水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機設計

謝 偉，李 旭，方志超，全 偉，羅海峰，吳明亮

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水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機設計

謝 偉1,2,3，李 旭1,2，方志超1，全 偉1,2，羅海峰1,2,3，吳明亮1,2,3※

（1. 湖南農業大學工學院，長沙 410128；2. 湖南省現代農業裝備工程技術研究中心，長沙 410128；3. 南方糧油作物協同創新中心，長沙 410128）

針對單體打捆機撿拾聯合收獲后田間滯留的水稻“站稈”及“殘茬”收凈率較低，以及圓捆打捆機繞線卸捆時需停機導致作業效率低等問題，該文將現有水稻聯合收獲機的脫粒清選和糧箱等裝置與圓捆打捆裝置置換，在輸送槽出口與打捆裝置集料口處設置集料裝置作為緩存區，采用自動控制技術控制各功能部件連續作業，最終研發出集切割、撿拾、收集、打捆、集捆等功能于一體的田間水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機。田間性能試驗表明：在作業檔的工況條件下，作業速度越快，成捆效率越高，但圓柱規范度程度越差；經測定，整機以中速檔（1.1 m/s）連續作業3.4 h后，其成捆率為98%，生產率為0.4 hm2/h，秸稈收凈率為95%。該研究為機械化收獲后有效提高秸稈利用率以及實現農業生產中農機具的一機多用提供了參考。

機械化；設計；農作物；水稻秸稈；打捆；連續性；集料裝置；控制系統

0 引 言

據檢測，聯合收獲機作業功率中40%以上屬于脫粒清選功耗，為減小其功耗，往往高留茬收割[1]，導致田間存留大量的“站稈”及“殘茬”[2]，其中“站稈”質量占70%左右。據農業部統計，中國每年的水稻秸稈達到2億多噸，它是最具潛力的生物質原料之一，并作為一種可再生資源得到了廣泛和深入地利用[3-8]。由于田間水稻秸稈存在密度比較松散、受作物收獲時間、貯存運輸困難等問題的限制，以致出現大量水稻秸稈被隨意拋棄或就地焚燒等不當處理，不僅造成了資源浪費，而且對環境污染嚴重[9-13]。燕曉輝等[14]研究發現秸稈經過打捆裝置壓縮成型后平均密度增加4倍左右，存儲空間和運輸成本降低75%左右。因此，有效地將田間“站稈”及“殘茬”原料進行收集處理是提高水稻秸稈綜合利用的關鍵環節。

目前，國內外現有的水稻秸稈機械化收集處理方式主要有方捆和圓捆2種打捆收集方式，一般由拖拉機牽引，且僅對散落于田間的“殘茬”[2]實施間斷性的收集打捆作業[15-17]。為提高工作效率，部分研究人員[1,18]將現有的打捆裝置成品直接掛接或安裝在聯合收獲機后方進行作業，存在轉彎半徑大、機具作業不靈活等諸多問題。李耀明等[19-22]所研制的自走輪式聯合收獲打捆一體機突破了聯合收獲機與打捆裝置的對接安裝，實現了稻麥聯合收獲與秸稈打捆多項功能一次完成，相比牽引式撿拾打捆機具有更小的作業半徑，節省二次下地作業時間，由于考慮到收獲時脫粒清選效率及整機功耗的影響，大都采用撩穗收割，因此，收獲后的田間“站稈”留茬會較高。

