履帶式不停機打捆收割一體機設計與試驗

陳月鋒， 黃允魁， 徐名漢， 李君曉， 楊軍太， 董世平， 李 楊

（1.中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083； 2.現代農裝科技股份有限公司，北京 100083）

0 引言

檸條、沙柳和雜交構樹等莖稈、葉等粗蛋白含量高，是優質的新型非糧飼草料，開發和利用新的飼草料資源是解決飼料資源不足問題的有效途徑[1]。同時，檸條、沙柳和雜交構樹等莖稈木質纖維素含量高、熱值較高，是非常理想的生物質燃料[2]。近年來，隨著檸條、沙柳和雜交構樹等種植面積的增加，對其飼料化、能源化等資源化利用的重視程度也有所增加。雖然有許多研究人員致力于檸條、雜交構樹和灌木等機械化收獲方面的研究，并取得了一些研究成果，為其機械化收獲奠定了基礎，但原料商品化、低成本收儲及穩定高效的機械化收獲問題仍然急需解決[3-4]。只有加快機械化收獲技術的創新、推動機械化收獲技術研究向更高水平發展，才能更加充分地發揮資源優勢，更好地促進產業的發展和生態環境的保護[5]。

1 總體設計及工作原理

1.1 總體設計

履帶式不停機打捆收割一體機主要由履帶底盤、割臺、多輥輸送裝置、駕駛室、切碎裝置、拋送筒、鏈耙輸送機構、緩沖艙、圓捆打捆裝置、發動機與傳動系統、液壓系統和電控系統等組成，如圖1 所示。履帶底盤、割臺、多輥輸送裝置、切碎裝置、拋送筒、緩沖箱和打捆裝置位于縱軸線對稱位置，與發動機的動力輸出軸線平行。發動機動力通過聯組帶分為兩路，一路分往行走液壓泵，驅動底盤行走；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和打捆裝置，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。

圖1 履帶式不停機打捆收割一體機總體布置Fig.1 General layout of crawler type non-stop bundling and harvesting integrated machine

1.2 工作原理

收割作業時，隨著機器的行駛，高速旋轉的鋸盤首先將植株從根部往上鋸斷并推送至割臺的撥送攪龍，攪龍再將物料推送到多輥輸送裝置的入口。物料在多輥輸送裝置輸送輥的強制抓取和輸送作用下推送到切碎裝置，切碎滾筒將物料均勻地切碎，切碎后的物料沿著拋送筒迅速被拋送至緩沖箱。緩沖箱底部的鏈耙輸送機構將切碎后物料由喂入輥均勻地喂入到圓捆打捆裝置，打捆裝置將送來的物料卷壓成圓柱狀捆包。當打捆艙內捆包達到設定的規格大小和密度時，鏈耙輸送機構和喂入輥停止送料，送網機構開始釋放捆網，在捆網接觸到旋轉的捆包時，捆包外圓周表面就帶動捆網進行纏網作業，形成周圈纏繞。當纏繞捆網達到設定圈數時（通常4～5 圈），切網刀下落切開捆網，同時后艙門打開，釋放出成型的捆包，當成型捆包出艙滾落于地后，后艙門自動關閉完成一個打捆作業周期。緩沖箱用來存放來自切碎滾筒拋送來的物料，輸送鏈耙機構和進料喂入輥在纏網成型和開艙卸捆關閉后艙門之前停止運轉，只有當前一個打捆周期結束后，即成型圓捆完全離開打捆艙、后艙門自動閉合后，進料喂入輥和鏈耙輸送機構才重啟運轉，緩沖箱內的物料向打捆艙進行自動填充，開始下一個打捆周期。整個打捆過程和前后銜接動作通過電控系統自動控制，打捆裝置在纏網、閉合后艙門等過程中，機器保持正常行走和切割作業，割臺、輸送裝置和切碎滾筒等都持續正常運轉，實現了不停機圓捆打捆作業。各工作執行裝置和功能部件由底盤組合在一起，通過發動機提供動力驅動行走和工作部件，可一次性完成收割、輸送、切碎、拋送、緩沖暫存、打捆、纏網和出捆等作業流程。

