BL-600 型指盤式摟草機關鍵部件設計與試驗

楊茂林，MOHAMMAD Nizamuddin Inamdar，劉坤宇，焦巍*

（1.林肯大學學院工程與建筑環境學院，八打靈再也，47301，馬來西亞；2.內蒙古河套學院，內蒙古巴彥淖爾，010003；3.中國農業科學院草原研究所，內蒙古呼和浩特，010010；4.農業農村部草原畜牧業裝備科學觀測試驗站，內蒙古呼和浩特，010010）

0 引言

我國是一個人口大國，大力發展畜牧業是我國經濟發展的基礎，畜牧養殖業是我國農業的重要組成部分之一。這對農牧業收貨機械裝備的配備提出了新的挑戰［1］。

20 世紀以來是歐美各國草地機械發展的高峰期，各種新型和各類聯合作業機具相繼研制成功，并得到迅速推廣。目前歐美各國幾乎所有的農機公司都生產草地改良、牧草生產、收獲機械和加工機具［2］。美國凱斯紐荷蘭公司的牽引式指盤式摟草機從5.3～11 m，可提供7 種作業寬度。西德克拉斯公司生產的摟草機，采用關節梁和關節傳動軸，可變換各轉子之間多種相互位置，可改變作業幅寬、作業項目，運輸時可擺順并減小運輸寬度［3-4］。

這些牧草收獲機械除了滿足可靠性外，而且還在操作、智能、液壓、電磁力以及智能系統應用技術方面取得了快速的進展［4］。

我國從解放初期開始生產牧草機械，到20 世紀80年代已經形成一定的生產規模［5-9］；在《全國草食畜牧業發展規劃（2016—2020 年）》中，著力夯實飼草料生產基礎是規劃的5項重點任務之一，規劃中提出了“推進研制適應不同區域特點和不同生產規模的飼草生產加工機械?！辈菔承孕竽翙C械化及裝備是轉變農業發展方式、提高農村生產力的重要基礎，是實施鄉村振興戰略的重要支撐。

隨著畜牧業的發展，牧草種植的面積逐年增加，側向指盤式摟草機等牧草收獲機械的市場需求也逐年增加，摟草機對于人工種植的草場在進行牧草收獲時顯得非常重要，國內目前研制的指盤式摟草機是國內市場上廣泛使用的摟草機，適用于高產草場，并不適用于內蒙古地區的旱地草場，指輪是指盤式摟草機的主要工作部件，每臺機器有4～16 個指輪。指輪既能繞自身軸心旋轉，又能繞機梁上的軸承孔擺動，隨地面呈浮動狀態［10-11］。

內蒙古紫花苜蓿草場地形條件惡劣，指輪彈齒在轉動過程中與地面接觸會與地面的石子發生撞擊而造成斷齒，因此對彈齒的工作有效性分析尤為重要；對于內蒙古地區而言，傳統的非折疊式摟草機工作效率低，運輸時不能折疊、所占空間大，摟草機在工作時對道路狹窄崎嶇的偏遠山地等地形地貌的適用性較差，因此研究設計可折疊式的側向雙排摟草機對于提高摟草機的工作效率有著重要的意義［11-12］。

1 摟草機總體結構及工作原理

橫向指盤式摟草機在作業過程中，工作空間受到作業環境的限制，工作幅寬為4 060～4 800 mm 故側向指盤支撐部分應采用可旋轉的支架，動力由拖拉機液壓油缸提供，配套動力為4 驅52 kW，液壓壁提升力為3 000 N。本機選用m=40（彈齒數）的弧形彈齒，指盤數為8 個，直徑為1 400 mm，特別適用于稠密的牧草，能以8～15 km/h 的作業速度工作，效率較高。指盤式摟草機的指盤轉速較高，要在復雜的地形上工作，故應在設計中應考慮到運動件指盤及彈齒的材料及彈齒的強度的問題，設計中需要考慮到摟集的草條要松散通風好，便于干燥存儲，所以需配有翻草機構。