為保障田間秸稈收凈率，本文吸收現有水稻聯合收割機切割收集田間“站稈”和牽引式撿拾打捆機撿拾田間“殘茬”的優勢，實現一次收獲田間水稻秸稈留存于田間的“站稈”及“殘茬”的目標，以拆卸脫粒清選及糧箱等裝置的聯合收獲機作為履帶自走式收集平臺，選用YHL850型圓捆打捆裝置作為打捆部件，并針對圓捆打捆裝置在卸捆時不能集料而導致工作不連續的問題，創造性地設計了集料裝置置于聯合收獲機輸送槽出口與打捆裝置集料口間，采用機電一體化技術，設計一套裝卸捆自動控制系統,優化配置各功能部件的結構和運動參數，有效的提高了關鍵部件的工作效率。最終研發出集切割、撿拾、收集、打捆、集捆等功能于一體的田間水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機結構如圖1所示，主要由履帶自走式收集平臺、YHL850型圓捆打捆裝置、集料裝置、集捆平臺和控制系統等組成。其中履帶自走式收集平臺是由4LZ-3.0t型水稻聯合收獲機卸除其脫粒清選及糧箱等裝置后的剩余部件，主要由輸送槽、切割器、撥禾輪、割臺攪龍、駕駛室、行走底盤等組成；集料裝置設置于輸送槽正后方、原脫粒裝置所處位置，作為由輸送槽拋送過來的秸稈的緩存區和喂送至打捆裝置的中轉區；置于駕駛室正后方的YHL850型圓捆打捆裝置集料口彈齒式撿拾器旋轉軸與集料裝置輸送攪龍軸平行安裝，即保證了集料箱出口與打捆裝置集料口對接，又實現了整機重心的合理配置，提高了整機的通過性；同時集捆平臺采用環置框架廂式結構，并向整機行進方向左側傾斜20°掛接于整機正后方，以利于后期有效的集捆運輸。

圖1 水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機結構示意圖

設計收割后的“站稈”留茬為5 cm，水稻經機械化收獲后的田間“站稈”高度比所收割的水稻矮10～15 cm左右。為保證收割的“站稈”倒向割臺時順利被割臺攪龍輸送至輸送槽，將切割器與割臺攪龍間距離縮短10 cm，調整撥禾輪撥齒最低點距割刀垂直距離為5 cm。整機主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

1.2 工作原理

整機工作路線如圖2所示，作業時，機具前端切割器將田間“站稈”割倒，并在撥禾輪的作用下將割倒的“站稈”及田間的“殘茬”在割臺配合下聚攏撥向割臺攪龍，通過割臺攪龍集中后撥向輸送槽，經輸送槽運送至集料箱中，集料箱底部的輸送攪龍將秸稈沿集料箱出口輸送至打捆裝置彈齒式撿拾器入口，秸稈由彈齒式撿拾器扒送至打捆裝置成捆室內實現打捆作業。當成捆室在完成一個秸稈捆的集料打捆進入繞線卸捆作業時，鉸接于集料箱底部側板上的梳刷壓桿翻轉提升，阻擋集料箱中的秸稈落入其下方的輸送攪龍處，使成捆室停止集料，而由輸送槽連續不斷輸送過來的秸稈則集中緩存于集料箱中，在成捆室完成繞線卸捆作業后，梳刷壓桿回轉至初始位置，集料箱中秸稈靠自身重力流入輸送攪龍并被撥向彈齒式撿拾器入口，成捆室重新開始集料、打捆、繞線作業。同時已完成的秸稈捆卸捆至集捆平臺處被收集暫存，完成一個秸稈捆的收集、打捆和集捆作業，整個工作程序依次循環連續作業。

圖2 整機工作路線

2 關鍵部件設計及參數計算

2.1 傳動系統

據水稻秸稈收集與連續打捆的作業功能，結合聯合收獲機現有動力傳動形式[23-24]，在保證其履帶收集平臺及YHL850型圓捆打捆裝置正常工作效率的同時，確定其傳動系統的總體方案如圖3所示。

圖3 整機動力傳動路線

發動機輸出動力通過帶傳動將動力分配至行走底盤和過渡主軸，過渡主軸將動力分別傳遞給集料裝置動力軸、打捆裝置動力軸和輸送槽驅動軸。輸送槽驅動軸經輸送槽中介軸將動力傳遞給割臺攪龍軸、撥禾輪軸和往復式切割器，設計得集料裝置輸送攪龍軸轉速為100 r/min，打捆裝置彈齒式撿拾器轉軸轉速為120 r/min，打捆裝置工作輥轉速為200 r/min。

