9L-200 型灌木收獲機設計與試驗

黃允魁，徐名漢，陳月鋒，狄明利，高 威，楊軍太，李 楊

（中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083）

0 引言

檸條、沙棘、沙柳和紫穗槐等灌木植物，由于粗蛋白含量高（16%～30%）是動物的優質非糧飼料；也因為他們的熱值高（16.75 kJ 左右），又是很好的生物質燃料[1]。灌木作為“三北”防護林植物，主要集中分布在甘肅省、寧夏回族自治區、內蒙古自治區等西北地區的沙坡地上，起到防風固沙的作用。而作為人工種植的雜交構樹、紫穗槐等種植灌木，其植株一般比較矮小，不會超過6 m，在地面根部就開始橫生枝干，是多年生植物，主要分布在東北、中原、南方地區[2-3]。近幾年，國家對構樹產業支持力度不斷加大，其產業發展迅速，2018 年4 月，農業農村部將構樹納入《飼料原料目錄》，雜交構樹的種植面積迅速擴大，僅僅幾年全國雜交構樹的種植面積就超過了1.33 萬hm2，還在逐年增加[4]。

利用檸條、雜交構樹、蛋白桑等生產飼料，不但能降低飼料的成本，還能提升動物的肉質及產奶質量，因此構樹、檸條、蛋白桑等深加工產業的企業如雨后春筍般成立發展[5]。為了實現碳達峰和碳中和，我國嚴格控制煤炭等石化原料的使用，建成了許多生物質電廠，同時也改造了許多民用和辦公用生物質鍋爐，為灌木生物質原料的大量使用找到了廣泛用途[6-7]。研制開發合適的灌木收獲機械是當務之急，是解決灌木規模化綜合利用的有效途徑，尤其是開發既適合西北地區沙坡地又適合南方雨季的履帶灌木收獲機械市場潛力巨大，會為國家帶來重大的經濟和社會效益[8-11]。目前市場上的灌木收獲機存在兩個問題：一是適應范圍不能覆蓋北方較陡的沙坡、丘陵和南方泥濘的邊際地塊；二是整機作業效率沒有達到優化發揮。本研究是在現有輪式灌木收獲機基礎上，通過8 t 履帶底盤的研發，解決灌木收獲機適應性問題；通過整機總體布置和模塊化部件設計、關鍵部件試驗，以優化參數和整機結構，解決作業效率發揮的問題，實現在輪式灌木收獲機或其他機型上移植使用。

1 總體結構及技術參數設計

1.1 總體結構設計

9L-200 型灌木收獲機采用液壓馬達驅動的履帶底盤，鋸片灌木割臺、輸送機構、切碎裝置、拋送筒、緩沖箱和集料箱在主機縱向，恰好位于主機縱軸線對稱位置；發動機橫向配置于收獲機的中后部，所有工作部件的傳動軸全部垂直于主機的縱軸線，與發動機的動力輸出軸線平行，簡化了主傳動設計，發動機位于中后部也可減小駕駛室噪聲。割臺、喂入機構與切碎裝置采用獨立單元結構，相互連接采用快速掛接機構，并全部配置于主機前方，整體可繞多輥輸送中間傳動軸轉動。

檸條、雜交構樹、蛋白桑等灌木在夏秋季含水率較高時，作為飼料進行多茬收獲，而在冬春季含水率較低時，作為燃料進行平茬收獲，因此要求該機一年四季都能收獲。收獲作業時，隨著機器的行走，高速旋轉的鋸盤首先將灌木鋸斷并推送至割臺的撥送攪龍，攪龍再將灌木枝桿推送到輸送裝置的入口，隨后灌木枝桿在輸送裝置的多輥強制抓取和輸送作用下推送到切碎裝置，切碎滾筒再將灌木枝桿切碎并拋送至集料箱，形成履帶集箱式灌木聯合收獲機。總體結構設計如圖1 所示。

圖1 9L-200 型灌木收獲機結構Fig.1 Structure of 9L-200 shrub harvester

1.2 傳動設計

發動機動力通過聯組帶分為兩路，一路分往行走，即行走液壓泵，另一路分往作業部件的中間軸，中間軸再分別傳往切碎裝置，切碎裝置通過反轉齒箱和中間軸再分別傳往多輥輸送裝置和割臺裝置。

