甘蔗葉打捆收集機械作業(yè)性能的對比試驗研究

王 剛，宋德慶，張 勁，薛 忠，黃正明，宋 剛，馮 屾

(1.中國熱帶農業(yè)科學院農業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091; 2.黃河水利職業(yè)技術學院,河南 開封 475004)

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甘蔗葉打捆收集機械作業(yè)性能的對比試驗研究

王 剛1，宋德慶1，張 勁1，薛 忠1，黃正明1，宋 剛1，馮 屾2

(1.中國熱帶農業(yè)科學院農業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091; 2.黃河水利職業(yè)技術學院,河南 開封 475004)

通過對我國秸稈打捆機械的調查分析，針對目前甘蔗葉機械化收集缺乏配套機具及現(xiàn)有機型適應性較差的現(xiàn)狀，選擇了5120型圓捆機和FSB-1600型方捆機作為試驗研究對象。通過對這兩種打捆機收集甘蔗葉的田間性能對比試驗，分析了各機型的主要技術指標：作業(yè)小時生產率、單位面積耗油量、撿拾損失率。結果表明：兩種機型的作業(yè)小時生產率基本一致，5120型圓捆機的單位面積燃油消耗量明顯高于FSB-1600型方捆機，5120型圓捆機的撿拾損失率要優(yōu)于FSB-1600型方捆機，且波動較小。通過兩種打捆機的對比試驗分析，為甘蔗葉打捆機的理論研究與優(yōu)化設計提供了依據(jù)和新思路，有利于甘蔗葉綜合利用產業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。

甘蔗葉；打捆機；作業(yè)性能；對比試驗

0 引言

甘蔗葉是甘蔗收獲后遺留在田間的廢棄秸稈，總量巨大，傳統(tǒng)的處理方式往往就是直接焚燒，不僅給大氣造成嚴重污染，而且浪費寶貴資源。為此，相關研究機構與公司企業(yè)就甘蔗葉的綜合利用開展了大量的研究與應用，主要包括生產沼氣[1-2]、培養(yǎng)基質、粉碎還田[3]、直燃發(fā)電和制作飼料[4]等。由于甘蔗葉在自然堆放狀態(tài)下結構松散、密度小、占用空間大，因此收集甘蔗葉時需要對其進行壓縮處理以減少運輸和儲存的空間與成本。

打捆機是秸稈收儲運系統(tǒng)的核心設備，能夠直接將秸稈從田間收集并進行壓縮打捆，目前國內雖然已經研發(fā)了一些相關機型，但適應性和成熟度還有待改進。由于甘蔗種植模式和甘蔗葉物料特性的不同，目前的秸稈打捆機在收集甘蔗葉時仍存在許多問題。本文通過對我國秸稈打捆機械的廣泛調研，分析其主要類型及性能特點，對現(xiàn)有機型在用于甘蔗葉收集打捆時進行相應的田間對比試驗和性能分析，為進一步改進和研制適合甘蔗葉收集的打捆機提供依據(jù)。

1 兩種秸稈打捆機的特性

圓草捆和方草捆是秸稈機械打捆的兩種常見形態(tài)，選用中機美諾科技股份有限公司生產的5120型圓捆機和沈陽方科機械制造有限公司生產的FSB-1600型方捆機進行對比試驗。這兩種打捆機是國內目前秸稈打捆機械的主要類型，也具有相對良好的市場。