2.2 集料裝置

集料裝置是將輸送槽與打捆裝置工作銜接起來，是實現整機連續性作業的關鍵部件，其結構如圖4所示，主要由集料箱、置于集料箱底部出口的輸送攪龍、布置于輸送攪龍正上方的梳刷壓桿及控制梳刷壓桿起閉的控制拉桿等組成。其中輸送攪龍由輸送攪龍軸、攪龍滾筒以及螺旋設置于攪龍滾筒上的伸縮扒齒等組成；梳刷壓桿主要由轉動桿和梳刷齒等組成，轉動桿鉸接于集料箱箱體內壁上，并繞轉動桿軸線轉動，梳刷齒尾部與攪龍滾筒最小間距設計為20 mm，且相對伸縮扒齒錯開安裝在轉動桿上，避免產生干涉。集料箱出口與入口正相切，安裝時集料箱入口與輸送槽相連，源源不斷的接收其水稻秸稈，集料箱出口與置于駕駛室正后方的打捆裝置集料口對接且輸送攪龍軸軸線與其彈齒式撿拾器旋轉軸軸線平行，保證水稻秸稈的順利輸送。

圖4 集料裝置結構圖

集料裝置作為由輸送槽拋送過來的秸稈的緩存區和將秸稈喂送至打捆裝置的中轉區，在打捆裝置開始進入繞線打結及卸捆作業時，在控制系統的控制下將控制拉桿拉動梳刷壓桿繞其轉動桿轉動，使其翻轉提升，梳刷齒處于水平狀態，阻擋秸稈繼續被輸送攪龍扒送，集料箱開始緩存由輸送槽拋送過來的秸稈，如圖5a所示，梳刷壓桿處于關閉狀態。

當打捆裝置繞線卸捆后，集料離合器自動斷開，此時梳刷壓桿會轉至初始位置，使其處于張開狀態，如圖5b所示。此時，由輸送槽經集料箱入口拋送至集料箱底部的秸稈靠自重流入輸送攪龍處，同時輸送攪龍在逆時針旋轉作用下沿集料箱側壁輸送至集料箱出口，并被扒送至彈齒式撿拾器入口處，為避免秸稈輸送不均造成堵塞，彈齒式撿拾器經順時針轉動并在其擋桿架的配合下將秸稈平穩向后扒送至成捆室內進行作業。

圖5 梳刷壓桿運動狀態示意圖

田間測試得YHL850型圓捆打捆裝置對每捆秸稈平均集料打捆時間1為21s，繞線卸捆平均時間2為10 s。打捆裝置每次繞線、卸捆前，輸送攪龍不斷向撿拾器處扒送秸稈，成捆室收集的秸稈量與集料箱收集秸稈量相等，且集料箱只有在成捆室繞線卸捆的時段內暫存秸稈。查閱相關文獻[25-26]，取水稻干物質秸稈質量與水稻籽粒的質量之比約為0.9，水稻單產約為8 000 kg/hm2，取水稻收獲時秸稈含水率為50%，則田間每平方米的水稻秸稈質量為1.44 kg/m2。

為使整機作業時秸稈收集、打捆過程連續進行，單位時間內各關鍵位置秸稈流動質量應該滿足以下關系式[29]

（1）

式中0為單位時間割臺收集秸稈質量最大理論值，kg/s；1為輸送槽單位時間輸送秸稈質量理論值，kg/s；2為集料箱內輸送攪龍單位時間扒送出秸稈質量理論值，kg/s；3為彈齒式撿拾器單位時間喂入成捆室內的秸稈質量理論值，kg/s。

式中0為割臺作業幅寬，取2.1 m；為每平方米的水稻秸稈質量，取1.44 kg/m2；0為機器作業時最大前進行駛速度，取1.7 m/s?？傻脝挝粫r間割臺所收集秸稈質量最大理論值0為5.14 kg/s。

（3）

式中1為秸稈在輸送槽輸送過程中被壓縮的平均密度，取75 kg/m3；1為刮板頂端與輸送槽殼體圍成的截面面積，m2；1為輸送刮板的線速度，m/s；1為輸送槽寬度，取0.54 m；1為輸送刮板與輸送槽殼體之間的間隙，取0.045 m；1為輸送槽主鏈輪直徑，取0.145 m；1為輸送槽主動輪轉速，取7.5 r/s。可得輸送槽單位時間輸送秸稈質量理論值1為6.22 kg/s。

