CN104255175B - 全方位仿形割台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全方位仿形割台，其中间仿形组件与连接机架铰接，通过纵向仿形油缸控制其相对于连接机架的俯仰动作和进行纵向仿形，左仿形组件和右仿形组件分别从两侧与中间仿形组件铰接，通过横向仿形油缸控制其实现横向仿形动作。在仿形组件前端设置圆盘切割器；仿形组件下方布置仿形传感器接收地表高度变化信号，控制仿形油缸驱动仿形组件动作，保证割茬高度一致、割茬平整，不产生撕裂现象，满足平茬复壮的农业技术要求。

Description

全方位仿形割台

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，涉及一种灌木收割机械，特别是涉及一种能够针对起伏地面上灌木进行平茬收割的仿形收割机械。

背景技术

豆科锦鸡儿属灌木饲用植物俗称柠条，是我国西北、华北、东北西部水土保持和固沙造林的重要树种之一。此类植物中蛋白质、微量元素、矿物质、氨基酸和植物纤维极为丰富，加工处理后可成为畜、禽的良好饲料，或者作为生物质能燃料、木材加工原料等，利用价值较高。

根据柠条的生物学特性，一般在3～5年生长期内需要进行平茬复壮，抚育管理，以促进其生长和生物量积累，否则它的生长速度会变慢，甚至停止。

柠条种植区大都为丘陵山地，而且生长多年的柠条，由于其固土固沙的作用，远离根部的土壤被逐步侵蚀，围绕其根部形成小土丘，且成行分布，土丘底部直径约300～1500mm，丘高一般达到100～500mm。柠条平茬收割的农业技术要求较高，不仅要求割茬平整，不产生撕裂破坏，而且割茬高度以刚露出地表为宜，通常控制在20～50mm之间，否则达不到复壮的效果，甚至由于收割不当造成人为死亡。这就对柠条平茬收割机的仿形和切割性能提出了较高的要求。一方面，柠条植株直径差别较大，一般在3～40mm之间，多年生产实践表明，采用圆盘锯齿式切割器可获得理想的切割效果。另一方面，由于圆盘锯齿式切割器结构布置困难，为保证较低的割茬高度，要求割台及仿形组件不仅具有纵向仿形功能，还要具有横向仿形功能，以适应龟背地形的变化，满足柠条平茬收割的农业技术要求。

国内学者在柠条平茬收割机仿形机构方面进行了较多的探索和研究。中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院刘志刚、杨世昆等研制开发了4GN-1.0多功能自走式灌木平茬收割机（ZL200920156056.0）。该机以装载机为主机，配套动力59kW，并列布置两个圆盘锯齿式切割器，锯盘直径510mm，两锯盘中心距500mm，锯片转速1800r/min，工作速度0～6km/h，通过横向浮动机构的左右摆动和纵向浮动机构的上下摆动，随地形变化进行仿形切割。

呼和浩特市蒙翔农牧业机械有限公司开发的4G-2型自走式灌木平茬多功能收割机主要采用东方红800、804、900、1000型拖拉机改装，挂接圆盘切割式割台，配套动力58.8kW，割幅2.0～2.3m，割茬高度≤7cm，切割器转速1500～2000r/min，料箱容积5.6m³，生产率0.7～1.1hm²/h（柠条），最大允许切割直径≤80mm，提刀高度43cm，可一次性完成切割、喂入、铡切、抛送、自动装车等作业。但该机械没有仿形装置，依靠驾驶员手动控制割台高度，很难满足柠条平茬收割的技术要求。

大同市机械化农业生态项目实验管理站研制了9GN-1.2型柠条平茬机，该机与小型轮式拖拉机配套，由发动机主轴传递动力，经皮带轮和齿轮箱变向变速，带动圆锯片高速旋转，实现对柠条枝干的切割，并在排送装置作用下，切割后的枝条向两侧排放。配套动力19kW，作业速度1.8～2km/h，刀盘转速936r/min，割幅1200mm，割刀数量2片，割茬高度≤80mm，割茬高度通过液压升降阀手动控制，不具有自动仿形功能。

