9GLGA-2.1單刀割摟一體機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李　普，張　云，劉忠舍，劉麗娟

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018；2.蒙拓農(nóng)牧科技有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾　021000)

?

9GLGA-2.1單刀割摟一體機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李普1，張?jiān)?，劉忠舍2，劉麗娟2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018；2.蒙拓農(nóng)牧科技有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021000)

摘要：簡述了9GLGA-2.1單刀割摟一體機(jī)的工作原理，并對切割器梁進(jìn)行彎矩分析，對草條的收集進(jìn)行受力分析，對彈齒的運(yùn)動軌跡及漏摟率和花葉損失率進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)研究表明：該割摟一體機(jī)適用于低產(chǎn)量的天然牧場，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，操作簡單，有效降低了漏摟草率和花葉損失率。

關(guān)鍵詞：單刀割摟一體機(jī)；切割器梁；彈齒

0引言

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械化對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、文化、生活 起著舉足輕重的作用。畜牧業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中占有重要地位。目前，我國畜牧業(yè)機(jī)械在國際市場上的競爭力還處于較低水平，加快發(fā)展畜牧業(yè)機(jī)械水平，不僅為牧民創(chuàng)造了便利，更是我國提高機(jī)械化水平的需要[1]。內(nèi)蒙古自治區(qū)有著天然的草原牧場，面積較大；但草原畜牧業(yè)并沒有擺脫靠天養(yǎng)畜的落后局面，牧民對牧草的收集有著環(huán)境的局限性，且不能大量地收回。我國的牧草機(jī)械主要有收割、摟草、打捆、壓垛及二次加壓打包作業(yè)工藝系統(tǒng)等，牧民不能根據(jù)自己草場情況選擇合適的機(jī)具，使得收獲效益并不高。近年來，隨著草原環(huán)境改變，牧草單位產(chǎn)量并不樂觀，加之牧民擁有的專業(yè)機(jī)械較少，使牧草的收集、處理產(chǎn)生了一定的困難[2]。為此，根據(jù)草場的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了針對草原牧場作業(yè)的單刀割摟一體機(jī)，并對割摟機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，使其能夠?qū)崿F(xiàn)高效率作業(yè)，同時(shí)降低成本，使割摟機(jī)能夠走進(jìn)每一戶牧民家里，高效地為牧民服務(wù)。

1工作原理

單刀割摟一體機(jī)主要用于牧草的收割、翻曬、并鋪及攤鋪等處理，以加快牧草的干燥，如圖1所示。割摟機(jī)通過牽引架由拖拉機(jī)帶動作業(yè)。摟草時(shí)，放下?lián)X經(jīng)油缸與地面持平，使之既不摟破草皮又能摟起草；與此同時(shí)，經(jīng)割刀提升架構(gòu)作用于割刀，放置于割草的適當(dāng)位置等待割摟草作業(yè)；機(jī)器運(yùn)行時(shí)行走輪動作，通過輪軸帶動升降機(jī)構(gòu)中的棘輪與凸輪傳遞到連桿，從而使摟齒機(jī)架實(shí)現(xiàn)往復(fù)摟草動作；摟草動作結(jié)束后,上舉割刀和摟齒使油缸卸載，此時(shí)機(jī)器處于空載，正常行駛。

1.牽引架　2.割刀提升機(jī)構(gòu)　3. 割刀底座

2主要部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

功能上：①漏割區(qū)小，摟集的牧草干凈；②保證摟集起來的草條清潔，且草條中的陳腐草和泥土等雜物少[3-4]；③摟集起的草條連續(xù)、蓬松、均勻干燥；④割摟機(jī)對牧草的作用強(qiáng)度小。結(jié)構(gòu)上：整機(jī)簡單緊湊，單位摟幅占地小，割刀啟動時(shí)慣性力作用小。在動力特性上，整機(jī)重心接近地輪軸中心，無論作業(yè)還是運(yùn)輸在縱向和橫向都達(dá)到了穩(wěn)定。摟草機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1　液壓升降式摟草機(jī)主要參數(shù)

2.2　切割器梁

切割器梁是刀具的重要組成部件，其強(qiáng)度決定了割草效率和機(jī)器整體強(qiáng)度。因其有較長的懸臂梁，故靠近內(nèi)壁處所受扭矩最大。根據(jù)等強(qiáng)度原則，梁所受彎矩為

M=W·σ

式中W—材料抗彎截面模量；

σ—截面應(yīng)力，滿足σ≤[σ]。

刀端面與地面摩擦力引起彎矩為

MF=F(L-x)

式中F—刀端面與地面摩擦力；

L—切割器梁長度。

牧草阻力引起的彎矩為

式中q—單位切割器長度的牧草阻力。

故切割梁所受合成彎矩為

已知刀端面與地面壓力為120N，牧草在切割器上的單位阻力為38N/mm，切割器長度為2.1m。通過考慮機(jī)器的工藝性及經(jīng)濟(jì)性，選用20mm的鋼板進(jìn)行加工，在保證機(jī)器質(zhì)量的同時(shí)，降低了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