1.3 參數確定

（2）整機高度。我國幅員遼闊，灌木生長除了內地人工種植的平原土地之外，大部分集中在西北部的內蒙古自治區、新疆維吾爾自治區沙漠坡地等邊際土地上。灌木收獲機體積大，行走速度慢，遠距離轉移大多依靠汽車運輸，我國橋涵限高尺寸大多為4.5 m，而運輸車輛的底板距離地面高度大多為1.2 m，因此檸條、沙柳等收獲機的高度應控制在3.3 m 以下。

（3）整機長度。考慮到灌木收獲機行走轉向及轉彎半徑等因素，最終確定履帶飼料收獲機的整機長度為7.94 m。

（4）履帶間距和寬度。由于灌木既有人工種植，也有沙漠坡地生長，行距種類較多，沒有固定的行距，考慮機具履帶在寬行中行走，同時考慮履帶外寬不超過割臺，選擇履帶間距1 750 mm，履帶寬度450 mm。

2 關鍵部件設計

2.1 履帶底盤

考慮到在沙漠坡地等邊際土地上收獲灌木，采用履帶底盤，結構如圖2 所示。驅動采用“定量液壓泵+比例閥+變量行走馬達”的方案。根據總體布置，整機質量約8 t、工作速度0～6 km/h、轉場速度0～9 km/h要求，首先選擇農機常用HST+變速箱方案，但當前最大的80 型只適用5.5 t 整機，不能滿足要求；再選擇工程常用定量泵+比例閥+雙變量馬達方案，但行走最高速度只有4 km/h，不符合要求；最終選擇青島力克川液壓機械有限公司LTM07N 型液壓行走馬達，經調整速比并計算，最高速度9.8 km/h、最低速度6.3 km/h，滿足需要。

圖2 履帶結構Fig.2 Structure of track

履帶規格與型號確定：履帶的接地長度L=2.44 m，履帶寬度b=0.45 m，履帶高度h=0.63 m，計算平均接地比壓p。

2.2 灌木割臺

由于檸條、沙柳、蛋白桑等灌木生長在沙質非農田區域，沒有行的概念，生長密度也稀疏不均，而且屬于木質結構，質地堅硬，傳統的往復式割刀和旋轉式割刀都不能達到平茬無損切割的要求[12]。

采用鋸切原理，設計成雙圓鋸盤向內旋轉對灌木實施無支撐切割，鋸盤的鋸尖線速度達到50 m/s，切割后的灌木在壓枝輥和左右切割器上翼板的共同作用下，枝桿前傾并逐步倒下，根部首先被送入撥送攪龍，在撥送板的作用下，強制性地被送入多輥輸送裝置入口，完成灌木的鋸切、傾倒、撥送過程。在機器前行過程中，會有少量的枝桿不是按順序進入到撥送口區域，可能會直接到達攪龍的左右端位置，撥送攪龍的兩側設計有推送葉片，可將進入到兩側的枝桿強行推送至撥送板區域，在撥送板的作用下被推送至多輥輸送裝置的入口。灌木切割撥送裝置結構如圖3 所示。

圖3 灌木切割撥送裝置結構Fig.3 Structure of shrub cutting and feeding device

動力經由多輥輸送裝置的動力軸傳入，經膠帶輪傳送至割臺的動力裝置，動力輸出端設計有兩個鏈輪，分別驅動撥送攪龍和左右切割器。由于動力裝置與切割器距離較遠，所以設計有中間傳動裝置，將動力平均分配給左右齒輪箱，從而滿足切割器所需要的轉速和動力。壓枝輥的作用是當枝桿被鋸切后，使之傾倒從而實現枝桿水平方向的撥送；左右切割器旋轉方向相反，使鋸切后的枝桿從中間區域進入撥送攪龍；根據不同的灌木密度和桿徑的大小，撥送攪龍設計成撥送通過面積可調，通過左右軸承座上的調整螺栓來實現；枝桿多時調大，稀疏時減小。

2.3 切碎滾筒裝置

針對飼料和燃料對灌木切段長度的不同要求，研究開發了組合式切碎滾筒裝置，并配置了反轉齒輪箱。在組合式切碎滾筒里，刀架與滾筒支架采用螺栓固定，動刀與刀架也采用螺栓固定，動刀分左右兩列，交錯對稱布置，每列8 片動刀，動刀片向內傾斜布置，實現滑切，減少切削阻力，其結構如圖4 所示。刀片采用5Cr8Mo2WSiV 合金鋼。

