柠条收割机切割器的设计与试验

郝志辉

摘要：柠条是一种兼具经济、生态和社会效益的生态防护灌木。从柠条的生长发育特点看，每隔3～5 年需要进行一次平茬，这样才能使柠条旺盛生长。由于柠条枝条带刺不易收割和加工，而且加工的饲料适口性差，因此其产业化开发远没有达到理想的效果。目前为保证生态功能, 一般采取隔年、隔带轮换平茬。平茬方法为人工镢头刨、夹剪剪切,背负式割灌机切割。虽成本低、操作简便, 但生产效率低、劳动强度大, 无法实现大面积生产。枝叶和种子收集困难、损失严重, 采收时效直接影响柠条用作饲料的质量和数量。研制柠条收获机械, 实现机械化柠条平茬与收获已成为柠条产业发展的关键。为此,设计研制了柠条收割机的工作部件。

关键词：柠条收割机；切割器；设计  

一、我国柠条收割机存在的问题

由于我国的柠条大都生长在凹凸不平、沙石遍地和地面松软的环境中，国外的许多产品并不适合在我国使用。国内柠条收割机从目前的使用情况来看，主要存在以下问题。(1) 小型柠条收割机械大多只用于柠条的平茬，功能单一，工作效率低。急需发展多功能小型收割机。( 2) 仿形功能较差。柠条在生长过程中，其根部会出现自然沉积，周围会有沙土包出现，这就要求切割器能够随着沙土包进行仿形切割，否则不能保证平茬高度的一致性。国内现有柠条收割机的仿形能力远没有达到这种要求。(3) 缺少联合收割机机型。我国目前柠条收割机的机型主要用来完成平茬和收割功能，后续捡拾、切碎、揉丝和压捆等工序，仍然以人工作业为主。我国的联合收获机械主要用于玉米、小麦、高粱和水稻等高秆作物的联合收割，对于大面积灌木林的平茬，采用目前的联合收获机械收割效率很低，甚至不适于收割柠条。(4) 切割器的切割质量不高，不利于柠条次年的生长。最理想的切割断面是较为光滑的圆形或者椭圆形，而目前大部分刀具切割后柠条枝条切口表面形成不光滑的毛口。

二、切割器工作原理

柠条收割机由自走底盘、变速箱、割台、辊切料和风机等组成, 发动机的动力除供给自走底盘行走外, 还通过变速箱驱动辊切料刀轴及其割台刀盘旋转, 在自走底盘前进过程中, 旋转的刀盘将柠条枝条不断地割断并在离心力的作用下将割倒的柠条收拢到一起通过绞轮传递到辊切料装置中进行粉碎并经风机抛送到料箱或跟车的料箱中, 实现对柠条枝条的收割和柠条平茬。目前常用的切割器有:往复式切割器, 切割效率高, 广泛应用于小麦联合收获机、大豆收割机、割草机等。但由于柠条多生长在干旱沙土环境, 大部分枝条切割阻力较大, 工作过程中切割器磨损、损坏十分严重, 往复式切割器在柠条采收机械上的应用受到很大限制。圆盘回转式切割器, 切割速度一般大于25 m/ s, 最高可达到90m/ s, 切割能力强, 畜牧机械和玉米收割机械上采用较多。这种切割器一旦锯齿刃部磨损, 其切割效率急剧下降, 切割阻力明显增加, 刀片寿命很短, 使用成本较高。甩刀式回转切割器, 切割时对柠条枝条切口破坏比较严重, 对干旱地区柠条的复萌再生影响较大。结合实地试验, 本设计采用复合式切割器, 它由一个圆盘形的刀体和外缘联结的6～8 片斜扇形刀片组成。刃口上有与径向呈45°的斜齿, 斜扇形刀片结构如图所示。

刀片采用扇齿, 切割时每个扇形刀片只有外边缘的中、后部先参与切割。刀片接触柠条时属于冲击切割, 相当于单圆盘割草机工作时的状况。刀片外缘具有斜面斜齿, 因此切割过程实现了滑切和小锯齿切割, 切割过程十分省力。随着作业量的增加, 先参与切割的扇形刀片外边缘部分磨损后, 相邻尚未参与切割的刃口即参与切割, 随着刀片磨损, 刃口逐渐连续参与切割, 直到绝大部分刃口磨损为止。当刀片外边缘磨损, 刀盘直径变小时, 可调高刀盘转速, 提高刀端刃口线速度, 仍可实现正常切割工作。

