4YZQK-4型青貯打捆玉米收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 娜，周 進(jìn)，位國建，邸志峰，崔中凱，李 濤

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

0 引言

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的出路在于機(jī)械化，玉米青貯收獲是玉米全程機(jī)械化的重要環(huán)節(jié)，也是目前相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)[1,9,13]。玉米是我國的第二大糧食作物，每年玉米收獲都會(huì)產(chǎn)生大量的玉米秸稈。玉米秸稈是玉米收獲的主要副產(chǎn)品，是我國重要的農(nóng)村經(jīng)濟(jì)資源。目前，農(nóng)村處理秸稈主要是焚燒，不僅浪費(fèi)資源，也造成了環(huán)境污染[4-5]。玉米秸稈青貯后具有較高的營養(yǎng)價(jià)值，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行青貯回收利用，不僅可以解決畜牧飼料短缺，同時(shí)增加了農(nóng)民的收入，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境[1-3,9]。

玉米收獲的機(jī)械化作業(yè)不但可降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，還縮短了收獲時(shí)間，適應(yīng)了農(nóng)時(shí)，為玉米增產(chǎn)創(chuàng)造空間和條件。伴隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，秸稈作為飼料喂養(yǎng)家畜是其飼料價(jià)值和肥料價(jià)值的重要體現(xiàn)，亦是秸稈過腹還田的有效途徑[2,10,13]。4YZQK-4型青貯打捆玉米收獲機(jī)正是順應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物，該機(jī)在收獲玉米果穗的同時(shí)，通過莖稈切斷、切碎、打捆作業(yè)完成對(duì)玉米秸稈的回收, 為發(fā)展畜牧業(yè)提供豐富的飼料資源，實(shí)現(xiàn)莖稈資源的回收利用。此技術(shù)的應(yīng)用有利于提高機(jī)具作業(yè)效率，降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)適時(shí)收獲，降低能耗，提高青貯飼料質(zhì)量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)

4YZQK-4型青貯打捆玉米收獲機(jī)主要由收獲割臺(tái)、果穗攪龍、剝皮機(jī)、打捆裝置、一級(jí)果穗升運(yùn)器、二級(jí)果穗升運(yùn)器以及發(fā)動(dòng)機(jī)等部分組成，如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)如表1 所示。

1.收獲割臺(tái) 2.果穗攪龍 3.一級(jí)果穗升運(yùn)器 4.剝皮機(jī) 5.切碎拋送裝置 6. 二級(jí)果穗升運(yùn)器 7.果穗箱

工作時(shí)，穗莖兼收上割臺(tái)將玉米果穗摘下并經(jīng)攪龍和果穗第一級(jí)升運(yùn)器進(jìn)入剝皮機(jī)剝皮，同時(shí)下割臺(tái)將莖稈切斷經(jīng)秸稈輸送箱送入切碎機(jī)切碎；切碎后的玉米莖稈在拋送器的作用下被拋送至集草箱，集草箱內(nèi)的碎莖稈由喂料裝置喂入打捆裝置成捆室，在打捆裝置壓縮輥的作用下，將其卷壓成圓捆；最后，由繞繩機(jī)構(gòu)對(duì)草捆繞繩。

表1 主要技術(shù)參數(shù)和工作指標(biāo)

1.2 主要參數(shù)的計(jì)算

設(shè)計(jì)的自走式青貯玉米收獲機(jī)為4行，割臺(tái)幅寬2 600mm，作業(yè)速度為3km/s(0.83m/s)。主要參數(shù)確定如下：

1)秸稈質(zhì)量。黃淮海玉米單產(chǎn)約6 000kg/hm2，查資料可知玉米干秸稈和玉米籽粒的質(zhì)量之比約為1.2∶1[9]，可得干秸稈質(zhì)量為7 200kg/hm2。按經(jīng)驗(yàn)80%的玉米秸稈回收，20%還田，則干秸稈質(zhì)量為7 200×0.8=5 760kg/hm2。

青貯秸稈的含水率一般在40%～60%之間，現(xiàn)取其含水率為50%，則收獲時(shí)每公頃青秸稈質(zhì)量為mg=11 520kg/hm2。

2)作業(yè)時(shí)間。設(shè)青貯打捆玉米收獲機(jī)作業(yè)速度為3km/h，作業(yè)行數(shù)4行，玉米行距按650mm計(jì)算，收獲幅寬為2.6m，則每公頃作業(yè)時(shí)間為：tg=4 615s=1.28h。

3)莖稈收獲生產(chǎn)率。理論計(jì)算莖稈收獲生產(chǎn)率，即

Qj=0.1qjBjVj

(1)

