青貯玉米收獲機喂入切碎試驗臺設計與試驗

摘要：經(jīng)過收獲并發(fā)酵制成的青貯玉米飼料營養(yǎng)價值較高，是我國畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的物資基礎。針對青貯玉米收獲機存在切碎質(zhì)量差、喂入時秸稈易纏繞堵塞、能耗高等問題，設計喂入高度可調(diào)、喂入輥可反轉(zhuǎn)、切碎質(zhì)量較好的青貯玉米收獲機喂入切碎試驗臺，本試驗臺可以完成青貯玉米輸送、喂入、切碎、拋送等工作過程。對試驗臺的關鍵零部件進行靜力學分析和模態(tài)分析，以驗證其強度和可靠性。以秸稈切碎長度和長度合格率為主要性能參考指標，對該試驗臺進行性能試驗，試驗結(jié)果表明當喂入速度為2.5 m/s，切碎滾筒轉(zhuǎn)速為1700r/min時，切碎長度平均為15.6mm，合格率為96.1%，生產(chǎn)效率為15000kg/h，各項指標均符合國家標準和行業(yè)標準。

關鍵詞：青貯玉米；喂入裝置；切碎裝置；有限元法；模態(tài)分析

中圖分類號：S225.5+1

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 070041

07

Design and test of the feeding and shredding test bench on silage corn harvester

Li Xiangyang1， Li Xiaokang2， 3， Zhang Fengwei1， Song Xuefeng1， Pan Weiyang1， Hou Jingtao1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Gansu Agricultural University， Lanzhou， 730070， China;

2. Gansu Academy of Mechanical Sciences Co.， Ltd， Lanzhou， 730070， China; 3. Key Laboratory of Grassland

Agricultural Machinery in Gansu Province， Lanzhou， 730070， China）

Abstract：

The silage corn feed made by harvesting and fermentation has high nutritional value， which is the material basis for the sustainable development of China’s animal husbandry. Aiming at the problems of poor shredding quality， winding and clogging of straw during the feeding process， and high energy consumption in silage corn harvester， a test bench with feeding and shredding device for silage corn harvester is designed with adjustable feeding height， reversible feeding roll and good shredding quality. The test bench designed can complete the working process of silage corn transportation， feeding， shredding and throwing. Statics and modal analyses are carried out on key parts of the test bench to verify its strength and reliability. Taking shredding length and pass rate of straw as the main performance reference indexes，" the performance test of the test bench was carried out. The test results showed that when the feeding speed was 2.5m/s and the rotation speed of the shredding drum was 1700r/min， the average shredding length of straw was 15.6mm， the pass rate was 96.1%， and the production efficiency was 15000kg/h. All indicators are in line with national and industry standards.

Keywords：

silage corn; feeding device; shredding device; finite element method; modal analysis

0 引言

玉米秸稈作為一種粗飼料，鍘切后直接投喂食草家畜時存在咀嚼費力不適口、營養(yǎng)吸收率低等問題［1］。將含水率為65%～75%的玉米秸稈切碎并破節(jié)后，在密封缺氧的環(huán)境下經(jīng)過厭氧乳酸菌的發(fā)酵調(diào)制，抑制其他細菌的繁殖，得到一種優(yōu)質(zhì)的飼料［2］，稱為青貯飼料。青貯飼料具有氣味酸香適口［3］、柔軟多汁，寄生蟲少等特點，可以極大地改善反芻動物對于粗飼料的吸收，同時可以長期保存［4］。

