甜高粱机械化收获技术研究＊

钱昊旸 ，李润喜 ，李晓康 ，王致和 △

（1.甘肃省农业工程技术研究院，甘肃 武威 733006；2.甘肃省机械科学研究院，甘肃 兰州 730030）

甘肃发展草产业具有较好的资源条件、技术优势和社会基础，草食畜牧业是甘肃省的重要经济支柱之一。自2012年以来，甘肃省为了解决畜牧业发展带来的饲草料短缺问题，引进种植甜高粱，先后在14个地州市建点示范推广，目前甘肃省粮改饲工作取得了突破性进展，2019年9月底，全省粮改饲面积已达到320万亩，在武威、庆阳、定西和兰州家里、有示范基地15处，新增优质饲草料1600万吨以上[1]。随着甜高粱产业的蓬勃发展，种植面积逐年增长，作为饲用和醇用对于甜高粱高效收获机械的要求也随之增加[2,3]。但是目前我国还没有专门针对甜高粱收获机械，仍以半人工半机械收获和青贮玉米收获机械替代收获为主，国外甜高粱机械造价高，对操作要求高，维修成本高，很难在国内推广应用，严重制约了甜高粱种植产业的发展。同时，农机与农艺融合是现代农业发展的必然趋势，而甜高粱农机农艺融合几乎空白，这一现状将制约我国甜高粱产业的集约化发展。为此，在甘肃省高粱产业全产业链科技支撑规划支持下，由甘肃省机械科学研究院与甘肃省农业工程技术研究院合作研制收获机械，形成种质优化、水肥减施增效、农机农艺融合的生产技术体系，为区域种植结构调整和区位优势产业的可持续发展提供技术支撑。现将结果报告如下。

1 甜高粱机械化收获加工的工艺流程

根据甜高粱生育期特性[4]，9月下旬至10月上旬早霜来临之前，甜高粱进入孕穗期至抽穗期，茎秆内的可溶性碳水化合物含量在12%左右，水分含量在60%～70%，即可进行刈割，留茬高度10～15cm。刈割后的甜高粱进入收获机，经过机械揉丝，进行切碎，长度根据原料性质和畜禽饲喂需求决定，一般长度为2～3cm。切碎后的甜高粱使用打捆机进行打捆、缠网，打成捆的形状为圆柱体，密度在500～700kg/m3，缠网层数为4～6层。打捆缠网后即用青贮专用拉伸膜裹包，拉伸膜的厚度一般为0.025mm，裹包层数4～8层较为适宜[5]，且拉伸膜层层重叠50%以上。裹包后的甜高粱青贮包即为成品，一般采用露天堆放，经过4～6周完成发酵，形成青贮饲料[6]。工艺流程如图1所示。

图1 甜高粱机械化收获加工的工艺流程图

根据甜高粱的机械化收获加工的工艺流程，甜高粱的收获有四种方式：①在田间割倒转运至场上进行切碎、揉撕、打捆、裹膜青贮；②在田间进行切割、切碎、揉撕，转运至场上进行打捆、裹膜青贮；③在田间进行切割、切碎、揉撕、打捆、裹膜青贮；④在田间切割、切碎、揉撕，转运车转运至堆贮地或窖贮池，进行贮存发酵。

2 甜高粱收获技术

通过对饲用甜高粱的生物学特性、力学特征以及收获茎秆的切割强度分析，使行走系统、切割装置、切碎揉丝装置、抛送装置动力实现最优的配置，提高切割、揉丝、切碎、抛送等关键部件的可靠性，实现模块化控制，对割台、发动机、行走系统、喂入装置、切碎装置、抛送装置等关键部位进行监测，并且实现自动磨刀、金属检测与反转保护，开发出了既能适用于高秆作物也能适用于矮秆作物收获的青贮饲料收获机。

2.1 自走式青贮饲料收获机

主要针对大面积作业，配置270马力的涡轮增压发动机为收获机提供强有力的动力，行走系统无级变速结构是静液压方式。出料口位置是手柄电控调节的，割台升降、转向系统也是由液压操作控制的，大大提高了收获机械的操控性能，能够一次完成对青贮作物的收割、压扁、输送、粉碎并抛送装车等田间作业过程，适用于青贮饲草的收获，可运用于甜高粱、玉米等青贮作物。

工作原理：在田间作业过程中，青贮饲草植株在扶禾器的扶持下，被四个圆盘切刀向里旋转切割，然后通过喂入滚筒带进喂入槽，在喂入辊的挤压作用下将饲草揉搓送进切碎室内，由高速旋转的切刀切碎，最后经抛料筒将饲料抛送至运输车上（如图2所示）。

