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苜蓿壓扁收獲機的研究
（塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300）
摘 要：苜蓿是一種廉價、經(jīng)濟的飼料、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、具有很高的營養(yǎng)價值，是畜牧業(yè)的重要牧草資源。隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構的調(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式割草機，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期長，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收獲苜蓿是十分必要的。
關鍵詞：苜蓿，收獲，壓扁
0 引言
苜蓿生產(chǎn)作為營養(yǎng)體農(nóng)業(yè)的代表，營養(yǎng)體質(zhì)量的保持是生產(chǎn)的關鍵。國內(nèi)外苜蓿生產(chǎn)都十分重視苜蓿的收獲和加工，因為這是苜蓿產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關鍵。
國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析
苜蓿生產(chǎn)作為營養(yǎng)體農(nóng)業(yè)的代表，營養(yǎng)體質(zhì)量的保持是生產(chǎn)的關鍵。國內(nèi)外苜蓿生產(chǎn)都十分重視苜蓿的收獲和加工，因為這是苜蓿產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關鍵。
牧草體系在“十二五”啟動之后，即把農(nóng)戶用的小型苜蓿收割壓扁機的研制列為首要任務。任務書簽訂后，2011年6月國家牧草產(chǎn)業(yè)技術體系首席科學家張英俊教授率領機械設備研究室崗位科學家王德成教授及團隊成員專程赴石家莊鑫農(nóng)機械有限公司，探討體系與公司合作共同研發(fā)適合我國西北丘陵山地和華北黃淮海小農(nóng)戶苜蓿刈割壓扁機，經(jīng)過王德成教授及團隊成員與石家莊鑫農(nóng)機械有限公司3個多月的聯(lián)合研制攻關，機型總長2.8m、總寬1.3m、割幅1.2m、工作速度達4.5-14km/h、作業(yè)效率達8-15畝/h的小型自走式苜收割收獲機于2011年10月研制成功，該機械采用雙圓盤刈割串聯(lián)雙橡膠輥壓扁的技術工藝，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。
國家牧草產(chǎn)業(yè)技術體系滄州綜合試驗站示范縣河北黃驊市孟莊進行了性能評定試驗。經(jīng)測試，收割壓扁收獲的紫花苜蓿水分散失速率為1.92(%/h)、達到適時打捆的安全水分時粗蛋白含量可保持在21.85%，而收割非壓扁收獲的對照組紫花苜蓿水分散失速率則為1.03(%/h)、達到適時打捆的安全水分時粗蛋白含量下降為18.37%。收割壓扁收獲苜蓿干燥時間由2-3天減少到30小時，粗蛋白含量減少損失3個百分點。標志之一，我國已定型的牧草機械大部分屬國外20世紀80年代以前后技術水平，30多年來基本沒什么改進。造成牧機產(chǎn)品技術水平低的原因是多方面的，但生產(chǎn)制造工藝水平低是個關鍵因素?，F(xiàn)在牧機企業(yè)工藝技術裝備落后、老化，生產(chǎn)設備大多是20世紀80年代以前的設備；科研投入不足，開發(fā)能力差，使得產(chǎn)品更新?lián)Q代緩慢，也是造成牧草機械技術水平低的重要因素。 20世紀90年代，我國牧草機械市場出現(xiàn)轉(zhuǎn)機，1999年銷售牧草收獲機械2.56萬臺，比上年增長173%。牧機產(chǎn)品出現(xiàn)暢銷勢頭的主要原因：一是國內(nèi)草原生態(tài)建設和退耕還草發(fā)展加快，二是國家和地方大力發(fā)展草業(yè)畜牧業(yè)和節(jié)糧型畜牧業(yè)投資加大。