青貯飼料收獲的一般過程為：秸稈切割、喂入、切碎、籽粒破碎和包膜密封［5］，喂入和切碎是兩個重要環(huán)節(jié)。喂入裝置中喂入輥的數(shù)量、排布和類型將直接影響喂入性能。國外青貯玉米收獲機喂入輥個數(shù)以4個或6個居多，國內(nèi)青貯收獲機大多采用4個喂入輥，牧澤4QS-18A青貯收獲機采用7個、美迪9QZ-3300A青貯收獲機采用8個喂入輥，甘肅農(nóng)業(yè)大學孫繼鑫等［6］設計的籽粒破碎裝置采用5個喂入輥。在秸稈發(fā)生纏繞時，喂入裝置的及時反轉(zhuǎn)將極大地提高整機的安全性能，避免造成耽誤農(nóng)時、鋼材耗費等經(jīng)濟損失［7］。切碎裝置中切刀類型和數(shù)量的不同會影響收獲機的工作效率［8］。常見的切碎裝置有兩種：滾刀式切碎裝置和盤刀式切碎裝置。盤刀式切碎裝置因其特定結(jié)構而限制了喂入口的大小，國外青貯收獲機已經(jīng)舍棄不用，國內(nèi)也只有牧神4QZ-3000A等極少數(shù)機型使用。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學［912］對盤刀式切碎器的發(fā)展與改進有突出貢獻，完成主要參數(shù)確定，通過正交試驗確定最佳動定刀間隙以及切碎器主軸最佳轉(zhuǎn)速等工作。

針對現(xiàn)有小型青貯收獲機喂入性能差、切碎質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，設計一種青貯玉米收獲機喂入切碎試驗臺。通過理論計算確定各部件參數(shù)，對關鍵部件進行CAE分析，確定其強度和可靠性。并在現(xiàn)場進行性能試驗，通過試驗結(jié)果的反饋來優(yōu)化各裝置的使用參數(shù)。

1 整體結(jié)構及其工作原理

1.1 整體結(jié)構

本試驗臺主要由輸送裝置、喂入裝置、切碎裝置、變頻電機、物料拋送通道以及底座構成，結(jié)構如圖1所示。

1.2 工作原理

首先由輸送裝置將全株玉米輸送至喂入裝置前，此為第一階段；喂入裝置通過上下兩個喂入輥配合將輸送過來的全株玉米壓實并喂入至切碎裝置前，此為第二階段；全株玉米經(jīng)過切碎裝置的動、定刀配合將其切碎，并通過物料拋送通道拋送出去，此為第三階段，整個過程結(jié)束。在機器運轉(zhuǎn)的過程中，將后一階段的運轉(zhuǎn)速度設置的比前一階段的大，這樣在連續(xù)工作的過程中就不會輕易出現(xiàn)物料擁堵的現(xiàn)象。

2 關鍵部件設計

2.1 輸送裝置

輸送裝置的主要功能是將整株玉米通過輸送帶傳輸至喂入裝置的上下喂入輥之間，主要由輸送帶、輸送滾軸以及側(cè)擋板構成，該部分由單獨的變頻電機驅(qū)動，選用Y132M-4型三項異步電動機，額定轉(zhuǎn)速為1460 r/min。避免整機擁有復雜的傳動系統(tǒng)。

2.2 喂入裝置

喂入裝置由上喂入輥、下喂入輥以及正反轉(zhuǎn)變速箱組成，其三維模型如圖2所示。傳動方式為鏈傳動，其優(yōu)點是傳動力矩大，不易打滑，適合整機的工作環(huán)境，可靠性高［13］。喂入裝置的作用是將輸送裝置傳送過來的玉米秸稈通過對輥進行擠壓，并且以一定的速度喂入切碎裝置中，在強制喂入的過程中，上下兩喂入輥相互配合，將秸稈連續(xù)不斷地壓平，使秸稈不發(fā)生彎曲，在喂入量增大的時候，下喂入輥軸被迫進入導槽，雙聯(lián)軸承座起到杠桿的作用，將頂端的彈簧拉伸，在彈簧的反作用力下，下喂入輥始終處于向上被拉的狀態(tài)，實現(xiàn)喂入口高度自動調(diào)節(jié)［14］，保證整個喂入過程處于壓緊狀態(tài)，且對整個裝置的壽命有很好的保護［15］；正反轉(zhuǎn)變速箱的作用主要是當莖稈纏繞喂入輥時，喂入輥可以實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，便于清理。