本機主要由橫梁、基座架、左右旋轉架、傳動機構、指盤支架、L 形支架、指盤、翻草架體、底座立柱、左右行走輪及支架、支腿等幾部分組成；結構示意如圖1所示。

圖1 指盤式摟草機的結構軸測圖Figure 1 Axonometric drawing of the disc rake structure

工作原理：彈齒及指盤固連在指盤支架上，由L 型支架調整機具的作業面角度，通過牽引板將摟草機與動力輸出端相連接，拖拉機液壓系統通過連桿機構實現指盤支架的起落，機具工作時，前進過程中彈齒和地面接觸，摩擦力使得指盤旋轉，彈齒旋轉時將草條向斜后方摟集，通過指盤間的傳遞將割倒后雜亂的草條集中到中間區域，還可以采用該方式對草條進行翻轉，防止草條潮濕變質，最終形成草鋪，方便后續撿拾打捆的作業。

2 指盤式摟草機主要零部件的設計

2.1 彈齒基本參數確定

指盤上的彈齒數量是實現摟草機有效摟草的重要影響因素。一般彈齒數量m可通過φ角和彈齒間夾角θ 的偶數倍關系確定，即

式中：K——影響系數（K=4，6，8…）；

m——彈齒數目；

h——相鄰彈齒軌跡交線，選用h=40 mm；

R——指盤半徑，選用R=700 mm；

φ——在草層下面轉過的角度，即通過角；

θ——彈齒間的夾角，（°）。

由式（2）計算可得：φ=130°。

當K=14 時，m=40。

該摟草機的指盤半徑R=700 mm，相鄰指盤彈齒的軌跡角線h為40 mm，指盤平面與摟草機前進方向成δ角，前進角為δmin=45°、δmax=60°。

2.2 指盤彈齒推動牧草速度計算

指盤旋轉的速度會影響草條的質量，因此指盤推草速度的計算尤為重要，對指盤進行運動學分析，設置空間直接坐標系，彈齒受力點為原點，X、Y、Z軸分別對應彈齒平面和法相。

彈齒的運動方程

彈齒絕對速度在坐標上的投影

彈齒的動力是由地面阻力提供，其作用在XOZ平面內，使得彈齒以角速度ω沿順時針方向轉動彈齒的絕對速度

指盤彈齒的轉動速度影響牧草移動速度，速度過快會將牧草的葉子擊落，牧草質量會有損失，經過分析得彈齒進入草層時，可知

式中：H——草層下面至地面的距離。

將式（6）帶入式（5）得

式中：V0’——彈齒進入草層時的速度，m/s；

（2）定期開展安全培訓和安全教育。特別針對管理人員以及重點的操作工作人員進行全面的安全教育和專業技能培訓，全面提高自身綜合水平和安全意識。對于安全培訓與教育制度對工作人員的具體內容、培訓時間以及方法和形式、要達到的效果要進行明確進行的要求并進行嚴格考察。

V——摟草機前進速度，m/s。

2.3 指盤彈齒受力分析

對彈齒作業時的受力進行分析，假設彈齒在工作過程中指盤平面與摟草機前進方向呈δ角，由于地面情況復雜彈齒與石塊撞擊時會產生較大的沖擊，如果將彈齒和石塊看作一個單獨的系統，在進行研究時，可將石塊設定速度為0，當指盤以速度v撞擊石塊，而石塊撞擊后以相同的速度隨彈齒一起運動，此過程也可看作撞擊物以速度v撞向彈齒。分析結果如圖2 所示，在作業過程中彈齒分別受到重力G，指盤支架壓力F1，地面給予的摩擦力f，石塊的沖擊力F2，指盤圈的彈力F1。

圖2 彈齒受力圖Figure 2 Force analysis of the disc rake teeth

由動量定理得

式中：F2——石頭給予的沖擊力，N；

t——撞擊時間，s；

M——石塊的重量，kg；

v2——彈齒和小石塊的速度，m/s。

式中碰撞石塊的質量M=1.2 kg，撞擊時間t=0.02 s，為保證彈齒材料在受力極限條件下能夠正常工作，對理論最大力值賦予相應的安全系數，經過查表［13-14］得農牧業機械的安全系數范圍是1.0～1.5，由于彈齒工作環境復雜，對材料特性要求高，故安全系數設為1.5。

