構樹收獲機設計與試驗*

孫延成，牟孝棟，王志偉，姜慧新，王志堅，耿端陽

(1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博，255000； 2. 山東省畜牧總站，濟南市，250002；3. 山東芳華農業發展有限公司，山東德州，253300)

0 引言

構樹作為富含蛋白質的飼用林木[1]，在2015年就被國務院扶貧辦列為十大產業扶持工程之一，并專門頒發了《關于開展構樹扶貧工程試點工作的通知》；2018年國家農業農村部第22號文正式將構樹納入飼料原料目錄，從而加快了該項目在國內推廣，目前在山東、湖南、河南等地開始了初步試點與示范。

雖然構樹葉片柔嫩多汁且富含營養，但是在收獲過程存在莖稈、枝條同收問題，加之為了提高飼料的適口性，尚需對收獲的構樹飼料進行發酵處理，以促使纖維素和木質素向粗蛋白的轉化，所以構樹收獲后必須對其進行絲化處理，以保證發酵飼料的質量和良好的適口性。內蒙古林業科學研究院研制的2GP-100型灌木平茬機采用拖拉機后右側懸掛、工作時由拖拉機進行動力輸出，在復合運動作用下將枝條割斷，然后由撥條桿將割后的枝條甩向右側[2]。中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院研制的懸掛式割灌機采取雙圓盤相向向外轉切割方式切割后的構樹枝條散落在機器兩側、需要人工再進行撿拾、打捆后期進行絲化處理[3]。中國農機院生物質能中心研制開發的新型4GM-200灌木聯合收獲機能夠實現構樹無損收割、強制喂入切碎、集裝、液壓自動翻轉卸料聯合作業，但收獲后的構樹絲化率低、整枝條仍然存在。

基于上述研究目前大部分莖稈切斷裝置主要是通過高速旋轉的錘爪或甩刀，對莖稈進行多次高速錘擊、切割和揉搓[4]。莖稈隨機受到錘擊、切割和揉搓作用，導致莖稈切碎長度隨機性大、絲化率低，嚴重影響了發酵飼料的質量，降低了構樹飼料的適口性。針對現有莖稈切斷裝置莖稈絲化率低、飼料適口性差的問題，本研究設計了三級揉搓絲化裝置，利用構樹收獲機進行收獲試驗，并分析了揉搓絲化級數、莖稈切斷長度以及揉搓板數對莖稈絲化率的影響規律，為提高構樹莖稈絲化率及反芻動物飼料的適口性提供了裝備支持。

1 整機結構與工作原理

針對構樹生長特性以及反芻動物飼料要求：將構樹莖葉加工成絲狀，有利于提高其發酵效果，改善反芻動物采食的適口性，降低采食過程的能量消耗，開發具有莖枝切碎和揉搓處理功能的構樹收獲機，其結構如圖1所示。即構樹收獲機主要由割臺、揉搓絲化裝置、底盤、發動機、集料箱等組成。

圖1 構樹收獲機總體結構方案Fig. 1 Overall structure scheme of Broussonetia papyriferaharvester1.割臺 2.揉搓絲化裝置 3.底盤 4.發動機 5.集料箱 6.駕駛室

構樹收獲機在發動機驅動下作業時，首先由割臺完成對構樹的切斷，并將其拋向割臺，然后在速度遞增輸送輥作用下將其送往莖稈切碎裝置，完成長莖稈向短莖稈的轉化；進而將其送往揉搓絲化裝置，完成莖稈的切斷、揉搓，使其符合反芻動物采食和反芻消化的要求，最后在拋撒輪作用下由拋送筒送往集料箱，完成構樹飼料的收獲。

2 關鍵部件設計

為了保證構樹飼料的發酵處理和滿足反芻動物采食與消化要求，一般需要收獲作業時對構樹莖稈與枝條進行切段、切碎和揉搓處理[5-6]，減少中間環節，盡量降低雜菌感染的機會；考慮構樹莖稈與枝條木質化、纖維化突出的問題，所以其揉搓絲化就成為本機的核心技術。

如前文所述，構樹枝桿由于木質化結構比較明顯，所以對其絲化采用了循環處理方式，假設每次絲化率為φi，則未被絲化的莖稈量為1-φi，所以經過n次絲化處理后，莖稈的n次絲化率