2 關鍵部件設計

2.1 履帶底盤

考慮到檸條、沙柳等收割在三北地區沙丘、沙坡地等邊際土地，以及雜交構樹、蛋白桑等收割在南方多雨和黏重土壤地區進行，為提高行走作業的通過性能，行走系統采用履帶底盤。經估算，整機（負載作業時）質量M約8 t，常規農業機械履帶底盤“HST+變速箱”驅動方案無法滿足要求，故驅動采用“定量液壓泵+比例閥+變量行走馬達”的設計方案[6]。考慮到沙丘、沙坡地作業環境惡劣，部分沙丘地坡度較大，假設爬坡角度為α，運行阻力系數為f，爬坡狀態受力分析如圖2 所示。

圖2 爬坡狀態受力分析Fig.2 Stress analysis of climbing state

整機質量在斜坡方向分力

式中GX——整機質量在平行斜坡X方向上分力，N

M——整機質量，kg

g——重力加速度，取值9.8 m/s2

α——地面坡度，（°）

設備爬坡前進時的運行阻力

式中F——爬坡前進時的運行阻力，N

GY——整機質量在垂直斜坡Y方向上分力，N

驅動設備所需要的最大牽引力應為

式中T——驅動設備所需要的最大牽引力，N

設計最大爬坡角度α=20°，假設阻力系數0.12，根據式（1）和式（2）可得驅動設備所需要的最大牽引力35 655 N，根據選定的履帶節距90 mm，齒數16 齒的驅動輪。最大扭矩為

式中N——扭矩，N·m

D——節圓直徑，m

行走馬達理論最大輸出扭矩5 258 N·m，大于行走所需驅動扭矩4 112 N·m，所以滿足坡度20°爬坡行走需要。根據相關參數計算得出，當行走馬達輸出轉速113 r/min 時，理論行走速度9.8 km/h；當行走馬達輸出轉速73 r/min 時，理論行走速度6.3 km/h。

2.2 割臺

檸條、沙柳和雜交構樹等木本植物的莖稈屬于木質結構，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[7]。本設計采用雙圓鋸盤割臺裝置，根據鋸切原理通過兩個大直徑、轉速相對的圓盤鋸齒式切割器，實施無支撐切割，能夠將切割后的莖稈通過攪龍和撥送板強制撥送至輸送裝置入口，從而完成植株的鋸切、傾倒、撥送等動作。李曉飛[8]研究表明，采用圓盤鋸齒式切割器能滿足切割質量要求。而中國農業機械化科學研究院[9]經過多年研究，已研制了2.0～2.6 m 不同作業幅寬的系列雙圓鋸盤割臺裝置，對檸條、沙柳等灌木平茬切割效果良好，并且該系列割臺采用標準的快速連接接口，可以滿足不同木本植物收獲主機和不同寬窄種植的作業需求，因此，采用該單位自主研發的割臺裝置，可滿足收割作業需求。

2.3 多輥輸送裝置

多輥輸送裝置的功能是將由割臺輸出的物料傳遞并壓送給切碎裝置，設計的不停機打捆收割一體機采用了中國農業機械化科學研究院[10]具有專利技術的全浮動式喂入輸送裝置，該多輥輸送裝置主要由3 級喂入輥、張緊彈簧、浮動臂、動力輸入輪和機架構成。3級喂入輥及其喂入間隙逐級減小，其目的是在喂入過程中將比較蓬松的枝稈逐漸壓實，使之在切碎時適應切刀的工作條件，并且滿足不均勻物料喂入輸送時浮動且壓實的要求，具有良好的連續均勻輸送效果。

2.4 切碎滾筒裝置

為了滿足檸條、沙柳和雜交構樹等飼料化和燃料利用對原料切段長度的要求，該機采用了中國農業機械化科學研究院[11]自主研發的組合式切碎滾筒裝置，該組合式切碎滾筒裝置由2 組動刀組成，每組8 片，分左右兩列，交錯對稱布置，動刀片采用圓弧刀片，向內傾斜布置，可以實現滑切，減少切削阻力，理論切碎長度20 mm，切碎滾筒線速度45 m/s，該速度能夠拋送切碎物料，滿足切碎及風送功能于一體。經實踐應用，切碎滾筒裝置切碎效果滿足木本植物飼料化和燃料化利用對原料切段長度的需要。

