青飼料收獲機(jī)自動磨刀裝置及弧形彎刀設(shè)計(jì)

滕紹民， 華榮江， 蘭 寧， 赫志飛， 王 楠， 郭 勇

（1. 中機(jī)美諾科技股份有限公司，北京 100083； 2. 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會，北京 100083）

0 引言

青飼料收獲機(jī)作為一種飼料作物收獲機(jī)械，為畜牧業(yè)發(fā)展提供了高效生產(chǎn)機(jī)具。青貯飼料收獲季節(jié)較短，過早、過晚收獲都會造成飼料營養(yǎng)損失，對青飼料收獲機(jī)的工作性能和作業(yè)效率提出了更高要求[1]。青飼料收獲機(jī)的工作質(zhì)量和效率直接影響青貯飼料的質(zhì)量和產(chǎn)量，提高青貯飼料機(jī)械化收獲技術(shù)水平成為迫切需要解決的問題[2]。

農(nóng)機(jī)具大多是露天作業(yè)，零部件經(jīng)常與土壤、砂石、作物秸稈及根塊等接觸，銹蝕和磨損比較嚴(yán)重[3]。青飼切碎機(jī)（一種主要的秸稈青貯設(shè)備）的主要工作部件動刀片，在切割過程中受秸稈組織里的氧化硅晶體、表面吸附的石英微粒及帶入的沙石的作用，磨損非常嚴(yán)重，是易損件，幾乎需要每天或半天就拆卸、磨銳和調(diào)整一次，既浪費(fèi)時(shí)間，又不安全，尤其是在秸稈青貯季節(jié)，動刀片鋒利與否直接影響到青貯的效率和質(zhì)量，關(guān)系到工人的勞動強(qiáng)度和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益[4]。刀具自身材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝參數(shù)直接影響切割效率和切割質(zhì)量。刀具材料影響刀具與秸稈的接觸情況，從而影響切割效率，同時(shí)也影響刀具的使用壽命。刀具切割青飼料秸稈性能的好壞取決于刀具切割部位的材料[5]。

現(xiàn)在市面上的青飼料收獲機(jī)一般都具有磨刀裝置，但大多是手動操作。每次更換或磨刀必須停機(jī)，如果現(xiàn)場磨刀，則需要延長停機(jī)時(shí)間，增加了工人的勞動強(qiáng)度，增大投入成本。這種模式已經(jīng)不能滿足廣大用戶的需求。

針對上述問題，研究設(shè)計(jì)了一種青飼料收獲機(jī)的弧形彎刀及電控磨刀裝置，根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，方便、快捷地實(shí)現(xiàn)磨刀，縮短青貯飼料收獲過程中的磨刀時(shí)間。裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，流程安全可靠，能較大程度地提高青飼料收獲機(jī)的作業(yè)效率[6]。

1 青飼料收獲機(jī)切碎器研究現(xiàn)狀

目前，我國大中型農(nóng)場使用的主要為不分行收割的自走式青飼料收獲機(jī)。結(jié)構(gòu)包括割臺、喂人裝置、切碎裝置、拋送裝置、發(fā)動機(jī)、底盤、駕駛室、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等[7]。

青貯飼料切碎是青飼料收獲機(jī)作業(yè)過程中必不可少的加工過程。目前國內(nèi)外對青飼料收獲機(jī)研究仍以加大功率為主流，但在功率不斷加大的過程中，其切碎刀片基本上沒有大的變化，因此出現(xiàn)了機(jī)型越先進(jìn)，功率越大，而刀片磨損越嚴(yán)重的局面。刀片的這種磨損情況已成為我國青飼料收獲機(jī)生產(chǎn)廠必需面臨的重大問題[4]。

常見的切碎器主要分為兩種：一種是盤刀式切碎器，如圖1 所示；另一種是滾筒式切碎器，如圖2 所示。兩種切碎器各有優(yōu)缺點(diǎn)[8]。盤刀式切碎滾筒主要缺陷是傳動復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不緊湊，圓盤剛度較差，切割過程中滑切角變化幅度較大，進(jìn)而導(dǎo)致切割阻力急劇變化，刀軸負(fù)荷不均勻，回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差，使切割質(zhì)量降低。相比盤刀式切碎滾筒，滾筒式切碎器生產(chǎn)率高，滾筒式切碎器有弧形刀滾筒式和平板刀滾筒式，弧形刀滾筒式切碎器的動刀屬于等滑切角切刀，它具有工作負(fù)荷均勻、機(jī)器振動小的顯著特點(diǎn)，滾筒在較低轉(zhuǎn)速時(shí)，仍可獲得較短的切段。雖然弧形刀片的制造難度大，但經(jīng)過多次技術(shù)研究試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的新型弧形彎刀更利于磨刀機(jī)構(gòu)磨刀，因此，在弧形彎刀的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上研究了一種全新的自動磨刀裝置。

