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苜蓿壓扁收獲機(jī)的研究
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘 要：苜蓿是一種廉價(jià)、經(jīng)濟(jì)的飼料、被稱為“百草之王”不僅產(chǎn)量高（一年可以收獲三到四次）且草質(zhì)優(yōu)良、具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，是畜牧業(yè)的重要牧草資源。隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，及畜牧業(yè)的發(fā)展牧草種植的面積不斷地加大，牧草收獲機(jī)械獲得了很大的發(fā)展，傳統(tǒng)的苜蓿收獲是采用園盤式或往復(fù)式割草機(jī)，都不帶壓扁裝備，雖然能夠完成收獲作業(yè)，但由于苜蓿脫水干燥時(shí)期長(zhǎng)，蛋白質(zhì)的損失很大，不能保證苜蓿產(chǎn)品的質(zhì)量，因而大力推廣割草壓扁機(jī)收獲苜蓿是十分必要的。
關(guān)鍵詞：苜蓿，收獲，壓扁
0 引言
苜蓿生產(chǎn)作為營(yíng)養(yǎng)體農(nóng)業(yè)的代表，營(yíng)養(yǎng)體質(zhì)量的保持是生產(chǎn)的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外苜蓿生產(chǎn)都十分重視苜蓿的收獲和加工，因?yàn)檫@是苜蓿產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵。
國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀分析
苜蓿生產(chǎn)作為營(yíng)養(yǎng)體農(nóng)業(yè)的代表，營(yíng)養(yǎng)體質(zhì)量的保持是生產(chǎn)的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外苜蓿生產(chǎn)都十分重視苜蓿的收獲和加工，因?yàn)檫@是苜蓿產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵。
牧草體系在“十二五”啟動(dòng)之后，即把農(nóng)戶用的小型苜蓿收割壓扁機(jī)的研制列為首要任務(wù)。任務(wù)書簽訂后，2011年6月國(guó)家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系首席科學(xué)家張英俊教授率領(lǐng)機(jī)械設(shè)備研究室崗位科學(xué)家王德成教授及團(tuán)隊(duì)成員專程赴石家莊鑫農(nóng)機(jī)械有限公司，探討體系與公司合作共同研發(fā)適合我國(guó)西北丘陵山地和華北黃淮海小農(nóng)戶苜蓿刈割壓扁機(jī)，經(jīng)過(guò)王德成教授及團(tuán)隊(duì)成員與石家莊鑫農(nóng)機(jī)械有限公司3個(gè)多月的聯(lián)合研制攻關(guān)，機(jī)型總長(zhǎng)2.8m、總寬1.3m、割幅1.2m、工作速度達(dá)4.5-14km/h、作業(yè)效率達(dá)8-15畝/h的小型自走式苜收割收獲機(jī)于2011年10月研制成功，該機(jī)械采用雙圓盤刈割串聯(lián)雙橡膠輥壓扁的技術(shù)工藝，能夠一次完成紫花苜蓿的收割、壓裂莖稈和鋪放草條的作業(yè)工序。
國(guó)家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系滄州綜合試驗(yàn)站示范縣河北黃驊市孟莊進(jìn)行了性能評(píng)定試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，收割壓扁收獲的紫花苜蓿水分散失速率為1.92(%/h)、達(dá)到適時(shí)打捆的安全水分時(shí)粗蛋白含量可保持在21.85%，而收割非壓扁收獲的對(duì)照組紫花苜蓿水分散失速率則為1.03(%/h)、達(dá)到適時(shí)打捆的安全水分時(shí)粗蛋白含量下降為18.37%。