yàn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力的電氣控制柜組合，主要由變頻器和電動(dòng)機(jī)組成，變頻器和PLC通過(guò)通訊模塊建立連接，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)控制狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)記錄電流、電壓；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集電動(dòng)機(jī)扭矩信號(hào)，其中插禾運(yùn)輸機(jī)只起到模擬田間收獲的狀態(tài)，因此無(wú)需測(cè)其扭矩；上位機(jī)系統(tǒng)主要由人機(jī)交互界面和PLC組成，用于處理和顯示相關(guān)參數(shù)、控制試驗(yàn)臺(tái)的啟停。

圖7 控制系統(tǒng)硬件示意圖

該試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力裝置采用YX3-180L-4和YX253-225S-4三相異步電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍廣、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。變頻器采用GD200A-022G/030P-4和GD200A-037G/045P-4開環(huán)矢量變頻器，該變頻器具有優(yōu)異的矢量控制性能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制、速度控制的一體化，運(yùn)用DSP控制系統(tǒng)，應(yīng)用靈活，性能穩(wěn)定，支持提供RS485通訊接口，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的ModBus通訊協(xié)議進(jìn)行主從通訊，可通過(guò)PC/PLC控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集中控制(設(shè)定變頻器控制命令、運(yùn)行頻率、相關(guān)功能碼參數(shù)修改，變頻器工作狀態(tài)及故障信息監(jiān)控等)，以適應(yīng)特定應(yīng)用要求。扭矩傳感器采用HCNJ-101 型動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，該傳感器檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好，抗干擾性強(qiáng)，體積小、重量輕、易于安裝。安裝時(shí)，扭矩傳感器兩端通過(guò)聯(lián)軸器分別與傳動(dòng)軸連接。

PLC型號(hào)根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)、I/O點(diǎn)數(shù)等進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)有模擬量輸入信號(hào)3組，而變頻器需通過(guò)RS485和RS232實(shí)現(xiàn)通訊，硬件組成見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)臺(tái)硬件參數(shù)Tab. 2 Technical parameters of test bench

3.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 控制系統(tǒng)軟件功能框圖

本系統(tǒng)主要通過(guò)人機(jī)交互界面發(fā)送和接收相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)控制，控制系統(tǒng)功能框圖見(jiàn)圖8。

圖8 控制系統(tǒng)功能框圖

其主要步驟為功能或界面選擇，割臺(tái)、喂入和切碎部件啟停，參數(shù)選擇等。

3.2.2 控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

選用TPC1062K觸摸屏作為青貯玉米喂入切碎裝置試驗(yàn)臺(tái)的人機(jī)交互界面，其可通過(guò)串口通信電纜與PLC連接。TPC1062K觸摸屏采用163 mm×226.6 mm 高亮度TFT液晶顯示屏，其分辨率為800像素×480像素，可用于控制信息的輸入和現(xiàn)場(chǎng)采集工作數(shù)據(jù)的顯示。

青貯玉米喂入切碎裝置試驗(yàn)臺(tái)的人機(jī)交互界面由主界面、參數(shù)設(shè)置、曲線報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)等組成。在參數(shù)設(shè)置界面，可以進(jìn)行相關(guān)部件運(yùn)行速度設(shè)定；在曲線報(bào)表界面，通過(guò)選擇相關(guān)參數(shù)，可以完成實(shí)時(shí)曲線繪制；在主界面右側(cè)，可以檢測(cè)其部件運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.3 通訊及監(jiān)控程序

該程序主要用來(lái)控制試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行及監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。圖9是部分程序，PLC與變頻器通過(guò)RS485接口通訊，圖中M1002中繼在PLC啟動(dòng)時(shí)提供正向脈沖，觸發(fā)程序啟動(dòng)。然后通過(guò)MOV指令和SET指令進(jìn)行通訊格式設(shè)置，并完成變頻器頻率設(shè)定和讀取。

(a) 通訊部分程序

4 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證青貯玉米喂入切碎裝置測(cè)控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果，2020年9月10日在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)利用控制系統(tǒng)控制試驗(yàn)臺(tái)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行不同條件下的切碎試驗(yàn)。試驗(yàn)所用玉米秸稈取自甘肅省農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)機(jī)械試驗(yàn)示范基地處于乳熟中期全株玉米。

