构树收获机设计与试验*

孙延成，牟孝栋，王志伟，姜慧新，王志坚，耿端阳

(1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博，255000； 2. 山东省畜牧总站，济南市，250002；3. 山东芳华农业发展有限公司，山东德州，253300)

0 引言

构树作为富含蛋白质的饲用林木[1]，在2015年就被国务院扶贫办列为十大产业扶持工程之一，并专门颁发了《关于开展构树扶贫工程试点工作的通知》；2018年国家农业农村部第22号文正式将构树纳入饲料原料目录，从而加快了该项目在国内推广，目前在山东、湖南、河南等地开始了初步试点与示范。

虽然构树叶片柔嫩多汁且富含营养，但是在收获过程存在茎秆、枝条同收问题，加之为了提高饲料的适口性，尚需对收获的构树饲料进行发酵处理，以促使纤维素和木质素向粗蛋白的转化，所以构树收获后必须对其进行丝化处理，以保证发酵饲料的质量和良好的适口性。内蒙古林业科学研究院研制的2GP-100型灌木平茬机采用拖拉机后右侧悬挂、工作时由拖拉机进行动力输出，在复合运动作用下将枝条割断，然后由拨条杆将割后的枝条甩向右侧[2]。中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院研制的悬挂式割灌机采取双圆盘相向向外转切割方式切割后的构树枝条散落在机器两侧、需要人工再进行捡拾、打捆后期进行丝化处理[3]。中国农机院生物质能中心研制开发的新型4GM-200灌木联合收获机能够实现构树无损收割、强制喂入切碎、集装、液压自动翻转卸料联合作业，但收获后的构树丝化率低、整枝条仍然存在。

基于上述研究目前大部分茎秆切断装置主要是通过高速旋转的锤爪或甩刀，对茎秆进行多次高速锤击、切割和揉搓[4]。茎秆随机受到锤击、切割和揉搓作用，导致茎秆切碎长度随机性大、丝化率低，严重影响了发酵饲料的质量，降低了构树饲料的适口性。针对现有茎秆切断装置茎秆丝化率低、饲料适口性差的问题，本研究设计了三级揉搓丝化装置，利用构树收获机进行收获试验，并分析了揉搓丝化级数、茎秆切断长度以及揉搓板数对茎秆丝化率的影响规律，为提高构树茎秆丝化率及反刍动物饲料的适口性提供了装备支持。

1 整机结构与工作原理

针对构树生长特性以及反刍动物饲料要求：将构树茎叶加工成丝状，有利于提高其发酵效果，改善反刍动物采食的适口性，降低采食过程的能量消耗，开发具有茎枝切碎和揉搓处理功能的构树收获机，其结构如图1所示。即构树收获机主要由割台、揉搓丝化装置、底盘、发动机、集料箱等组成。

图1 构树收获机总体结构方案Fig. 1 Overall structure scheme of Broussonetia papyriferaharvester1.割台 2.揉搓丝化装置 3.底盘 4.发动机 5.集料箱 6.驾驶室

构树收获机在发动机驱动下作业时，首先由割台完成对构树的切断，并将其抛向割台，然后在速度递增输送辊作用下将其送往茎秆切碎装置，完成长茎秆向短茎秆的转化；进而将其送往揉搓丝化装置，完成茎秆的切断、揉搓，使其符合反刍动物采食和反刍消化的要求，最后在抛撒轮作用下由抛送筒送往集料箱，完成构树饲料的收获。

2 关键部件设计

为了保证构树饲料的发酵处理和满足反刍动物采食与消化要求，一般需要收获作业时对构树茎秆与枝条进行切段、切碎和揉搓处理[5-6]，减少中间环节，尽量降低杂菌感染的机会；考虑构树茎秆与枝条木质化、纤维化突出的问题，所以其揉搓丝化就成为本机的核心技术。

如前文所述，构树枝杆由于木质化结构比较明显，所以对其丝化采用了循环处理方式，假设每次丝化率为φi，则未被丝化的茎秆量为1-φi，所以经过n次丝化处理后，茎秆的n次丝化率

(1)

为了方便计算，假设每次丝化处理的效果相同，即每次茎秆丝化率都相等，φ1=φ2=…=φn，则式(1)变为

R=1-(1-φ)n

(2)

从而循环处理次数

(3)

本研究中，茎秆丝化选用了茎秆还田式粉碎结构，所以每次其茎秆丝化率φ可达70%[7]，按照茎秆饲料达到95%以上的丝化效果计算，则循环处理次数n=2.488，所以本机采用了三级丝化处理。具体分布如图2所示。