2.5 圓捆打捆裝置

圓捆打捆裝置主要由緩沖箱、輸送鏈耙、喂入輥、壓捆輥、送網機構、切網刀、油缸、前艙架和后艙門等部分組成。緩沖箱用來存放來自切碎裝置拋送來的物料；輸送鏈耙配置在緩沖箱的底部，用來將緩沖箱的物料輸送到喂入輥，再由喂入輥將物料均勻喂入到由16 組壓捆輥組成的圓形纏繞腔內；16 組壓捆輥以接力方式將物料沿纏繞腔外圈快速纏繞旋轉，使物料形成外緊內松的圓形捆包。其結構如圖3 所示。

圖3 圓捆打捆裝置結構Fig.3 Structure of round baling device

2.5.1 打捆艙

圓捆打捆艙由16 組壓捆輥組成，分成前后兩個部分，前部分由7 組壓捆輥組成，固定在前艙架上，后部分由9 組壓捆輥組成，固定在后艙門上；輸送鏈耙和喂入輥固定在前艙架的前上方；送網機構和切網刀固定在后艙門上，后艙門在油缸作用下能夠繞前艙架鉸軸自由開合。打捆艙由16 組壓捆輥圍成的直徑Φ900 mm，寬度1 000 mm 圓柱形空腔。壓捆輥外圈設計有凸棱，以增強對物料的摩擦和卷捆能力。

2.5.2 輸送鏈耙機構

輸送鏈耙機構的動力由一組壓捆輥通過聯組帶驅動，聯組帶傳動的離合是由離合油缸控制，當離合油缸的缸桿伸出到最大行程時，聯組帶張緊并傳遞動力，當離合油缸的缸桿收縮到最小行程時，聯組帶松開并停止傳遞動力，達到停止物料輸送喂入的目的。為了將切碎物料順利送入打捆艙，設計輸送鏈耙有效寬度與打捆艙寬度一致。

2.5.3 喂入輥

喂入輥的作用是將輸送鏈耙送來的物料快速均勻地拋入打捆艙內，考慮到斷續雙螺旋結構具有將中間物料向兩側推送摸勻功能，后斜面尖齒具有拋送能力強回帶弱的特點，喂入輥采用斷續雙螺旋尖齒排列結構。其喂入有效寬度與輸送鏈耙有效寬度一致，其傳動是由一組壓捆輥通過一組等齒齒輪反轉進行傳遞。

2.5.4 網線送入機構和切網刀

為了將捆網有效送入打捆艙，送網機構采用橡膠輥和鋼輥組成對輥結構，并且鋼輥以隨動方式通過彈簧常壓在橡膠輥上，保持橡膠輥表面與鋼輥表面微壓接觸；切網刀圍繞著橡膠輥自由擺動，通常處于懸掛狀態，當需要切網時，切網刀快速自由落下，切斷網線，當后艙門打開時，切網刀恢復原狀，處于懸掛狀態。

橡膠輥的動力由一組壓捆輥通過電磁離合器和A型膠帶驅動，離合器安裝在壓捆輥上，膠帶輪固定在離合器上。

2.5.5 緩沖箱

當打捆艙內的捆包達到一定規格大小和密度時，捆包需要用捆網進行纏繞定型，而打捆艙內的捆包在纏網及后艙門打開出捆時，不得向打捆艙進行喂料作業，此時，需要設計一個物料緩沖箱，用來暫存來自切碎裝置拋送過來的物料。緩沖箱的設計要求應滿足：①在符合整機總體布置的前提下盡量大，以便存放盡量多的物料；②存放在緩沖箱內的碎物料，在重新喂入打捆艙時，不得在緩沖箱內結拱架空，形成堵塞，影響整機的作業流暢性。根據收割效率測算物料量，確定緩沖箱有效容積1.36 m3，其斜面與地面的角度70°，以減少結拱，確保能使切碎物料滑落至輸送鏈耙。

