9GLGA-2.1单刀割搂一体机的设计与试验

李　普，张　云，刘忠舍，刘丽娟

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018；2.蒙拓农牧科技有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔　021000)



9GLGA-2.1单刀割搂一体机的设计与试验

李普1，张云1，刘忠舍2，刘丽娟2

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018；2.蒙拓农牧科技有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔021000)

摘要：简述了9GLGA-2.1单刀割搂一体机的工作原理，并对切割器梁进行弯矩分析，对草条的收集进行受力分析，对弹齿的运动轨迹及漏搂率和花叶损失率进行试验分析。试验研究表明：该割搂一体机适用于低产量的天然牧场，各项参数均达到设计要求，操作简单，有效降低了漏搂草率和花叶损失率。

关键词：单刀割搂一体机；切割器梁；弹齿

0引言

随着我国市场经济的迅猛发展，农业机械化对农村经济、文化、生活 起着举足轻重的作用。畜牧业机械在农业机械发展中占有重要地位。目前，我国畜牧业机械在国际市场上的竞争力还处于较低水平，加快发展畜牧业机械水平，不仅为牧民创造了便利，更是我国提高机械化水平的需要[1]。内蒙古自治区有着天然的草原牧场，面积较大；但草原畜牧业并没有摆脱靠天养畜的落后局面，牧民对牧草的收集有着环境的局限性，且不能大量地收回。我国的牧草机械主要有收割、搂草、打捆、压垛及二次加压打包作业工艺系统等，牧民不能根据自己草场情况选择合适的机具，使得收获效益并不高。近年来，随着草原环境改变，牧草单位产量并不乐观，加之牧民拥有的专业机械较少，使牧草的收集、处理产生了一定的困难[2]。为此，根据草场的实际情况，设计了针对草原牧场作业的单刀割搂一体机，并对割搂机进行设计和计算，使其能够实现高效率作业，同时降低成本，使割搂机能够走进每一户牧民家里，高效地为牧民服务。

1工作原理

单刀割搂一体机主要用于牧草的收割、翻晒、并铺及摊铺等处理，以加快牧草的干燥，如图1所示。割搂机通过牵引架由拖拉机带动作业。搂草时，放下搂齿经油缸与地面持平，使之既不搂破草皮又能搂起草；与此同时，经割刀提升架构作用于割刀，放置于割草的适当位置等待割搂草作业；机器运行时行走轮动作，通过轮轴带动升降机构中的棘轮与凸轮传递到连杆，从而使搂齿机架实现往复搂草动作；搂草动作结束后,上举割刀和搂齿使油缸卸载，此时机器处于空载，正常行驶。

1.牵引架　2.割刀提升机构　3. 割刀底座

2主要部件设计及参数确定

2.1　结构特点

功能上：①漏割区小，搂集的牧草干净；②保证搂集起来的草条清洁，且草条中的陈腐草和泥土等杂物少[3-4]；③搂集起的草条连续、蓬松、均匀干燥；④割搂机对牧草的作用强度小。结构上：整机简单紧凑，单位搂幅占地小，割刀启动时惯性力作用小。在动力特性上，整机重心接近地轮轴中心，无论作业还是运输在纵向和横向都达到了稳定。搂草机主要参数如表1所示。

表1　液压升降式搂草机主要参数

2.2　切割器梁

切割器梁是刀具的重要组成部件，其强度决定了割草效率和机器整体强度。因其有较长的悬臂梁，故靠近内壁处所受扭矩最大。根据等强度原则，梁所受弯矩为

M=W·σ

式中W—材料抗弯截面模量；

σ—截面应力，满足σ≤[σ]。

刀端面与地面摩擦力引起弯矩为

MF=F(L-x)

