青貯玉米喂入切碎裝置設計與試驗*

張家瑞，丁立利，李正鎖，李曉康，沈小波

(1. 甘肅省機械科學研究院有限責任公司，蘭州市，730030；2. 甘肅省草地農業機械重點實驗室，蘭州市，730030)

0 引言

青貯飼料尤其是全株玉米青貯因其營養價值高、保存效果好等優勢，能幫助牧場節本增效，已成為我國養殖業不可或缺的基礎飼料之一[1]。青貯玉米的最適收獲時期一般在1/2乳線和1/4乳線階段，植株含水率在61%～68%，即籽粒乳熟中期[2]。

國內外青貯玉米收獲機械主要部件由割臺裝置、喂入裝置、切碎裝置和拋送裝置等組成，部分機型因收獲加工工藝不同，增設有打捆裝置[3]。其中，喂入裝置和切碎裝置是保證整機切碎均勻性的關鍵部件。國外青貯收獲機收獲效率可達15～100 t/h[4-6]，可一次性完成收獲、切碎、拋送和裝車，并配有切斷長度無極可調和籽粒破碎等功能。整機自動化程度高，可靠性好，但價格昂貴，不適應我國小地形作業需求。國內青貯玉米收獲機切碎裝置主要有盤刀式和滾筒式，盤刀式切碎裝置結構簡單，但由于結構限制，喂入口寬度不宜過大，其生產效率比滾筒式低[7]。滾筒式切碎裝置入料口較寬，切斷效果好，廣泛應用于各種中大型青貯收獲機。近年來，尤泳等[8]研制的王草收獲機、魏天路等[9]設計的青飼料收獲機切碎輥、薛釗等[10]設計的青飼玉米收獲機械切碎裝置等都采用了滾筒式切碎裝置。

為了解喂入裝置和切碎裝置功率分布情況，探究不同行走速度下喂入裝置和切碎裝置功率變化，本文研制了青貯玉米喂入切碎試驗臺，搭建了一套青貯玉米喂入切碎裝置測控系統，通過上位機控制試驗臺，實時監測喂入裝置和切碎裝置的運行狀態。

1 總體結構和工作原理

1.1 總體結構

青貯玉米喂入切碎試驗臺主要由割臺、喂入裝置、切碎裝置、拋送裝置和電機等組成。為模擬田間收獲模式，設計了插禾運輸機，如圖1所示。

圖1 喂入切碎裝置試驗臺結構

1.2 工作原理

工作前，人工將玉米秸稈固定在插禾運輸機上，依次啟動割臺、喂入裝置和切碎裝置，待各裝置達到預設速度，啟動插禾運輸機，將玉米秸稈送至割臺，玉米秸稈經由割臺切割和扶禾輸送齒輸送至喂入裝置。喂入裝置由兩個喂入輥組成，起到壓緊玉米秸稈的作用。隨后，玉米秸稈在切碎裝置切碎后，經過拋送裝置，將其送出，完成青飼料切碎步驟。表1為試驗臺的主要技術參數。

表1 試驗臺技術參數Tab. 1 Parameters of test bench

2 關鍵部件設計與分析

2.1 喂入裝置設計

喂入裝置主要由鏈輪、軸承座、固定輥(上輥)、浮動輥(下輥)、壓緊連桿和壓緊彈簧等組成，用來將割臺送入的玉米秸稈壓緊并喂入切碎裝置，以便獲得良好的切碎質量和較為精準的切碎長度，如圖2所示。

圖2 喂入裝置結構示意圖

假設喂入前玉米秸稈厚度為H1，經過喂入裝置壓緊后物料厚度為H2，物料喂入過程示意如圖3所示。

圖3 物料喂入過程示意圖

O1和O2分別表示上固定輥(上輥)和浮動輥(下輥)的圓心，當玉米秸稈送入喂入裝置后，兩喂入輥對玉米秸稈產生正向壓力N，為保證物料順利喂入，需滿足

(1)

式中：μ——玉米秸稈與喂入輥摩擦系數；

N——喂入輥對玉米秸稈正向壓力，N；

θ——N的方向角，(°)。

通過分析可知，要想玉米秸稈能正常喂入，需要θ≤45°。喂入輥半徑r滿足

2r+H2=2rcosα+H1

(2)

式中：α——玉米秸稈層進入喂入輥前與喂入輥的弧長角，(°)。

玉米秸稈能被送入喂入輥的臨界值為α=2θ，有

(3)

取喂入前玉米秸稈最大厚度H1為100～140 mm，經過喂入輥后其厚度H2為50～70 mm，α=36°，由式(2)、式(3)可知，喂入輥最小直徑范圍為130～170 mm。在實際生產中，為增加接觸面，通常在喂入輥表面增加齒形葉片。

2.2 切碎裝置設計

玉米秸稈切碎裝置由動刀、定刀、軸承座和切碎主軸等組成，為增加其拋送能力，在刀架上設置拋送板，如圖4所示。其主要工作部件為軸向等距布置的兩排帶有拋送板的平板形刀具。