2.6 液壓系統

整機液壓系統包含行走液壓和作業液壓兩個部分，總體特點：壓力損失小，工作可靠，平穩無沖擊，油溫合適，有足夠大的輸出功率，保證工作部件動作時液壓提升力足夠；運行速度合適，保證整機正常平穩地行走和完成各工作動作。行走液壓系統，采用“定量泵+比例閥+雙變量馬達”方案，主要由30 MPa 高壓泵、行走比例閥、變量行走馬達、高壓濾清器、回油濾清器、散熱器、單向閥及油管組成；確保整機穩定行走，轉向方便快捷。作業液壓系統，由液壓泵、三路電磁閥、分配閥、馬達排量控制閥、圓捆打捆裝置閥組、回油濾清器、液壓鎖、液壓油缸及油管組成；分配閥應確保優先供給行走馬達的流量，排量控制閥用來調控馬達快慢變量，調整機器行走速度；圓捆打捆裝置閥組通過監控并調控圓捆機油缸的流量，當油壓達到設定值，給出動作指令。

2.7 自適應調控系統

為解決檸條、沙柳和雜交構樹等生物量不均勻而帶來的喂入負荷不均勻、動力匹配不合理等問題，集成應用中國農業機械化科學研究院集團有限公司自主研發的負荷喂入與作業速度自動匹配的自適應調控系統，在割臺和輸送裝置設有喂入負荷傳感器，在底盤設有行走速度傳感器等，通過程序控制器能夠識別和判斷負荷信號與行走速度信號，并通過程序控制器進行行走液壓馬達的變量調控，實現行走作業速度與喂入生物量的自適應調控。該系統在自動輔助駕駛模式下可實現負荷喂入與作業速度的自動調控匹配，可減少故障發生，保障不均勻物料的連續收獲作業。

2.8 不停機打捆系統

傳統的圓捆機捆包完成后，需要停車來繼續纏網、出捆動作[12]。即圓捆打捆設備在捆包密度達到設定要求時，需要進行纏網、切割捆網和開啟后艙門釋放捆包、關閉后艙門等一系列間歇性時序動作，在此過程中整機需要駐車停止前進和切割作業，停止物料喂入圓捆打捆裝置。國外某品牌能源林生物質打捆機在捆包達到預設密度后，打捆機停機開始捆扎，捆扎完成后，后艙門打開，捆包被彈出并掉落到地面上。如此間歇式打捆作業，嚴重影響了整體的作業效率。經過試驗測試，通常從開始駐車纏網到關閉后艙門重新啟動行走喂料作業的時間至少需要30 s。為提高作業效率，研究設計了一種不停機打捆系統，包含打捆裝置、緩沖箱、輸送鏈耙機構、喂入輥、傳感器和調控系統等。在不停機打捆系統中，打捆艙前上部位布置了緩沖箱和輸送鏈耙機構，后艙門上布置了網線送入機構，并且對打捆裝置的輸送鏈耙、網線送入橡膠輥、切網刀切網回位和后艙門開合進行了實時監控，通過PLC 程序對三路電磁閥、電動推桿和電磁離合器進行動態控制，從而實現輸送喂料、打捆、纏網、割網和開合后艙門等自動調控。

不停機打捆系統控制邏輯關系：隨著物料的喂入，打捆艙內圓捆密度不斷增加，后艙門油缸壓力也將不斷增加，當后艙門油缸壓力達到設定值時，PLC 操控電磁閥，切斷輸送鏈耙和喂入輥的動力，停止物料輸送喂入，同時發出指令控制電磁離合器啟動捆網送入機構對圓捆進行纏網作業，當捆網纏繞達到了設定圈數時（通常4～5 圈），PLC 操控電動推桿釋放切網刀割斷捆網，同時PLC 操控電磁閥給后艙門油缸正、反向供油，使后艙門打開釋放成型的捆包后重新閉合，切網刀回位，重新啟動輸送鏈耙和喂入輥開始輸送填料，開始下一個打捆作業。

