柠条联合收割机压扁及切碎装置的设计

1、柠条联合收割机压扁及切碎装置的设计柠条联合收割机压扁及切碎装置的设计 1 绪论绪论 1.1 课题的提出和意义 柠条是豆科锦鸡儿属的一个种,多年生长灌木植物，柠条抗旱、抗寒、耐瘠 薄、耐风沙、具有极强的生命力和抗逆性。由于对沙地干旱自然环境条件的适 应结果，叶退化为刺。株高 13m，冠幅 1m 以上。轴根系，根长 45m。自然 生长状态下，寿命 10 年左右，如果平茬，寿命 20 年以上。柠条茎秆灰白色， 直径多 1020mm，木质坚硬紧实1。 鉴于柠条独特的生物特性，多年来它一直是内蒙古西部及山西西北部和陕 西、甘肃等防风固沙、防止水土流失的重要选用植物。全国柠条种植面积已达 到 666.66

2、 万 hm2 ，仅山西大同市柠条种植面积达到 2 万 hm2 2。柠条含有丰 富的蛋白质，开花期鲜柠条干物质含粗蛋白 14%，粗脂肪 3.5%，粗纤维 39.3%，无氮浸出物 31.3%，粗灰分 5.4%。由此可见，柠条还是优良的经济饲料。 未实施禁牧前，种植柠条的经济效益主要以牲畜的自然采食来体现，采食率一 般在 20%30%之间。然而由于种植柠条的地区都是生态状况较差的地区，这类 地区实行了严格的禁牧舍饲圈养后，使柠条的经济价值很难体现。其中最关键 的问题就是柠条的机械化平茬收获技术没有得到根本解决。一方面，因为大部 分地区圈养牲畜的主要饲草青贮或压缩后的玉米秸秆，牲畜采食种类单一，营 养

3、成分不全，导致肉奶品质部高，抗病能力下降，不少牲畜都处于亚健康状态； 另一方面，含有多种营养成分的柠条得不到利用。另外，根据柠条生长特性， 最好 34 年平茬一次，否则它的生长速度就会减慢甚至消失3。为解决这些问 题，给生态建设和舍饲圈养创造可持续发展的空间，当务之急是研制一种可实 现对柠条进行联合收割的机械。 1.2 国内外研究现状 现在国内外暂时还没有出现对柠条联合收割机成型机械的报道，现有的对 柠条进行收割的装置只有普通的割草机，还有适用于柠条的平茬机。普通的圆 盘锯齿式和甩刀式机具切割后，切口表面形成不光滑的所谓“毛口” ，不利于次 年发芽生长3。这些机械只能把柠条切割，并没有处理和收

4、集装置，切割完以 后直接散落到地里，还需要人工进行收集。这些机械的适应性差，很多地方还 是需要人工砍切收割。由于柠条茎秆木质化较高，而且茎秆上多硬刺，人工砍 割和收集都非常不容易，收割效率极低而且效果非常差。 1.3 本文的研究内容及方法 根据国内外柠条联合收割机研究的发展现状，以及国内对柠条联合收割机 的需求，本文对柠条联合收割机的整体设计进行了研究，首先设计有效的拨禾 装置把柠条拨入收割台，采用了往复式切割器对柠条进行切割，随后送入立式 压扁输送辊系统进行压扁及输送，然后送入立式滚筒切割系统对柠条进行切碎， 最后切碎的柠条掉入集料箱实现茎秆的收集。本文着重对切割以后的工作部分 进行了研究。

5、整机工作流程图见图 1-1。立式割台的立式压扁输送辊配置立式 滚刀属独特设计，其特点是立式压扁辊兼作滚刀的喂入辊，结构简单紧凑，问 题是秸秆喂入方向与滚刀轴线的垂直性如何，需要进行试验验证；优点是秸秆 在切碎后输送相对容易4 。 拨禾链往复式切割器 立式切割滚筒收集料斗 夹持输送链立式压扁输送辊 图 1-1 整机工作流程图 综上所述，我国柠条收割机的研制势在必行，尤其是既能对柠条进行收获， 又能对柠条进行切断和收集的联合收割机械的研制更有发展潜力和应用前景。 在分析了国内外有关研究现状之后，发现本文针对柠条所设计的立辊式压扁切 割系统还没有相关研究，所以有必要进行研究分析。设计中确定了立式滚刀