式中qj—機(jī)具工作幅寬(m)；

Bj—青莖稈質(zhì)量(kg/hm2)；

Vj—收獲機(jī)作業(yè)速度(km/h)。

計(jì)算得Qj=8 985.6kg/h=2.496kg/s。

4)每公頃草捆個(gè)數(shù)。設(shè)纏繩后草捆的直徑為Dc、草捆寬度為Lc，取Dc=Lc=850mm，則計(jì)算草捆體積為

(2)

根據(jù)傳感器要求草捆的密度ρ=400～500kg/m3，取ρ=500kg/m3，故纏繩成型后草捆質(zhì)量為

mc=ρVc=240kg

(3)

由此得每公頃秸稈打成草捆的個(gè)數(shù)為Nc=48個(gè)/hm2。

1.3 工作原理

該機(jī)作業(yè)時(shí)，割臺(tái)分禾器將玉米植株導(dǎo)入割道，玉米果穗經(jīng)上層割臺(tái)的摘穗輥摘下，隨后經(jīng)攪龍和一級(jí)果穗升運(yùn)器輸送至剝皮機(jī)，剝皮后經(jīng)二級(jí)果穗升運(yùn)器輸送至果穗箱；玉米莖稈則被下層割臺(tái)的滾刀切斷，經(jīng)喂入裝置擠壓破節(jié)成束后，被送入切碎拋送裝置；切碎后的秸稈經(jīng)切碎拋送裝置拋出至集草箱，集草箱內(nèi)的碎莖稈由喂料裝置喂入打捆裝置成捆，并在打捆裝置壓縮輥的作用下，將其卷壓成圓捆；最后，由繞繩機(jī)構(gòu)對(duì)草捆繞繩，割斷后的根茬由安裝在機(jī)器尾部的滅茬還田機(jī)粉碎還田。

2 主要工作單元設(shè)計(jì)

2.1 穗莖兼收割臺(tái)設(shè)計(jì)

穗莖兼收割臺(tái)主要由摘穗輥、切斷刀、莖稈收集攪龍、鏈板輸送裝置、齒輥、光輥及切碎裝置等組成，如圖2所示。

1.摘穗輥 2.切斷刀 3.莖稈收集攪龍 4.輸送齒輥 5.鏈板喂入裝置 6.輸送光輥 7.定刀 8.切碎揉切裝置

穗莖兼收割臺(tái)工作時(shí)，果穗被摘穗輥摘下，并通過果穗收集攪龍收集；莖稈由切斷刀割斷，通過莖稈收集攪龍向后撥送，經(jīng)鏈板喂入裝置輸送以及齒輥和光輥的壓實(shí)作用，將秸稈輸送到切碎拋送裝置。穗莖兼收割臺(tái)工作流程如下：

1)上層割臺(tái)。玉米果穗→升運(yùn)器→剝皮機(jī)→果穗 箱。

2)下層割臺(tái)。玉米秸稈→喂入裝置→切碎拋送裝置→集草箱→打捆裝置。

2.1.1 切斷刀的設(shè)計(jì)

切斷刀安裝在摘穗輥的下方，工作時(shí)，將玉米植株從根部割斷，匯入莖稈收集攪龍中。切斷刀由刀軸、刀片及M8螺栓組成，如圖3所示。刀軸均布4組刀片，每組刀片由2個(gè)刀片組成，呈180°安裝，相鄰刀片呈90°安裝。刀片通過M8螺栓緊固在刀軸上，以便維修和更換。為了保證刀片的剛度和刃口鋒利，刀片的材料選用65Mn鋼，刃口角設(shè)計(jì)為20°。

1.刀片 2.M8螺栓 3.刀軸

2.1.2 喂入裝置的設(shè)計(jì)

秸稈喂入裝置是將秸稈勻速地喂入切碎拋送裝置，并對(duì)秸稈有一定的破結(jié)壓實(shí)作用，以保證切碎質(zhì)量[4]。喂入裝置由莖稈收集攪龍、輸送鏈板、輸送齒輥以及輸送光輥組成，如圖4所示。由切斷刀切斷的玉米秸稈，經(jīng)莖稈收集攪龍收集，然后向后輸送，通過輸送鏈板及齒輥和光輥的壓緊作用均勻喂入切碎裝置。

1.莖稈收集攪龍 2.輸送鏈板 3.前上齒輥 4.后上齒輥 5.后下光輥 6.浮動(dòng)機(jī)構(gòu)

