智能伸縮型青貯取料機(jī)的研制

范良俊

（上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，上海市 201100）

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

青貯飼料作為奶牛養(yǎng)殖的主要粗飼料，對(duì)奶牛養(yǎng)殖有著重要的意義，如今奶牛養(yǎng)殖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)集約化和規(guī)模化，而青貯取料則是其中關(guān)鍵作業(yè)的環(huán)節(jié)。歐美國(guó)家的牧場(chǎng)規(guī)模大，青貯取料設(shè)備也十分先進(jìn)。如意大利司達(dá)特生產(chǎn)的Dobermann自走式青貯切割攪拌機(jī)（圖1），包括立、臥式兩種攪拌形式，容積從12～28 m3不等，通過(guò)機(jī)電液一體化技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)了青貯取料、輸送、攪拌和設(shè)備行走等多個(gè)功能；法國(guó)庫(kù)恩生產(chǎn)的SPW型自走式飼料攪拌機(jī)（圖2）具有高效的青貯切割性能，均勻的攪拌效果和高質(zhì)量的喂送功能，料箱容積從19～25 m3不等，自帶可編程稱重系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確喂送；自帶的液壓系統(tǒng)可以滿足行走、切割、升降等多個(gè)功能，且均可實(shí)現(xiàn)編程控制。這些進(jìn)口的青貯切割攪拌機(jī)一般配備180～300匹的大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)備的行走、取料、伸縮均采用了集取料、運(yùn)輸、攪拌及地盤(pán)行走為一體的電液控制系統(tǒng)。

圖1 Dobermann自走式青貯切割攪拌機(jī)

圖2 SPW型自走式飼料攪拌機(jī)

國(guó)內(nèi)牧場(chǎng)對(duì)于青貯取料大部分會(huì)采用鏟車(chē)鏟挖的方式，容易造成青貯飼料的坍塌和浪費(fèi)。主要還是因?yàn)檫M(jìn)口設(shè)備過(guò)于昂貴，國(guó)內(nèi)設(shè)備性能不可靠和一些牧場(chǎng)的規(guī)模相對(duì)較小等原因。但隨著我國(guó)牧場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，牧場(chǎng)對(duì)于機(jī)械化作業(yè)的需求也十分迫切。通過(guò)引進(jìn)吸收消化國(guó)外技術(shù)的方式，青貯取料機(jī)也不斷國(guó)產(chǎn)化。黑龍江省畜牧機(jī)械化研究所在2017年研制的9JLQQ-1600型自走式青貯取料機(jī)，該設(shè)備裝備了兩套液壓系統(tǒng)，行走液壓系統(tǒng)和取料液壓系統(tǒng)，解決了國(guó)產(chǎn)青貯取料機(jī)車(chē)輪小和底盤(pán)低，取料滾筒動(dòng)力不足，行走速度和跨越障礙能力差的問(wèn)題；9QQ-1600-5型全遙控青貯取料機(jī)（圖3），采用電機(jī)控制雙聯(lián)泵的液壓系統(tǒng)控制地盤(pán)行走和取料作業(yè)，取料寬度1.6 m，高度可達(dá)4 m以上。雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出一部分青貯取料機(jī)，但是依然存在很多缺點(diǎn)和不足，大多為電機(jī)驅(qū)動(dòng)并需要現(xiàn)場(chǎng)拉電，設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)不方便，取料高度相對(duì)較低，取料截面不平整容易造成塌陷。因此，研發(fā)一款行動(dòng)靈活、截面平整，取料效率高的青貯取料設(shè)備很有必要。

圖3 9JLQQ-1600型自走式青貯取料機(jī)

2 取料機(jī)總體方案

本次研發(fā)的可伸縮取料臂青貯取料機(jī)主要由取料頭、伸縮臂組件、舉升臂組件、操控系統(tǒng)、行走與機(jī)架組件、動(dòng)力系統(tǒng)、排料輸送等機(jī)構(gòu)組成。該機(jī)采用全液壓控制，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式。設(shè)備性能參數(shù)如表1。

表1 高效可伸縮取料臂青貯取料機(jī)性能參數(shù)表

2.1 取料機(jī)構(gòu)

