自走式撿拾高留茬切割裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

成 鋮，李耀明，徐立章，胡必友，王滿先

(1.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇沃得農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212300；3.南通棉花機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226300)

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自走式撿拾高留茬切割裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

成 鋮1，李耀明1，徐立章1，胡必友2，王滿先3

(1.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇沃得農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212300；3.南通棉花機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226300)

針對含水率高的作物需要晾曬2～3天后再進(jìn)行秸稈撿拾打捆的需求，研制了自走式撿拾高留茬切割裝置。以4L-4.0型稻麥聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)為樣機(jī)，將撥禾輪更換為新設(shè)計(jì)的撿拾裝置，對撿拾幅寬、彈齒間距、喂入量匹配及反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)田間秸稈的撿拾打捆和高留茬作物的切割回收。與目前市場上的牽引式撿拾打捆機(jī)相比，設(shè)計(jì)的自走式撿拾高留茬切割打捆機(jī)靈活性更好、適應(yīng)性更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用。

切割；高留茬；撿拾；自走式；打捆

0 引言

目前，國內(nèi)外用于收獲稻麥秸稈及牧草的機(jī)器多為牽引式的撿拾打捆裝備，利用拖拉機(jī)牽引，完成撿拾、喂入、壓縮和打捆等作業(yè)程序[1]。但牽引式撿拾打捆裝備在小塊田地作業(yè)時(shí)，由于其車身較長，轉(zhuǎn)彎半徑過大，不能靈活移動，田間適應(yīng)性較差[2-3]。

本文設(shè)計(jì)了一種自走式撿拾高留茬切割裝置，不僅能夠?qū)ι⒙湓谔镩g的作物秸稈進(jìn)行撿拾打捆，且可對留茬較高的作物秸稈進(jìn)行切割回收。以4L-4.0型稻麥聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)為樣機(jī)，對撿拾割臺重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，對撿拾器幅寬、彈齒間距、最小離地間隙等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)田間秸稈的撿拾打捆和高留茬的切割回收。

1 切割裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

自走式撿拾高留茬切割打捆機(jī)作業(yè)流程主要由撿拾、切割、輸送、喂入及壓縮打捆等步驟組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作時(shí)，由撿拾器將鋪放在田間的秸稈作物撿起并向后輸送至割臺內(nèi)，同時(shí)割臺前端的切割器對高留茬作物進(jìn)行切割與被撿拾的秸稈一同輸送至割臺后方；割臺內(nèi)采用螺旋輸送攪龍，將物料連續(xù)向后輸送至輸送槽；輸送槽內(nèi)部采用鏈耙式輸送裝置，物料再經(jīng)過脫粒滾筒輸送至喂入機(jī)構(gòu)；喂入機(jī)構(gòu)位于脫粒滾筒出草口處，撥草叉采用下喂入的方式將排出的物料連續(xù)不斷地喂入壓縮打捆室內(nèi)進(jìn)行打捆。

1.駕駛室 2.撿拾器 3.割臺 4.輸送槽 5.驅(qū)動輪 6.脫粒滾筒 7.喂入機(jī)構(gòu) 8.轉(zhuǎn)向輪 9.壓捆室 10.打結(jié)機(jī)構(gòu)圖1 自走式撿拾高留茬切割打捆機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of self-propelled pickup,

high stubble cutting baler

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 撿拾幅寬的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的撿拾裝置需要與4L-4.0型稻麥聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的割臺相配合。4L-4.0型稻麥聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)割臺左右側(cè)板的距離為2 480mm，為了方便撿拾裝置安裝在割臺上，故設(shè)計(jì)撿拾器幅寬為2 400mm，則[4]

Bw=0.8Bn

(1)

式中Bw—撿拾器有效幅寬(mm)；

Bn—撿拾器幅寬(mm)。

由此可知，設(shè)計(jì)的撿拾器的有效撿拾幅寬為Bw=1 920mm。

2.2 彈齒間距及最小離地間隙

彈齒的疏密要保證將秸稈撿拾干凈，通常間距為63～100mm[5]，因此在長2 200mm的彈齒支撐管上布置11個(gè)彈齒，每個(gè)彈齒有2根齒，4根彈齒支撐管共安裝44個(gè)彈齒；彈齒最小離地間隙δ≤20mm。

2.3 喂入量的匹配

4L-4.0型稻麥聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的喂入裝置每工作一次可喂入2kg的秸稈物料，工作頻率為90次/min。因此，自走式撿拾高留茬切割裝置每秒的撿拾量為

(2)

式中q—撿拾量(kg/s)；

f—工作頻率(次/min)；

G—喂入裝置每秒喂入量(kg/次)。

計(jì)算得q=3kg/s。為了避免秸稈物料堆積而造成堵塞，自走式撿拾高留茬切割裝置在作業(yè)時(shí)其每秒的喂入量需要小于3kg/s。撿拾打捆機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，每米秸稈的質(zhì)量一般為1.5～2.5kg/m，本文取2kg/m。所以，自走式撿拾高留茬切割裝置田間作業(yè)時(shí)的前進(jìn)速度應(yīng)滿足以下條件，即

