穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機的設計與試驗

賈春陽，張道林，康云有，鹿秀鳳，鄭振華

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博　255049；2. 山東省農業機械技術推廣站，濟南　250000； 3.山東理工職業學院，山東 濟寧　272000； 4.山東國豐機械有限公司，山東 濟寧 　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、經濟作物和飼料，在我國經濟建設和糧食生產中有著重要的地位，它是大力發展畜牧業的支柱。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。同時，在長期的保存過程中，蛋白質、胡蘿卜素等營養成分不易流失，并且不受季節的影響，因此玉米秸稈是發展畜牧業的優質飼料[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，導致連續多年還田造成秸稈量過大，影響下茬作物出苗及生長；部分地區依然使用焚燒的處理方式，加劇空氣污染。

隨著我國農業結構的調整和畜牧業的發展,穗莖兼收型玉米收獲機成為近期國內發展的熱點[2-3]。2015年“中央一號”文件號召“糧改飼”，加快畜牧業發展，而研發穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機可實現糧飼兼收，降低作業成本，對促進農業玉米生產的轉型、提高秸稈綜合利用率、減少環境污染、增加農民收入具有重要意義。

為此，在消化吸收國內外先進技術的基礎上，結合玉米機械化生產實際和推廣應用需求，通過集成創新和技術提升，研發了穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機。

1　整機結構及工作原理

1.1整機結構

4YK-4穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機總體結構如圖1所示。該玉米收獲機主要由底盤、發動機、駕駛室、果穗升運器、剝皮機、果穗箱、上割臺(摘穗割臺)、下割臺、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成。

4YK-4穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機樣機如圖2所示。本研究提出了一種新型的穗莖兼收方式，收獲機分為上下割臺分別獨立控制，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工藝路線如圖3所示。在工作的過程中，一方面，上割臺的扶禾器將植株導入割道，由夾持輸送鏈輸送到摘穗臺[4]，在兩個相對運動的摘穗輥的作用下進行摘穗，摘下的果穗由果穗攪龍和升運器輸送到剝皮機，經剝皮機剝皮后，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，往復式切割器將秸稈從根部切斷，隨著機組向前運行，秸稈進入往復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后，秸稈進入切碎拋送裝置。切碎后的秸稈可根據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原料，具有方便運輸等優點；另一種是根據需要將切碎后的秸稈直接拋送至田間，達到適當還田。

1.上割臺　2.下割臺　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.發動機　9.果穗升運器　10.秸稈打捆裝置　11.剝皮機　12.果穗箱

圖2　穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機

圖3　穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機工藝路線

1.3主要技術參數

型號規格：4YK-4型

結構形式：自走式

配套動力/kW：132

適應行距范圍：550～650mm

生產率/hm2·h-1：0.2～0.4

工作幅寬/行數：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　關鍵工作部件設計

2.1秸稈切斷裝置

秸稈切斷裝置為往復式切割器，位于下割臺的前端，主要由動刀片、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的一個關鍵部件，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、滾刀型和往復刀式[3]。常用的圓盤鋸齒型和滾刀型切斷裝置，割刀對切斷秸稈的切割效果基本可以滿足要求；但對于切斷后的秸稈瞬間抓取能力低，高速旋轉的割刀會對秸稈產生較大的離心力，會使切斷后的秸稈沿離心力的方向運動[6]，并可能吸入塵土，影響秸稈的喂入和秸稈的質量。往復式切割器不存在上述問題，且消耗動力小，因此設計中選擇往復式切割器。

2.2秸稈輸送裝置

秸稈輸送裝置為單層四輥式輸送器，位于下割臺的中后部，主要由4個喂入輥、輸送殼體、浮動拉簧和浮動板等組成。切斷的秸稈由攪龍集中聚攏輸送進入秸稈輸送裝置，再由輸送裝置將秸稈調直壓緊后，輸送至秸稈切碎裝置。秸稈輸送裝置結構簡圖如圖4所示。