6、切 碎装置，与立辊式压扁方式相配套，结构紧凑、切碎质量好，大大减轻了整个 割台部分的前伸量和重量5，为柠条收割后的茎秆切碎问题提供了解决方案。 2 技术任务书技术任务书(JR) 柠条是一种很难收割的防风固沙的植物，经常需要人工砍切收割，即使是 使用机械平茬，茎秆也是散落在地里，工作人员在回收的时候经常弄伤自己。 本设计主要目的是既能完成收割也要完成收集，在切割完成以后经过简单的碾 压，输送进切碎装置中，进行切碎粗加工，最后掉入集料箱中。 由于现在对柠条的力学研究还很少，所以本设计中有部分参数和计算公式 需要套用相似机械的经验数据或公式。本设计的关键问题是压扁输送辊的长度 设计、碾压输送速度、及

7、压扁输送辊和滚筒式切碎装置的安装角度。若碾压输 送速度过快，则后面的切碎质量无法保证，速度过慢则会产生茎秆的堆积，两 种情况均对机器作业不利，最终确定输送线速度为，滚筒切割转速为sm/5 . 3 ，压扁输送辊与滚筒式切碎装置的安装角度定为与竖直面成。min/2100r 30 3 设计计算说明书设计计算说明书(SS) 3.1 传动方案的确定 传动方案的设计是本次设计的难点和重点，只有传动方案设计合理，才 能保证整体机构的运作，各个环节才能有效配合，高效率、高质量的实现柠条 的联合收割。 本次设计的柠条联合收割机传动部分的难点在于各部分所需转速不相同， 压扁输送辊对的转向相反，要实现相对运动，拨禾

8、链组也要实现相对运动。 本文所设计的传动方案简图如图 2-1 所示： 1.往复式切割器 2.压扁输送辊-1 3.滚筒切碎器 4.压扁输送辊-2 5.拨禾链 图 2-1 柠条联合收割机传动简图 此柠条联合收割选取 65 马力柴油发动机，输出转速 2400r/min,经过一级 减速器减速，传入各个机构。两个压扁输送辊安装在同一平面内，形成一个压 扁输送辊对，为了方便表示，把后面的压扁输送辊-2 画到了侧面。 转速的传递是：柴油机输入的转速传入一级减速器后，首先不经过减速， 转速通过减速器主动轴直接传出，再通过一组皮带轮和锥齿传入滚筒切碎器； 从滚筒切碎器传出的转速通过一组二级皮带轮减速，传入压扁输

9、送辊-1；主动 轴传出的转速通过一组直齿轮改变方向，经由一个锥齿轮组和一个二级皮带轮 减速传入压扁输送辊-2，这样就实现了压扁输送辊对的相对运动。同理，由减 速器从动轴传出的转速经过一系列的齿轮和皮带轮传动，可以实现拨禾链的相 对运动，往复式切割器则再通过一组曲柄摇杆机构，实现往复运动。 3.2 传动皮带轮的设计计算 3.2.1 减速箱主动轴传出的皮带轮组 小带轮转速 2400r/min，大带轮转速 2100r/min,。14 . 1 2100 2400 i （1）V 带型号的选择：V 带星号应根据计算功率和小带轮转速来选取， ca P 1 n 。计算功率是根据传递的功率，并考虑载荷的性质以及

10、每天运转时间的长短P 等因素来确定的。 （1）PKP aca 式中：计算功率，； cs PkW 传递的额定功率，；PkW 工作情况系数。 A K 其中：=，=1.3，则计算出=。PkW 5 . 12 A K cs PkW25.16 （2）确定带轮的基准直径、：初选主动带轮的基准直径。根据 1d d 2d d 1d d V 带型号，选取为 B 型 140mm，则根据传动比算出=160mm。 1d d 2d d （3）确定中心距和带的基准长度：根据传动结构需要初定中心距。a d L 0 a （2）)(2)(7 . 0 21021dddd ddadd 则最小=210mm。 0 a 确定后，由带传动几

