自走式青貯玉米切碎打捆裝置設(shè)計(jì)研究

■ 胡志誠(chéng) 李松開(kāi) 孫 波*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650201；2.蒙自市果蔬技術(shù)推廣站，云南蒙自 661100）

隨著我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展和養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，青貯玉米種植面積不斷增加[1]，收獲機(jī)械的需求激增。利用青貯玉米收獲打捆一體機(jī)收獲農(nóng)作物時(shí)，在收獲的同時(shí)也可以打捆，提高了生產(chǎn)效率[2]。但目前青貯玉米打捆收獲機(jī)械存在切削不均勻、打捆密度低、壓實(shí)度小等問(wèn)題[3]。傳統(tǒng)滾筒式切碎裝置通用性低[4]，物料的切碎不充分、不均勻，影響了物料打捆密度、飼料的適口性[5]；單一鋼棍打捆機(jī)構(gòu)使草芯初始密度與后續(xù)成捆后草卷密度不一致[6]，導(dǎo)致發(fā)酵時(shí)的厭氧環(huán)境內(nèi)外層不一致。為了使青貯玉米切削均勻和打捆包壓實(shí)度高、內(nèi)外密度均勻，對(duì)青貯玉米切碎和打捆裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)[7-8]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

針對(duì)丘陵山區(qū)青貯類(lèi)作物的栽培條件和收獲要求[9]，本研究設(shè)計(jì)了自走式青貯玉米切碎打捆裝置，裝置如圖1 所示。自走式青貯玉米切碎打捆裝置主要構(gòu)成有割斷裝置、喂入裝置、切碎裝置、拋送裝置、打捆裝置等。

圖1 青貯玉米收獲機(jī)結(jié)構(gòu)

2 切碎裝置設(shè)計(jì)與分析

傳統(tǒng)的切碎裝置存在漏切、滑切等問(wèn)題，導(dǎo)致切碎的均勻性低[9-10]，影響飼料的適口性[11]、打捆密度和青貯質(zhì)量[11-12]。在切碎裝置中，圓盤(pán)式刀具可利用勢(shì)能增加切削力度，但易滑切，甩刀式刀具的物料輸送連續(xù)，但切碎效率低；刀片分為鋸齒形、直刃形、人字形；刀片排列方式分為對(duì)頂式、錯(cuò)齒式[13]。本研究結(jié)合上述切碎裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)擬設(shè)計(jì)了不完全圓盤(pán)鋸齒式切碎裝置。

2.1 切碎裝置設(shè)計(jì)

切碎裝置的刀體由三個(gè)不連續(xù)的等分圓弧形刀片組成，利用震動(dòng)較小、線速度高、圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生慣性較大的正向滑切結(jié)構(gòu)來(lái)降低功耗；圓弧形的刀片外形與三角形鋸齒的刀刃，使刀刃與青貯作物莖稈垂直點(diǎn)的切割力達(dá)到最大值，可同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)有效切碎，提高了整體工作效率。刀俎之間采用隔套定位，隔套設(shè)計(jì)成大、中、小三種規(guī)格，可以根據(jù)用戶實(shí)際需求改變刀具在軸上的工作位置；在支撐架上安裝彈簧吸收緩沖載荷，切削裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 切削裝置結(jié)構(gòu)

當(dāng)青貯玉米經(jīng)過(guò)割斷、滾輪壓片進(jìn)入切割階段時(shí)，被切割的青貯玉米沿著淺綠色箭頭喂入端進(jìn)入，傳動(dòng)軸1 沿藍(lán)色和紅色回轉(zhuǎn)箭頭標(biāo)識(shí)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)軸上刀具2 進(jìn)行對(duì)頂式回轉(zhuǎn)切碎，然后順著深綠色箭頭方向推送出去。在刀具切碎青貯草片的過(guò)程中，若物料中摻有石頭或其他堅(jiān)硬物，被刀具切到時(shí)會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生反作用力，刀具在特定的轉(zhuǎn)速下會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)。鑒于這種情況，本設(shè)計(jì)在刀具固定支架3 上安裝了彈簧4，彈簧會(huì)沿著其上導(dǎo)桿進(jìn)行伸縮，起到緩沖吸震的作用。

