滕绍民， 华荣江， 兰 宁， 赫志飞， 王 楠， 郭 勇

（1. 中机美诺科技股份有限公司，北京 100083； 2. 中国农业机械学会，北京 100083）

0 引言

青饲料收获机作为一种饲料作物收获机械，为畜牧业发展提供了高效生产机具。青贮饲料收获季节较短，过早、过晚收获都会造成饲料营养损失，对青饲料收获机的工作性能和作业效率提出了更高要求[1]。青饲料收获机的工作质量和效率直接影响青贮饲料的质量和产量，提高青贮饲料机械化收获技术水平成为迫切需要解决的问题[2]。

农机具大多是露天作业，零部件经常与土壤、砂石、作物秸秆及根块等接触，锈蚀和磨损比较严重[3]。青饲切碎机（一种主要的秸秆青贮设备）的主要工作部件动刀片，在切割过程中受秸秆组织里的氧化硅晶体、表面吸附的石英微粒及带入的沙石的作用，磨损非常严重，是易损件，几乎需要每天或半天就拆卸、磨锐和调整一次，既浪费时间，又不安全，尤其是在秸秆青贮季节，动刀片锋利与否直接影响到青贮的效率和质量，关系到工人的劳动强度和企业的经济利益[4]。刀具自身材料、结构参数及安装参数直接影响切割效率和切割质量。刀具材料影响刀具与秸秆的接触情况，从而影响切割效率，同时也影响刀具的使用寿命。刀具切割青饲料秸秆性能的好坏取决于刀具切割部位的材料[5]。

现在市面上的青饲料收获机一般都具有磨刀装置，但大多是手动操作。每次更换或磨刀必须停机，如果现场磨刀，则需要延长停机时间，增加了工人的劳动强度，增大投入成本。这种模式已经不能满足广大用户的需求。

针对上述问题，研究设计了一种青饲料收获机的弧形弯刀及电控磨刀装置，根据实际作业情况，方便、快捷地实现磨刀，缩短青贮饲料收获过程中的磨刀时间。装置结构简单，操作方便，流程安全可靠，能较大程度地提高青饲料收获机的作业效率[6]。

1 青饲料收获机切碎器研究现状

目前，我国大中型农场使用的主要为不分行收割的自走式青饲料收获机。结构包括割台、喂人装置、切碎装置、抛送装置、发动机、底盘、驾驶室、液压系统和电气控制系统等[7]。

青贮饲料切碎是青饲料收获机作业过程中必不可少的加工过程。目前国内外对青饲料收获机研究仍以加大功率为主流，但在功率不断加大的过程中，其切碎刀片基本上没有大的变化，因此出现了机型越先进，功率越大，而刀片磨损越严重的局面。刀片的这种磨损情况已成为我国青饲料收获机生产厂必需面临的重大问题[4]。

常见的切碎器主要分为两种：一种是盘刀式切碎器，如图1 所示；另一种是滚筒式切碎器，如图2 所示。两种切碎器各有优缺点[8]。盘刀式切碎滚筒主要缺陷是传动复杂，结构不紧凑，圆盘刚度较差，切割过程中滑切角变化幅度较大，进而导致切割阻力急剧变化，刀轴负荷不均匀，回转稳定性差，使切割质量降低。相比盘刀式切碎滚筒，滚筒式切碎器生产率高，滚筒式切碎器有弧形刀滚筒式和平板刀滚筒式，弧形刀滚筒式切碎器的动刀属于等滑切角切刀，它具有工作负荷均匀、机器振动小的显著特点，滚筒在较低转速时，仍可获得较短的切段。虽然弧形刀片的制造难度大，但经过多次技术研究试验，设计的新型弧形弯刀更利于磨刀机构磨刀，因此，在弧形弯刀的设计基础上研究了一种全新的自动磨刀装置。

图1 盘刀式切碎器Fig. 1 Disc knife type shredding drum

图2 滚筒式切碎器Fig. 2 Drum shredding drum

2 自动磨刀装置设计

2.1 自动磨刀装置结构

青饲料收获机的自动磨刀装置主要由主机架、磨刀装置、磨刀驱动装置、护罩及拆卸装置组成，如图3 所示。磨刀装置设置于主机架上、切碎刀辊的上方，并可沿主机架横向移动；磨刀驱动装置设置于磨刀装置后方，其包括分别设置于主机架左、右两侧并与主机架固定连接的左侧进油杆和右侧进油杆，及与左侧进油杆和右侧进油杆连接并可沿二者横向移动的移动缸体；主机架右侧的架体上固定连接有限位传感器，磨刀装置向右侧移动触碰限位传感器后即可判定其到达非工作安全位置；主机架的左侧设置有开启传感器，开启油缸控制护罩打开后将触碰开启传感器，从而判定其开启到磨刀模式的工作状态，磨刀装置可以进行磨刀作业。