4.1 試驗(yàn)方法

功率和標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率是評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置工作性能主要指標(biāo)。功率是通過(guò)安裝在喂入裝置和切碎裝置上的扭矩傳感器測(cè)定，試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄喂入裝置和切碎裝置的扭矩和轉(zhuǎn)速，利用瞬時(shí)功率計(jì)算，獲得實(shí)時(shí)切碎功率。計(jì)算公式為

(7)

式中：P——電機(jī)功率，kW；

T——電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；

n′——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率：即切段長(zhǎng)度的均勻性，是檢驗(yàn)青貯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵參數(shù)之一。切斷長(zhǎng)度不均勻，會(huì)降低飼料的質(zhì)量[13]。每次試驗(yàn)時(shí)，取切碎物料樣本1 200～1 500 g，分為3份，每份質(zhì)量為400～500 g，分別稱重計(jì)為取樣質(zhì)量Gy；將每份稱重后樣本置于賓州篩頂層篩上，每個(gè)方向水平搖動(dòng)5次篩子，每水平搖動(dòng)5次旋轉(zhuǎn)90°，搖篩時(shí)不得上下顛覆物料，重復(fù)過(guò)程7次，獲得不同長(zhǎng)度范圍內(nèi)的樣品。將賓州篩內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度草系的樣品層分別稱重并累加，累加后的質(zhì)量記為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度草的總質(zhì)量Gc，那么，標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率

(8)

式中：S——標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率，%；

Gc——標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度草的總質(zhì)量，g；

Gy——取樣質(zhì)量，g。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為還原收獲機(jī)田間作業(yè)情況，通過(guò)調(diào)節(jié)插禾運(yùn)輸機(jī)的插禾機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)株距行距調(diào)節(jié)，采用1.2、1.6、2 km/h三種插禾運(yùn)輸機(jī)速度模擬田間前進(jìn)速度，秸稈株距為30 cm，所測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率和試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 3 Protocols and results

試驗(yàn)前，先啟動(dòng)切碎裝置和喂入裝置，待各部件運(yùn)行穩(wěn)定、傳感器信號(hào)正常接收后，啟動(dòng)插禾運(yùn)輸機(jī)。試驗(yàn)結(jié)束后，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，關(guān)閉試驗(yàn)臺(tái)，更換插禾運(yùn)輸機(jī)上玉米秸稈，進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]可知，青貯玉米收獲機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率需大于等于85%。由表3可知，平均標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率為87.44%，滿足設(shè)計(jì)需求。喂入裝置和切碎裝置的功率變化曲線如圖9所示。圖9(a)～圖9(c)是喂入裝置在不同前進(jìn)速度下的功率和轉(zhuǎn)速曲線，圖9(d)～圖9(f)是切碎裝置在不同前進(jìn)速度下的功率和轉(zhuǎn)速曲線。圖中只畫出了各個(gè)部件運(yùn)行穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速和功率的曲線。

由圖9可知，在空載狀態(tài)下，喂入裝置功率為1.5 kW，切碎功率為2.0 kW；當(dāng)玉米秸稈進(jìn)入后，喂入裝置和切碎裝置都出現(xiàn)了功率急劇增加的現(xiàn)象，當(dāng)喂入速度為1.2、1.6、2.0 km/h時(shí)，喂入裝置瞬時(shí)最大喂入功率分別為3.5、4.6、5.8 kW；切碎裝置瞬時(shí)最大喂入功率分別為22、28、29 kW。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)青貯玉米機(jī)械化收獲需求，設(shè)計(jì)了喂入裝置和切碎裝置，通過(guò)收獲要求，確定了各個(gè)部件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。開發(fā)了喂入切碎裝置試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集、顯示與保存喂入裝置和切碎裝置的扭矩、轉(zhuǎn)速等信息，進(jìn)而計(jì)算得到各個(gè)部件的功率消耗。

2) 設(shè)計(jì)的喂入切碎試驗(yàn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率為87.44%，滿足設(shè)計(jì)需求。以喂入速度和功率為試驗(yàn)因素進(jìn)行的多次試驗(yàn)，得到了喂入裝置和切碎裝置的空載功率分別為1.5 kW和2.0 kW，滿載瞬時(shí)最大功率可達(dá)5.8 kW和29 kW。本研究可為青貯飼料收獲機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考和技術(shù)支持。