飼用甜高粱打捆機撿拾機構的優化設計★

李明志，臧瑞田，屈津東，蘇云龍，孫嘉賓，丁海娟

（濰坊科技學院機電信息學部，山東 壽光 262700）

引言

飼用甜高粱是我國一種重要的飼用作物，具有產量大、分布廣等特點。隨著飼用甜高粱在我國種植規模的快速擴大，其秸稈出現大量剩余，嚴重制約了農業的可持續發展和農業供給側結構性改革。方捆打捆機的出現，大大方便了秸稈處理，打捆技術日益成為核心關鍵技術。但長期以來，我國飼用甜高粱收獲打捆裝備技術基礎研究不足，生產機械嚴重缺乏，整機可靠性和作業效率不高，核心部件和高端產品依賴進口，導致飼用甜高粱綜合生產成本居高不下。國際知名農機企業憑借技術和資本優勢全面進入中國，搶占了高端飼用甜高粱聯合收獲打捆農機市場，我國農機生產和產業安全面臨嚴峻挑戰。加快發展智能飼用甜高粱聯合收獲打捆農機裝備技術，對于提升相應裝備供給能力、縮小與國外主流產品差距、支撐現代農業發展意義重大。

1 打捆機撿拾機構的工作原理

甜高粱打捆機撿拾機構的主要作用是對高粱莖稈進行撿拾和打捆。撿拾機構主要由刀輥、撿拾刀片和刀座、撿拾擋板等組成。

工作時，由傳動機構將拖拉機的動力傳輸給撿拾機構，將甜高粱莖稈從農田中撿拾起來，在刀輥高速旋轉的帶動下，產生巨大的沖擊力和切向力把高粱莖稈切碎，撿拾擋板可以把打碎后飛起的高粱莖稈擋住并導入喂入系統中進行打捆處理。撿拾刀片安裝在刀輥上，再通過銷軸將撿拾刀片安裝在刀座上，使撿拾刀片可以隨著刀輥高速旋轉[1-3]。在離心力的作用下，撿拾刀片可以垂直于刀輥旋轉。刀座與撿拾刀片由銷軸連接，當遇到地里的硬物時可以有效避免刀片受到損傷，延長撿拾刀片的使用壽命。

決定撿拾機構的撿拾率和打捆效果的因素有：撿拾刀片的形狀、刀片在刀輥上的分列排布、輸入動力的大小、撿拾作業時行進的速度、刀輥的轉速等。綜合考慮現在市場上的打捆作業速度和撿拾效果，確定打捆機在作業時的行進速度為2 m/s。

2 撿拾機構的設計

2.1 刀輥的結構設計

刀輥屬于撿拾機構中的重要部分，刀輥上的撿拾刀片將甜高粱莖稈打碎和撿拾。刀輥在作業時高速轉動，還要克服打碎高粱莖稈時的阻力，為了保證刀輥運行的平穩性，增加刀輥的寬度，同時增加撿拾刀片的數量，提高撿拾作業的寬幅，這樣也可以減小打捆機構在傳動過程中動力的損耗。為了進一步降低功率損耗，把刀輥設計成空心結構以減輕刀輥的質量。

刀輥的工作寬度對打捆機的工作效率和穩定性有很大影響，刀輥的工作寬度決定于刀輥寬度，也就是兩側軸頭內側的長度。合理的刀輥寬度能夠提高撿拾機構的作業效率，減少作業次數和能源損耗，作業時刀輥的平衡性好，可減小對撿拾機構的磨損，延長刀輥的使用壽命。刀輥寬度過小時，撿拾作業的次數增加，作業效率降低，拖拉機行駛路程增加，油耗上升，并且撿拾機構容易疲勞，大大降低撿拾機構的壽命。遇到較粗的甜高粱莖稈也難以打碎，容易造成堵塞，打捆機的故障率增加，打捆效果差。刀輥寬度過大時，工作效率提高，但動力需求也增加，對拖拉機的功率要求提高，同時，對撿拾機構的整體平衡產生影響，容易發生安全事故，可靠性不高。根據現在市場通用刀輥寬幅并結合國家標準和甜高粱莖稈長度，選取刀輥寬度為2.4 m。圖1所示為撿拾機構示意圖。

刀輥的直徑也是對撿拾機構性能影響很大的因素之一，它對刀輥的轉速和在工作期間的平穩性有著直接影響，也會影響拖拉機發動機的負荷和打捆機的工作壽命。配套的刀輥直徑與打捆機的配合度更高，撿拾作業的效率、質量和穩定性也就越高，故障率越低。如果刀輥的強度不能達到要求，很容易在刀座處發生變形。由于地面坑洼不平，工作時刀輥很容易碰到硬物或石子，發生碰撞時產生的沖擊和顛簸直接破壞撿拾機構的動平衡，影響撿拾效率和撿拾質量。刀輥的直徑越大，整個撿拾機構的尺寸也增加，給拖拉機的動力造成更大的負擔，故障率增加，而且撿拾刀片之間的空隙變大，撿拾質量受到影響。如果刀輥的直徑過小，刀輥的強度達不到要求，容易發生變形，而且撿拾刀片的排列過于緊密，在撿拾機構作業時，很容易發生撿拾刀片相互碰撞，故障率升高，系統穩定性降低，無法有效撿拾和打碎高粱莖稈。所以，綜合考慮甜高粱莖稈打捆的實際要求，結合國家相關標準，撿拾刀片的長度定為135 mm（刀柄90 mm，彎折部分長度45 mm），撿拾刀片的質量設計為0.5 kg/片，刀輥外徑為180 mm，內徑尺寸為160 mm，刀輥與刀座之間采用焊接高強度連接，撿拾刀片用銷軸連接在刀座上且可以自由轉動[4]。

