張麗,張寧,孟玉剛,包德勝,郭喜燕,王聰偉

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

0 引言

隨著我國“糧改飼”農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的深入推進，飼草料種植規(guī)模逐漸加大，產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。隨之，對飼草料收獲機具的需求也日益增加。摟草機是傳統(tǒng)的牧草收獲機具之一[1]。目前國內(nèi)外廣泛采用的是指輪式摟草機和水平旋轉(zhuǎn)摟草機[2]。國外指輪式摟草機代表性的機型有約翰迪爾WR10系列摟草機、法國庫恩SR100GⅡ/SR300/SR600GⅡ系列快速摟草機、凱斯—紐荷蘭WR、WRX系列指輪式摟草機，水平旋轉(zhuǎn)摟草機典型機型有法國庫恩GA系列摟草機、德國CLASS公司LINER系列摟草機[3]。國外機型種類較多，系列化程度高，自動化水平高，電、液控制系統(tǒng)技術(shù)成熟[4]。國內(nèi)有劉建福、李正陽、賈紅超等人研發(fā)的指輪式摟草機[5]，李明珍、杜韌研發(fā)的水平旋轉(zhuǎn)摟草機[6-7]以及中國農(nóng)機院呼和浩特分院研發(fā)的指輪式摟草機和5.3/6.0型水平旋轉(zhuǎn)摟草機[8-9]。國內(nèi)摟草機系列化程度低、地面仿形功能較差，設(shè)備的可靠性較低，收集后的牧草花葉損失較多，牧草營養(yǎng)價值較低。

針對我國牧草摟集技術(shù)現(xiàn)狀以及市場需求，中國農(nóng)機院呼和浩特分院在“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目中研制了一種新型的牧草收集機具——9JSC-7.0型撿拾輸送集草機，其優(yōu)點在于對草皮的破壞小、牧草的花葉損失少，最大程度保持牧草的營養(yǎng)價值，其強大的地面仿形功能可隨地面起伏。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

9JSC-7.0型撿拾輸送集草機由機架、左(右)側(cè)輸送機構(gòu)、左(右)側(cè)撿拾機構(gòu)、行走輪、仿形浮動機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、左(右)擋草板以及滑掌等組成。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。機架上裝有升降油缸、折疊油缸等，從上往下看機架呈T型布置[10]。左、右側(cè)輸送機構(gòu)分別置于機架兩側(cè)，左、右側(cè)撿拾機構(gòu)分別位于左、右側(cè)輸送機構(gòu)前方，仿形浮動機構(gòu)掛接在左、右側(cè)輸送機構(gòu)的底部，保證機器對地面的仿形功能和減震能力?；瓢惭b于撿拾機構(gòu)后面下端，防止撿拾器與地面硬性接觸，可對撿拾機構(gòu)起到保護作用。機架與拖拉機掛接，拖拉機動力輸出軸與液壓泵連接，液壓泵帶動整個液壓系統(tǒng)運行。

(a) 軸側(cè)圖

9JSC-7.0型撿拾輸送集草機的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 9JSC-7.0型撿拾輸送集草機主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Major technical parameters of grass picking and collecting machine

1.2 工作原理

作業(yè)時，拖拉機與機器牽引架掛接，拖拉機動力輸出通過PTO軸與液壓泵連接，為整個機器提供動力，拖拉機牽引機器前進。左、右撿拾馬達驅(qū)動左、右撿拾機構(gòu)，將鋪放在田間的牧草撿拾，分別拋至左、右兩側(cè)輸送機構(gòu)，液壓馬達驅(qū)動輸送機構(gòu)，將牧草輸送至所需側(cè)，形成蓬松的草條。仿形浮動機構(gòu)隨起伏不平的地面實現(xiàn)對地面的仿形。工作完畢后，通過液壓系統(tǒng)使撿拾機構(gòu)和輸送機構(gòu)升起，立于支撐架上方兩側(cè)，且基本與輪胎同寬，達到運輸狀態(tài)，保證運輸安全，如圖2所示。

圖2 運輸狀態(tài)

2 主要工作部件設(shè)計

2.1 機架設(shè)計

機架由牽引架、中間梁、懸掛架、右轉(zhuǎn)架以及左轉(zhuǎn)架等組成，如圖3所示。牽引架與拖拉機掛接，中間梁上裝有液壓油箱，懸掛架與行走輪連接，通過行走輪懸掛油缸調(diào)節(jié)行走輪的高度。左轉(zhuǎn)架、右轉(zhuǎn)架分別與左、右輸送撿拾機構(gòu)連接，通過橫向旋轉(zhuǎn)油缸和縱向折疊油缸實現(xiàn)輸送撿拾機構(gòu)水平旋轉(zhuǎn)和垂直方向的折疊。

圖3 機架

2.2 撿拾機構(gòu)設(shè)計

撿拾機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性能應(yīng)滿足如下牧草收獲工藝要求：草條要撿拾干凈，撿拾損失率一般不應(yīng)大于5%，撿拾起來的物料中陳草及其他雜質(zhì)要少。彈齒對牧草的打擊要輕，牧草花、葉的損失少，要具有良好的地面仿形和緩沖性能。當草條被撿拾提升到護板、彈齒收縮到護板內(nèi)部時，彈齒不應(yīng)拖帶牧草[11]。

