4YZPDK-4玉米收獲秸稈打捆一體機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

高琪珉，刁培松，張銀平，陳美舟

(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)

0 引言

目前，推進(jìn)秸稈綜合利用存在的主要問(wèn)題之一就是秸稈產(chǎn)生時(shí)間較為集中，點(diǎn)多分散，造成儲(chǔ)運(yùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高。農(nóng)民對(duì)于秸稈的利用意識(shí)還比較淺，只注重果穗的收集，大部分地塊秸稈還田處理。

關(guān)于推進(jìn)秸稈收獲，在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面已經(jīng)有很多的研究，目前存在的關(guān)于秸稈處理的玉米收獲機(jī)有摘穗秸稈還田一體機(jī)及穗莖兼收型玉米收獲機(jī)[1-4]，最新研制的還有穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)[5-6]。這些機(jī)具都存在一些問(wèn)題：首先，秸稈的還田量是有一定標(biāo)準(zhǔn)的，整株秸稈一次性的全部粉碎還田，對(duì)下一茬作物的播種和生長(zhǎng)有一定的影響；其次，目前市場(chǎng)上存在的穗莖兼收玉米收獲機(jī)都是秸稈粉碎拋送型，需要根據(jù)運(yùn)輸距離配備一部或多部運(yùn)輸車進(jìn)行收集，運(yùn)輸環(huán)節(jié)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，穗莖兼收型秸稈打捆型玉米收獲機(jī)在一定程度上解決了上述兩個(gè)問(wèn)題。

但是，從其工作原理上講，這種機(jī)型將玉米秸稈切成非常規(guī)整一段一段的，切口整齊，不適合作為動(dòng)物的飼料使用。尤其是反芻類動(dòng)物對(duì)這種秸稈的采食率、吃凈率及消化率沒(méi)有對(duì)揉絲秸稈高。畜牧方面要求秸稈需要粉碎揉絲并且混合均勻，對(duì)秸稈收獲要求比較高[7-10]。

為此，在總結(jié)現(xiàn)有秸稈處理機(jī)械的基礎(chǔ)上，研制了4YZPDK-4玉米收獲秸稈壓捆一體機(jī)，以實(shí)現(xiàn)果穗收集和秸稈收獲壓捆兩個(gè)功能，且秸稈可揉絲粉碎，提高了動(dòng)物的采食率、吃凈率和消化率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

4YZPDK-4玉米收獲秸稈壓捆一體機(jī)，主要由割臺(tái)、駕駛室升運(yùn)器、剝皮機(jī)、果穗箱、行走系統(tǒng)、秸稈粉碎器及秸稈打捆機(jī)等部分組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

工作時(shí)，首先割臺(tái)進(jìn)行果穗收獲，果穗經(jīng)升運(yùn)器到達(dá)剝皮機(jī)，剝皮機(jī)進(jìn)行剝皮處理之后送到果穗箱，完成果穗的收獲。在玉米收獲機(jī)的中部安裝有秸稈收集打捆裝置，隨著機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，秸稈撿拾器將地面秸稈切碎，并撿起拋送到螺旋輸送器上；螺旋輸送器將秸稈聚集到打捆室下方，喂入撥叉將堆積在喂入口的物料撥入壓捆室，在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的作用下，物料在壓捆室內(nèi)逐漸被壓實(shí)；當(dāng)捆形長(zhǎng)度達(dá)到調(diào)定尺寸時(shí)，打結(jié)器將捆扎物料的兩道捆繩打成繩結(jié)；捆扎好的物料捆在后續(xù)物料的推動(dòng)下逐漸移動(dòng)到壓捆室出口，經(jīng)放料板滑落到地面，完成秸稈的打捆收獲。

1.摘穗割臺(tái) 2.駕駛室 3.機(jī)架 4.發(fā)動(dòng)機(jī) 5.果穗升運(yùn)器 6.秸稈撿拾裝置 7.打捆裝置 8.果穗箱圖1 玉米收獲秸稈打捆一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of corn harvesting straw balers

