自走式甜高粱收割铺条机设计和试验
自走式甜高粱收割铺条机设计和试验
为了应对全球能源危机和温室气体排放引起的全球气候迅速变化所带来的不利影响,世界上许多国家的科学家们都致力于探索、开发和利用清洁的可再生能源。同时为了国家的粮食安全,发展能源植物不得不选择能生长在边际性贫瘠土壤的非粮食作物。
甜高粱是目前公认的最具有应用前景的可再生能源作物之一。这是由于甜高粱属于C4植物,具有很高的光合效率,是目前世界上生物产量最高的作物,被称为“高能作物”,而且也因其具有抗旱、抗高温、耐涝、耐贫瘠、耐盐碱、稳产、茎秆含糖量高和适应性强等特性,因此,其种植地域广,尤其是在干旱、半干旱、低洼易涝和盐碱地区以及土壤贫瘠的山区和半山区都可种植,可以在边际性土地上进行生产,实现不与粮争地的目标。
甜高粱生物产量高,含糖量高,乙醇转化率高,是优良的饲料作物、糖料作物和可再生能源作物,合理开发利用,对我国粮食安全、能源安全具有重大意义。
中国政府明确提出发展生物能源要做到“不与民争粮,不与粮争地”。我国拥有大量待开发的边际土地,适合大面积推广和种植能源植物——甜高粱。然而,甜高粱秸秆木质化程度高,适宜的收获机械少,大面积收获难度大,一直以来依靠人工作业,收获难度大,效率低下,收集成本高,劳动强度大,并且其采集期集中在1个月左右。
收获技术成为制约甜高粱发展的关键因素之一,甜高粱联合收获机虽经过近几年的研制和试验,很多技术一直未能获得很好的解决。目前,我国大部分甜高粱种植区只能以高秆作物收割机收获甜高粱,但是效果并不理想。
本文提出了一种自走式甜高粱收割铺条机,能实现收割、输送、切段和铺条等功能,并进行了试验,收到了良好的效果。
1总体结构方案
1.1设计原则
为满足甜高粱规模化工业利用要求,实地调研了内蒙古、山东等甜高粱种植地区,结合能源灌木联合收获机,确定了甜高粱收割铺条机的工作流程,如图1所示。
图1甜高粱收割铺条机工作流程
设计原则:考虑到甜高粱生长特性,垄距尺寸大小不一,地况复杂,在设计中首先要考虑在各种地况下机器能正常工作,整机在保证实现功能的前提下尽量简单,稳定性好。
1.2整机配置
甜高粱茎秆割台、喂入机构和切段铺条装置在主机纵向恰好位于主机纵轴线对称位置;发动机纵向配置于主机后部,喂入机构、切段滚筒等工作部件的传动轴全部垂直于主机的纵轴线,与发动机的动力输出轴线垂直,通过T12齿轮箱进行减速和换向,简化了主传动设计,发动机位于后部也可减小驾驶室噪声。
双联泵位于发动机前右侧,其传动轴与发动机曲轴平行,有利于胶带传动,同时双联泵流量摆杆的位置适于操作。割台和喂入切段滚筒与主机采用独立单元结构,通过螺栓连接成整体,配置于车架驱动桥前方,整体可绕独立中心转动。
自走式甜高粱收割铺条机主要由割台、夹持喂入机构、切段铺条装置、发动机、液压驱动底盘、液压系统和电气系统部分组成。本机采用小T型布置,结构紧凑,配置合理,结构如图2所示。
1.收割台2.切段铺条装置3.割台升降装置4.车轮5.驾驶室6.车架7.传动装置8.液压系统9.发动机
图2自走式甜高粱收割铺条机结构
1.3作业过程
甜高粱收割铺条机在作业时,首先由位于机器前部割台上的圆盘式割刀将茎秆切段,上部切割后的茎秆在压禾杆和左右输送滚筒的共同作用下,茎秆前倾并逐步倒下并向后输送到切段铺条装置入口,完成茎秆的切断、倾倒和输送,然后由两个喂入辊夹持强制喂入给切段辊,经切刀切成45~50 cm长度的段铺放到地上,形成宽度≤1.2 m的条状堆积。
1.4主要参数确定
