4YZQK-4型青贮打捆玉米收获机的设计与试验

李 娜，周 进，位国建，邸志峰，崔中凯，李 涛

(山东省农业机械科学研究院，济南 250100)

0 引言

我国农业生产的出路在于机械化，玉米青贮收获是玉米全程机械化的重要环节，也是目前相对薄弱的环节[1,9,13]。玉米是我国的第二大粮食作物，每年玉米收获都会产生大量的玉米秸秆。玉米秸秆是玉米收获的主要副产品，是我国重要的农村经济资源。目前，农村处理秸秆主要是焚烧，不仅浪费资源，也造成了环境污染[4-5]。玉米秸秆青贮后具有较高的营养价值，对玉米秸秆进行青贮回收利用，不仅可以解决畜牧饲料短缺，同时增加了农民的收入，保护了生态环境[1-3,9]。

玉米收获的机械化作业不但可降低农民的劳动强度，还缩短了收获时间，适应了农时，为玉米增产创造空间和条件。伴随着我国农业产业结构调整和畜牧养殖业的发展，秸秆作为饲料喂养家畜是其饲料价值和肥料价值的重要体现，亦是秸秆过腹还田的有效途径[2,10,13]。4YZQK-4型青贮打捆玉米收获机正是顺应社会经济发展的产物，该机在收获玉米果穗的同时，通过茎秆切断、切碎、打捆作业完成对玉米秸秆的回收, 为发展畜牧业提供丰富的饲料资源，实现茎秆资源的回收利用。此技术的应用有利于提高机具作业效率，降低农民劳动强度，实现适时收获，降低能耗，提高青贮饲料质量。

1 整机结构和工作原理

1.1 基本结构和主要技术指标

4YZQK-4型青贮打捆玉米收获机主要由收获割台、果穗搅龙、剥皮机、打捆装置、一级果穗升运器、二级果穗升运器以及发动机等部分组成，如图1所示。主要技术参数和性能指标如表1 所示。

1.收获割台 2.果穗搅龙 3.一级果穗升运器 4.剥皮机 5.切碎抛送装置 6. 二级果穗升运器 7.果穗箱

工作时，穗茎兼收上割台将玉米果穗摘下并经搅龙和果穗第一级升运器进入剥皮机剥皮，同时下割台将茎秆切断经秸秆输送箱送入切碎机切碎；切碎后的玉米茎秆在抛送器的作用下被抛送至集草箱，集草箱内的碎茎秆由喂料装置喂入打捆装置成捆室，在打捆装置压缩辊的作用下，将其卷压成圆捆；最后，由绕绳机构对草捆绕绳。

表1 主要技术参数和工作指标

1.2 主要参数的计算

设计的自走式青贮玉米收获机为4行，割台幅宽2 600mm，作业速度为3km/s(0.83m/s)。主要参数确定如下：

1)秸秆质量。黄淮海玉米单产约6 000kg/hm2，查资料可知玉米干秸秆和玉米籽粒的质量之比约为1.2∶1[9]，可得干秸秆质量为7 200kg/hm2。按经验80%的玉米秸秆回收，20%还田，则干秸秆质量为7 200×0.8=5 760kg/hm2。

青贮秸秆的含水率一般在40%～60%之间，现取其含水率为50%，则收获时每公顷青秸秆质量为mg=11 520kg/hm2。

2)作业时间。设青贮打捆玉米收获机作业速度为3km/h，作业行数4行，玉米行距按650mm计算，收获幅宽为2.6m，则每公顷作业时间为：tg=4 615s=1.28h。

3)茎秆收获生产率。理论计算茎秆收获生产率，即

Qj=0.1qjBjVj

(1)

式中qj—机具工作幅宽(m)；

Bj—青茎秆质量(kg/hm2)；

Vj—收获机作业速度(km/h)。

计算得Qj=8 985.6kg/h=2.496kg/s。

4)每公顷草捆个数。设缠绳后草捆的直径为Dc、草捆宽度为Lc，取Dc=Lc=850mm，则计算草捆体积为

(2)

根据传感器要求草捆的密度ρ=400～500kg/m3，取ρ=500kg/m3，故缠绳成型后草捆质量为

mc=ρVc=240kg

(3)

由此得每公顷秸秆打成草捆的个数为Nc=48个/hm2。

1.3 工作原理

该机作业时，割台分禾器将玉米植株导入割道，玉米果穗经上层割台的摘穗辊摘下，随后经搅龙和一级果穗升运器输送至剥皮机，剥皮后经二级果穗升运器输送至果穗箱；玉米茎秆则被下层割台的滚刀切断，经喂入装置挤压破节成束后，被送入切碎抛送装置；切碎后的秸秆经切碎抛送装置抛出至集草箱，集草箱内的碎茎秆由喂料装置喂入打捆装置成捆，并在打捆装置压缩辊的作用下，将其卷压成圆捆；最后，由绕绳机构对草捆绕绳，割断后的根茬由安装在机器尾部的灭茬还田机粉碎还田。

2 主要工作单元设计

2.1 穗茎兼收割台设计

穗茎兼收割台主要由摘穗辊、切断刀、茎秆收集搅龙、链板输送装置、齿辊、光辊及切碎装置等组成，如图2所示。

1.摘穗辊 2.切断刀 3.茎秆收集搅龙 4.输送齿辊 5.链板喂入装置 6.输送光辊 7.定刀 8.切碎揉切装置

穗茎兼收割台工作时，果穗被摘穗辊摘下，并通过果穗收集搅龙收集；茎秆由切断刀割断，通过茎秆收集搅龙向后拨送，经链板喂入装置输送以及齿辊和光辊的压实作用，将秸秆输送到切碎抛送装置。穗茎兼收割台工作流程如下：

