牧草彈齒滾筒撿拾機研究
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本文作者：王文明、王春光 單位：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院、邢臺職業(yè)技術(shù)學院機電系
國內(nèi)外彈齒滾筒式撿拾裝置發(fā)展狀況
1國外彈齒滾筒式撿拾裝置發(fā)展狀況
國外彈齒滾筒式撿拾裝置多用于撿拾壓捆機上，分段收獲的聯(lián)合收獲機上也有應用。國外對于撿拾壓捆機的研制起步較早，牧草機具的發(fā)展主要始于近代，距今已有100多年的歷史［2］。目前，在牧草壓捆機領域處于領先水平的主要有美國、德國、澳大利亞和英國等。其中，具有代表性的公司有美國的紐荷蘭公司、約翰．迪爾公司，德國的克拉斯公司、韋利格爾公司、法爾公司、澳大利亞的皮•埃爾公司、吉爾公司和英國的霍華德公司等。各個公司生產(chǎn)的彈齒滾筒式撿拾裝置的結(jié)構(gòu)大致相同，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品品種齊全、系列完整，可與不同的小方捆撿拾壓捆機、圓捆卷捆機、大方捆撿拾壓捆機和撿拾集垛車等匹配，不僅適用于各種牧草，而且還可用于撿拾各種秸稈。各個公司產(chǎn)品的工作原理至今沒有大的變化，但其都在提高性能、可靠性和操作舒適性等方面下功夫，同時也逐步完善微電子技術(shù)在其上的應用［3－4］。美國紐荷蘭公司的產(chǎn)品對不同作物的適應性極佳，其撿拾裝置彈齒采用曲線結(jié)構(gòu)，而不是直線結(jié)構(gòu)，可將普通撿拾裝置無法拾起的短小作物撿拾干凈［5］。德國的撿拾裝置寬度為1．55～2．2m不等，撿拾裝置由液壓裝置操縱，牽引拖拉機上的計算機可控制液壓機構(gòu)，也適用于不同物料［6］。德國克拉斯公司的撿拾裝置彈齒前端采用了獨特的鉤形設計，確保了撿拾率，拉繩牽引至拖拉機駕駛室，使得撿拾裝置升降十分方便［7］。美國約翰迪爾公司的撿拾裝置主要采用了小間距的彈齒式設計，可保證密度高、幅寬大的草條充分撿拾喂入，位于彈齒上方的小間距齒條壓草桿可防止草葉及斷桿四處飛濺造成損失［8］。德國韋立格爾公司撿拾裝置的驅(qū)動部分增加了一個摩擦式安全離合器，這是它們的專利;德國法爾公司在撿拾裝置傳動上采用雙作用安全裝置;美國紐荷蘭公司采用寬型撿拾裝置，并采用“流動式撥叉”喂入機構(gòu)和“轉(zhuǎn)子式”喂入結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)無堵塞的喂入［9］?？傊瑖鈴楜X滾筒式撿拾裝置發(fā)展至今日趨成熟，各個公司都有其自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品。為改善撿拾裝置的適應性，提高撿拾能力，降低撿拾遺漏率，撿拾裝置彈齒間距普遍縮小到61～71mm，全部采用彎型彈齒，撿拾裝置的調(diào)節(jié)都改為駕駛員在拖拉機座位上操作，有一些使用了液壓調(diào)節(jié)器，安全保護機構(gòu)更加齊全、靈敏、可靠。國外對彈齒滾筒式撿拾裝置的產(chǎn)品介紹較多，但其理論分析文章尚不多見。前蘇聯(lián)的波波夫曾用圖解法對撿拾裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作性能進行了定性分析，并認為其是一個連桿機構(gòu)［10］。
2國內(nèi)彈齒滾筒式撿拾裝置發(fā)展狀況
