履帶式林間草帶收割機設計與試驗

祝 露 王德成 尤 泳 鄔 備 馬文鵬 郇曉龍

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.湖南農業大學機電工程學院， 長沙 410323)

0 引言

近年來，各地區大力發展以林下種植、林下養殖、相關產品采集加工和森林景觀利用等為主要形式的林下經濟，其中，林草種植模式是依托森林、林地及其生態環境，在林內或林地邊緣開展飼草或綠肥植物等種植或利用的復合經營模式。發展林草種植模式能保護生態環境，避免在發展經濟過程中產生單一的植物群落，有利于改善林地小氣候、提高土壤理化性質，有助于林木生長[1-3]。例如楊樹-紫花苜蓿的林草復合系統能更充分利用資源，獲得較高的組合產量和土地利用效率。林間種草是能同時產生生態效益與經濟效益的一種發展模式，值得研究和推廣。

林草模式中的飼草或雜草需要適時刈割，否則一方面會影響牧草的質量和產量[4]，另一方面，未被刈割的植被在秋冬季節燃點很低，極易引發森林火災，刈割清理林間牧草或雜草是一種有效的森林防火手段[5]。即使是單一模式的人工林，秋冬季節前收割林間雜草植被也很有必要。但是，人工收割林間牧草雜草勞動強度大、效率低。因此，研制一款適用于林間的牧草收獲機具有重要意義。

針對平原大地塊牧草種植區，我國引進和研制了多種大幅寬、高效率的收割機，但仍存在性能不穩定和可靠性差等問題[6-8]。已有收割機適用于優質天然打草場和大地塊的人工草場，但無法滿足林間牧草收獲的技術要求。鄔備等[9-10]根據我國苜蓿種植特點研制了9GYZ-1.2型苜蓿刈割壓扁機，該機能適應丘陵山區作業，為自走式牧草收獲機械的研制積累了經驗。但林間割草作業環境更為復雜，其可靠性與安全性還需要進行試驗驗證。人工林作業間距狹小、土壤堅實度差異大，除飼草之外還有一些硬質雜草，切割難度較大，本文根據實地調研提出林間草帶收割機的設計要求，并據此設計一款針對林下牧草的自走式林間飼草收割機。

1 整機結構與技術要求

1.1 林間割草作業特點與技術要求

通過文獻分析以及對人工林情況的實地調研，得到林草種植模式中林間割草作業環境特點及技術要求如下：

(1)我國林草發展模式中的林木種類繁多，林下可種植的牧草有菊首、苜蓿、鴨茅、黑麥草等，其中紫花苜蓿是應用較廣的一種牧草品種[11-12]。林草模式中的行距株距并不統一，同一類型的林木株距行距也會因地區不同存在差異[13]，如北京蘋果林株行距3 m×4 m，陜西幼齡蘋果樹株行距2 m×4 m。對于行距為2 m的小行距林木品種，需要有較為靈活的自走式牧草收割機來完成林間牧草與雜草的收割。本文設計的收割機主要是為了適應小株距的林草種植模式，在此條件下收割機的幅寬應小于2 m。履帶式林間草帶收割機的作業情況如圖1所示。

(2)人工林間植被類型較為豐富，除了種植的飼草外還有雜草或稀疏灌木，這對收割機的切割器形式與參數要求較高。對于旋轉式切割器，割刀線速度應滿足旋轉式切割器的設計要求，大小在60～90 m/s之間[14]。

(3)相對于農田和人工草地，人工林間的地面平整性更差，土壤堅實度差異大，收割機行走系統應具備良好的接地性及轉彎性能[15-16]。

(4)對于林間草帶收割機，需要一套靈敏的起落機構，遇到石塊或樹樁等障礙物前在1～2 s內將切割器提起到一定高度[14]，在林區工作的收割機，分割器提升高度應大于40 cm，保證收割機在林區具備良好的通過性。

1.2 整機結構

履帶式林間草帶收割機由動力裝置、機架、履帶底盤、前置式雙圓盤切割器、齒輪箱、液壓系統及操縱系統等組成，基本結構如圖2所示。

整機有高速、低速、倒擋3個擋位，作業幅寬1.5 m，轉彎半徑0.4 m，在遇到障礙物時能在1.5 s內將切割器向上提升40 cm，在狹窄的環境中具備良好的通過性。