（4）

式中2為秸稈在伸縮扒齒壓縮下的平均密度，取150 kg/m3；2為輸送攪龍扒齒最低端與集料箱箱體截面面積，m2；2為伸縮扒齒扒送線速度，m/s；2為伸縮扒齒與集料箱箱底之間的間隙高度，取0.05 m；2為伸縮扒齒有效扒送寬度，取0.7 m；2為攪龍滾筒直徑，取0.3 m；2為輸送攪龍軸轉速，設計值為1.67 r/s。得集料箱內輸送攪龍單位時間扒送出秸稈質量理論值2為8.26 kg/s。

（5）

式中3為撿拾器扒送口截面面積，m2；3為水稻秸稈在彈齒式撿拾器撿拾齒壓縮下的平均密度，取120 kg/m3；3為彈齒式撿拾器與其擋桿架之間的間隙高度，取0.04 m；3為彈齒式撿拾器撿拾有效扒送寬度，取0.7 m；3為撿拾器撿拾體直徑，取0.4 m；3為撿拾轉軸轉速，設計值為2 r/s。可得彈齒式撿拾器單位時間喂入成捆室內的秸稈質量理論值3為8.44 kg/s。

為保障集料箱內秸稈能及時輸送至成捆室，在一個秸稈集料、打捆、繞線、卸捆周期內，使集料箱內存儲的秸稈質量2能夠及時全部喂入成捆室內，即

（6）

式中0為割臺在一個秸稈捆周期內能收集的秸稈最大總質量，kg；3為成捆室集料打捆時間內能收集的秸稈最大總質量，kg。

（7）

（8）

式中1為完成一個水稻秸稈捆平均集料打捆時間，s；2為一個水稻秸稈平均捆繞線卸捆時間，s?？傻?= 159.34 kg、3=177.24 kg，即3≥0，可滿足式（6）。綜上計算結果表明，集料箱內不會積存水稻秸稈，且能實現不停機連續作業。

2.3 控制系統

為提高機具作業效率，簡化機手操作流程，監控并保障整個裝卸捆過程自動運行，設計了一套裝卸捆自動控制系統。該系統結構框圖如圖6所示，主要由控制器、控制信息輸入單元和執行機構驅動單元組成。其中控制器為信捷PLC，其型號為XC1-24R-C；控制信息輸入單元用于控制系統啟停和接受各行程開關信號，同時通過控制器結合控制信息啟動執行機構相對應的電磁閥工作。

圖6 控制系統結構框圖

控制系統程序流程圖如圖7所示，系統啟動后，控制系統驅動集料油缸電磁閥處于斷開狀態且梳刷壓桿張開，水稻秸稈被源源不斷的集料、打捆，當成捆室內的秸稈集滿后，控制系統驅動集料油缸電磁閥閉合，觸發控制拉桿將梳刷壓桿翻轉提升且處于關閉狀態，成捆室停止集料，待繞線作業完成后發出報警信息，控制系統驅動成捆室油缸電磁閥閉合且成捆室倉門被打開，已打捆好的秸稈捆靠自重卸至集捆平臺，此時成捆室油缸電磁閥斷開且成捆室倉門被關閉后，梳刷壓桿在集料油缸電磁閥的控制下處于張開狀態，打捆裝置開始進入下一輪的集料、打捆、繞線、卸捆作業。同時控制系統驅動集捆油缸電磁閥觸發集捆推桿將秸稈捆推至集捆平臺底部完成集捆，之后集捆推桿在集捆電磁閥驅動下自動收回，整個工作程序依次循環完成。

