甜高粱機(jī)械化收獲技術(shù)研究＊

錢昊旸 ，李潤喜 ，李曉康 ，王致和 △

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅 武威 733006；2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730030）

甘肅發(fā)展草產(chǎn)業(yè)具有較好的資源條件、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和社會(huì)基礎(chǔ)，草食畜牧業(yè)是甘肅省的重要經(jīng)濟(jì)支柱之一。自2012年以來，甘肅省為了解決畜牧業(yè)發(fā)展帶來的飼草料短缺問題，引進(jìn)種植甜高粱，先后在14個(gè)地州市建點(diǎn)示范推廣，目前甘肅省糧改飼工作取得了突破性進(jìn)展，2019年9月底，全省糧改飼面積已達(dá)到320萬畝，在武威、慶陽、定西和蘭州家里、有示范基地15處，新增優(yōu)質(zhì)飼草料1600萬噸以上[1]。隨著甜高粱產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，種植面積逐年增長，作為飼用和醇用對(duì)于甜高粱高效收獲機(jī)械的要求也隨之增加[2,3]。但是目前我國還沒有專門針對(duì)甜高粱收獲機(jī)械，仍以半人工半機(jī)械收獲和青貯玉米收獲機(jī)械替代收獲為主，國外甜高粱機(jī)械造價(jià)高，對(duì)操作要求高，維修成本高，很難在國內(nèi)推廣應(yīng)用，嚴(yán)重制約了甜高粱種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而甜高粱農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合幾乎空白，這一現(xiàn)狀將制約我國甜高粱產(chǎn)業(yè)的集約化發(fā)展。為此，在甘肅省高粱產(chǎn)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈科技支撐規(guī)劃支持下，由甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院與甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院合作研制收獲機(jī)械，形成種質(zhì)優(yōu)化、水肥減施增效、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的生產(chǎn)技術(shù)體系，為區(qū)域種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和區(qū)位優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。現(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。

1 甜高粱機(jī)械化收獲加工的工藝流程

根據(jù)甜高粱生育期特性[4]，9月下旬至10月上旬早霜來臨之前，甜高粱進(jìn)入孕穗期至抽穗期，莖稈內(nèi)的可溶性碳水化合物含量在12%左右，水分含量在60%～70%，即可進(jìn)行刈割，留茬高度10～15cm。刈割后的甜高粱進(jìn)入收獲機(jī)，經(jīng)過機(jī)械揉絲，進(jìn)行切碎，長度根據(jù)原料性質(zhì)和畜禽飼喂需求決定，一般長度為2～3cm。切碎后的甜高粱使用打捆機(jī)進(jìn)行打捆、纏網(wǎng)，打成捆的形狀為圓柱體，密度在500～700kg/m3，纏網(wǎng)層數(shù)為4～6層。打捆纏網(wǎng)后即用青貯專用拉伸膜裹包，拉伸膜的厚度一般為0.025mm，裹包層數(shù)4～8層較為適宜[5]，且拉伸膜層層重疊50%以上。裹包后的甜高粱青貯包即為成品，一般采用露天堆放，經(jīng)過4～6周完成發(fā)酵，形成青貯飼料[6]。工藝流程如圖1所示。

圖1 甜高粱機(jī)械化收獲加工的工藝流程圖

根據(jù)甜高粱的機(jī)械化收獲加工的工藝流程，甜高粱的收獲有四種方式：①在田間割倒轉(zhuǎn)運(yùn)至場上進(jìn)行切碎、揉撕、打捆、裹膜青貯；②在田間進(jìn)行切割、切碎、揉撕，轉(zhuǎn)運(yùn)至場上進(jìn)行打捆、裹膜青貯；③在田間進(jìn)行切割、切碎、揉撕、打捆、裹膜青貯；④在田間切割、切碎、揉撕，轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)至堆貯地或窖貯池，進(jìn)行貯存發(fā)酵。

2 甜高粱收獲技術(shù)

通過對(duì)飼用甜高粱的生物學(xué)特性、力學(xué)特征以及收獲莖稈的切割強(qiáng)度分析，使行走系統(tǒng)、切割裝置、切碎揉絲裝置、拋送裝置動(dòng)力實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的配置，提高切割、揉絲、切碎、拋送等關(guān)鍵部件的可靠性，實(shí)現(xiàn)模塊化控制，對(duì)割臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)、行走系統(tǒng)、喂入裝置、切碎裝置、拋送裝置等關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)磨刀、金屬檢測(cè)與反轉(zhuǎn)保護(hù)，開發(fā)出了既能適用于高稈作物也能適用于矮稈作物收獲的青貯飼料收獲機(jī)。