集草機上撿拾機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式是彈齒滾筒式，它主要由撿拾馬達、撿拾器側(cè)板、彈齒、彈齒護圈、撿拾器橫梁、彈齒梁和撿拾器軸等組成，如圖4所示。與方草捆撿拾壓捆機[11]上的撿拾器結(jié)構(gòu)相比，該撿拾機構(gòu)沒有凸輪盤。撿拾馬達驅(qū)動撿拾器軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動彈齒撿拾草條并將草條拋送到輸送機構(gòu)上[12]。

圖4 撿拾機構(gòu)

撿拾機構(gòu)的基本參數(shù)有撿拾幅寬、彈齒桿數(shù)量和彈齒齒端線速度。據(jù)有關(guān)資料，割草機和切割壓扁機等收獲后鋪放的草條寬度為1.2～2.4 m[13]，撿拾幅寬應(yīng)大于草條寬度，本集草機選擇一側(cè)撿拾機構(gòu)的撿拾幅寬為2.7 m，既降低了牧草在撿拾機構(gòu)兩側(cè)的漏檢率，又提高了撿拾機構(gòu)的適用范圍。

機器作業(yè)速度一般小于或等于撿拾器彈齒端點的線速度[2]，彈齒在撿拾牧草時理論上作勻速圓周運動，其線速度

(1)

式中：V——彈齒的線速度，m/s；

R——彈齒端點回轉(zhuǎn)半徑，選擇R=317 mm；

N——撿拾機構(gòu)滾筒轉(zhuǎn)速，r/min。

取集草機的作業(yè)速度v=6.48 km/h=1.8 m/s，彈齒線的速度

彈齒齒端線速度

2.3 輸送機構(gòu)

輸送機構(gòu)位于撿拾機構(gòu)后方，主要由輸送馬達、輸送帶以及輸送架等組成，如圖5所示。它的功能是將撿拾機構(gòu)拋送上來的牧草輸送至地面。輸送機構(gòu)上裝有擋草板，保證撿拾機構(gòu)拾起的牧草全部落到輸送帶上。通過控制輸送馬達，可驅(qū)動輸送帶不同方向的輸出，從而實現(xiàn)四種不同的草條鋪放位置，如圖6所示。

圖5 輸送機構(gòu)

(a) 中間集草 (b) 右側(cè)集草

輸送機構(gòu)采用橡膠輸送帶，其輸送能力與輸送帶寬和輸送速度有關(guān)，關(guān)系如式(2)所示。

Q=B2KdKvKβVγ

(2)

式中：Q——輸送能力，t/h；

Kd——斷面系數(shù)，取145；

Kv——速度系數(shù)，輸送速度≤1.6時，取1；

Kβ——傾角系數(shù)，平行帶時，取1；

V——輸送帶速度，m/s，輸送苜蓿的速度為1～3.15，選1.6 m/s；

γ——物料單位容積質(zhì)量，t/m3，取0.05。

當前，我國普遍使用的割草機收獲人工種植苜蓿時，其草條質(zhì)量為2.5～4 kg/m之間，收獲時牧草含水率為40%左右，取機器作業(yè)速度為1.8 m/s，撿拾機構(gòu)輸送至輸送機構(gòu)的牧草量為4.5～7.2 kg/s。由式(2)推導(dǎo)得出

所以選取輸送帶寬度為0.8 m。

2.4 仿形浮動機構(gòu)

影響集草機撿拾效果的重要因素之一是撿拾機構(gòu)的彈齒與地面之間的離地間隙。仿形浮動機構(gòu)能夠在起伏不平的地面條件下使彈齒與地面間保持應(yīng)有的間隙[15]，保證機器良好的仿形能力和撿拾效果。仿形浮動機構(gòu)是由仿形輪、浮動架、浮動彈簧、浮動軸以及調(diào)節(jié)塊等組成[16]，如圖7所示。

(a) 機構(gòu)整體圖

2.5 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)是集草機非常重要的一部分，主要包括液壓泵、撿拾馬達、輸送馬達、橫向旋轉(zhuǎn)油缸、縱向折疊油缸、貼地懸掛油缸以及行走輪懸掛油缸等，液壓泵是液壓系統(tǒng)的核心元件[17]，如圖8所示。

圖8 液壓系統(tǒng)圖

液壓泵與拖拉機動力輸出軸連接，為整個液壓系統(tǒng)提供動力，撿拾馬達驅(qū)動撿拾機構(gòu)撿拾牧草并拋送至輸送帶上。輸送馬達驅(qū)動輸送機構(gòu)將物料輸送至地面，通過調(diào)整馬達轉(zhuǎn)向可以改變輸送帶的輸出方向。橫向旋轉(zhuǎn)油缸將機器的一側(cè)沿水平方向旋轉(zhuǎn)90°?？v向折疊油缸可將機器的一側(cè)提升并垂直旋轉(zhuǎn)90°，達到運輸狀態(tài)。作業(yè)前，行走輪懸掛油缸可將機器調(diào)整至離地合適的位置，達到最佳作業(yè)狀態(tài)。后輪懸油缸可將兩個行走輪提升，便于運輸。