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 秸稈收集打捆裝置

秸稈收集打捆裝置主要由秸稈撿拾裝置和方捆打捆裝置組成，主要功能是將摘完果穗的玉米秸稈進(jìn)行粉碎撿拾，最后打成方捆，如圖2所示。

1.聯(lián)軸器 2.飛輪 3.秸稈撿拾裝置 4.收集輸送器 5.撥叉 6.壓塊 7.打結(jié)器 8送繩裝置 9.調(diào)節(jié)裝置圖2 玉米秸稈收集打捆裝置示意圖Fig.2 Structure diagram of Corn straw collection and bundling device

該結(jié)構(gòu)是可內(nèi)置到玉米收獲機(jī)上的一個(gè)可拆卸裝置。與青貯收獲和穗莖兼收的玉米秸稈粉碎方式不同，所設(shè)計(jì)的秸稈收集打捆裝置對(duì)秸稈的粉碎撿拾屬于無(wú)支撐切割[11-13]。此種方式切割的玉米秸稈類似于揉碎型，玉米秸稈成撕碎狀態(tài)，對(duì)牛羊的采食率有很大的提升。這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能可靠，與玉米收獲機(jī)上配置使用，方便拆卸。

機(jī)器作業(yè)時(shí)，摘穗后的玉米秸稈進(jìn)入秸稈撿拾器的切碎裝置，秸稈在秸稈撿拾器切碎作用下切碎并拋入秸稈撿拾器收集輸送裝置；秸稈撿拾器將切碎的秸稈向左輸送至秸稈打捆機(jī)喂入口，導(dǎo)入撥叉將堆積的物料導(dǎo)入壓捆室，壓捆裝置的活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)將物料在壓捆室中逐漸壓實(shí)；當(dāng)草捆長(zhǎng)度達(dá)到調(diào)定尺寸時(shí)，打結(jié)器將纏繞物料的兩道捆繩打成繩結(jié)，成形的草捆在后續(xù)物料的推動(dòng)下向后移動(dòng)推出打捆室，沿打捆機(jī)后部出料板滑落到地面，打捆完成[14-16]。

2.2 秸稈撿拾裝置

秸稈撿拾裝置主要完成對(duì)玉米秸稈的粉碎撿拾，如圖3所示。該裝置核心為支架，支架內(nèi)橫向設(shè)置滾筒，滾筒一端設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)輪，滾筒上分布有刀座，刀座上安裝有刀片；滾筒上方設(shè)置有收集輸送裝置，收集輸送裝置兩端通過(guò)軸承安裝在支架上，收集輸送裝置一端設(shè)置驅(qū)動(dòng)輪，另一端設(shè)置連接輪，驅(qū)動(dòng)輪連接驅(qū)動(dòng)裝置，連接輪連接滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)輪。切碎裝置主體為滾筒，兩端由軸承連接于撿拾器機(jī)架兩側(cè)，滾筒上沿螺旋方向焊接刀座，每個(gè)刀座由銷軸連接3片刀片。螺旋輸送器的軸中心也是秸稈撿拾器的回轉(zhuǎn)中心。收割過(guò)程中，隨著收割機(jī)的行進(jìn)，摘穗之后的秸稈進(jìn)入到秸稈撿拾器，在滾筒旋轉(zhuǎn)下刀片將玉米秸稈切碎；同時(shí)，在刀片旋轉(zhuǎn)作用下，切碎的秸稈被拋入收集輸送裝置，在收集輸送裝置作用下，切碎的秸稈被輸送到機(jī)架的一側(cè)。

玉米秸稈的粉碎選用了65Mn鋼制作的甩刀作為刀具[16-17]。對(duì)比不同種類的甩刀，Y型甩刀、質(zhì)量輕、體積小、消耗功率低、切碎效果好，因此選用中間直刀、兩側(cè)Y型刀片對(duì)稱布置的切碎刀組合形式，如圖3中的部件6所示。每組刀片按照雙螺旋線進(jìn)行排列安裝，特點(diǎn)是排列規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，刀輥受力均勻，滿足動(dòng)平衡要求[18-20]。