圖1 盤刀式切碎器Fig. 1 Disc knife type shredding drum

圖2 滾筒式切碎器Fig. 2 Drum shredding drum

2 自動磨刀裝置設(shè)計(jì)

2.1 自動磨刀裝置結(jié)構(gòu)

青飼料收獲機(jī)的自動磨刀裝置主要由主機(jī)架、磨刀裝置、磨刀驅(qū)動裝置、護(hù)罩及拆卸裝置組成，如圖3 所示。磨刀裝置設(shè)置于主機(jī)架上、切碎刀輥的上方，并可沿主機(jī)架橫向移動；磨刀驅(qū)動裝置設(shè)置于磨刀裝置后方，其包括分別設(shè)置于主機(jī)架左、右兩側(cè)并與主機(jī)架固定連接的左側(cè)進(jìn)油桿和右側(cè)進(jìn)油桿，及與左側(cè)進(jìn)油桿和右側(cè)進(jìn)油桿連接并可沿二者橫向移動的移動缸體；主機(jī)架右側(cè)的架體上固定連接有限位傳感器，磨刀裝置向右側(cè)移動觸碰限位傳感器后即可判定其到達(dá)非工作安全位置；主機(jī)架的左側(cè)設(shè)置有開啟傳感器，開啟油缸控制護(hù)罩打開后將觸碰開啟傳感器，從而判定其開啟到磨刀模式的工作狀態(tài)，磨刀裝置可以進(jìn)行磨刀作業(yè)。

圖3 自動磨刀裝置Fig. 3 Automatic knife sharpening device

2.2 自動磨刀裝置工作流程

當(dāng)青飼料收獲機(jī)作業(yè)一段時(shí)間后，切碎滾筒動刀變鈍，需要停止作業(yè)進(jìn)行磨刀。保持青飼料收獲機(jī)處于怠速狀態(tài)，在操縱面板選定自動磨刀操作，液壓系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，電控磨刀系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，運(yùn)行自動磨刀。執(zhí)行磨刀操作前，負(fù)責(zé)保護(hù)磨刀裝置的蓋板會通過液壓系統(tǒng)打開，蓋板打開到位后，磨刀電磁閥啟動，磨刀左移至限位點(diǎn)后磨刀右移，如此反復(fù)數(shù)次直至完成磨刀，蓋板關(guān)閉。

自動磨刀裝置設(shè)置了保護(hù)裝置，若蓋板未打開，左右限位開關(guān)無法接通，磨刀無法啟動工作，實(shí)現(xiàn)了對磨刀裝置的保護(hù)作用。

3 切碎滾筒的弧形彎刀設(shè)計(jì)

根據(jù)喂入口的寬度、機(jī)體的工作功率、工作幅寬及刀盤工作轉(zhuǎn)速的設(shè)定（1 200 r/min），本次設(shè)計(jì)的動刀選擇弧形刃刀片，考慮到作業(yè)的使用壽命，弧形彎刀片材料采用合金彈簧鋼。使用Dassault Systemes 三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 的插件Simulation，進(jìn)行切碎滾筒弧形彎刀片的靜力學(xué)分析。

3.1 刀片材料選擇

選取條件屈服極限值為1 127 MPa，密度為7.85×103 kg/m3，橫向變形系數(shù)0.29 的合金彈簧鋼作為刀片原材料。

3.2 約束條件

在動刀片螺栓孔的位置添加固定幾何體約束[8]。

3.3 施加載荷

切碎滾筒在切割時(shí)，由于作物長勢不同，切割受力情況較為復(fù)雜。根據(jù)孟海波的理論可知，每根含水率為71%的玉米秸稈切割阻力約為455 N[8]。動刀片長度設(shè)定成380 mm，經(jīng)測量，玉米秸稈直徑約為30 mm。假設(shè)工作瞬間動刀片的切割根數(shù)為13 根，因刀片轉(zhuǎn)速較快，按條目沿邊線對動刀片刃口施加外部載荷力，大小為6 500 N，如圖4 所示。

