牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

董佳佳，王 強(qiáng)，楊 莉，翟改霞，戴曉軍，趙小娟，孫文婷，郭喜燕

(中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010)

0 引言

我國(guó)每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的各類(lèi)秸稈達(dá)7億多t，而玉米秸稈約有3.5億t[1]。玉米秸稈作為重要的肥料、飼料和能源來(lái)源，逐漸受到各級(jí)政府及相關(guān)產(chǎn)業(yè)重視。目前，由于玉米秸稈收獲方式不夠成熟，秸稈利用率較低，農(nóng)民更傾向于將其直接還田或就地焚燒，不僅導(dǎo)致環(huán)境污染，還會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)。

秸稈收獲利用是實(shí)現(xiàn)節(jié)約農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)和循環(huán)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為減少資源浪費(fèi)，提高玉米秸稈利用率，其機(jī)械化打捆收獲已成為當(dāng)前亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前，我國(guó)研制的玉米秸稈打捆設(shè)備將玉米籽粒收獲后秸稈切碎鋪放在農(nóng)田中或者裝車(chē)，再由其他打捆機(jī)進(jìn)行打捆。結(jié)合我國(guó)玉米收獲國(guó)情，國(guó)內(nèi)還在牧草打捆機(jī)的基礎(chǔ)上衍生出了能夠?qū)τ衩捉斩掃M(jìn)行打捆的新產(chǎn)品，但產(chǎn)品功能和性能都有待完善，還處于起步研發(fā)階段。對(duì)站立、鋪放或散伏的整株玉米秸稈進(jìn)行切割揉碎打捆領(lǐng)域的研究較少[1-5]。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

根據(jù)田間玉米秸稈生物學(xué)特性、生長(zhǎng)狀況及收獲工藝要求，設(shè)計(jì)了一種牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)[6]。方捆打捆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括牽引架、切割揉碎裝置、浮動(dòng)仿形裝置、網(wǎng)篩式物料導(dǎo)流裝置、壓縮打捆裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)等[7-8]。

1.牽引架 2.切割揉碎裝置 3.浮動(dòng)仿形裝置 4.網(wǎng)篩式物料導(dǎo)流裝置 5.壓縮打捆裝置 6.傳動(dòng)系統(tǒng)圖1 牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a traction type corn stalk cutting and crushing rectangular baler

牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)通過(guò)牽引系統(tǒng)掛接在拖拉機(jī)后方，由拖拉機(jī)PTO提供傳動(dòng)動(dòng)力。打捆機(jī)通過(guò)拖拉機(jī)的牽引緩慢向前行駛，站立、鋪放或散狀的玉米秸稈從牽引系統(tǒng)下方進(jìn)入切割揉碎裝置。玉米秸稈在切割揉碎裝置中，先由動(dòng)刀將秸稈切斷，然后在動(dòng)刀和定刀的相互作用下，進(jìn)行切割和揉碎作業(yè)，同時(shí)，由動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)壓，將通過(guò)揉碎作業(yè)的秸稈物料吹送至網(wǎng)篩式物料導(dǎo)流裝置中。網(wǎng)篩式物料導(dǎo)流裝置間斷性地將物料輸送到壓縮腔，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將壓縮腔內(nèi)的物料不斷地壓實(shí)并向后移動(dòng)，隨著物料的不斷后移，當(dāng)達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，打捆系統(tǒng)開(kāi)始工作，通過(guò)打捆系統(tǒng)的打結(jié)器，利用捆繩將物料進(jìn)行包絡(luò)，形成外形規(guī)則的秸稈草捆。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 牽引架設(shè)計(jì)