圖7 控制系統程序流程

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為檢測水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機的工作性能，對整機進行田間試驗。依據《圓草捆打捆機試驗方法GB/T 14290-2008》、《NY/T 498-2002水稻聯合收割機作業質量》相關標準[27-28]，樣機于2017年10月29日在湖南省汨羅新市鎮紅花村進行試驗，試驗田面積3.33 hm2，地表平整，試驗材料選用晚稻收獲后的田間水稻秸稈，“站稈”比較齊整、均勻、連續，“殘茬”無腐爛現象，試驗田情況如圖8a所示。試驗前，在所測試驗田隨機取5個行程，每個行程隨機取5個區域，每個區域面積為2.1 m×0.5 m，測量“站稈”平均高度為35.86 cm，“站稈”與“殘茬”比重為7:3，“站稈”含水率為31.7%，“殘茬”含水率為58.4%，每平方米秸稈為2.03 kg/m2。

3.2 試驗結果與分析

試驗時，選取慢速檔0.8 m/s、中速檔1.1 m/s和高速檔1.7 m/s 3種檔位不同作業速度下分別在面積為0.07 hm2的水稻秸稈田進行連續打捆作業測試，試驗過程中整機運轉平穩，工作可靠，田間留茬高度整齊。結果表明，采用3種檔位作業速度均能實現收集、連續打捆作業功能，且作業速度越快，成捆效率越高，無散捆出現，其中慢速檔成捆18捆耗時17 min、中速檔成捆19捆耗時14 min、高速檔連續性成捆21捆耗時12 min，草捆如圖8b所示。在3種檔位作業速度下所成捆的草捆中隨機分別取5個草捆樣本，測量不同檔位水稻秸稈捆的最大直徑max和最小直徑min，計算其差值，試驗結果如表2所示。

圖8 試驗田間情況及水稻秸稈捆

表2 試驗結果

由表2可知，該機作業速度越快，圓柱規范度程度越差。隨后機具以中速檔1.1 m/s連續作業3.4 h作業面積為1.36 hm2，累計成捆347個，其中散捆6個，即[27,29]

式中為成捆率，%；為工作時間內累計打捆數，捆；為工作時間內累計散捆數，捆；可得成捆率為98%。

式中為機具作業生產率，%；為機具田間作業面積，hm2；機具工作時間，；可得出生產率為0.4 hm2/h。

同時，按試驗前測量田間“站稈”平均高度的測量方法，測量機具作業后選取5個行程各區域面積留茬“站稈”高度和質量，計算得出作業后田間留茬“站稈”平均高度為49.3 mm，收凈率為95%且高于國家標準[27-28]。目前市面上所出現的自走式稻麥聯合收獲打捆復式作業機與該文設計的水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機相比，雖然避免了機具二次進田作業，提高了作業效率，但機具作業后出現高留茬“站稈”，以及秸稈收凈率和籽粒損失率居高不下[1]。李湘萍[1]研制的4LSK-50型麥秸聯合收捆機作業后的田間留茬高度最高達70 mm，生產率為0.45 hm2/h；李耀明等[19]研制的4L-4.0型稻麥聯合打捆復式機作業后的田間留茬平均高度為144 mm，生產率為0.52～1.0 hm2/h；與之相比本文設計的水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機的留茬高度優勢明顯，盡管該機單項打捆作業效率略低于上述兩款機具，但其綜合效率得到提高。同時該機一機多用降低了成本，并通過履帶式行走方式增強了機具田間作業的靈活性，拓寬了機具的適應性。

4 結 論

1）采用機電一體化技術，設計了集“站稈”切割、“殘茬”撿拾、秸稈收集、打捆、集捆等功能于一體的田間水稻秸稈收集與打捆復式作業機，實現了水稻收獲后存留于田間的稻秸稈連續性收集打捆作業要求。

2）對水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機進行田間試驗，試驗表明該機工作性能與機具作業速度有關，其作業速度越快，成捆效率越高，但草捆圓柱規范度程度越差。采用中速檔作業時，其生產率為0.4 hm2/h、成捆率可達98%、收凈率95%，各項技術指標均達到相關作業質量標準和農藝作業要求。

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Design of compound machine for rice straw collecting and continuous baling

Xie Wei1,2,3, Li Xu1,2, Fang Zhichao1, Quan Wei1,2, Luo Haifeng1,2,3, Wu Mingliang1,2,3※