配套动力80 kW,理论切段长度500 mm,幅宽2 560 mm,茎秆铺放宽度≤1 200 mm,作业效率0.5~0.8 hm2/h,可靠性≥90%。基于我国道路宽度的限制(2.6 m),及甜高粱收割铺条机上路运输及转移地块时不卸收割台,确定整机宽度2.6 m,割台有效宽度2.56 m。
由于甜高粱收割铺条机体积大,行走速度慢,远距离转移大多依靠汽车运输,我国桥涵限高尺寸大多为4.5 m,运输车辆的底板距离地面高度大多为1.2 m,因此甜高粱收割铺条机的高度应控制在3.3 m以下。
考虑到甜高粱收割铺条机行走转向及转弯半径等因素,确定甜高粱收割铺条机的整机长度6.8 m。参照能源灌木联合收获机底盘的配置,确定前轮轮距215 cm,后轮轮距205 cm。
2主要工作部件设计
2.1收割台
2.1.1结构
割台由机架、压禾杆、圆盘刀、驱动齿箱、仿形叉、T型箱、梳齿板和输送滚筒等构成,如图3所示。本设计采用锯切原理,设计成双圆刀盘向内旋转对茎秆实施无支撑切割,切割后的茎秆在压禾杆和左右输送滚筒的共同作用下,茎秆前倾并逐步倒下并向后输送到切段铺条装置入口,从而完成茎秆的切断、倾倒和输送过程。
1.机架2.压禾杆3.圆盘刀4.齿轮箱5.仿形叉6.T齿箱7.梳齿板8.输送滚筒9.分禾尖
图3收割台结构
梳齿板的作用是防止茎秆带入的杂草回带引起的堵塞,同时将茎秆导入切段铺条装置入口。
2.1.2动力传递方案
割台动力来自于切段铺条装置的切段辊主轴,通过胶带轮传给T齿箱经过90°换向,经胶带传递给割台齿轮箱,通过齿轮减速,以两组转速输出,高速输出轴通过双联带驱动左右圆刀盘,低速输出轴通过三联带驱动左右输送滚筒。
2.1.3圆盘刀尺寸和转速确定
由于甜高粱切割属于无支撑切割,圆盘刀齿尖的线速度要达到一定的数值才能实现,查找农业机械设计手册,确定齿尖的线速度为V=40 m/s,因有效切割宽度需要2.4 m,且采用双刀盘,设计成圆盘刀片齿尖的回转直径D=1.24 m。
根据公式:圆盘转速为n=60 V/(πD)=60×40/(1.24×π)=616 r/min。
2.2切段铺条装置
2.2.1结构
切段铺条装置的功能是将由割台传送的茎秆夹持喂入并经动刀和定刀切成长度约45~50 cm并铺放在地上。其主要由拉簧、上浮动辊摇臂、换向齿箱、机架、下喂入辊、上浮动辊、光辊、定刀、动刀和切段辊等组成,如图4所示。
1.拉簧2.上浮动辊摇臂3.换向齿箱4.机架5.下喂入辊6.上浮动辊7.光辊8.定刀9.动刀10.切段辊
图4切段铺条装置结构
上下喂入辊夹持割台输送进来的茎秆,强制喂入到切段辊中,通过切段辊上的动刀和固定在机架上的定刀将其按45~50 cm长度切断并铺放到地面。
上喂入辊采用浮动结构,左右浮动辊摇臂与浮动辊轴连接,通过摇臂绕固定轴转动,靠张紧弹簧拉紧,这种结构保证了在喂入过程中,可根据输送茎秆的多少自动调整通过空间,使各种情况下茎秆都能顺利通过,同时又对茎秆保持足够的压力。
上下两个喂入辊的圆周都设计有6~8个齿板,均匀分布,目的是保证在喂入过程中对茎秆具有足够的抓取能力。
光辊上直径略高于定刀上平面,使得茎秆喂入时既能保证喂入角度,同时又能避免茎秆不至于被定刀所阻挡。
喂入辊和光辊的动力通过切段辊轴上的链轮和链条来传递,换向齿箱仅用于改变下喂入辊的旋转方向,下喂入辊又通过链条把动力传给光辊。
2.2.2切段辊和喂入辊的转速匹配
切段辊的刀尖回转直径设计为D1=0.6 m,参考青饲机、棉秆机和能源林机的尺寸,由于切断在定刀配合下进行,属于有支撑切割,刀尖的线速度在20~30 m/s比较合适,取线速度为V1=24 m/s。