1.1 5120型圓捆機的主要參數(shù)與工作原理

5120型圓捆機主要由彈齒式撿拾器、打捆膠帶、成捆室、液壓機構、卸捆機構、傳動機構和機架組成，主要參數(shù)，如表1所示。

表1 5120型圓捆機主要參數(shù)Table 1 The main parameters of 5120 round baler

工作原理：在拖拉機的帶動下，撿拾器將甘蔗葉喂入由打捆皮帶圍成的成捆室，進入到成捆室的甘蔗葉在打捆皮帶的帶動下強制旋轉，自動形成芯捆；隨著撿拾器不停地喂入甘蔗葉，草捆直徑逐漸增大，然后通過壓力控制裝置來逐步改變成捆室容積直至蔗葉捆直徑達到設計要求，也可根據(jù)蔗捆直徑浮動標志人為控制甘蔗葉草捆直徑大小。此時，拖拉機停止前進，啟動繞繩裝置，完成繞繩工作后，切斷捆繩，打開卸捆機構，草捆因自重滾出成捆室，合上后門后繼續(xù)前進，屬于間斷性作業(yè)[5]，如圖1所示。

1.2 FSB-1600型方捆機的主要參數(shù)與工作原理

FSB-1600型方捆機主要由滑道彈齒式撿拾器、喂入撥叉輸送器、切斷壓縮裝置、草捆長度密度調節(jié)裝置、打結器、傳動機構和機架組成，主要參數(shù)如表2所示。

圖1 5120型圓捆機甘蔗葉打捆試驗Fig 1 Sugarcane leaf bundle test for 5120 round baler表2 FSB-1600型方捆機主要參數(shù)Table 2 The main parameters of FSB-1600 square baler

主要項目外形尺寸/mm撿拾幅寬/mm彈齒個數(shù)/個腔室截面/mm草捆長度/mm技術參數(shù)4740×2240×157016004×14300×400300～1200

工作原理：在拖拉機牽引下，甘蔗葉由撿拾器彈齒撿起，經喂入撥叉輸送至壓捆室入口處，往復運動的柱塞壓縮裝置將甘蔗葉切斷分層逐漸壓實；當被壓縮的蔗葉層積累至一定長度時，打捆機構離合器結合，啟動打結器運轉，將包絡蔗葉捆的兩道捆繩打成繩結；捆扎好的蔗葉捆在后續(xù)物料的推動下逐漸移動到壓捆室出口，經放捆板跌落到地面，可實現(xiàn)連續(xù)性作業(yè)[6]，如圖2所示。

圖2 FSB-1600型方捆機甘蔗葉打捆試驗Fig.2 Sugarcane leaf bundle test for FSB-1600 square baler

2 田間性能對比試驗

田間試驗是機械性能測試的重要依據(jù)。在田間試驗中，選擇條件比較均勻的試驗田，盡量避免土壤的成分、硬度、濕度等因素對試驗的影響。

2.1 試驗目的

通過甘蔗葉田間打捆作業(yè)試驗，測定兩種打捆機的作業(yè)性能和質量指標；在相同的試驗條件下，綜合分析兩種機型在用于甘蔗葉田間收集打捆時的生產率、燃油消耗及撿拾損失率等性能指標。

2.2 試驗設備

主要試驗設備為：中機美諾科技股份有限公司5120型圓捆機、沈陽方科機械制造有限公司FSB-1600型方捆機、上海紐荷蘭904拖拉機、MA-45快速水分測定儀、機械秒表及臺秤等。

2.3 試驗條件

選擇中國熱帶農業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所甘蔗種植基地為試驗地，試驗地坡度不大于5°，機器的每個作業(yè)行程不小于100m；配套動力為上海紐荷蘭904拖拉機，作業(yè)速度為低速慢Ⅲ擋；甘蔗種植品種為新臺糖系列ROC22號，種植行距為90mm；試驗時間為甘蔗人工收獲后的第10天，甘蔗葉平鋪于田間，無摟草聚攏處理，測定甘蔗葉含水率為15%～20%。

2.4 試驗指標

試驗指標包括：作業(yè)小時生產率、單位面積耗油量及撿拾損失率。

2.5 試驗內容

在拖拉機帶動下，分別對5120型圓捆機和FSB-1600型方捆機進行打捆試驗，以1h為時間節(jié)點，分別記錄兩種機型的作業(yè)面積和燃油消耗，重復6次。撿拾損失率定為在測定地段全長上撿拾器遺漏的甘蔗葉質量與該地段全部甘蔗葉質量之比。各測定指標具體計算方法如下：