11、何关系，按下式计算所需带的基准带长： 0 a d L （3） 0 2 12 210 4 )( )( 2 2 a dd ddaL dd ddd 得出=891.48。根据选取和最相近的 V 带的基准长度，则 d L d L d L d L =900mm。再根据来计算实际中心距。由于 V 带传动的中心距是可以调整的， d L d L 故可采用下式做近似计算： （4） 2 0 dd LL aa 计算得最小中心距=214mma (4)验算主动轮上的包角： 1 （5） 120 3 . 57180 21 1 a dd dd 计算得=，符合要求。 1 120 6 . 174 （5）确定带的根数z （6） L

12、ca KKPP P z )( 00 式中：包角系数，考虑包角不同时的影响系数； K 长度系数，考虑带的长度不同时的影响系数； L K 单根 V 带所能传递的功率，； 0 PkW 单根 V 带时的功率增量，。 0 P1ikW 计算得=4.75 根。z 3.2.2 滚筒到减速轴的皮带轮组 小带轮转速 2100r/min，传动比3.76，则大带轮转速为 558.5r/min。i （1）=2，根据公式（1）可得 =2.6。PkW cs PkW （2）确定带轮的基准直径、：初选主动带轮的基准直径。根据 1d d 2d d 1d d V 带型号，选取为 A 型 100mm，则根据传动比算出=376mm，根

13、据标准带轮 1d d 2d d 直径，选择=375mm。 2d d （3）确定中心距和带的基准长度：根据传动结构需要初定中心距。a d L 0 a 根据式（2）计算可得=332.5mm。 0 a 确定后，由带传动几何关系，按下式计算所需带的基准带长： 0 a d L 根据式（3）得=1467.6mm，根据选取和最相近的 V 带的基准长度 d L d L d L ，则=1600mm。再根据来计算实际中心距。由于 V 带传动的中心距是可 d L d L d L 以调整的，根据式（4）得最小中心距=399mm。a (4)验算主动轮上的包角：根据式（5）得：，符合要 1 1 120 5 . 140 求

14、。 （5）确定带的根数：根据式（6）计算得：=根。zz22 . 1 3.2.3 减速轴到压扁输送辊的皮带轮组 小带轮转速 558.5r/min，传动比2.5，则大带轮转速为 233r/min。i （1）=2，根据公式（1）可得 =2.6。PkW cs PkW （2）确定带轮的基准直径、：初选主动带轮的基准直径。根据 1d d 2d d 1d d V 带型号，选取为 A 型 112mm，则根据传动比算出=280mm。 1d d 2d d （3）确定中心距和带的基准长度：根据传动结构需要初定中心距。a d L 0 a 根据式（2）计算可得=275mm。 0 a 确定后，由带传动几何关系，按下式计算

15、所需带的基准带长： 0 a d L 根据式（3）得=1191mm，根据选取和最相近的 V 带的基准长度 d L d L d L ，则=1250mm。再根据来计算实际中心距。由于 V 带传动的中心距是可 d L d L d L 以调整的，根据式（4）得最小中心距=305mm。a (4)验算主动轮上的包角：根据式（5）得：，符合要 1 1 120 4 . 148 求。 （5）确定带的根数：根据式（6）计算得：=根。zz39 . 2 3.2.4 减速器从动轴到拨禾链齿轮箱的带轮组 小带轮转速 533r/min，则大带轮转速为 192r/min，则传动比为2.5。i （1）=1.6，根据公式（1）可得

16、 =2.08。PkW cs PkW （2）确定带轮的基准直径、：初选主动带轮的基准直径。根据 1d d 2d d 1d d V 带型号，选取为 A 型 100mm，则根据传动比算出=278mm，根据标准带轮 1d d 2d d 直径，选择=280mm。 2d d （3）确定中心距和带的基准长度：根据传动结构需要初定中心距。a d L 0 a 根据式（2）计算可得=266mm。 0 a 确定后，由带传动几何关系，按下式计算所需带的基准带长： 0 a d L 根据式（3）得=1159mm，根据选取和最相近的 V 带的基准长度 d L d L d L ，则=1250mm。再根据来计算实际中心距。由于

