4QG-2型青貯割臺全齒輪式傳動系統的設計

梁榮慶，劉學峰，張德學，李青江，孫盛剛，閔令強，梁衛紅

(1.山東農業機械科學研究院，濟南 250100；2.山東雙佳農裝科技有限公司，濟南 250100；3.聊城市東昌府區柳園辦事處農業技術推廣站，山東 聊城 252000)

0 引言

青貯飼料是將新鮮的青貯玉米、高粱、燕麥或苜蓿等切碎后經微生物厭氧發酵[1]處理而成的，具有調制方便、耐久藏及養分保存率高等優點[2-3]，可供牲畜全年飼喂，是畜牧業最重要的飼料來源[4-5],在一定程度上緩解了畜牧業快速增長與牧草飼料短缺的矛盾。與其他青貯飼料相比，青貯玉米產量高，營養物質含量更為豐富，可與牧草相媲美，是反芻動物首選優質飼料[6]。近年來，隨著我國畜牧業的發展及農業產業結構的調整，青貯玉米種植面積也在逐年擴大，但主要依靠人工進行收獲，勞動強度大、成本高、效率低，且收獲時間較長，嚴重影響青貯飼料質量，在一定程度上阻礙了畜牧業的健康發展，因此青貯玉米的機械化收獲勢在必行。

國外對青貯玉米機械化收獲技術的研究較早，產品較為成熟。發達國家為適應自身種植模式多以大型自走式青貯玉米收獲機為主，整機動力多采用液壓系統進行傳遞，效率高、穩定性及工作可靠性較好，易于實現自動化控制、過載保護及無級調速[7-9]，可方便地對切碎刀盤的切削速度及物料喂入速度進行控制，從而獲得較好的物料加工效果，保證了青貯玉米的切割質量。我國對青貯玉米收獲機的研究起步較晚，自行研制生產的青貯玉米收獲機械型號及種類繁多，產品質量不一。由于受種植模式影響，多以中小型機械為主，整機動力多采用皮帶進行傳遞，帶傳動功率損失較大，結構緊湊性較差，安裝調試較為繁瑣，并存在彈性滑動現象[10]，需張緊輪進行張緊，物料的喂入速度調整較為困難。當喂入量過大時易發生堵塞，需停機對物料進行清理[11-14]，嚴重影響作業效果及作業質量。因此，設計一種全齒輪式傳動系統對4QG-2型青貯割臺的所需動力進行傳輸，驅動各核心部件進行工作，并對喂入輥的喂入速度進行多檔位調整及反轉控制，滿足其作業要求，實現喂入堵塞的物料“反吐”，在保證青貯玉米收獲質量的同時，也為青貯玉米收獲機的研制提供一定的理論基礎及技術參考。

1 整機結構的組成及工作過程

1.1 整機組成

4QG-2型青貯割臺主要由滾筒式切割撿拾裝置、夾持喂入裝置、切碎揉搓裝置、全齒輪傳動系統及拋送裝置等核心部件組成，如圖1所示。該割臺結構緊湊、簡單，整體布局合理，性價比較高，可適用于不同工況作業環境，適應性較強，主要用于青(黃)貯玉米、高粱等禾本植物的收獲，收獲效果較好。

1.2 整機工作過程

4QG-2型青貯割臺可采用三點懸掛或單獨設計的過渡件與雙向駕駛的大馬力拖拉機或玉米收獲機進行配套使用，以配套動力的PTO后動力輸出作為驅動動力。該割臺安裝及拆卸較為方便，其主要的工作過程：工作時，配套設備PTO輸出的動力通過傳動軸經全齒輪傳動系統驅動滾筒式切割撿拾裝置、夾持喂入裝置及切碎揉搓裝置進行工作，左、右滾筒式切割撿拾裝置將物料(青貯玉米或高粱)進行切割，并將其輸送至夾持喂入裝置；夾持喂入裝置中的帶有鋸齒的左、右喂入輥對物料進行強制輸送至切碎揉搓裝置，高速旋轉的切削刀盤帶動切碎動刀旋轉對強制喂入的物料進行切碎；與此同時交錯安裝在切碎刀盤上的左右螺旋凸起的拋送葉片與安裝在切碎揉搓裝置底部的揉搓板配合使用對切碎的物料進行揉搓，左右帶有螺旋凸起的拋送葉片將切碎揉搓后的物料進行拋送，輸送至運輸裝置或青貯打包機中，完成整個作業流程。其工作過程如圖2所示。

1.滾筒式切割撿拾裝置 2.機架總成 3.夾持喂入裝置

圖2 4QG-2型青貯割臺的工作過程

為保障物料合理的切削長度，切碎動刀數設置為2、3、4、6、12可調，以滿足不同牲畜的喂養對青貯飼料切削長度的需求。此外，該機還能實現物料不同喂入速度的調節及“反吐”功能，可在不拆裝切碎動刀的情況下實現物料切段長度的調節；而“反吐”功能則可實現在物料喂入過多發生堵塞時控制強制喂入輥進行反轉，能夠及時清理堵塞的物料，保證整機的正常工作。