(3)

計(jì)算得vt≤1.5m/s。作業(yè)時(shí)，機(jī)器的前進(jìn)速度不能大于彈齒末端的線速度。其中，彈齒末端線速度為

(4)

式中vt—彈齒末端線速度(mm/s)；

n—撿拾器轉(zhuǎn)速(r/min)；

r—彈齒末端最大回轉(zhuǎn)半徑(mm)。

設(shè)計(jì)時(shí)，取r=215mm。經(jīng)計(jì)算得：n≥65r/min。在計(jì)算撿拾器時(shí)需要引入一個(gè)修正系數(shù)k[6]，選取k=1.6，經(jīng)過計(jì)算，撿拾器的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n1=k·n=105r/min。

2.4 反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在4L-4.0型稻麥聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)上，撥禾輪的動力由割臺中間無級變速輪通過帶傳動輸入，而撥禾輪的轉(zhuǎn)動方向與撿拾裝置所需要的轉(zhuǎn)動方向剛好相反。因此，需要在撿拾裝置上設(shè)計(jì)一個(gè)可以使其反轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用一對嚙合齒輪，齒輪a安裝在主軸上，齒輪b安裝在傳動軸上，兩者相互嚙合，齒數(shù)比為1，如圖2所示。

2.5 撿拾割臺裝配

撿拾割臺由撿拾裝置和割臺裝置組成。其中，撿拾裝置包括彈齒撿拾器、輸入帶輪、撿拾機(jī)架、連桿及連接架等。彈齒撿拾器固定在撿拾機(jī)架上，輸入帶輪安裝在撿拾器輸入軸上，連接架焊接在機(jī)架的兩端。割臺裝置包括切割裝置、割臺側(cè)板，過渡帶輪及中間無級變速輸出帶輪等。其中，切割裝置位于割臺裝置的前端下方，過渡帶輪安裝在割臺懸臂上，可以上下移動以便調(diào)節(jié)皮帶的張緊，中間無級變速輸出帶輪位于割臺裝置的后方，割臺側(cè)板位于兩側(cè)。撿拾裝置與割臺裝置的裝配方式如圖3所示。

1.齒輪a 2.齒輪b圖2 反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖Fig.2 Reverse mechanism

1.彈齒撿拾器 2.輸入帶輪 3.撿拾機(jī)架 4.切割裝置 5.割臺側(cè)板 6.中間無級變速輸出帶輪 7.過渡帶輪 8.連接架 9.連桿圖3 撿拾割臺裝配示意圖Fig.3 Connection of the pickup collector and header

撿拾裝置安裝在割臺裝置前端下方，與切割裝置相互配合工作實(shí)現(xiàn)作物秸稈的撿拾及高留茬的切割功能。連接架與切割裝置連接，連桿一端與撿拾裝置端蓋連接，另一端與割臺側(cè)板連接。連接架與切割裝置的具體連接方式如圖4所示。

1.連接架 2.護(hù)刃器定位孔 3.護(hù)刃器 4.動刀片圖4 撿拾裝置安裝局部示意圖Fig.4 Installation of pickup collector

撿拾裝置每個(gè)連接架上開有兩個(gè)定位孔，安裝時(shí)需要將原割臺切割裝置護(hù)刃器的連接螺栓拆卸，將連接架定位孔與護(hù)刃器定位孔對齊，然后再用連接螺栓將其擰緊。

3 田間試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及條件

田間試驗(yàn)地點(diǎn)選在江蘇省南通市通州區(qū)十總鎮(zhèn)新雁村。試驗(yàn)時(shí)間為2015年12月水稻收獲季節(jié)，在全喂入式聯(lián)合收割機(jī)收獲完畢后，將拋灑在田間的水稻秸稈晾曬2～3天，當(dāng)其含水率在20%左右時(shí)，利用自走式撿拾高留茬切割裝置進(jìn)行撿拾打捆作業(yè)。試驗(yàn)時(shí)，草條鋪設(shè)寬度為1～1.5m，草條質(zhì)量為1.5～2.5kg/m，測定區(qū)域總長度為20m。所選取的試驗(yàn)田割茬要整齊，平均留茬高度在20cm左右。試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。

圖5 自走式撿拾高留茬切割裝置試驗(yàn)樣機(jī)Fig.5 Experimental prototype of self-propelled pickup,

high stubble cutting device

3.2 田間性能試驗(yàn)

影響撿拾效果的主要因素是機(jī)器前進(jìn)速度、撿拾器滾筒轉(zhuǎn)速和離地間隙。其中，離地間隙可根據(jù)留茬二次切割的高度來確定。因此，選取機(jī)器前進(jìn)速度、撿拾器滾筒轉(zhuǎn)速及留茬高度作為田間試驗(yàn)的3個(gè)因素，如表1所示。

