玉米青貯收獲機(jī)切碎性能試驗(yàn)研究

呂金慶，楊　穎，尚琴琴，王英博，李紫輝，佟思宇，朱啟昉（.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱　50030；.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱　5008）

玉米青貯收獲機(jī)切碎性能試驗(yàn)研究

呂金慶1，楊穎1，尚琴琴1，王英博1，李紫輝1，佟思宇1，朱啟昉2
（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱150081）

為解決現(xiàn)有玉米青貯收獲機(jī)普遍存在秸稈切碎長(zhǎng)度合格率低、均勻性差等問(wèn)題，提高青貯玉米機(jī)械化收獲水平，針對(duì)玉米青貯收獲機(jī)切碎性能開(kāi)展研究。結(jié)果表明，當(dāng)撥禾輪間高度為25mm，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速為47 r·min-1，動(dòng)刀轉(zhuǎn)速為393 r·min-1，前進(jìn)速度為6.5 km·h-1時(shí)，收獲機(jī)切碎長(zhǎng)度合格率為97.9%，其他各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，滿足青貯玉米收獲作業(yè)要求，可為青貯玉米機(jī)械化收獲發(fā)展提供技術(shù)支持。

玉米青貯收獲機(jī)；切碎性能；撥禾；切碎；試驗(yàn)

呂金慶,楊穎,尚琴琴,等.玉米青貯收獲機(jī)切碎性能試驗(yàn)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,47(4):102-108.

Lv Jinqing,Yang Ying,Shang Qinqin,et al.Study on chopping performance of silagemaize harvester[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(4):102-108.(in Chinese with English abstract)

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2016-4-22 10:00:49[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160422.1000.004.html

青貯玉米屬高稈飼料作物，種植密度大（一般比籽粒玉米高50%）、產(chǎn)量高（中國(guó)生產(chǎn)量為45～60 t·hm-2），與籽粒玉米相比，青貯玉米具有植株高大、莖葉繁茂、抗倒伏性強(qiáng)和不易感染病蟲(chóng)害等特點(diǎn)，富含蛋白質(zhì)、碳水化合物等多種營(yíng)養(yǎng)成分。與其他青貯飼料相比，青貯玉米吸收率好，揉切、粉碎、切斷處理、室溫密封厭氧發(fā)酵后，可保留原有營(yíng)養(yǎng)成分和色澤，延長(zhǎng)保存時(shí)間，實(shí)現(xiàn)常年供應(yīng)，是反芻動(dòng)物首選優(yōu)質(zhì)飼料，可有效解決北方寒冷地區(qū)冬季牧草短缺等問(wèn)題[1-3]。牛、羊等反芻動(dòng)物飼喂玉米秸稈等青貯飼料前，需將秸稈切碎成合適長(zhǎng)度，改善飼料適口性，便于動(dòng)物消化吸收，提高飼料利用率[4-6]。

目前，中國(guó)青貯玉米收獲主要以人工收獲和分段式收獲為主。人工收獲秸稈切碎均勻性好，切碎長(zhǎng)度合格率高，但人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、收獲效率低、人工成本高，青貯飼料生產(chǎn)成本增加。人工收割再由機(jī)械鍘碎的分段式收獲由于設(shè)備簡(jiǎn)單而應(yīng)用廣泛，但仍存在作業(yè)效率低和不利搶農(nóng)時(shí)等問(wèn)題，導(dǎo)致青貯玉米莖葉含水量降低，錯(cuò)過(guò)最佳青貯期，部分蛋白質(zhì)、碳水化合物等營(yíng)養(yǎng)成分流失，不能滿足牲畜營(yíng)養(yǎng)需要。玉米青貯收獲機(jī)研制起步較晚，代表機(jī)型有黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的4QR型青貯飼料收獲機(jī)，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的4YQK-2型莖稈青貯打捆玉米收獲機(jī)，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的9265型自走式青貯飼料收獲機(jī)等，多在整機(jī)性能、功耗、喂入性能等方面開(kāi)展研究[7-10]。但玉米青貯收獲機(jī)切碎性能研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)玉米青貯收獲機(jī)切碎性能開(kāi)展研究，探究撥禾輪間高度、撥禾圓筒轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀轉(zhuǎn)速和收獲機(jī)前進(jìn)速度對(duì)切碎質(zhì)量影響，以期獲得最佳作業(yè)參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)，驗(yàn)證試驗(yàn)檢驗(yàn)收獲機(jī)實(shí)際作業(yè)性能，為提高青貯玉米機(jī)械化收獲水平及玉米青貯收獲機(jī)研制提供技術(shù)支持和理論參考。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