1)作業(yè)小時生產率。在正常作業(yè)條件下測定時間1h左右，時間精確到“s”，記錄打捆作業(yè)面積(hm2)。則有

E=S/T

其中，E為生產率(hm2/h)；S為作業(yè)面積(hm2)；T為工作時間(h)。

2)單位面積耗油量。在測定小時生產率的同時，記錄拖拉機燃油消耗量(kg)，根據(jù)作業(yè)面積按公式計算，則有

Gn=M/S

其中，Gn為單位面積燃油消耗量(kg/hm2)；M為工作時間內燃油消耗量(kg)；S為作業(yè)面積(hm2)。

3)撿拾損失率。在每個試驗時間節(jié)點，隨機取10m長行程稱其甘蔗葉質量，撿拾后再收集原作業(yè)行程內遺漏的15cm以上的全部甘蔗葉，稱其質量[7]。則有

Sn=(Ml/Mz)×100%

其中，Sn為撿拾損失率(%)；Ml為10m漏撿甘蔗葉質量(kg)；Mz為10m甘蔗葉總質量。

2.6 試驗結果

試驗結果如表3所示。由圖3可以看出：5120型圓捆機在作業(yè)過程中，由于甘蔗葉葉片較長，錯綜交纏，經撿拾器后直接進入成捆室，運動行程較短，喂入性能較好，不易堵塞，工作可靠性高；撿拾過后，損失率較小，撿拾后的地面達到了耕整地的要求，不會造成耕整犁的堵塞。但是，該機動力消耗大，草捆質量較大，不易搬運，需要配合專門的裝載機具。

FSB-1600型方捆機由于甘蔗葉經撿拾器后，還要通過撥叉喂入裝置才能進入壓縮機構，運動行程較長，撿起的甘蔗葉與地面的甘蔗葉還有一定的牽扯作用，導致該機型的喂入口容易堵塞，工作可靠性較差，撿拾損失率較大，對后期的耕整地造成一定影響；但該機動力消耗較小，節(jié)能環(huán)保，草捆容易搬運。

表3 兩種機型甘蔗葉打捆試驗對比試驗結果Table 3 The compare experimental results of two models

圖3 兩種打捆機作業(yè)小時生產率的對比Fig.3 Comparison of two baler’s job productivity

2.7 結果分析

由表3及圖3～圖5可以看出：對于作業(yè)小時生產率來說，兩種機型的作業(yè)效率基本一致，但5120型圓捆機的穩(wěn)定性較FSB-1600型方捆機高。分析原因：FSB-1600型方捆機雖然為連續(xù)性作業(yè)，但打捆作業(yè)工序較為復雜，機器通過性較差；5120型圓捆機雖然通過性較好，但屬于間歇性作業(yè)，每次拖拉機需停止前進完成繞繩工序才能繼續(xù)撿拾打捆，大大降低了其作業(yè)效率。對于單位面積耗油量來說，5120型圓捆機明顯較高，將近倍增于FSB-1600型方捆機，主要是由于5120型圓捆機在工作過程中打捆皮帶需不停的帶動圓草捆轉動，消耗了大量的能量。對于撿拾損失率來說，5120型圓捆機撿拾損失率較小，F(xiàn)SB-1600型方捆機撿拾損失率較大，且波動較大，主要是和兩種機型的不同成捆原理和甘蔗葉的物料特性以及田間分布有關。

圖4 兩種打捆機燃油消耗量的對比Fig.4 Comparison of two baler’s fuel consumption

圖5 兩種打捆機撿拾損失率的對比Fig.5 Comparison of two baler’s cane leaves loss rate

3 結論

1)兩種打捆機收集甘蔗葉的作業(yè)小時生產率基本一致，5120型圓捆機為0.15hm2/h，F(xiàn)SB-1600型方捆機為0.14hm2/h。雖然5120型圓捆機通過性好，而FSB-1600型為連續(xù)性作業(yè)，但均存在各自的問題，整體作業(yè)效率低， 均有待提高。 從能耗來看， 兩種打捆

