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牧草弹齿滚筒捡拾机研究

本文作者:王文明、王春光 单位:内蒙古农业大学机电工程学院、邢台职业技术学院机电系

国内外弹齿滚筒式捡拾装置发展状况

1国外弹齿滚筒式捡拾装置发展状况

国外弹齿滚筒式捡拾装置多用于捡拾压捆机上,分段收获的联合收获机上也有应用。国外对于捡拾压捆机的研制起步较早,牧草机具的发展主要始于近代,距今已有100多年的历史[2]。目前,在牧草压捆机领域处于领先水平的主要有美国、德国、澳大利亚和英国等。其中,具有代表性的公司有美国的纽荷兰公司、约翰.迪尔公司,德国的克拉斯公司、韦利格尔公司、法尔公司、澳大利亚的皮•埃尔公司、吉尔公司和英国的霍华德公司等。各个公司生产的弹齿滚筒式捡拾装置的结构大致相同,他们生产的产品品种齐全、系列完整,可与不同的小方捆捡拾压捆机、圆捆卷捆机、大方捆捡拾压捆机和捡拾集垛车等匹配,不仅适用于各种牧草,而且还可用于捡拾各种秸秆。各个公司产品的工作原理至今没有大的变化,但其都在提高性能、可靠性和操作舒适性等方面下功夫,同时也逐步完善微电子技术在其上的应用[3-4]。美国纽荷兰公司的产品对不同作物的适应性极佳,其捡拾装置弹齿采用曲线结构,而不是直线结构,可将普通捡拾装置无法拾起的短小作物捡拾干净[5]。德国的捡拾装置宽度为1.55~2.2m不等,捡拾装置由液压装置操纵,牵引拖拉机上的计算机可控制液压机构,也适用于不同物料[6]。德国克拉斯公司的捡拾装置弹齿前端采用了独特的钩形设计,确保了捡拾率,拉绳牵引至拖拉机驾驶室,使得捡拾装置升降十分方便[7]。美国约翰迪尔公司的捡拾装置主要采用了小间距的弹齿式设计,可保证密度高、幅宽大的草条充分捡拾喂入,位于弹齿上方的小间距齿条压草杆可防止草叶及断杆四处飞溅造成损失[8]。德国韦立格尔公司捡拾装置的驱动部分增加了一个摩擦式安全离合器,这是它们的专利;德国法尔公司在捡拾装置传动上采用双作用安全装置;美国纽荷兰公司采用宽型捡拾装置,并采用“流动式拨叉”喂入机构和“转子式”喂入结构以实现无堵塞的喂入[9]。总之,国外弹齿滚筒式捡拾装置发展至今日趋成熟,各个公司都有其自主知识产权的技术和产品。为改善捡拾装置的适应性,提高捡拾能力,降低捡拾遗漏率,捡拾装置弹齿间距普遍缩小到61~71mm,全部采用弯型弹齿,捡拾装置的调节都改为驾驶员在拖拉机座位上操作,有一些使用了液压调节器,安全保护机构更加齐全、灵敏、可靠。国外对弹齿滚筒式捡拾装置的产品介绍较多,但其理论分析文章尚不多见。前苏联的波波夫曾用图解法对捡拾装置的结构参数和工作性能进行了定性分析,并认为其是一个连杆机构[10]。

2国内弹齿滚筒式捡拾装置发展状况

我国的捡拾压捆机大多为弹齿滚筒式捡拾装置,捡拾装置大多为仿制国外机型。我国牧业机械工业起步较晚。1978年9月,呼和浩特畜牧机械研究所等单位研制了我国第一台小方草捆捡拾压捆机9KJ-142型[11]。到20世纪90年代,国外的搂、捆、装、运等牧草收获机械陆续进入我国牧草种植基地,但价格昂贵。近些年,国内牧草机械已进入快速发展阶段,已研制成功并投产多种型号的弹齿滚筒式捡拾装置。由于我国弹齿滚筒式捡拾装置大多为仿制国外的不同机型研制,其结构参数和凸轮滑道廓线形状多种多样。就凸轮滑道廓线形状来说有两类:一类是心脏形,如中国农业科学院草原所的9KJ-1.7型方捆机、9JS-1.6散草捡拾车等,但廓线段数也不尽相同,有的是7段圆弧组成,有的是6段或4段圆弧组成;另一类形似豆形,其中由一段直线和几段圆弧组成,如机械工业部呼和浩特畜牧机械研究所的9KJA-1.4型方捆机。学者们对机构的性质认识很不一致。1980年和1981年,农机部呼和浩特畜牧机械研究所的孙康杰和王英用“图解法”分别对韦立格尔-180型圆捆机捡拾装置和新荷兰-850型圆捆机捡拾装置的运动轨迹进行了分析,认为其是“曲柄摆杆机构”,并建立了弹齿尖端运动的数学模型,但未知数较多,无法应用于设计;1991年,吉林工学院的盛凯、曾南宏采用“解析法”分析了弹齿滚筒式捡拾器,认为其是一个“反转的摆动从动件盘形凸轮机构”,也建立了弹齿尖端运动的数学模型[12]。