在割草作業時，圓盤式切割器高速旋轉，帶動割刀以較大的線速度無支撐切割牧草。相較于往復式切割器，旋轉式切割器對于生長茂密的牧草及硬質雜草具有更好的適應性，一般不會發生纏草現象。

2 關鍵部件設計

2.1 行走系統計算與分析

在人工林區，土壤堅實度差異較大[17]，當地面質地松軟時，接地比壓是衡量機具通過性能的重要指標。接地比壓過大時，行走系統容易沉陷在土壤里，不僅影響效率，還可能使機具發生前后傾斜，使切割器接觸地面，影響割草效果。故選擇接地比壓小的行走系統，能減小對土壤的壓實，更適應人工林的作業環境[18-21]。履帶式主要特點是接地比壓小，爬坡能力強。

假設收割機的重心位置與幾何中心相重合，履帶接地壓力呈均勻分布狀態，則接地壓力的表達式為

(1)

式中pb——履帶平均接地壓力，Pa

B——履帶接地寬度，m

L——履帶接地長度，m

G——收割機整機重力，N

履帶與地面摩擦力時刻與履帶的運動速度相反，在轉向運動的每一個瞬間，履帶上各點的摩擦力方向始終垂直于該點到轉向軸的連線，大小與該點在豎直方向的載荷成正比，向右轉向時受力示意圖如圖3所示。則收割機在轉彎時左右兩側履帶上受到的阻力矩分別為

(2)

(3)

式中M1——左側履帶所受阻力矩，N·m

M2——右側履帶所受阻力矩，N·m

μ——履帶與地面的動摩擦因數

l——兩側履帶上點到中心線OO1的距離，m

b——左側履帶中軸線到點O1的距離，m

履帶底盤的驅動力位于左側履帶的最前端，收割機緩慢轉彎的過程中，驅動力產生的力矩應當和摩擦阻力矩大致相等，即

M0=M1+M2

(4)

式中M0——履帶向右轉向時驅動力矩，N·m

本文基于小幅寬、小轉彎半徑、低功耗的設計原則選用履帶的參數，履帶接地長度1 m，履帶寬度0.35 m，左右兩側履帶的中心距為0.75 m，在此條件下，履帶接地比壓為8.47 kPa，轉彎半徑0.4 m，履帶總寬度1.1 m。

2.2 切割系統結構分析

圓盤式切割器是整個收割機的核心部件，也是決定收割機切割效果的關鍵[22]，其結構如圖4所示。

旋轉式切割器為圓盤式結構，主要由錐齒輪箱、滾筒、圓盤、割刀等構成，高度可以調節。切割器通過支撐連桿及液壓缸固接在收割機的前方，方便拆卸維修，其動力輸入來自帶輪，當圓盤與凸起的地面接觸使載荷過大時，傳動帶即在輪上打滑，可防止嚙合齒輪與動力系統受到損壞。

圓盤直徑為630 mm，采用矩形光刃刀片，刃角為15°，切割器的幅寬為150 cm，左邊圓盤與右邊圓盤旋轉方向相反，都朝向內側，割刀線速度的計算公式為

(5)

式中vl——切割器割刀線速度，m/s

n——旋轉式切割器的額定轉速，r/min

D——圓盤直徑，m

計算出當圓盤以額定角速度旋轉時，切割線速度為72.6 m/s，滿足旋轉式切割器的線速度要求[14]。

以切割器的右圓盤為例，當圓盤帶動割刀割草作業時，切割區域即為刀刃掃過的區域[23]。

對于刀片1，其刀刃上a、b兩點的運動方程為

(6)

(7)

式中xa、xb——刀片1內外端點在橫坐標軸上的值，mm

ya、yb——刀片1內外端點在縱坐標軸上的值，mm

ra——刀片1刀刃內端點旋轉半徑，mm

rb——刀片1刀刃外端點旋轉半徑，mm

θa——內端點與盤心連線與x軸夾角，rad

θb——外端點與盤心連線與x軸夾角，rad

ω——切割器旋轉角速度，rad/s

v——機器作業速度，mm/s

t——刀盤轉過的時間，s

a、b兩點的運動軌跡之間的區域就是刀片1的切割區域。

當圓盤式切割器割刀以足夠大的線速度與牧草接觸，并在瞬間使牧草下端莖稈達到應力極限被切斷，此時的牧草莖稈會獲得一個沿著割刀速度切線方向的初始速度，并沿著初速度的水平方向繼續運動，直到接觸滾筒或地面后停下來，最終平鋪在切割器的中間位置，可避免牧草散落在兩側，被履帶碾壓污染。