2.4 指盤彈齒材料分析

針對普通指盤摟草機在實際工作中彈齒由于碰撞而出現的斷齒問題，本研究從彈齒的材料上進行了深入分析研究［15-17］。由于在內蒙古地區，牧草機械化收獲作業環境復雜，草地表層雜物、石塊較多，彈齒在工作過程中常與地面的石塊撞擊，為提高彈齒工作的穩定性和可靠性，綜合材料特性及成本，選取了彈簧鋼作為彈齒的材料。模擬彈齒在摟草的過程中會受到障礙物的撞擊時的情況，將彈齒材料設置為55Si2Mn 的彈簧鋼，賦值相關材料參數，彈齒材料如表1 所示。

表1 彈齒材料的選擇Table 1 Choice of spring steel material

對彈齒添加重力及相關負載載荷，重力載荷參數設置為Y方向，賦值9.8 m/s2，撞擊面與前進方向成δ角，彈齒為圓柱形，撞擊面為曲面，為提高模擬精度，對彈齒的接觸面編輯分割，在彈齒的圓柱面上建立一個與中心面成δ角的平面，對曲面進行分割，根據式（9）計算得，當機具的前進速度v=2 m/s 時受到的沖擊力為198 N，機具前進速度變為v=4 m/s 時受到的沖擊力為369 N，在模型中添加的約束單位為MPa，而彈齒與小石塊接觸的面積為780 mm2，由以上可得

利用Proe/Mechanica 模擬彈齒真實作業環境，為指盤外圈添加約束固定，彈齒的L 形折彎處分兩次添加載荷為198 N、369 N，對彈齒進行網格劃分及應力分析，如圖3 所示。

圖3 彈齒的應變及應變能Figure 3 Strain and strain energy of the disc rake

通過有限元分析發現，彈齒作業過程中，所有到的外界沖擊應力主要集中在弧形區域，且由于該應力的作用，使得位移發生變化［18］，當石塊撞擊彈齒時，彈齒在X、Z方向產生一定量的位移，末段弧形區域產生的應力較大，如圖4 所示。分析彈齒作業所有應力及應變曲線可以發現，應力主要集中在彈齒弧形末段，隨著曲線弧長度的增加，在0～10 mm 區間應力慢慢分散，當曲線弧長為15 mm 時應力幾乎為零，隨著弧形的過度，應力開始增大，直到達到最大245 MPa。55Si2Mn材料的應力足以滿足彈齒的工作要求。

圖4 彈齒尾部的應力及應變曲線Figure 4 Curver of strain and displacement in the arc section of the disc rake

3 折疊傳動機構的設計

3.1 連桿傳動機構作用

折疊牽引連桿機構是側向折疊式摟草機重要組成部分之一，主要起中間傳遞運動與動力的作用，摟草機液壓執行系統通過該機構的傳遞將液壓力施加于指盤，從而控制摟草機工作狀態，開展摟草作業。

3.2 連桿傳動機構設計簡圖及其工作原理

合理的設計折疊牽引連桿機構對整個摟草機至關重要，本設計采用傳統六桿機構，該機構具有結構簡單、連接方便、成本較低和工作性能可靠等特點。連桿傳動機構三維模型如圖5 所示。

圖5 連桿傳動機構Figure 5 Link drive mechanism schematic diagram

工作原理：圖中油缸A 為主動件，液壓油缸上下往返運動帶動桿CB 與DE 分別繞著旋轉副C 與B 進行轉動，從而帶動連桿BE 運動，進而使得連架桿繞著D 點旋轉起到對指盤支架打開和折疊的作用。