(1)

為了方便計算，假設每次絲化處理的效果相同，即每次莖稈絲化率都相等，φ1=φ2=…=φn，則式(1)變為

R=1-(1-φ)n

(2)

從而循環處理次數

(3)

本研究中，莖稈絲化選用了莖稈還田式粉碎結構，所以每次其莖稈絲化率φ可達70%[7]，按照莖稈飼料達到95%以上的絲化效果計算，則循環處理次數n=2.488，所以本機采用了三級絲化處理。具體分布如圖2所示。

圖2 構樹收獲機莖稈循環絲化處理結構分布Fig. 2 Structure distribution of straw recycling treatment inBroussonetia papyrifera harvester1.莖稈次級絲化裝置 2.拋料筒 3.莖稈三級絲化裝置4.莖稈拋送裝置 5.機架 6.莖稈初級切段絲化裝置7.莖稈調直裝置 8.莖稈輸送裝置 9.切割器10.莖稈次級輸送裝置 11.莖稈混合輸送裝置

作業時，構樹在割臺切斷后，被莖稈輸送裝置向后輸送，進入莖稈初級切斷絲化處理裝置，完成莖稈的切段和初級絲化；進而在莖稈次級輸送裝置作用下送入莖稈混合輸送裝置，完成切段莖稈的均質化；隨后，將均質化的莖稈送往莖稈次級絲化裝置，改善莖稈的絲化效果；接著將其送往莖稈三級絲化處理裝置，實現莖稈的全部絲化后，將其由拋料筒拋出，完成構樹的切斷—初級絲化—均質化混合—次級絲化—三級絲化處理工藝。

2.1 初級莖稈切斷絲化裝置

構樹由于每年收獲多茬，所以一般來說盡量選擇在株高1.0～1.5 m、主桿木質化不是太嚴重的時期進行收獲。為了改善反芻動物采食的適口性，保證莖稈的切段長度，因此采用動—定刀配合方式切斷，以保證莖稈的絲化效果。即根據反芻動物對飼料長度要求，將其長度確定為15 cm[8]；為了降低對構樹枝條的切割阻力，在選用構樹切段絲化裝置與作業幅寬等寬以及單支撐切斷的基礎上，采用滑切方式完成莖稈的切斷；為了降低莖稈切碎過程的振動，動刀采用鉸接方式與刀座連接。具體結構如圖3所示。

圖3 初級莖稈切段絲化裝置結構示意圖Fig. 3 Structure diagram of primary stalk cutting silk device1.梳齒 2.刀軸 3.刀座 4.定刀 5.甩刀(動刀)

2.1.1 梳齒間距確定

由于構樹屬于灌木，枝條較多，輸送喂入過程必然出現很多枝條不垂直于定/動刀刃口方向，難以保證莖稈切碎長度一致性的要求，所以為了提高莖稈切碎長度一致性，在莖稈入口位置設置了如圖3所示的等距梳齒。設梳齒間距為d，且該間距必須保證甩刀通過，即梳齒間隙d必須大于甩刀切斷寬度B。為了簡化結構，本研究選擇了Ⅰ型切碎刀片(見JB T9816—1999甩刀式切碎機刀片)；為了提高切碎效率，動刀采用了如圖4所示的組合式結構。

d≥2B+2δ

(4)

式中：δ——梳齒與動刀之間的間隙，主要依據切斷對象來確定。

圖4 甩刀結構示意圖Fig. 4 Schematic diagram of combined flail Knife

考慮當構樹莖稈以傾斜姿態進入梳齒之間被動刀切斷時，必然導致構樹莖稈的實際切斷長度大于理論切斷長度，如圖5所示。

設莖稈理論切斷長度為l，梳齒間隙為d，則當莖稈喂入傾斜角度為θ，梳齒間隙為d=l/tanθ，切碎莖稈的最大長度為l/sinθ，切碎莖稈長度與理論切斷長度的差為Δl=l/sinθ-l，以理論切碎長度為l=15 cm為例，以對角線AC與定刀所在位置的夾角θ為x軸，以Δl為y軸，繪制偏差Δl隨夾角θ的變化曲線，如圖6所示。

