李明志，臧瑞田，屈津东，苏云龙，孙嘉宾，丁海娟

（潍坊科技学院机电信息学部，山东 寿光 262700）

引言

饲用甜高粱是我国一种重要的饲用作物，具有产量大、分布广等特点。随着饲用甜高粱在我国种植规模的快速扩大，其秸秆出现大量剩余，严重制约了农业的可持续发展和农业供给侧结构性改革。方捆打捆机的出现，大大方便了秸秆处理，打捆技术日益成为核心关键技术。但长期以来，我国饲用甜高粱收获打捆装备技术基础研究不足，生产机械严重缺乏，整机可靠性和作业效率不高，核心部件和高端产品依赖进口，导致饲用甜高粱综合生产成本居高不下。国际知名农机企业凭借技术和资本优势全面进入中国，抢占了高端饲用甜高粱联合收获打捆农机市场，我国农机生产和产业安全面临严峻挑战。加快发展智能饲用甜高粱联合收获打捆农机装备技术，对于提升相应装备供给能力、缩小与国外主流产品差距、支撑现代农业发展意义重大。

1 打捆机捡拾机构的工作原理

甜高粱打捆机捡拾机构的主要作用是对高粱茎秆进行捡拾和打捆。捡拾机构主要由刀辊、捡拾刀片和刀座、捡拾挡板等组成。

工作时，由传动机构将拖拉机的动力传输给捡拾机构，将甜高粱茎秆从农田中捡拾起来，在刀辊高速旋转的带动下，产生巨大的冲击力和切向力把高粱茎秆切碎，捡拾挡板可以把打碎后飞起的高粱茎秆挡住并导入喂入系统中进行打捆处理。捡拾刀片安装在刀辊上，再通过销轴将捡拾刀片安装在刀座上，使捡拾刀片可以随着刀辊高速旋转[1-3]。在离心力的作用下，捡拾刀片可以垂直于刀辊旋转。刀座与捡拾刀片由销轴连接，当遇到地里的硬物时可以有效避免刀片受到损伤，延长捡拾刀片的使用寿命。

决定捡拾机构的捡拾率和打捆效果的因素有：捡拾刀片的形状、刀片在刀辊上的分列排布、输入动力的大小、捡拾作业时行进的速度、刀辊的转速等。综合考虑现在市场上的打捆作业速度和捡拾效果，确定打捆机在作业时的行进速度为2 m/s。

2 捡拾机构的设计

2.1 刀辊的结构设计

刀辊属于捡拾机构中的重要部分，刀辊上的捡拾刀片将甜高粱茎秆打碎和捡拾。刀辊在作业时高速转动，还要克服打碎高粱茎秆时的阻力，为了保证刀辊运行的平稳性，增加刀辊的宽度，同时增加捡拾刀片的数量，提高捡拾作业的宽幅，这样也可以减小打捆机构在传动过程中动力的损耗。为了进一步降低功率损耗，把刀辊设计成空心结构以减轻刀辊的质量。

刀辊的工作宽度对打捆机的工作效率和稳定性有很大影响，刀辊的工作宽度决定于刀辊宽度，也就是两侧轴头内侧的长度。合理的刀辊宽度能够提高捡拾机构的作业效率，减少作业次数和能源损耗，作业时刀辊的平衡性好，可减小对捡拾机构的磨损，延长刀辊的使用寿命。刀辊宽度过小时，捡拾作业的次数增加，作业效率降低，拖拉机行驶路程增加，油耗上升，并且捡拾机构容易疲劳，大大降低捡拾机构的寿命。遇到较粗的甜高粱茎秆也难以打碎，容易造成堵塞，打捆机的故障率增加，打捆效果差。刀辊宽度过大时，工作效率提高，但动力需求也增加，对拖拉机的功率要求提高，同时，对捡拾机构的整体平衡产生影响，容易发生安全事故，可靠性不高。根据现在市场通用刀辊宽幅并结合国家标准和甜高粱茎秆长度，选取刀辊宽度为2.4 m。图1所示为捡拾机构示意图。

刀辊的直径也是对捡拾机构性能影响很大的因素之一，它对刀辊的转速和在工作期间的平稳性有着直接影响，也会影响拖拉机发动机的负荷和打捆机的工作寿命。配套的刀辊直径与打捆机的配合度更高，捡拾作业的效率、质量和稳定性也就越高，故障率越低。如果刀辊的强度不能达到要求，很容易在刀座处发生变形。由于地面坑洼不平，工作时刀辊很容易碰到硬物或石子，发生碰撞时产生的冲击和颠簸直接破坏捡拾机构的动平衡，影响捡拾效率和捡拾质量。刀辊的直径越大，整个捡拾机构的尺寸也增加，给拖拉机的动力造成更大的负担，故障率增加，而且捡拾刀片之间的空隙变大，捡拾质量受到影响。如果刀辊的直径过小，刀辊的强度达不到要求，容易发生变形，而且捡拾刀片的排列过于紧密，在捡拾机构作业时，很容易发生捡拾刀片相互碰撞，故障率升高，系统稳定性降低，无法有效捡拾和打碎高粱茎秆。所以，综合考虑甜高粱茎秆打捆的实际要求，结合国家相关标准，捡拾刀片的长度定为135 mm（刀柄90 mm，弯折部分长度45 mm），捡拾刀片的质量设计为0.5 kg/片，刀辊外径为180 mm，内径尺寸为160 mm，刀辊与刀座之间采用焊接高强度连接，捡拾刀片用销轴连接在刀座上且可以自由转动[4]。

