穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈春陽，張道林，康云有，鹿秀鳳，鄭振華

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博　255049；2. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，濟(jì)南　250000； 3.山東理工職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)寧　272000； 4.山東國豐機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)寧 　272000)

0　引言

我國的玉米秸稈資源非常豐富，玉米作為重要的糧食、經(jīng)濟(jì)作物和飼料，在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和糧食生產(chǎn)中有著重要的地位，它是大力發(fā)展畜牧業(yè)的支柱。玉米秸稈中富含豐富的能量，作為飼料具有柔軟、適口性好、酸甜、多汁等特點(diǎn)。同時(shí)，在長期的保存過程中，蛋白質(zhì)、胡蘿卜素等營養(yǎng)成分不易流失，并且不受季節(jié)的影響，因此玉米秸稈是發(fā)展畜牧業(yè)的優(yōu)質(zhì)飼料[1]。但是，目前玉米秸稈主要采用直接還田培肥地力的處理方式，導(dǎo)致連續(xù)多年還田造成秸稈量過大，影響下茬作物出苗及生長；部分地區(qū)依然使用焚燒的處理方式，加劇空氣污染。

隨著我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和畜牧業(yè)的發(fā)展,穗莖兼收型玉米收獲機(jī)成為近期國內(nèi)發(fā)展的熱點(diǎn)[2-3]。2015年“中央一號(hào)”文件號(hào)召“糧改飼”，加快畜牧業(yè)發(fā)展，而研發(fā)穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)可實(shí)現(xiàn)糧飼兼收，降低作業(yè)成本，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)玉米生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型、提高秸稈綜合利用率、減少環(huán)境污染、增加農(nóng)民收入具有重要意義。

為此，在消化吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合玉米機(jī)械化生產(chǎn)實(shí)際和推廣應(yīng)用需求，通過集成創(chuàng)新和技術(shù)提升，研發(fā)了穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

4YK-4穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該玉米收獲機(jī)主要由底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、果穗升運(yùn)器、剝皮機(jī)、果穗箱、上割臺(tái)(摘穗割臺(tái))、下割臺(tái)、秸稈輸送裝置、秸稈切碎拋送裝置、拋送筒及秸稈打捆裝置等部分構(gòu)成。

4YK-4穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)樣機(jī)如圖2所示。本研究提出了一種新型的穗莖兼收方式，收獲機(jī)分為上下割臺(tái)分別獨(dú)立控制，果穗的收獲采用剝皮收集，秸稈的收獲采用切碎后打捆或者是拋送還田的兩種選擇收獲方式。

1.2工作原理

穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)工藝路線如圖3所示。在工作的過程中，一方面，上割臺(tái)的扶禾器將植株導(dǎo)入割道，由夾持輸送鏈輸送到摘穗臺(tái)[4]，在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摘穗輥的作用下進(jìn)行摘穗，摘下的果穗由果穗攪龍和升運(yùn)器輸送到剝皮機(jī)，經(jīng)剝皮機(jī)剝皮后，果穗落入果穗箱[5]；另一方面，在果穗從植株上被摘下的同時(shí)，往復(fù)式切割器將秸稈從根部切斷，隨著機(jī)組向前運(yùn)行，秸稈進(jìn)入往復(fù)切割器后方的橫向攪龍，由攪龍向中部集中聚攏，從而將秸稈送入輸送裝置，由輸送裝置輸送并壓實(shí)后，秸稈進(jìn)入切碎拋送裝置。切碎后的秸稈可根據(jù)用戶的需要或是秸稈的含水率，有兩種可選擇的處理方式：一種是由拋送筒拋送至秸稈打捆裝置打成方捆，打成的草捆可作為飼料或者其他工業(yè)原料，具有方便運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)；另一種是根據(jù)需要將切碎后的秸稈直接拋送至田間，達(dá)到適當(dāng)還田。

1.上割臺(tái)　2.下割臺(tái)　3.秸稈輸送裝置　4.秸稈切碎拋送裝置　5.駕駛室　6.拋送筒7.底盤　8.發(fā)動(dòng)機(jī)　9.果穗升運(yùn)器　10.秸稈打捆裝置　11.剝皮機(jī)　12.果穗箱

圖2　穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)

圖3　穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)工藝路線

1.3主要技術(shù)參數(shù)

型號(hào)規(guī)格：4YK-4型

結(jié)構(gòu)形式：自走式

配套動(dòng)力/kW：132

適應(yīng)行距范圍：550～650mm

生產(chǎn)率/hm2·h-1：0.2～0.4

工作幅寬/行數(shù)：2 600mm/4行

籽粒損失率/%：≤2

籽粒破碎率/%：≤1

果穗含雜率/%：≤3

草捆密度/kg·m-3：120～180

2　關(guān)鍵工作部件設(shè)計(jì)

