李 娜，周 進，位國建，邸志峰，崔中凱，李 濤

(山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院，濟南 250100)

0 引言

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的出路在于機械化，玉米青貯收獲是玉米全程機械化的重要環(huán)節(jié)，也是目前相對薄弱的環(huán)節(jié)[1,9,13]。玉米是我國的第二大糧食作物，每年玉米收獲都會產(chǎn)生大量的玉米秸稈。玉米秸稈是玉米收獲的主要副產(chǎn)品，是我國重要的農(nóng)村經(jīng)濟資源。目前，農(nóng)村處理秸稈主要是焚燒，不僅浪費資源，也造成了環(huán)境污染[4-5]。玉米秸稈青貯后具有較高的營養(yǎng)價值，對玉米秸稈進行青貯回收利用，不僅可以解決畜牧飼料短缺，同時增加了農(nóng)民的收入，保護了生態(tài)環(huán)境[1-3,9]。

玉米收獲的機械化作業(yè)不但可降低農(nóng)民的勞動強度，還縮短了收獲時間，適應(yīng)了農(nóng)時，為玉米增產(chǎn)創(chuàng)造空間和條件。伴隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，秸稈作為飼料喂養(yǎng)家畜是其飼料價值和肥料價值的重要體現(xiàn)，亦是秸稈過腹還田的有效途徑[2,10,13]。4YZQK-4型青貯打捆玉米收獲機正是順應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展的產(chǎn)物，該機在收獲玉米果穗的同時，通過莖稈切斷、切碎、打捆作業(yè)完成對玉米秸稈的回收, 為發(fā)展畜牧業(yè)提供豐富的飼料資源，實現(xiàn)莖稈資源的回收利用。此技術(shù)的應(yīng)用有利于提高機具作業(yè)效率，降低農(nóng)民勞動強度，實現(xiàn)適時收獲，降低能耗，提高青貯飼料質(zhì)量。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標

4YZQK-4型青貯打捆玉米收獲機主要由收獲割臺、果穗攪龍、剝皮機、打捆裝置、一級果穗升運器、二級果穗升運器以及發(fā)動機等部分組成，如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)和性能指標如表1 所示。

1.收獲割臺 2.果穗攪龍 3.一級果穗升運器 4.剝皮機 5.切碎拋送裝置 6. 二級果穗升運器 7.果穗箱

工作時，穗莖兼收上割臺將玉米果穗摘下并經(jīng)攪龍和果穗第一級升運器進入剝皮機剝皮，同時下割臺將莖稈切斷經(jīng)秸稈輸送箱送入切碎機切碎；切碎后的玉米莖稈在拋送器的作用下被拋送至集草箱，集草箱內(nèi)的碎莖稈由喂料裝置喂入打捆裝置成捆室，在打捆裝置壓縮輥的作用下，將其卷壓成圓捆；最后，由繞繩機構(gòu)對草捆繞繩。

表1 主要技術(shù)參數(shù)和工作指標

1.2 主要參數(shù)的計算

設(shè)計的自走式青貯玉米收獲機為4行，割臺幅寬2 600mm，作業(yè)速度為3km/s(0.83m/s)。主要參數(shù)確定如下：

1)秸稈質(zhì)量。黃淮海玉米單產(chǎn)約6 000kg/hm2，查資料可知玉米干秸稈和玉米籽粒的質(zhì)量之比約為1.2∶1[9]，可得干秸稈質(zhì)量為7 200kg/hm2。按經(jīng)驗80%的玉米秸稈回收，20%還田，則干秸稈質(zhì)量為7 200×0.8=5 760kg/hm2。

青貯秸稈的含水率一般在40%～60%之間，現(xiàn)取其含水率為50%，則收獲時每公頃青秸稈質(zhì)量為mg=11 520kg/hm2。

2)作業(yè)時間。設(shè)青貯打捆玉米收獲機作業(yè)速度為3km/h，作業(yè)行數(shù)4行，玉米行距按650mm計算，收獲幅寬為2.6m，則每公頃作業(yè)時間為：tg=4 615s=1.28h。

3)莖稈收獲生產(chǎn)率。理論計算莖稈收獲生產(chǎn)率，即

Qj=0.1qjBjVj

(1)