收割壓扁收獲苜蓿干燥時(shí)間由2-3天減少到30小時(shí)，粗蛋白含量減少損失3個(gè)百分點(diǎn)。標(biāo)志之一，我國(guó)已定型的牧草機(jī)械大部分屬國(guó)外20世紀(jì)80年代以前后技術(shù)水平，30多年來(lái)基本沒什么改進(jìn)。造成牧機(jī)產(chǎn)品技術(shù)水平低的原因是多方面的，但生產(chǎn)制造工藝水平低是個(gè)關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在牧機(jī)企業(yè)工藝技術(shù)裝備落后、老化，生產(chǎn)設(shè)備大多是20世紀(jì)80年代以前的設(shè)備；科研投入不足，開發(fā)能力差，使得產(chǎn)品更新?lián)Q代緩慢，也是造成牧草機(jī)械技術(shù)水平低的重要因素。 20世紀(jì)90年代，我國(guó)牧草機(jī)械市場(chǎng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)，1999年銷售牧草收獲機(jī)械2.56萬(wàn)臺(tái)，比上年增長(zhǎng)173%。牧機(jī)產(chǎn)品出現(xiàn)暢銷勢(shì)頭的主要原因：一是國(guó)內(nèi)草原生態(tài)建設(shè)和退耕還草發(fā)展加快，二是國(guó)家和地方大力發(fā)展草業(yè)畜牧業(yè)和節(jié)糧型畜牧業(yè)投資加大。
國(guó)外牧草機(jī)械已有100多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了從使用以畜力作為動(dòng)力到與拖拉機(jī)動(dòng)力配套，從單項(xiàng)作業(yè)機(jī)具到成套機(jī)具，從分段作業(yè)機(jī)具到聯(lián)合作業(yè)機(jī)具等 發(fā)展過(guò)程。20世紀(jì)60年代是歐美各國(guó)牧草機(jī)械發(fā)展的高峰時(shí)期，期間完成了由畜力機(jī)械和割、摟草等基本作業(yè)機(jī)具向與動(dòng)力機(jī)械配套的更新?lián)Q代。新型的割、摟 機(jī)具和各類聯(lián)合作業(yè)機(jī)具及成形機(jī)具相繼研制成功并迅速推廣。機(jī)具的保有量迅速上升的美國(guó)，牧草撿拾壓捆機(jī)保有量達(dá)70萬(wàn)臺(tái)。20世紀(jì)70年代以來(lái)，部分服 役機(jī)具趨于飽和，產(chǎn)量和保有量保持穩(wěn)定或略有下降，各公司致力于開發(fā)新產(chǎn)品，改進(jìn)原有產(chǎn)品的性能，以保持競(jìng)爭(zhēng)能力。前蘇聯(lián)牧草機(jī)械發(fā)展較慢，產(chǎn)品以老式的 割、摟、集、垛、運(yùn)收獲工藝的配套機(jī)具為主。機(jī)型比較落后，到20世紀(jì)70年代末才完成了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。
目前，歐美各國(guó)幾乎所有的農(nóng)機(jī)公司都生產(chǎn)牧草機(jī)械。產(chǎn)品品種齊全，系列完整，能滿足各種收獲條件下全面機(jī)械化的需要。但機(jī)具主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能指標(biāo)至今沒有大的變化，只是在操作舒適和電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用等方面有所改進(jìn)。
苜蓿壓扁收獲機(jī)性能的要求
(1)為滿足紫花苜蓿的收獲要求，所設(shè)計(jì)的割草壓扁機(jī)應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：
由于牧草稠密多汁并需要低割，因此，切割速度要快。
(2)為提高牧草收獲量，割茬高度適當(dāng)。要求盡量降低割茬高度，因此，切割器應(yīng)接近地面，并能很好適應(yīng)地形。
(3)壓輥壓力適中。對(duì)苜蓿來(lái)說(shuō)，一般情況是90％的莖桿被壓扁，葉片不破損。壓輥壓力過(guò)大，除增大功率消耗和加快零件的磨損外還會(huì)導(dǎo)致葉子干燥過(guò)快，從而造成苜蓿營(yíng)養(yǎng)損失。