喂入輥直徑是影響喂入性能的重要參數(shù)［16］，其理論計算如式（1）所示。

Dw=H（1-μ）2（1-cosφ）

（1）

式中：

Dw——喂入輥直徑，mm；

H——傳送帶上物料厚度，mm；

μ——物料壓縮系數(shù)，一般取值0.6～0.8；

φ——物料與輥摩擦角，一般取值16°～32°。

本設計中取H=114mm、μ=0.7、φ=24°，帶入上式可得Dw=197.79mm，向上取整198mm。喂入口幅寬338mm，喂入口最高可達93mm。

2.3 切碎裝置

切碎裝置是青貯收獲機的核心部件之一，其性能的優(yōu)劣直接影響青貯飼料的品質(zhì)，切碎裝置的功能是將喂入裝置傳送過來的全株玉米秸稈和果橞均勻切碎。常見的滾刀式切碎裝置有螺旋滾刀式、平板滾刀式和直刃斜裝滾刀式三種。本設計采用直刃斜裝滾刀式切碎裝置，有磨刃方便和結(jié)構緊湊等優(yōu)點。

2.3.1 切碎裝置的設計

為達到預定切斷長度，設置2組刀片，每組數(shù)量為6把，設計排布方式如圖3所示，其目的是工作時減小機械振動，切割阻力均勻，工作平穩(wěn)；本裝置的另一功能是將已切碎的秸稈進行收集并拋送，動刀片斜裝角Φ越小，其拋送性能越好，但是切碎性能會隨之下降［17］。考慮到本機動刀片由特定的平板夾具固定且下方刀架呈圓弧狀，可以完成拋送任務，為避免結(jié)構過于復雜，舍棄“切碎裝置+拋送裝置”的設計方式，為了使動刀片在高速運轉(zhuǎn)的過程中滑切效果好、使用壽命較長［18］，本設計選擇動刀片斜裝角Φ為12°。磨刀裝置是該裝置的一個附加裝置，通過調(diào)節(jié)砂棒和磨刀拉桿的配合，可以在動刀片處于安裝狀態(tài)時對其磨刃，避免拆卸，極大地提高工作效率。

2.3.2 秸稈喂入過程受力分析

秸稈的喂入是根據(jù)喂入輥與秸稈之間相互摩擦產(chǎn)生的拽力，為保證喂入過程穩(wěn)定且流暢不堵塞，對喂入過程進行受力分析［19］，假設在此過程中不受其他外力的影響，玉米秸稈在壓縮后不會出現(xiàn)應力松弛現(xiàn)象。喂入過程示意如圖4所示。

O1O2=2Rw+h=2Rwcosα+H

（2）

式中：

Rw——喂入輥半徑，mm；

h——喂入后秸稈層厚度，mm。

為使秸稈在不受外力作用下能持續(xù)喂入，需滿足

2fFNsinα≥2FNcosα

（3）

式中：

FN——

喂入輥對秸稈層的正壓力，N；

f——

喂入輥與秸稈之間摩擦系數(shù)；

α——正壓力與中軸線夾角，（°）。

即f ≥tanα，其中f=tanφ，本研究φ取值24°，所以0＜α≤24°，f=0.45。

2.3.3 動刀片參數(shù)確定

考慮到切碎裝置的緊湊性，動刀片長度設計為185mm，寬度為67.5mm，厚度為10mm，動定刀間隙為0.4～1mm。刃口角在很大程度上影響著動刀的切割功耗和使用壽命［20］：刃口角較大時切割功耗增大；刃口角較小時切割功耗減小，但是刀刃的強度將降低，易磨損，刀片壽命變短。一般刃口角的設計范圍是15°～30°，本設計取刃口角β=30°。為保證刀片具有足夠的剛度、強度、韌性以及耐磨性，材料選用刃具用鋼9SiCr，淬火后硬度需達到HRC57～60。