式中qj—機具工作幅寬(m)；

Bj—青莖稈質(zhì)量(kg/hm2)；

Vj—收獲機作業(yè)速度(km/h)。

計算得Qj=8 985.6kg/h=2.496kg/s。

4)每公頃草捆個數(shù)。設(shè)纏繩后草捆的直徑為Dc、草捆寬度為Lc，取Dc=Lc=850mm，則計算草捆體積為

(2)

根據(jù)傳感器要求草捆的密度ρ=400～500kg/m3，取ρ=500kg/m3，故纏繩成型后草捆質(zhì)量為

mc=ρVc=240kg

(3)

由此得每公頃秸稈打成草捆的個數(shù)為Nc=48個/hm2。

1.3 工作原理

該機作業(yè)時，割臺分禾器將玉米植株導入割道，玉米果穗經(jīng)上層割臺的摘穗輥摘下，隨后經(jīng)攪龍和一級果穗升運器輸送至剝皮機，剝皮后經(jīng)二級果穗升運器輸送至果穗箱；玉米莖稈則被下層割臺的滾刀切斷，經(jīng)喂入裝置擠壓破節(jié)成束后，被送入切碎拋送裝置；切碎后的秸稈經(jīng)切碎拋送裝置拋出至集草箱，集草箱內(nèi)的碎莖稈由喂料裝置喂入打捆裝置成捆，并在打捆裝置壓縮輥的作用下，將其卷壓成圓捆；最后，由繞繩機構(gòu)對草捆繞繩，割斷后的根茬由安裝在機器尾部的滅茬還田機粉碎還田。

2 主要工作單元設(shè)計

2.1 穗莖兼收割臺設(shè)計

穗莖兼收割臺主要由摘穗輥、切斷刀、莖稈收集攪龍、鏈板輸送裝置、齒輥、光輥及切碎裝置等組成，如圖2所示。

1.摘穗輥 2.切斷刀 3.莖稈收集攪龍 4.輸送齒輥 5.鏈板喂入裝置 6.輸送光輥 7.定刀 8.切碎揉切裝置

穗莖兼收割臺工作時，果穗被摘穗輥摘下，并通過果穗收集攪龍收集；莖稈由切斷刀割斷，通過莖稈收集攪龍向后撥送，經(jīng)鏈板喂入裝置輸送以及齒輥和光輥的壓實作用，將秸稈輸送到切碎拋送裝置。穗莖兼收割臺工作流程如下：

1)上層割臺。玉米果穗→升運器→剝皮機→果穗 箱。

2)下層割臺。玉米秸稈→喂入裝置→切碎拋送裝置→集草箱→打捆裝置。

2.1.1 切斷刀的設(shè)計

切斷刀安裝在摘穗輥的下方，工作時，將玉米植株從根部割斷，匯入莖稈收集攪龍中。切斷刀由刀軸、刀片及M8螺栓組成，如圖3所示。刀軸均布4組刀片，每組刀片由2個刀片組成，呈180°安裝，相鄰刀片呈90°安裝。刀片通過M8螺栓緊固在刀軸上，以便維修和更換。為了保證刀片的剛度和刃口鋒利，刀片的材料選用65Mn鋼，刃口角設(shè)計為20°。

1.刀片 2.M8螺栓 3.刀軸

2.1.2 喂入裝置的設(shè)計

秸稈喂入裝置是將秸稈勻速地喂入切碎拋送裝置，并對秸稈有一定的破結(jié)壓實作用，以保證切碎質(zhì)量[4]。喂入裝置由莖稈收集攪龍、輸送鏈板、輸送齒輥以及輸送光輥組成，如圖4所示。由切斷刀切斷的玉米秸稈，經(jīng)莖稈收集攪龍收集，然后向后輸送，通過輸送鏈板及齒輥和光輥的壓緊作用均勻喂入切碎裝置。

1.莖稈收集攪龍 2.輸送鏈板 3.前上齒輥 4.后上齒輥 5.后下光輥 6.浮動機構(gòu)

