6.0 m折疊式青貯機割臺優化設計及試驗

摘要：針對青貯機寬幅割臺存在傳動結構復雜、轉場運輸困難等問題，以6.0 m折疊式青貯機割臺為研究對象，設計模塊化的傳動系統，對液壓折疊裝置、圓盤切割器和喂入滾筒進行優化設計。提升割臺工作的穩定性和撥禾、喂入作業效率，降低青貯玉米秸稈收割損失率。利用Solidworks軟件中Simulation插件對圓盤切割器進行疲勞分析，得到最大損壞百分比小于0.001；對主梁進行靜態分析、模態分析，優化后主梁最大固有頻率為0.66 Hz，避免收割作業時發生共振，有效保障割臺工作安全性。試制割臺樣機，與CLAAS JAGUAR950青貯機配套進行田間試驗。試驗表明：該割臺傳動效率高、工作安全穩定、收獲效果良好，收獲損失率為1.31%，作業效率達到2.67 hm2/h，實現青貯玉米的高效收割作業。

關鍵詞：秸稈；飼料；青貯機；有限元分析；割臺

中圖分類號：S372； S817.11" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0010?07

Optimal design and test of cutting table of 6.0 m folding silage machine

Sun Mingwei Dou Yingjie Li Xueyong Zheng Wanzhong Li Guofang Chen Lidong

（1. Xuanhua Vocational College of Science and Technology， Zhangjiakou， 075000， China；

2. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Normal University of Science and Technology， Qinhuangdao， 066000， China； 3. Tangshan Xin Wanda Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Tangshan， 063500， China；

4. Hebei silage harvesting equipment Technology Innovation Center， Tangshan， 063500， China；

5. Luannan Vocational Education Center， Luannan， 063500， China）

Abstract： To address the challenges posed by the complex transmission structure and transition transportation of wide?width cutting tables in silage machines， this study focused on a 6.0 m folding silage machine cutting table as the research object. A modular transmission system was designed， and the hydraulic folding device， the circular disk cutter and feeding drum were optimized to enhance performance， thus improving the stability of the cutting platform and the efficiency of the reaping feeding operations， and reducing the loss rate of harvesting silage corn straw. Fatigue analysis of the circular disk cutter was performed using the Simulation plug?in in Solidworks software， and the maximum damage percentage was less than 0.001. While static and modal analyses were performed to optimize the main beam structure， and the maximum natural frequency of the main beam after optimization was 0.66 Hz， avoided the occurrence of resonance during the harvesting operation and effectively ensured the safety of the cutting platform. A prototype cutting table was fabricated for testing. Field experiments were carried out using the CLAAS JAGUAR950 silage machine. The results demonstrated that the cutting table achieved high transmission efficiency， operated safely and stably， and delivered excellent harvesting performance. Key metrics included a harvest loss rate of 1.31%， an operation efficiency of 2.67 hm2/h， and effective harvesting of silage corn. These findings indicate that the optimized cutting table design meets the demands of efficient silage harvesting.

Keywords： straw; feed; silage machine; finite element analysis; cutting table

0 引言

青貯玉米作為一種優質的畜牧養殖飼料，主要采用青貯機進行收獲[1]。割臺是影響青貯機收獲效率的關鍵[2]，目前國內青貯機寬幅割臺的生產制造和創新能力較弱，由于傳動結構復雜、轉場運輸困難、傳動效率低、撥禾效果差等問題，青貯收獲技術的發展受到極大的限制[3， 4]。

國內青貯機割臺的結構是以小麥收獲機為原型進行設計[5]，以小型化為主，幅寬一般小于3.0 m，生產效率較低。陸艷偉[6]研究的4YZ-244型自走式不分行收獲機割臺，由4個不分行玉米收獲單元和橫向攪龍組成，可實現不對行收獲。杜岳峰等[7]設計了一種兩行玉米收獲機割臺，該割臺主要由分禾裝置、喂入機構、摘穗裝置、秸稈切碎裝置以及傳動裝置等組成，能夠按固定的種植間距進行收割。自2015年中央一號文件提出后，在國家的大力支持下，國內青貯機械得到了快速發展[8]。現有寬幅割臺由于體型較大，轉場運輸困難；傳動結構復雜，傳動效率較低；部分倒伏秸稈無法收獲，造成青貯玉米收獲損失大[9]。因此，針對我國青貯機割臺的發展現狀，研發符合我國農業生產國情的青貯機割臺，對我國畜牧業的轉型以及農業產業結構調整具有促進意義。本文對6.0 m折疊式青貯機割臺傳動系統、液壓折疊裝置、圓盤切割器、主梁等主要部件進行優化設計，利用SolidWorks軟件進行有限元分析和優化，試制割臺樣機并進行田間試驗。