2.1秸稈切斷裝置

秸稈切斷裝置為往復(fù)式切割器，位于下割臺(tái)的前端，主要由動(dòng)刀片、定刀片和割刀曲柄等組成。秸稈切碎裝置是穗莖兼收型玉米收獲機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件，其工作性能直接影響著秸稈的切斷效果。目前，常用的幾種割刀型式為圓盤鋸齒型、滾刀型和往復(fù)刀式[3]。常用的圓盤鋸齒型和滾刀型切斷裝置，割刀對(duì)切斷秸稈的切割效果基本可以滿足要求；但對(duì)于切斷后的秸稈瞬間抓取能力低，高速旋轉(zhuǎn)的割刀會(huì)對(duì)秸稈產(chǎn)生較大的離心力，會(huì)使切斷后的秸稈沿離心力的方向運(yùn)動(dòng)[6]，并可能吸入塵土，影響秸稈的喂入和秸稈的質(zhì)量。往復(fù)式切割器不存在上述問題，且消耗動(dòng)力小，因此設(shè)計(jì)中選擇往復(fù)式切割器。

2.2秸稈輸送裝置

秸稈輸送裝置為單層四輥式輸送器，位于下割臺(tái)的中后部，主要由4個(gè)喂入輥、輸送殼體、浮動(dòng)拉簧和浮動(dòng)板等組成。切斷的秸稈由攪龍集中聚攏輸送進(jìn)入秸稈輸送裝置，再由輸送裝置將秸稈調(diào)直壓緊后，輸送至秸稈切碎裝置。秸稈輸送裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

在穗莖兼收型玉米收獲機(jī)的設(shè)計(jì)中，秸稈輸送裝置的性能好壞直接影響著其后秸稈的切碎效果。由于喂入的秸稈是雜亂無章的，所以秸稈輸送裝置最易產(chǎn)生秸稈堵塞問題，因此對(duì)秸稈輸送裝置喂入輥的直徑設(shè)計(jì)、齒形設(shè)計(jì)、喂入速度及與莖稈輸送裝置底板的間距等因素做了嚴(yán)格的考慮；最終確定為4個(gè)喂入輥的轉(zhuǎn)速相同，由于其直徑沿機(jī)具的前進(jìn)方向從前至后依次增大，所以4個(gè)喂入輥的線速度依次增大。此設(shè)計(jì)不但可有效防止秸稈堵塞，還具有傳動(dòng)簡單、對(duì)傾斜進(jìn)入的秸稈具有調(diào)直的作用，從而提高其切碎效果。另外，4個(gè)滾筒均可上下浮動(dòng)，隨著秸稈量的增多和秸稈層的增厚，在拉簧的作用下喂入輥與底板的間隙可在一定范圍內(nèi)增大，喂入效率高，并對(duì)秸稈的有明顯的破節(jié)作用；在作業(yè)過程中，可根據(jù)收獲時(shí)的秸稈喂入量調(diào)節(jié)浮動(dòng)拉簧，改變喂入通道的初始間隙大小和壓緊力，從而提高切碎裝置的切碎效果和質(zhì)量。

1.第1喂入輥　2.浮動(dòng)拉簧　3.第2喂入輥　4.浮動(dòng)板 5.第3喂入輥　6.輸送殼體　7.第4喂入輥　8.喂入輥齒板

喂入輥的齒板形及齒形如圖5和圖6所示。

1.第1喂入齒板　2.第2喂入齒板 3.第3喂入齒板　4.第4喂入齒板

1.第1喂入齒板　2.第2喂入齒板 3.第3喂入齒板　4.第4喂入齒板

其中，第1喂入輥齒板兩端向前折彎一定的角度，有利于喂入秸稈的抓取，不至于兩側(cè)的秸稈脫落或集聚在喂入輥的兩端造成堵塞。秸稈在輸送裝置中運(yùn)動(dòng)時(shí),喂入輥會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的壓力,齒形為三角形，抓取力很大，但秸稈難與齒板分離，因此設(shè)計(jì)成圓弧形齒跟齒，并且相鄰兩齒板齒形對(duì)應(yīng)交錯(cuò)排列；由于第4齒板的主要作用是壓緊喂入，以利于切碎，因此第4齒板設(shè)計(jì)為平板。

2.3秸稈切碎拋送裝置

秸稈切碎拋送裝置為雙排直刀滾筒式切碎器，位于輸送裝置后上方，略寬于喂入輥，主要由喂入口、切碎刀、刀座、滾筒、軸、拋送口及切碎殼體等組成，如圖7所示。

1.喂入口　2.切碎殼體　3.切碎刀 4.刀座　5.軸　6.滾筒　7.拋送口

秸稈切碎拋送裝置的性能好壞直接影響收獲機(jī)的切碎效果、拋送流暢性能及能耗等?？紤]各方面因素，該裝置采用雙邊直刀斜裝的結(jié)構(gòu)，動(dòng)刀為平行四邊形，具體尺寸為275mm×71.5mm×8mm，以雙排人字形均勻分布20把刀。采用此種切碎刀安裝方式，優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)切碎器穩(wěn)定性好，刀片切碎過程中對(duì)秸稈有一定的滑切作用[7]，有效降低了能耗，且對(duì)秸稈有向中間聚攏的趨勢，避免兩端面堵塞。為了安裝、調(diào)整及更換方便，動(dòng)刀與刀座通過連接螺栓固定，刀座焊合在滾筒的表面。切碎滾筒的三維如圖8所示。