2.3 動力和傳動系統設計

柴油機作為動力裝置，需要為履帶驅動輪、液壓提升裝置、切割器3處帶輪提供動力。

柴油機輸出帶輪的動力分2部分傳輸，第1部分通過傳送帶傳輸到履帶底盤驅動帶輪，第2部分通過齒輪箱傳輸至提升割臺的液壓系統以及切割器處。

在忽略帶輪打滑的情況下，柴油機額定轉速為2 200 r/min，履帶驅動帶輪轉速為1 650 r/min，液壓泵轉速為1 467 r/min，切割器轉速達2 357 r/min。

2.4 機架設計與優化

2.4.1機架設計

機架支撐了整機的零部件，承載了動力系統、切割系統、傳動系統、操縱系統以及外罩等零部件，其在作業過程中除了受壓力外還會受到扭矩的作用。收割機機架的設計應當在滿足強度要求的基礎上盡可能結構簡單，兼具優異的減振性能特點[24-25]。

收割機機架由Q235結構鋼焊接而成，作為重要的承載部件需要達到足夠的強度。對機架的變形以及應力分布進行綜合分析，對應力集中的部位進行加固。

收割機機架設計如圖6所示，其中履帶底盤前橫梁和履帶底盤后橫梁為履帶底盤上自帶承重部分，材料也為Q235結構鋼，雖不屬于機架的結構范圍，但承受了機架以及機架所承載的所有零件的總重量，因此需要和機架一起進行結構強度分析計算。

2.4.2機架受力分析

收割機上質量較大的部件有柴油機(240 kg)、收割機前置割臺(220 kg)、變速箱(30 kg)、駕駛員(取70 kg)，機架還受自身重力作用，忽略收割機外罩以及液壓元件的重量對其進行受力分析，機架在水平面工作時，其受力情況如圖7所示。

在不考慮支撐筋板的情況下，由力學平衡得

F1+F2+F3+F4+G2+FA+FB=0

(8)

以點B為原點，由力矩平衡條件得

F1x1B+F2x2B+FAxAB+G2xG2B+F3x3B-F4x4B=0

(9)

式中FA——機架前端所受支持力，N

FB——機架后端所受支持力，N

xAB——受力點A與受力點B的垂直距離，m

根據式(8)、(9)計算得出機架在支撐點A處受到的壓力為4.13 kN，在支撐點B處受到的壓力為2.10 kN，機架各個位置處的彎矩如圖8所示。

機架的前支撐立柱位置的截面A在整個機架結構中彎矩最大，為1.22 kN·m，故A處是機架的危險截面，是否達到了強度要求還需要計算整個機架的應力大小以及分布情況。

2.4.3機架工況分析

支撐機架主要有3種不同情況的負載工況：正常行駛情況下的機架負載；在斜坡上工作時所受的重力載荷；在轉彎時所承受的扭矩以及重力載荷。這3種工況當中，正常行駛情況下的機架是應力最小的一種，機架在轉彎時所產生的扭矩也遠小于各零件產生的壓力。故僅需對收割機在斜坡工況下機架的受力與變形情況進行分析，即可保證機架滿足強度要求。

2.4.4機架仿真分析

收割機在斜坡上工作時，支撐機架的位置形態發生了變化，機架支撐立柱受到切向力和壓力的共同作用。在Workbench軟件中仿真模擬這一工況下的機架受力與固定約束情況，假設斜坡的角度為30°，載荷設置如圖9。

根據仿真結果，最大應力發生在駕駛員座椅位置的中間梁和橫梁處，與上述機架水平時計算的危險截面位置一致，驗證了計算結果的正確性。且最大應力為125.37 MPa，小于材料屈服極限(235 MPa)，考慮收割機外罩、水箱等其他部件的額外壓力，以及收割機工作過程中的沖擊載荷作用下應力峰值較大，機架的前端部分仍存在強度風險。

為了減少機架前端變形量和中間部位應力集中，對機架的結構進行強度加強，保證收割機的作業安全。需在機架前橫梁上焊接支撐梁，以支撐前割臺的壓力，減小變形和機架中間部位的應力集中。

3 試驗

3.1 樣機試制

履帶式林間草帶收割機在滄州市盛邦農業機械有限公司加工制造，整機尺寸為3 380 mm×1 520 mm×2 010 mm，外形結構如圖10所示，其尺寸和作業幅寬滿足在小株距林草模式中作業的基本條件。