福建师范大学福清分校电信系林文广、李燕娜研制了一种龟背地形下柠条收割机仿形装置。该机与拖拉机的连接采用后悬挂方式，通过拖拉机三点悬挂装置挂接，仿形机构分为纵向和横向两部分。这种收割机横向并列布置两组相互独立的圆盘切割器，难以覆盖一个种植行内分布的所有植株，割幅宽度不够，割刀运动轨迹不能保证与龟背地形全方位平行，不仅生产效率低，而且割茬高度不一致。采用后悬挂方式，拖拉机将植株1.5m以上柠条压倒后，给后续切割输送带来困难，影响切割质量，甚至由于输送不畅造成堵塞而无法正常作业。

国外关于灌木（柠条）收割机的研究主要采用“SLASHBUSTER”方法，即“乱割法”，将灌木枝条割裂和破碎，以恢复植被为目的，并不要求平茬和复壮，对割茬平整度没有要求。代表性的产品和结构如美国RHINO公司生产的FX、TX、SR、DB等系列机型，与轮式拖拉机配套，采用后悬挂方式，包括正牵引、偏牵引等型式，普遍采用圆盘式切割器（ROTARYCUTTER），仿形轮机械仿形。工作时将被切割物料封闭在箱式空间内完成切割，适用于牧草和植株高度较小的灌丛植物收割。DBMachineDivision公司生产的HD、SG、XL系列机型多数与挖掘机或装载机配套，利用液压系统驱动，圆盘式刀座上布置有轴向、切向和周向刀齿，属重型切割器，其仿形及升降通过手动操作挖掘机或装载机的升降臂实现，主要用于大型灌木和树种的破碎和分解，目的是为了恢复植被，不考虑割茬平整性要求，难以适应我国柠条平茬和复壮的农业技术要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合于灌木平茬收割的全方位仿形割台，以保证灌木的割茬高度一致，割茬平整，不产生撕裂现象，满足平茬复壮的农业技术要求。

本发明提供的全方位仿形割台包括连接机架、仿形组件和圆盘切割器，所述仿形组件由中间仿形组件及对称设置连接在中间仿形组件两侧的左仿形组件和右仿形组件构成，其中：

所述中间仿形组件铰接在连接机架上，纵向仿形油缸一端固定在中间仿形组件上，另一端与连接机架连接，通过纵向仿形油缸的伸缩，驱动中间仿形组件绕连接机架轴线上下摆动；

所述左仿形组件和右仿行组件分别铰接在中间仿形组件的两侧纵梁上，在中间仿形组件与左仿形组件和右仿形组件之间分别连接有垂直于纵向仿形油缸的横向仿形油缸，通过横向仿形油缸的伸缩，驱动左仿形组件和/或右仿形组件绕中间仿形组件两侧纵梁上下摆动；

所述圆盘切割器分别安装在中间仿形组件、左仿形组件和右仿形组件的前端，随各自仿形组件的摆动动作。

为更好实现仿形，本发明还在所述中间仿形组件、左仿形组件和右仿形组件上圆盘切割器的下方分别安装有仿形传感器，所述安装在中间仿形组件上的仿形传感器接收地表高度变化信号，控制纵向仿形油缸驱动中间仿形组件带动左仿形组件和右仿形组件绕连接机架轴线上下摆动，所述安装在左仿形组件和右仿形组件上的仿形传感器接收地表高度变化信号，控制横向仿形油缸驱动左仿形组件和/或右仿形组件绕中间仿形组件两侧纵梁上下摆动。

其中，所述左、右仿形传感器分别铰接在左仿形组件和右仿形组件上，通过连杆机构与中间仿形组件连接，由中间仿形组件、左仿形组件或右仿形组件与连杆机构构成平行四杆机构，所述左和/或右仿形组件在仿形过程中，左和右仿形传感器的工作位置始终与中间仿形组件平行。

进一步地，所述连杆机构包括一个连杆以及铰接在所述连杆两端的第一连杆架和第二连杆架，所述第一连杆架的另一端固定在中间仿形组件上，所述第二连杆架的另一端与所述左或右仿形传感器铰接。

本发明的全方位仿形割台上，所述相邻仿形组件的圆盘切割器交错重叠设置，圆盘切割器之间具有足够的垂直方向工作间隙。

进而，所述圆盘切割器由2个锯齿形圆盘刀交错重叠构成，所述2个锯齿形圆盘刀之间留有间隙。

进一步地，本发明还在所述圆盘切割器上设置有滚筒输送器。所述滚筒输送器垂直设置于每个锯齿形圆盘刀上，随锯齿形圆盘刀同步转动。

本发明的全方位仿形割台还包括有螺旋输送装置，所述螺旋输送装置固定安装在中间仿形组件上，其螺旋输送辊位于圆盘切割器上方，由安装于螺旋输送装置上的输送液压马达驱动转动。