玉米青貯收獲機(jī)主要由地輪總成、傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架、拋送裝置、切碎裝置、喂入裝置、割臺(tái)總成、撥禾圓筒、分禾器等部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　玉米青貯收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of 4QX-12 silagemaize harvester

割臺(tái)總成位于收獲機(jī)前方，收獲機(jī)前進(jìn)時(shí)，分禾器將玉米秸稈均勻分布在割臺(tái)前方，撥禾圓筒下方安裝有圓盤(pán)割刀，高速旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)割刀將玉米秸稈從基部割斷；撥禾圓筒下部水平安裝三層撥禾輪，被割斷的玉米秸稈在撥禾輪作用下由直立逐漸變?yōu)閮A斜接近水平狀態(tài)，并隨撥禾圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)；玉米秸稈由撥禾圓筒撥禾喂入、喂入裝置夾持喂入，最終被輸送至切碎裝置切碎并拋送至拖車(chē)，完成收獲作業(yè)。主要技術(shù)參數(shù)為配套動(dòng)力40～88 kW，整機(jī)質(zhì)量1 000 kg，外形尺寸（長(zhǎng)、寬、高）為2 703mm×3 359mm×3 550mm，懸掛方式為側(cè)、后懸掛，作業(yè)行數(shù)2行，作業(yè)幅寬1 200mm，適應(yīng)行距≤70 cm，適應(yīng)含水率25%～70%，割茬高度≤100mm，純工作生產(chǎn)率45 t·h-1。由前期研究可知，撥禾圓筒最下兩層撥禾輪間高度對(duì)收獲機(jī)傾斜撥禾效果影響較大，影響收獲機(jī)切碎長(zhǎng)度均勻性。

2　切碎性能試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)條件

2015年9月13日，哈爾濱市綜合牧場(chǎng)開(kāi)展玉米青貯收獲機(jī)切碎性能試驗(yàn)。試驗(yàn)地塊壟長(zhǎng)約500m，試驗(yàn)品種為東青1號(hào)，青貯玉米處于成熟期，秸稈含水率為50%～70%，株高為3.0～3.5m，平均株距為10 cm，壟高為15～18 cm，行距為65 cm。將試驗(yàn)區(qū)劃分為穩(wěn)定區(qū)長(zhǎng)30m，測(cè)定區(qū)長(zhǎng)15m，停車(chē)區(qū)長(zhǎng)20m，測(cè)定前清除測(cè)區(qū)內(nèi)落穗和斷離植株。田間試驗(yàn)情況及收獲機(jī)切碎效果如圖2所示。

圖2　田間試驗(yàn)Fig.2　Field test

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)國(guó)家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NYT 2088-2011玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定[11]，牛用青貯玉米合格切碎長(zhǎng)度為30～50mm，羊用青貯玉米合格切碎長(zhǎng)度為20～30mm，選擇30～50mm為合格切碎長(zhǎng)度，進(jìn)行切碎性能試驗(yàn)。

以切碎長(zhǎng)度合格率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)h-切碎長(zhǎng)度合格率（%）；ms-合格切碎長(zhǎng)度內(nèi)切碎秸稈質(zhì)量（kg）；mt-切碎秸稈質(zhì)量（kg）。

2.3試驗(yàn)方案及結(jié)果

以一層、二層撥禾輪間高度、撥禾圓筒轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀轉(zhuǎn)速和收獲機(jī)前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，以切碎長(zhǎng)度合格率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行四元二次回歸正交組合試驗(yàn)。試驗(yàn)共4個(gè)因素，零水平試驗(yàn)重復(fù)4次，對(duì)應(yīng)軸臂γ值為1.607，得到相應(yīng)因素水平編碼見(jiàn)表1，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1　試驗(yàn)因素水平編碼Table 1　Test factors and levels

表2　試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2　Test plan and results

2.4結(jié)果分析

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作F檢驗(yàn)和方差分析，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)方程擬合，獲得切碎長(zhǎng)度合格率y關(guān)于各試驗(yàn)因素響應(yīng)面回歸方程，根據(jù)回歸方程對(duì)收獲機(jī)秸稈切碎長(zhǎng)度合格率進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制，并優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，確定收獲機(jī)最佳作業(yè)參數(shù)組合。

將顯著性水平設(shè)定為0.05，方差分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)整體模型為極顯著（P< 0.0001）、失擬性檢驗(yàn)結(jié)果不顯著（P=0.0505），試驗(yàn)有效，回歸方程（1）擬合良好，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有顯著影響的因素均已考慮[12-14]。