圖5 莖稈傾斜喂入的最大切斷長度Fig. 5 Cutting length of stem feeding in inclined direction

由圖6可以看出，在θ角度較小時，莖稈切斷長度差異Δl很大，當該角度到40°以后，其切斷長度一致性就有很大的提高，所以梳齒間隙初步確定為等于理論莖稈切斷長度，即該角度為45°時，其莖稈切碎長度一致性即可得到較好的保證。

圖6 莖稈傾斜喂入角度對切斷長度一致性的影響Fig. 6 Effect of oblique feeding angle toconsistency of stem cutting length

2.1.2 長度一致性分析

依據莖稈切碎長度主要由甩刀切斷轉速和莖稈輸送速度確定，具體方法這里不再贅述[9-10]。但是在該機中，考慮構樹枝條不能保證全部以垂直動刀刃口方向喂入，所以在初級莖稈切斷裝置的入口設置了如圖3所示的梳齒。在莖稈實際切斷過程，當莖稈處于垂直于動定刀刃口方向時，其實際切碎長度等于理論切碎長度。按照前述理論切斷長度為15 cm計算，即lmin=15 cm；當莖稈處于如圖5所示方向喂入時，其實際切碎長度達到最大值，且lmax=l/sinθ=21.21 cm。

這樣莖稈切碎長度的均值

(5)

方差

(6)

一般來說，在同一切碎裝置、莖稈處于強制喂入狀態時，莖稈切碎長度符合正態分布，即

(7)

查正態分布表[11]，有莖稈切碎長度一致性R=0.998 7，即其一致性可以達到99.87%，完全滿足構樹發酵和反芻動物采食的標準要求。

2.2 莖稈三級絲化裝置設計

由于本機采用了三級絲化處理，其分布如圖2所示，前兩級都是采用與秸稈還田機相似的結構進行處理[12-13](為了避免重復，第二個絲化過程就不再分析)，為了進一步保證構樹飼料的絲化效果，最后一級采用了搓板式揉搓裝置，如圖7所示。工作時，葉片在驅動軸的作用下高速旋轉，進入揉搓區的物料在葉片作用下被甩向周邊，并在葉片和揉搓板作用下被揉搓，形成絲狀物料。而在物料被甩向四周的過程，揉搓區即形成了負壓，從而為后續物料的進入創造了條件；又為了減少葉片對送入物料的阻滯，葉片設計為圖7所示結構，為物料進入留出最大的空間。

圖7 莖稈三級絲化裝置結構示意圖Fig. 7 Structure diagram of stalk three-stage silking device1.揉搓葉片 2.揉搓板 3.拋料筒

在該過程，由于物料只有在葉片通過揉搓板時才能對物料進行揉搓，所以設每次可以實現15%的莖稈完成絲化處理，則還有85%的莖稈不能得到理想的絲化處理，故為了保證飼料所需要的絲化效果，則必須對物料進行循環揉搓絲化處理。設在該區布置的揉搓板數量為n1，飼料的絲化率要求為95%，按照可靠性設計中串聯結構處理[14-15]，則

R=1-(1-φ)n1

(8)

對其轉化后，有

(9)

代入R=95%、φ=15%，則有n1=18.43。

即構樹粉碎物料必須經過18.43次如此結構的循環揉搓才能達到95%的絲化效果；結合該揉搓絲化底殼的結構尺寸，最終選擇了24根揉搓板。

為了進一步減少莖稈滯留揉搓板根部對揉搓效果的影響，綜合降低制造成本的要求，本揉搓板采用角鋼結構，避免了揉搓板與底殼焊接部位死角的出現；考慮揉搓原理是通過兩配合件之間相對運動實現對物料的揉搓，故為了提高構樹飼料的絲化效果，應盡量延長莖稈通過揉搓面的時間，即該揉搓板選擇了不等邊角鋼結構，其型號為L32×20，具體分布如圖8所示。

圖8 揉搓板結構與分布Fig. 8 Structure and distribution of rubbing board1.底殼 2.葉片 3.驅動軸 4.揉搓板

3 田間試驗

3.1 田間試驗條件

試驗在德州市武城縣山東芳華農業發展有限公司進行(圖9)。試驗材料為國家大力推廣的雜交構樹101，隨機選取長度約20 m、寬度約15 m的構樹試驗田為一組試驗，進行3組重復試驗。其中試驗構樹的主要特征參數如表1所示。