整機配套動力34 kW，幅寬為1.5 m，轉彎半徑40 cm。割刀的旋轉線速度為72.6 m/s。能夠通過液壓缸將切割器向上提升至最大40 cm，保證了收割機在復雜地形下的通過性。

3.2 林間牧草收獲試驗

為了驗證收割機的實際作業效果與整機性能，對收割機進行性能試驗。

3.2.1試驗條件與材料

試驗于2019年7月20日在張家口牧草體系綜合試驗站附近的人工林區進行，圖11為試驗場地的環境情況，人工林間的植被主要為自然條件下生長的針矛類牧草及蒿類雜草，種植林木為不同生長階段的楊樹，當天試驗地天氣晴朗，氣溫15～28℃。

在人工林區選取樹木排列規整，林下雜草生長旺盛的5個50 m的單程作業區域。作業前，測量標定進行試驗的區域，便于測量作業速度，將林間收割機調試到最佳狀態，調整好切割器的高度。試驗區域的飼草是林間天然生長的牧草，且地面的平整性和地面視野情況較差，為了保障安全，試驗全程采用低速擋位作業。

田間性能試驗所用試驗儀器及材料有：100 m卷尺、標桿、40 cm鋼尺、2 m卷尺、馬克筆、秒表，圖12為履帶式林間草帶收割機現場割草作業情況。

3.2.2試驗方法

收割機作業速度計算式為

(10)

式中L′——試驗測定區域的長度，m

T——通過測定區時間的平均值，s

取5次測量結果的平均值。

割幅的測定：每個行程每5 m測量一次割幅，取為一組數據，每1個行程測量10次，取平均值，得到林間割草機實際割幅。

割幅利用系數是試驗中的實際割幅與收割機割臺設計割草幅寬的比值，計算公式為

(11)

式中Kf——割幅利用系數

As——平均實際割幅，m

AL——理論割幅，m

每個工作行程等間隔5 m選取兩個測量點，以鋼直尺測量割茬高度。每個行程的平均割茬高度為

(12)

式中 ∑h——一個行程中測量n次割茬高度的總和，cm

n——每個行程中割茬高度的測量次數

3.2.3試驗結果與分析

所有試驗指標均在當天測量完成，測得履帶式林間草帶收割機試驗結果如表1所示，并用式(11)計算出割幅利用系數為0.94。測得5個50 m單行程的平均作業速度為0.42 m/s，實際割幅的均值為1.41 m，整個試驗區域的平均割茬高度為7.6 cm，在試驗區的平坦區域，割茬高度為4～5 cm，滿足旋轉收割機在平坦地區割茬高度小于等于7 cm的技術要求。收割機安全性良好，在提起切割器的條件下能順利通過人工林的復雜地形，爬坡性能良好，機架的強度能夠保證正常工作。

表1 履帶式林間草帶收割機試驗結果Tab.1 Test results of crawler forage harvester

由圖13可以看出，經切割器刈割后的飼草能夠較好地平鋪在路徑中間，避免牧草被兩側的履帶碾壓污染，保證了天然牧草收割后的質量，可以被收集利用。結果表明履帶式林間草帶收割機具備在小型帶距的林草種植模式中收獲林間牧草的能力。

4 結論

(1)基于人工林割草作業環境特點，提出了林間草帶收割機的設計要求：收割機幅寬小于2 m，切割線速度為60～90 m/s，切割器提升高度大于40 cm，選用接地壓力和轉彎半徑較小的履帶作為行走系統。

(2)設計了履帶式林間草帶收割機，其配套動力為34 kW、幅寬為1.5 m、轉彎半徑為0.4 m、割刀的旋轉線速度為72.6 m/s，該機通過液壓缸可將切割器向上提升，最大可達0.4 m，在復雜地形下具有較好的通過性。通過仿真確定收割機支撐部件機架的最大應力位置，以此對機架的特定部位進行強化，保證了機架在復雜環境下的作業安全性。

(3)人工林間牧草收獲試驗表明，履帶式林間草帶收割機平均作業速度為0.42 m/s，割草高度為7.6 cm，割幅利用系數為0.94。說明履帶式林間草帶收割機能夠適應人工林作業環境，可用于收獲小帶距的林草種植模式下的牧草，大大降低了人工收獲牧草的勞動強度。