在穗莖兼收型玉米收獲機的設計中，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生秸稈堵塞問題，因此對秸稈輸送裝置喂入輥的直徑設計、齒形設計、喂入速度及與莖稈輸送裝置底板的間距等因素做了嚴格的考慮；最終確定為4個喂入輥的轉速相同，由于其直徑沿機具的前進方向從前至后依次增大，所以4個喂入輥的線速度依次增大。此設計不但可有效防止秸稈堵塞，還具有傳動簡單、對傾斜進入的秸稈具有調直的作用，從而提高其切碎效果。另外，4個滾筒均可上下浮動，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增大，喂入效率高，并對秸稈的有明顯的破節作用；在作業過程中，可根據收獲時的秸稈喂入量調節浮動拉簧，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量。

1.第1喂入輥　2.浮動拉簧　3.第2喂入輥　4.浮動板 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動時,喂入輥會對其產生一定的壓力,齒形為三角形，抓取力很大，但秸稈難與齒板分離，因此設計成圓弧形齒跟齒，并且相鄰兩齒板齒形對應交錯排列；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齒板設計為平板。

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的切碎效果、拋送流暢性能及能耗等。考慮各方面因素，該裝置采用雙邊直刀斜裝的結構，動刀為平行四邊形，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，優點在于整個切碎器穩定性好，刀片切碎過程中對秸稈有一定的滑切作用[7]，有效降低了能耗，且對秸稈有向中間聚攏的趨勢，避免兩端面堵塞。為了安裝、調整及更換方便，動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，同時還有拋送秸稈的功能。其特點是高速旋轉的動刀及刀座相當于風機的葉片[8]，在高速旋轉的滾筒作用下，切碎的秸稈將沿切碎殼體內表面移動,加之氣流的作用,秸稈將沿著拋出口拋出。由此可知：滾筒的轉速越高，秸稈的拋出速度和高度就越大；反之，滾筒的轉速越低，秸稈的拋出速度和高度就越小。若只考慮拋送，滾筒的轉速較高時拋送效果較好。同時考慮功耗等其他影響因素，綜合分析后,轉速設計為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，位于機具右側，主要由喂入機構、活塞、壓捆室和打結機構等組成[9]，如圖9所示。

秸稈拋送筒連續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構往復運動將物料撥向壓捆室，由飛輪帶動的活塞做往復運動，對每次喂入物料進行一次壓縮，形成一個壓縮草片；隨著物料的連續喂入，每次壓縮的草片對前一個草片進行推送；草捆長度不斷增加[10]，當達到設定的捆長時，穿針機構向上穿繩，打結器完成打結，形成一個完整的捆包；秸稈打捆裝置再次進入下一個循環，循環往復，連續不斷地捆包從卸料口滑落，從而完成連續打捆作業。

另外，當秸稈的水分條件不滿足打捆要求或者用戶需要進行還田時，秸稈切碎后可直接由拋送筒拋送至田間，不進行打捆作業。這樣的設計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，保證了草捆的質量。

1.飛輪　2.活塞　3.喂料口　4壓捆室　5.喂入機構 6.打結機構　7.穿針機構　8.草捆長度調節機構　 9.草捆高度調節機構　10.卸料口

3　田間試驗

3.1試驗條件

9月23日，選擇濟寧市兗州區大安鎮夏玉米對4YK-4穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機進行田間生產試驗，玉米品種、株距、倒伏情況等機具試驗條件如表1所示。

表1　機具試驗條件

3.2試驗內容

首先，對整機的主要技術參數進行測定，按照玉米收獲機械[11]及方捆打捆機[12]等相關國家標準，在試驗區域記錄機具平穩作業20m區間內的作業速度、喂入量、籽粒破損率、果穗損失率、秸稈打捆質量(成捆率、方捆密度、抗摔率、規則草捆率)及作業生產率等，試驗重復3次，結果如表2所示。

表2　試驗結果

秸稈打捆效果如圖10所示。

圖10　秸稈打捆效果

4　結論

通過消化吸收國內外的先進技術，優化設計出的穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機，能夠實現在玉米果穗收獲的同時完成玉米秸稈的切碎打捆，為后續綜合

利用玉米秸稈提供原料。整機具有方案合理、結構緊湊、性能可靠、工作效率高等特點。田間試驗表明，該收獲機的生產效率、果穗收獲及秸稈收獲方面的各項指標均達到玉米收獲機械[11]及方捆打捆機[12]等相關國家標準，對推廣應用玉米穗莖兼收技術和提高秸稈的綜合利用率具有重要的意義。

參考文獻：

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