機的單位面積耗油量和變異系數(shù)表明：5120型圓捆機的性能耗油量要遠大于FSB-1600型方捆機。

2)從撿拾后的工作效果來看，由于5120型圓捆機喂入口緊貼成捆室，甘蔗葉從地面到成捆室的行程較短，卷壓式的工作原理對地面甘蔗葉起到一定吸附作用，撿拾效果良好。FSB-1600型方捆機工作時，甘蔗葉從地面到成捆室的行程較長，且經過多種工序，甘蔗葉舉升高度較大，撥叉喂入裝置與撿拾機構運動存在時差，導致喂入口容易堵塞，通過性較差，撿拾損失率較高。

3)FSB-1600型方捆機打出的方捆，易于搬運解捆，5120型圓捆機打出的圓草捆質量大，需要配套專門的裝載機具，且后期解捆粉碎較為復雜。

[1] 焦靜，王金麗，張勁，等．甘蔗葉干法厭氧發(fā)酵正交試驗[J]． 農業(yè)機械學報，2012，43(10)：110-113，142．

[2] 王金麗，焦靜，張勁，等.甘蔗葉干法厭氧發(fā)酵工藝研究[J]．農業(yè)機械學報，2011，42(3)：109-114．

[3] 李明，盧敬銘，韋麗嬌，等．甘蔗葉機械化粉碎還田技術集成[J]．安徽農業(yè)科學，2011，39(8)：5022-5025．

[4] 蟻細苗，譚文興，鐘映萍，等．利用甘蔗梢(葉)作牛飼料[J]．甘蔗糖業(yè)，2013(2)：43-46．

[5] 唐遵峰．大型內纏繞式圓捆機的設計研究[J]．中國奶牛，2007(4)：42-46．

[6] 汪雄偉，景全榮，燕曉輝，等．側牽引秸稈撿拾方捆打捆機研究[J]．農業(yè)工程，2012，2(9)：1-3．

[7] 楊鐵軍，康清華，楊錦章，等．GB/T14290-2008，圓草捆打捆機[S]．北京：中國標準出版社，2008．

Comparative Experimental Study on Mechanical Working Performance of Bundled Sugarcane Leaves Collection

Wang Gang1，Song Deqing1，Zhang Jin1，Xue Zhong1，Huang Zhengming1，Song Gang1，F(xiàn)eng Shen2

(1.Tropical Agricultural Machinery Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agriculture Sciences, Zhanjiang 524091, China; 2.Yellow River Water Conservancy Technical College, Kaifeng 475004,China)

Because mechanization of sugarcane leaf collection is lack of ancillary equipment currently, and existing models are poor adaptability of the status quo.Through investigation and analysis the straw baling machinery in China,select the 5120 round baler and FSB-1600 type square baler as a pilot study.Through comparative the field performance two balers collect cane leaves,the dominant factors including: operating hours of productivity,fuel consumption per unit area, picking up the loss rate.Obtained a job hourly production of two models are basically the same, 5120 round baler fuel consumption per unit area was significantly higher than the FSB-1600 type square baler,5120 round baler pick-loss rate is superior to FSB-1600 type square baler, and less volatile. By comparing the test of two balers, which provide a basis and new ideas for theoretical research and optimization design sugarcane leaves balers, conducive to large-scale development of comprehensive utilization of industrial sugarcane leaves.

sugarcane leaves；baler；working performance；comparative experiment

2016-03-18

公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203072)

王 剛(1986-)，男，湖北孝感人，助理研究員，碩士研究生，(E-mail)435399069@qq.com。

宋德慶(1957-)，男，湖北黃岡人，研究員，碩士生導師，(E-mail)deqing@21cn.com。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)03-0203-04