張 奎,劉師多,師清翔,王升升,牛 康
(河南科技大學農業(yè)工程學院,河南洛陽471003)
玉米是世界三大主要糧食作物之一。近年來中國玉米種植面積不斷增加,玉米機收率卻遠低于小麥的90%和水稻的70%?,F(xiàn)有玉米聯(lián)合收獲機的主要功能是摘穗、果穗收集和秸稈粉碎還田。但現(xiàn)有機型功耗大,且不能實現(xiàn)秸稈切碎回收,其主要原因是:摘穗后的玉米植株仍長在田間,且雜亂無章,只能粉碎還田。對秸稈粉碎還田處理,一方面消耗大量動力,另一方面也制約著玉米秸稈的綜合利用。減小玉米聯(lián)合收獲機功耗的有效途徑是以秸稈切碎代替秸稈粉碎。
中國丘陵山區(qū)玉米種植面積約占全國玉米種植面積的1/4,主要集中在中國南方、西南方以及黃淮西部等地。丘陵山區(qū)溝壑縱橫,道路狹窄且路況復雜,地塊小、不規(guī)則;玉米種植大多采用人工種植方式,玉米行距及生長狀況差異較大?,F(xiàn)有機型對玉米行距要求嚴格,很難適應不同行距玉米的收獲[1-2],而且難以在丘陵山區(qū)轉移和作業(yè),市場上還沒有成熟的適合丘陵山區(qū)玉米收獲的機型[3]。對于丘陵山區(qū)出現(xiàn)的單行玉米機[4-6],因其生產效率低、對土壤碾壓嚴重,難以推廣應用。丘陵山區(qū)玉米收獲機械化的發(fā)展已經成為嚴重制約中國玉米收獲機械化全面提高的瓶頸。研發(fā)適合丘陵山區(qū)玉米收獲的機型已勢在必行,因此本文研制了與手扶拖拉機配套的雙行玉米聯(lián)合收獲機。
與手扶拖拉機配套的雙行玉米聯(lián)合收獲機總體配置如圖1所示。本機主要由莖稈切割及輸送裝置、摘穗及切碎裝置、果穗輸送裝置等部分組成。該機能自行開道,可一次完成摘穗、果穗收集、秸稈切碎還田。手扶拖拉機是丘陵山區(qū)的主要動力,本機與手扶拖拉機配置,增加了其利用率,配套動力為11.03 kW,整機轉彎半徑小,在丘陵山區(qū)通過性好。
通過對河南省西部丘陵地區(qū)玉米種植習慣的實地考察,該地區(qū)玉米種植行距范圍為400~800 mm。故設計收獲行距范圍為300~800 mm。莖稈切碎輸送裝置、摘穗及切碎裝置采用左偏置方式。開道后以左側為未收割區(qū),右側為收割區(qū)。
莖稈切割及輸送裝置主要包括可伸縮玉米莖稈引導扶持裝置、橫向輸送帶、往復割刀、縱向夾持鏈等部分。工作原理為:橫向輸送帶撥齒抓取生長玉米植株,同時往復割刀從根部將其割斷,由輸送帶完成帶穗玉米植株立姿橫向輸送,隨后由縱向夾持鏈將玉米植株立姿向后上方輸送。該裝置要求輸送帶撥齒抓取生長玉米植株的同時,割刀能將玉米植株割斷。玉米植株直徑范圍為20~30 mm,因此設計輸送帶撥齒超出割刀30 mm[7]。夾持鏈與地面夾角為35°[8],縮短了整機長度。一般玉米結穗高度都在500 mm以上,本裝置夾持點設計為400 mm,其高度可通過工作部件的升降來調節(jié),以適應不同果穗高度玉米的收獲。
圖1 與手扶拖拉機配套的雙行玉米聯(lián)合收獲機總體配置
摘穗及切碎裝置主要由摘穗裝置和切碎裝置組成。摘穗裝置主要完成玉米果穗的摘取,該裝置位于莖稈切割及輸送裝置下方,并與之有一定重疊,縱向夾持鏈向后輸送速度與摘穗裝置螺旋筋向后推進速度一致,確保立姿帶穗玉米植株在夾持鏈松開時能平穩(wěn)有序進入摘穗裝置,并在直筋段完成摘穗,避免了玉米植株未能進入摘穗輥而造成的堵塞。摘穗裝置與地面夾角25°,最大限度減小了整機長度,保證整機短小靈活。兩摘輥布置采用一高一低,垂直高度相差超過玉米果穗半徑,以便摘掉后的玉米果穗順利地落入果穗輸送裝置。
切碎裝置位于摘穗裝置下方,對完成摘穗后的玉米莖稈進行切碎還田,以切碎代替粉碎,有效降低了整機功耗。并改變傳統(tǒng)的與摘穗裝置垂直布置的方式,采用與摘穗裝置平行配置,增大了喂入口,便于摘穗后的玉米植株流暢的進入切碎裝置。切碎草長可調,可滿足不同畜牧養(yǎng)殖要求。