式中F—刀端面与地面摩擦力；

L—切割器梁长度。

牧草阻力引起的弯矩为

式中q—单位切割器长度的牧草阻力。

故切割梁所受合成弯矩为

已知刀端面与地面压力为120N，牧草在切割器上的单位阻力为38N/mm，切割器长度为2.1m。通过考虑机器的工艺性及经济性，选用20mm的钢板进行加工，在保证机器质量的同时，降低了成本，提高了经济效益。

2.3　弹齿

2.3.1弹齿设计

采用螺线型弹齿进行作业，其曲率半径从下至上逐渐减小，利于形成松散的齿条，使之透气性好，便于干燥。齿端较小的曲率半径，降低了草条上升阻力，利于搂草时草条的上升[5-6]。

2.3.2弹齿搂草分析

弹齿是单刀割搂一体机的主要工作部件，α角的确定，直接影响牧草的收集。为了实现搂草器卷草而非拖草，形成松散的草条，首先对弹齿进行受力分析，如图2所示。当机器前进时，不考虑草条的压缩变形，认为草条以相同速度沿弹齿表面上升。

dα-干草颗粒与弹齿摩擦力； dm-搂草阻力；

由受力分析可知

dc=dn

由曲线分析可知:草条的初始上升角α应为20°，太小或太大草皮都不易上升；当α为20°～90°时，弹齿的曲率半径应较大，从而提高草条的滚落点；当α<90°时，dc与dn的方向是相同的，草条伏贴于弹齿的曲面上，受到后续的草条推动而上升；当α>90°以后，弹齿的曲率半径应减小，使草条上升极限角增大，从而便于形成草卷；当α>90°时，dc与dn的方向相反，随着角度的不断增大，直到dc=dn时，草皮不再伏贴于弹齿曲面上开始滚落，从而形成草卷。

图3　草条上升影响曲线

3牧草收集条件试验分析

3.1　试验基地与设备

本试验2015年8月中旬于内蒙古呼伦贝尔市哈克镇牧场进行。鉴于呼伦贝尔特殊的环境气候及牧草生长的限制性条件，此时牧草较为稀疏，阳光充足，便于牧草的割搂。

使用的动力设备是配套功率为26kW的约翰迪尔350拖拉机，动力输出转速为540r/min和720r/min，行驶速度为2.04～28.3km/h。试验所使用的仪器有：50m的卷尺、游标卡尺、角度尺、草含水量检测仪、风速仪、土壤硬度计、土壤湿度计、摄像机、照相机和其他辅助仪器等。试验前对液压升降式搂草机进行了运转和调试，使其达到了最佳工作状态。

3.2　弹齿端部运动轨迹

根据现场搂草拍摄处理，经影像处理分析，结合《农业机械手册》弹齿运动轨迹图得到如图4弹齿端部的运动轨迹[7]。

S1-弹齿上升到最高点机器的前进距离；S2-弹齿从最高点开始下落到下一上升点开始处机器前进的距离。

图4弹齿端部运动轨迹

Fig.4Tine ends trajectory

由图4可知：弹齿端部要尽量靠近牧草草摊的边缘，不碰乱草条，为有效提高搂草效率，不搂草段S2的距离尽可能达到最小。当弹齿顶部升起高度为420～480mm、机器前进速度为110～125m/min时，达到最大工作效率。

3.3　漏搂草率

在试验过程中，分别排列相等质量、同一批次10行10m长的草铺，经搂草机作业后，分别称重剩余草条的质量进行记录。在试验过程中，分别排列相等重量同一批次10行10m长的草铺，经搂草机作业后，分别称重剩余草条的质量进行记录，则有

式中n0—1m2内平均漏搂牧草的质量(kg/m2)；

n1—各行10m内漏搂牧草质量之和(kg)；

N—所测行数；

B—搂草机的平均搂幅(m)；

S—漏草率(%)。

通过以上计算式计算可得：单刀割搂一体机的漏搂率为1.8%，符合国家小于等于2%的技术标准，说明弹齿的设计正确合理。

3.4　花叶损失率

本试验选择呼伦贝尔天然牧场的黄花苜蓿作为试验对象。其属于多年生草本豆科类植物，根粗壮，总状花序密集。

试验前期在牧场试验区进行牧草采集，采取田间区划的方式取牧草采集点，每个小区的面积为10m2(5m×2m)。在每个小区取约20g的牧草，并进行称重；然后对取样牧草进行干燥处理，再次进行称重，然后计算搂草前牧草的含水率，则