由各項(xiàng)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)可知，主效應(yīng)中撥禾輪間高度x1、動(dòng)刀轉(zhuǎn)速x3、前進(jìn)速度x4對(duì)切碎長(zhǎng)度合格率y影響均為極顯著（P<0.01），撥禾圓筒轉(zhuǎn)速x2對(duì)切碎長(zhǎng)度合格率y影響不顯著（P>0.1），各主效應(yīng)對(duì)指標(biāo)影響強(qiáng)度為前進(jìn)速度x4>動(dòng)刀轉(zhuǎn)速x3>撥禾輪間高度x1>撥禾圓筒轉(zhuǎn)速x2；交互項(xiàng)中，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速和動(dòng)刀轉(zhuǎn)速交互項(xiàng)x2x3、動(dòng)刀轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度交互項(xiàng)x3x4對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響極顯著（P<0.01），撥禾輪間高度和撥禾圓筒轉(zhuǎn)速交互項(xiàng)x1x2對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著（0.010.1）；二次項(xiàng)中，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速二次項(xiàng)x22、動(dòng)刀轉(zhuǎn)速二次項(xiàng)x32和前進(jìn)速度二次項(xiàng)x42對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響均為極顯著（P<0.01），而撥禾輪間高度二次項(xiàng)x12對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響不顯著（P>0.1）。由于該試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)，可將除主效應(yīng)外影響不顯著的回歸系數(shù)直接去除[13-14]，因此將影響不顯著的回歸系數(shù)平方和并入誤差平方和重新進(jìn)行方差分析，得到回歸方程（2）。

顯著交互項(xiàng)對(duì)切碎長(zhǎng)度合格率影響的響應(yīng)曲面如圖3所示，其他因素均固定在零水平（撥禾輪間高度35mm、撥禾圓筒轉(zhuǎn)速45 r·min-1、動(dòng)刀轉(zhuǎn)速385 r·min-1、前進(jìn)速度7.0 km·h-1）。

由圖3可知，隨撥禾輪間高度增加，切碎長(zhǎng)度合格率逐漸下降，撥禾輪間高度主要影響收獲機(jī)傾斜撥禾效果，當(dāng)撥禾輪間高度增加，傾斜撥禾時(shí)秸稈與水平面間夾角變大，切碎作業(yè)時(shí)秸稈無(wú)法垂直于切碎裝置切割，導(dǎo)致玉米秸稈切碎長(zhǎng)度產(chǎn)生偏差，降低收獲機(jī)切碎性能，一般撥禾輪間高度取較小值時(shí)，對(duì)應(yīng)收獲機(jī)切碎長(zhǎng)度合格率較高。

表3　試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3　ANOVA of test results

撥禾圓筒轉(zhuǎn)速對(duì)切碎長(zhǎng)度合格率影響不顯著，當(dāng)撥禾圓筒轉(zhuǎn)速變化時(shí)，切碎長(zhǎng)度合格率變化幅度較小。但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果撥禾圓筒轉(zhuǎn)速過(guò)低，會(huì)影響收獲機(jī)傾斜撥禾效果，導(dǎo)致秸稈切碎長(zhǎng)度均勻性變差，如果撥禾圓筒轉(zhuǎn)速過(guò)高，雖然傾斜撥禾效果有所提升，但由于撥禾喂入速度過(guò)快，撥禾圓筒與切碎裝置之間有輕微秸稈堵塞現(xiàn)象，直接影響收獲機(jī)秸稈切碎質(zhì)量。因此，選擇合適撥禾圓筒轉(zhuǎn)速可提升收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量。當(dāng)撥禾圓筒轉(zhuǎn)速為45 r·min-1時(shí)，對(duì)應(yīng)收獲機(jī)秸稈切碎長(zhǎng)度合格率較高。

通過(guò)動(dòng)刀轉(zhuǎn)速與喂入裝置的喂入速度配合，實(shí)現(xiàn)控制收獲機(jī)秸稈切碎長(zhǎng)度。當(dāng)動(dòng)刀轉(zhuǎn)速改變時(shí)，秸稈切碎長(zhǎng)度變化較大，整體上，秸稈切碎長(zhǎng)度與動(dòng)刀轉(zhuǎn)速呈反比例相關(guān)，即動(dòng)刀轉(zhuǎn)速越快，秸稈切碎長(zhǎng)度越短，而動(dòng)刀轉(zhuǎn)速與切碎長(zhǎng)度合格率呈二次非線性關(guān)系，動(dòng)刀轉(zhuǎn)速過(guò)大或過(guò)小均會(huì)降低切碎長(zhǎng)度合格率。當(dāng)動(dòng)刀轉(zhuǎn)速為335～435 r·min-1時(shí)，切碎長(zhǎng)度合格率普遍較高。