(4)牧草收獲機(jī)械工作條件惡劣，刃口應(yīng)具有自磨性能(采用齒紋刃)，刀具應(yīng)具有保護(hù)裝置(護(hù)刃器)。還應(yīng)具有靈活的起落機(jī)構(gòu)，以便遇到障礙物時(shí)，能將切割器升起。
(5) 割下來(lái)的牧草能集堆、成行鋪放于地面，且厚度應(yīng)適當(dāng)，易于干燥。盡可能減少機(jī)器對(duì)牧草的打擊和翻動(dòng)，以降低牧草的收獲損失。
(6)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)。
1 牧草收獲機(jī)械的性能的要求
1.1總體設(shè)計(jì)
經(jīng)過(guò)多次的討論和研究，確定苜蓿壓扁收獲機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳送系統(tǒng)、控制機(jī)構(gòu)以及刀頭裝置等。
機(jī)械裝備示意圖1：
圖1-1：苜蓿壓扁收獲機(jī)裝配簡(jiǎn)圖
1.鋼絲繩 2.后滑輪 3.B型三角帶 4.提升機(jī)構(gòu)組合 5.割草壓扁機(jī)
工作原理是：割草壓扁機(jī)結(jié)合動(dòng)力時(shí)，通過(guò)減速器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)撥禾輪、切割器以及壓扁輥轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)，分禾器先將收割與不割的牧草分開，然后撥禾輪將要割的牧草撥入割臺(tái)，同時(shí)將切割器割下的牧草通過(guò)導(dǎo)草板推入壓輥．被壓扁的牧草在束草裝置的束縛下形成一定形狀的草條鋪放于四輪車的車輪中間，完成收獲的全過(guò)程。
研究目標(biāo)為割茬低，鋪放質(zhì)量好，功率消耗低，工作平穩(wěn)，作業(yè)速度快，易于調(diào)整維修，能即時(shí)收獲，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，整機(jī)生產(chǎn)效率高。
2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)
2.1立式收割臺(tái)設(shè)計(jì)
割臺(tái)是苜蓿壓扁收獲機(jī)的重要組成部分，是機(jī)器的核心部件之一。本割臺(tái)采用立式，具有以下功能：苜蓿切斷、輸送，壓扁，給輸送裝置輸入動(dòng)力，給輸送裝置、壓扁裝置提供安裝平臺(tái)。
立式割臺(tái)主要部件包括切割器、分禾撥禾器、壓扁輥，輸送器，提升裝置。
2.2苜蓿壓扁收獲機(jī)撥禾裝置的設(shè)計(jì)
收割機(jī)上的撥禾裝置常采用撥禾輪，撥禾輪有普通撥禾輪和偏心撥禾輪兩類。
偏心撥禾輪結(jié)構(gòu)
撥禾輪的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。
按結(jié)構(gòu)的不同，有普通式和偏心式。
苜蓿的莖干汁液稠密，一般使用偏心撥禾輪。
圖2-1：偏心撥禾輪工作原理圖
1.軸管 2.副輻條 3.偏心輻盤 4.輻盤 5.主輻條
偏心撥禾輪結(jié)構(gòu)及工作原理
偏心撥禾輪的組成：1.管軸2.劇輻條3．偏心輻盤4.輻盤5．主輻條有軸孔。撥禾輪工作是，彈齒隨機(jī)器前進(jìn)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又繞撥禾輪軸座回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此撥禾輪彈齒相對(duì)地面生長(zhǎng)的作物是兩種暈的的合成。為了使彈齒進(jìn)入禾從后面對(duì)作物有后撥的作用，運(yùn)動(dòng)絕對(duì)速度應(yīng)該向后，即撥禾輪彈齒的圓周速度大于機(jī)器前進(jìn)的速度，運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為余擺線。撥禾輪回轉(zhuǎn)的圓周速度與機(jī)器前進(jìn)速度的比值為。當(dāng)機(jī)器作業(yè)時(shí)，即能保持平移的彈齒插入作物，扶持適量的莖干，同時(shí)切斷莖干以避免對(duì)作物的打擊和回帶作用。