表1 田間試驗(yàn)因子水平表

田間試驗(yàn)的方案為：試驗(yàn)前量取長度為20m的田塊，并將稱好質(zhì)量的水稻秸稈整齊的鋪放在留茬上方，厚度約為100～150mm；自走式撿拾高留茬切割裝置的田間試驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)表[7]，以撿拾損失率作為性能指標(biāo)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，如表2所示。

表2 自走式撿拾高留茬切割裝置田間性能正交試驗(yàn)表

Table 2 Orthogonal test table of self-propelled pickup,high stubble cutting device

試驗(yàn)號機(jī)器前進(jìn)速度/m·s-1撿拾器轉(zhuǎn)速/r·min-1留茬高度/cm10.5100520.5110630.5120740.8100650.8110760.8120571.0100781.0110591.01206

試驗(yàn)樣機(jī)跑完測定距離后，將進(jìn)行過二次切割的高留茬作物重新測量高度以驗(yàn)證切割裝置的性能，如圖6所示。

圖6 留茬高度對比Fig.6 Comparison of stubble height

同時(shí)，將漏撿的水稻秸稈收集起來稱重，以計(jì)算試驗(yàn)的撿拾損失率，計(jì)算方法為[8]

(5)

式中Sj—撿拾損失率(%)；

Wj—撿拾裝置漏撿秸稈質(zhì)量(g)；

L—測區(qū)長度(m)；

Pt—每米秸稈物料的質(zhì)量(kg)。

自走式撿拾高留茬切割裝置田間試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用DPS數(shù)據(jù)處理軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析處理，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)因素對撿拾損失率的方差分析結(jié)果

由表4可以看出：機(jī)器前進(jìn)速度和撿拾器轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素的p值分別為0.03和0.011 9，均小于置信水平0.05。這說明，機(jī)器前進(jìn)速度和撿拾器轉(zhuǎn)速這兩個(gè)因素對撿拾損失率具有顯著影響。第3因素留茬高度的p值為0.212，明顯大于置信水平0.05，因此留茬高度對撿拾損失率沒有顯著的影響。由于第二因素的p值小于第一因素的p值，因此可以得出影響撿拾損失率的主次因素為：撿拾器轉(zhuǎn)速→機(jī)器前進(jìn)速度→留茬高度。

4 結(jié)論

1)通過對自走式撿拾高留茬切割裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，研制了自走式撿拾高留茬切割裝置。該裝置能一次完成田間秸稈的撿拾及高留茬作物的切割，有效地解決了高留茬作物回收困難的問題。

2)將自走式撿拾高留茬切割裝置安裝到4L-4.0型稻麥聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了秸稈撿拾、高留茬切割和打捆復(fù)式作業(yè)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)工作性能達(dá)到了使用要求，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

[1] 劉志杰.飼草壓捆機(jī)的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2004.

[2] 燕曉輝，李樹君，楊軍太，等.大中型方捆撿拾打捆機(jī)整機(jī)原理研究[J].農(nóng)業(yè)工程，2013(4)：95-98.

[3] 劉祥鵬，孫傳祝，姜常尊，等.小型方草捆打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012,34(12):76-79.

[4] 王國權(quán)，余群，卜云龍，等.秸稈撿拾打捆機(jī)設(shè)計(jì)及撿拾器的動力學(xué)仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2001，32(5)：59-61.

[5] 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊(下冊)[K].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[6] 馬曉剛.自走式方草捆壓捆機(jī)關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[7] 任露泉.試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[8] 機(jī)械電子工業(yè)部呼和浩特畜牧機(jī)械研究所.JB/T5160-1991 牧草撿拾器技術(shù)條件[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.Abstract ID:1003-188X(2017)06-0150-EA

Design and Experiment of Self-propelled Pickup,High Stubble Cutting Device

Cheng Cheng1，Li Yaoming1，Xu Lizhang1，Hu Biyou2，Wang Manxian3

(1.Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology,Ministry of Education,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China；2.Jiangsu World Agricultural Machinery Co. LTD., Zhenjiang 212300, China；3.Nantong Cotton Machinery Co. LTD., Nantong 226300, China)

In accordance with the demand that the high moisture content of crop needs to be baling after drying in the sun two or three days. This paper developed a self-contained collecting, high stubble cutting device,with 4L-4.0 type of all-in-one machine of combine harvester and baler as the prototype，redesign the pick up width,spring tooth spacing, feeding amount,and inversion of institutions of the self-propelled pickup, high stubble cutting device. Implementing the straw collecting and high stubble cutting.Compared with the traction pick up baler,this self-propelled pickup, high stubble cutting baler is more flexible and more adaptive.It can also improve the utilization rate of straw more efficiently.

cutting； high stubble； pickup； self-propelled； baler

2016-05-09

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2014371)

成 鋮(1990-)，男，南京人，碩士研究生，(E-mail)1025738165@qq.com。

S817.11+5

A

1003-188X(2017)06-0150-04