圖9 構樹收獲機作業過程Fig. 9 Operation process of Broussonetia papyrifera harvester

表1 構樹主要特征參數Tab. 1 Plant parameters of Broussonetia papyrifera

3.2 試驗方法

通過前述理論分析確定了構樹化收獲機的揉搓絲化級數、莖稈的理論切斷長度以及揉搓板的數量。根據串聯結構可靠性模型，過多的揉搓絲化級數必然會導致裝備的復雜性和制造成本的增加。為了進一步探究構樹莖稈揉搓絲化的效果的影響規律，同時降低裝備的復雜性以及制造成本。在理論分析的基礎上，采取Box-Behnken響應面試驗設計方法進行正交試驗，選取莖稈切斷長度、揉搓絲化級數和揉搓板數為試驗因素，以莖稈絲化率為試驗指標，開展三因素三水平的Box-Behnken響應曲面試驗[16]，各因素編碼如表2所示，每組試驗重復3次，取平均值作為試驗結果。

表2 試驗因素編碼Tab. 2 Factors and coding of experiment

試驗中選擇反映整機作業效果的構樹莖稈絲化率作為考核指標，在試驗作業離開地頭20 m后，每間隔5 m 在出口接取樣品1次，每次接取樣品不少于500 g。將3次樣品混合稱重，揀出其中不符合農業行業標準(NY/T 509—2015)秸稈揉絲機質量評價技術規范的莖稈，即挑出取樣中長度大于18 cm，或者直徑大于5 mm 的莖稈，對其稱重后，按式(10)計算。

平均莖稈絲化率

(10)

式中：m1——樣品中超過標準規定的莖稈質量，g；

m——樣品質量，g。

3.3 試驗結果及分析

3.3.1 方差分析

根據Design-Expert軟件中的響應曲面法進行試驗方案設計與數據分析，以莖稈絲化率作為考核指標，試驗總共進行17次，其中12組為析因點，5組作為零點，零點試驗重復多次，以估計試驗誤差。試驗方案和結果見表3。由表3可知在揉搓絲化級數為3級、莖稈切斷長度為18 cm、揉搓板數為24個情況下，莖稈絲化率為95.6%，此時揉搓絲化效果最佳。

表3 試驗方案與結果Tab. 3 Test design scheme and results

試驗數據經Design-Expert軟件處理后，得出莖稈絲化率的方差分析結果，如表4所示。由表4中數據可知，揉搓絲化級數、莖稈切斷長度、揉搓板數量對莖稈絲化率的影響各不相同。其中揉搓絲化級數的失擬項P<0.000 1，表明揉搓絲化級數對莖稈絲化率影響極顯著；莖稈絲斷長度與揉搓板數量的失擬項分別為0.007 5和0.003 4均小于0.01，表明莖稈切斷長度與揉搓板數量對莖稈絲化率的影響很顯著。為進一步優化試驗結果，對表4中的數據進行二次多元回歸，除去不顯著因素，得到莖稈絲化率與各因素編碼值間的二次多元回歸方程為

S=72.3+10.29X1+2.94X2+3.42X3+

1.07X1X2+1.15X1X3+0.45X2X3+

5.41X12+3.56X22+0.64X32

(11)

表4 莖稈絲化率的方差分析結果Tab. 4 Analysisresult of variance of straw silking rate

通過方差分析的結果可知所選的3個參數都是影響莖稈絲化率的主要因素；且影響莖稈絲化率因素的主次順序為揉搓絲化級數、揉搓板數和莖稈切斷長度。

3.3.2 響應曲面分析

考慮構樹絲化處理非單一因素作用的結果，所以應用響應曲面法分析各因素交互作用對構樹莖稈絲化率的影響，即固定3個因素中的1個因素為0水平，考察其他兩個因素對構樹莖稈絲化率的影響[17]。

1) 當揉搓板數控制為24個時，揉搓絲化級數及莖稈切斷長度與莖稈絲化率的關系為

S=72.3+10.29X1+2.94X2+1.07X1X2+

5.41X12+3.56X22

(12)