2.2 刀輥轉速分析

甜高粱莖稈的打碎撿拾主要取決于打捆機刀輥的轉速。為提高打碎效果，將刀輥的旋轉方向設為與撿拾作業方向相同，即刀輥在豎直平面內進行高速回轉，在拖拉機牽引下刀輥在水平方向直線運動。選取刀輥幾何中心為原點O，機組作業前進方向為x軸正方向，豎直方向為y軸正方向，建立撿拾刀片的運動軌跡如圖2所示。因此，撿拾刀片的運動軌跡參數方程式為：

式中：ω為刀輥的角速度，rad/s；V為打捆作業機組的前進速度，m/s；R為撿拾刀片的回轉半徑，mm。

對軌跡方程式（1）進行求導，得到速度方程：

撿拾刀片的絕對速度Va的表達式：

式中：Vr為刀片端點最大回轉半徑線速度，令Vr=ωR=，其中n為刀輥轉速，r/min。

當刀片的線速度方向與作業行進水平方向相反，且機具前進速度V取最大值時，甩刀的絕對速度Va最小，此時刀片的回轉線速度Vr最小，即：

結合已知條件得出刀軸最低轉速：

研究表明，刀片端點的回轉線速度Vr≥35 m/s時，才能實現打捆機撿拾和切碎，當Vr≥48 m/s時，撿拾和切碎效果最佳[5]。機具工作前進速度V=2 m/s，撿拾刀片的回轉半徑R為220 mm，此時刀輥的最小轉速為2 084 r/min。

2.3 刀座的設計

刀座是連接撿拾刀片和刀輥的部件。刀輥為弧形面，為了保證刀座能夠與刀輥緊密貼合，將刀座的底面設計成與刀輥相貼合的弧面，保證在焊接時不出現虛焊，保證連接強度[6]。按照設計要求，根據計算得到的數據，刀座尺寸取長為50 mm，寬為35 mm，厚度為6 mm，刀座底部與刀輥焊接處的圓弧半徑r=90 mm，弧度為29°，撿拾粉碎刀片的安裝孔徑d=20 mm。

撿拾刀片的位置排列影響撿拾機構的作業效果，要保證撿拾打碎質量和效率，必須對撿拾刀片進行合理排列，保證撿拾機構的作業動平衡。為了確保撿拾刀片排列的科學合理，需遵循以下要求：

1）刀輥上，刀片與刀片之間的軸向距離要均勻，既要避免漏撿漏切，也不能重復切割增加不必要的磨損。同時要保證相鄰撿拾刀片能夠完成秸稈的拋送，防止出現堵塞現象。甩刀數量N的最優值由下式確定：

式中：L為刀輥的作業幅寬，C為甩刀密度。研究表明，打捆機的甩刀密度的取值范圍為0.005～0.01片/mm。

2）撿拾刀片采用螺旋式排布。考慮到撿拾刀片在高速旋轉時產生離心力，在刀輥上安裝四組撿拾刀片螺旋分布，相對的兩組刀片呈180°分布，以此抵消離心力。

3）刀座的長度會影響撿拾刀片的回轉。刀座的長度需要與撿拾刀片相配合，借鑒經驗，將撿拾刀片與刀座的長度比控制在3∶1。

因為螺旋式刀片排布方式，工作效率高，刀片磨損低，刀輥的動平衡較好，制造工藝簡單，故選用雙螺旋式分布。下頁圖3所示為撿拾刀片的分布展開圖，橫坐標代表刀輥的長度方向，并且為了配合第一列和第十六列的撿拾刀片的撿拾工作范圍，在撿拾刀片的外側留出87.5 mm的空隙，其他撿拾刀片之間的距離為135 mm。縱坐標代表刀輥軸向方向，在軸向均勻螺旋分布四排撿拾刀片，每排相隔90°，每排有八個撿拾刀片，各排相鄰刀座之間的距離為270 mm。相鄰的兩排撿拾刀片錯落分布，留有一定的距離，保證相鄰刀片之間不出現干擾。

2.4 撿拾刀片的結構設計

撿拾刀片的結構形狀對高粱莖稈的打碎效果有很大作用。分析如圖4所示的常見的直刀型、錘爪型、Y型甩刀、T型甩刀、L型甩刀和鞭式甩刀等幾種撿拾刀片的結構特點可知，Y型甩刀的體積小、作業時阻力小、制造工藝簡單，成本低，對稱結構在高速旋轉時能保持較好的動平衡，打碎效果好，也不容易出現堵塞問題，所以選用Y型甩刀結構。在具體應用時，將兩把L型刀片背對背組合在一起拼成Y型刀片，利用銷軸連接在刀座上，能夠有更強的抗沖擊性能。

撿拾刀片材料采用耐磨性和抗沖擊性較好的高錳鋼65Mn。調研現在市場上常見打捆機撿拾刀片尺寸，經實驗可知，當切削角為20°左右時，切削力和消耗功率最小，因此，改進的Y型甩刀的彎折角取為20°，刀片厚度取8 mm。

3 結論

通過對飼用甜高粱打捆機的撿拾機構進行分析，優化設計了撿拾機構以提高撿拾效率。

1）對打捆機的撿拾機構工作原理進行解析，確定了打捆機刀輥的主要參數和結構。撿拾刀片通過銷軸連接在刀座上，刀座焊接在刀輥上，以提高撿拾刀片的使用壽命和抗沖擊性。

2）刀輥轉速切割線速度Vr≥35 m/s滿足要求，撿拾機構工作前進速度2 m/s，刀片回轉半徑為220 mm，刀輥的最小速度為2 084 r/min。

3）撿拾刀片的結構采用改進的Y型甩刀結構，雙螺旋式排列，工作效率高，刀片磨損低，刀輥的動平衡較好，制造工藝簡單。