2.3　彈齒

2.3.1彈齒設(shè)計(jì)

采用螺線型彈齒進(jìn)行作業(yè)，其曲率半徑從下至上逐漸減小，利于形成松散的齒條，使之透氣性好，便于干燥。齒端較小的曲率半徑，降低了草條上升阻力，利于摟草時(shí)草條的上升[5-6]。

2.3.2彈齒摟草分析

彈齒是單刀割摟一體機(jī)的主要工作部件，α角的確定，直接影響牧草的收集。為了實(shí)現(xiàn)摟草器卷草而非拖草，形成松散的草條，首先對彈齒進(jìn)行受力分析，如圖2所示。當(dāng)機(jī)器前進(jìn)時(shí)，不考慮草條的壓縮變形，認(rèn)為草條以相同速度沿彈齒表面上升。

dα-干草顆粒與彈齒摩擦力； dm-摟草阻力；

由受力分析可知

dc=dn

由曲線分析可知:草條的初始上升角α應(yīng)為20°，太小或太大草皮都不易上升；當(dāng)α為20°～90°時(shí)，彈齒的曲率半徑應(yīng)較大，從而提高草條的滾落點(diǎn)；當(dāng)α<90°時(shí)，dc與dn的方向是相同的，草條伏貼于彈齒的曲面上，受到后續(xù)的草條推動而上升；當(dāng)α>90°以后，彈齒的曲率半徑應(yīng)減小，使草條上升極限角增大，從而便于形成草卷；當(dāng)α>90°時(shí)，dc與dn的方向相反，隨著角度的不斷增大，直到dc=dn時(shí)，草皮不再伏貼于彈齒曲面上開始滾落，從而形成草卷。

圖3　草條上升影響曲線

3牧草收集條件試驗(yàn)分析

3.1　試驗(yàn)基地與設(shè)備

本試驗(yàn)2015年8月中旬于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市哈克鎮(zhèn)牧場進(jìn)行。鑒于呼倫貝爾特殊的環(huán)境氣候及牧草生長的限制性條件，此時(shí)牧草較為稀疏，陽光充足，便于牧草的割摟。

使用的動力設(shè)備是配套功率為26kW的約翰迪爾350拖拉機(jī)，動力輸出轉(zhuǎn)速為540r/min和720r/min，行駛速度為2.04～28.3km/h。試驗(yàn)所使用的儀器有：50m的卷尺、游標(biāo)卡尺、角度尺、草含水量檢測儀、風(fēng)速儀、土壤硬度計(jì)、土壤濕度計(jì)、攝像機(jī)、照相機(jī)和其他輔助儀器等。試驗(yàn)前對液壓升降式摟草機(jī)進(jìn)行了運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)試，使其達(dá)到了最佳工作狀態(tài)。

3.2　彈齒端部運(yùn)動軌跡

根據(jù)現(xiàn)場摟草拍攝處理，經(jīng)影像處理分析，結(jié)合《農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊》彈齒運(yùn)動軌跡圖得到如圖4彈齒端部的運(yùn)動軌跡[7]。

S1-彈齒上升到最高點(diǎn)機(jī)器的前進(jìn)距離；S2-彈齒從最高點(diǎn)開始下落到下一上升點(diǎn)開始處機(jī)器前進(jìn)的距離。

圖4彈齒端部運(yùn)動軌跡

Fig.4Tine ends trajectory

由圖4可知：彈齒端部要盡量靠近牧草草攤的邊緣，不碰亂草條，為有效提高摟草效率，不摟草段S2的距離盡可能達(dá)到最小。當(dāng)彈齒頂部升起高度為420～480mm、機(jī)器前進(jìn)速度為110～125m/min時(shí)，達(dá)到最大工作效率。

3.3　漏摟草率

在試驗(yàn)過程中，分別排列相等質(zhì)量、同一批次10行10m長的草鋪，經(jīng)摟草機(jī)作業(yè)后，分別稱重剩余草條的質(zhì)量進(jìn)行記錄。在試驗(yàn)過程中，分別排列相等重量同一批次10行10m長的草鋪，經(jīng)摟草機(jī)作業(yè)后，分別稱重剩余草條的質(zhì)量進(jìn)行記錄，則有

式中n0—1m2內(nèi)平均漏摟牧草的質(zhì)量(kg/m2)；

n1—各行10m內(nèi)漏摟牧草質(zhì)量之和(kg)；

N—所測行數(shù)；

B—摟草機(jī)的平均摟幅(m)；

S—漏草率(%)。

通過以上計(jì)算式計(jì)算可得：單刀割摟一體機(jī)的漏摟率為1.8%，符合國家小于等于2%的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，說明彈齒的設(shè)計(jì)正確合理。