我國的撿拾壓捆機大多為彈齒滾筒式撿拾裝置，撿拾裝置大多為仿制國外機型。我國牧業(yè)機械工業(yè)起步較晚。1978年9月，呼和浩特畜牧機械研究所等單位研制了我國第一臺小方草捆撿拾壓捆機9KJ－142型［11］。到20世紀90年代，國外的摟、捆、裝、運等牧草收獲機械陸續(xù)進入我國牧草種植基地，但價格昂貴。近些年，國內(nèi)牧草機械已進入快速發(fā)展階段，已研制成功并投產(chǎn)多種型號的彈齒滾筒式撿拾裝置。由于我國彈齒滾筒式撿拾裝置大多為仿制國外的不同機型研制，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和凸輪滑道廓線形狀多種多樣。就凸輪滑道廓線形狀來說有兩類:一類是心臟形，如中國農(nóng)業(yè)科學院草原所的9KJ－1．7型方捆機、9JS－1．6散草撿拾車等，但廓線段數(shù)也不盡相同，有的是7段圓弧組成，有的是6段或4段圓弧組成;另一類形似豆形，其中由一段直線和幾段圓弧組成，如機械工業(yè)部呼和浩特畜牧機械研究所的9KJA－1．4型方捆機。學者們對機構(gòu)的性質(zhì)認識很不一致。1980年和1981年，農(nóng)機部呼和浩特畜牧機械研究所的孫康杰和王英用“圖解法”分別對韋立格爾－180型圓捆機撿拾裝置和新荷蘭－850型圓捆機撿拾裝置的運動軌跡進行了分析，認為其是“曲柄擺桿機構(gòu)”，并建立了彈齒尖端運動的數(shù)學模型，但未知數(shù)較多，無法應用于設計;1991年，吉林工學院的盛凱、曾南宏采用“解析法”分析了彈齒滾筒式撿拾器，認為其是一個“反轉(zhuǎn)的擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)”，也建立了彈齒尖端運動的數(shù)學模型［12］。
從試驗研究方面來講，很多學者針對特定機型參數(shù)進行過分析，對一定機型撿拾裝置的撿拾效果都做過大量的試驗，認為各機型均可以滿足撿拾要求。2001年，中國農(nóng)業(yè)大學的王國權(quán)等對芬蘭Junkkary公司圓捆打捆機進行了國產(chǎn)化設計，并應用ADAMS對此機型的撿拾器進行了動力學仿真分析，得到了機器運轉(zhuǎn)過程中速度、加速度的變化情況，并對樣機進行了試驗測定。試驗表明，機器撿拾裝置工作效率高，秸稈損失率小［13］。2006年，中國農(nóng)機院呼和浩特分院的王振華、張俊國針對9YFQ－1．9型方捆機撿拾裝置的工作參數(shù)進行了分析，分析表明機器的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全能滿足各種情況下的撿拾作業(yè)要求，并經(jīng)過田間試驗證明該撿拾裝置的漏損率非常小，完全可以避免牧草在地面堆積和漏撿［14］。2008年，新疆農(nóng)科院農(nóng)機化所的王學農(nóng)等基于Solidworkds對殘膜撿拾滾筒進行了3D設計及運動仿真，初步找出了弧型撿膜齒滿足要求的排列布置、滾筒轉(zhuǎn)速和合理的入土深度等工作參數(shù)［15］。2010年，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學的烏吉斯古楞應用Inventor軟件對特定機器參數(shù)進行了計算機分析，并對撿拾器的轉(zhuǎn)速、機器的前進速度、彈齒尖端離地高度對撿拾器工作性能的影響進行了試驗研究［16］。我國的彈齒滾筒式撿拾裝置多數(shù)為仿制國外機型，對撿拾裝置的設計和參數(shù)的選擇還沒有形成方法，很多學者只對參數(shù)的設計做過定性分析，并沒有給出設計方法，分析時多用解析法和圖解法分析，也有些學者嘗試用計算機進行了輔助分析［17－21］。但對彈齒滾筒式撿拾裝置的工作要求認識，具體要求為:漏撿損失小，即應該把留茬上的所有草料或莖稈撿拾干凈，在留茬上沒有遺留的草料或莖稈;破碎損失小，即在撿拾過程中不要撕破豆科草料最有營養(yǎng)價值的細嫩葉片;結(jié)構(gòu)緊湊，動作均勻性好、連續(xù)性好，即撿拾的物料應無阻礙地輸送到機器的下一個工作部件;功率損耗小。吉林工學院的盛凱認為:彈齒滾筒式撿拾裝置工作時彈齒相對于滾筒的擺動規(guī)律及變化速度、加速度對彈齒的工作性能有很大的影響，其合理的選擇是至關重要的，而擺動規(guī)律不是單一的規(guī)律，而是由多種規(guī)律組合而成的［10］。
