自走式青贮饲料收获机切碎喂入实验装置设计*

李晓良，刘志兵，李晓康，丁立利

(甘肃省机械科学研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

0 引 言

青贮饲料是青绿饲料在厌氧条件下, 经过乳酸菌发酵调制或其他调制能够长久保存的青绿多汁饲料。青贮饲料具有青绿多汁、营养丰富、适口性好、来源广泛等特点, 饲草养分损失少, 消化率高。青贮饲料在收获的过程中首先要经过切碎，将青贮饲料切碎后，才能进行下一步的发酵保存，因此，切碎喂入的优良决定着青贮饲料的品质。

经调查研究发现，现有的国内外自走式青贮饲料收获机，几乎所有的切碎部分和喂入部分都是通过各种传动方式由同一动力驱动，导致在工作过程中，喂入部分和切碎部分所需的功率以及功率损耗都无法分开测量，这样就无法准确合理的对整机各部分进行动力分配。由于切碎和喂入由同一动力驱动，并且两者在工作时转速都是恒定的，所以无法进行验证喂入转速、切碎转速、动定刀间隙对切碎长度以及青饲料质量的影响。并且，按照现有的自走式青贮饲料收获机的实验方法，需要在样机制造完成后，在实验田地进行长期的田间实验，这样不仅实验成本高，还费时费力。

自走式青贮饲料收获机切碎喂入实验装置，不仅可以做实验验证喂入转速、切碎转速、动定刀间隙对切碎长度以及青饲料质量的影响，而且实验装置简单，不需要进行田间实验，在实验室就可以完成全部的实验内容，节约了实验时间与成本。因此，对自走式青贮饲料收获机切碎喂入进行试验装置研究具有重要意义[1]。

1 切碎喂入实验装置的基本结构和工作原理

自走式青贮饲料切碎喂入实验装置主要由底座、切碎喂入装置、物料输送装置、变频电机、动态扭矩传感器以及控制系统等组成，如图1所示。

图1 切碎喂入实验装置的基本结构1.切碎喂入装置 2.动态扭矩传感器 3.变频电机 4.底座 5.物料输送装置

本实验装置采用喂入和切碎分开提供动力的方式，动态扭矩传感器，通过实验装置控制系统，驱动喂入、切碎和割台电机开始工作，在工作过程中，实时采集扭矩传感器转速、扭矩等信息，并计算功率，通过实验装置，可实时测量转速和功率，特别是功率，为整机的功率消耗和功率分配提供依据，使功率分配更有效，更合理。本实验装置采用变频电机，可以随时改变喂入转速和切碎转速，在通过改变切碎部分的动定刀间隙，采用控制变量的实验方法，可以研究三个变量对切碎物料品质的影响，优化自走式青贮饲料收获机的物料收获性能。

2 实验装置关键部分分析

2.1 切碎滚刀、定刀结构

切碎喂入实验装置采用直刃斜装式滚刀，转动辊上焊接有2组刀片，每组6片，其特点是工作负载均匀，切碎效果好。滚刀与定刀的排布如图2所示，当青贮饲料通过喂入辊进入切碎滚刀后，高速旋转的滚刀和定刀配合，将青贮饲料切碎。直刃斜装滚刀的另一个作用是物料抛送，将切碎后的物料通过抛料筒抛送到料仓。试验证明刀片的倾斜角α决定着装置的切碎性能和物料的抛送性能，而切碎性能与物料抛送性能两者成反比，综合考虑，取倾斜角α=12°。此外，动定刀的间隙对切碎物料的长度和品质都有很大的影响，在实验过程中可以通过调整动刀的位置来研究动定刀间隙对物料确切的影响，为青贮饲料收获机提供依据，提高性能。

2.2 实验装置底座

切碎喂入实验装置整体由型材焊接而成，结构如图3所示。为了使实验更加真实的模拟自走式青贮饲料收获机的工作状态，试验证明收获机工作时切碎部分的倾斜角为10°左右，因此，底盘与切碎喂入连接部分设计有10°的安装角。此外，底座上还设计有安装青贮饲料收获机割台的安装座，方便与割台进行联动实验。

图 2 滚刀与定刀 图3 底座1.定刀 2.滚刀

为了验证底座的可靠性，对切碎喂入与底座连接件进行有限元分析,材料为Q235，切碎喂入部分的重量约为6 000 N。经过简化计算，底座连接件上表面添加的力为3 000 N，生成网格，最后进行运算分析，分析结果如图4所示；根据云图可知，连接件所受的最大应力小于屈服应力，最大应变为2.02×10-4m，应变很小，从而可以推断其结构强度是可靠的。用同样的方法对其他部分进行有限元分析，它们的结构强度均能满足工作要求[2]。

