黃允魁，徐名漢，陳月鋒，狄明利，高 威，楊軍太，李 楊

（中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)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(yōu)質(zhì)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(zhì)燃料[1]。灌木作為“三北”防護(hù)林植物，主要集中分布在甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)等西北地區(qū)的沙坡地上，起到防風(fēng)固沙的作用。而作為人工種植的雜交構(gòu)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(qū)[2-3]。近幾年，國家對構(gòu)樹產(chǎn)業(yè)支持力度不斷加大，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2018 年4 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將構(gòu)樹納入《飼料原料目錄》，雜交構(gòu)樹的種植面積迅速擴(kuò)大，僅僅幾年全國雜交構(gòu)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(gòu)樹、蛋白桑等生產(chǎn)飼料，不但能降低飼料的成本，還能提升動物的肉質(zhì)及產(chǎn)奶質(zhì)量，因此構(gòu)樹、檸條、蛋白桑等深加工產(chǎn)業(yè)的企業(yè)如雨后春筍般成立發(fā)展[5]。為了實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和，我國嚴(yán)格控制煤炭等石化原料的使用，建成了許多生物質(zhì)電廠，同時也改造了許多民用和辦公用生物質(zhì)鍋爐，為灌木生物質(zhì)原料的大量使用找到了廣泛用途[6-7]。研制開發(fā)合適的灌木收獲機(jī)械是當(dāng)務(wù)之急，是解決灌木規(guī)模化綜合利用的有效途徑，尤其是開發(fā)既適合西北地區(qū)沙坡地又適合南方雨季的履帶灌木收獲機(jī)械市場潛力巨大，會為國家?guī)碇卮蟮慕?jīng)濟(jì)和社會效益[8-11]。目前市場上的灌木收獲機(jī)存在兩個問題：一是適應(yīng)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(jī)作業(yè)效率沒有達(dá)到優(yōu)化發(fā)揮。本研究是在現(xiàn)有輪式灌木收獲機(jī)基礎(chǔ)上，通過8 t 履帶底盤的研發(fā)，解決灌木收獲機(jī)適應(yīng)性問題；通過整機(jī)總體布置和模塊化部件設(shè)計、關(guān)鍵部件試驗，以優(yōu)化參數(shù)和整機(jī)結(jié)構(gòu)，解決作業(yè)效率發(fā)揮的問題，實現(xiàn)在輪式灌木收獲機(jī)或其他機(jī)型上移植使用。

1 總體結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

檸條、雜交構(gòu)樹、蛋白桑等灌木在夏秋季含水率較高時，作為飼料進(jìn)行多茬收獲，而在冬春季含水率較低時，作為燃料進(jìn)行平茬收獲，因此要求該機(jī)一年四季都能收獲。收獲作業(yè)時，隨著機(jī)器的行走，高速旋轉(zhuǎn)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(qiáng)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(lián)合收獲機(jī)。總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 9L-200 型灌木收獲機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 9L-200 shrub harvester

1.2 傳動設(shè)計

發(fā)動機(jī)動力通過聯(lián)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(yè)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(zhuǎn)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(shù)確定

（2）整機(jī)高度。我國幅員遼闊，灌木生長除了內(nèi)地人工種植的平原土地之外，大部分集中在西北部的內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)沙漠坡地等邊際土地上。灌木收獲機(jī)體積大，行走速度慢，遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移大多依靠汽車運(yùn)輸，我國橋涵限高尺寸大多為4.5 m，而運(yùn)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(jī)的高度應(yīng)控制在3.3 m 以下。

（3）整機(jī)長度?？紤]到灌木收獲機(jī)行走轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)彎半徑等因素，最終確定履帶飼料收獲機(jī)的整機(jī)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(jī)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(guān)鍵部件設(shè)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(jié)構(gòu)如圖2 所示。驅(qū)動采用“定量液壓泵+比例閥+變量行走馬達(dá)”的方案。根據(jù)總體布置，整機(jī)質(zhì)量約8 t、工作速度0～6 km/h、轉(zhuǎn)場速度0～9 km/h要求，首先選擇農(nóng)機(jī)常用HST+變速箱方案，但當(dāng)前最大的80 型只適用5.5 t 整機(jī)，不能滿足要求；再選擇工程常用定量泵+比例閥+雙變量馬達(dá)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(jī)械有限公司LTM07N 型液壓行走馬達(dá)，經(jīng)調(diào)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(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of track

履帶規(guī)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(zhì)非農(nóng)田區(qū)域，沒有行的概念，生長密度也稀疏不均，而且屬于木質(zhì)結(jié)構(gòu)，質(zhì)地堅硬，傳統(tǒng)的往復(fù)式割刀和旋轉(zhuǎn)式割刀都不能達(dá)到平茬無損切割的要求[12]。

采用鋸切原理，設(shè)計成雙圓鋸盤向內(nèi)旋轉(zhuǎn)對灌木實施無支撐切割，鋸盤的鋸尖線速度達(dá)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(qiáng)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(jī)器前行過程中，會有少量的枝桿不是按順序進(jìn)入到撥送口區(qū)域，可能會直接到達(dá)攪龍的左右端位置，撥送攪龍的兩側(cè)設(shè)計有推送葉片，可將進(jìn)入到兩側(cè)的枝桿強(qiáng)行推送至撥送板區(qū)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(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 灌木切割撥送裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of shrub cutting and feeding device