2.1 自走式青貯飼料收獲機(jī)

主要針對(duì)大面積作業(yè)，配置270馬力的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)為收獲機(jī)提供強(qiáng)有力的動(dòng)力，行走系統(tǒng)無級(jí)變速結(jié)構(gòu)是靜液壓方式。出料口位置是手柄電控調(diào)節(jié)的，割臺(tái)升降、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也是由液壓操作控制的，大大提高了收獲機(jī)械的操控性能，能夠一次完成對(duì)青貯作物的收割、壓扁、輸送、粉碎并拋送裝車等田間作業(yè)過程，適用于青貯飼草的收獲，可運(yùn)用于甜高粱、玉米等青貯作物。

工作原理：在田間作業(yè)過程中，青貯飼草植株在扶禾器的扶持下，被四個(gè)圓盤切刀向里旋轉(zhuǎn)切割，然后通過喂入滾筒帶進(jìn)喂入槽，在喂入輥的擠壓作用下將飼草揉搓送進(jìn)切碎室內(nèi)，由高速旋轉(zhuǎn)的切刀切碎，最后經(jīng)拋料筒將飼料拋送至運(yùn)輸車上（如圖2所示）。

圖2 自走式青貯飼料收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及田間收獲實(shí)況

主要技術(shù)參數(shù):自走式青貯飼料收獲機(jī)是采用自走圓盤式結(jié)構(gòu)形成，其外形尺寸為7400mm×3070mm×3500mm，額定功率199kw，工作期間幅寬為3000mm，最小離地間隙270mm，最低割茬高度≤150mm，割臺(tái)升降范圍80mm～1280mm，作業(yè)速度為1km～5km/h，生產(chǎn)率為20t～30t/h，拋送高度4900mm，拋送距離 6～9m，拋送筒回轉(zhuǎn)角度 180°，結(jié)構(gòu)質(zhì)量7500kg。

2.2 1250懸掛式青貯飼料收獲機(jī)

本機(jī)采用懸掛式的掛接方式，作業(yè)時(shí)，一方面在拖拉機(jī)牽引力的作用下隨拖拉機(jī)前進(jìn)，另一方面在拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸的驅(qū)動(dòng)下機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，切割片隨割刀盤高速旋轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，將作物莖稈自根部切斷。與此同時(shí)，飼草作物在扶禾器的扶持下，由圓盤刀片向里旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割，隨即由喂入滾筒帶進(jìn)喂入槽被逐步擠壓后送入切碎室，由高速旋轉(zhuǎn)的刀輪將作物按要求切碎，最后，在輪盤式切碎器的作用下，作物莖稈經(jīng)切碎、揉搓后經(jīng)拋射筒拋送到飼料運(yùn)輸車上（如圖3所示）。

圖3 1250懸掛式青貯飼料收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及田間收獲實(shí)況

工作原理：1250型青貯飼料收獲機(jī)是一種懸掛式青貯飼料收獲機(jī)，田間作業(yè)時(shí)可以自行開道，一次性進(jìn)行切割、打碎、搓揉、投送裝車等多項(xiàng)作業(yè)。本機(jī)采用圓盤形切割器，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)把秸稈在扶禾器和撥禾滾筒的配合下，強(qiáng)制性將其擺放整齊輸送到切碎裝置進(jìn)行切割；秸稈切碎后，由葉片和刀輪高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性作用下，飼料經(jīng)導(dǎo)流筒、出料口被拋送到撿拾車上。

主要技術(shù)參數(shù):1250懸掛式青貯收獲機(jī)總重量為1350kg，10片切刀，動(dòng)力輸入軸轉(zhuǎn)速540rpm，配備64kw動(dòng)力輸出，PTO推薦功率為80～140hp，生產(chǎn)能力達(dá)到30t/h，作業(yè)幅寬1250mm，切碎尺寸5～20mm，切碎刀片形式為鋸齒狀刀片。

2.3 1600懸掛式青貯收獲機(jī)