图2 自走式青贮饲料收获机结构示意图及田间收获实况

主要技术参数:自走式青贮饲料收获机是采用自走圆盘式结构形成，其外形尺寸为7400mm×3070mm×3500mm，额定功率199kw，工作期间幅宽为3000mm，最小离地间隙270mm，最低割茬高度≤150mm，割台升降范围80mm～1280mm，作业速度为1km～5km/h，生产率为20t～30t/h，抛送高度4900mm，抛送距离 6～9m，抛送筒回转角度 180°，结构质量7500kg。

2.2 1250悬挂式青贮饲料收获机

本机采用悬挂式的挂接方式，作业时，一方面在拖拉机牵引力的作用下随拖拉机前进，另一方面在拖拉机动力输出轴的驱动下机器运转，切割片随割刀盘高速旋转做圆周运动，将作物茎秆自根部切断。与此同时，饲草作物在扶禾器的扶持下，由圆盘刀片向里旋转进行切割，随即由喂入滚筒带进喂入槽被逐步挤压后送入切碎室，由高速旋转的刀轮将作物按要求切碎，最后，在轮盘式切碎器的作用下，作物茎秆经切碎、揉搓后经抛射筒抛送到饲料运输车上（如图3所示）。

图3 1250悬挂式青贮饲料收获机结构示意图及田间收获实况

工作原理：1250型青贮饲料收获机是一种悬挂式青贮饲料收获机，田间作业时可以自行开道，一次性进行切割、打碎、搓揉、投送装车等多项作业。本机采用圆盘形切割器，高速旋转时把秸秆在扶禾器和拨禾滚筒的配合下，强制性将其摆放整齐输送到切碎装置进行切割；秸秆切碎后，由叶片和刀轮高速旋转所产生的惯性作用下，饲料经导流筒、出料口被抛送到捡拾车上。

主要技术参数:1250悬挂式青贮收获机总重量为1350kg，10片切刀，动力输入轴转速540rpm，配备64kw动力输出，PTO推荐功率为80～140hp，生产能力达到30t/h，作业幅宽1250mm，切碎尺寸5～20mm，切碎刀片形式为锯齿状刀片。

2.3 1600悬挂式青贮收获机

1600悬挂式青饲收获机既可采用侧悬挂作业，还可以后悬挂作业 （移除仿形架时连接双向拖拉机）。1600悬挂式青饲收获机主要由机架、行走地轮装置、切割、夹持喂入装置、切割、磨刀装置、抛料转向装置、悬挂架和液压系统等组成。该设备将作物秸秆通过机架分禾器分禾，立式切割喂入滚筒切割将作物茎秆割断，通过夹持喂入装置喂入，高速旋转切刀切碎秸秆并通过抛料筒抛送至输送车内完成作业。

工作原理：拖拉机通过万向传动轴和仿形悬挂架带动收获机运转，机架支撑和固定收割机主要部件，行走地轮便于其行走和转向，在行走过程中，分禾器将甜高粱秸秆进行分行，由扶禾器控制作物倾斜程度，作物在转筒的作用下集中到夹持喂入装置喂入口，同时切割装置对作物根茎进行切割，由于惯性力的作用，夹持喂入装置将秸秆喂入切碎装置，并控制其喂入量，喂入作物被高速旋转的切刀切碎，在离心力的作用下，切碎秸秆沿抛料筒抛至收集车内，完成收割作业。如图4所示。

图4 1600悬挂式青饲料收获机结构示意图及田间收获实况

主要技术参数:1600悬挂式青饲料收获机采用三点悬挂方式，机器总重量为2360kg，外形尺寸2485×3865×4760（侧），2485×1715×4760（前），由齿轮箱和万向轴进行动力传输，动力输入轴转速540rpm，切刀片数量12片，使用U型盘式切刀，作业幅宽1600mm，生产能力50t/h

2.4 割晒机

在有关试验研究的基础上，根据甜高粱 （醇用型）生产的农艺参数设计，适用于全株无损收获的甜高粱收获机械；在确定整机总体参数和主要结构的情况下，设计传动方案和动力供给方案，设计工作部件，使其能够适用于醇用型甜高粱的快速整齐切割、流畅传送和整齐码放，同时还能根据田间地形平整度和植株特点自动调节留茬高度。