圖4 加載力Fig. 4 Loading force

3.4 網(wǎng)格劃分

采用的方式為四面體單元劃分法，網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)距選擇6.175 mm、公差0.308 mm，網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 動刀片網(wǎng)格化Fig. 5 Moving blade meshing

3.5 有限元分析

單 擊運(yùn)行“Simulation Command Manager”進(jìn)行運(yùn)行分析， Simulation 算例樹中出現(xiàn)分析現(xiàn)象的結(jié)果。動刀片的靜態(tài)應(yīng)力云圖如圖6 所示，最小應(yīng)力近似為0；最大應(yīng)力出現(xiàn)在刀刃兩側(cè)刀尖處，值為98.94 N/m2，小于材料屈服強(qiáng)度1 127 MPa，刀片符合許用的要求。

圖6 動刀片的靜態(tài)應(yīng)力云圖Fig. 6 Static stress cloud of moving blade

在圖7 中，刀刃的最大應(yīng)力為98.94 MP，處于刀刃端部位置，選取的材料本身屈服應(yīng)力是1 127 MPa，屈服強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需求；最大位移同樣發(fā)生在刀刃端部位置，為0.012 21 mm。在載荷均勻分布的情況下，刀片的最大變形位置是刀刃兩端，屬于微量變形，符合設(shè)計(jì)需要。設(shè)計(jì)切碎滾筒定刀與動刀的刃口距離為0.2～0.3 mm，經(jīng)過有限元分析此設(shè)計(jì)符合安全設(shè)計(jì)，滿足產(chǎn)品作業(yè)要求。

圖7 動刀片位移云圖Fig. 7 Moving blade displacement cloud diagram

動刀片是青飼切碎機(jī)的核心工作部件，也是受力比較復(fù)雜的易損元件，其性能直接影響切碎器的總體性能及壽命，所以動刀片的選擇極為重要。本動刀采用復(fù)雜變角曲線，解決了切段長度不均勻問題，刃口均勻性好，切割省功，降低耗油，增加耐磨層，比普通動刀提高壽命10%以上。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于中機(jī)美諾科技股份有限公司生產(chǎn)的大型青飼料收獲機(jī)，自動磨刀裝置單機(jī)試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 磨刀試驗(yàn)Fig. 8 Automatic tool sharpening test

2018-2020 年青飼料收獲季，配置自動磨刀裝置的青飼料收獲機(jī)分別在內(nèi)蒙古、河北、河南、山東和陜西等地進(jìn)行了3 輪樣機(jī)推廣試驗(yàn)。第1 輪：時(shí)間2018 年7 月15 日至10 月31 日，數(shù)量120 臺。第2 輪：時(shí)間2019 年7 月15 日至10 月31 日，數(shù)量180 臺。第3 輪：時(shí)間2020 年7 月15 日至10 月31 日，數(shù)量265 臺。自動磨刀裝置均工作正常，田間樣機(jī)試驗(yàn)效果如圖9 所示。每臺青飼料收獲機(jī)年收獲量均大于6 000 t，工作中平均減少30%人力磨刀的作業(yè)時(shí)間，提高了工作效率，提升物料切碎質(zhì)量，證明自動磨刀裝置作業(yè)效果顯著。

圖9 自動磨刀樣機(jī)試驗(yàn)Fig. 9 Automatic knife sharpening prototype test

青貯飼料按300 元/t，一年每臺機(jī)器可增收6 000×5%×300/（1-30%）= 12.9 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。自動磨刀操作簡便，運(yùn)行流程順暢，故障率低，可靠性良好，用戶對產(chǎn)品給與了肯定，市場反響良好。

5 結(jié)束語

研究成果對我國秸稈飼料收獲裝備研究提供了較大的科學(xué)價(jià)值。設(shè)計(jì)研發(fā)的青飼料收獲機(jī)自動磨刀裝置優(yōu)化了傳統(tǒng)手動磨刀操作流程，安全可靠，自動化程度高，大大縮短了磨刀時(shí)間，節(jié)省了工時(shí)，提高了青飼料收獲機(jī)的工作效率。弧形彎刀對我國青貯飼料收獲機(jī)及畜牧產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義，促進(jìn)我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的民族農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，縮短與國外產(chǎn)品差距，提升行業(yè)核心競爭力。