1600懸掛式青飼收獲機(jī)既可采用側(cè)懸掛作業(yè)，還可以后懸掛作業(yè) （移除仿形架時(shí)連接雙向拖拉機(jī)）。1600懸掛式青飼收獲機(jī)主要由機(jī)架、行走地輪裝置、切割、夾持喂入裝置、切割、磨刀裝置、拋料轉(zhuǎn)向裝置、懸掛架和液壓系統(tǒng)等組成。該設(shè)備將作物秸稈通過機(jī)架分禾器分禾，立式切割喂入滾筒切割將作物莖稈割斷，通過夾持喂入裝置喂入，高速旋轉(zhuǎn)切刀切碎秸稈并通過拋料筒拋送至輸送車內(nèi)完成作業(yè)。

工作原理：拖拉機(jī)通過萬向傳動(dòng)軸和仿形懸掛架帶動(dòng)收獲機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)架支撐和固定收割機(jī)主要部件，行走地輪便于其行走和轉(zhuǎn)向，在行走過程中，分禾器將甜高粱秸稈進(jìn)行分行，由扶禾器控制作物傾斜程度，作物在轉(zhuǎn)筒的作用下集中到夾持喂入裝置喂入口，同時(shí)切割裝置對(duì)作物根莖進(jìn)行切割，由于慣性力的作用，夾持喂入裝置將秸稈喂入切碎裝置，并控制其喂入量，喂入作物被高速旋轉(zhuǎn)的切刀切碎，在離心力的作用下，切碎秸稈沿拋料筒拋至收集車內(nèi)，完成收割作業(yè)。如圖4所示。

圖4 1600懸掛式青飼料收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及田間收獲實(shí)況

主要技術(shù)參數(shù):1600懸掛式青飼料收獲機(jī)采用三點(diǎn)懸掛方式，機(jī)器總重量為2360kg，外形尺寸2485×3865×4760（側(cè)），2485×1715×4760（前），由齒輪箱和萬向軸進(jìn)行動(dòng)力傳輸，動(dòng)力輸入軸轉(zhuǎn)速540rpm，切刀片數(shù)量12片，使用U型盤式切刀，作業(yè)幅寬1600mm，生產(chǎn)能力50t/h

2.4 割曬機(jī)

在有關(guān)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)甜高粱 （醇用型）生產(chǎn)的農(nóng)藝參數(shù)設(shè)計(jì)，適用于全株無損收獲的甜高粱收獲機(jī)械；在確定整機(jī)總體參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)的情況下，設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案和動(dòng)力供給方案，設(shè)計(jì)工作部件，使其能夠適用于醇用型甜高粱的快速整齊切割、流暢傳送和整齊碼放，同時(shí)還能根據(jù)田間地形平整度和植株特點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)留茬高度。

工作原理：甜高粱割曬機(jī)的機(jī)架設(shè)計(jì)為矩形立式，在機(jī)架下方固定連接扶禾器與切割器，采用變速動(dòng)力，分別帶動(dòng)皮帶輪和傳動(dòng)軸，皮帶輪連接帶動(dòng)的主傳動(dòng)軸又連接帶動(dòng)上下三幅平行且同向傳動(dòng)的皮帶輪組成撥禾機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)軸與凸輪采用連桿連接。工作時(shí)，有小型拖拉機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)向前推進(jìn)，凸輪連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)切割器上動(dòng)刀條做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)刀片與定刀片形成剪切將甜高粱從根部切斷，切斷后的秸稈即由三幅平行皮帶上的小撥片和扶禾器撥放到機(jī)架一邊（如圖5所示）。

圖5 割曬機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及田間收割實(shí)況

主要技術(shù)參數(shù)：割曬機(jī)整機(jī)總重量310kg，外形尺寸為2200mm×1400mm×2300mm，配套動(dòng)力為25馬力拖拉機(jī)，割幅寬度1900mm，留茬高度≦5，達(dá)到每小時(shí)8～10畝生產(chǎn)效率。

3 青貯飼料打捆技術(shù)

本研究中的打捆機(jī)由底盤、布料倉、打捆室和布網(wǎng)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。零部件及設(shè)備全部采用數(shù)字化設(shè)計(jì)、虛擬裝配；為提高實(shí)物制造、調(diào)整的方便可靠性，降低制造成本，采用模塊化設(shè)計(jì)，項(xiàng)目依據(jù)功能、結(jié)構(gòu)、裝配相關(guān)原則和安裝、調(diào)試要求，將數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行劃分組合，構(gòu)成具有特定功能和安裝要求的零部件。