2.2 切碎機(jī)構(gòu)有限元分析

2.2.1 刀片仿真分析

根據(jù)青貯玉米在碎裂過(guò)程中所受最大徑向和軸向應(yīng)力771 N[14]，對(duì)有限元模型進(jìn)行受力分析，以校核刀具的強(qiáng)度和使用壽命。在實(shí)際切碎過(guò)程中刀片只承受圓周力，將刀具質(zhì)心固定并與其內(nèi)圓環(huán)表面耦合，將初始速度施加于質(zhì)心參考點(diǎn)上，以內(nèi)圓環(huán)軸線為旋轉(zhuǎn)軸線進(jìn)行仿真，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中刀具勢(shì)能變化情況如圖3所示。

圖3 45鋼刀片有限元分析

通過(guò)圖3 仿真結(jié)果，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為600 r/min 時(shí)，仿真得出最大應(yīng)力為126.7 MPa 時(shí)，刀具質(zhì)心軸線與理論軸線徑向偏移距離小至1 mm，屬于有限偏移，說(shuō)明此結(jié)構(gòu)在切碎轉(zhuǎn)速為600 r/min 的運(yùn)行過(guò)程中，刀具本身結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生扭曲變形和軸線偏移。

為從微觀上研究刀具切碎的硬度效果[15]，將刀具模型導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件，配置其常用45鋼材料屬性為：抗拉強(qiáng)度σb≥400 MPa，屈服強(qiáng)度σs≥250 MPa；60Mn 鋼材料屬性為：抗拉強(qiáng)度σb≥695 MPa，屈服強(qiáng)度σs≥410 MPa。以數(shù)字化方式顯示動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)切割模擬如圖4及圖5所示。根據(jù)分析結(jié)果評(píng)估刀具切割性能。

圖4 45鋼刀具切割秸稈分析

圖5 60Mn鋼刀具切割秸稈分析

由圖4和圖5刀具切碎時(shí)的應(yīng)力可知，60Mn 鋼比45 鋼表現(xiàn)出更好的力學(xué)狀態(tài)和更好的切碎效果。為了直觀比較和了解刀具在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中應(yīng)力變化趨勢(shì)，將圖3、圖4 和圖5 刀具所受應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)擬合為圖6刀具空轉(zhuǎn)與切碎應(yīng)力散點(diǎn)圖。

圖6 刀具空轉(zhuǎn)與切碎應(yīng)力擬合散點(diǎn)圖

該裝置的最大應(yīng)力為126.7 MPa，小于材料本身最小塑性變形應(yīng)力241 MPa，因此能保證刀具的設(shè)計(jì)強(qiáng)度[16]。刀具在轉(zhuǎn)速為353.2 r/s時(shí)，切碎產(chǎn)生瞬時(shí)最大應(yīng)力為831 MPa，被切材料產(chǎn)生最大應(yīng)力為1.111 MPa；通過(guò)材料斷裂時(shí)阻抗勢(shì)能變化36.570 MJ→36.592 MJ→36.582 MJ，結(jié)合結(jié)構(gòu)瞬態(tài)加速度對(duì)結(jié)構(gòu)的演化損傷，位移、相對(duì)位移、隨機(jī)振動(dòng)和絕對(duì)加速度對(duì)系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)式為[17]：

式中：K——控制裂紋強(qiáng)度阻抗因子；

μ——?jiǎng)偠认禂?shù)；

v1——泊松系數(shù)；

G——切碎過(guò)程中總能量。

得出刀具材料最小阻抗因子K為1 446.4，K值越大刀具發(fā)生斷裂變形的概率就越小。通過(guò)式(1)推出影響切碎效果的主要因素為材料本身剛度即含水率，也即泊松比，含水率越小泊松比越大，秸稈越難以切斷；次要因素為秸稈本身橫截面積，即秸稈本身所具有的硬度。

2.2.2 固定支架仿真分析

減震架安裝于青貯收獲機(jī)上，用于支撐刀架，主要起到緩沖吸震作用，在保證結(jié)構(gòu)本身有一定剛度的同時(shí)要具有一定的韌性[16]，對(duì)其預(yù)應(yīng)力下的約束實(shí)施模態(tài)分析[17]。預(yù)載荷施加位置如圖7a所示，仿真結(jié)果如圖7b 所示，作為減震架只考慮剛體共振[18]，具體頻率信息取前6 階次，其對(duì)應(yīng)階次/頻率變化分布如圖8所示。