同時(shí),撥齒的方向始終是垂直插入草中，水平將草撥向后方，通過(guò)旋轉(zhuǎn)將牧草撥入切割器割斷，并將已割苜蓿推向壓扁輥。
2.3撥禾板的運(yùn)動(dòng)分析
撥禾板是撥禾輪的主要工作部件，撥禾輪工作時(shí)，撥板隨機(jī)器前進(jìn)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又繞撥禾軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此撥禾輪撥板相對(duì)地面生長(zhǎng)的作物是這兩種運(yùn)動(dòng)的合成。為了使撥板進(jìn)入禾叢后對(duì)谷物有向后撥送作用，運(yùn)動(dòng)絕對(duì)速度應(yīng)向后，即撥禾輪撥齒的圓周線速度大于機(jī)器的前進(jìn)速度，其運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線。撥禾輪回轉(zhuǎn)的圓周速度與機(jī)器前進(jìn)速度之比為撥禾速比，用A表示。其線環(huán)寬度因A值大小而改變：^值越大，撥板引導(dǎo)和扶持作物的功能越強(qiáng)，割臺(tái)切割作物量越大.其線環(huán)越寬，但A值太大，則撥齒和撥板撥禾時(shí)打擊作物力量過(guò),
增加了收割臺(tái)的損失。若A=1時(shí)，則線環(huán)寬度為零，這時(shí)撥禾板不能起撥禾作用。撥禾板軌跡可用方程表示(圖3．3)，設(shè)以撥禾輪軸心0I對(duì)地面的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)0，以地面線沿前進(jìn)方向?yàn)閤軸，以過(guò)原點(diǎn)向上垂線為Y軸建立直角坐標(biāo)系。并令撥板由水平位置開始逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，
則壓板端點(diǎn)的坐標(biāo)方程為
R——撥禾輪半徑，305mm
k——機(jī)器前進(jìn)速度，2．15-4．16m／s
∞——撥禾輪角速度，14．95rad／s
H——撥禾輪安裝高度，564mm
h——割茬高度，80mm。
故，帶入(1)式得壓板端點(diǎn)隨的運(yùn)動(dòng)方程如下
取上式對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，得到撥板水平分速度及豎直分速度隨撥板水平轉(zhuǎn)過(guò)的
時(shí)間的方程式
撥禾輪對(duì)牧草的作用
(1)撥齒的入禾角和撥禾輪高度分析為了減少撥齒對(duì)牧草的碰擊，以減少擊落損失，要求撥禾輪撥齒開始接觸作物時(shí)，其絕對(duì)速度垂直向下，也就是說(shuō)撥齒進(jìn)入禾叢時(shí)其水平分速
度應(yīng)為零()，
即
由此得出撥禾輪安裝高度公式
Y為牧草的自然高度L
由此
式中 R--撥禾輪的半徑，305mm
L--作物高度（500-600mm）
H--割茬高度，80mm
所以撥禾輪的高度安裝位565--650mm通過(guò)改變調(diào)節(jié)桿在撥禾輪架上的位置來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
撥禾輪直徑的確定
撥禾輪直徑，系根據(jù)撥板進(jìn)入禾叢時(shí)其水平分速度為零及支持切割時(shí)撥板作用在禾桿重心稍上方的兩個(gè)條件而確定。
從圖3．7可以看出下列關(guān)系式
式中:R一撥禾輪半徑
L一作物高度(500—600mm)
h一割茬高度(80mm)
因此:
式中：D--撥禾輪直徑 --速度比
當(dāng)=Vb/Vm =2.11代入上式得
將L的最大值取600mm代入上式撥禾輪的最大直徑D=600mm
因偏心撥禾輪的撥齒較長(zhǎng)(一般為200ram)，起到了加大撥禾輪直徑的作用。
因此在直徑選擇上，一般較計(jì)算值為小，故取撥禾輪直徑為605mm。
2.4往復(fù)式式切割器的設(shè)計(jì)