該取料機(jī)采用全密封的伸縮機(jī)構(gòu)，伸縮機(jī)構(gòu)可根據(jù)青貯飼料高度伸縮取料頭，取料高度最高可達(dá)8 m，伸縮機(jī)構(gòu)端部設(shè)置有取料滾筒，物料切割作業(yè)時(shí)可保障切割面接近90°，有效避免物料在取料過(guò)程中的坍塌。伸縮臂內(nèi)部設(shè)置多節(jié)傳送帶，從而確保飼料穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)送。

根據(jù)圖4所示，取料作業(yè)時(shí)，將舉升臂組件提升至取料頭到青貯窖最高處的合適位置并開(kāi)始取料，同時(shí)伸縮臂開(kāi)始伸出進(jìn)行一定深度的取料作業(yè)，當(dāng)完成一定深度的取料后，下降一定高度繼續(xù)取料，伸縮臂縮回，如此往復(fù)作業(yè)，避免了原有上下作業(yè)時(shí)一半的空行程，提高了效率。其次，能夠保證取料截面接近90°，防止青貯飼料塌陷。

圖4 伸縮型青貯取料機(jī)取料方法示意圖

2.2 行走系統(tǒng)

該機(jī)的行走系統(tǒng)擁有行走與橫向移動(dòng)兩種方式，且均采用液壓行走系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，采用行走、液壓轉(zhuǎn)向；由于青貯飼料橫向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)取料機(jī)橫移所需掉頭空間很大，且浪費(fèi)時(shí)間。本次研發(fā)的取料機(jī)行走系統(tǒng)帶有橫向行走系統(tǒng)，通過(guò)升降油缸將橫向行走馬達(dá)降至地面。再利用橫移馬達(dá)實(shí)現(xiàn)取料機(jī)整機(jī)橫移，提高設(shè)備靈活性，提高生產(chǎn)效率。

2.3 液壓系統(tǒng)

本設(shè)備液壓系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)取料臂的舉升、取料頭和青貯料的輸送功能，除此之外，可實(shí)現(xiàn)取料機(jī)的行走、轉(zhuǎn)向、橫移和駐車(chē)等功能。伸縮型青貯取料機(jī)的液壓系統(tǒng)原理如圖5所示。本取料機(jī)液壓系統(tǒng)由三聯(lián)液壓馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)，分別控制取料機(jī)的不同工況。

圖5 伸縮型青貯取料機(jī)的液壓原理圖

2.3.1 取料工況

取料馬達(dá)和排料馬達(dá)連續(xù)工作，伸縮油缸和舉升油缸分別交替工作。液壓油通過(guò)大流量液壓泵1、溢流閥4.1，通過(guò)電磁換向閥6.3左側(cè)得電，進(jìn)入取料馬達(dá)帶動(dòng)取料切刀進(jìn)行切料取料作業(yè)；液壓油通過(guò)中流量液壓泵2、溢流閥4.2、分流閥5.3進(jìn)入伸縮油缸14，通過(guò)電磁換向閥6.4左右得電，可使取料頭進(jìn)行水平伸縮移動(dòng)；液壓油通過(guò)中流量液壓泵2、溢流閥4.2、分流閥5.3和5.4，通過(guò)電磁換向閥6.7左右得電，可使取料臂上下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)取料切刀進(jìn)行上下移動(dòng)；液壓油通過(guò)小流量液壓泵3、溢流閥4.3、通過(guò)電磁換向閥6.9左側(cè)得電，驅(qū)動(dòng)排料馬達(dá)，將取料頭取得的青貯料向外運(yùn)送。

2.3.2 行走工況

設(shè)備行走時(shí)，電磁換向閥6.1和6.2左側(cè)得電，制動(dòng)油缸8松開(kāi)，液壓油通過(guò)大流量液壓泵1，經(jīng)過(guò)溢流閥4.1和電磁換向閥6.2和6.3至行走馬達(dá)，通過(guò)后橋帶動(dòng)行走地盤(pán)進(jìn)行行走。當(dāng)取料機(jī)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，只需通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)從而推動(dòng)轉(zhuǎn)向油缸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。當(dāng)設(shè)備需要橫移時(shí)，電磁換向閥6.11左側(cè)得電，橫移支腿油缸定出，待橫移輪落地并支撐起取料機(jī)后，電磁換向閥6.10左側(cè)得電，橫移馬達(dá)工作，實(shí)現(xiàn)取料機(jī)橫移作業(yè)。