為了保證莖稈收集攪龍的通過能力不至堵塞，設(shè)計(jì)攪龍直徑為500mm，轉(zhuǎn)速為85 r/min。為了提高對(duì)秸稈的抓取能力，兩前上喂入輥，采用較大直徑，兩喂入輥直徑為300mm；兩后喂入輥設(shè)計(jì)為較小的直徑，以便使喂入輥靠近切碎裝置，從而降低功率消耗和提高切碎質(zhì)量。取后上喂入輥直徑為140mm，后下喂入輥直徑為120mm。設(shè)計(jì)了浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)秸稈喂入量突然增大時(shí)能夠?qū)⑶吧衔谷胼伜秃笊衔谷胼佅蛏咸?，從而使喂入裝置工作穩(wěn)定可靠。

2.1.3 切碎裝置設(shè)計(jì)

切碎裝置由殼體、刀盤焊合、拋送葉片焊合及主軸組成，如圖5所示。切碎刀片安裝在刀盤上，拋送葉片安裝在刀盤外邊緣[6,11-13]。

1.刀盤焊合 2.殼體 3.主軸 4.拋送葉片焊合

工作時(shí)，切碎刀片與定刀的共同作用將秸稈切碎，通過拋送葉片拋送出去。切碎刀片分為4組，安裝前傾角為15°，刀片刃角為24°。拋送葉片分為4組，拋送葉片背面設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋和加厚板，以保證其強(qiáng)度和拋送能力。

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

秸稈打捆時(shí)，料捆成形壓緊后要送繩和纏繩，這時(shí)要暫時(shí)停止秸稈喂入，直至料捆纏繩結(jié)束。開啟倉門卸出料捆后，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)時(shí)喂入過程再重新啟動(dòng)。手動(dòng)控制秸稈喂入和纏繩過程的啟、停，對(duì)駕駛員要求比較高而且比較煩瑣，操作不當(dāng)直接影響作業(yè)效率[7-9,13]。

針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制的自動(dòng)卸料系統(tǒng)，如圖6所示。此系統(tǒng)采用信號(hào)輥來測定型腔內(nèi)已成型的草捆密度，當(dāng)其達(dá)到一定密度后，成型草捆會(huì)帶動(dòng)信號(hào)輥一起轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器感知信號(hào)輥轉(zhuǎn)速，然后停止喂料并由單片機(jī)控制放繩和纏繩；完成后，再由單片機(jī)控制液壓電磁閥，開啟倉門卸料，完成單個(gè)打捆過程進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2016年10月在山東農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院試驗(yàn)場進(jìn)行，并依照玉米收獲機(jī)械、青飼料收獲機(jī)械[14]和飼草圓捆打捆機(jī)械[15]等的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，考察該收獲機(jī)摘穗、剝皮、打捆及整機(jī)性能等。作業(yè)速度為0.8～1.6m/s，試驗(yàn)田地表平整，平作種植，無倒伏現(xiàn)象。玉米植株平均高度為221cm，結(jié)穗平均高度為173cm，行距為650cm，平均株距為28cm，莖稈含水率68%～81%。

1.喂料離合器 2.接觸開關(guān) 3.送繩離合器 4.電磁閥 5.信號(hào)輥 6.霍爾傳感器

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

田間試驗(yàn)時(shí)樣機(jī)工作穩(wěn)定，試驗(yàn)效果良好；留茬高度適宜，切碎和破節(jié)效果理想，切取的青貯飼料節(jié)長能夠滿足飼喂牲畜的要求(喂牛飼料長度為3～5cm，喂羊飼料長度為1.5～2.5cm)；草捆密度控制均勻，成捆率為100%，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)4YZQK-4型自走式穗莖兼收玉米聯(lián)合收獲機(jī)集玉米收獲、莖稈切碎、根茬破碎于一體，既可完成摘穗，又可實(shí)現(xiàn)莖稈資源的回收利用，提高了玉米秸稈的綜合利用程度，有利于節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。

2)設(shè)計(jì)了穗莖兼收割臺(tái)，能一次完成玉米果穗摘取及秸稈切斷、切碎拋送、打捆等作業(yè)。秸稈切碎和破節(jié)效果良好，能夠滿足青貯要求；打捆過程可靠，成捆率高。

3)對(duì)4YZQK-4莖稈青貯打捆玉米收獲機(jī)的打捆裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，自動(dòng)開啟倉門系統(tǒng)使整個(gè)打捆過程不需要人工操作，提高了機(jī)具的自動(dòng)化水平和工作效率。

4)機(jī)電一體化技術(shù)的綜合運(yùn)用，使得該機(jī)型結(jié)構(gòu)緊湊、性能好、作業(yè)效率高，安全性得到有效保障。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0060-EA