(1.,,410128,; 2.,410128,; 3.,410128,)

A large number of rice “standing-stalk” and “stubble” will remain in the paddy field after the rice is harvested by a combined harvester. At present, the harvest rate of rice “standing-stalk” and “stubble” remained in the paddy field after joint harvest using single baling machine is low. The single baling machine is usually pulled by a tractor which causes intermittent collection and baling of stubble in paddy field. The working efficiency of traditional baling machine is low due to the halt of the baling machine when unloading the baling wire. In this paper, threshing and cleaning device and the grain tank in existing rice and wheat combine harvester were replaced with round baling device. The rice and wheat combine harvester, in which threshing and cleaning device and grain tank were disassembled, was used as the self-propelled tracked collection platform. A design idea of setting collecting device at the exit of conveying groove and the feed port of baling device as cache area and using round baling device as the main working part was put forward to solve the problem of discontinuity caused by the round baling device failing to feed during the unloading of bales. The collecting device was set at the position of the original threshing device directly behind the conveying groove, straw thrown from the conveyor groove was fed to the baling machine's transfer area after passing through the cache area, and the bottom part of the collecting box of the material collecting device was successively arranged with the brush rod and the conveying auger. The round baling device was set directly behind the cab, and the rotary shaft of the spring-tooth picking machine located in the feeding port was installed in parallel with the conveying auger shaft, which not only ensured the connection between the outlet of the collecting box and the feeding port of the round baling machine, but also realized the reasonable configuration of the center of gravity of the whole machine and improved the passing ability of the whole machine. In this way, a rice straw continuous collection and baling machine used in paddy field and with functions of harvest, pickup, collect, bale and bundle was developed, which realized the multi-use of the combined harvester and reduced the cost. The whole machine adopted mechatronics technology. An automatic control system of loading and unloading of baling was designed. The six-way commutator switch was adopted as the sensing and detection component, which simplified the operating process of the manipulator, ensured the automatic operation and monitoring of the whole loading and unloading process, and effectively improved the working efficiency of key components. The structure and motion parameters of each functional component were optimized and the whole machine was finally coordinated and working continuously and efficiently. The continuous collection and baling requirements of rice straw in paddy field including "standing-stalk" cutting, stubble picking, collecting, baling and binding can be completed at one time. The field performance test showed that the performance of the whole machine was safe and reliable. Under the working conditions on working gear, the faster the operation speed, the shorter the time of collecting a straw bale, the shorter the compression time of rice straw bale in the bundling room, the higher the efficiency of bundling, but the worse the specification degree of cylinder. After a continuous operation of 3.4 h at medium speed, the binding rate was 98%, the operating efficiency was 0.4 hm2/h, and the harvest rate of straw was 95%. All other technical indicators met the relevant standards and requirements of agricultural work were met. This study provides a reference for improving the utilization rate of straw after mechanized harvest and realizing the multi-use of one agricultural machine in agricultural production.

mechanization; design; crops; rice straw; baler; continuity; collecting device; control system

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.003

S817.11+5

A

1002-6819(2019)-11-0019-07

2018-06-21

2019-05-30

國家重點研發專項（2017YFD0301500）；湖南省科學技術廳重點項目（2017NK2131）；湖南省科學技術廳重點項目（2016NK2120）。

謝 偉，實驗師，主要從事農業機械設計與創新研究。Email：444012168@qq.com

吳明亮，教授，博士生導師，主要從事農業機械創新設計與試驗研究。Email：mlwu@hunau.edu.cn.

中國農業工程學會會員：吳明亮（E041200186S）

謝 偉，李 旭，方志超，全 偉，羅海峰，吳明亮. 水稻秸稈收集與連續打捆復式作業機設計[J]. 農業工程學報，2019，35(11)：19－25. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.003 http://www.tcsae.org

Xie Wei, Li Xu, Fang Zhichao, Quan Wei, Luo Haifeng, Wu Mingliang. Design of compound machine for rice straw collecting and continuous baling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 19－25. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.003 http://www.tcsae.org