圖8　切碎滾筒三維圖

這種切碎裝置的切碎滾筒除完成切碎秸稈外，同時(shí)還有拋送秸稈的功能。其特點(diǎn)是高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀及刀座相當(dāng)于風(fēng)機(jī)的葉片[8]，在高速旋轉(zhuǎn)的滾筒作用下，切碎的秸稈將沿切碎殼體內(nèi)表面移動(dòng),加之氣流的作用,秸稈將沿著拋出口拋出。由此可知：滾筒的轉(zhuǎn)速越高，秸稈的拋出速度和高度就越大；反之，滾筒的轉(zhuǎn)速越低，秸稈的拋出速度和高度就越小。若只考慮拋送，滾筒的轉(zhuǎn)速較高時(shí)拋送效果較好。同時(shí)考慮功耗等其他影響因素，綜合分析后,轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為1 500r/min。

2.4秸稈打捆裝置

秸稈打捆裝置為上喂入曲柄壓縮方捆打捆裝置，位于機(jī)具右側(cè)，主要由喂入機(jī)構(gòu)、活塞、壓捆室和打結(jié)機(jī)構(gòu)等組成[9]，如圖9所示。

秸稈拋送筒連續(xù)不斷將切碎的物料拋送至喂料口后，秸稈打捆裝置的喂入機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)將物料撥向壓捆室，由飛輪帶動(dòng)的活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)每次喂入物料進(jìn)行一次壓縮，形成一個(gè)壓縮草片；隨著物料的連續(xù)喂入，每次壓縮的草片對(duì)前一個(gè)草片進(jìn)行推送；草捆長度不斷增加[10]，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的捆長時(shí)，穿針機(jī)構(gòu)向上穿繩，打結(jié)器完成打結(jié)，形成一個(gè)完整的捆包；秸稈打捆裝置再次進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，循環(huán)往復(fù)，連續(xù)不斷地捆包從卸料口滑落，從而完成連續(xù)打捆作業(yè)。

另外，當(dāng)秸稈的水分條件不滿足打捆要求或者用戶需要進(jìn)行還田時(shí)，秸稈切碎后可直接由拋送筒拋送至田間，不進(jìn)行打捆作業(yè)。這樣的設(shè)計(jì)既可以避免秸稈全部還田造成的還田量過大，也可以保證在秸稈適宜的條件下打捆，保證了草捆的質(zhì)量。

1.飛輪　2.活塞　3.喂料口　4壓捆室　5.喂入機(jī)構(gòu) 6.打結(jié)機(jī)構(gòu)　7.穿針機(jī)構(gòu)　8.草捆長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)　 9.草捆高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)　10.卸料口

3　田間試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)條件

9月23日，選擇濟(jì)寧市兗州區(qū)大安鎮(zhèn)夏玉米對(duì)4YK-4穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)進(jìn)行田間生產(chǎn)試驗(yàn)，玉米品種、株距、倒伏情況等機(jī)具試驗(yàn)條件如表1所示。

表1　機(jī)具試驗(yàn)條件

3.2試驗(yàn)內(nèi)容

首先，對(duì)整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測定，按照玉米收獲機(jī)械[11]及方捆打捆機(jī)[12]等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)區(qū)域記錄機(jī)具平穩(wěn)作業(yè)20m區(qū)間內(nèi)的作業(yè)速度、喂入量、籽粒破損率、果穗損失率、秸稈打捆質(zhì)量(成捆率、方捆密度、抗摔率、規(guī)則草捆率)及作業(yè)生產(chǎn)率等，試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果如表2所示。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

秸稈打捆效果如圖10所示。

圖10　秸稈打捆效果

4　結(jié)論

通過消化吸收國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出的穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)在玉米果穗收獲的同時(shí)完成玉米秸稈的切碎打捆，為后續(xù)綜合

利用玉米秸稈提供原料。整機(jī)具有方案合理、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、工作效率高等特點(diǎn)。田間試驗(yàn)表明，該收獲機(jī)的生產(chǎn)效率、果穗收獲及秸稈收獲方面的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到玉米收獲機(jī)械[11]及方捆打捆機(jī)[12]等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)推廣應(yīng)用玉米穗莖兼收技術(shù)和提高秸稈的綜合利用率具有重要的意義。

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ID:1003-188X(2018)04-0133-EA