1 總體結構和工作原理

1.1 總體結構

6.0 m折疊式青貯機割臺由撥禾滾筒、切割刀、主梁、喂入滾筒、懸掛裝置、液壓折疊裝置、傳動系統等組成，結構如圖1所示。喂入裝置包括4個撥禾滾筒和2個喂入滾筒；傳動系統包括一級主傳動變速箱、二級喂入滾筒變速器和二級撥禾滾筒變速器；液壓折疊裝置包括液壓執行機構以及限位鎖定機構。

1.2 工作原理

工作時，割臺通過掛接青貯機進行田間收獲作業。割臺的撥禾滾筒對待割的青貯秸稈撥禾，向后引導至喂入滾筒處，再由喂入滾筒將青貯秸稈輸送到鍘草機進行后續的切割、破碎。

切割器是青貯機割臺的關鍵部件，對青貯機的收獲質量有很大影響[10， 11]，玉米秸稈成熟后高度約為1 500～2 000 mm，根部直徑約為30 mm，設計其切割線速度為25～50 m/s。根據生產需要，工作時要求慣性力容易平衡、振動較小，適用于青貯玉米、青貯高粱類作物的收割；為減少收獲損失率、延長割臺的使用壽命，割臺主要技術參數如表1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 割臺傳動系統設計

2.1.1 傳動系統設計要求

青貯機割臺作業條件比較惡劣，傳動系統設計需要綜合考慮強度、穩定性、傳動效率、可靠性以及安全性等方面的要求?，F有青貯機割臺傳動系統一個動力輸入，兩個平行或共線的動力輸出，傳動效率低、撥禾器結構不合理，導致割臺工作效率低、喂入滾筒處容易堵塞，造成收獲損失率高等問題；傳動結構復雜不便于保養維修，導致故障率高。為此，青貯機割臺傳動系統采用萬向傳動軸輸入動力，通過傳遞效率高、承載力強、結構緊湊的齒輪傳遞運動與動力，能夠實現切割刀與撥禾滾筒在同一方向上的差速轉動。

2.1.2 傳動路線的優化設計

傳動系統設計方案采用二級傳動，三維模型如圖2所示，主要包括一級主傳動變速箱、二級喂入滾筒變速器、二級撥禾滾筒變速器和六棱傳動軸等部分。

傳動路線：萬向傳動軸—主輸入變速箱—傳動軸—輸出變速箱，其中一級主傳動變速箱有嵌合式安全保護離合器，二級變速箱采用內置徑向銷離合器保護的多級齒輪傳動，具有可靠的動力傳動和過載保護功能。傳動系統整體采用模塊化設計理念，便于拆裝和維修保養。

2.1.3 傳動參數計算

總傳動比是由青貯機輸出轉速n0和撥禾滾筒轉速[nb]決定。為保證割臺作業行駛速度與撥禾速度相匹配，撥禾滾筒轉速

2.2 割臺液壓折疊裝置的設計

2.2.1 液壓折疊裝置技術要求

為提高青貯機的轉場運輸安全性，同時滿足超限運輸車輛道路運輸寬度小于3.5 m的要求，設計青貯機割臺液壓折疊裝置，使割臺能夠快速進行展開和折疊，提高轉場運輸安全性，折疊后割臺寬度為2.8 m。割臺的折疊與展開過程需要滿足平穩、無沖擊、振動小的設計條件[12]；同時，割臺折疊過程中停留在某一高度或折疊完畢后，液壓缸不能產生移動，具有限位鎖定功能。

