指盤式摟草機的設計與試驗研究

李鳳鳴，馬　賽，張　平，翟改霞，賀　剛，王全喜

(中國農業機械化科學研究院 呼和浩特分院，呼和浩特　010020)

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指盤式摟草機的設計與試驗研究

李鳳鳴，馬賽，張平，翟改霞，賀剛，王全喜

(中國農業機械化科學研究院 呼和浩特分院，呼和浩特010020)

摘要：針對目前我國傳統摟草設備存在的干燥速度慢、散草打捆困難和草根容易捂爛等問題，研制出適應市場需求的新型指盤式摟草機，能夠實現對苜蓿、稻、麥、秸稈的摟集和翻曬作業。為此，論述了9LZ-6.0型指盤式摟草機的整機結構和工作原理，完成了可調旋轉架、指盤收放機構和指盤彈齒等關鍵部件的結構參數設計計算，完成了對彈齒的有限元分析和運動學模擬仿真，并對樣機進行了田間試驗，通過試驗結果與技術指標的分析對樣機進行了優化設計。試驗結果表明：該機具各項技術性能指標均能滿足設計要求，操作方便，使用可靠，摟草質量好，生產率高，可滿足我國飼草收獲的要求。

關鍵詞：指盤式摟草機；彈齒；有限元分析；運動仿真

0引言

草地生態畜牧業以草產業為基礎，具有很高的生態效益和經濟效益。我國是草原資源大國，擁有各類草原近4億hm2，約占國土面積的2/5[1]。豐富的草原資源為我國草業發展提供了堅實的物質基礎和廣闊的發展空間，維護生態安全，建設美麗中國，既是我國發展的基本國策，也是時代賦予草業界的崇高使命[2]。飼草生產機械作為草業產業化的重要載體和手段，在草產業建設中具有十分重要的位置。大量的牧草由于缺乏收獲機械，或收獲機械效率不高而不能被有效利用，嚴重阻礙了我國草產業和畜牧業的發展[3]。據測算，在提高生產率方面，牧草機械化收獲比人工收獲提高約25～50倍，作業成本低40%～60%，牧草的營養損失減少約為68%～80%；而且，機械化收獲在高效利用草原方面能夠起到很好的作用。

摟草機的作用是將割后鋪放在田間的散草摟集成草條，以適應后續作業的需要。摟草機農業技術要求：①摟草作業損失率應不大于3%。②形成的草條應連續、均勻、松散、外形整齊。每米草條質量應滿足后續作業的要求。③形成草條后飼草應清潔，盡量減少陳草、泥土等混雜物。④作業過程中飼草的移動距要小，對草的作用柔和[4]。指盤式摟草機，按掛接方式分為牽引式和懸掛式；按有無動力驅動分為隨動型和驅動型。隨動型指盤摟草機不需要動力傳動系統，結構簡單、造價低、維護保養方便、通用性較強，因而推廣使用較多，本文研究的即是隨動型摟草機。摟草的作業速度一般為8～15m/h，翻草作業速度可稍高于摟草作業。摟草時草的移動距離短，花葉破碎損失小。

1總體方案和工作原理

1.1整機結構

該指盤式摟草機主要由橫梁、牽引梁、可調旋轉架、攤曬盤提升器、指盤及支架、攤曬盤及支架、L型架體、油缸、連桿機構、行走輪和支腿等組成，如圖1所示[5]。

1.橫梁　2.攤曬盤提升器　3.可調旋轉架　4.L形架體

該機為指盤式結構，整機中指盤數量為左右摟集指盤各4個，中間攤曬指盤1個。該摟草機總體方案為牽引梁安裝在與橫梁長度方向垂直的對稱中心面上，背面安裝攤曬盤提升器，橫梁兩端分別安裝1套行走輪裝置，形成三點著地；左右可調旋轉架對稱地安裝在牽引梁兩側，左右各4個指盤以及支架通過L形架體與左右可調旋轉架插接固定。攤曬盤及支架安裝在攤曬盤提升器上，通過彈簧和鏈環與提升器上端立柱掛接。整體工作時，放下與提起指盤均是通過中間的一個單作用油缸配合連桿機構實現。為防止田間地面不平、機器在工作過程中的顛簸，在左右可調旋轉架上專門設置有供緩沖仿形減震的拉力彈簧機構。為拆裝方便，指盤及支架及L形架體設計全部采用插接后銷子固定。