存在的主要問題
1產(chǎn)品適應性差，標準化程度基礎差
我國研制的彈齒滾筒式撿拾裝置大多不能適應多種作物使用，有的針對幾種牧草設計，有的針對秸稈撿拾設計，缺乏適應性強的撿拾裝置，且各種彈齒滾筒式撿拾裝置參數(shù)多種多樣，各種之間互無聯(lián)系，不成系列，各部件尤其是易損件之間不能互換，修理維護不方便。
2設計方法繁鎖，精度低
我國的彈齒滾筒式撿拾裝置多數(shù)為仿制國外機型，在設計時多采用傳統(tǒng)圖解法和解析法對其進行分析，方法繁鎖且精度低，沒有建立起真正實用的數(shù)學模型，不能采用先進的設計方法來研究完善撿拾裝置的設計。尤其對于主要控制彈齒運動、影響撿拾質(zhì)量的凸輪滑道廓線的設計，還沒有形成可用于實際的設計方法。
3技術(shù)含量低，使用可靠性不高
我國在彈齒滾筒式撿拾裝置研制時缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，已定型的撿拾裝置大部分屬于國外20世紀80年代以前的水平，近些年基本沒有什么改進。關鍵部件的技術(shù)性能沒有突破，制約了撿拾裝置的發(fā)展。我國使用條件差，使用可靠性顯得尤為重要。使用時故障多，設計機理不清晰，性能不能得到發(fā)揮，制約了草原機械的使用。特別是在退耕還草后，優(yōu)質(zhì)牧草及苜蓿草大量種植，急需撿拾壓方捆、壓圓捆等機械設備，但是國內(nèi)生產(chǎn)質(zhì)量仍不過關。
發(fā)展對策及建議
1進一步提高機具適應性
我國牧草品種復雜，地區(qū)差別很大，有些農(nóng)區(qū)除了要撿拾稻草、秸稈，還要撿拾鮮草。要用盡量少的機型滿足各地區(qū)的不同要求，要進一步研制開發(fā)可適用于多種作物的撿拾裝置。
2進一步完善撿拾裝置標準
目前我國在撿拾裝置方面的設計標準不完善，使得撿拾裝置的通用性和互換性差。為此，應提高機具零部件的通用性和互換性，規(guī)范生產(chǎn)市場，制定統(tǒng)一的產(chǎn)品標準，避免重復研究。
3加大科研投入力度
我國的彈齒滾筒式撿拾裝置多數(shù)為仿制國外機型，設計機理不清晰，致使在使用過程中出現(xiàn)問題不能對癥解決，嚴重制約了機械的使用。另外，彈齒滾筒式撿拾裝置機構(gòu)復雜，設計和工藝要求難度大。因此，應加大在這方面科研的投入力度，保證技術(shù)創(chuàng)新資金，專項用于這方面的研制、試驗和推廣等科研項目。同時，采取多種優(yōu)惠政策，加大設備的購置補貼等，加快機具的推廣使用。
4提高制造質(zhì)量
可靠性應當作為機具的主要指標，在保證使用可靠性的前提下再考慮其他性能指標和結(jié)構(gòu)的先進性。目前彈齒滾筒式撿拾裝置的一些易損件可靠性差，使用者感到麻煩，使產(chǎn)品沒有競爭力。為此，應在設計上力求結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，并有足夠的安全系數(shù);另一方面，應進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。
結(jié)論
我國草地資源豐富，畜牧業(yè)更是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，采用撿拾壓捆機收獲牧草，對增加牧草的貯存量和提高牧草的利用價值，促進我國畜牧業(yè)大力發(fā)展具有很大的現(xiàn)實意義。我國還是一個農(nóng)業(yè)大國，小麥和水稻種植面積廣，在其上茬作物收獲后，田間存留大量的秸稈及根茬，對秸稈的加工需要大量彈齒滾筒式撿拾裝置。綜上所述，應及時了解國外先進機具生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)驗，因地制宜，研究和探討適合我國的彈齒滾筒式撿拾裝置，以加快我國這方面機械產(chǎn)業(yè)化的步伐，適應市場需求。