切段辊的转速n1=60×V1/(πD1)=60×24/(π×0.6)=778 r/min。
取茎秆切段长度L=0.45 m为基数进行设计计算。上下喂入辊和光辊由于结构尺寸的限制,上辊齿板旋转直径确定D2=0.31 m,下喂入辊齿板旋转直径D3=0.18 m,光辊直径D4=0.12 m。
切段辊上的动刀共2把,长度占宽度的一半,相对180°配置,实际上相当于每转1周切断1次。
根据公式n=n1×L/(πD),分别计算出喂入辊和光辊转速。
上喂入辊转速n2=n1×L/(πD2)=778×0.45/(π×0.31)=359 r/min。
下喂入辊转速n3=n1×L/(πD3)=778×0.45/(π×0.18)=619 r/min。
光辊转速n4=n1×L/(πD4)=778×0.45/(π×0.12)=928 r/min。
2.2.3动力传递方案
切段铺条装置的动力来自于底盘的中间传动胶带轮,通过3根胶带与切段辊连接驱动切段辊,上浮动辊通过链轮链条驱动,下喂入辊通过换向齿箱改变方向后由链轮链条驱动。
2.3液压驱动底盘
液压驱动底盘主要由驱动轮、后桥、机架、驾驶台、驾驶室、柴油机、柱塞式双联变量泵、柱塞式定量起动机、齿轮泵、液压油箱和燃油箱等组成,如图5所示。
1.驱动轮2.液压启动机3.机架4.驾驶台5.驾驶室6.柴油箱7.液压油箱8.发动机9.齿轮泵10.双联泵11.后桥
12.边减速器13.割台升降缸
图5液压驱动底盘结构
在行走或转弯时,发动机把动力传递给双联泵,把机械能转变为液压能双联泵通过油管把动力传递给电机,带动电机转动,并把液压能转换回机械能,电机驱动轮式减速器转动,带动车轮前进、后退和转弯。
采用液压驱动底盘的优点在于,可根据植株的疏密程度,控制机器的作业速度,而不改变工作部件的转速,也就是说对于植株稠密的地块,可以降低行走速度,相反可以提高速度,这样就保证了无论在何种情况下,机器的喂入量大体不变,避免由于喂入量过大所造成的茎秆堵塞。
2.4电器和仪表系统
电器和仪表系统的功能是为甜高粱收割铺条机供电、启动和照明,检测和指示发动机的运行状况,方便驾驶员操作,保证收获机的安全工作。
电器设计电压为12 V,采用单线线侧,负极搭铁,并能在工作环境变化及振动、雨淋和尘埃条件下可靠工作,具有符合安全规定的绝缘电强度。
3样机性能试验
2015年11月17日,作业性能试验在山东省东营市孤岛镇林场实验基地进行,如图6所示。试验时温度为0~10 ℃,试验地中甜高粱没有明显的倒伏现象,没有杂草或少量杂草。样机作业性能试验结果如表1所示。样机通过了国家农机具质量监督检验中心的检测,主要性能指标达到了设计要求。
图6田间试验
表1样机作业性能试验结果
试验证明,本机集成甜高粱割台高速圆盘刀切割、输送辊输送、浮动辊强制喂入、低功耗切段铺条和自走式液压驱动底盘,一次性连续实现茎秆的切断、输送、喂入、切段和铺条联合作业。自走式甜高粱收割铺条技术装备填补国内空白,提高了甜高粱工业转化效率,降低了劳动强度,对于改善生态环境、降低生产成本、促进循环经济的发展具有重要意义。本机仍然存在一些问题需要进一步改进,并需进一步开展可靠性试验。
(作者:吴丽丽 董世平 刘天舒 杨军太 燕晓辉)
声明:农机大全所有(图文、音视频)均由用户自行上传分享,仅供网友学习交流,版权归原作者。若您的权利被侵害,请联系 56325386@qq.com 删除。
载注明出处:http://nongjidaquan.com/news/244094.html