1.2主要技術參數

9LZ-6.0型指盤式摟草機主要技術參數如下：

配套動力/kW：≥25.8

長×寬×高/m：4.5×5.8×1.7

摟幅/m：≤6.0(可調)

整機質量/kg：540

作業速度/km·h-1：8～15

生產率/hm2·h-1：5.3～6.6

轉子數/個：9

每轉子彈齒數/根：40

漏摟率/%：≤2

1.3工作原理

指盤式摟草機在田間作業時由25.8kW以上拖拉機牽引作業，機器懸掛在拖拉機正后方，如圖2所示。在運輸狀態時，兩側指盤處于升起位置，到達田間后，拖拉機駕駛員在駕駛室操作液壓閥門促使油缸縮回，帶動連桿機構及兩側旋轉架落下，從而使兩側指盤下落至工作狀態。工作時，靠近最前端的指盤最先接觸到牧草，各指盤彈齒以拖拉機前進的動力為動力，使各指盤的彈齒與地面及草鋪摩擦帶動指盤被動旋轉，起到摟集和翻曬牧草的作用。前一個指盤將摟集到的牧草傳遞到下一指盤，以此類推，最終一次摟集兩鋪牧草為一鋪，以集中牧草而利于后續打捆機打捆，并提高打捆效率。指盤作業時，不但把草鋪下面的草翻到上面，而且使草鋪的草離開原來的位置，移到兩草鋪中間的空地上。這樣一方面使草鋪下面的草盡快曬干，另一方面可使草鋪下面的草根不致捂爛。整機的摟集寬度、對地壓力及摟集角度等通過液壓油缸和左右旋轉架來進行調節。

圖2　9LZ-6.0型指盤式摟草機

2關鍵部件設計

2.1可調旋轉架

旋轉架(見圖3)是摟草機的核心工作部件，其質量好壞直接關系到摟草機工作效率的高低，而生產率是摟草機主要性能指標。同時，整機的摟集寬度、對地壓力及摟集角度等主要通過液壓油缸和左右旋轉架來進行調節。旋轉架是焊接件，零部件較多且相對角度和位置復雜，尺寸公差和形位公差精度高，尤其是零件的焊接角度，采用普通工裝很難滿足設計角度要求[6]。該旋轉架內部還設有減震機構、寬度調節器和對地壓力調節器等，這些機構的協同工作能夠很好地完成設備的摟集任務。所以，根據設計要求以及中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院中試生產基地的實際情況，特制作了專門的工裝夾具，以保證焊接的角度和精度。

1.指盤安裝管　2.寬度調節器　3.旋轉架放置板　4.旋轉軸

如圖3所示：實線顯示部分為可調旋轉架的運輸位置，也即是摟草機指盤收回的狀態；虛線顯示部分為可調旋轉架的工作位置，即是摟草機指盤放下的狀態。從摟草機運輸位置變換到工作位置時，指盤以及旋轉架需要繞軸旋轉65°。當旋轉架處于工作狀態時，通過調節寬度調節架和寬度調節器，可以調節摟集指盤支架之間的角度，從而調節摟草機的摟幅寬度和摟集后草條的寬度。寬度調節架上設有3個連接孔，對地壓力調節器上也設有3個連接孔，通過連接孔位的變換可以調整指盤的離地高度。對地壓力調節器內部設置有拉伸彈簧，摟草機工作時，考慮到地面顛簸不平，對地壓力調節器可以很好地起到仿形的作用。