2.2 刀辊转速分析

甜高粱茎秆的打碎捡拾主要取决于打捆机刀辊的转速。为提高打碎效果，将刀辊的旋转方向设为与捡拾作业方向相同，即刀辊在竖直平面内进行高速回转，在拖拉机牵引下刀辊在水平方向直线运动。选取刀辊几何中心为原点O，机组作业前进方向为x轴正方向，竖直方向为y轴正方向，建立捡拾刀片的运动轨迹如图2所示。因此，捡拾刀片的运动轨迹参数方程式为：

式中：ω为刀辊的角速度，rad/s；V为打捆作业机组的前进速度，m/s；R为捡拾刀片的回转半径，mm。

对轨迹方程式（1）进行求导，得到速度方程：

捡拾刀片的绝对速度Va的表达式：

式中：Vr为刀片端点最大回转半径线速度，令Vr=ωR=，其中n为刀辊转速，r/min。

当刀片的线速度方向与作业行进水平方向相反，且机具前进速度V取最大值时，甩刀的绝对速度Va最小，此时刀片的回转线速度Vr最小，即：

结合已知条件得出刀轴最低转速：

研究表明，刀片端点的回转线速度Vr≥35 m/s时，才能实现打捆机捡拾和切碎，当Vr≥48 m/s时，捡拾和切碎效果最佳[5]。机具工作前进速度V=2 m/s，捡拾刀片的回转半径R为220 mm，此时刀辊的最小转速为2 084 r/min。

2.3 刀座的设计

刀座是连接捡拾刀片和刀辊的部件。刀辊为弧形面，为了保证刀座能够与刀辊紧密贴合，将刀座的底面设计成与刀辊相贴合的弧面，保证在焊接时不出现虚焊，保证连接强度[6]。按照设计要求，根据计算得到的数据，刀座尺寸取长为50 mm，宽为35 mm，厚度为6 mm，刀座底部与刀辊焊接处的圆弧半径r=90 mm，弧度为29°，捡拾粉碎刀片的安装孔径d=20 mm。

捡拾刀片的位置排列影响捡拾机构的作业效果，要保证捡拾打碎质量和效率，必须对捡拾刀片进行合理排列，保证捡拾机构的作业动平衡。为了确保捡拾刀片排列的科学合理，需遵循以下要求：

1）刀辊上，刀片与刀片之间的轴向距离要均匀，既要避免漏捡漏切，也不能重复切割增加不必要的磨损。同时要保证相邻捡拾刀片能够完成秸秆的抛送，防止出现堵塞现象。甩刀数量N的最优值由下式确定：

式中：L为刀辊的作业幅宽，C为甩刀密度。研究表明，打捆机的甩刀密度的取值范围为0.005～0.01片/mm。

2）捡拾刀片采用螺旋式排布。考虑到捡拾刀片在高速旋转时产生离心力，在刀辊上安装四组捡拾刀片螺旋分布，相对的两组刀片呈180°分布，以此抵消离心力。

3）刀座的长度会影响捡拾刀片的回转。刀座的长度需要与捡拾刀片相配合，借鉴经验，将捡拾刀片与刀座的长度比控制在3∶1。

因为螺旋式刀片排布方式，工作效率高，刀片磨损低，刀辊的动平衡较好，制造工艺简单，故选用双螺旋式分布。下页图3所示为捡拾刀片的分布展开图，横坐标代表刀辊的长度方向，并且为了配合第一列和第十六列的捡拾刀片的捡拾工作范围，在捡拾刀片的外侧留出87.5 mm的空隙，其他捡拾刀片之间的距离为135 mm。纵坐标代表刀辊轴向方向，在轴向均匀螺旋分布四排捡拾刀片，每排相隔90°，每排有八个捡拾刀片，各排相邻刀座之间的距离为270 mm。相邻的两排捡拾刀片错落分布，留有一定的距离，保证相邻刀片之间不出现干扰。

2.4 捡拾刀片的结构设计

捡拾刀片的结构形状对高粱茎秆的打碎效果有很大作用。分析如图4所示的常见的直刀型、锤爪型、Y型甩刀、T型甩刀、L型甩刀和鞭式甩刀等几种捡拾刀片的结构特点可知，Y型甩刀的体积小、作业时阻力小、制造工艺简单，成本低，对称结构在高速旋转时能保持较好的动平衡，打碎效果好，也不容易出现堵塞问题，所以选用Y型甩刀结构。在具体应用时，将两把L型刀片背对背组合在一起拼成Y型刀片，利用销轴连接在刀座上，能够有更强的抗冲击性能。

捡拾刀片材料采用耐磨性和抗冲击性较好的高锰钢65Mn。调研现在市场上常见打捆机捡拾刀片尺寸，经实验可知，当切削角为20°左右时，切削力和消耗功率最小，因此，改进的Y型甩刀的弯折角取为20°，刀片厚度取8 mm。

3 结论

通过对饲用甜高粱打捆机的捡拾机构进行分析，优化设计了捡拾机构以提高捡拾效率。

1）对打捆机的捡拾机构工作原理进行解析，确定了打捆机刀辊的主要参数和结构。捡拾刀片通过销轴连接在刀座上，刀座焊接在刀辊上，以提高捡拾刀片的使用寿命和抗冲击性。

2）刀辊转速切割线速度Vr≥35 m/s满足要求，捡拾机构工作前进速度2 m/s，刀片回转半径为220 mm，刀辊的最小速度为2 084 r/min。

3）捡拾刀片的结构采用改进的Y型甩刀结构，双螺旋式排列，工作效率高，刀片磨损低，刀辊的动平衡较好，制造工艺简单。