工作原理：該機(jī)在工作時(shí)，物料不斷被喂入布料裝置，經(jīng)鏈板輸送、料輥勻料及皮帶輸送后至打捆室內(nèi)，物料在按圓形軌跡運(yùn)轉(zhuǎn)的壓輥形成的腔內(nèi)，隨著物料不斷的喂入草捆逐漸被卷壓，當(dāng)壓緊程度達(dá)到要求規(guī)定的范圍時(shí)，由傳感器發(fā)出電信號(hào)，控制布料鏈板停止送料，同時(shí)布網(wǎng)機(jī)構(gòu)對(duì)圓柱捆進(jìn)行包裹青貯網(wǎng)，包網(wǎng)層數(shù)預(yù)先進(jìn)行設(shè)定，達(dá)到設(shè)置數(shù)值時(shí)，切網(wǎng)刀即可自動(dòng)切斷包裹網(wǎng)，打開旋轉(zhuǎn)室，將包裹網(wǎng)的圓柱形飼草捆自動(dòng)卸到地面后關(guān)閉旋轉(zhuǎn)倉，隨即自動(dòng)啟動(dòng)布料倉鏈板，開始制作下一個(gè)飼草捆（如圖6所示）。

圖6 牽引式打捆機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及工作實(shí)況

主要技術(shù)參數(shù)：牽引式打捆機(jī)整機(jī)總重量為2750kg，外形尺寸 6000mm×1900mm×2400mm，最大功率 30kw，PTO 轉(zhuǎn)速 540rpm，達(dá)到 25～30捆/h，草捆規(guī)格為￠100cm×85cm，成捆飼草長度 2cm～5cm，壓實(shí)密度≥700kg/m3。

4 青貯圓捆裹膜技術(shù)

收獲后的飼用甜高粱原料應(yīng)使用打捆機(jī)進(jìn)行打捆、纏網(wǎng)，懸掛式青貯圓捆裹膜機(jī)克服人為參與過多、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、裹膜不均勻、草捆密度有差異等問題，在借鑒國內(nèi)外裹膜設(shè)備的基礎(chǔ)上，運(yùn)用先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行三維實(shí)體的建模、動(dòng)態(tài)模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合有限元分析方法對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵部件進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，縮短研發(fā)期，提高研發(fā)成功率。采用AVR控制器將液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)高度集中控制，實(shí)現(xiàn)了由一個(gè)機(jī)手在拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)對(duì)青貯飼料圓草捆裹膜的全程自動(dòng)控制（如圖7所示）。

圖7 懸掛式裹膜機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及工作實(shí)況

工作原理：電氣和液壓設(shè)備就緒后，裹膜機(jī)開始工作，拾料桿升起到最大位置，支滾架機(jī)構(gòu)傾斜到最大位置，調(diào)整拖拉機(jī)將草捆裝到支滾架平臺(tái)的最佳地方，拾料桿和支滾架回落到初始位置，機(jī)組通過旋轉(zhuǎn)部件和滾筒機(jī)構(gòu)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)草捆進(jìn)行纏膜，當(dāng)薄膜纏繞至規(guī)定層數(shù)時(shí)旋轉(zhuǎn)部件和滾筒機(jī)構(gòu)停止旋轉(zhuǎn)，切膜部件的切膜刀架油缸開啟后，切膜刀片向下將薄膜壓住，支滾架機(jī)構(gòu)開始傾斜，拾料桿慢慢抬起將草捆卸下，此時(shí)薄膜被拉斷。

主要技術(shù)參數(shù)：懸掛式裹膜機(jī)采用三點(diǎn)懸掛連接方式，整機(jī)總重量為570kg，外形尺寸2300mm×2300mm×2100mm，配備動(dòng)力≧64kw，允許圓捆尺寸1000mm×850mm，裹膜時(shí)間1.2min/捆。

5 結(jié)束語

針對(duì)粗飼料短缺且價(jià)格日益高漲的現(xiàn)狀，發(fā)展甜高粱飼料在一定程度上可滿足養(yǎng)殖業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)粗飼料的需求，降低養(yǎng)殖成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，采用機(jī)械化收獲技術(shù)制作甜高粱青貯飼料，能夠緩解甜高粱收獲期短問題，最大程度的保留甜高粱的營養(yǎng)品質(zhì)，提高青貯飼料的質(zhì)量[7]。同時(shí)研制的各種收獲及配套機(jī)械已經(jīng)實(shí)現(xiàn)本地化生產(chǎn)，價(jià)格低廉，操作簡單，作業(yè)效率高。裹包后可長期露天堆放，其品質(zhì)保存較好且飼喂比較方便，飼喂效果較好[6]，可根據(jù)用量開包，防止二次發(fā)酵，能夠?qū)崿F(xiàn)商品化。