在所述螺旋输送辊上对称设置有两个螺旋方向相反的叶片。

其中，全方位仿形割台上所述纵向仿形油缸为两个，对称安装在中间仿形组件的两侧。

本发明提供的全方位仿形割台采用了中间仿形组件、左仿形组件和右仿形组件三组独立的切割组件，每组组件的结构基本相同，其中中间仿形组件与主机的连接机架铰接，可实现俯仰动作，左右两个仿形组件与中间仿形组件沿纵向铰接，不仅可随中间仿形组件实现俯仰动作，而且相对于中间仿形组件分别绕纵向轴线转动，实现横向仿形动作。这种结构布置形式覆盖一个种植行内的所有植株，并使切割器的有效工作部位尽可能地逼近柠条植株生长的龟背地形，保证割茬高度及其一致性满足平茬收割的农业技术要求。

本发明三组仿形组件的动作通过液压油缸驱动，由专门设计的仿形传感器接受地表变化信号，经过逻辑判断和处理，由电磁阀实时控制。切割后的柠条枝条通过与圆盘式切割器同步转动的滚筒输送器和位于其上部的螺旋输送装置，将其分送到及其两侧，便于后续的捡拾和利用等作业。

本发明根据我国北方柠条种植特点，设计了一种结构新颖的割台全方位仿形机构，其一方面采用圆盘锯式切割器，以保证割茬平整，不产生撕裂现象，满足平茬复壮的农业技术要求；另一方面，切割器的工作位置随龟背地形的起伏变化而变化，保持所有切割部位相对于地面的高度为20～50mm，保证了割茬高度的一致性。同时，每个收割行程至少覆盖一个种植行的宽度，避免重复作业，影响作业效率和质量。

本发明的全方位仿形割台适合于我国北方地区多年生柠条的平茬收割要求，解决了仿形难度大、割茬较高、割茬一致性差等技术难题，为提高柠条的机械化综合利用提供了有效装备，对实现规模化生产具有重要意义。

附图说明

图1是本发明全方位仿形割台的结构示意图。

图2是本发明全方位仿形割台的侧面结构示意图。

图3是本发明全方位仿形割台去掉螺旋输送装置后的俯视结构示意图。

图4是图1中中间仿形组件的纵向仿形机构图。

图5是中间仿形组件纵向仿形机构动力学分析示意图。

图6是纵向仿形油缸作用力F随油缸工作长度变化规律图。

图7是图1中右仿形组件的横向仿形机构图。

图8是右仿形组件横向仿形机构的动力学分析示意图。

图9是横向仿形油缸作用力F随油缸工作长度变化规律图。

图10是仿形组件之间的干涉性分析示意图。

图11是仿形传感组件与仿形组件之间连接剖面图。

图12是仿形传感器与仿形组件之间的连接机构示意图。

具体实施方式

全方位仿形割台的结构如图1、图2、图3所示，主要由中间仿形组件1、左仿形组件2、右仿形组件3、纵向仿形油缸4、仿形传感器5、连接机架6、液压马达7、横向仿形油缸8、圆盘切割器9、螺旋输送装置10以及连杆机构12组成。

中间仿形组件1与连接机架6之间铰接，通过纵向仿形油缸4控制其相对位置，实现割台相对于连接机架6的俯仰动作和进行纵向仿形。左仿形组件2和右仿形组件3分别从两侧与中间仿形组件1铰接，并通过横向仿形油缸8控制其相对位置，实现横向仿形动作。

布置在各仿形组件下方的仿形传感器5获得各仿形组件的位置信息，并经仿形控制系统分析判断后产生控制信号，通过电磁阀分别控制纵向仿形油缸4和横向仿形油缸8的动作，保证理想的割茬高度。

在每个仿形组件的前端分别布置有圆盘切割器9，每个圆盘切割器9由2个直径为400mm的锯齿式圆盘刀901构成，两锯齿式圆盘刀901的中心距为310mm，横向方向相互重叠90mm，高度方向间隔7mm。锯齿式圆盘刀901的转动由液压马达7通过各仿形组件内的齿轮传动驱动。在锯齿形圆盘刀901上垂直设置有滚筒输送器902，随锯齿形圆盘刀901同步转动。

