智能伸缩型青贮取料机的研制

范良俊

（上海市农业机械研究所，上海市 201100）

1 国内外现状

青贮饲料作为奶牛养殖的主要粗饲料，对奶牛养殖有着重要的意义，如今奶牛养殖已经实现集约化和规模化，而青贮取料则是其中关键作业的环节。欧美国家的牧场规模大，青贮取料设备也十分先进。如意大利司达特生产的Dobermann自走式青贮切割搅拌机（图1），包括立、卧式两种搅拌形式，容积从12～28 m3不等，通过机电液一体化技术和自动控制技术，其实现了青贮取料、输送、搅拌和设备行走等多个功能；法国库恩生产的SPW型自走式饲料搅拌机（图2）具有高效的青贮切割性能，均匀的搅拌效果和高质量的喂送功能，料箱容积从19～25 m3不等，自带可编程称重系统，实现精确喂送；自带的液压系统可以满足行走、切割、升降等多个功能，且均可实现编程控制。这些进口的青贮切割搅拌机一般配备180～300匹的大马力发动机，设备的行走、取料、伸缩均采用了集取料、运输、搅拌及地盘行走为一体的电液控制系统。

图1 Dobermann自走式青贮切割搅拌机

图2 SPW型自走式饲料搅拌机

国内牧场对于青贮取料大部分会采用铲车铲挖的方式，容易造成青贮饲料的坍塌和浪费。主要还是因为进口设备过于昂贵，国内设备性能不可靠和一些牧场的规模相对较小等原因。但随着我国牧场规模的不断扩大，牧场对于机械化作业的需求也十分迫切。通过引进吸收消化国外技术的方式，青贮取料机也不断国产化。黑龙江省畜牧机械化研究所在2017年研制的9JLQQ-1600型自走式青贮取料机，该设备装备了两套液压系统，行走液压系统和取料液压系统，解决了国产青贮取料机车轮小和底盘低，取料滚筒动力不足，行走速度和跨越障碍能力差的问题；9QQ-1600-5型全遥控青贮取料机（图3），采用电机控制双联泵的液压系统控制地盘行走和取料作业，取料宽度1.6 m，高度可达4 m以上。虽然国内已经研发出一部分青贮取料机，但是依然存在很多缺点和不足，大多为电机驱动并需要现场拉电，设备转运不方便，取料高度相对较低，取料截面不平整容易造成塌陷。因此，研发一款行动灵活、截面平整，取料效率高的青贮取料设备很有必要。

图3 9JLQQ-1600型自走式青贮取料机

2 取料机总体方案

本次研发的可伸缩取料臂青贮取料机主要由取料头、伸缩臂组件、举升臂组件、操控系统、行走与机架组件、动力系统、排料输送等机构组成。该机采用全液压控制，可实现手动和自动两种操作模式。设备性能参数如表1。

表1 高效可伸缩取料臂青贮取料机性能参数表

2.1 取料机构

该取料机采用全密封的伸缩机构，伸缩机构可根据青贮饲料高度伸缩取料头，取料高度最高可达8 m，伸缩机构端部设置有取料滚筒，物料切割作业时可保障切割面接近90°，有效避免物料在取料过程中的坍塌。伸缩臂内部设置多节传送带，从而确保饲料稳定、连续运送。

根据图4所示，取料作业时，将举升臂组件提升至取料头到青贮窖最高处的合适位置并开始取料，同时伸缩臂开始伸出进行一定深度的取料作业，当完成一定深度的取料后，下降一定高度继续取料，伸缩臂缩回，如此往复作业，避免了原有上下作业时一半的空行程，提高了效率。其次，能够保证取料截面接近90°，防止青贮饲料塌陷。

图4 伸缩型青贮取料机取料方法示意图

2.2 行走系统

该机的行走系统拥有行走与横向移动两种方式，且均采用液压行走系统。在转场作业时，采用行走、液压转向；由于青贮饲料横向长度较长，通过转向实现取料机横移所需掉头空间很大，且浪费时间。本次研发的取料机行走系统带有横向行走系统，通过升降油缸将横向行走马达降至地面。再利用横移马达实现取料机整机横移，提高设备灵活性，提高生产效率。

2.3 液压系统

本设备液压系统主要可实现取料臂的举升、取料头和青贮料的输送功能，除此之外，可实现取料机的行走、转向、横移和驻车等功能。伸缩型青贮取料机的液压系统原理如图5所示。本取料机液压系统由三联液压马达作为驱动，分别控制取料机的不同工况。

