青飼料收獲機自動磨刀裝置及弧形彎刀設計

滕紹民， 華榮江， 蘭 寧， 赫志飛， 王 楠， 郭 勇

（1. 中機美諾科技股份有限公司，北京 100083； 2. 中國農業機械學會，北京 100083）

0 引言

青飼料收獲機作為一種飼料作物收獲機械，為畜牧業發展提供了高效生產機具。青貯飼料收獲季節較短，過早、過晚收獲都會造成飼料營養損失，對青飼料收獲機的工作性能和作業效率提出了更高要求[1]。青飼料收獲機的工作質量和效率直接影響青貯飼料的質量和產量，提高青貯飼料機械化收獲技術水平成為迫切需要解決的問題[2]。

農機具大多是露天作業，零部件經常與土壤、砂石、作物秸稈及根塊等接觸，銹蝕和磨損比較嚴重[3]。青飼切碎機（一種主要的秸稈青貯設備）的主要工作部件動刀片，在切割過程中受秸稈組織里的氧化硅晶體、表面吸附的石英微粒及帶入的沙石的作用，磨損非常嚴重，是易損件，幾乎需要每天或半天就拆卸、磨銳和調整一次，既浪費時間，又不安全，尤其是在秸稈青貯季節，動刀片鋒利與否直接影響到青貯的效率和質量，關系到工人的勞動強度和企業的經濟利益[4]。刀具自身材料、結構參數及安裝參數直接影響切割效率和切割質量。刀具材料影響刀具與秸稈的接觸情況，從而影響切割效率，同時也影響刀具的使用壽命。刀具切割青飼料秸稈性能的好壞取決于刀具切割部位的材料[5]。

現在市面上的青飼料收獲機一般都具有磨刀裝置，但大多是手動操作。每次更換或磨刀必須停機，如果現場磨刀，則需要延長停機時間，增加了工人的勞動強度，增大投入成本。這種模式已經不能滿足廣大用戶的需求。

針對上述問題，研究設計了一種青飼料收獲機的弧形彎刀及電控磨刀裝置，根據實際作業情況，方便、快捷地實現磨刀，縮短青貯飼料收獲過程中的磨刀時間。裝置結構簡單，操作方便，流程安全可靠，能較大程度地提高青飼料收獲機的作業效率[6]。

1 青飼料收獲機切碎器研究現狀

目前，我國大中型農場使用的主要為不分行收割的自走式青飼料收獲機。結構包括割臺、喂人裝置、切碎裝置、拋送裝置、發動機、底盤、駕駛室、液壓系統和電氣控制系統等[7]。

青貯飼料切碎是青飼料收獲機作業過程中必不可少的加工過程。目前國內外對青飼料收獲機研究仍以加大功率為主流，但在功率不斷加大的過程中，其切碎刀片基本上沒有大的變化，因此出現了機型越先進，功率越大，而刀片磨損越嚴重的局面。刀片的這種磨損情況已成為我國青飼料收獲機生產廠必需面臨的重大問題[4]。

常見的切碎器主要分為兩種：一種是盤刀式切碎器，如圖1 所示；另一種是滾筒式切碎器，如圖2 所示。兩種切碎器各有優缺點[8]。盤刀式切碎滾筒主要缺陷是傳動復雜，結構不緊湊，圓盤剛度較差，切割過程中滑切角變化幅度較大，進而導致切割阻力急劇變化，刀軸負荷不均勻，回轉穩定性差，使切割質量降低。相比盤刀式切碎滾筒，滾筒式切碎器生產率高，滾筒式切碎器有弧形刀滾筒式和平板刀滾筒式，弧形刀滾筒式切碎器的動刀屬于等滑切角切刀，它具有工作負荷均勻、機器振動小的顯著特點，滾筒在較低轉速時，仍可獲得較短的切段。雖然弧形刀片的制造難度大，但經過多次技術研究試驗，設計的新型弧形彎刀更利于磨刀機構磨刀，因此，在弧形彎刀的設計基礎上研究了一種全新的自動磨刀裝置。

圖1 盤刀式切碎器Fig. 1 Disc knife type shredding drum

圖2 滾筒式切碎器Fig. 2 Drum shredding drum

2 自動磨刀裝置設計

2.1 自動磨刀裝置結構

青飼料收獲機的自動磨刀裝置主要由主機架、磨刀裝置、磨刀驅動裝置、護罩及拆卸裝置組成，如圖3 所示。磨刀裝置設置于主機架上、切碎刀輥的上方，并可沿主機架橫向移動；磨刀驅動裝置設置于磨刀裝置后方，其包括分別設置于主機架左、右兩側并與主機架固定連接的左側進油桿和右側進油桿，及與左側進油桿和右側進油桿連接并可沿二者橫向移動的移動缸體；主機架右側的架體上固定連接有限位傳感器，磨刀裝置向右側移動觸碰限位傳感器后即可判定其到達非工作安全位置；主機架的左側設置有開啟傳感器，開啟油缸控制護罩打開后將觸碰開啟傳感器，從而判定其開啟到磨刀模式的工作狀態，磨刀裝置可以進行磨刀作業。