2.2.2 液壓折疊裝置總體結構

割臺的折疊液壓裝置主要包括主梁、2個左右對稱布置的折疊副梁、液壓缸、三位四通電磁換向閥、液壓鎖、溢流閥以及液壓泵，其結構示意如圖4所示。

液壓折疊裝置由青貯機發動機驅動定量泵將油液輸送至液壓缸，通過三位四通電磁換向閥對青貯機割臺的折疊與展開進行控制，其液壓原理如圖5所示。

2.2.3 液壓折疊裝置結構優化設計

根據割臺液壓折疊裝置的技術要求，折疊與展開過程需要平穩、無沖擊、振動小，折疊后寬度為2.8 m，在折疊過程中需要克服折疊副梁重量，約300 kg。通過三維建模與有限元分析，得出液壓折疊裝置最大變形量出現在液壓缸支撐法蘭處，同時，液壓缸支撐法蘭的穩定性直接影響割臺折疊與展開過程的平穩與振動。因此，對液壓折疊裝置進行局部優化分析，通過改變鋼板材質，選用球墨鑄鐵，增加液壓缸支撐法蘭強度與剛度，提高折疊與展開工作的穩定性。

2.2.4 液壓缸的設計

工作壓力是液壓元件選型的主要參考依據。系統的工作壓力與液壓系統執行元件受到的外部載荷有直接關系[13]。根據割臺折疊裝置的設計要求，單個油缸受到的負載約為3 000 N，則系統總負載為6 000 N。根據載荷選擇系統工作壓力為1.6 MPa。

2.3 圓盤切割器的設計

割臺包括兩組圓盤切割器，每組切割器由兩個相向旋轉的圓盤式切割器組成，為滿足6 m的割幅，其單個切割器的直徑設計為1 427 mm。為保證切割效果，采用一體式圓弧鋸齒刀片緊固安裝的方式，便于切割器的拆卸和維修。

切割器作為割臺的關鍵部件，通過自身高速旋轉切割秸稈，同時受到秸稈作用在切割器刀片上的沖擊力，刀盤與玉米秸稈作用受力分析如圖6所示。

圓盤切割器以與水平面呈夾角角度α的平面做旋轉運動，同時割刀還隨著青貯收獲機沿水平面平行方向勻速移動，刀刃主要受到的力包括切向力、徑向力以及軸向力。Vj為青貯機主機的前進速度，Fn為切割刀所受徑向力，Ft為切割刀所受切向力，Fa為切割刀所受軸向力。

2.4 喂入滾筒結構優化設計

割臺作業時，兩個左右對稱布置的喂入滾筒同向低速轉動，配合撥禾滾筒的導向作用，實現對作物的輸送。為達到對高稈作物和矮稈作物都具有較好的收獲效果，喂入滾筒采用立式結構。利用SolidWorks對喂入滾筒進行三維建模，并進行結構優化設計與仿真，喂入滾筒選用上下兩層結構設計，優化了撥齒空間結構，采用多層間隔分布，通過運動仿真分析得出，該結構有效防止喂入口堵塞。根據玉米秸稈喂入速度為2 m/s，喂入滾筒轉速為105 r/min，計算得出旋轉直徑為360 mm，為使滾筒對物料具有較好咬合效果，上層滾筒直徑為190 mm，高度為500 mm，撥齒最大旋轉直徑為360 mm；下層滾筒直徑為370 mm，高度為260 mm，撥齒最大旋轉直徑為605 mm；內部設計為中空，整體采用胎具焊接技術。

喂入齒采用間隔設計，喂入口處物料分布具有中間密集、兩端稀疏的特點，設計為中間齒盤齒大、密集，根據秸稈截面直徑30～40 mm，齒間距設計為80 mm；兩端齒盤齒小、稀疏，齒間距為135 mm。該結構能有效減小喂入滾筒質量，降低動力損耗，防止堵塞，提高撥禾、喂入作業效率；同時，能夠適應高稈作物、倒伏高稈作物和矮稈作物的高效收獲作業。

2.5 主梁優化設計

主梁最大固有頻率與地面激勵頻率比較接近，所以割臺在田間作業時，地面激勵容易引起機架發生共振。為提高割臺作業穩定性，避免發生共振，對主梁進行優化設計。優化后，主梁總長度為2 480 mm，寬度為370 mm，高度為790 mm，在主梁后方增加直徑為145 mm的圓柱形鋼結構，提高主梁強度的同時，改變主梁固有頻率，避免收割作業時發生共振。

3 割臺關鍵部件分析

3.1 主梁的有限元分析

3.1.1 主梁的靜態分析

利用SolidWorks軟件進行有限元分析，定義材質為碳素結構鋼Q235，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28，材料屈服極限為235 MPa，添加約束懸掛處為固定約束，添加載荷，再進行網格劃分，最后通過計算求解。靜態應力圖如圖8所示，靜態位移分析結果如圖9所示。其最大位移出現在主梁中間處，其值為0.043 mm；主梁邊緣應力波動范圍為0～2.6 MPa，此值遠小于工作允許應力58.9 MPa，因此，主梁在正常工作時不會發生偏離或彎曲，保證工作的穩定性。