17、 V 带传动的中心距是可 d L d L d L 以调整的，根据式（4）得最小中心距=312mm。a (4)验算主动轮上的包角：根据式（5）得：，符合要求。 1 1 120 9 . 146 （5）确定带的根数：根据式（6）计算得：=根。zz56 . 4 3.3 切割器的选择 切割器是收获机械的重要部件之一，它的功用是将田间的作物切断。目前， 已广泛使用和报道的切割器有：往复式、回转式、甩刀式、带式等。这方面的 研究国内外均有报道。基本情况是： 1.往复式切割器：往复式切割器由动刀片和定刀片组成，动刀片多数在刀 刃上面刻有齿纹，少数在下面刻有齿纹，防止禾株在从剪切口滑出，并有自磨 刃作用。在机器

18、前进的同时，动刀片与定刀片组成割幅，定刀片与护刃器成为 切割时的两个固定支撑点，动刀片以一定的速度在两支撑点之间做往复切割。 往复式切割是目前国内外稻麦收割机上应用最广的一种切割器，现基本标准化。 其切割速度一般为1.52m/s作业速度低，一般不超过9km/h。这种切割器平均 切割速度较低，切割性能好，结构简单，工作可靠，广泛用于谷物收割机上。 它的缺点是往复愤性力大，割台振动和噪声大，存在重割和漏割，割茬不整齐。 2.回转式切割器： 回转式切割器主要用于收获牧草、 青饲料等粗茎秆作 物，少数谷物收获机上也使用这种切割器。回转式切割器切割速度高，一般是， 可适应1025km/h的高速作业，惯性

19、力易平衡，震动较小，结构简单，但回转 半径小，不宜宽幅切割，割刀的寿命较短，维修费用高。 3.甩刀式切割器：甩刀式切割器多用于玉米青贮饲料收割机上，目前国内 外收割机上多采用甩刀式切割器。它由水平横轴、刀盘体、刀片和护罩等组成。 刀片铰接在水平横轴的刀盘上，在垂直平面(与前进方向平行)内回转。这种切 割器转速高，圆周速度达5070m/s，但割幅较窄，一般为0.82m。在割幅较 大的机器上，多采用多组并联结构，目前国内外最大的割幅为6m。 4.回转带式切割器：这种切割器将薄钢带加工成角钢状，一边为带体，连 接两端构成传动带，一边为刀体，刀体间有一定距离，刀体端开有刀齿，刀齿 为梯形。工炸时，在驱

20、动带轮的带动下，带体在水平面内绕两带轮作回转运动 刀齿切割作物。可实现高速作业、高速切割及无支承切割，切割速度可高于 17m/s，作业速度可高于15km/h，无往复惯性力，割刀工作平稳，割台振动小， 工作平稳，割茬整齐，无撕裂、漏割和堵刀现象，适于收割小麦、水稻等细茎 秆作物和牧草。 5.齿形链式切割器：动刀右上部为切割段，呈梯形，根部为传动齿，同齿 形链节板，将其与标准齿形链节板铰接成一封闭的刀链，刀链在主动链轮的驱 动下，在上下水平导轨的引导下，在水平面内作高速回转运动，其紧边与护刃 器构成切割幅，对作物茎秆切割。 综上所述，根据柠条的生物学特性，从切割效果、结构复杂程度、动力配 置等多放

21、面综合考虑，本设计选择了技术比较成熟的往复式割刀。 3.4 拨禾装置的设计 衡量作物收获质量好坏的一个最主要指标是损失率。由于收获流程的前后 顺序所致，割台损失率首当其冲。拨禾装置位于收割机的最前端，收获作物时， 它扶起并归拢作物，拨向切割器；在切割器切割作物时，前方扶持茎秆以防止 向前倾倒；最后把切断的作物及时推向压扁辊。 拨禾轮的结构简单、可靠，多用于大中型收割机上的联合收获机上。但是 由于柠条茎秆硬度高切有比较高的柔性，采用拨禾轮的效果不好，且拨禾轮一 般应用于卧式收割台的结构中，不适用于本设计的立式收割台。本设计最终采 用链式拨禾器，可有效的把柠条拨入切割装置。 3.5 夹持输送装置的