2 全齒輪式傳動系統的設計

2.1 全齒輪式傳動系統工作要求

整機工作過程中，切碎揉搓裝置除實現切碎揉搓外，還需利用拋送葉片對切碎揉搓后的物料進行拋送，則需高速驅動切碎刀盤進行逆時針旋轉(相對于拖拉機的前進方向)；為使物料能夠正常切割喂入則需左右兩側的滾筒式切割撿拾裝置及夾持喂入裝置中的左右兩側強制喂入輥及左右兩側壓草輥轉速相同而轉向相反；此外，為保證喂入輥具有不同的喂入速度及“反吐”功能，則需要變速箱對其進行控制。

在滿足整機工作要求的同時，設計的全齒輪式傳動系統需結構緊湊、布局合理、功率損失較小，該傳動系統的動力傳輸示意圖如圖3所示。

圖3 全齒輪式傳動系統動力傳輸示意圖

在整個傳動系統中，由于旋轉刀盤直接安裝在主傳動上，則配套動力輸入轉速即是旋轉刀盤的工作轉速，因此本文主要對夾持喂入裝置驅動齒輪系及滾筒式切割撿拾裝置的驅動齒輪系進行設計。

2.2 夾持喂入裝置驅動齒輪系的設計

夾持喂入裝置驅動齒輪系主要是驅動夾持式喂入裝置進行工作。工作過程中，由于旋轉刀盤轉速與動力輸入轉速相同，為滿足飼喂不同牲畜對青飼料切段長度的需求，除變動切碎動刀數量外，還需對喂入輥的喂入速度進行調節，則喂入輥的喂入線速度為

(1)

其中，v喂為喂入線速度(m/s)；L為切碎長度(mm)；n為旋轉刀盤轉速(r/min)；k為動刀片數量。

試驗過程中，該機的配套動力選用東汽1304雙向大馬力拖拉機，其輸出動力為82kW，PTO最高輸出轉速為1 000r/min，則旋轉刀盤轉速也為1 000r/min。初定常用切碎動刀數量為3把，設定物料切碎長度為25～45mm(牛為30～50mm，羊為20～30mm[15])，則該狀態下喂入輥的理論喂入線速度范圍為1.25～2.25m/s，此時喂入輥的轉速為

(2)

其中，n喂為喂入輥轉速(r/min)；D為喂入輥直徑(mm)。

試驗過程中所使用的喂入輥直徑為177mm，此時喂入輥的理論轉速范圍為134.9～242.9r/min，求取最低轉速與最高轉速平均值為188.9r/min。因此，根據該理論數據設計喂入輥變速箱的3個檔位，為使該機具有“反吐”功能，設計一個倒擋控制喂入輥在不停機的狀況下實現反轉[16]，則夾持喂入裝置驅動齒輪系動力傳輸路線圖如圖4所示。

圖4 夾持喂入裝置驅動齒輪系動力傳輸路線圖

如圖4所示，主傳動動力經一對錐齒輪Z1與Z2換向后傳遞至喂入輥變速箱，該變速箱由齒輪組Z3、Z4及Z5、Z6組成，對喂入輥轉度及旋轉方向進行控制。其中，Z3與Z11組成第Ⅰ檔位(最低速檔位)動力傳輸，Z4與Z10組成第Ⅱ檔位(中間速度檔位)動力傳輸，Z5與Z9組成第Ⅲ檔位(最高速檔位)動力傳輸，而Z6、Z7與Z8則組成第Ⅳ檔位(倒擋)動力傳輸。Z12、Z13、Z15、Z16及Z17將動力傳至右喂入輥驅動軸及右壓草輥驅動軸，從而驅動右喂入輥及右壓草輥進行工作；Z14、Z18、Z19及Z20則將動力傳至左喂入輥驅動軸及左壓草輥驅動軸，從而驅動左喂入輥及左壓草輥進行工作。由于Z15～Z20各直齒輪齒數均相同，則左、右喂入輥轉速及左、右壓草輥轉速相等，而轉向相反。

在設計過程中，由于受實際加工參數影響，根據實際情況對各檔位的齒輪理論計算齒數進行了略微調整及圓整，最終獲得各檔位喂入輥喂入速度為Ⅰ=1.27m/s、Ⅱ=1.69m/s、Ⅲ=2.24m/s、Ⅳ=1.49m/s，則在喂入速度為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ時，切碎動刀數量各為2、3、4、6及12時的物料理論切段長度如表1所示。

表1 物料理論切段長度表

2.3 滾筒式切割撿拾裝置驅動齒輪系的設計

切割撿拾裝置的工作質量是影響青貯玉米機械化收獲的關鍵因素之一，為提高整機的作業環境適應性，4QG-2型青貯割臺采用滾筒式切割撿拾裝置對物料進行不對行切割撿拾喂入，滾筒式切割撿拾裝置主要由扶禾撿拾喂入滾筒及圓盤割刀組成，如圖5所示。