圖4 切碎裝置結構示意圖

當玉米秸稈在喂入裝置推動下，進入切碎裝置，由動刀片進行切割，切碎后的物料聚集在拋送板上，獲得一個垂直于刀軸徑向的初始速度后，直接進入拋送裝置，在氣流和初始速度作用下，切碎的玉米秸稈沿拋送裝置的彎管臂內運動，最后從出料口拋出。圖5為切割過程分析[8, 11-13]。

如圖5所示，abcd為玉米秸稈喂入口，AB和CD為動刀刀刃，切割過程中動刀AB與CD交替切割，一定程度上降低了動刀作用在軸線上的作用力。v為刀刃AB上的任意一點速度。將v分解為垂直于刃口方向的正切速度vn和平行于刃口的滑切速度vt，那么v與vn的夾角τ為滑切角，刃口與定刀的夾角χ為擠推角。刀具長185 mm，動定刀間隙為3 mm[13-14]，刃口曲線是橢圓曲面的一部分，其結構參數如圖6所示。

圖5 切割過程示意圖

圖6 動刀刃口結構參數

(4)

Ztanβ=Rsinφ

(5)

式中：Z——動刀刃口上A點坐標值，mm；

β——動刀平面與主軸中心線的夾角，(°)；

R——動刀軌跡回轉半徑，取220 mm；

φ——動刀刀刃安裝前傾角，(°)。

當安裝前傾角較小時，切割阻力增加，功耗增加，參照《農業機械設計手冊》取φ=42°。且由圖5可知，適當增加滑切角度，可降低切割力，但過大的滑切角會增加功耗，影響切割質量，且由于滾筒結構限制，τ取8°，擠推角χ=5°。

2.3 理論切碎長度

青貯飼料切碎長度l取決于喂入裝置喂入速度vw、切碎裝置切碎主軸轉速n和切碎裝置動刀片數量z。

(6)

式中：l——青貯飼料切碎長度，mm；

vw——喂入裝置喂入速度，m/s；

n——切碎裝置切碎主軸轉速，r/min；

z——動刀片數量。

玉米青貯切碎理論長度為12 mm，最長切斷不得超過30 mm。參照《農業機械設計手冊》，取青貯玉米喂入速度vw范圍為1.6～2.9 m/s，動刀片數量z=6，切碎主軸轉速n=1 497 r/min，代入式(6)，得到理論切碎長度范圍為11～20 mm。

3 試驗臺測控系統設計

3.1 測控系統硬件組成

控制系統硬件示意圖如圖7所示。控制系統硬件部分主要由上位機系統、數據采集系統和動力系統組成。動力系統是給青貯玉米喂入切碎裝置試驗臺正常運轉提供動力的電氣控制柜組合，主要由變頻器和電動機組成，變頻器和PLC通過通訊模塊建立連接，實現電動機控制狀態監測，并實時記錄電流、電壓；數據采集系統用于采集電動機扭矩信號，其中插禾運輸機只起到模擬田間收獲的狀態，因此無需測其扭矩；上位機系統主要由人機交互界面和PLC組成，用于處理和顯示相關參數、控制試驗臺的啟停。

圖7 控制系統硬件示意圖

該試驗臺動力裝置采用YX3-180L-4和YX253-225S-4三相異步電動機，該電動機具有調速范圍廣、運行平穩的特點。變頻器采用GD200A-022G/030P-4和GD200A-037G/045P-4開環矢量變頻器，該變頻器具有優異的矢量控制性能，實現轉矩控制、速度控制的一體化，運用DSP控制系統，應用靈活，性能穩定，支持提供RS485通訊接口，采用國際標準的ModBus通訊協議進行主從通訊，可通過PC/PLC控制，進而實現集中控制(設定變頻器控制命令、運行頻率、相關功能碼參數修改，變頻器工作狀態及故障信息監控等)，以適應特定應用要求。扭矩傳感器采用HCNJ-101 型動態扭矩傳感器，該傳感器檢測精度高、穩定性好，抗干擾性強，體積小、重量輕、易于安裝。安裝時，扭矩傳感器兩端通過聯軸器分別與傳動軸連接。

PLC型號根據系統架構、I/O點數等進行選擇。本系統有模擬量輸入信號3組，而變頻器需通過RS485和RS232實現通訊，硬件組成見表2。

表2 試驗臺硬件參數Tab. 2 Technical parameters of test bench

3.2 測控系統軟件設計

3.2.1 控制系統軟件功能框圖

本系統主要通過人機交互界面發送和接收相關指令，實現對試驗臺控制，控制系統功能框圖見圖8。

圖8 控制系統功能框圖

其主要步驟為功能或界面選擇，割臺、喂入和切碎部件啟停，參數選擇等。

3.2.2 控制系統人機交互界面設計

選用TPC1062K觸摸屏作為青貯玉米喂入切碎裝置試驗臺的人機交互界面，其可通過串口通信電纜與PLC連接。TPC1062K觸摸屏采用163 mm×226.6 mm 高亮度TFT液晶顯示屏，其分辨率為800像素×480像素，可用于控制信息的輸入和現場采集工作數據的顯示。