工作原理：甜高粱割晒机的机架设计为矩形立式，在机架下方固定连接扶禾器与切割器，采用变速动力，分别带动皮带轮和传动轴，皮带轮连接带动的主传动轴又连接带动上下三幅平行且同向传动的皮带轮组成拨禾机构，传动轴与凸轮采用连杆连接。工作时，有小型拖拉机作为动力系统向前推进，凸轮连杆机构带动切割器上动刀条做往复运动，动刀片与定刀片形成剪切将甜高粱从根部切断，切断后的秸秆即由三幅平行皮带上的小拨片和扶禾器拨放到机架一边（如图5所示）。

图5 割晒机结构示意图及田间收割实况

主要技术参数：割晒机整机总重量310kg，外形尺寸为2200mm×1400mm×2300mm，配套动力为25马力拖拉机，割幅宽度1900mm，留茬高度≦5，达到每小时8～10亩生产效率。

3 青贮饲料打捆技术

本研究中的打捆机由底盘、布料仓、打捆室和布网机构、液压系统和自动控制系统等组成。零部件及设备全部采用数字化设计、虚拟装配；为提高实物制造、调整的方便可靠性，降低制造成本，采用模块化设计，项目依据功能、结构、装配相关原则和安装、调试要求，将数字样机进行划分组合，构成具有特定功能和安装要求的零部件。

工作原理：该机在工作时，物料不断被喂入布料装置，经链板输送、料辊匀料及皮带输送后至打捆室内，物料在按圆形轨迹运转的压辊形成的腔内，随着物料不断的喂入草捆逐渐被卷压，当压紧程度达到要求规定的范围时，由传感器发出电信号，控制布料链板停止送料，同时布网机构对圆柱捆进行包裹青贮网，包网层数预先进行设定，达到设置数值时，切网刀即可自动切断包裹网，打开旋转室，将包裹网的圆柱形饲草捆自动卸到地面后关闭旋转仓，随即自动启动布料仓链板，开始制作下一个饲草捆（如图6所示）。

图6 牵引式打捆机结构示意图及工作实况

主要技术参数：牵引式打捆机整机总重量为2750kg，外形尺寸 6000mm×1900mm×2400mm，最大功率 30kw，PTO 转速 540rpm，达到 25～30捆/h，草捆规格为￠100cm×85cm，成捆饲草长度 2cm～5cm，压实密度≥700kg/m3。

4 青贮圆捆裹膜技术

收获后的饲用甜高粱原料应使用打捆机进行打捆、缠网，悬挂式青贮圆捆裹膜机克服人为参与过多、效率低、劳动强度大、裹膜不均匀、草捆密度有差异等问题，在借鉴国内外裹膜设备的基础上，运用先进设计技术进行三维实体的建模、动态模拟实际运动状态，优化设计方案。采用模块化设计，结合有限元分析方法对设备的关键部件进行分析和结构优化，缩短研发期，提高研发成功率。采用AVR控制器将液压系统和电气系统高度集中控制，实现了由一个机手在拖拉机驾驶室内对青贮饲料圆草捆裹膜的全程自动控制（如图7所示）。

图7 悬挂式裹膜机结构示意图及工作实况

工作原理：电气和液压设备就绪后，裹膜机开始工作，拾料杆升起到最大位置，支滚架机构倾斜到最大位置，调整拖拉机将草捆装到支滚架平台的最佳地方，拾料杆和支滚架回落到初始位置，机组通过旋转部件和滚筒机构的相对旋转运动对草捆进行缠膜，当薄膜缠绕至规定层数时旋转部件和滚筒机构停止旋转，切膜部件的切膜刀架油缸开启后，切膜刀片向下将薄膜压住，支滚架机构开始倾斜，拾料杆慢慢抬起将草捆卸下，此时薄膜被拉断。

主要技术参数：悬挂式裹膜机采用三点悬挂连接方式，整机总重量为570kg，外形尺寸2300mm×2300mm×2100mm，配备动力≧64kw，允许圆捆尺寸1000mm×850mm，裹膜时间1.2min/捆。

5 结束语

针对粗饲料短缺且价格日益高涨的现状，发展甜高粱饲料在一定程度上可满足养殖业对优质粗饲料的需求，降低养殖成本，提高经济效益。因此，采用机械化收获技术制作甜高粱青贮饲料，能够缓解甜高粱收获期短问题，最大程度的保留甜高粱的营养品质，提高青贮饲料的质量[7]。同时研制的各种收获及配套机械已经实现本地化生产，价格低廉，操作简单，作业效率高。裹包后可长期露天堆放，其品质保存较好且饲喂比较方便，饲喂效果较好[6]，可根据用量开包，防止二次发酵，能够实现商品化。