國外牧草機械已有100多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了從使用以畜力作為動力到與拖拉機動力配套，從單項作業(yè)機具到成套機具，從分段作業(yè)機具到聯(lián)合作業(yè)機具等 發(fā)展過程。20世紀60年代是歐美各國牧草機械發(fā)展的高峰時期，期間完成了由畜力機械和割、摟草等基本作業(yè)機具向與動力機械配套的更新?lián)Q代。新型的割、摟 機具和各類聯(lián)合作業(yè)機具及成形機具相繼研制成功并迅速推廣。機具的保有量迅速上升的美國，牧草撿拾壓捆機保有量達70萬臺。20世紀70年代以來，部分服 役機具趨于飽和，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，改進原有產(chǎn)品的性能，以保持競爭能力。前蘇聯(lián)牧草機械發(fā)展較慢，產(chǎn)品以老式的 割、摟、集、垛、運收獲工藝的配套機具為主。機型比較落后，到20世紀70年代末才完成了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。
目前，歐美各國幾乎所有的農(nóng)機公司都生產(chǎn)牧草機械。產(chǎn)品品種齊全，系列完整，能滿足各種收獲條件下全面機械化的需要。但機具主要結(jié)構、技術性能指標至今沒有大的變化，只是在操作舒適和電子計算機應用等方面有所改進。
苜蓿壓扁收獲機性能的要求
(1)為滿足紫花苜蓿的收獲要求，所設計的割草壓扁機應滿足以下技術要求：
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。要求盡量降低割茬高度，因此，切割器應接近地面，并能很好適應地形。
(3)壓輥壓力適中。對苜蓿來說，一般情況是90％的莖桿被壓扁，葉片不破損。壓輥壓力過大，除增大功率消耗和加快零件的磨損外還會導致葉子干燥過快，從而造成苜蓿營養(yǎng)損失。
(4)牧草收獲機械工作條件惡劣，刃口應具有自磨性能(采用齒紋刃)，刀具應具有保護裝置(護刃器)。還應具有靈活的起落機構，以便遇到障礙物時，能將切割器升起。
(5) 割下來的牧草能集堆、成行鋪放于地面，且厚度應適當，易于干燥。盡可能減少機器對牧草的打擊和翻動，以降低牧草的收獲損失。
(6)結(jié)構簡單，使用維修方便，技術經(jīng)濟指標先進。
1 牧草收獲機械的性能的要求
1.1總體設計
經(jīng)過多次的討論和研究，確定苜蓿壓扁收獲機的總體結(jié)構，包括動力機構、動力傳送系統(tǒng)、控制機構以及刀頭裝置等。
機械裝備示意圖1：
圖1-1：苜蓿壓扁收獲機裝配簡圖
1.鋼絲繩 2.后滑輪 3.B型三角帶 4.提升機構組合 5.割草壓扁機
工作原理是：割草壓扁機結(jié)合動力時，通過減速器和傳動機構，驅(qū)動撥禾輪、切割器以及壓扁輥轉(zhuǎn)動。隨著拖拉機的前進，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，同時將切割器割下的牧草通過導草板推入壓輥．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，完成收獲的全過程。
研究目標為割茬低，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，能即時收獲，經(jīng)濟、實用，整機生產(chǎn)效率高。
2 關鍵部件設計
2.1立式收割臺設計
割臺是苜蓿壓扁收獲機的重要組成部分，是機器的核心部件之一。本割臺采用立式，具有以下功能：苜蓿切斷、輸送，壓扁，給輸送裝置輸入動力，給輸送裝置、壓扁裝置提供安裝平臺。
立式割臺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苜蓿壓扁收獲機撥禾裝置的設計
收割機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
撥禾輪的結(jié)構簡單、可靠。
按結(jié)構的不同，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，彈齒隨機器前進直線運動，同時又繞撥禾輪軸座回轉(zhuǎn)運動，因此撥禾輪彈齒相對地面生長的作物是兩種暈的的合成。為了使彈齒進入禾從后面對作物有后撥的作用，運動絕對速度應該向后，即撥禾輪彈齒的圓周速度大于機器前進的速度，運動軌跡應為余擺線。撥禾輪回轉(zhuǎn)的圓周速度與機器前進速度的比值為。當機器作業(yè)時，即能保持平移的彈齒插入作物，扶持適量的莖干，同時切斷莖干以避免對作物的打擊和回帶作用。
同時,撥齒的方向始終是垂直插入草中，水平將草撥向后方，通過旋轉(zhuǎn)將牧草撥入切割器割斷，并將已割苜蓿推向壓扁輥。
2.3撥禾板的運動分析
撥禾板是撥禾輪的主要工作部件，撥禾輪工作時，撥板隨機器前進直線運動，同時又繞撥禾軸作回轉(zhuǎn)運動，因此撥禾輪撥板相對地面生長的作物是這兩種運動的合成。為了使撥板進入禾叢后對谷物有向后撥送作用，運動絕對速度應向后，即撥禾輪撥齒的圓周線速度大于機器的前進速度，其運動軌跡為余擺線。撥禾輪回轉(zhuǎn)的圓周速度與機器前進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，撥板引導和扶持作物的功能越強，割臺切割作物量越大.其線環(huán)越寬，但A值太大，則撥齒和撥板撥禾時打擊作物力量過,