青貯玉米喂入切碎裝置試驗臺的人機交互界面由主界面、參數設置、曲線報表、歷史數據等組成。在參數設置界面，可以進行相關部件運行速度設定；在曲線報表界面，通過選擇相關參數，可以完成實時曲線繪制；在主界面右側，可以檢測其部件運行狀態。

3.2.3 通訊及監控程序

該程序主要用來控制試驗臺運行及監控電機運行狀態。圖9是部分程序，PLC與變頻器通過RS485接口通訊，圖中M1002中繼在PLC啟動時提供正向脈沖，觸發程序啟動。然后通過MOV指令和SET指令進行通訊格式設置，并完成變頻器頻率設定和讀取。

(a) 通訊部分程序

4 試驗分析

為驗證青貯玉米喂入切碎裝置測控系統實際運行效果，2020年9月10日在甘肅省武威市黃羊鎮利用控制系統控制試驗臺對玉米秸稈進行不同條件下的切碎試驗。試驗所用玉米秸稈取自甘肅省農業機械田間作業機械試驗示范基地處于乳熟中期全株玉米。

4.1 試驗方法

功率和標準草長率是評價試驗裝置工作性能主要指標。功率是通過安裝在喂入裝置和切碎裝置上的扭矩傳感器測定，試驗過程中，實時記錄喂入裝置和切碎裝置的扭矩和轉速，利用瞬時功率計算，獲得實時切碎功率。計算公式為

(7)

式中：P——電機功率，kW；

T——電機轉矩，N·m；

n′——電機轉速，r/min。

標準草長率：即切段長度的均勻性，是檢驗青貯收獲機作業質量標準的關鍵參數之一。切斷長度不均勻，會降低飼料的質量[13]。每次試驗時，取切碎物料樣本1 200～1 500 g，分為3份，每份質量為400～500 g，分別稱重計為取樣質量Gy；將每份稱重后樣本置于賓州篩頂層篩上，每個方向水平搖動5次篩子，每水平搖動5次旋轉90°，搖篩時不得上下顛覆物料，重復過程7次，獲得不同長度范圍內的樣品。將賓州篩內符合標準長度草系的樣品層分別稱重并累加，累加后的質量記為標準長度草的總質量Gc，那么，標準草長率

(8)

式中：S——標準草長率，%；

Gc——標準長度草的總質量，g；

Gy——取樣質量，g。

4.2 試驗結果與分析

為還原收獲機田間作業情況，通過調節插禾運輸機的插禾機構實現株距行距調節，采用1.2、1.6、2 km/h三種插禾運輸機速度模擬田間前進速度，秸稈株距為30 cm，所測得標準草長率和試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案與結果Tab. 3 Protocols and results

試驗前，先啟動切碎裝置和喂入裝置，待各部件運行穩定、傳感器信號正常接收后，啟動插禾運輸機。試驗結束后，保存試驗數據，關閉試驗臺，更換插禾運輸機上玉米秸稈，進行下一次試驗。

根據文獻[15-16]可知，青貯玉米收獲機的標準草長率需大于等于85%。由表3可知，平均標準草長率為87.44%，滿足設計需求。喂入裝置和切碎裝置的功率變化曲線如圖9所示。圖9(a)～圖9(c)是喂入裝置在不同前進速度下的功率和轉速曲線，圖9(d)～圖9(f)是切碎裝置在不同前進速度下的功率和轉速曲線。圖中只畫出了各個部件運行穩定后轉速和功率的曲線。

由圖9可知，在空載狀態下，喂入裝置功率為1.5 kW，切碎功率為2.0 kW；當玉米秸稈進入后，喂入裝置和切碎裝置都出現了功率急劇增加的現象，當喂入速度為1.2、1.6、2.0 km/h時，喂入裝置瞬時最大喂入功率分別為3.5、4.6、5.8 kW；切碎裝置瞬時最大喂入功率分別為22、28、29 kW。

5 結論

1) 根據青貯玉米機械化收獲需求，設計了喂入裝置和切碎裝置，通過收獲要求，確定了各個部件的主要結構參數和運行參數。開發了喂入切碎裝置試驗臺測控系統，該系統可實時采集、顯示與保存喂入裝置和切碎裝置的扭矩、轉速等信息，進而計算得到各個部件的功率消耗。

2) 設計的喂入切碎試驗裝置的標準草長率為87.44%，滿足設計需求。以喂入速度和功率為試驗因素進行的多次試驗，得到了喂入裝置和切碎裝置的空載功率分別為1.5 kW和2.0 kW，滿載瞬時最大功率可達5.8 kW和29 kW。本研究可為青貯飼料收獲機的進一步優化提供數據參考和技術支持。