果穗輸送裝置主要由螺旋輸送攪龍等組成。通過螺旋葉片對玉米果穗的摩擦推運,將果穗輸送至果穗箱收集。本裝置體積小,質量輕,保證了整機的輕量小型化。入口低于摘穗裝置,便于玉米果穗能順利從摘穗裝置落入。螺旋輸送攪龍螺距S=150 mm,試驗表明:葉片高度20 mm,轉速不超過350 r/min[9]時,果穗輸送效率最高,且對果穗損傷小,輸送過程穩(wěn)定,對不同尺寸和含水率玉米果穗有較強適應性。
田間作業(yè)時(見圖2),隨著玉米收獲機的前進,生長在田間的未收割玉米A(見圖2)首先碰到可伸縮玉米莖稈引導扶持裝置的引導扶持桿,由于玉米根部韌性較大,引導扶持桿向內側縮回,當引導扶持桿上的拐點(見圖2中M點)超過玉米A時,引導扶持桿在拉簧作用下反方向旋轉,回到原來位置,起到扶持玉米莖稈的作用。輸送帶撥齒撥住玉米,同時割刀將帶穗玉米從根部割斷。割斷后的帶穗玉米處于輸送帶、引導扶持桿以及安裝板共同形成的通道中,在輸送帶撥齒的作用下沿圖2所示的運動軌跡立姿運送至縱向夾持鏈。夾持鏈將帶穗玉米植株立姿有序輸送到摘穗輥,摘穗輥完成玉米摘穗,同時將玉米莖稈向下拉入切碎裝置,將玉米秸稈切碎還田。摘掉的玉米穗落入果穗輸送攪龍部分,果穗在螺旋葉片推運作用下,進入果穗箱。
圖2 作業(yè)示意圖
為了保證帶穗玉米植株以直立姿態(tài)順利完成由橫向輸送到縱向輸送的過渡,應該使玉米植株在橫向輸送過程中就有一定的縱向輸送速度,因此將橫向輸送帶向前傾一個角度α,選取合適的α值可使輸送帶有與機進速度相同的分速度,輸送帶示意圖見圖3。
機進速度v為0.5 m/s,撥禾帶工作速度 v1為2.45 m/s,由sin α =v/v1,得 α =11.8°。
根據收獲需要,橫向輸送帶的撥齒間距要合適。
(1)撥齒間距過小時,兩撥齒到達同一抓取點的時間較短,則會出現(xiàn)玉米植株在還未被割斷的情況下,被多個撥齒撥打,造成玉米植株的損傷甚至折斷,即機器前進距離為植株直徑d時所用時間為t1,則在時間t1內,經過橫向輸送帶上同一抓取點的撥齒不能超過兩個。
圖3 輸送帶示意圖
(2)撥齒間距過大時,兩撥齒到達同一抓取點的時間較長,割斷的玉米植株在這段時間內會因為得不到及時的扶持輸送而發(fā)生傾倒,輸送過程很可能失敗,即機器前進距離為玉米株距l(xiāng)時所用時間為t2,則在時間t2內,經過橫向輸送帶上同一抓取點的撥齒不能少于兩個。
設橫向輸送帶上相鄰兩撥齒的距離為s。則由以上兩種情況可得:
式中,根據田間實際測量,植株直徑d的范圍是20~30 mm,植株間距l(xiāng)的范圍是200~300 mm。
通過計算,撥齒間距s的范圍是147~980 mm,因輸送帶總長度為960 mm,故撥齒數值可取:1、2、3、4、5、6,本機型取4個撥齒,即撥齒間距為240 mm。
根據現(xiàn)有研究成果,選擇夾持鏈速度v為1.9 m/s、夾持間隙為20 mm[10-11],此時玉米植株在縱向夾持輸送過程中引起的斷稈、傾倒等問題最少。調節(jié)夾持鏈張緊裝置,可使玉米莖稈立姿縱向輸送過程穩(wěn)定、可靠。
摘穗輥[12-14]分為3部分,前部為錐形引導段,中間為螺旋筋段,后部為直筋摘穗段。摘穗輥總長度為530 mm,前部錐形引導段長度為100 mm。直筋摘穗段一般在150 mm左右,本機將兩行玉米輸送到同一摘輥內摘穗,故適當加長直筋摘穗段,選取200 mm。摘輥直徑D在65~100 mm[15]時工作質量指標比較好。取摘輥直徑D=79 mm,螺旋筋、直筋直徑為D'=8 mm。一般摘穗輥的工作間隙s為:
式中,d為玉米秸稈直徑,玉米結穗下部莖稈直徑一般在20~30 mm,取d=30 mm,則摘輥間隙s=2~12 mm,選取s=9 mm。摘輥圓周速度v=3~4 m/s,選取摘輥圓周速度為3.8 m/s,則摘輥轉速為:
為使螺旋筋向后推送速度和夾持鏈速度保持一致,則由nL/60=v可確定螺旋筋的螺距L=125 mm。