图5 伸缩型青贮取料机的液压原理图

2.3.1 取料工况

取料马达和排料马达连续工作，伸缩油缸和举升油缸分别交替工作。液压油通过大流量液压泵1、溢流阀4.1，通过电磁换向阀6.3左侧得电，进入取料马达带动取料切刀进行切料取料作业；液压油通过中流量液压泵2、溢流阀4.2、分流阀5.3进入伸缩油缸14，通过电磁换向阀6.4左右得电，可使取料头进行水平伸缩移动；液压油通过中流量液压泵2、溢流阀4.2、分流阀5.3和5.4，通过电磁换向阀6.7左右得电，可使取料臂上下运动并带动取料切刀进行上下移动；液压油通过小流量液压泵3、溢流阀4.3、通过电磁换向阀6.9左侧得电，驱动排料马达，将取料头取得的青贮料向外运送。

2.3.2 行走工况

设备行走时，电磁换向阀6.1和6.2左侧得电，制动油缸8松开，液压油通过大流量液压泵1，经过溢流阀4.1和电磁换向阀6.2和6.3至行走马达，通过后桥带动行走地盘进行行走。当取料机需要转向时，只需通过转动方向盘从而推动转向油缸实现转向轮转向。当设备需要横移时，电磁换向阀6.11左侧得电，横移支腿油缸定出，待横移轮落地并支撑起取料机后，电磁换向阀6.10左侧得电，横移马达工作，实现取料机横移作业。

2.4 控制系统

本设备的控制系统采用PLC控制系统，通过控制电磁换向阀实现取料、排料、行走、转向和横移等动作。特别是在取料作业时，需要合理控制伸缩油缸和升降油缸的动作，从而实现取料头的运动轨迹。通过安装在油缸内部的位移传感器可以实时监测油缸的实际位移，从而确定取料头的位置。通过对不同高度的青贮饲料进行分点定位，确保在不同高度的青贮饲料都可以实现自动取料作业，并保证取料截面接近90°。

3 参数计算

3.1 油缸速度计算

已知伸缩油缸的额定流量为Q1=25 L/mm，升降油缸的额定流量为Q2=50 L/mm。设伸缩臂油缸缸径D1=100 mm，杆径d2=70 mm，升降油缸采用三级油缸，其最大缸径D2=180 mm，最大杆径d2=160 mm。

则伸缩臂油缸伸出的速度：

升降油缸伸出的速度：

3.2 生产效率计算

为满足智能伸缩型青贮取料机单机75 kW功率下的每1h取料能力40 t的要求，进行如下核算。已知青贮料密度大约为ρ=750 kg/m3。

设取料臂水平方向速度V1=191 m/h，竖直方向速度为V1=118 m/h，取料臂完成一次取料下降L1=0.2 m，取料臂水平取料长度为L2=2 m，割幅宽度L3=2.6 m。

1）青贮饲料堆高L为8 m时：取料机完成一次等高取料总质量约为

取料机刀头下降次数约为n1=40次，水平移动次数n2=41次，完成等高全部取料时间大约为

则取料机取料额定效率约为：

2）青贮饲料堆高L为6 m时：取料机完成一次等高取料总质量约为

取料机刀头下降次数约为n1=30次，水平移动次数n2=31次，完成等高全部取料时间大约为

则取料机取料额定效率约为：

3）青贮饲料堆高L为5 m时：取料机完成一次等高取料总质量约为

取料机刀头下降次数约为n1=25次，水平移动次数n2=26次，完成等高全部取料时间大约为

图6 智能伸缩型青贮取料机空载试验

则取料机取料额定效率约为：

4）青贮饲料堆高L为4 m时：取料机完成一次等高取料总质量约为

取料机刀头下降次数约为n1=20次，水平移动次数n2=21次，完成等高全部取料时间大约为

则取料机取料额定效率约为：

综上所得，青贮窖在8 m、6 m、5 m和4 m堆高情况下，取料量都大于40 t/h，满足设计的要求。

4 整机试验

在对本次智能伸缩青贮取料机进行组装后，进行空载和带载试验。空载时，取料马达、传送带马达运行正常，伸缩油缸和升降油缸运行顺畅，满足取料工况的要求。取料机各个主要部件运行参数如表2。

表2 青贮取料机试验参数

5 结论

通过大量的生产性试验，本次研发的智能伸缩青贮取料机基本满足预计的取料效率，优化了传统取料的工艺流程，提高取料效率。随着国内奶牛养殖规模的不断扩大，这一类大型、高效、智能的青贮取料机将会发挥越来越大的作用。