打捆機(jī)牽引架結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由掛接梁、齒輪箱安裝座、支腿安裝座、切割揉碎裝置吊耳和連接板等組成。掛接梁設(shè)計(jì)了沿x軸和z軸的旋轉(zhuǎn)自由度，沿x軸旋轉(zhuǎn)的自由度保證機(jī)具在起伏地形中可以相對(duì)拖拉機(jī)扭動(dòng)，避免剛性連接造成牽引架的損壞，沿z軸旋轉(zhuǎn)的自由度保證拖拉機(jī)可以牽引機(jī)具回頭轉(zhuǎn)彎，同時(shí)還對(duì)沿z軸的旋轉(zhuǎn)作了限位，避免牽引機(jī)具時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)小造成傳動(dòng)軸損壞。在牽引架前端設(shè)置有兩個(gè)支腿安裝座，一個(gè)用于機(jī)具停放時(shí)使用，另一個(gè)用于機(jī)具運(yùn)輸和作業(yè)時(shí)使用。切割揉碎裝置吊耳設(shè)計(jì)在牽引架后端，用于掛接切割揉碎裝置[9-10]。連接板將牽引架安裝固定在主機(jī)上。

1.掛接梁 2.齒輪箱安裝座 3.支腿安裝座 4.切割揉碎裝置吊耳 5.連接板圖2 牽引架結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of traction frame

2.2 切割揉碎裝置設(shè)計(jì)

切割揉碎裝置是將站立或倒伏的秸稈以較低割茬切斷并撿拾進(jìn)切割揉碎裝置內(nèi)部，然后在切割揉碎裝置內(nèi)進(jìn)一步將秸稈揉碎并吹送至輸送喂入裝置中。切割揉碎裝置的切斷性能、揉碎性能和吹送性能影響整機(jī)的工作質(zhì)量和可靠性，且在整機(jī)功耗中占比較大，是本機(jī)研究的重點(diǎn)之一，切割揉碎裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.吊桿連接座 2.銜接板 3.觀察口 4.滑掌 5.揉碎室6.安全吊簾 7.安全擋板 8.錐齒輪箱圖3 切割揉碎裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of cutting and crushing device

秸稈的揉碎在揉碎室內(nèi)完成，甩刀軸在揉碎室內(nèi)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，作為動(dòng)刀，揉碎室內(nèi)壁安裝有定刀，動(dòng)刀將地面上的秸稈切割后帶入揉碎室內(nèi)并進(jìn)行切割，被初次割碎的秸稈隨著甩刀的旋轉(zhuǎn)在揉碎室內(nèi)定刀的配合下進(jìn)行二次揉碎[11-13]。

2.2.1甩刀軸設(shè)計(jì)

該機(jī)切割揉碎裝置的作業(yè)幅寬設(shè)計(jì)為2.2 m，甩刀采用Y型甩刀，切割刃口在刀片兩側(cè)，當(dāng)?shù)镀粋?cè)磨損后，可以調(diào)換使用刀片另一側(cè)繼續(xù)使用。由于田間切割秸稈的工況較差，秸稈鋪放情況隨機(jī)性很大，且可能會(huì)有異物，因此本機(jī)割刀采用柔性鉸接的甩刀形式，將甩刀柔性鉸接在刀軸輥上，每個(gè)安裝座上安裝4個(gè)刀片，甩刀安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 甩刀安裝結(jié)構(gòu)Fig.4 Installation structure of flail knife

甩刀在刀軸上的排布方式采用對(duì)稱(chēng)螺旋線排列方式，能夠減少刀軸作業(yè)時(shí)的沖擊負(fù)載，同時(shí)降低切割揉碎裝置的功耗。對(duì)稱(chēng)螺旋線排列可保證甩刀軸的動(dòng)平衡，減小甩刀軸運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，甩刀排布方式如圖5所示。

圖5 甩刀排布方式Fig.5 Arrangement of flail knife

甩刀軸作業(yè)時(shí)的最大回轉(zhuǎn)直徑為529 mm，根據(jù)切割機(jī)理分析，甩刀線速度應(yīng)達(dá)到6～20 m/s，于是由式(1)可計(jì)算得到甩刀軸轉(zhuǎn)速為n=217～722 r/min。

(1)

式中n——甩刀軸轉(zhuǎn)速，r/min

v——甩刀線速度，m/s

d——甩刀最大回轉(zhuǎn)直徑，mm

根據(jù)式(1)計(jì)算得到的結(jié)果為僅考慮地面玉米秸稈切斷的初步計(jì)算結(jié)果。根據(jù)田間試驗(yàn)，甩刀軸轉(zhuǎn)速在2 000～2 200 r/min時(shí)，秸稈揉碎率在95%左右，能夠滿足揉碎要求。