3 試驗研究

3.1 試驗條件

試驗前，試驗樣機進行試運轉(zhuǎn),達到正常工作狀態(tài)，試驗期間機器工況應(yīng)保持穩(wěn)定；試驗場地滿足各項試驗的要求，備有可靠的消防設(shè)施。環(huán)境風(fēng)速不應(yīng)大于4 m/s，環(huán)境空氣的相對濕度應(yīng)不大于30%。試驗用儀器、儀表應(yīng)經(jīng)檢驗合格，并在檢定有效期內(nèi)。試驗條件[18]如表2，滿足試驗要求。

表2 試驗條件Tab. 2 Table of experiment condition

依據(jù)《GB/T 14247—2015摟草機試驗方法》[19]以及《JB/T 10905—2008旋轉(zhuǎn)摟草機》[20]的規(guī)定對機器進行性能試驗及檢測。作業(yè)對象為田間晾曬數(shù)日的苜蓿，其含水率為40%左右。9JSC-7.0型撿拾輸送集草機由60 kW以上拖拉機牽引，動力輸出軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。

3.2 性能試驗

試驗前按文獻[18]的規(guī)定劃分試驗區(qū)，對樣機進行了試運轉(zhuǎn)和調(diào)試，并將樣機調(diào)整到最佳狀態(tài)。在機器正常工作狀態(tài)下進行性能試驗，主要進行撿拾幅寬、草條密度變異系數(shù)、漏撿損失率以及成草條寬度的測定，并對測定結(jié)果進行分析。田間試驗照片如圖9所示。

圖9 田間試驗

3.2.1 草條密度變異系數(shù)

草條密度變異系數(shù)是衡量草條鋪放質(zhì)量的重要指標。在試驗現(xiàn)場對各測定點選定長度為1 m的草條，用斷面測定儀測定2個端面的表面形狀和底寬，求出平均斷面面積和平均高，然后截取該段草條稱量，用式(1)～式(4)計算草條密度、標準差及草條密度變異系數(shù)。測定結(jié)果如表3。

(1)

式中：Pt——各測點的草條密度，kg/m3；

mt——各點的每米草條質(zhì)量， kg/m；

Ft——各測點的斷面積，m2。

(2)

n——測定點數(shù)。

(3)

式中：S——草條密度標準差，kg/m3。

(4)

式中：Vt——草條密度變異系數(shù)。

表3 草條密度變異系數(shù)測定表Tab. 3 Variation coefficient of windrow uniformity

3.2.2 漏撿損失率

漏撿損失率是衡量集草機工作效率的重要指標。試驗時，在每一測定行程取5 m，分別將集草機通過區(qū)域內(nèi)未撿到的且長度大于7 cm的牧草稱重，按式(5)計算漏撿損失率。測定結(jié)果如表4，由表4可知，該機漏檢損失率為3.7%，低于文獻[20]中規(guī)定的漏檢損失率小于5%的技術(shù)指標。測定結(jié)果如表4。

(5)

式中：B——漏撿損失率，%；

m1——所測各行程5 m內(nèi)漏撿的牧草質(zhì)量之和，kg；

m2——所測各行程5 m內(nèi)牧草質(zhì)量之和，kg。

表4 漏檢損失率測定表Tab. 4 Table of the loss rate of pickup strips

3.2.3 成草條寬度

試驗時，在各個草條間隔均勻取3點，作業(yè)后測量形成草條的寬度，求取平均值。測定結(jié)果見表5。

表5 成草條寬度測定表Tab. 5 Table of windrowers width

集草機田間試驗檢測結(jié)果匯總表如表6。

表6 檢測結(jié)果匯總表Tab. 6 Summary table of experiment results

從試驗檢測結(jié)果可以看出，撿拾幅寬為7.2 m，作業(yè)速度為5～15 km/h，漏檢損失率低；形成的草條蓬松，密度均勻；機具工作穩(wěn)定、其各項技術(shù)指標均達到項目任務(wù)書和設(shè)計的要求。

4 結(jié)論

1) 9JSC-7.0型撿拾輸送集草機是“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目中研發(fā)的新產(chǎn)品，本文闡述了其總體結(jié)構(gòu)和工作原理，滿足我國飼草料機械化收獲的發(fā)展需求。

2) 介紹了9JSC-7.0型撿拾輸送集草機的機架、撿拾機構(gòu)、輸送機構(gòu)、仿形浮動機構(gòu)、液壓系統(tǒng)等主要工作部件的結(jié)構(gòu)。

3) 苜蓿田間試驗及性能檢測表明：撿拾幅寬為7.2 m，作業(yè)速度為5～15 km/h，漏檢損失率為3.7%，機具工作穩(wěn)定可靠，各項技術(shù)指標達均到了項目任務(wù)書和設(shè)計的要求。