小型牧草收割机的设计

陈鹏德

（新疆农业大学 机电工程学院，乌鲁木齐 830052）

在我国，相当大面积的牧草分布在山区丘陵地带，其中以苜蓿分布最为广泛。苜蓿是一种草质优良、成本低廉、收割次数多、生长周期短的畜牧饲料，然而苜蓿茎秆韧性大、强度高，人工收割劳动强度大、工作效率低下。目前，我国的牧草收获机种类较多，但技术不成熟，体积较大，难以在地块狭小、土地形状不规则的山区作业。为此，设计一种由往复式割刀收割、输送收集系统和行走支撑系统组成的小型牧草收割机，通过各装置的相互配合收割牧草。同时，该装置还具有修剪草坪、收割小麦的功能。

1 小型牧草收割机设计思路与要求

1.1 总体方案

小型牧草收割机的设计需要充分发挥链轮与皮带轮的特性，最大限度地利用皮带轮和链轮装置对牧草进行收割且保证收割质量。根据牧草生长在狭小地块且地块不规则的实际情况，设计一种专用的小型牧草收割机，降低人工劳动强度，减少收割对苜蓿的践踏及对草根的伤害。机具配有调节割茬高低的装置，利用机械机构进行相应调节。

1.2 设计要求

汽油发动机的功率调节范围为3～10 kW。适用收割牧草的高度为40～60 mm。割台位置最低距离地面高度 30 mm。 作业速度为 0.8～1.5 m／s。

2 小型牧草收割机整机总体设计

小型牧草收割机由机架、收割装置、电机传动系统、牧草输送收集输送系统、行走系统组成，总体结构见图1。

图1 小型牧草收割机总体结构Figure 1 Overall structure of small forage harvester

小型牧草收割机的总体尺寸（长×宽×高）为1000 mm×1000 mm×550 mm，整机质量约为 100 kg。 收割装置由汽油机输出动力，利用皮带轮和链轮带动拔禾轮旋转。牧草输送收集系统由电机输出动力，利用皮带轮传动，减速器控制输送带速度，使刮板输送带传送物料。行走系统利用小前轮限制割茬高度，工人推动小车驱动两后轮运动。另一电机与割刀构成收割系统。

使用时，启动汽油机，动力通过1号皮带轮传输至动力输出轴，动力输出轴将动力通过2号皮带轮传递到刮板输送器，将牧草收集到收草箱。在动力传递期间，动力输出轴传递出的动力经二级减速器减速，使刮板运输器低速运转。与此同时，动力输出轴经链轮将动力传递给螺旋输送器，螺旋输送器将割刀切割下来的牧草输送至伸缩拔齿处，再由伸缩拔齿将牧草输送到刮板运输机上。同时，动力通过3号皮带轮再次输送至拨禾轮，带动拨禾轮转动。与此同时，电机带动凸轮旋转，当凸轮顶尖与动刀接触时，推动割刀向右移动，凸轮底部与动刀接触，动刀向左移动，完成一次往复切割运动。小型牧草收割机的工作原理如图2所示。

图2 小型牧草收割机的工作原理Figure 2 Working principle of small forage harvesters

3 收割机的功率需求分析

收割机功率包括立式割台往复切割器切割功率P1、输送功率P2功率和行走系统的行走功率P3。

式中：Vm为机器前进速度，m／s；B为机器割幅，m；L0为切割每平方米面积的茎秆所需功率，Nm／m2。经测定牧草L0＝200～300 m。

根据经验，输送系统功率需求为：

式中：Pb为输送系统单位割幅所需功率，kW／m，一般为 0.22～0.5 kW。

行走系统的行走轮功率取经验数据。当轮式机器行走速度为 4 km／h，切割机耗用功率为 1.0～2.3 kW／t。机具重100 kg，则其行走功率P3为0.24 kW。

在不考虑传动效率和空转所需功率的情况下，立式割台往复式收割机最低总功率为：P＝P1+P2+P3＝2.557+0.55+0.24＝3.2（kW）。

4 关键零部件的设计

4.1 割台

割台为小型牧草收割机的关键部件，主要由电动机、定刀、螺旋输送器、拨禾轮、伸缩拔齿、凸轮、动刀、弹簧组成，其布置如图3所示。

图3 割台结构Figure 3 Header structure

切割牧草过程中，电机启动后带动凸轮旋转，凸轮推动动刀向右移动，当动刀移动到最右端时压缩弹簧；在弹簧的作用下，动刀向左推动，完成一次往复切割运动。在切割的同时，拨禾轮与螺旋输送器同步转动。拨禾轮此时起到3个作用：一是把割台前方的牧草拨向割刀；二是在割刀切割牧草时扶持牧草，防止其向前倾倒；三是将牧草及时推送到输送器上。

4.2 机架

机架的结构尺寸为1 000 mm×1 000 mm×1 200 mm，由40 mm×60 mm或40 mm×40 mm方形钢焊接而成，如图4所示。

图4 机架结构Figure 4 Rack structure

机架前端与割台相连，起支撑作用；中间焊接有底板，用来放置电机、油箱、收草箱等。机架中部焊接支撑管，后部焊接扶手。装置行走由人力推动实现。整个机架体积较小，型材轻便，成本低，焊接工序简单，方便家庭及小型农牧场使用。

4.3 传动系统

传动系统是实现割草机工作的重要部件，由汽油机、1号皮带轮、皮带、2皮带轮、链轮、动力输出轴和3号皮带轮组成，结构如图5所示。

图5 传动系统结构Figure 5 Transmission system structure

汽油机产生的动力，由1号皮带轮传递至动力输出轴，并将动力分为2级：一级由2号皮带轮传递到减速器；另一级由链轮传递给割台的螺旋输出轴。同样，螺旋输出轴通过3号皮带轮将动力传递到拨禾轮。

4.4 动力输出轴受力分析

1）当网格单元划分相同而施加的载荷不同时，动力输出轴受力见图6。

图6 应力分布图Figure 6 Stress distribution map

从图 6可以看出：当施加载荷为 1000，2000，3000 N时，应力最大位置均在固定轴承支撑的链轮放置处截面上，这与实际情况相符；3种载荷下的最大应力为 1.260e+005，1.513e+007，1.978e+008 N／m2。随着外加载荷的增加，应力随之增加，近似成线性关系。

2）当网格单元划分相同而施加的载荷不同时，动力输出轴受力见图7。

图7 应变分布图Figure 7 Strain distribution map

从图7来看，当施加载荷为1000，2000，3000 N时，最大应变的位置均为悬臂梁与墙壁固定的部位，与实际情况相吻合；3种载荷下的最大应变分别为7.469e-007，5.526e-005，3.625e-004 N／m2。 随着载荷的增加，应变随之增加，近似呈线性关系。

3）动力输出轴受力分析结果表明，动力输出轴符合要求。

5 结论

小型牧草收割机由小电机加汽油机驱动，利用皮带轮和链轮传动，能解决地块狭小、土地形状不规则的山区丘陵地带牧草收割难题。试验验证结果表明，收割机具有结构合理、材质简洁、切削效率高、环境污染小等优点，适合在中小型家庭或农牧场推广使用。

为更好地验证装置的性能，还需进行割台切割的正交试验，确定装置工作的最佳工艺参数。同时，应考虑割茬高度和牧草输送收集过程中是否堵塞的问题。另外，割刀的磨损分析也有待于进一步研究。