图3 自动磨刀装置Fig. 3 Automatic knife sharpening device

2.2 自动磨刀装置工作流程

当青饲料收获机作业一段时间后，切碎滚筒动刀变钝，需要停止作业进行磨刀。保持青饲料收获机处于怠速状态，在操纵面板选定自动磨刀操作，液压系统准备就绪，电控磨刀系统准备就绪，运行自动磨刀。执行磨刀操作前，负责保护磨刀装置的盖板会通过液压系统打开，盖板打开到位后，磨刀电磁阀启动，磨刀左移至限位点后磨刀右移，如此反复数次直至完成磨刀，盖板关闭。

自动磨刀装置设置了保护装置，若盖板未打开，左右限位开关无法接通，磨刀无法启动工作，实现了对磨刀装置的保护作用。

3 切碎滚筒的弧形弯刀设计

根据喂入口的宽度、机体的工作功率、工作幅宽及刀盘工作转速的设定（1 200 r/min），本次设计的动刀选择弧形刃刀片，考虑到作业的使用寿命，弧形弯刀片材料采用合金弹簧钢。使用Dassault Systemes 三维机械设计软件SolidWorks 的插件Simulation，进行切碎滚筒弧形弯刀片的静力学分析。

3.1 刀片材料选择

选取条件屈服极限值为1 127 MPa，密度为7.85×10³ kg/m³，横向变形系数0.29 的合金弹簧钢作为刀片原材料。

3.2 约束条件

在动刀片螺栓孔的位置添加固定几何体约束[8]。

3.3 施加载荷

切碎滚筒在切割时，由于作物长势不同，切割受力情况较为复杂。根据孟海波的理论可知，每根含水率为71%的玉米秸秆切割阻力约为455 N[8]。动刀片长度设定成380 mm，经测量，玉米秸秆直径约为30 mm。假设工作瞬间动刀片的切割根数为13 根，因刀片转速较快，按条目沿边线对动刀片刃口施加外部载荷力，大小为6 500 N，如图4 所示。

图4 加载力Fig. 4 Loading force

3.4 网格划分

采用的方式为四面体单元划分法，网格单元节点距选择6.175 mm、公差0.308 mm，网格划分如图5 所示。

图5 动刀片网格化Fig. 5 Moving blade meshing

3.5 有限元分析

单 击运行“Simulation Command Manager”进行运行分析， Simulation 算例树中出现分析现象的结果。动刀片的静态应力云图如图6 所示，最小应力近似为0；最大应力出现在刀刃两侧刀尖处，值为98.94 N/m2，小于材料屈服强度1 127 MPa，刀片符合许用的要求。

图6 动刀片的静态应力云图Fig. 6 Static stress cloud of moving blade

在图7 中，刀刃的最大应力为98.94 MP，处于刀刃端部位置，选取的材料本身屈服应力是1 127 MPa，屈服强度满足设计需求；最大位移同样发生在刀刃端部位置，为0.012 21 mm。在载荷均匀分布的情况下，刀片的最大变形位置是刀刃两端，属于微量变形，符合设计需要。设计切碎滚筒定刀与动刀的刃口距离为0.2～0.3 mm，经过有限元分析此设计符合安全设计，满足产品作业要求。

图7 动刀片位移云图Fig. 7 Moving blade displacement cloud diagram

动刀片是青饲切碎机的核心工作部件，也是受力比较复杂的易损元件，其性能直接影响切碎器的总体性能及寿命，所以动刀片的选择极为重要。本动刀采用复杂变角曲线，解决了切段长度不均匀问题，刃口均匀性好，切割省功，降低耗油，增加耐磨层，比普通动刀提高寿命10%以上。

4 试验与应用

本设计主要应用于中机美诺科技股份有限公司生产的大型青饲料收获机，自动磨刀装置单机试验如图8所示。

图8 磨刀试验Fig. 8 Automatic tool sharpening test

2018-2020 年青饲料收获季，配置自动磨刀装置的青饲料收获机分别在内蒙古、河北、河南、山东和陕西等地进行了3 轮样机推广试验。第1 轮：时间2018 年7 月15 日至10 月31 日，数量120 台。第2 轮：时间2019 年7 月15 日至10 月31 日，数量180 台。第3 轮：时间2020 年7 月15 日至10 月31 日，数量265 台。自动磨刀装置均工作正常，田间样机试验效果如图9 所示。每台青饲料收获机年收获量均大于6 000 t，工作中平均减少30%人力磨刀的作业时间，提高了工作效率，提升物料切碎质量，证明自动磨刀装置作业效果显著。

图9 自动磨刀样机试验Fig. 9 Automatic knife sharpening prototype test

青贮饲料按300 元/t，一年每台机器可增收6 000×5%×300/（1-30%）= 12.9 万元，经济效益显著。自动磨刀操作简便，运行流程顺畅，故障率低，可靠性良好，用户对产品给与了肯定，市场反响良好。

5 结束语

研究成果对我国秸秆饲料收获装备研究提供了较大的科学价值。设计研发的青饲料收获机自动磨刀装置优化了传统手动磨刀操作流程，安全可靠，自动化程度高，大大缩短了磨刀时间，节省了工时，提高了青饲料收获机的工作效率。弧形弯刀对我国青贮饲料收获机及畜牧产业的发展有重要意义，促进我国具有自主知识产权的民族农机产业健康发展，缩短与国外产品差距，提升行业核心竞争力。