式中M0—干燥前取样牧草的质量(g)；

M1—干燥后取样牧草的质量(g)。

在试验区均匀分布10点，在每点上采集牧草20棵，将茎与花叶分离并进行干燥处理，分别进行称重，计算搂前牧草的叶草比，有为

式中Mn—干燥后花叶部分的质量(g)；

Mp—干燥后茎干部分的质量(g)。

在每行草条铺上等距取5个点，均需按随机分布共取50颗牧草，同搂草前牧草的叶草比测定方式进行搂后牧草的叶草比测定，花叶损失率为

由此得出花叶损失率测定结果如表2所示。

表2　花叶损失测定结果

由试验结果可知：单刀割搂一体机作业时，其弹齿对牧草作用强度小，花叶损失率小。这说明，机具的设计合理，拖拉机的选用速度正确。

4结论

9GLGA-2.1单刀割搂一体机解决了草原机械升降靠轮轴行走来带动，在机器不行走时搂齿不能升降、无法静止卸载的弱点，以及空载无负荷行驶时还与搂齿连动问题，其漏搂草率、花叶损失率符合国家标准，显著提高了牧草收获的效果。该机器经试验分析，设计合理，降低了人工劳动强度，提高了搂草效率，非常适合于低产量的天然牧场，且经济价格适中，非常受广大牧民的喜爱。

参考文献：

[1]翟改霞.水平旋转搂草机设计与试验[J].农机化研究,2014,36(7)：172.

[2]王国跃.国内外畜牧业机械化发展的现状及趋势研究[J].农机化研究,2008(5):233-235,239.

[3]罗金海.牵引式V形折叠搂草翻晒机设计与试[J].农业机械学报,2014(11)：45.

[4]齐德山.国内外畜牧机械化发展概况及对我省发展畜牧机械化的几点看法[J].农机化研究,1986(3)：5-14.

[5]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[K].北京：中国农业科学技术社，2007.

[6]机械工业和信息化委员会.JB/T9701.1-2010机引横向搂草机：型式与基本数[S].北京：机械工业出版社,2010.

[7]工业和信息化部.JB/T9701.2-2010机引横向搂草机：技术条件[S].北京:机械工业出版社,2010.

9GLGA-2.1 Single Knife Hug Machine Design and Test

Li Pu1, Zhang Yun1, Liu Zhongshe2, Liu Lijuan2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Inner Monggolia Agricultural University,Hohhot 010018,China; 2.MengTuo Technology Co.Ltd.,Hulunbeier 021000, China)

Abstract：Briefly 9GLGA-2.1 single knife hug one machine works, and the cutter beams moment analysis, collection of grass strips do stress analysis, trajectory bomb teeth and leak rate test analysis hug. Experimental studies have shown that cutting hug machine for low production of natural pasture, the parameters have reached the mechanical requirements, simple operation, effectively reducing the leakage grass and leaf loss collection rate.

Key words：single knife hug one machine; cutter beam; tine

中图分类号：S817.11+1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0101-04

作者简介：李普(1990-),女，内蒙古包头人，硕士研究生，(E-mail) lipu6265@126.com。通讯作者：张云(1958-)，男，呼和浩特人，教授，硕士生导师，(E-mail)zhangyund1958@163.com。

基金项目：内蒙古自治区创新引导项目(2015-07)；2014年度装备制造业发展专项资金农牧业机械技术改造项目(海经信备案字[2013]03号)

收稿日期：2015-09-24

专利项目："单刀割搂一体机"发明专利(ZL201430491909.2)(RD05，PS06)