3.1.2 主梁的模態分析

利用SolidWorks軟件進行有限元分析，在靜態分析的基礎上，將優化后的主梁進行模態分析，得到最大固有頻率為0.66 Hz，分析結果如圖10所示。優化后提高主梁強度，同時有效降低主梁固有頻率，避免收割作業時發生共振，有效保證割臺收獲作業的穩定性與安全性。

3.2 圓盤切割器的疲勞分析

為防止刀盤疲勞破壞，需要通過SolidWorks軟件對切割器進行疲勞分析。刀片的材料選用65Mn結構鋼，厚度為3 mm，刀口經淬火與回火處理，HRC 62～65。定義疲勞算例，對三維模型劃分網格，如圖11所示。為疲勞分析算例添加靜態模型，定義計算交替應力手段為對等應力，結果選項定義為整個模型。計算損壞結果如圖12所示。

4 田間試驗

4.1 試驗材料

試驗作物：乳熟期玉米秸稈，含水率為61.2%，作物平均高度為1 750 mm，直徑為24 mm，作物間距為210 mm，行距為450 mm，種植面積為50 m×200 m。

4.2 試驗方法

試驗前一天對試驗樣機進行調整和測試，確保田間試驗時樣機的工作狀態良好。2023年8月25日，天氣晴，氣溫28 ℃，田間土壤平整，由CLAAS JAGUAR950青貯機裝配6.0 m割臺，在唐山市灤南縣西北坨村進行田間試驗。根據6.0 m青貯機割臺主要技術參數，在前期單因素試驗的基礎上，選定前進速度、切割轉速、割臺離地間隙作為正交試驗影響因素，試驗因素與水平值如表3所示。

4.3 試驗結果與分析

試驗測量與計算參照GB/T 21962—2020《玉米收獲機械》標準，收獲損失率、留茬高度、秸稈切段長度作為主要評價指標。

1） 收獲損失率的計算?？紤]同樣收獲效果下，留茬高度對收獲秸稈質量的影響，因此，采用秸稈株數作為基本計量單位。采樣計量試驗區內所有未收獲的秸稈株數，按式（14）計算收獲損失率。收獲損失率極差分析如表4所示，其中A、B、C為因素編碼值。

根據正交試驗結果極差分析，得出各因素影響收獲損失率顯著性的排序為：前進速度、離地間隙、切割轉速。結合實際作業情況得出最優組合參數：前進速度為5 km/h，切割轉速為300 r/min，割臺離地間隙為80 mm。

選定最優工作參數進行田間試驗，即前進速度為5 km/h，切割轉速為300 r/min，割臺離地間隙為80 mm，青貯收獲機作業過程中，割臺工作狀況良好，未發生秸稈堵塞和停機維修狀況，秸稈切段效果良好。試驗結果如表5所示，試驗效果符合青貯收獲機秸稈回收合格標準，平均留茬高度為81 mm，小于允許值（150 mm），收獲損失率為1.31%小于允許值（3.5%）。

5 結論

1） 改進割臺傳動系統傳動路線，對液壓折疊裝置和喂入滾筒結構進行局部優化，提升6.0 m割臺工作的穩定性，解決大型機械轉場運輸難的問題；有效提高撥禾、喂入作業效率，避免堵塞，實現青貯玉米秸稈收割損失率低于3.5%。

2） 對6.0 m折疊式青貯機割臺關鍵部件進行有限元分析。對圓盤切割器進行疲勞分析，得到最大損壞百分比小于0.001；對主梁進行優化設計與模態分析，將最大固有頻率從2.09 Hz降低到0.66 Hz，避免收割作業時發生共振，有效保證割臺收獲作業的穩定性與安全性。

3） 根據試驗和秸稈的生長特點，得出割臺收獲作業最優切割參數：前進速度為5 km/h，切割轉速為300 r/min，割臺離地間隙為80 mm。試驗表明：割臺對秸稈切段效果和留茬高度良好，收獲損失率為1.31%。作業時，割臺未出現堵料或其他故障停機現象，較好完成6.0 m割幅的青貯作業。

參 考 文 獻

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