1.3.2 觀察指標 SAP10-2模式偏差圖分為上半側、下半側和六個區域，每個區域均計算平均缺損（aMD上半側，aMD下半側，aMD鼻上，aMD上方，aMD顳上，aMD鼻下，aMD下方，aMD顳下）。因模式偏差圖的每位點數值單位dB為相對亮度單位，非線性，因此計算某區域視野平均缺損時需將模式偏差圖的每位點數值（單位為dB）轉換為反對數單位（1／L）后再求算術平均數。轉換單位的公式為平均缺損（MD）1／L＝10（0.1×MDdB）。MD1／L數值越小表示視野缺損越嚴重。統計模式偏差圖的68個位點中超過90%的SAP10-2異常受試者存在視野損害的位點編號與空間分布特點。

圖4 組合式切碎滾筒裝置Fig.4 Combined shredding drum device

2.3.1 灌木切碎長度確定

根據多輥輸送裝置第3 喂入輥外圓直徑0.21 m、轉速356 r/min，則線速度約為3.92 m/s；設計切碎滾筒直徑0.6 m、轉速24.167 r/s，則線速度約為45.55 m/s；切碎滾筒圓周上均布8 片動刀，則動刀切灌木的次數約為193.33 次/s；相應切段長度為20 mm，這就是灌木作為飼料的理論切段長度。若用作燃料，為了降低能耗，可隔一組刀架拆卸一組刀架，相應也拆除了動刀，使每列動刀片數量由8 片減為4 片，此時理論切段長度為40 mm。

2.3.2 灌木拋送速度確定

由于切碎滾筒的線速度為45.55 m/s，則灌木切碎后拋離切碎滾筒的線速度也為45.55 m/s，經過田間試驗，這個速度能夠拋送切碎物料到緩沖箱，滿足氣流輸送的功能。

2.4 反轉齒箱裝置

為了快速排除多輥輸送裝置和切碎滾筒裝置堵塞故障，在切碎滾筒與多輥輸送裝置的傳動之間設置了反轉齒箱裝置。該裝置由輸入鏈輪、輸出鏈輪、輸入齒輪、中間齒輪和組合齒輪等部分組成，其結構如圖5 所示。

圖5 反轉齒箱裝置Fig.5 Reverse gear box device

與輸出鏈輪在同一軸上的組合齒輪有空擋、正轉和反轉3 個擋位。當組合齒輪與中間齒輪嚙合時，多輥輸送裝置正轉，進行正常喂入切碎作業；當發生堵塞時，組合鏈輪調在空擋，切斷多輥輸送裝置的傳動，切碎滾筒獨自轉動，排除切碎滾筒中的物料；之后調整組合齒輪與輸入鏈輪（21 齒）嚙合，多輥輸送裝置反轉，由于反轉速比近似為正轉速比的1.5 倍，從而反轉扭矩也是正轉扭矩的1.5 倍，所以反轉便可以吐出多輥輸送裝置中堵塞的物料，達到堵塞快速排除的效果。

3 樣機試驗及推廣前景

3.1 樣機試驗情況

9L-200 型灌木收獲機樣機在河北省康保縣郝家營村進行了性能試驗，對試驗中發現的問題進行了改進和試驗。通過康寶縣的田間收獲試驗，樣機流程通暢，通過自動控制，能夠實現檸條切割、輸送、切碎、拋送、鏈爬輸送和鋪放等作業流程，具有切段長度有級可調、故障報警等特點，樣機田間試驗如圖6 所示。

圖6 樣機田間試驗Fig.6 Prototype field test

3.2 樣機檢測結果

研制的9L-200 型灌木收獲機經國家農機具質量檢驗檢測中心現場檢測，各項檢測數據都達到考核指標，如表1 所示。

表1 9 L-200 型灌木收獲機現場檢測指標Tab.1 Field inspection indicators of 9 L-200 shrub harvester

3.3 推廣前景

樣機通過試驗和改進后，可為我國沙地、沙坡、丘陵地和泥濘地灌木收獲作業提供合適的關鍵技術和機械裝備，解決輪式收獲機不能進行灌木收獲作業的最后一公里問題，即增加了適用范圍。

4 結束語

9L-200 型灌木收獲機是在復雜地形環境下實現了灌木平茬收割、強制喂入、切碎和拋送功能于一身的聯合收獲機械，拓展了飼料作物范圍，促進了我國灌木機械的發展。其不但能夠在較平坦地塊進行灌木收獲作業，也能夠在沙地、沙坡、丘陵等邊際復雜地塊進行灌木收獲作業，適應范圍更廣、效率更高，可提高機器的創收能力，縮短用戶投資回收期，具有良好的社會效益和生態效益。該機型技術先進、經濟適用，能夠滿足我國灌木產區各種地塊的使用要求，可減輕勞動強度、降低生產成本、提高林業效益和增加農民收入。