1.圓盤割刀 2.鋸齒式切割刀 3.扶持喂入滾筒 4.轉軸

為適應整機工作幅寬(2 200mm)，圓筒式切割撿拾裝置圓筒直徑為860mm，圓筒最底層撥齒外緣直徑為1 120mm，圓盤割刀最外緣直徑為1 090mm，由于其利用無支撐切割，旋轉割刀的線速度需達到30m/s以上[17-19]。因此，本文設計的該機圓盤割刀轉速與主軸轉速相同，為1 000r/min，則此時圓盤割刀的切割線速度為57.07m/s。

為保證物料的有效撿拾及喂入，滾筒式撿拾喂入裝置喂入速度需與喂入輥的喂入速度及整機的前進速度相匹配。本割臺設計的滾筒轉速為52.97r/min，線速度為3.11m/s，略大于喂入輥最高檔位時的喂入線速度(Ⅲ=2.24m/s)，高于機組前進速度0.56m/s(東汽1304雙向駕駛拖拉機反向駕駛最低運行速度為2km/h)，則滾筒式切割撿拾裝置驅動齒輪系傳動路線圖如圖6所示。

如圖6所示：通過錐齒輪Z21、Z22、Z23及Z24將主傳動軸動力傳遞給左刀盤驅動軸，從而驅動刀盤進行高速旋轉。由于主動錐齒輪Z21、Z23分別與從動錐齒輪Z22、Z24齒數相同，則此時刀盤轉速與主傳動軸轉速的傳動比i為1，即輸出轉速等于輸入轉速(1 000r/min)。Z25、Z26、Z27及Z28將動力傳遞給左滾筒驅動軸，驅動滾筒進行旋轉，完成物料的撿拾喂入。右刀盤與右滾筒傳遞路線與左滾筒及左刀盤傳遞路線及齒輪齒數完全相同，主要由Z29～Z35組成，驅動左刀盤與左滾筒進行工作，而旋轉方向則與左刀盤及左滾筒旋轉方向相反，保證物料的正常切割、撿拾喂入。

圖6 滾筒式切割撿拾裝置驅動齒輪系動力傳輸路線圖

切割撿拾效果受圓盤割刀的轉速、秸稈的密度及整機的前進速度等因素的影響[20]，根據以上設計參數對圓盤刀工作時有無漏切現象進行理論校核，若無漏割現象則該機理論圓盤刀刀片數應滿足[21]

(3)

其中，v為機組工作速度(m/s)；h為切割刀片刃口高度(mm)；n割為割刀轉速(r/min)；θ為刀盤安裝角度(°)。

本機刀盤安裝角度為0°，切割刀片刃口高度為10mm，則計算所得該機理論圓盤刀刀片數m=3.3，圓整后為m=4。而實際本機切割圓盤共安裝6把鋸齒刀片，每個鋸齒刀片有15個小鋸齒刀，共90個小鋸齒刀，因此以上設計的各參數均可滿足實際工作要求，保證工作時無漏切現象產生。

根據整機工作要求、各裝置齒輪系傳遞路線圖及各裝置空間位置布局最終所設計的4QG-2型青貯割臺的全齒輪式傳動系統如圖7所示。其主要由主傳動軸、喂入輥變速箱、右傳動軸、右滾筒式切割撿拾裝置驅動齒輪箱、左傳動軸，以及左滾筒式切割撿拾裝置驅動齒輪箱等組成。

1.主傳動軸 2.喂入輥變速箱 3.右傳動軸 4.右滾筒切割撿拾裝置驅動齒輪箱5. 左傳動軸 6.左滾筒切割撿拾裝置驅動齒輪箱

圖7 全齒輪式動力傳動系統

Fig.7 All gear power transmission system

3 田間性能測試

為驗證QG-2型青貯割臺全齒輪式傳動系統的傳動性、可靠性及穩定性，以青貯玉米為收獲對象，對切碎刀盤切削效果及整機性能進行了測試。在試驗過程中，該割臺配套動力為東汽1304拖拉機，可雙向駕駛，動力為96kW，整機工作速度2km/h，在工作過程中整機性能較為穩定，作業效率約為0.7hm2/h，平均割茬高度為120mm，損失率≤4.1%。

喂入輥在不同轉速下，切碎動刀數量分別為2、3、4、6、12把時青貯玉米切段長度如表2所示。其實際測試結果與理論計算值吻合較好，切碎合格率≥95%，符合NY/T 2088-2011《玉米青貯收獲機作業質量》要求。

表2 青貯玉米秸稈實際平均切段長度

4 結論

1)根據該機工作要求及整機空間布局情況設計的全齒輪式傳動系統可較好地對整機需求動力進行傳輸，實現物料的切割撿拾、喂入及切碎拋送等。

2)設計的夾持喂入裝置驅動齒輪系可方便地對喂入輥的喂入轉速進行調整，并可在不停機的情況下控制喂入輥進行反方向運轉，實現“反吐”功能，可及時清理喂入通道中堵塞的物料。

3)設計的滾筒式切割撿拾裝置驅動齒輪系可有效地對青貯玉米進行切割喂入，切割速度、喂入速度及機組前進速度匹配較好，無物料的漏切現象產生。

4)田間試驗表明：在不同切碎動刀數量與不同的喂入度下，物料的理論切段長度與實際值吻合較好，且符合相關標準要求。