不停機打捆系統實現了圓捆打捆裝置各動作的無縫銜接和連續作業，打捆纏網和開合后艙門的同時，不影響機器行走、切割、輸送、粉碎和拋送物料各個前序動作，減少了駐車停頓和間歇性操作，提高了收割打捆工作效率，實現了連續收割不停機打捆目標。

3 樣機試驗與結果

3.1 樣機試驗情況

在河北省康保縣進行了樣機田間性能試驗，如圖4所示。收割對象為人工檸條林，林齡在10 年以上，檸條平均高1.2～1.5 m，莖稈直徑1～2 cm，呈帶狀種植，2 行為1 帶，行間距約1.5 m，帶寬約3 m，帶間距約6 m，檸條帶長度約1 000 m，地塊寬度約2 000 m，地勢略有起伏，坡度<10°，沙坡地表面有薄層黏土或鹽土結皮，覆蓋生長少量植被。通過測試，樣機在薄土層沙坡地行走順暢，原地轉彎輕松自如，作業流程通暢，能夠實現檸條切割、輸送、切碎、拋送、鏈耙輸送、打捆、纏網和卸捆鋪放等一體化功能，具有自動填料輸送、不停機打捆、自動送網割網和自動開關艙門等功能特點。樣機田間測試重點考察了設備收獲作業效率和成捆率等性能指標。

圖4 履帶式不停機打捆收割一體機作業Fig.4 Crawler type non-stop bundling and harvesting integrated machine operation

為驗證設備履帶底盤爬坡性能，在設備裝卸和轉場作業時進行了爬坡測試，測試設備在轉運時空載及載質量（未卸捆）狀態爬坡能力下，通過自行攀爬運輸掛車（掛車斜坡坡度20°），測試反映設備在20°爬坡行走作業時的適應能力，如圖5 所示。

圖5 爬坡測試（掛車斜坡坡度20°）Fig.5 Climbing test（trailer slope gradient is 20°）

3.2 試驗結果

樣機試驗時采用自動輔助駕駛模式，經綜合性能測試，研制的履帶底盤能夠適應8 t 載質量驅動行走和20°爬坡要求，整機樣機平均作業速度3～4 km/h，最高作業速度可達5.9 km/h，圓捆成型尺寸Φ900 mm×1 000 mm，捆型規整，平均捆質量約220 kg/捆（檸條鮮質量），成捆率98.2%，作業損失率5.5%，作業后平均割茬高度<8 cm，生產效率0.66 hm2/h，可以實現收割、輸送、連續不停機打捆作業。測試結果發現，損失率略顯偏高，分析主要原因是檸條葉片較細小，在粉碎、輸送、卷捆翻滾等過程中，葉片容易脫落，尤其在圓捆成型初期，捆卷相對比較松散，細小的葉片和粉碎物料未能及時形成致密的團狀，從而容易從壓輥間隙中漏出，導致損失率相對較高，但測試損失率在可接受范圍之內，可通過進一步優化調整壓輥間隙減少損失。綜合測試結果表明，研制的履帶式不停機打捆收割一體機性能達到了設計要求。

4 結束語

履帶式不停機打捆收割一體機能夠實現收割、粉碎、輸送、拋送、鏈耙輸送、不停機打捆、纏網和卸捆鋪放等一體化作業，具備喂入負荷與作業速度自適應調控功能和連續收割不停機打捆功能，能將檸條、沙柳和雜交構樹等在收割的同時直接打捆成Φ900 mm×1 000 mm 標準的捆型，減少了收割作業環節，提高了作業效率，為檸條、沙柳和雜交構樹等高效低成本、商品化、標準化收獲提供了技術裝備基礎。經樣機測試，研制的履帶式不停機打捆收割一體機各項性能指標基本滿足檸條、沙柳和雜交構樹等木本植物資源化利用高效收獲的需要，但也仍有一定的技術提升和改進空間，建議未來進一步優化提高打捆密度、減少損失率，加強可靠性疲勞試驗，提高整機作業性能。