三、复合式切割器的结构设计

1、刀盘结构尺寸。刀盘是柠条收割机的主要工作部件, 刀盘覆盖面积应尽量大, 但刀盘直径过大会增加功率消耗, 使整机结构过于庞大, 特别是在山区作业时通过性会明显变差。通过实地考察发现, 只要及时平茬, 柠条根部每个树丛的分布直径一般不超过400 mm,因此, 取刀盘直径d= 600mm。由于柠条枝条较硬、刚度好, 所以采取无定刀切割方式。刀片采用曲线刃型, 刀片厚6 mm, 材料为65 Mn、调质处理、刃口高频淬火, 硬度为60～65 HRC。为有效避免外层柠条留茬过长和刀片入土、遇石块损坏, 设计了扶持装置并保证动刀的最小离地高度为50～60 mm, 根据不同地形可适当调整。

2、刀轴转速的选取。切割器刀轴的回转速度, 不仅影响系统的能耗、噪声, 还影响着系统的冲击振动。如果柠条收割机的刀轴转速与系统的临界转速相近, 则柠条收割机的振动、噪声会急剧加大, 而且会使机器零件产生疲劳破坏, 影响机器的正常使用。刀轴系统由刀轴、刀座、刀片、传动齿轮和轴承组成。该系统是一个连续运转的系统, 由于连续系统的临界转速的精确解只能在特定条件下求得, 因此在实际计算中必须将连续系统离散化, 用一个模拟系统来求近似解。

3、功率消耗的初步估算。

四、试验与结果

1、试验条件、方法。试验地点在内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗进行。作业地段为3～5 年生柠条, 柠条密度为20～60 株/ 丛, 根部直径为10～40 mm, 柠条丛直径范围450 mm 左右,最大自然高度1.9 m, 柠条枝条湿质量为170 g/ 枝( 株) , 含水率24.6% 。丛距2 m, 行距3 m[1]。试验用于测量收割过程中传动轴上的转矩与转速, 并由计算机记录。试验时行走速度vm 为2. 3 km/ h ( 相当小四轮拖拉机Ⅰ挡) 和3. 8 km/ h( 相当小四轮拖拉机Ⅱ挡) 。刀片刃口最大线速度v 为40~80 m/ s建议改为, 区间内每2 米为一个测试点。

2、试验结果。测试结果如表所示测试条件为密度20 株/ 丛时前进速度为小四轮拖拉机Ⅱ挡; 密度40 株/ 丛时, 前进速度为小四轮拖拉机Ⅰ挡, 采样频率取128 Hz。

3、结果分析。由刀片刃口线速度v 增大时, 切碎率也提高。当 ≥40 m/ s 时, 枝条切碎率≥4.5%。当柠条枝条进入切割器后, v 越高则动刀与枝条切割的速度越快, v 大时破碎率较低, 较甩刀式旋转割草机要小得多。主要原因是本设计所采用刀片在较高线速度下, 兼具砍切与滑切及锯割切割效果。但随着v 的增大, 刀盘空转功率消耗增加, 刀盘与枝条接触次数增多, 刀盘外缘的摩擦阻力增大, 消耗功率迅速增加。因此, 综合考虑认为取v =60 m/ s 较好可以看出, 密度大、挡位低时切割效果较好。

自走式柠条灌木平茬收割机安装复合式切割器( 发动机功率165 kW 左右) , 通过实地试验测试能适应多种工况要求。经过对刀轴临界转速的计算, 表明刀轴转速远低于临界转速, 在工作过程中不会产生破坏, 能够安全工作。以柠条秸秆切碎率与功率消耗P 为指标进行了实地试验, 确定刀片刃口线速度v 的取值范围为60 m/ s。

参考文献：

［1］吕文，王春峰，王国胜． 中国林木生物质能源发展潜力研究( 1) ［J］． 中国能源，2018，27( 11) : 21-26．

［2］ 梅二罕，赵建龙，李俊梅． 发展锦鸡儿的重要意义［J］． 内蒙古林业，2017( 2) : 10-11．