3.4　花葉損失率

本試驗(yàn)選擇呼倫貝爾天然牧場的黃花苜蓿作為試驗(yàn)對象。其屬于多年生草本豆科類植物，根粗壯，總狀花序密集。

試驗(yàn)前期在牧場試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行牧草采集，采取田間區(qū)劃的方式取牧草采集點(diǎn)，每個(gè)小區(qū)的面積為10m2(5m×2m)。在每個(gè)小區(qū)取約20g的牧草，并進(jìn)行稱重；然后對取樣牧草進(jìn)行干燥處理，再次進(jìn)行稱重，然后計(jì)算摟草前牧草的含水率，則

式中M0—干燥前取樣牧草的質(zhì)量(g)；

M1—干燥后取樣牧草的質(zhì)量(g)。

在試驗(yàn)區(qū)均勻分布10點(diǎn)，在每點(diǎn)上采集牧草20棵，將莖與花葉分離并進(jìn)行干燥處理，分別進(jìn)行稱重，計(jì)算摟前牧草的葉草比，有為

式中Mn—干燥后花葉部分的質(zhì)量(g)；

Mp—干燥后莖干部分的質(zhì)量(g)。

在每行草條鋪上等距取5個(gè)點(diǎn)，均需按隨機(jī)分布共取50顆牧草，同摟草前牧草的葉草比測定方式進(jìn)行摟后牧草的葉草比測定，花葉損失率為

由此得出花葉損失率測定結(jié)果如表2所示。

表2　花葉損失測定結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：單刀割摟一體機(jī)作業(yè)時(shí)，其彈齒對牧草作用強(qiáng)度小，花葉損失率小。這說明，機(jī)具的設(shè)計(jì)合理，拖拉機(jī)的選用速度正確。

4結(jié)論

9GLGA-2.1單刀割摟一體機(jī)解決了草原機(jī)械升降靠輪軸行走來帶動，在機(jī)器不行走時(shí)摟齒不能升降、無法靜止卸載的弱點(diǎn)，以及空載無負(fù)荷行駛時(shí)還與摟齒連動問題，其漏摟草率、花葉損失率符合國家標(biāo)準(zhǔn)，顯著提高了牧草收獲的效果。該機(jī)器經(jīng)試驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)合理，降低了人工勞動強(qiáng)度，提高了摟草效率，非常適合于低產(chǎn)量的天然牧場，且經(jīng)濟(jì)價(jià)格適中，非常受廣大牧民的喜愛。

參考文獻(xiàn)：

[1]翟改霞.水平旋轉(zhuǎn)摟草機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(7)：172.

[2]王國躍.國內(nèi)外畜牧業(yè)機(jī)械化發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(5):233-235,239.

[3]羅金海.牽引式V形折疊摟草翻曬機(jī)設(shè)計(jì)與試[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014(11)：45.

[4]齊德山.國內(nèi)外畜牧機(jī)械化發(fā)展概況及對我省發(fā)展畜牧機(jī)械化的幾點(diǎn)看法[J].農(nóng)機(jī)化研究,1986(3)：5-14.

[5]中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[K].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)社，2007.

[6]機(jī)械工業(yè)和信息化委員會.JB/T9701.1-2010機(jī)引橫向摟草機(jī)：型式與基本數(shù)[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[7]工業(yè)和信息化部.JB/T9701.2-2010機(jī)引橫向摟草機(jī)：技術(shù)條件[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

9GLGA-2.1 Single Knife Hug Machine Design and Test

Li Pu1, Zhang Yun1, Liu Zhongshe2, Liu Lijuan2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Inner Monggolia Agricultural University,Hohhot 010018,China; 2.MengTuo Technology Co.Ltd.,Hulunbeier 021000, China)

Abstract：Briefly 9GLGA-2.1 single knife hug one machine works, and the cutter beams moment analysis, collection of grass strips do stress analysis, trajectory bomb teeth and leak rate test analysis hug. Experimental studies have shown that cutting hug machine for low production of natural pasture, the parameters have reached the mechanical requirements, simple operation, effectively reducing the leakage grass and leaf loss collection rate.

Key words：single knife hug one machine; cutter beam; tine

中圖分類號：S817.11+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0101-04

作者簡介：李普(1990-),女，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，(E-mail) lipu6265@126.com。通訊作者：張?jiān)?1958-)，男，呼和浩特人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhangyund1958@163.com。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)創(chuàng)新引導(dǎo)項(xiàng)目(2015-07)；2014年度裝備制造業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金農(nóng)牧業(yè)機(jī)械技術(shù)改造項(xiàng)目(海經(jīng)信備案字[2013]03號)

收稿日期：2015-09-24

專利項(xiàng)目："單刀割摟一體機(jī)"發(fā)明專利(ZL201430491909.2)(RD05，PS06)