圖3 自動磨刀裝置Fig. 3 Automatic knife sharpening device

2.2 自動磨刀裝置工作流程

當青飼料收獲機作業一段時間后，切碎滾筒動刀變鈍，需要停止作業進行磨刀。保持青飼料收獲機處于怠速狀態，在操縱面板選定自動磨刀操作，液壓系統準備就緒，電控磨刀系統準備就緒，運行自動磨刀。執行磨刀操作前，負責保護磨刀裝置的蓋板會通過液壓系統打開，蓋板打開到位后，磨刀電磁閥啟動，磨刀左移至限位點后磨刀右移，如此反復數次直至完成磨刀，蓋板關閉。

自動磨刀裝置設置了保護裝置，若蓋板未打開，左右限位開關無法接通，磨刀無法啟動工作，實現了對磨刀裝置的保護作用。

3 切碎滾筒的弧形彎刀設計

根據喂入口的寬度、機體的工作功率、工作幅寬及刀盤工作轉速的設定（1 200 r/min），本次設計的動刀選擇弧形刃刀片，考慮到作業的使用壽命，弧形彎刀片材料采用合金彈簧鋼。使用Dassault Systemes 三維機械設計軟件SolidWorks 的插件Simulation，進行切碎滾筒弧形彎刀片的靜力學分析。

3.1 刀片材料選擇

選取條件屈服極限值為1 127 MPa，密度為7.85×103 kg/m3，橫向變形系數0.29 的合金彈簧鋼作為刀片原材料。

3.2 約束條件

在動刀片螺栓孔的位置添加固定幾何體約束[8]。

3.3 施加載荷

切碎滾筒在切割時，由于作物長勢不同，切割受力情況較為復雜。根據孟海波的理論可知，每根含水率為71%的玉米秸稈切割阻力約為455 N[8]。動刀片長度設定成380 mm，經測量，玉米秸稈直徑約為30 mm。假設工作瞬間動刀片的切割根數為13 根，因刀片轉速較快，按條目沿邊線對動刀片刃口施加外部載荷力，大小為6 500 N，如圖4 所示。

圖4 加載力Fig. 4 Loading force

3.4 網格劃分

采用的方式為四面體單元劃分法，網格單元節點距選擇6.175 mm、公差0.308 mm，網格劃分如圖5 所示。

圖5 動刀片網格化Fig. 5 Moving blade meshing

3.5 有限元分析

單 擊運行“Simulation Command Manager”進行運行分析， Simulation 算例樹中出現分析現象的結果。動刀片的靜態應力云圖如圖6 所示，最小應力近似為0；最大應力出現在刀刃兩側刀尖處，值為98.94 N/m2，小于材料屈服強度1 127 MPa，刀片符合許用的要求。

圖6 動刀片的靜態應力云圖Fig. 6 Static stress cloud of moving blade

在圖7 中，刀刃的最大應力為98.94 MP，處于刀刃端部位置，選取的材料本身屈服應力是1 127 MPa，屈服強度滿足設計需求；最大位移同樣發生在刀刃端部位置，為0.012 21 mm。在載荷均勻分布的情況下，刀片的最大變形位置是刀刃兩端，屬于微量變形，符合設計需要。設計切碎滾筒定刀與動刀的刃口距離為0.2～0.3 mm，經過有限元分析此設計符合安全設計，滿足產品作業要求。

圖7 動刀片位移云圖Fig. 7 Moving blade displacement cloud diagram

動刀片是青飼切碎機的核心工作部件，也是受力比較復雜的易損元件，其性能直接影響切碎器的總體性能及壽命，所以動刀片的選擇極為重要。本動刀采用復雜變角曲線，解決了切段長度不均勻問題，刃口均勻性好，切割省功，降低耗油，增加耐磨層，比普通動刀提高壽命10%以上。

4 試驗與應用

本設計主要應用于中機美諾科技股份有限公司生產的大型青飼料收獲機，自動磨刀裝置單機試驗如圖8所示。

圖8 磨刀試驗Fig. 8 Automatic tool sharpening test

2018-2020 年青飼料收獲季，配置自動磨刀裝置的青飼料收獲機分別在內蒙古、河北、河南、山東和陜西等地進行了3 輪樣機推廣試驗。第1 輪：時間2018 年7 月15 日至10 月31 日，數量120 臺。第2 輪：時間2019 年7 月15 日至10 月31 日，數量180 臺。第3 輪：時間2020 年7 月15 日至10 月31 日，數量265 臺。自動磨刀裝置均工作正常，田間樣機試驗效果如圖9 所示。每臺青飼料收獲機年收獲量均大于6 000 t，工作中平均減少30%人力磨刀的作業時間，提高了工作效率，提升物料切碎質量，證明自動磨刀裝置作業效果顯著。

圖9 自動磨刀樣機試驗Fig. 9 Automatic knife sharpening prototype test

青貯飼料按300 元/t，一年每臺機器可增收6 000×5%×300/（1-30%）= 12.9 萬元，經濟效益顯著。自動磨刀操作簡便，運行流程順暢，故障率低，可靠性良好，用戶對產品給與了肯定，市場反響良好。

5 結束語

研究成果對我國秸稈飼料收獲裝備研究提供了較大的科學價值。設計研發的青飼料收獲機自動磨刀裝置優化了傳統手動磨刀操作流程，安全可靠，自動化程度高，大大縮短了磨刀時間，節省了工時，提高了青飼料收獲機的工作效率。弧形彎刀對我國青貯飼料收獲機及畜牧產業的發展有重要意義，促進我國具有自主知識產權的民族農機產業健康發展，縮短與國外產品差距，提升行業核心競爭力。