增加了收割臺的損失。若A=1時，則線環(huán)寬度為零，這時撥禾板不能起撥禾作用。撥禾板軌跡可用方程表示(圖3．3)，設以撥禾輪軸心0I對地面的投影點為坐標原點0，以地面線沿前進方向為x軸，以過原點向上垂線為Y軸建立直角坐標系。并令撥板由水平位置開始逆時針方向旋轉(zhuǎn)，
則壓板端點的坐標方程為
R——撥禾輪半徑，305mm
k——機器前進速度，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)式得壓板端點隨的運動方程如下
取上式對時間的導數(shù)，得到撥板水平分速度及豎直分速度隨撥板水平轉(zhuǎn)過的
時間的方程式
撥禾輪對牧草的作用
(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，其絕對速度垂直向下，也就是說撥齒進入禾叢時其水平分速
度應為零()，
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通過改變調(diào)節(jié)桿在撥禾輪架上的位置來進行調(diào)整。
撥禾輪直徑的確定
撥禾輪直徑，系根據(jù)撥板進入禾叢時其水平分速度為零及支持切割時撥板作用在禾桿重心稍上方的兩個條件而確定。
從圖3．7可以看出下列關系式
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=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(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，一般較計算值為小，故取撥禾輪直徑為605mm。
2.4往復式式切割器的設計
往復式切割器是聯(lián)合收割機使用最廣泛的切割部件，其切割圖是評價切割器工作性 能的重要工具，本章就往復式切割器的構造、類型及其結(jié)構的標準化以及傳統(tǒng)繪制切割 圖的方法— 描點法作以簡單介紹，并分析影響往復式切割器工作性能的主要因素。另外，推導切割器的縱向位移與橫向位移間的關系式，并指出利用傳統(tǒng)高等數(shù)學知識解決面積的計算問題時，會因解不出原函數(shù)而無法實現(xiàn)。
2.5壓扁機構的設計
苜蓿植株高30～90公分，主根長，分枝多，葉子小，莖干粗，葉子易風干，從而掉落，所以收獲后我們要解決易風干的問題，所以機器部分加入壓扁系統(tǒng)，使收割下來的苜蓿使其莖干部分壓扁，使汁液暴漏出來，加快水分蒸發(fā)。
2.6壓扁機構的確定
壓扁機構應該安裝在收割臺的下方，其組成部分為兩個水平，相對轉(zhuǎn)動的人字橡膠輥組成，上壓草輥安裝在擺動梁上，擺動量一段用鉸鏈固定，一段用彈簧拉緊，下壓輥用可調(diào)節(jié)滑塊機構，使滑塊在導軌內(nèi)上下滑動根據(jù)進草量自動調(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、社會效益和經(jīng)濟效益，越來越引起國家和地方的重視，但飼草量不足，質(zhì)量不高，主要原因是牧草收割機數(shù)量少，種類缺，價格比較高，收割費用遲遲降不下來，手工作業(yè)占很大比重，這制約了我國牧草業(yè)的發(fā)展。我國割草壓扁機大多模仿外國產(chǎn)品丌發(fā)研制的，工作性能不穩(wěn)，和國產(chǎn)拖拉機不配套；或者從國外直接進El外國產(chǎn)品，有些功能開發(fā)不出來，浪費了能源，這些都不適宜我國國情，我們國家農(nóng)牧民急缺小而靈活的適合家用的小型牧草收獲機械，基于這一點，在現(xiàn)有機具的基礎上，通過對中外文獻資料的查閱和收集和對部分國內(nèi)外牧草收獲機械的調(diào)研，根據(jù)農(nóng)牧民的實際需要，運用現(xiàn)代設計方法設計了與中型拖拉機配套使用前置割草壓扁機，
得出以下結(jié)論：
(1)設計前置割草壓扁機該機與20馬力拖拉機配套使用，幅寬1．66米，整機體積小，重量輕，結(jié)構緊湊，操作簡單，可一次性完成撥禾、切割、壓扁鋪
條等復式作業(yè)。集合了割草機，壓扁機和摟草機的功能，簡化了機器結(jié)構，大大
減少相應的作業(yè)費用、能量消耗以及縮短青貯飼料所需的時間，對草地無任何負
作用，提高收獲效率，適用于中小型牧草場。
(2)采用偏心撥禾輪，將牧草垂直撥入割臺，并及時推向壓扁輥，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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