2.2指盤彈齒設計

2.2.1彈齒運動軌跡

如圖4所示，指盤Ⅰ的彈齒A的絕對運動軌跡為ac，指盤I上所有彈齒的軌跡將形成一曲面。指盤Ⅱ的彈齒B的絕對運動軌跡為bf，指盤Ⅱ上所有彈齒的軌跡也形成一曲面。指盤Ⅰ的彈齒將牧草沿ε角方向撥動一距離后，由指盤Ⅱ的另一彈齒繼續撥動。M1m為指盤Ⅰ所有彈齒開始撥動牧草的線，N1n為其撥動終了線。同樣E1e為指盤Ⅱ所有彈齒的開始撥動線，K1k為其撥動終了線。為了不產生漏摟，最低限度E1e線必須與N1n線相重合[7]。

圖4　指盤式摟草機的摟草過程

2.2.2彈齒主要參數

2.2.2.1彈齒運動軌跡交線高度h

根據圖4所示及其運動軌跡的分析，為了不產生漏摟，指盤Ⅰ和指盤Ⅱ所有彈齒端部的軌跡構成的曲面之交線離地高度h，不應超過摟草機作業之前的割草機的割茬高度，一般取h=40～60mm。根據實際作業情況，該摟草機的軌跡交線高度選擇h=55mm。

2.2.2.2彈齒撥草角φ

彈齒撥草角即彈齒開始撥草到撥草終了的彈齒轉動角度，它與交線高度h、指盤半徑R的關系為

φ=2arccos(1-h/R)≈46°

(1)

2.2.2.3彈齒間角β

彈齒間角為兩相鄰彈齒端部與指盤中心連線所夾的角。為了防止漏摟，β角不能過大；同時，為了更好地工作，β角與彈齒撥草角的關系為

β=φ/m

(2)

其中，m取值為任一整數；β一般取7°～9°，該機選擇β=9°。

2.2.2.4摟草時彈齒端部的絕對速度νa

指盤式摟草機彈齒端部的絕對速度為

(3)

式中νj—機器前進速度(m/s)；

α—摟草時指盤的方向角(°)；

λ—取0.57～0.71，該處取λ=0.65；

經計算后得彈齒端部的絕對速度νa≈15.12km/h=4.2m/s。

2.3指盤收放連桿機構

指盤收放機構是該摟草機的關鍵部件，機構的收和放控制著整個摟草機全套指盤的升起與降落，其最終目的是控制整個摟草機運輸和工作狀態的轉換。機構主要由6根連桿和1個液壓油缸及左右可調旋轉架組成：油缸為單作用油缸，進油口與拖拉機的液壓輸出口連接，控制油缸活塞桿的伸縮，進而帶動連桿工作來達到控制指盤起降的目的。指盤收放連桿機構可以簡化為如圖5所示的平面8連桿機構，油缸的作用簡化為一端固定、一端移動的結構，將左右可調旋轉架也簡化為了兩個繞b點轉動的連桿。

圖5　連桿機構簡化圖

圖5中，a、b、c處均為固定的鉸接轉動副，d、e、f、g處均為可移動的轉動副，h處為上下運動的移動副，同時在h處鉸接的連桿1和連桿6可以相對轉動。在整個機構中，驅動力來自移動副h，h向上移動，帶動1～6各連桿工作，最終使連桿7、8(左右可調旋轉架)向上轉動，從而實現指盤系統的起升，達到整個摟草機由工作狀態轉換為運輸狀態的目的。

3彈齒的有限元分析

利用常用的ANSYS分析軟件對彈齒進行有限元分析，將SolidWorks中已經建立的三維實體模型通過與ANSYS的接口，導入ANSYS軟件中[8]，采用整體網格法對彈齒模型進行網格劃分。

指盤在工作狀態下，彈齒端部與地面接觸，在指盤所在平面內，彈齒除受自身重力外，還受與地面接觸的壓力、固定圈定位孔處的壓力及指盤部分重力。對彈齒施加載荷、選取受力面、選擇載荷類型，進行力學分析后得到彈齒的應力、應變及變形量圖譜。彈齒的變形量分布如圖6所示。