往復(fù)式切割器是聯(lián)合收割機(jī)使用最廣泛的切割部件，其切割圖是評(píng)價(jià)切割器工作性 能的重要工具，本章就往復(fù)式切割器的構(gòu)造、類型及其結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化以及傳統(tǒng)繪制切割 圖的方法— 描點(diǎn)法作以簡(jiǎn)單介紹，并分析影響往復(fù)式切割器工作性能的主要因素。另外，推導(dǎo)切割器的縱向位移與橫向位移間的關(guān)系式，并指出利用傳統(tǒng)高等數(shù)學(xué)知識(shí)解決面積的計(jì)算問(wèn)題時(shí)，會(huì)因解不出原函數(shù)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
2.5壓扁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
苜蓿植株高30～90公分，主根長(zhǎng)，分枝多，葉子小，莖干粗，葉子易風(fēng)干，從而掉落，所以收獲后我們要解決易風(fēng)干的問(wèn)題，所以機(jī)器部分加入壓扁系統(tǒng)，使收割下來(lái)的苜蓿使其莖干部分壓扁，使汁液暴漏出來(lái)，加快水分蒸發(fā)。
2.6壓扁機(jī)構(gòu)的確定
壓扁機(jī)構(gòu)應(yīng)該安裝在收割臺(tái)的下方，其組成部分為兩個(gè)水平，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的人字橡膠輥組成，上壓草輥安裝在擺動(dòng)梁上，擺動(dòng)量一段用鉸鏈固定，一段用彈簧拉緊，下壓輥用可調(diào)節(jié)滑塊機(jī)構(gòu)，使滑塊在導(dǎo)軌內(nèi)上下滑動(dòng)根據(jù)進(jìn)草量自動(dòng)調(diào)節(jié)間隙，兩輥之間的距離間隙約為2mm。
3 結(jié)論
飼草業(yè)具有巨大的生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，越來(lái)越引起國(guó)家和地方的重視，但飼草量不足，質(zhì)量不高，主要原因是牧草收割機(jī)數(shù)量少，種類缺，價(jià)格比較高，收割費(fèi)用遲遲降不下來(lái)，手工作業(yè)占很大比重，這制約了我國(guó)牧草業(yè)的發(fā)展。我國(guó)割草壓扁機(jī)大多模仿外國(guó)產(chǎn)品丌發(fā)研制的，工作性能不穩(wěn)，和國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)不配套；或者從國(guó)外直接進(jìn)El外國(guó)產(chǎn)品，有些功能開發(fā)不出來(lái)，浪費(fèi)了能源，這些都不適宜我國(guó)國(guó)情，我們國(guó)家農(nóng)牧民急缺小而靈活的適合家用的小型牧草收獲機(jī)械，基于這一點(diǎn)，在現(xiàn)有機(jī)具的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)中外文獻(xiàn)資料的查閱和收集和對(duì)部分國(guó)內(nèi)外牧草收獲機(jī)械的調(diào)研，根據(jù)農(nóng)牧民的實(shí)際需要，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了與中型拖拉機(jī)配套使用前置割草壓扁機(jī)，
得出以下結(jié)論：
(1)設(shè)計(jì)前置割草壓扁機(jī)該機(jī)與20馬力拖拉機(jī)配套使用，幅寬1．66米，整機(jī)體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，可一次性完成撥禾、切割、壓扁鋪
條等復(fù)式作業(yè)。集合了割草機(jī)，壓扁機(jī)和摟草機(jī)的功能，簡(jiǎn)化了機(jī)器結(jié)構(gòu)，大大
減少相應(yīng)的作業(yè)費(fèi)用、能量消耗以及縮短青貯飼料所需的時(shí)間，對(duì)草地?zé)o任何負(fù)
作用，提高收獲效率，適用于中小型牧草場(chǎng)。
(2)采用偏心撥禾輪，將牧草垂直撥入割臺(tái)，并及時(shí)推向壓扁輥，減少了牧
草損失：
(3)采用人字型橡膠壓扁輥，上下壓輥中心線與垂直方向夾角25，既可將牧
草壓扁，又具有將牧草鉗入的功能。
(4)壓扁后的苜蓿出壓扁輥，由束草裝置平鋪。
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