从试验研究方面来讲,很多学者针对特定机型参数进行过分析,对一定机型捡拾装置的捡拾效果都做过大量的试验,认为各机型均可以满足捡拾要求。2001年,中国农业大学的王国权等对芬兰Junkkary公司圆捆打捆机进行了国产化设计,并应用ADAMS对此机型的捡拾器进行了动力学仿真分析,得到了机器运转过程中速度、加速度的变化情况,并对样机进行了试验测定。试验表明,机器捡拾装置工作效率高,秸秆损失率小[13]。2006年,中国农机院呼和浩特分院的王振华、张俊国针对9YFQ-1.9型方捆机捡拾装置的工作参数进行了分析,分析表明机器的结构参数完全能满足各种情况下的捡拾作业要求,并经过田间试验证明该捡拾装置的漏损率非常小,完全可以避免牧草在地面堆积和漏捡[14]。2008年,新疆农科院农机化所的王学农等基于Solidworkds对残膜捡拾滚筒进行了3D设计及运动仿真,初步找出了弧型捡膜齿满足要求的排列布置、滚筒转速和合理的入土深度等工作参数[15]。2010年,内蒙古农业大学的乌吉斯古楞应用Inventor软件对特定机器参数进行了计算机分析,并对捡拾器的转速、机器的前进速度、弹齿尖端离地高度对捡拾器工作性能的影响进行了试验研究[16]。我国的弹齿滚筒式捡拾装置多数为仿制国外机型,对捡拾装置的设计和参数的选择还没有形成方法,很多学者只对参数的设计做过定性分析,并没有给出设计方法,分析时多用解析法和图解法分析,也有些学者尝试用计算机进行了辅助分析[17-21]。但对弹齿滚筒式捡拾装置的工作要求认识,具体要求为:漏捡损失小,即应该把留茬上的所有草料或茎秆捡拾干净,在留茬上没有遗留的草料或茎秆;破碎损失小,即在捡拾过程中不要撕破豆科草料最有营养价值的细嫩叶片;结构紧凑,动作均匀性好、连续性好,即捡拾的物料应无阻碍地输送到机器的下一个工作部件;功率损耗小。吉林工学院的盛凯认为:弹齿滚筒式捡拾装置工作时弹齿相对于滚筒的摆动规律及变化速度、加速度对弹齿的工作性能有很大的影响,其合理的选择是至关重要的,而摆动规律不是单一的规律,而是由多种规律组合而成的[10]。

存在的主要问题

1产品适应性差,标准化程度基础差

我国研制的弹齿滚筒式捡拾装置大多不能适应多种作物使用,有的针对几种牧草设计,有的针对秸秆捡拾设计,缺乏适应性强的捡拾装置,且各种弹齿滚筒式捡拾装置参数多种多样,各种之间互无联系,不成系列,各部件尤其是易损件之间不能互换,修理维护不方便。

2设计方法繁锁,精度低

我国的弹齿滚筒式捡拾装置多数为仿制国外机型,在设计时多采用传统图解法和解析法对其进行分析,方法繁锁且精度低,没有建立起真正实用的数学模型,不能采用先进的设计方法来研究完善捡拾装置的设计。尤其对于主要控制弹齿运动、影响捡拾质量的凸轮滑道廓线的设计,还没有形成可用于实际的设计方法。

3技术含量低,使用可靠性不高

我国在弹齿滚筒式捡拾装置研制时缺乏自主知识产权,已定型的捡拾装置大部分属于国外20世纪80年代以前的水平,近些年基本没有什么改进。关键部件的技术性能没有突破,制约了捡拾装置的发展。我国使用条件差,使用可靠性显得尤为重要。使用时故障多,设计机理不清晰,性能不能得到发挥,制约了草原机械的使用。特别是在退耕还草后,优质牧草及苜蓿草大量种植,急需捡拾压方捆、压圆捆等机械设备,但是国内生产质量仍不过关。

发展对策及建议

1进一步提高机具适应性

我国牧草品种复杂,地区差别很大,有些农区除了要捡拾稻草、秸秆,还要捡拾鲜草。要用尽量少的机型满足各地区的不同要求,要进一步研制开发可适用于多种作物的捡拾装置。

2进一步完善捡拾装置标准

目前我国在捡拾装置方面的设计标准不完善,使得捡拾装置的通用性和互换性差。为此,应提高机具零部件的通用性和互换性,规范生产市场,制定统一的产品标准,避免重复研究。

3加大科研投入力度

我国的弹齿滚筒式捡拾装置多数为仿制国外机型,设计机理不清晰,致使在使用过程中出现问题不能对症解决,严重制约了机械的使用。另外,弹齿滚筒式捡拾装置机构复杂,设计和工艺要求难度大。因此,应加大在这方面科研的投入力度,保证技术创新资金,专项用于这方面的研制、试验和推广等科研项目。同时,采取多种优惠政策,加大设备的购置补贴等,加快机具的推广使用。

4提高制造质量

可靠性应当作为机具的主要指标,在保证使用可靠性的前提下再考虑其他性能指标和结构的先进性。目前弹齿滚筒式捡拾装置的一些易损件可靠性差,使用者感到麻烦,使产品没有竞争力。为此,应在设计上力求结构简单,易于调整,并有足够的安全系数;另一方面,应进一步提高产品质量。

结论

我国草地资源丰富,畜牧业更是农业的重要组成部分,采用捡拾压捆机收获牧草,对增加牧草的贮存量和提高牧草的利用价值,促进我国畜牧业大力发展具有很大的现实意义。我国还是一个农业大国,小麦和水稻种植面积广,在其上茬作物收获后,田间存留大量的秸秆及根茬,对秸秆的加工需要大量弹齿滚筒式捡拾装置。综上所述,应及时了解国外先进机具生产技术和经验,因地制宜,研究和探讨适合我国的弹齿滚筒式捡拾装置,以加快我国这方面机械产业化的步伐,适应市场需求。

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