動刀片與切割平面法向的夾角稱為切割前角ψ，如圖5所示。研究指出［21］，切割時秸稈層的體積將被壓縮成原體積的2/3，完成切割后，切下的秸稈與未切下的秸稈迅速回彈。當切割前角較小時，回彈阻力增大，出現(xiàn)沖壓的特性，使切割滾筒減速、功耗增加。

為避免秸稈層在推送過程中摩擦動刀片前平面，刀片的安裝角ε應滿足

ε≥arctgZdlmax2πRmin

（4）

式中：

ε——刀片的安裝角，（°）；

Zd——動刀片數(shù)量，個；

lmax——秸稈最大理論切碎長度，mm；

Rmin——動刀刃線最小回轉(zhuǎn)半徑，mm。

代入數(shù)據(jù)lmax=20mm、Rmin=220mm得εmin=4.96°，由角度關系圖可知ψ=90°-β-ε，研究發(fā)現(xiàn)切割前角的最佳值為50°～60°，所以取整得ε=5°，ψ=55°。

2.3.4 動刀片受力分析

切碎滾筒在工作的過程中，動刀片的受力過程是極為復雜的，其受到玉米秸稈的物料特性、秸稈的喂入量和滾筒轉(zhuǎn)速等多重因素的影響［22］。現(xiàn)假設動刀片的受力是均勻且相等的，將刀片受到的力簡化為均布載荷作用于刃口，分析刀片在轉(zhuǎn)動接觸玉米秸稈層后切割瞬間產(chǎn)生的阻力，研究受力情況。刀片切割玉米秸稈時的受力圖如圖6所示。

圖6中Rc為玉米秸稈受刀刃的垂直方向壓力后對刀刃的反作用力，N；R′d為玉米秸稈受刀刃的水平方向壓力后對刀刃的反作用力；T1為刃面受到的玉米秸稈的摩擦力，N。則

R=Rdsinψ+Rzgcosψ

（5）

式中：

R——刀片受到的壓力反作用力，N；

ψ——刀片的切割前角，其值為55°；

Rzg——

玉米秸稈受到擠壓時對刀片的反作用力，N；

Rd——

玉米秸稈受到刀面壓力的反作用力，N。

取刀片與玉米秸稈的摩擦系數(shù)為μ，則

T2=μR=μ（Rdsinψ+Rzgcosψ）

（6）

式中：

T2——刀面受到的玉米秸稈的摩擦力，N。

摩擦力T2在刃面方向的分量為

T2sinβ=μ（Rdsinψ+Rzgcosψ）sinβ

（7）

在刃面方向上，動刀片的壓力滿足

P≥Rc+T1+Rzgcosε+T2sinβ

（8）

Rc=ΔLσc

（9）

式中：

Δ——刀刃厚度，mm；

L——刀刃長度，mm；

σc——

玉米秸稈的臨界壓應力，MPa。

σc只能從實驗儀器上測得，且受秸稈的物理特性、刀片的銳利度和材料等因素的影響較大，其他各項都是阻力，同樣受到秸稈物理特性、喂入秸稈厚度等外界因素的影響，因此，刀片的受力不能精確地通過計算得出，需要大量的試驗來測定。

2.3.5 動刀片有限元分析

青貯玉米秸稈抗剪能力強，動刀片在切割時承受載荷較大，因此對切碎裝置動刀片采用軟件SolidWorks Simulation進行靜力學分析［23］，驗證其可靠性。查閱文獻［24］可知，玉米秸稈的切碎力約為7～18.4N/mm，玉米秸稈實際切割過程較為復雜，為使分析模型簡化，將刀片受到的反作用力等效為對動刀片刃口均勻分布載荷。為使靜力學分析結(jié)果可靠，選取秸稈最大切碎力為18.4 N/mm，則刃口總載荷F1=18.4×185=3404N，方向與刀片刃口方向相反。有限元網(wǎng)格劃分選擇品質(zhì)較高，將動刀片三維模型劃分為3.506037mm的小單元，雅可比點為4，公差為0.175302mm，節(jié)點數(shù)為26592，單元數(shù)為16248。網(wǎng)格劃分與載荷分布如圖7所示。動刀片應力模型與靜態(tài)位移如圖8、圖9所示。