玉米秸稈用途不同,對切碎長度的要求也不同。秸稈還田要求切碎長度小于100 mm。畜牧業(yè)要求切碎質量好,碎段長度一致,盡量不產生長草段,超長率應小于7%;茬口整齊,斜茬率應小于5%;切碎長度可根據飼養(yǎng)要求變化來調整,例如,牛以30~40 mm為宜;羊則以15~25 mm為宜[16-17]。本機切碎裝置可通過調整傳動比來調整切碎長度。莖稈理論切碎長度l=60 000 v/(nz),其中,v為莖稈喂入速度;n為滾刀轉速;z為動刀片數。取v為3.8 m/s,滾刀轉速2 100 r/min,動刀片數為3,則理論切碎長度為36 mm。
2012年10月,河南省農業(yè)機械產品質量監(jiān)督檢驗站對與手扶拖拉機配套的雙行玉米聯(lián)合收獲機進行了田間試驗和性能測試,測試結果如表1所示。
隨后,本機型在河南省西部丘陵地區(qū)進行了大面積可靠性收獲試驗,試驗結果表明:本機作業(yè)性能穩(wěn)定,操作靈活,可靠性高,損失小,深受廣大丘陵山區(qū)農民歡迎。
表1 與手扶拖拉機配套的雙行玉米聯(lián)合收獲機性能測試結果
本機器對玉米秸稈切碎處理,使得整機動力有效降低,配套動力為11.03 kW;行距適應性強,可收獲行距為300~800 mm;可一次完成玉米摘穗、果穗收集、秸稈切碎還田等作業(yè)。本機器以丘陵山區(qū)保有量最大的手扶拖拉機為配套動力,實現(xiàn)了玉米收獲機械的小型化,適合在丘陵山區(qū)推廣使用。
[1]賀俊林,胡偉,郭玉富,等.扶禾桿在不對行導入玉米莖稈中的運動仿真[J].農業(yè)工程學報,2007,23(6):125-129.
[2]張道林,刁培松,董鋒,等.撥禾指式不對行玉米收獲裝置的試驗[J].農業(yè)工程學報,2010,26(5):103-106.
[3]張喜瑞.董佑福.我國玉米收獲機械化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[C]//全國玉米收獲保護性耕作機械化學術研討會論文集.威海:中國農業(yè)工程學會,2006:33-39.
[4]杜岳峰,朱忠祥,毛恩榮,等.基于 ADAMS的丘陵山地小型玉米收獲機仿真[C]//收獲機械技術及裝備國際高層論壇論文集.鎮(zhèn)江:中國農業(yè)機械學會,2011:1-5.
[5]石敬之,呂先勝,李士貞.夏玉米不同收獲時期對產量的影響[J].河南農業(yè)大學學報,1987,21(2):275-279.
[6]王毓華,張巧蓮.小型手扶拖拉機配套微型玉米聯(lián)合收獲機的研究與設計[J].農機推廣與安全,2003(6):10-11.
[7]常建國,陳寶昌,卞瑞鋒,等.新型單行玉米收獲機的研究設計[J].農機化研究,2001(4):46-48.
[8]趙洪光,張道林.秸稈切割裝置夾持與切割關系的分析[J].山東理工大學學報:自然科學版,2005,19(4):81-84.
[9]倪長安,丁慧玲,劉師多,等.新型雙行玉米聯(lián)合收獲機的研制[J].農機化研究,2007(9):109-111.
[10]張喜瑞,董佑福,張道林,等.玉米收獲機夾持輸送裝置的研究[J].農業(yè)裝備與車輛工程,2007(10):8-17.
[11]李光樂,覃艷雅,張喜瑞,等.玉米聯(lián)合收獲機夾持輸送喂入裝置的優(yōu)化試驗[J].江蘇農業(yè)科學,2011,39(5):511-512.
[12]陳松濤,周學建,師清翔,等.玉米收獲機摘穗裝置運動參數特性研究[J].河南科技大學學報:自然科學版,2007,28(1):64-69.
[13]楊洪峰,張道林,張繼磊,等.玉米收獲機摘穗輥理論工作長度的研究[J].農機化研究,2010,32(1):188-190.
[14]??担瑒煻?,師清翔,等.新型玉米果穗輸送裝置的設計及應用[J].河南科技大學學報:自然科學版,2013,34(6):62-65.
[15]李寶筏.農業(yè)機械學[M].北京:中國農業(yè)出版社,2003:423-426.
[16]中國農業(yè)機械化科學研究院.農業(yè)機械設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988.
[17]藺公振,姬江濤,貌建華,等.滾筒式鍘草機設計[J].洛陽工學院學報,2000,21(1):11-13.