具體變化規律如圖10所示，即當揉搓板的數量為24個時，隨著揉搓絲化級數的增加，莖稈絲化率呈快速上升趨勢，完全符合串聯結構的可靠性模型。這是因為在莖稈絲化過程，揉搓絲化級數的增加會使莖稈得到多次揉搓過程，從而顯著降低未被絲化的莖稈數量，提高構樹飼料的絲化率，但過多的絲化級數，必然導致裝備結構的復雜和成本的上升；隨著莖稈切斷長度的不斷增加，莖稈絲化率提高緩慢，但過長的莖稈切斷長度不僅影響反芻動物采食過程的能量消耗，而且會增加揉搓板循環絲化的次數和揉搓強度，加大了構樹飼料揉搓絲化過程的能耗，造成莖稈絲化率上升趨勢緩慢、甚至下降的趨勢。通過響應面分析可知：在揉搓絲化級數為3級以及莖稈切斷長度為18 cm時，構樹飼料的莖稈絲化率達到95%以上，完全滿足構樹飼料的發酵和反芻動物的采食要求。

圖10 揉搓絲化級數與莖稈切斷長度的交互作用Fig. 10 Effects of stem silking rate by kneadingnumbers and stem cutting length

2) 當莖稈切斷長度控制為15 cm時，揉搓板數及揉搓絲化級數與莖稈絲化率的關系

S=72.3+10.29X1+3.42X3+1.15X1X3+

5.41X12+0.64X32

(13)

具體變化規律如圖11所示，莖稈絲化率隨著揉搓絲化級數增加，莖稈絲化率快速上升，僅在揉搓絲化級數單因素作用下莖稈絲化率達到80%以上，符合串聯結構可靠性模型，但過多的揉搓絲化級數，必然增加了裝備結構的復雜性和制造成本的上升；隨著揉搓板數量的增加，在揉搓絲化級數與揉搓板數共同作用下莖稈絲化率達到90%以上，滿足構樹飼料的發酵和反芻動物采食的要求。

圖11 揉搓板數與揉搓絲化級數的交互作用Fig. 11 Effects of stem silking rate by kneading boards andstem cutting length

3) 當揉搓絲化級數控制為2級時，莖稈切斷長度及揉搓板數與莖稈絲化率的關系為

S=72.3+2.94X2+3.42X3+0.45X2X3+

3.56X22+0.64X32

(14)

具體變化規律如圖12所示，揉搓絲化級數僅為兩級時，此時構樹莖稈的揉搓作業是由同莖稈還田機相似的結構進行處理，未采用揉搓板式揉搓裝置。其莖稈絲化率增長較慢，絲化率較低。由此可見采用帶有揉搓板式揉搓裝置的三級揉搓絲化對莖稈絲化率效果明顯。

圖12 揉搓板數與莖稈切斷長度的交互作用Fig. 12 Effects of stem silking rate by kneading boards andstem cutting length

通過前述分析與試驗驗證，最終確定了影響莖稈絲化率的最佳參數為揉搓絲化級數為3級、莖稈切斷長度為18 cm、揉搓板數為24個時，構樹莖稈絲化率達到95.6%，完全符合構樹飼料發酵與反芻動物的采食要求，也滿足標準NY/T 509—2015《秸稈揉絲機質量評價技術規范》[18-19]，其揉搓絲化后的產品如圖13所示。

圖13 構樹飼料揉搓絲化效果Fig. 13 Silking effect of Broussonetia papyrifera

4 結論

1) 本文重點對構樹收獲機揉搓絲化裝置進行設計，確定了初級絲化裝置中莖稈喂入傾斜角度為45°、梳齒間隙為15 cm、莖稈切碎長度一致性可以達到99.87%以及莖稈絲化處理的串聯級數為3級；采用可靠性設計方法設計了莖稈三級絲化裝置確定了物料絲化率為95%的情況下應選擇24根揉搓板，可滿足構樹飼料發酵和反芻動物采食要求，為整機結構提供了設計依據。

2) 利用Box-Behnken試驗方法建立了影響構樹莖稈絲化率的三個主要因素(揉搓絲化級數、莖稈切斷長度、揉搓板數)與莖稈絲化率的回歸方程；證明了最佳參數組合為揉搓絲化級數為3級、莖稈切斷程度為18cm、揉搓板數為24個時，莖稈絲化率達到95.6%，達到了構樹飼料的發酵和反芻動物的采食要求，滿足國家相關標準的指標要求。