由圖8可以看到動刀片在受力后的應力分布情況，動刀片主要在螺栓孔處存在應力集中，均勻分布的螺栓使得應力集中現(xiàn)象得到了有效分散，應力值較小，最大注解中顯示左側(cè)螺栓孔處最大應力為8.047MPa，滿足設計要求，且動刀片在工作過程中有夾具的夾持，可以進一步地緩解應力集中現(xiàn)象。

由圖9可知，動刀片的形變由于螺栓的存在而分散到兩側(cè)，動刀片的安裝屬于滑切姿態(tài)，工作過程主要由動刀片中部完成，最大注解中顯示靜態(tài)位移值為0.001228mm，顯然可以忽略。通過對動刀片的靜應力分析和靜態(tài)位移分析可知，刀片的強度和剛度都完全滿足切碎青貯玉米秸稈的工作要求。

2.3.6 切碎滾筒主軸模態(tài)分析

切碎滾筒主軸是切碎裝置的重要零部件，因其在高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境下工作，受振動平穩(wěn)性的影響較大，所以要對其進行模態(tài)分析，研究固有頻率，避免在高速轉(zhuǎn)動的過程中達到固有頻率，發(fā)生共振。45號鋼是軸類零件的常用材料，在經(jīng)過熱處理工藝后，力學性能較好，剛度高。選擇45號鋼作為切碎滾筒主軸材料。在主軸兩側(cè)軸頸處添加約束，將SolidWorks Simulation中的網(wǎng)格劃分品質(zhì)調(diào)節(jié)到良好，自動將主軸三維模型劃分為5.814172mm的小單元，雅可比點為4，公差為0.290709mm，網(wǎng)格劃分如圖10所示。

查閱文獻［25］可知，軸對于高階頻率振動的激勵響應要小于低階頻率，SolidWorks Simulation中默認已給出前五階的低階模態(tài)振型圖，如圖11所示，相應固有頻率如表1所示。

顯然，各模式對應的臨界轉(zhuǎn)速要遠高于切碎主軸的設定轉(zhuǎn)速，不可能發(fā)生共振現(xiàn)象，所以在正常工況下，主軸的疲勞和損壞不受共振因素的影響，但是在工作的過程中會出現(xiàn)微量彎曲形變，根據(jù)模態(tài)圖分析預測彎曲裂紋應該出現(xiàn)在兩端軸頸處，需進行適當?shù)臒峒庸ぬ幚硪詰獙Α?/p>

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件

試驗在甘肅金科峰農(nóng)業(yè)裝備工程有限公司廠房空地進行，選取蠟熟期的新鮮全株玉米作為試驗材料，通過烘干法測量其平均含水量為65.3%。試驗所需工具有：電熱鼓風干燥箱，轉(zhuǎn)速傳感器、卷尺、游標卡尺、電子秤、秒表和溫度計等。