理想工作状态下，中间仿形组件1与连接机架6之间铰接中心距地面高度为450mm，这时整机工作角度为20°，锯齿式圆盘刀901的工作区段距地面高度为20～50mm。

图4为中间仿形组件的纵向仿形机构图。中间仿形组件1与连接机架6铰接，两个纵向仿形油缸4对称安装在中间仿形组件的两侧，纵向仿形油缸4两端分别与连接机架6和中间仿形组件1铰接，共同组成油缸机构，通过纵向仿形油缸4的伸缩，控制中间仿形组件1的位置。

纵向仿形油缸4采用DG63-100型车辆油缸，其工作长度范围417～517mm。根据机构运动学仿真结果，相对于地表水平工作状态来说，圆盘切割器9工作部位上、下仿形的范围分别为588mm和297mm，仿形范围较大，能满足柠条平茬收割的纵向仿形要求。

图5为中间仿形组件纵向仿形机构动力学分析示意图。以中间仿形组件1与连接机架6的铰接点A为坐标原点，机组后退方向为x轴，建立右手系直角坐标系。AC表示中间仿形组件1，矢量为，BC表示纵向仿形油缸4，矢量为，AB表示连接机架6，矢量为,对应的位置角度分别为，和，这样可建立矢量方程：

即：

采用牛顿辛普森方法，解此方程组可求得、。

力矩平衡方程：

即：

考虑：

式中，—中间仿形组件1的结构角度，；

—质心向量，mm。

由此可求得油缸作用力：

利用MATLAB软件编制程序，根据结构设计参数，可求得油缸作用力F随油缸工作长度变化规律，如图6所示。当考虑中间仿形组件的结构重量为3.0KN时，所需油缸的推力为19.0～31.5KN，这样每个油缸所需的最大推力为15.75KN。

当液压系统的工作压力为10MPa时，油缸额定推力可达到31.17KN，可见采用两个油缸支撑和控制中间仿形组件能满足使用要求。

图7为右仿形组件横向仿形机构图。右仿形组件3通过中间仿形组件1侧面的纵梁101与中间仿形组件1铰接，横向仿形油缸8两端分别与中间仿形组件1和右仿形组件3铰接，共同构成横向仿形机构。通过横向仿形油缸8的伸缩，控制右仿形组件3相对于中间仿形组件1的相对位置，实现横向仿形。

横向仿形油缸8采用DG40-100型车辆油缸，其工作长度范围326～426mm，根据机构运动仿真结果，相对于地表水平状态来说，切割器工作部位上、下仿形范围分别为175mm和230mm，仿形范围能满足柠条平茬收割的横向仿形要求。

图8为右仿形组件横向仿形机构的动力学分析示意图。以中间仿形组件1与右仿形组件3的铰接点A为坐标原点，机组横向指向右方为x轴，建立右手系平面直角坐标系，AC表示右仿形组件3，，AB表示中间仿形组件1，,BC表示横向仿形油缸4，，对应的位置角度分别为，和，建立矢量方程：

即：

采用牛顿辛普森方法，解此方程组可求得、。

力矩平衡方程：

即：

考虑：

式中，—仿形组件1的结构角度，；

—质心向量，㎜。

油缸作用力：

利用MATLAB软件编制程序，根据结构设计结果，取，，，mm时，油缸推力F随油缸工作长度变化规律如图9所示。

可见，油缸行程变化过程中所需的工作压力为2.0～2.42KN，远小于液压系统工作压力为10MPa时油缸的额定推力12.6KN，油缸提升能力足够。

左仿形组件2与右仿形组件3对称布置，仿形机构也呈对称布置，结构参数基本相同。

图10为左仿形组件2与中间仿形组件1之间的干涉性分析。中间仿形组件1与左仿形组件2铰接于A点，各仿形组件切割器宽度为710mm，当左仿形组件2与中间仿形组件1均处于水平工作状态时，切割器在宽度方向的重叠量为90mm，垂直方向的工作间隙为23mm。当左仿形组件2相对于中间仿形组件1逆时针方向转动进行下仿形时，最大转角达到20°，左仿形切割器与中间切割器的间隙为10mm；当左仿形组件2相对于中间仿形组件1顺时针方向转动进行上仿形，最大转角达到15°时，左仿形组件2与中间仿形组件1之间的间隙分别为8.4mm和31.6mm。可见，两仿形组件之间相对转动，随地形变化横向仿形时不会发生干涉现象，割茬高度的最大变化范围为21.6mm，能够满足柠条平茬的农艺技术要求。