1.轉(zhuǎn)動(dòng)輪 2.連接輪 3.滾筒 4.支架 5.刀座 6.收集輸送裝置 7.刀片 8.安裝座 9.驅(qū)動(dòng)輪圖3 秸稈撿拾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of straw picker device

3 主要參數(shù)的確定

3.1 粉碎刀回轉(zhuǎn)半徑的確定

粉碎刀回轉(zhuǎn)半徑直接影響粉碎玉米秸稈的粉碎效果及刀輥的平衡、振動(dòng)等，在刀輥轉(zhuǎn)速一定的情況下，粉碎刀回轉(zhuǎn)半徑增大，使機(jī)具整體尺寸增大，刀輥的動(dòng)不平衡因素也增大，振動(dòng)激增[20]。目前，國(guó)內(nèi)已有秸稈粉碎還田機(jī)的甩刀回轉(zhuǎn)半徑在240～300mm范圍內(nèi)，參考玉米收獲機(jī)的體積和現(xiàn)有玉米秸稈粉碎還田機(jī)的刀輥尺寸，確定粉碎刀輥回轉(zhuǎn)半徑為250mm。

3.2 粉碎刀輥轉(zhuǎn)速的確定

秸稈粉碎裝置秸稈粉碎過(guò)程屬于無(wú)支撐切割，這種切割方式對(duì)刀尖線速度的要求較高，根據(jù)林靜等對(duì)秸稈還田機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)得出，對(duì)玉米秸稈切碎作業(yè)時(shí)，刀尖線速度不小于30m/s[18]。

以粉碎刀到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)切割粉碎玉米秸稈，此刻，粉碎刀的線速度與玉米收獲機(jī)前進(jìn)速度相反，則有

(1)

(2)

ω—粉碎刀角速度(rad/s)；

R—粉碎刀尖旋轉(zhuǎn)半徑(mm)；

n—粉碎刀輥轉(zhuǎn)速(r/min)。

代入刀尖線速度30m/s，玉米收獲機(jī)的正常工作速度0.4～0.6m/s，計(jì)算得粉碎刀輥的最小轉(zhuǎn)速nmin≥1 130r/min[19]。

4 玉米秸稈收集打捆試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

在山東巨明機(jī)械試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)，環(huán)境溫度為11～17℃，玉米秸稈平均含水率為19.3%。根據(jù)玉米收獲機(jī)正常的收獲速度選擇參數(shù)變化范圍為0.4～0.6m/s，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速最低1 130r/min，小型方捆打捆機(jī)輸入轉(zhuǎn)速750r/min，測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)為草捆密度。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在收獲過(guò)程中存在很多影響草捆密度的非線性因素，通常需要選用2次或者更高次的模型來(lái)逼近響應(yīng)，因此采用響應(yīng)面法來(lái)建立模型[21-23]。機(jī)具前進(jìn)速度、粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、打捆裝置輸入轉(zhuǎn)速和草捆密度分別用X1、X2、X3、Y表示。

試驗(yàn)采用三因素三水平Box-Behnken響應(yīng)曲面分析法[30]，因素與水平編碼如表1所示。其包括17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，5個(gè)為零點(diǎn)估計(jì)誤差，另外12個(gè)為分析因子。通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行結(jié)果分析，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平Table 1 Factor level of experiment

表2 二次正交旋轉(zhuǎn)回歸組合試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Program and results of test of quadratic rotation-orthogonal combination

續(xù)表2

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 試驗(yàn)回歸分析

利用Design-Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到以草捆密度Y為響應(yīng)函數(shù)，以各因素為自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型為

(3)