圖7 預(yù)載荷條件下減震架模態(tài)剛體云圖

圖8 減震架階次/頻率

從圖8 可知，1～6 階次對(duì)應(yīng)的頻率分別為38、57、58、68、85、121 Hz。根據(jù)階次/頻率走向可以清晰看出，支撐架剛體模態(tài)頻率遠(yuǎn)離其共振頻次46 Hz，僅在第6 階次時(shí)頻率與低階彈性體模態(tài)頻率之間的過(guò)渡界限時(shí)變化才會(huì)劇烈。因此，實(shí)際安裝中應(yīng)該增加彈簧剛度，以達(dá)到支架減震的目的。

2.3 刀具數(shù)量與切碎均勻性關(guān)系分析

2.3.1 切碎試驗(yàn)

以收獲季節(jié)的青貯玉米為切削對(duì)象，刀盤(pán)以1 000 r/min 轉(zhuǎn)速運(yùn)行，分別應(yīng)用刀具數(shù)量為28、29、30、31、32 進(jìn)行切碎試驗(yàn)，從圖9 所示的切碎效果可以看出32 把刀具較28 把刀具切碎的青貯物料更充分、更均勻。

圖9 青貯玉米切碎情況

2.3.2 刀具數(shù)量與切碎均勻性的關(guān)系

試驗(yàn)僅測(cè)試刀具數(shù)量從28把到32把時(shí)切碎均勻性的關(guān)系。經(jīng)過(guò)測(cè)量分析得到刀具數(shù)量與切碎均勻性關(guān)系如圖10 所示。在刀具切碎速度不變的條件下，當(dāng)?shù)毒邤?shù)量從28把增加到30把時(shí)，秸稈切碎均勻性快速增長(zhǎng)，當(dāng)?shù)毒邤?shù)量從30把增加到32把時(shí)，秸稈切碎均勻性增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，由此表明并不是刀具數(shù)量越多越好，應(yīng)根據(jù)刀具安裝軸長(zhǎng)度與所需切碎長(zhǎng)度合理選擇。

圖10 刀具數(shù)與秸稈切碎均勻性關(guān)系

2.3.3 切碎均勻性與打捆密度線性關(guān)系

應(yīng)用對(duì)數(shù)正態(tài)坐標(biāo)系繪制青貯物料切碎均勻性和單位圓草捆密度之間的關(guān)系，結(jié)果表明切碎均勻性和單位圓草捆密度間呈現(xiàn)線性關(guān)系。數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 切碎均勻性與單位圓捆密度間線性分析

3 打捆裝置設(shè)計(jì)與分析

3.1 打捆裝置設(shè)計(jì)

打捆裝置的設(shè)計(jì)有助于切碎的青貯物料成捆[19]、提高草料之間的緊實(shí)度，利于存貯、搬運(yùn)和保存飼料的營(yíng)養(yǎng)成分[20]。根據(jù)擬打圓草捆尺寸（直徑600 mm×長(zhǎng)500 mm）設(shè)計(jì)長(zhǎng)882 mm、寬728 mm、高530 mm 打捆倉(cāng)外形。為了增加摩擦力、增大成捆效率，將打捆倉(cāng)鋼輥設(shè)計(jì)為帶有橡膠套的鋼輥，表面設(shè)計(jì)成“人”字形紋路。

3.2 打捆裝置工作原理

打捆裝置[21-23]的鋼輥安裝位置及鋼輥間動(dòng)力傳遞路線如圖12 所示。當(dāng)青貯物料經(jīng)切碎后進(jìn)入左打捆倉(cāng)室1 后，傳動(dòng)軸2 通過(guò)草芯形成鋼輥4 上的同步帶3，帶動(dòng)鋼輥形成草芯。與此同時(shí)，傳動(dòng)軸同步帶使得浮動(dòng)成捆機(jī)構(gòu)5 上鋼輥轉(zhuǎn)動(dòng)，輔助草芯成捆；當(dāng)草捆體積擴(kuò)充到右打捆倉(cāng)時(shí)，傳動(dòng)軸通過(guò)同步帶將動(dòng)力輸送給右打捆倉(cāng)室6 上鋼輥輔助草捆完成打捆。在打捆完成后，左打捆倉(cāng)上成捆鋼輥8 輔助草捆完成最后的壓實(shí)，并通過(guò)喂入清理鋼輥7 開(kāi)始清理喂入口。當(dāng)青貯玉米完成打捆成型后，鎖扣將釋放右打捆倉(cāng)室9，使得草捆從打捆倉(cāng)室內(nèi)釋放出去。

圖12 打捆裝置結(jié)構(gòu)