圖6　彈齒變形量分布圖

彈齒最大變形發生在彈齒與地面接觸的指尖區域，最大變形值為54.7mm。

從彈齒的有限元分析結果可以看出：彈齒與地面接觸的部分變形較大，在折彎處應力集中明顯。對于彈齒的應力、應變和變形情況，對彈齒結構進行了進一步優化設計：一方面，在不影響指盤正常工作情況下，將彈齒材料直徑進行了適當加大，且適當增大了彈齒折彎處折彎角和折彎半徑；一方面，從彈齒制造工藝角度考慮，該彈齒現選用的材料為60Si2MnB，經過高溫回火后得到良好的綜合力學性能，使得彈齒極具柔韌性，不易折斷，延長了使用壽命[9]。

4彈齒運動軌跡仿真

該機共有8個摟集草條的指盤，每個指盤都同樣地安裝有40根彈齒，每根彈齒的運動軌跡都完全相同。所以，只對1個指盤上的1個彈齒做運動軌跡模擬仿真。利用ADAMS運動學仿真軟件，將由SolidWorks中導出的Parasolid格式的指盤虛擬模型導入到軟件中，拾取虛擬模型的質量特性，建立完整的用于模擬仿真的模型數據[10-11]，對各個零件添加各約束副，施加驅動，使各零件在仿真時能夠相互關聯的運動。

由于機具在給定的作業速度下工作時指輪盤彈齒端部的絕對運動速度會影響牧草的花葉損失率，因此對指盤的運動進行運動學仿真，分析彈齒端部的絕對速度，從而驗證機具作業速度的選擇是否合理。為了保證不形成漏摟，并考慮工作草地的平整度，根據經驗及該機性能，選擇機器前進速度為14km/h(3.9m/s)。仿真后的彈齒端部運動軌跡及彈齒端部絕對速度曲線如圖7、圖8所示。

圖7　彈齒端部運動軌跡

圖8　彈齒端部絕對速度曲線

查閱農業機械設計手冊相關內容得知：在相同的機器前進速度下，彈齒端部的絕對速度愈小，則彈齒對牧草的作用愈柔和，可減少花葉的碎落。一般要求彈齒端部絕對速度νa≤4.5m/s。以上仿真結果顯示：彈齒端點運動軌跡呈余弦曲線，絕對速度平均值約為4.2m/s，滿足設計要求，這也和之前通過設計計算公式得到的數據相吻合。由此可知：該機具作業時彈齒端部絕對速度符合技術要求，機具作業的前進速度選擇合理。

5田間試驗及結果分析

5.1試驗條件及方法

試驗場地點為內蒙古思遠牧業有限責任公司(伊利第七牧場)。該草場為人工種植草場，草場地勢平坦，土壤類型為鹽堿土，牧草品種為紫花苜蓿，種植面積大約230hm2。收獲時處于初花期-盛花期，苜蓿草長勢好，割后苜蓿平均植株長度約0.65m。摟條前的作業工序為：先用切割壓扁機把苜蓿切割后鋪放成草條。

試驗前對9LZ-6.0型指盤式摟草機的完整性和外觀進行了檢查，結果符合圖紙設計要求；進行了調試和試運轉作業，并將摟草機調整到最佳狀態，整機工作狀態良好。試驗中使用的各種儀器、儀表、量具有轉速表、秒表、電子稱、卷尺等，全部在標定有效期內。本次試驗條件符合《GB/T14247—1993摟草機 試驗方法》和《JB7766.1—1999指輪式摟草機技術條件》的要求。

5.2試驗結果分析

試驗中，對該機的各項技術參數、現場試驗條件等進行了測量監測，并依據試驗方法和技術條件的要求對機具的各項性能指標進行了測定。技術參數各項測定數值均在設計值范圍內，測定的相對濕度約為59%，土壤含水率平均為21.2%，土壤堅實度平均為155.7kPa，牧草花葉的葉草比平均為45.8%，均符合現場試驗條件。