1)上层割台。玉米果穗→升运器→剥皮机→果穗 箱。

2)下层割台。玉米秸秆→喂入装置→切碎抛送装置→集草箱→打捆装置。

2.1.1 切断刀的设计

切断刀安装在摘穗辊的下方，工作时，将玉米植株从根部割断，汇入茎秆收集搅龙中。切断刀由刀轴、刀片及M8螺栓组成，如图3所示。刀轴均布4组刀片，每组刀片由2个刀片组成，呈180°安装，相邻刀片呈90°安装。刀片通过M8螺栓紧固在刀轴上，以便维修和更换。为了保证刀片的刚度和刃口锋利，刀片的材料选用65Mn钢，刃口角设计为20°。

1.刀片 2.M8螺栓 3.刀轴

2.1.2 喂入装置的设计

秸秆喂入装置是将秸秆匀速地喂入切碎抛送装置，并对秸秆有一定的破结压实作用，以保证切碎质量[4]。喂入装置由茎秆收集搅龙、输送链板、输送齿辊以及输送光辊组成，如图4所示。由切断刀切断的玉米秸秆，经茎秆收集搅龙收集，然后向后输送，通过输送链板及齿辊和光辊的压紧作用均匀喂入切碎装置。

1.茎秆收集搅龙 2.输送链板 3.前上齿辊 4.后上齿辊 5.后下光辊 6.浮动机构

为了保证茎秆收集搅龙的通过能力不至堵塞，设计搅龙直径为500mm，转速为85 r/min。为了提高对秸秆的抓取能力，两前上喂入辊，采用较大直径，两喂入辊直径为300mm；两后喂入辊设计为较小的直径，以便使喂入辊靠近切碎装置，从而降低功率消耗和提高切碎质量。取后上喂入辊直径为140mm，后下喂入辊直径为120mm。设计了浮动机构，当秸秆喂入量突然增大时能够将前上喂入辊和后上喂入辊向上抬起，从而使喂入装置工作稳定可靠。

2.1.3 切碎装置设计

切碎装置由壳体、刀盘焊合、抛送叶片焊合及主轴组成，如图5所示。切碎刀片安装在刀盘上，抛送叶片安装在刀盘外边缘[6,11-13]。

1.刀盘焊合 2.壳体 3.主轴 4.抛送叶片焊合

工作时，切碎刀片与定刀的共同作用将秸秆切碎，通过抛送叶片抛送出去。切碎刀片分为4组，安装前倾角为15°，刀片刃角为24°。抛送叶片分为4组，抛送叶片背面设计有加强筋和加厚板，以保证其强度和抛送能力。

2.2 自动控制系统的改进设计

秸秆打捆时，料捆成形压紧后要送绳和缠绳，这时要暂时停止秸秆喂入，直至料捆缠绳结束。开启仓门卸出料捆后，进入下一个循环时喂入过程再重新启动。手动控制秸秆喂入和缠绳过程的启、停，对驾驶员要求比较高而且比较烦琐，操作不当直接影响作业效率[7-9,13]。

针对上述情况，设计了单片机控制的自动卸料系统，如图6所示。此系统采用信号辊来测定型腔内已成型的草捆密度，当其达到一定密度后，成型草捆会带动信号辊一起转动，霍尔传感器感知信号辊转速，然后停止喂料并由单片机控制放绳和缠绳；完成后，再由单片机控制液压电磁阀，开启仓门卸料，完成单个打捆过程进入下一个循环。

3 样机试验

3.1 试验条件

试验于2016年10月在山东农业机械科学研究院试验场进行，并依照玉米收获机械、青饲料收获机械[14]和饲草圆捆打捆机械[15]等的相关行业标准进行试验，考察该收获机摘穗、剥皮、打捆及整机性能等。作业速度为0.8～1.6m/s，试验田地表平整，平作种植，无倒伏现象。玉米植株平均高度为221cm，结穗平均高度为173cm，行距为650cm，平均株距为28cm，茎秆含水率68%～81%。

1.喂料离合器 2.接触开关 3.送绳离合器 4.电磁阀 5.信号辊 6.霍尔传感器

3.2 试验结果

田间试验时样机工作稳定，试验效果良好；留茬高度适宜，切碎和破节效果理想，切取的青贮饲料节长能够满足饲喂牲畜的要求(喂牛饲料长度为3～5cm，喂羊饲料长度为1.5～2.5cm)；草捆密度控制均匀，成捆率为100%，试验结果如表2所示。

表2 样机试验结果

4 结论

1)4YZQK-4型自走式穗茎兼收玉米联合收获机集玉米收获、茎秆切碎、根茬破碎于一体，既可完成摘穗，又可实现茎秆资源的回收利用，提高了玉米秸秆的综合利用程度，有利于节约资源和保护环境。

2)设计了穗茎兼收割台，能一次完成玉米果穗摘取及秸秆切断、切碎抛送、打捆等作业。秸秆切碎和破节效果良好，能够满足青贮要求；打捆过程可靠，成捆率高。

3)对4YZQK-4茎秆青贮打捆玉米收获机的打捆装置的自动控制系统进行了设计，自动开启仓门系统使整个打捆过程不需要人工操作，提高了机具的自动化水平和工作效率。

4)机电一体化技术的综合运用，使得该机型结构紧凑、性能好、作业效率高，安全性得到有效保障。

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