3.3 連桿傳動機構運動模擬

利用Proe/Mechanica 模塊進行建模，然后進行運動仿真，檢查連桿傳動機構是否有干涉，測出油缸行程范圍、旋轉支架旋轉角。該運動仿真采用機構模塊，既能進行運動仿真，又能實現動態分析。通過運動仿真可以測量出機構運動特征，如位置、速度與加速度等；使測量值直觀反映在圖標，并可以計算出軌跡曲線以及運動包絡范圍。通過動態分析模塊，根據實際工況添加動力、阻尼以及定義各零部件材料（該機構選用45號碳素剛材料，其特點是有較強的強度和剛度機械性能較好等特征，使機構仿真逼近實際工作狀態，從而使仿真結構具有可行性。

運動仿真準備工作：經過分析機具所有的零部件，對各零件進行建模并裝配，對于轉動副部分的配合添加配合為銷軸連接，液壓系統添加線性馬達，模擬上升速度為10 mm/s，啟動時間設置20 s，最小間隔0.1 s，添加組件屬性密度為7.38，在Z方向，為裝配體添加重力條件，然后進行分析計算，在運行結束后點生成分析報告。仿真過程及結果如圖6 及圖7 所示。

圖6 牽引機構及L 型指盤支架的運動軌跡Figure 6 Motion trace of the traction mechanism and L–shaped disc rake skeleton

根據運動仿真可得主架的運動軌跡，當其角度為0～70°的時機構沒有干涉碰撞，牽引連桿機構的受力較為均勻，在旋轉主架支撐指盤支架工作的時候L 型指盤支架與地面保持平行，此時旋轉主架的角度為0°，此時油缸處于最小位移處，隨著油缸的上升，指盤支架隨著旋轉主架旋轉，到達70°的時候油缸達到最大位移處，由分析可得油缸的行程為200 mm。

4 草場試驗

基于上述設計結果，對BL-600 型指盤式摟草機進行了優化設計，并進行摟草作業試驗。主要根據GB/T14247—2015 摟草機試驗方法，選取摟集草條平均密度和摟草作業中漏摟率為試驗評價指標。

主要測試儀器：土壤硬度計、土壤水分測定儀、鋼卷尺、電子天平、快速水分測定儀、電子數顯卡尺、數顯外徑千分尺、電子秒表、風速干濕計、牽引力測試儀等。

主要試驗內容：漏摟率、功率消耗、防止纏草、草條寬度、運輸寬度等。

基本試驗條件：作業速度：10～20 km/h；試驗動力：22 kW；牧草類型：苜蓿；試驗面積200 m×100 m。

主要試驗結果：摟前牧草含水率為20%，草葉比為40%，草條牧草重量為0.84 kg/m2，草條鋪放厚度為0.124 m；草條寬度0.8 m；漏摟率為2%；運輸寬度3.2 m，符合JB/T7766—2011《指輪式摟草機》標準。

5 結論

1）本文完成了摟草機的L 型指盤支架的總體結構設計，重點對指盤彈齒工作時發生斷裂這一問題進行了分析，并通過計算機模擬仿真及有限元分析手段得到彈齒的最優材料55Si2Mn 彈簧鋼，解決了工作過程中彈齒斷裂的問題。

2）對連桿傳動機構進行設計并進行動畫仿真，分析了主要支架的轉動角度0～70°時各部件受力均勻，不發生干涉，油缸的行程為200 mm。在這一參數下指盤摟草機結構緊湊、機具工作部件展開和收放自如，關鍵部件工作穩定可靠，能夠有效減少運輸過程中所占空間，完全適應內蒙古草地的復雜工作環境。試驗結果符合JB/T7766—2011《指輪式摟草機》標準與牧草摟集需求。

3）農業收獲機械化是現代農業的目標，提高農業機械的“三率”是現代農業機械發展的根本，智慧農業技術的應用將會對農業收獲機械的發展提高強有力的科技支撐，隨著農業科技的發展，為實現自動化，下一步將在BL-600 型指盤式摟草機上添加北斗導航系統、感知系統，實現摟草機的智能感知、自動導航、從而精準作業，推動農業收獲機械化的發展。