3.2 試驗方案

根據(jù)NY/T 2696—2015《飼草青貯技術規(guī)程玉米》［2］規(guī)定，青貯玉米的切碎長度是10～20mm。

理論切碎長度計算如式（10）所示。

lc=60Vynd×Zd

（10）

式中：

lc——理論切碎長度，m；

Vy——喂入速度，m/s；

nd——切碎器轉(zhuǎn)速，r/min；

Zd——動刀片數(shù)量。

當秸稈筆直喂入時，理論切碎長度接近實際切碎長度，所以實際切碎長度一般大于理論切碎長度。

由切碎長度的計算公式可知，影響切碎長度的因素有喂入速度、切碎器轉(zhuǎn)速以及動刀片個數(shù)，由于動刀片個數(shù)在設計之初就是固定不變的，所以選擇喂入速度Vy和切碎轉(zhuǎn)速nd作為試驗因素，為了使切碎長度落在10～20mm之間，且根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設計手冊，分別取四個梯度值：喂入速度Vy（A1、A2、A3、A4），切碎轉(zhuǎn)速nd（B1、B2、B3、B4），相關參數(shù)見表2。

在試驗開始前應提前安裝好可以調(diào)速的變頻器，對試驗臺進行空載調(diào)試，保證其工作狀態(tài)，在試驗過程中應該保證各個電機在額定的電壓下穩(wěn)定的工作，不同喂入速度和切碎轉(zhuǎn)速下理論切碎長度如表3所示。

考慮到一部分理論切碎長度不在規(guī)定的青貯玉米長度10～20mm之內(nèi)，且實際切碎長度比理論切碎長度稍大，所以在試驗過程中舍棄理論切碎長度大于等于和小于規(guī)定范圍的組合（A3B1、A4B1、A4B2、A4B3、A1B4）。

根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 2088—2011《玉米青貯收獲機作業(yè)質(zhì)量》［26］中的作業(yè)質(zhì)量檢測方法，作為該試驗的考核指標。在每組收獲的飼料里隨機抽取6個不少于2kg的樣品，3個用于測量秸稈的長度、3個用于測量秸稈切碎長度的合格率，并取平均值。現(xiàn)場試驗過程如圖12所示。

3.3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述方法進行試驗，所得試驗結(jié)果如表4、表5所示。

試驗結(jié)果表明，在舍棄一部分理論上不符合青貯玉米規(guī)定的組合數(shù)據(jù)后，其他組合下切碎長度基本滿足NY/T 2696—2015《飼草青貯技術規(guī)程 玉米》的規(guī)定。

當喂入速度為2.5 m/s、切碎器轉(zhuǎn)速為1700 r/min時，平均切碎長度為15.6 mm，合格率為96.1%，此時的生產(chǎn)率E為15000kg/h。

E=Qt

（11）

式中：

E——生產(chǎn)率，kg/h；

Q——作業(yè)量，kg；

t——時間，h。

顯然，此喂入速度和切碎器轉(zhuǎn)速為最優(yōu)組合，根據(jù)對試驗過程的觀察，試驗臺工作平穩(wěn)、沒有出現(xiàn)堵塞和秸稈纏繞等現(xiàn)象，所生產(chǎn)的青貯玉米飼料質(zhì)地良好，據(jù)初步感官判斷，該試驗臺生產(chǎn)的飼料屬于優(yōu)級青貯玉米飼料。

4 結(jié)論

1） 通過理論分析和SolidWorks設計一種青貯玉米喂入切碎試驗臺，該試驗臺由物料輸送裝置、喂入壓平裝置、切碎裝置、物料拋送通道以及底座構成。設計了各項工作參數(shù)和零件參數(shù)，對試驗臺關鍵部件進行靜力學分析和模態(tài)分析，仿真結(jié)果顯示設計強度足夠滿足作業(yè)要求，并預測了應力集中點。

2） 對試驗臺進行生產(chǎn)性能試驗，在正常工況下運行平穩(wěn)，切碎長度均勻。試驗結(jié)果表明：當喂入速度為2.5m/s，切碎滾筒轉(zhuǎn)速為1700r/min時，切碎長度平均為15.6mm，合格率為96.1%，生產(chǎn)效率為15000kg/h，各項指標均符合國家及行業(yè)標準，可以搭載1.8m割臺的小型青貯收獲機，以期為我國小型青貯收獲機械和類似機械提供一定參考。

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