為了保證莖稈收集攪龍的通過能力不至堵塞，設(shè)計攪龍直徑為500mm，轉(zhuǎn)速為85 r/min。為了提高對秸稈的抓取能力，兩前上喂入輥，采用較大直徑，兩喂入輥直徑為300mm；兩后喂入輥設(shè)計為較小的直徑，以便使喂入輥靠近切碎裝置，從而降低功率消耗和提高切碎質(zhì)量。取后上喂入輥直徑為140mm，后下喂入輥直徑為120mm。設(shè)計了浮動機構(gòu)，當秸稈喂入量突然增大時能夠?qū)⑶吧衔谷胼伜秃笊衔谷胼佅蛏咸?，從而使喂入裝置工作穩(wěn)定可靠。

2.1.3 切碎裝置設(shè)計

切碎裝置由殼體、刀盤焊合、拋送葉片焊合及主軸組成，如圖5所示。切碎刀片安裝在刀盤上，拋送葉片安裝在刀盤外邊緣[6,11-13]。

1.刀盤焊合 2.殼體 3.主軸 4.拋送葉片焊合

工作時，切碎刀片與定刀的共同作用將秸稈切碎，通過拋送葉片拋送出去。切碎刀片分為4組，安裝前傾角為15°，刀片刃角為24°。拋送葉片分為4組，拋送葉片背面設(shè)計有加強筋和加厚板，以保證其強度和拋送能力。

2.2 自動控制系統(tǒng)的改進設(shè)計

秸稈打捆時，料捆成形壓緊后要送繩和纏繩，這時要暫時停止秸稈喂入，直至料捆纏繩結(jié)束。開啟倉門卸出料捆后，進入下一個循環(huán)時喂入過程再重新啟動。手動控制秸稈喂入和纏繩過程的啟、停，對駕駛員要求比較高而且比較煩瑣，操作不當直接影響作業(yè)效率[7-9,13]。

針對上述情況，設(shè)計了單片機控制的自動卸料系統(tǒng)，如圖6所示。此系統(tǒng)采用信號輥來測定型腔內(nèi)已成型的草捆密度，當其達到一定密度后，成型草捆會帶動信號輥一起轉(zhuǎn)動，霍爾傳感器感知信號輥轉(zhuǎn)速，然后停止喂料并由單片機控制放繩和纏繩；完成后，再由單片機控制液壓電磁閥，開啟倉門卸料，完成單個打捆過程進入下一個循環(huán)。

3 樣機試驗

3.1 試驗條件

試驗于2016年10月在山東農(nóng)業(yè)機械科學研究院試驗場進行，并依照玉米收獲機械、青飼料收獲機械[14]和飼草圓捆打捆機械[15]等的相關(guān)行業(yè)標準進行試驗，考察該收獲機摘穗、剝皮、打捆及整機性能等。作業(yè)速度為0.8～1.6m/s，試驗田地表平整，平作種植，無倒伏現(xiàn)象。玉米植株平均高度為221cm，結(jié)穗平均高度為173cm，行距為650cm，平均株距為28cm，莖稈含水率68%～81%。

1.喂料離合器 2.接觸開關(guān) 3.送繩離合器 4.電磁閥 5.信號輥 6.霍爾傳感器

3.2 試驗結(jié)果

田間試驗時樣機工作穩(wěn)定，試驗效果良好；留茬高度適宜，切碎和破節(jié)效果理想，切取的青貯飼料節(jié)長能夠滿足飼喂牲畜的要求(喂牛飼料長度為3～5cm，喂羊飼料長度為1.5～2.5cm)；草捆密度控制均勻，成捆率為100%，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 樣機試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)4YZQK-4型自走式穗莖兼收玉米聯(lián)合收獲機集玉米收獲、莖稈切碎、根茬破碎于一體，既可完成摘穗，又可實現(xiàn)莖稈資源的回收利用，提高了玉米秸稈的綜合利用程度，有利于節(jié)約資源和保護環(huán)境。

2)設(shè)計了穗莖兼收割臺，能一次完成玉米果穗摘取及秸稈切斷、切碎拋送、打捆等作業(yè)。秸稈切碎和破節(jié)效果良好，能夠滿足青貯要求；打捆過程可靠，成捆率高。

3)對4YZQK-4莖稈青貯打捆玉米收獲機的打捆裝置的自動控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，自動開啟倉門系統(tǒng)使整個打捆過程不需要人工操作，提高了機具的自動化水平和工作效率。

4)機電一體化技術(shù)的綜合運用，使得該機型結(jié)構(gòu)緊湊、性能好、作業(yè)效率高，安全性得到有效保障。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0060-EA