3.3 傳動(dòng)軸扭矩分析

傳動(dòng)軸作為打捆倉(cāng)重要的動(dòng)力輸入傳動(dòng)零件。為了保證工作過(guò)程中不失效，根據(jù)打捆過(guò)程中輸入力矩與打捆傳動(dòng)產(chǎn)生的阻力矩進(jìn)行傳動(dòng)軸剛度分析，驗(yàn)證傳動(dòng)是否失效。分析結(jié)果如圖13所示,在實(shí)際傳動(dòng)過(guò)程中軸承所產(chǎn)生的應(yīng)力變形量為0.051 21 mm，屬于固體有限變形，證明傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)合理[24]。

圖13 打捆倉(cāng)傳動(dòng)軸扭矩分析

3.4 青貯材料在打捆裝置中運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)成捆后青貯材料堆積在整個(gè)打捆倉(cāng)中的狀態(tài)，分析打捆倉(cāng)內(nèi)青貯材料在堆積成捆過(guò)程的受力情況，如圖14 所示。由青貯材料徑向和軸向剪切試驗(yàn)可知，青貯材料徑向剪切力矩大于軸向剪切力矩，故僅需考慮秸稈在倉(cāng)內(nèi)徑向剪切力矩。

圖14 打捆倉(cāng)簡(jiǎn)化力學(xué)模型

當(dāng)青貯物料在倉(cāng)內(nèi)鋼輥的帶動(dòng)下，克服自重和秸稈自摩擦力在倉(cāng)內(nèi)回轉(zhuǎn)，同時(shí)在鋼輥擠壓下不斷形成圓草捆時(shí)，草捆模型所受力矩之和為：

聯(lián)合式（2）、式（3）、式（5）求解得到：

式中：T——秸稈在打捆倉(cāng)內(nèi)沿運(yùn)動(dòng)方向的力矩（N·m）；

F——秸稈在打捆倉(cāng)內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)方向上合力（N）；

Fn——秸稈垂直于同步帶的力（N）；

y——壓縮變形系數(shù)（或壓縮變形量）（mm）；

a——x方向上的壓縮變形量(mm)；

b——y方向上的壓縮變形量(mm)；

G——秸稈質(zhì)量(kg)；

θ——同步帶下平面與水平面方向夾角（°）；

δ——同步帶上平面與水平方向夾角；δ≤31°；

μ——秸稈與鋼輥間摩擦系數(shù)。

根據(jù)式（6）得到，θ越大青貯物料所受運(yùn)動(dòng)合力F越大，即物料在倉(cāng)內(nèi)擠壓成捆時(shí)力矩與θ有關(guān)。物料在成捆過(guò)程中，合力F不僅起到輸送作用，還起到擠壓成捆作用，因此合力F直接影響青貯物料的壓實(shí)度。

青貯打捆機(jī)在使用改進(jìn)后的切碎、打捆裝置后，成捆密度由原來(lái)的440 kg/m3提高到550 kg/m3左右，性能比較好。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)以青貯玉米為研究對(duì)象，對(duì)切碎裝置、打捆裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真，結(jié)果如下。

① 通過(guò)對(duì)切碎裝置的刀體、刀片、可變位安裝的定位改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以滿足不同作物對(duì)切碎條件的需求，根據(jù)不同切碎情況改變刀具的安裝位置，提高了機(jī)具的可操作性；在減震架上安裝彈簧的同時(shí)減小支架本身重量，不僅能起到共振緩沖的作用，同時(shí)可存貯勢(shì)能，使安裝在上面的刀具可以利用支架自振勢(shì)能增加切削力。

② 通過(guò)仿真，以實(shí)際工作條件進(jìn)行約束、角速度賦予，對(duì)刀具進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，新設(shè)計(jì)的刀具能很好地完成切碎工作。根據(jù)刀具與切碎材料的動(dòng)力學(xué)分析，得出影響切碎主要因素為秸稈含水率，次要因素為秸稈切削厚度；同時(shí)比較兩種刀具材料對(duì)切碎的影響，得出60 Mn 鋼比較45 鋼擁有更好的切碎效果。

③ 經(jīng)試驗(yàn)切碎刀具在32 把時(shí)切碎均勻性最佳，達(dá)91%；結(jié)合切碎均勻性和打捆密度間的線性關(guān)系分析，可知切碎均勻性與成捆密度之間密切相關(guān)。

④ 橡膠“人字形”鋼輥設(shè)計(jì)，能有效增大軸面間輥壓摩擦力，提高了打捆的密度。