22、设计 夹持输送装置是本机的重要部分，它影响着本机的结构、复杂程度和工作 可靠性。柠条植株由拨禾禾链强制拨入夹持链，在夹持同时，切割器把柠条植 株切断，被切断的植株在夹持链作用下向后输送直至喂入摘穗辊。 3.6 立辊式柠条压扁输送装置的设计 压扁输送装置是柠条前割台的核心，直接影响到整机的各项指标，如损失 率、切割达标率等。该装置能在压扁柠条茎秆的同时将茎秆强制喂入滚刀切碎， 使压扁辊与滚刀间茎秆输送通畅，不堵塞。其次，茎秆及茎节被碾压后对切碎 和提高饲料的品质起很好的作用5。 立辊式压扁输送装置的压扁辊两轴线所在平面与垂直面成前倾 2535 夹角，柠条植株由往复式割刀割断后经夹持链输送至压扁辊

23、，通过立式压扁辊 压扁。植株在弧形挡禾板和加持的作用下与压扁辊轴线成 5070角。由于 螺旋线的提升作用，压扁后的植株基本与压扁辊成垂直角度向后输送进切碎滚 筒切碎。 3.6.1 压扁输送辊的整体设计 立式压扁输送辊上设有螺旋线凸棱，见图 3-1。柠条茎秆由切割器切断后 被输送链夹持输送至压扁辊，顶部首先进入两辊之间，随着压扁输送辊对的相 向旋转，茎秆以速度沿轴线上升，以速度向后输送，当输送到一定高度时， 2 v 1 v 茎秆仅依靠压扁辊对茎秆的推挤和惯性力作用向上移动，同时以速度 1快速向 v 后输送6。 图 3-1 压扁输送辊结构图 3.6.2 压扁输送辊的长度设计 压扁输送辊的长度既要满

24、足不同长度茎秆的要求，又要满足沿辊长容纳茎 秆的株数。 设为满足最长茎秆高度的压扁输送辊长度。设茎秆以根部单株均匀喂入 L 压扁输送辊对中，初始喂入角，茎秆受压扁输送辊拉压力的作用沿径向后移， 0 受螺旋推动力的作用沿轴线方向上移，设径向速度，轴向速度 ，则 1 v 2 v ) 1 ( 60 1 Dn v （7） )1 ( 60 2 sn v （8） 式中：压扁输送辊螺旋凸棱的螺距；s 压扁输送辊直径；D 压扁输送辊转速；n 茎秆沿轴线移动的打滑率； 茎秆沿径向移动的打滑率。 经查阅资料=0.050.08；与压扁输送辊间隙、茎秆含水率、茎秆的直 径等因素有关，变化范围较大，经验值一般为 0.4

25、0.6。为避免茎秆堆积，压 扁输送辊的速度应较高一些，一般情况下，压扁辊主轴的转速应是机器前进速 度的三倍以上7。本设计中机器前进速度定为，所以8 . 0sm/ 。smn/4 . 238 . 0 茎秆沿自身方向输送的速度 cossin 21 vvvj （9） 设计要求，即，否则不能正常工作，则0 j vcossin 21 vvvj0 （10） 1 2 v v arctg 茎秆从进入位置到与压扁输送辊轴线垂直位置，角由初始喂入角变化 0 到，所以平均速度为 2 （11） dvvvj)cossin( 2 2 1 21 0 0 （12）)sin1 (cos 2 1 0201 0 vvvj 牵引茎秆从

26、割茬根部至最高点的时间 ，茎秆从割茬根部至最高点的长度 。tl 则牵拉茎秆长度 所需的时间为l （13） )sin1 (cos ) 2 ( 0201 0 vv l v l t j （14） )sin1 (cos ) 2 ( 0201 02 2 vv lv tvL 设为满足沿压扁输送辊长度方向容纳茎秆株数的工作长度。机器行走世 L 间 内，收获玉米株数为t （15）tpvz m 式中：机器前进速度，； m vsm/ 单位长度（）内柠条株数，。pm米株/ 沿压扁输送辊工作长度，容纳的茎秆数位 L （16） d L kz 式中：茎秆的平均直径；d 压扁输送辊呢秸秆充满系数。k 设计时要求容纳的茎秆数大于收获的茎秆株数，即 zz （17） d