右仿形组件3与中间仿形组件1之间的连接与此相同。

图11是仿形传感组件与仿形组件之间连接剖面图，图12显示了仿形传感组件5与仿形组件之间的连接机构图。为了保证左、右仿形传感器5与中间仿形组件1的方位一致，将仿形传感器5通过右仿形组件3、连杆机构12与中间仿形组件1构成平行四杆机构连接，其中连杆机构12的连杆1201两端分别连接第一连杆架1202和第二连杆架1203，第一连杆架1203的另一端固定在中间仿形组件1上，第二连杆架1202的另一端与仿形传感器5铰接。通过上述连杆结构12，右仿形组件3随地表起伏做仿形转动时，仿形传感器5始终与中间仿形组件1平行，保证仿形传感器正常工作。

在全方位仿形割台的中间仿形组件1上位于全方位仿形割台的上方还设有螺旋输送装置10，其螺旋输送辊1001位于圆盘切割器901上方，上面对称设置有两个螺旋方向相反的叶片1003，由输送液压马达1002驱动转动，将圆盘切割器901切割下的柠条输送至割台两边。

Claims (9)

1.一种全方位仿形割台，包括连接机架、仿形组件和圆盘切割器，所述仿形组件由中间仿形组件以及对称设置连接在中间仿形组件两侧的左仿形组件和右仿形组件构成，其中，

所述中间仿形组件铰接在连接机架上，纵向仿形油缸一端固定在中间仿形组件上，另一端与连接机架连接，通过纵向仿形油缸的伸缩，驱动中间仿形组件绕连接机架轴线上下摆动；

所述左仿形组件和右仿行组件分别铰接在中间仿形组件的两侧纵梁上，在中间仿形组件与左仿形组件和右仿形组件之间分别连接有垂直于纵向仿形油缸的横向仿形油缸，通过横向仿形油缸的伸缩，驱动左仿形组件和/或右仿形组件绕中间仿形组件两侧纵梁上下摆动；

所述圆盘切割器分别安装在中间仿形组件、左仿形组件和右仿形组件的前端，随各自仿形组件的摆动动作；

在所述中间仿形组件、左仿形组件和右仿形组件上圆盘切割器的下方分别安装有仿形传感器，安装在中间仿形组件上的所述仿形传感器接收地表高度变化信号，控制纵向仿形油缸驱动中间仿形组件带动左仿形组件和右仿形组件绕连接机架轴线上下摆动，安装在左仿形组件和右仿形组件上的所述仿形传感器接收地表高度变化信号，控制横向仿形油缸驱动左仿形组件和/或右仿形组件绕中间仿形组件两侧纵梁上下摆动。

2.根据权利要求1所述的全方位仿形割台，其特征是左、右仿形传感器分别铰接在左仿形组件和右仿形组件上，通过连杆机构与中间仿形组件连接，由中间仿形组件、左仿形组件或右仿形组件与连杆机构构成平行四杆机构，左和/或右仿形组件在仿形过程中，左和右仿形传感器的工作位置始终与中间仿形组件平行。

3.根据权利要求1所述的全方位仿形割台，其特征是相邻仿形组件的圆盘切割器交错重叠设置，圆盘切割器之间具有足够的垂直方向工作间隙。

4.根据权利要求1或3所述的全方位仿形割台，其特征是所述圆盘切割器由2个锯齿形圆盘刀交错重叠构成，所述2个锯齿形圆盘刀之间留有间隙。

5.根据权利要求1或3所述的全方位仿形割台，其特征是在所述圆盘切割器上设置有滚筒输送器。

6.根据权利要求5所述的全方位仿形割台，其特征是所述滚筒输送器垂直设置于每个锯齿形圆盘刀上，随锯齿形圆盘刀同步转动。

7.根据权利要求1所述的全方位仿形割台，其特征是所述全方位仿形割台还包括有螺旋输送装置，所述螺旋输送装置固定安装在中间仿形组件上，其螺旋输送辊位于圆盘切割器上方，由安装于螺旋输送装置上的输送液压马达驱动转动。

8.根据权利要求7所述的全方位仿形割台，其特征是在所述螺旋输送辊上对称设置有两个螺旋方向相反的叶片。

9.根据权利要求1所述的全方位仿形割台，其特征是所述纵向仿形油缸为两个，对称安装在中间仿形组件的两侧。