機具的各項性能指標均在正常工作條件下進行，機具的前進速度選在10～14km/h，配套動力選用現有的約翰迪爾654拖拉機。試驗中分別對機具的摟幅、漏摟率、生產率，以及動力指標和經濟指標進行了測定。根據測定結果和試驗方法中的公式計算后取平均值，摟幅約為5.82m，漏摟率約為1.0%，生產率約為5.8hm2/h，各項動力指標和技術經濟指標均滿足設計要求。摟幅及漏摟率的測定如表1和表2所示。

表1　摟幅測定表

表2　漏摟率測定表

通過對9LZ-6.0型指盤式摟草機進行的田間性能、生產試驗測定結果表明：

1)該機運行穩定，裝配合理，空車試運轉正常，運轉平穩、沒有較大震動，沒有異樣噪聲，安全防護得當；

2)易于制造，生產成本低；

3)該機是牽引式機具，配套動力適應性廣，操作技術要求不高，調整保養方便；

4)該機使用可靠，維修方便，試驗期間無重大故障；

5)漏摟率較低，生產效率較高。

6結論

1)該摟草機不需要動力傳動系統，結構簡單、造價低、維護保養方便，推廣使用較多。

2)復雜的可調旋轉架結構及內部的減震機構、寬度調節器和對地壓力調節器等機構的協同工作能夠很好地完成設備的摟集任務。

3)用于指盤系統收放的連桿機構簡單實用，能夠很好實現指盤系統的起升，達到整個摟草機由工作狀態轉換為運輸狀態的目的。

4)田間試驗表明：該機可完成摟草、合并草條、翻曬草條等多項工作，作業質量良好，形成的草條蓬松、均勻、連續，便于晾曬，草質純潔，也便于后續機具作業。所以，該機具是簡單實用、性價比較高、在牧草生產中不可或缺的收獲機具之一。

7建議

1)在試驗過程中，發現行走輪與指盤支架有摩擦現象，所以將行走輪更換為規格更小并符合圖紙和整機要求的輪胎。

2)左右旋轉架拉桿連接管旋轉調整不方便，擬在上面加工適合標準扳手操作的平面。

3)選配的液壓油缸存在漏油現象。由于該機具油缸是關鍵部件，所以下一步要選配其他廠家的優質油缸。

4)優化可調旋轉架結構，優化各零件間的角度和位置。

5)進一步優化彈齒的結構，使得彈齒的應力應變及變形量更加符合材料使用的最優性能，從而改善改善系統性能。

6)液壓系統相對簡單，在后續的研究中將進一步優化設計，使設備更多的動作和功能通過液壓來控制，減少人工干預。

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Design and Experiment of Finger-wheel Rake

Li Fengming, Ma Sai, Zhang Ping, Zhai Gaixia, He Gang, Wang Quanxi

(Hohhot Branch of Chinese Academy of Agricultural Mechanical Sciences,Hohhot 010020,China)

Abstract：Aiming at the problems such as the low drying speed, baling difficulties of scatter hay and grass-roots rotten,a new type of finger-wheel rake was developed to meet with the market demands and meet with the demands of the forage harvest in our country.It can rake and ted the alfalfa and rice or wheat straw.The overall structure and working principle were described briefly.The major working components such as the structure parameters of the adjustable rotation frame,the extending-retracting mechanism of finger wheel and the spring tooth were designed.And finite element analysis on spring tooth and the kinematics simulation on the finger-wheel was carried out.Through the analysis of performance test results and the technical index of the prototype,it was optimized.The test results showed that all technical indexes of the machine meet the design requirements.It is easy to operate and can be used reliability. While operating, it had good raking effect and high working productivity.The machine can satisfy with the harvesting requirements of forage grass.

Key words：finger-wheel rake；spring tooth；finite element analysis；kinematic simulation

文章編號：1003-188X(2016)07-0176-06

中圖分類號：S225.8

文獻標識碼：A

作者簡介：李鳳鳴(1986-)，男，內蒙古豐鎮人，工程師，碩士，(E-mail)lifeman_ok@126.com。

基金項目：內蒙古自治區創新方法應用推廣與示范項目(2013IM020800)

收稿日期：2015-07-06