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表3所示。結(jié)果表明：草捆密度回歸方程模型P<0.001，表明該模型極其顯著；失擬項(xiàng)P>0.05(0.3143)表明回歸方程擬合度高；決定系數(shù)R2值為0.971 3，表明該模型可以解釋97.13%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，玉米收獲秸稈打捆裝置的工作參數(shù)可以用該模型來(lái)優(yōu)化。

各參數(shù)對(duì)回歸方程的影響作用可以通過(guò)P值大小反映：P<0.01表明參數(shù)對(duì)模型影響極顯著，P<0.05表明參數(shù)對(duì)模型影響顯著。草捆密度Y模型中有3個(gè)回歸項(xiàng)影響極顯著(P<0.01)，分別為X1、X2、X22；6個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)影響不顯著(P>0.05)，分別為X3、X1X2、X1X3、X2、X3、X12、X32。剔除模型不顯著回歸項(xiàng)，對(duì)模型Y進(jìn)行優(yōu)化，如式(4)所示。分析優(yōu)化后的模型，根據(jù)模型Y的P值(P<0.001)與模型Y的失擬項(xiàng)P值(0.213 1)可知優(yōu)化模型可靠。

(4)

表3 模型顯著性檢驗(yàn)Table 3 Significance test of model

P<0.01(極顯著)；P<0.05(顯著)。

4.3.2 參數(shù)優(yōu)化

為了獲得較好的打捆效果，以草捆密度要求為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)玉米收獲秸稈打捆一體機(jī)工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析[24]，應(yīng)用Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)草捆密度的回歸模型優(yōu)化分析，約束條件為：①目標(biāo)函數(shù)Y[min]；②影響因素約束。機(jī)具前進(jìn)速度為0.4～0.6m/s，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為1 200～1 800r/min，打捆裝置輸入轉(zhuǎn)速為700～800r/min。參數(shù)優(yōu)化組合為機(jī)具前進(jìn)速度0.53m/s，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速1 747r/min，打捆裝置輸入轉(zhuǎn)速711r/min，在該參數(shù)組合下的草捆密度為180.676kg/m3。

4.4 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性，對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證(見(jiàn)圖4)，設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度0.5m/s，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速1 750r/min，打捆裝置輸入轉(zhuǎn)速720r/min。試驗(yàn)每個(gè)行程取5個(gè)草捆稱重取平均值，最后得草捆密度為179.8kg/m3。試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值相差為0.876kg/m3，相對(duì)誤差為0.48%，驗(yàn)證了該模型的可靠性。

圖4 樣機(jī)照片F(xiàn)ig.4 The picture of prototype

5 結(jié)論

1)研制了4YZPDK-4玉米收獲秸稈打捆一體機(jī)，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了理論分析、材料驗(yàn)證和運(yùn)動(dòng)軌跡分析，可實(shí)現(xiàn)玉米果穗收獲和秸稈收獲打捆。試驗(yàn)驗(yàn)證表明：該機(jī)器可以保證打捆的可靠性，滿足中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《方草捆打捆機(jī)》(GB/T25423-2010)和中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《方草捆打捆機(jī)》(NY/T1631-2008)的要求。

2)采用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)方法對(duì)機(jī)具前進(jìn)速度、粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、打捆裝置輸入轉(zhuǎn)速對(duì)草捆密度的影響趨勢(shì)進(jìn)行了分析并建立了優(yōu)化模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型和優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性。試驗(yàn)因素對(duì)草捆密度均有顯著影響，主次順序?yàn)椋悍鬯榈遁佫D(zhuǎn)速>機(jī)具前進(jìn)速度>打捆裝置輸入轉(zhuǎn)速。玉米收獲秸稈打捆一體機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)組合為機(jī)具前進(jìn)速度0.53m/s，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速1 747r/min，打捆裝置輸入轉(zhuǎn)速711r/min，在該參數(shù)組合下的草捆密度為180.676kg/m3。在進(jìn)行機(jī)具作業(yè)時(shí)，參數(shù)應(yīng)盡量靠近優(yōu)化的參數(shù)值進(jìn)行工作，以達(dá)到最佳的打捆效果。