2.2.2定刀設(shè)計(jì)

定刀安裝在揉碎室內(nèi)壁上，在動(dòng)刀將秸稈撿入揉碎室后，動(dòng)刀和定刀共同作用將秸稈切割、揉碎。在動(dòng)刀回轉(zhuǎn)90°范圍內(nèi)安裝有3組定刀，如圖6所示。

1.切割定刀 2.揉碎定刀 3.二次切割定刀圖6 定刀安裝位置Fig.6 Installation position of fixed knife

定刀與動(dòng)刀的最小間隙為18 mm，該間隙大小能夠在保證揉碎率的同時(shí)降低功耗。第1組定刀為切割定刀，定刀座上大、小定刀片交錯(cuò)排列，與動(dòng)刀共同作用將秸稈切段；第2組定刀為揉碎定刀，定刀為齒形刀，且傾斜排列，與動(dòng)刀共同作用將切段后的秸稈進(jìn)行揉碎；第3組定刀為二次切割定刀，定刀為大小相同的梯形定刀，與動(dòng)刀共同作用將揉碎后的秸稈絲狀物進(jìn)一步切碎。3組定刀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 3組定刀Fig.7 Three sets of fixed knife

2.3 網(wǎng)篩式物料導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)

網(wǎng)篩式物料導(dǎo)流裝置主要由絞龍和網(wǎng)篩組成。絞龍可將物料集中至喂入叉下方，網(wǎng)篩包絡(luò)在絞龍外圍，形成物料運(yùn)輸?shù)那惑w，與絞龍配合完成物料運(yùn)輸。網(wǎng)篩上分布有篩孔，可篩除物料中的塵土，提高飼草質(zhì)量。篩孔同時(shí)有助于排風(fēng)，切割揉碎裝置在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)形成風(fēng)壓，風(fēng)壓由揉碎箱傳遞至網(wǎng)篩，網(wǎng)篩的及時(shí)排風(fēng)能夠保證整個(gè)系統(tǒng)的送風(fēng)通暢，也保證了物料在揉碎箱中的運(yùn)行流暢，網(wǎng)篩式物料導(dǎo)流裝置如圖8所示[14-16]。

圖8 網(wǎng)篩式物料導(dǎo)流裝置Fig.8 Mesh screen type material diversion device

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究，結(jié)合打捆機(jī)空間尺寸，確定絞龍螺旋葉片外緣大徑330 mm，螺距360 mm，絞龍中心軸小徑140 mm，絞龍長(zhǎng)度850 mm。

該尺寸下絞龍螺旋葉片中徑D1為

D1=(D+d)/2=235 mm

(2)

式中D——螺旋葉片大徑，mm

d——螺旋葉片小徑，mm

螺旋葉片螺旋升角φ為

anφ=P/(πD1)=0.488

(3)

式中P——螺旋葉片螺距，mm

絞龍每轉(zhuǎn)動(dòng)1周輸送物料質(zhì)量QV可按式(4)計(jì)算

(4)

式中ρ——秸稈在絞龍中的平均密度，ρ=43 kg/m3

計(jì)算可得QV=2.18 kg/r。

由于作業(yè)過(guò)程中絞龍并不會(huì)滿載運(yùn)行，且絞龍運(yùn)輸效率并非100%，因此取修正系數(shù)K=0.4來(lái)計(jì)算絞龍每轉(zhuǎn)運(yùn)輸?shù)慕斩捹|(zhì)量Qn為

Qn=KQV=0.87 kg/r

(5)

根據(jù)生產(chǎn)率要求，壓捆系統(tǒng)喂入量2.5 kg/次，活塞和喂入叉頻率100次/min，為了滿足喂入系統(tǒng)和壓捆系統(tǒng)要求，絞龍轉(zhuǎn)速n最小應(yīng)達(dá)到

n=(2.5×100)/Qn=287 r/min

(6)

實(shí)際設(shè)計(jì)中，為保證絞龍輸送能力有一定盈余，設(shè)計(jì)絞龍轉(zhuǎn)速為312 r/min。

2.4 壓縮打捆裝置設(shè)計(jì)