當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度較低時(shí)，秸稈切碎長(zhǎng)度合格率相對(duì)較高，原因是較低的前進(jìn)速度，使撥禾圓筒充分發(fā)揮其傾斜撥禾作用，秸稈以接近水平的姿態(tài)進(jìn)入切碎裝置，提升切碎長(zhǎng)度均勻性，較低前進(jìn)速度可降低撥禾圓筒與喂入裝置間發(fā)生秸稈堵塞的概率，因此較低前進(jìn)速度對(duì)應(yīng)較高秸稈切碎質(zhì)量。但考慮到玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)效率，不宜選擇過(guò)低收獲機(jī)前進(jìn)速度。

圖3　交互作用對(duì)指標(biāo)影響Fig.3　Effect of interactions on evaluation index

為獲得收獲機(jī)最佳切碎性能作業(yè)參數(shù)，應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件優(yōu)化模塊，以最高秸稈切碎長(zhǎng)度合格率為優(yōu)化目標(biāo)，約束目標(biāo)最大化優(yōu)化，利用牛頓迭代法求解。

優(yōu)化約束條件如下：

目標(biāo)函數(shù)：F=min[y]=min[F(x1,x2,x3,x4)]

約束函數(shù)：25

根據(jù)收獲機(jī)實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的各因素調(diào)節(jié)范圍，保證較高作業(yè)效率，得到收獲機(jī)最優(yōu)參數(shù)組合：撥禾輪間高度為25mm，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速為47 r·min-1，動(dòng)刀轉(zhuǎn)速為393 r·min-1，前進(jìn)速度為6.5 km· h-1，對(duì)應(yīng)理論切碎長(zhǎng)度合格率為97.8%～98.2%。

針對(duì)上述理論最優(yōu)參數(shù)組合調(diào)整收獲機(jī)，進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)值，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后收獲機(jī)實(shí)際切碎長(zhǎng)度合格率為97.9%，與理論優(yōu)化結(jié)果基本一致，損失率為4.3%，割茬高度為112.9mm，各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可滿足玉米青貯收獲作業(yè)要求。

表4　驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table4　Verification test results

3　結(jié)論

a.研究影響收獲機(jī)切碎性能的撥禾輪間高度、撥禾圓筒轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀轉(zhuǎn)速和收獲機(jī)前進(jìn)速度等試驗(yàn)因素，得出收獲機(jī)最佳作業(yè)參數(shù)組合為撥禾輪間高度25mm，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速47 r·min-1，動(dòng)刀轉(zhuǎn)速393 r·min-1，收獲機(jī)前進(jìn)速度6.5 km·h-1，此時(shí)理論切碎長(zhǎng)度合格率為97.8%～98.2%。

b.根據(jù)最佳作業(yè)參數(shù)調(diào)整收獲機(jī)，開(kāi)展田間驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，調(diào)整后收獲機(jī)切碎長(zhǎng)度合格率為97.9%，與理論切碎長(zhǎng)度合格率基本一致，證明該收獲機(jī)切碎精度較高；收獲機(jī)損失率為4.3%，割茬高度為112.9mm，各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該收獲機(jī)能滿足青貯玉米機(jī)械化收獲作業(yè)要求。

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Study on chopping performance of silagemaize harvester

LV Jinqing1, YANG Ying1,SHANG Qinqin1,WANG Yingbo1,LI Zihui1,TONG Siyu1,ZHU Qifang2(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Heilongjiang Institute of Agriculturalmechanical Engineering Science,Harbin 150081,China)

In order to solve the problems widespread in silagemaize harvester,such as low qualified index and poor uniformity.At the same to improve themechanization level of silagemaize harvest and the working performance of the silagemaize harvester,the silagemaize harvester as the research object,a quadratic regression orthogonal combination test was carried out.The results showed that under the condition that the height between two rake wheels was 25mm,the rotation speed of the rake cylinder was 47 r·min-1,the rotation speed of the dynamic knife was 393 r·min-1and the forward speed of themachine was 6.5 km·h-1,the qualified index of chopped length was 97.9%.And the other performance indices were all higher than the national standard.This equipment couldmeet the work requirements of silagemaize harvest. This paper provided a technical support for the further development of the silagemaizemechanized harvesting.

silagemaize harvester;chopping performance;raking process;chop;test

S225.8；S817.11

A

1005-9369（2016）04-0102-07

2016-01-28

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-10-P22）；國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD06B03）；黑龍江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（GA15B401）

呂金慶（1970-），男，研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)及裝備。E-mail:ljq8888866666@163.com