图4 应力、应变云图

2.3 实验装置传动系统

如图5所示，由变频电机提供动力，经过联轴器，动态扭矩传感器，带轮，皮带，将动力传入切碎滚和喂入辊。动态扭矩传感器实时采集工作时的转速和功率，在显示屏上显示。为了研究不同切碎转速和不同喂入转速对切碎物料的影响，可以通过变频控制器来控制喂入和切碎转速。

图5 传动系统1.带轮 2.皮带 3.联轴器 4.动态扭矩传感器 5.变频电机

2.4 控制系统

实验装置控制系统采用可编程逻辑控制器(PLC)与人机界面(HMI)相结合，通总线的方式控制变频器进而驱动喂入电机、切碎电机工作，在工作过程中，实时采集扭矩传感器信息、转速，并计算设备的功率，能在触摸屏显示设备的运行状态，以及相关信息。本系统具有物联网远程监控功能，用户可通过网页、手机APP实时监测设备的运行状态，系统具有历史数据存储功能，能存储设备运行状态信息，并生成报表，用户可自行打印到PC端。

(1) 控制系统优势

① PC端网页Web监测、控制现场设备；

② IOS、安卓手机APP监、控现场设备；

③ 远程调试修改下载PLC梯形图程序；

④ 远程修改下载网络触摸屏程序；

⑤ 历史数据、报警短信云存储服务。

(2) 性能参数

① 电源电压：AC380 V；

② 控制方式：电控硬件自动或手动控制，通过互联网远程控制；

③ 环境温度：(-30)℃-(+40)℃；

④ 相对湿度：月平均相对湿度最大90% (无凝露)；

⑤ 适应作业高度为海拔3 000 m以下；

⑥ 作业地点无火灾、无爆炸危险、无金属粉尘、无化学腐蚀等影响因素存在。

3 实验数据与分析

3.1 理论分析

青饲料切碎段长度lp取决于喂入辊的喂入速度vw，切碎器的转速n和切碎器上的动刀片数z：

lp=60 000vw/nz

式中：lp为青饲料切碎段长度，mm；vw为喂入辊的喂入速度，m/s；n为切碎器的转速，r/min；z为切碎器上的动刀片数。

由上式可知，青饲料的切碎长度和喂入速度成正比，与滚刀的转速成反比，一般玉米的理论切碎长度为12 mm，最长不能超过30 mm，因此选择合适的喂入速度和切碎速度对青贮饲料收获机极为重要。通过切碎喂入实验装置，可以选择多组不同的喂入和切碎速度，选出适合青贮饲料收获机的最优切碎速度和喂入速度。

3.2 实验方法

选择喂入速度vw，切碎速度n与物料长度lp进行正交实验。首先在恒定的切碎转速n=1 500 r/min下，验证喂入速度vw和物料长度lp的关系；然后在恒定的喂入速度vw=2.5 m/s下，验证切碎速度n和物料长度lp的关系。

3.3 实验数据

实验数据如表1、2所示，由表1可知，在恒定切碎转速下，切碎物料长度lp与喂入速度vw成正比；由表2可知，在恒定喂入速度下，切碎物料长度lp与切碎转速n成反比。由实验数据可知，实验数据与理论计算数据基本一致，平均误差率为4%。通过此实验数据，可以指导青贮饲料收获机合理高效的选择喂入速度与切碎转速。

表1 恒定切碎转速

表2 恒定喂入速度

4 设计效果总结

本设计装置通过调节滚刀转速改变青饲料的切碎长度，对主要影响切碎性能的切碎过程的理论分析，获得影响切碎性能的主要因素，通过理论计算及对喂入切碎装置研究分析、模拟优化，有效解决装置在设计、研发、优化过程中存在的问题，高效率提出解决办法，从而缩短青贮收获机械关键部件的研发周期；同时为后期进一步的深入研究提供理论基础，也为青贮收获机的研究提供技术支持。

5 结 语

自走式青贮饲料收获机切碎喂入实验装置既可以通过实验知道切碎和喂入在工作时的功率损耗和功率分配，而且可以改变切碎速度、喂入速度以及动定刀间隙来验证各自对物料长度和品质的影响，可以有效解决自走式青贮饲料收获机在作业过程在功率损耗和切碎物料质量等问题[4]，提升青贮饲料收获机的品质。