通過(guò)用戶調(diào)查和分析有關(guān)試驗(yàn)資料，選定壓捆室截面尺寸為370 mm×460 mm。該尺寸適合我國(guó)國(guó)情，能夠滿足多數(shù)用戶使用要求，草捆尺寸和質(zhì)量適中，便于人工搬運(yùn)和裝載。壓縮打捆裝置使用現(xiàn)有方草捆壓捆機(jī)的壓捆技術(shù)[17-19]。

3 試驗(yàn)與分析

根據(jù)GB/T 25423—2010《方草捆打捆機(jī)》及《秸稈切割揉碎方捆壓捆機(jī)技術(shù)條件》中的測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試方法，開(kāi)展試驗(yàn)對(duì)整株玉米秸稈打捆并進(jìn)行破節(jié)揉碎率、成捆率、秸稈捆密度、規(guī)則秸稈捆率和秸稈捆抗摔率性能指標(biāo)檢測(cè)[20]。

3.1 破節(jié)揉碎率

隨機(jī)選取在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)已形成的玉米秸稈捆，如圖9所示，稱(chēng)其總體質(zhì)量，然后打開(kāi)秸稈捆，如圖10所示，將秸稈捆中未被破節(jié)揉碎的秸稈挑選出來(lái)，稱(chēng)其質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖9 作業(yè)秸稈捆Fig.9 Working straw bale

圖10 拆開(kāi)的秸稈捆Fig.10 Unwrapped straw bale

表2 玉米秸稈破節(jié)揉碎率

3.2 成捆率

成捆率是牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，為了考核樣機(jī)的成捆率指標(biāo)，在試驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。在2 h純工作時(shí)間內(nèi)累積打秸稈捆605捆，其中散捆6捆，成捆率為99%，成捆率超過(guò)了國(guó)家專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 秸稈捆密度

秸稈捆密度是牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，為檢測(cè)樣機(jī)的秸稈捆密度指標(biāo)，在2 h純工作時(shí)間內(nèi)累積完成的605捆中隨機(jī)選取待測(cè)秸稈捆，秸稈捆編號(hào)后，統(tǒng)一進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 玉米秸稈捆密度

試驗(yàn)表明，秸稈捆密度平均為167 kg/m3，符合秸稈打捆機(jī)技術(shù)條件要求。試驗(yàn)過(guò)程，打捆機(jī)打捆部件、密度控制器和傳動(dòng)系統(tǒng)滿足使用要求。

3.4 規(guī)則秸稈捆率和抗摔率

根據(jù)試驗(yàn)方法中的測(cè)試要求，在所有秸稈捆中隨機(jī)選取區(qū)域內(nèi)秸稈捆為待測(cè)秸稈捆，秸稈捆編號(hào)后，統(tǒng)一對(duì)編號(hào)秸稈捆進(jìn)行測(cè)量，然后將秸稈捆從高空摔下，檢測(cè)秸稈捆抗摔率，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 玉米秸稈規(guī)則秸稈捆率和抗摔率

經(jīng)實(shí)測(cè)，規(guī)則秸稈捆率95.6%，抗摔率93.5%，均超過(guò)了設(shè)計(jì)要求指標(biāo)。

4 結(jié)論

以實(shí)現(xiàn)玉米秸稈機(jī)械化收獲為目標(biāo)，研制了一種牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)，有利于解決玉米秸稈浪費(fèi)嚴(yán)重、收獲勞動(dòng)強(qiáng)度大及焚燒秸稈導(dǎo)致的環(huán)境污染等問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)玉米秸稈機(jī)械化收獲具有實(shí)際意義。研究主要有以下2點(diǎn)結(jié)論。

(1)通過(guò)設(shè)計(jì)與分析，從用戶使用安全性、技術(shù)參數(shù)先進(jìn)性及機(jī)具使用經(jīng)濟(jì)性等方面，對(duì)牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)甩刀合理排布，有效保證了秸稈切割的連續(xù)性和均勻性，有助于提高玉米秸稈切割效率。

(2)開(kāi)展打捆試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機(jī)性能指標(biāo)和作業(yè)質(zhì)量全部達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件規(guī)定的要求。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器主要技術(shù)參數(shù)選定及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和先進(jìn)性。