甜高粱茎穗兼收机械化技术研究

张慧娟，冯晓静，王　磊

（河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071000）

甜高粱是抗干旱农业作物，其茎秆比普通籽实高粱的茎秆粗，植株也比籽实高粱的高且大，全株可生长到 120.0～400.0 cm， 茎秆宽一般可达到 2.5 cm 以上。甜高粱属C4类植物，是籽用高粱的一个变种，其茎秆和所结籽粒都含有较高的糖分及淀粉质，均可用于生产甜高粱白酒；甜高粱茎秆榨汁后，还可回收用作有机肥材料。因此，甜高粱全株利用程度均比较高，是典型的生物能源作物。

甜高粱茎秆中糖分含量最高时期与籽粒成熟时期同步，若植株开始死亡或遇霜冻，茎秆中的糖分就会下降，因此甜高粱一旦成熟就需要对茎穗尽快收获。机械化收获甜高粱能提高收获速度，尽力做到茎穗兼收、及时收获，以保证效益最佳。

1　甜高粱机械化收获技术的发展

意大利最早研究对甜高粱进行机械化收割，当时使用的是在玉米收获机基础上改装而成的甜高粱收获机，能够实现对甜高粱的去叶、捆绑和装载，其工作情况如图1所示。在收获过程中茎秆损失率较大，后来研究认为对甜高粱茎秆的收割与对甘蔗的收割类似，所以针对甘蔗收获机进行研究。20世纪末，美国使用改装后的甘蔗收获机对甜高粱进行收割，为甜高粱收获机的研制提供了参考依据。在此基础上，马来西亚研制出一种小型甜高粱收割机，如图2所示。

图1　意大利使用的甜高粱收获机Figure 1　Sweet sorghum harvester used in Italy

图2　马来西亚研制的小型甜高粱切割机Figure 2　Small size sweet sorghum harvester developed in Malaysia

国内对茎秆类农作物采收方面的研究是从20世纪60年代开始的，研究单位主要有中国农业大学、中国农业机械化科学研究院等。在对甜高粱机械化采收技术的研究中提到，甜高粱茎秆采用切段式收获有利于提高机械化程度，但应注意甜高粱茎秆与甘蔗的特性是不同的；甜高粱穗头切割后在卧式割台上横向输送时，由于甜高粱穗头体积大易折断，加上受收获机振动的影响，容易导致甜高粱籽粒破碎。

随着我国农作物收获机械化研究的深入，各类谷物联合收获机不断完善。根据我国甜高粱的种植与生产情况，立式甜高粱分段收获机等得到一定程度的发展，但在实际收获过程中仍存在机械振动影响收获效果的问题。

2　甜高粱茎秆的受力分析

收获甜高粱时，利用切割圆盘将生长于土壤中的甜高粱茎秆分切为多段，切割过程中可将甜高粱茎秆视为悬臂梁，研究其在圆盘刀切割力作用下的应力与变形。最下端圆盘刀对甜高粱茎秆切割时，由于对甜高粱茎秆的切割在地表面以上，相当于留有一根接受水平载荷的木桩，则甜高粱在收获时所受的切割力如图3所示。

图3　甜高粱茎秆受力分析图Figure 3　Force analysis diagram of sweet sorghum stalk

将茎秆下端的悬臂梁分成n个单元，在相应节点上施加刚度系数为Ki的水平弹簧，受力模型为：取相邻的节点0，1之间的一段，沿y轴方向截取长度为Dx的一段，根据材料力学知识，其受力分析为：

式中：E 为茎秆的弹性模量，N/m2；I为桩体截面惯性矩，m4；M为微段截面弯矩，N·m；Q为微段截面剪力，N。

令桩顶端x＝0点的位移、转角、剪切力、弯矩分别为 y0，θ0，M0，Q0，则对公式进行整理、积分，构造任意截面的状态向量可得到：

由初始状态可求出任意位置的内力和变形。

3　收获机切割器的设计

切割器是甜高粱收获机切割茎秆的关键部件。为了实现对甜高粱的高效收获，要求切割器工作时功率消耗低、振动小、效率高，因此采用由传动轴支承的圆盘切割器。根据收获机的进给速度调整对应的刀盘转速范围，收割时刀盘支撑茎秆，利用回转刀旋转进行切割（回转速度一般为 6～10 m/s），支承刀布置于圆盘刀的上方，两者保持一定的间隙。