動力經(jīng)由多輥輸送裝置的動力軸傳入，經(jīng)膠帶輪傳送至割臺的動力裝置，動力輸出端設(shè)計有兩個鏈輪，分別驅(qū)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(yuǎn)，所以設(shè)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(zhuǎn)速和動力。壓枝輥的作用是當(dāng)枝桿被鋸切后，使之傾倒從而實現(xiàn)枝桿水平方向的撥送；左右切割器旋轉(zhuǎn)方向相反，使鋸切后的枝桿從中間區(qū)域進(jìn)入撥送攪龍；根據(jù)不同的灌木密度和桿徑的大小，撥送攪龍設(shè)計成撥送通過面積可調(diào)，通過左右軸承座上的調(diào)整螺栓來實現(xiàn)；枝桿多時調(diào)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(fā)了組合式切碎滾筒裝置，并配置了反轉(zhuǎn)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(nèi)傾斜布置，實現(xiàn)滑切，減少切削阻力，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。刀片采用5Cr8Mo2WSiV 合金鋼。

1.3.2 觀察指標(biāo) SAP10-2模式偏差圖分為上半側(cè)、下半側(cè)和六個區(qū)域，每個區(qū)域均計算平均缺損（aMD上半側(cè)，aMD下半側(cè)，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(shù)值單位dB為相對亮度單位，非線性，因此計算某區(qū)域視野平均缺損時需將模式偏差圖的每位點數(shù)值（單位為dB）轉(zhuǎn)換為反對數(shù)單位（1／L）后再求算術(shù)平均數(shù)。轉(zhuǎn)換單位的公式為平均缺損（MD）1／L＝10（0.1×MDdB）。MD1／L數(shù)值越小表示視野缺損越嚴(yán)重。統(tǒng)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(jù)多輥輸送裝置第3 喂入輥外圓直徑0.21 m、轉(zhuǎn)速356 r/min，則線速度約為3.92 m/s；設(shè)計切碎滾筒直徑0.6 m、轉(zhuǎn)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(shù)約為193.33 次/s；相應(yīng)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(yīng)也拆除了動刀，使每列動刀片數(shù)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(jīng)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(zhuǎn)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(shè)置了反轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)3 個擋位。當(dāng)組合齒輪與中間齒輪嚙合時，多輥輸送裝置正轉(zhuǎn)，進(jìn)行正常喂入切碎作業(yè)；當(dāng)發(fā)生堵塞時，組合鏈輪調(diào)在空擋，切斷多輥輸送裝置的傳動，切碎滾筒獨自轉(zhuǎn)動，排除切碎滾筒中的物料；之后調(diào)整組合齒輪與輸入鏈輪（21 齒）嚙合，多輥輸送裝置反轉(zhuǎn)，由于反轉(zhuǎn)速比近似為正轉(zhuǎn)速比的1.5 倍，從而反轉(zhuǎn)扭矩也是正轉(zhuǎn)扭矩的1.5 倍，所以反轉(zhuǎn)便可以吐出多輥輸送裝置中堵塞的物料，達(dá)到堵塞快速排除的效果。

3 樣機(jī)試驗及推廣前景

3.1 樣機(jī)試驗情況

9L-200 型灌木收獲機(jī)樣機(jī)在河北省康?？h郝家營村進(jìn)行了性能試驗，對試驗中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了改進(jìn)和試驗。通過康寶縣的田間收獲試驗，樣機(jī)流程通暢，通過自動控制，能夠?qū)崿F(xiàn)檸條切割、輸送、切碎、拋送、鏈爬輸送和鋪放等作業(yè)流程，具有切段長度有級可調(diào)、故障報警等特點，樣機(jī)田間試驗如圖6 所示。

圖6 樣機(jī)田間試驗Fig.6 Prototype field test

3.2 樣機(jī)檢測結(jié)果

研制的9L-200 型灌木收獲機(jī)經(jīng)國家農(nóng)機(jī)具質(zhì)量檢驗檢測中心現(xiàn)場檢測，各項檢測數(shù)據(jù)都達(dá)到考核指標(biāo)，如表1 所示。

表1 9 L-200 型灌木收獲機(jī)現(xiàn)場檢測指標(biāo)Tab.1 Field inspection indicators of 9 L-200 shrub harvester

3.3 推廣前景

樣機(jī)通過試驗和改進(jìn)后，可為我國沙地、沙坡、丘陵地和泥濘地灌木收獲作業(yè)提供合適的關(guān)鍵技術(shù)和機(jī)械裝備，解決輪式收獲機(jī)不能進(jìn)行灌木收獲作業(yè)的最后一公里問題，即增加了適用范圍。

4 結(jié)束語

9L-200 型灌木收獲機(jī)是在復(fù)雜地形環(huán)境下實現(xiàn)了灌木平茬收割、強(qiáng)制喂入、切碎和拋送功能于一身的聯(lián)合收獲機(jī)械，拓展了飼料作物范圍，促進(jìn)了我國灌木機(jī)械的發(fā)展。其不但能夠在較平坦地塊進(jìn)行灌木收獲作業(yè)，也能夠在沙地、沙坡、丘陵等邊際復(fù)雜地塊進(jìn)行灌木收獲作業(yè)，適應(yīng)范圍更廣、效率更高，可提高機(jī)器的創(chuàng)收能力，縮短用戶投資回收期，具有良好的社會效益和生態(tài)效益。該機(jī)型技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用，能夠滿足我國灌木產(chǎn)區(qū)各種地塊的使用要求，可減輕勞動強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本、提高林業(yè)效益和增加農(nóng)民收入。