2.4 控制系統(tǒng)

本設(shè)備的控制系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)控制電磁換向閥實(shí)現(xiàn)取料、排料、行走、轉(zhuǎn)向和橫移等動(dòng)作。特別是在取料作業(yè)時(shí)，需要合理控制伸縮油缸和升降油缸的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)取料頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)安裝在油缸內(nèi)部的位移傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油缸的實(shí)際位移，從而確定取料頭的位置。通過(guò)對(duì)不同高度的青貯飼料進(jìn)行分點(diǎn)定位，確保在不同高度的青貯飼料都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料作業(yè)，并保證取料截面接近90°。

3 參數(shù)計(jì)算

3.1 油缸速度計(jì)算

已知伸縮油缸的額定流量為Q1=25 L/mm，升降油缸的額定流量為Q2=50 L/mm。設(shè)伸縮臂油缸缸徑D1=100 mm，桿徑d2=70 mm，升降油缸采用三級(jí)油缸，其最大缸徑D2=180 mm，最大桿徑d2=160 mm。

則伸縮臂油缸伸出的速度：

升降油缸伸出的速度：

3.2 生產(chǎn)效率計(jì)算

為滿足智能伸縮型青貯取料機(jī)單機(jī)75 kW功率下的每1h取料能力40 t的要求，進(jìn)行如下核算。已知青貯料密度大約為ρ=750 kg/m3。

設(shè)取料臂水平方向速度V1=191 m/h，豎直方向速度為V1=118 m/h，取料臂完成一次取料下降L1=0.2 m，取料臂水平取料長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=2 m，割幅寬度L3=2.6 m。

1）青貯飼料堆高L為8 m時(shí)：取料機(jī)完成一次等高取料總質(zhì)量約為

取料機(jī)刀頭下降次數(shù)約為n1=40次，水平移動(dòng)次數(shù)n2=41次，完成等高全部取料時(shí)間大約為

則取料機(jī)取料額定效率約為：

2）青貯飼料堆高L為6 m時(shí)：取料機(jī)完成一次等高取料總質(zhì)量約為

取料機(jī)刀頭下降次數(shù)約為n1=30次，水平移動(dòng)次數(shù)n2=31次，完成等高全部取料時(shí)間大約為

則取料機(jī)取料額定效率約為：

3）青貯飼料堆高L為5 m時(shí)：取料機(jī)完成一次等高取料總質(zhì)量約為

取料機(jī)刀頭下降次數(shù)約為n1=25次，水平移動(dòng)次數(shù)n2=26次，完成等高全部取料時(shí)間大約為

圖6 智能伸縮型青貯取料機(jī)空載試驗(yàn)

則取料機(jī)取料額定效率約為：

4）青貯飼料堆高L為4 m時(shí)：取料機(jī)完成一次等高取料總質(zhì)量約為

取料機(jī)刀頭下降次數(shù)約為n1=20次，水平移動(dòng)次數(shù)n2=21次，完成等高全部取料時(shí)間大約為

則取料機(jī)取料額定效率約為：

綜上所得，青貯窖在8 m、6 m、5 m和4 m堆高情況下，取料量都大于40 t/h，滿足設(shè)計(jì)的要求。

4 整機(jī)試驗(yàn)

在對(duì)本次智能伸縮青貯取料機(jī)進(jìn)行組裝后，進(jìn)行空載和帶載試驗(yàn)。空載時(shí)，取料馬達(dá)、傳送帶馬達(dá)運(yùn)行正常，伸縮油缸和升降油缸運(yùn)行順暢，滿足取料工況的要求。取料機(jī)各個(gè)主要部件運(yùn)行參數(shù)如表2。

表2 青貯取料機(jī)試驗(yàn)參數(shù)

5 結(jié)論

通過(guò)大量的生產(chǎn)性試驗(yàn)，本次研發(fā)的智能伸縮青貯取料機(jī)基本滿足預(yù)計(jì)的取料效率，優(yōu)化了傳統(tǒng)取料的工藝流程，提高取料效率。隨著國(guó)內(nèi)奶牛養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這一類大型、高效、智能的青貯取料機(jī)將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。