3.1　切割原理

在甜高粱茎穗兼收型收获机上采用双圆盘锯齿型切割器。利用液压装置控制双圆盘切割器的两个刀盘所处位置，在收获机前进过程中两个圆盘刀的旋转方向相反、同时向内旋转，以保证钳住甜高粱茎秆后使茎秆向收获机割台方向倒伏。圆盘刀的边缘为齿形刃口，对甜高粱茎秆进行滑动切割。

3.2　圆盘式切割器的受力分析

为了保证切割甜高粱茎秆时不出现相对滑动，切割器圆盘刀刃口的摩擦力要大，加上需要延长刃口和茎秆之间相互作用的时间，所以采用锯齿形的圆盘刀切割器。切割时甜高粱茎秆受到切向力和法向力的共同作用，其受力情况如图4所示。

图4　切割过程中茎秆的受力分析图Figure 4　Force analysis diagram of stalk in the cutting process

图4中：N，M分别为两个圆盘刀作用于茎秆上的法向力，F，P分别为两个圆盘刀对茎秆的摩擦力，且 F＝N·tanβ，P＝M·tanα；L 为切割器双圆盘刀的中心距，mm；D为圆盘刀直径，mm；d为切割面处甜高粱茎秆的直径，mm。

对于切割茎秆的圆盘刀来说，每个圆盘刀所受的力都是切割力反力的一部分，如图5所示。

图5中：N为法向力方向，F为切向力方向，分别将法向力和切向力沿X，Y轴方向进行分解，可以得到相应的分力，受力分析公式为：

图5　切割过程中圆盘刀的受力分析图Figure 5　Force analysis diagram of cutting disc in the cutting process

由于甜高粱茎秆的直径不确定、但相差不大，且主要对切割时间产生影响、而对切割过程影响较小，所以假设茎秆直径已知，这样对圆盘刀直径和刃角进行调整，可以增大切割器的扶持力度。当圆盘刀刃角一定时，茎秆和刃角处的摩擦系数越大，越有利于对甜高粱茎秆的扶持与控制，从而提高割茬的整齐性。

3.3　甜高粱穗头的收获装置

甜高粱顶端穗头的收获装置如图6所示。收获过程分为3个步骤：首先利用刀杆最上端的一组拨穗轮向内旋转，将甜高粱穗头拉到割台边上；然后由拨穗轮下侧的一组圆盘刀将甜高粱茎穗切割下来，切割下来的穗头落到割台中间的输送带上，在输送带的带动下集中进入倒穗槽；最后由在倒穗槽内部设置的输送槽将切割好的穗头送入脱粒室。

图6　穗头的收获装置结构示意图Figure 6　Structural diagram of spike harvesting device

在脱粒室内利用板齿滚轮和钉齿纹杆对穗头进行脱粒处理。板齿滚筒的抓取能力较强，可以实现对甜高粱穗头的可靠抓取；钉齿纹杆主要负责脱粒分离。切割下来的穗头底端会带有较短的一截茎秆，钉齿纹杆能将穗头和茎秆分开，使分离下来的籽粒落到振动筛上，再通过振动筛的振动实现清选、分离、集中收集。

4　结论

本课题对甜高粱收获过程中的茎秆进行受力分析，确定收获时茎秆需要刀具提供的切割力，为切割刀具的设计提供依据；对所采用的圆盘刀式切割器进行受力分析，研究圆盘刀直径和刃角对切割效果的影响；对穗头的收获装置进行结构设计，以实现茎穗同时收获，提高对甜高粱整体的收获效率。

［1］陆水怡，李南珠，邹剑秋，等.甜高粱的生物学特性、研究现状与发展应用前景［J］.江苏农业科学，2009（7）：21-23.

［2］刘庆庭，区颖刚，卿上乐.农作物茎秆的力学特性研究进展［J］.农业工程学报，2007，23（7）：172-176.

［3］雷雨春，李晓华.甜高粱联合收割机的研制［J］.农业工程，2012，2（6）：1-5.

［4］杨海，周海波，冯小川，等.锯齿形双圆盘刀切割器切割原理分析与仿真［J］.农机化研究，2011，33（9）：23-26.

［5］林茂，杨坚，梁兆新，等.双圆盘甘蔗切割器工作参数的试验优化研究［J］.农机化研究，2006（12）：12-14.