图2 构树收获机茎秆循环丝化处理结构分布Fig. 2 Structure distribution of straw recycling treatment inBroussonetia papyrifera harvester1.茎秆次级丝化装置 2.抛料筒 3.茎秆三级丝化装置4.茎秆抛送装置 5.机架 6.茎秆初级切段丝化装置7.茎秆调直装置 8.茎秆输送装置 9.切割器10.茎秆次级输送装置 11.茎秆混合输送装置

作业时，构树在割台切断后，被茎秆输送装置向后输送，进入茎秆初级切断丝化处理装置，完成茎秆的切段和初级丝化；进而在茎秆次级输送装置作用下送入茎秆混合输送装置，完成切段茎秆的均质化；随后，将均质化的茎秆送往茎秆次级丝化装置，改善茎秆的丝化效果；接着将其送往茎秆三级丝化处理装置，实现茎秆的全部丝化后，将其由抛料筒抛出，完成构树的切断—初级丝化—均质化混合—次级丝化—三级丝化处理工艺。

2.1 初级茎秆切断丝化装置

构树由于每年收获多茬，所以一般来说尽量选择在株高1.0～1.5 m、主杆木质化不是太严重的时期进行收获。为了改善反刍动物采食的适口性，保证茎秆的切段长度，因此采用动—定刀配合方式切断，以保证茎秆的丝化效果。即根据反刍动物对饲料长度要求，将其长度确定为15 cm[8]；为了降低对构树枝条的切割阻力，在选用构树切段丝化装置与作业幅宽等宽以及单支撑切断的基础上，采用滑切方式完成茎秆的切断；为了降低茎秆切碎过程的振动，动刀采用铰接方式与刀座连接。具体结构如图3所示。

图3 初级茎秆切段丝化装置结构示意图Fig. 3 Structure diagram of primary stalk cutting silk device1.梳齿 2.刀轴 3.刀座 4.定刀 5.甩刀(动刀)

2.1.1 梳齿间距确定

由于构树属于灌木，枝条较多，输送喂入过程必然出现很多枝条不垂直于定/动刀刃口方向，难以保证茎秆切碎长度一致性的要求，所以为了提高茎秆切碎长度一致性，在茎秆入口位置设置了如图3所示的等距梳齿。设梳齿间距为d，且该间距必须保证甩刀通过，即梳齿间隙d必须大于甩刀切断宽度B。为了简化结构，本研究选择了Ⅰ型切碎刀片(见JB T9816—1999甩刀式切碎机刀片)；为了提高切碎效率，动刀采用了如图4所示的组合式结构。

d≥2B+2δ

(4)

式中：δ——梳齿与动刀之间的间隙，主要依据切断对象来确定。

图4 甩刀结构示意图Fig. 4 Schematic diagram of combined flail Knife

考虑当构树茎秆以倾斜姿态进入梳齿之间被动刀切断时，必然导致构树茎秆的实际切断长度大于理论切断长度，如图5所示。

设茎秆理论切断长度为l，梳齿间隙为d，则当茎秆喂入倾斜角度为θ，梳齿间隙为d=l/tanθ，切碎茎秆的最大长度为l/sinθ，切碎茎秆长度与理论切断长度的差为Δl=l/sinθ-l，以理论切碎长度为l=15 cm为例，以对角线AC与定刀所在位置的夹角θ为x轴，以Δl为y轴，绘制偏差Δl随夹角θ的变化曲线，如图6所示。

图5 茎秆倾斜喂入的最大切断长度Fig. 5 Cutting length of stem feeding in inclined direction

由图6可以看出，在θ角度较小时，茎秆切断长度差异Δl很大，当该角度到40°以后，其切断长度一致性就有很大的提高，所以梳齿间隙初步确定为等于理论茎秆切断长度，即该角度为45°时，其茎秆切碎长度一致性即可得到较好的保证。

图6 茎秆倾斜喂入角度对切断长度一致性的影响Fig. 6 Effect of oblique feeding angle toconsistency of stem cutting length

2.1.2 长度一致性分析

依据茎秆切碎长度主要由甩刀切断转速和茎秆输送速度确定，具体方法这里不再赘述[9-10]。但是在该机中，考虑构树枝条不能保证全部以垂直动刀刃口方向喂入，所以在初级茎秆切断装置的入口设置了如图3所示的梳齿。在茎秆实际切断过程，当茎秆处于垂直于动定刀刃口方向时，其实际切碎长度等于理论切碎长度。按照前述理论切断长度为15 cm计算，即lmin=15 cm；当茎秆处于如图5所示方向喂入时，其实际切碎长度达到最大值，且lmax=l/sinθ=21.21 cm。

这样茎秆切碎长度的均值

(5)

方差

(6)

一般来说，在同一切碎装置、茎秆处于强制喂入状态时，茎秆切碎长度符合正态分布，即

(7)

查正态分布表[11]，有茎秆切碎长度一致性R=0.998 7，即其一致性可以达到99.87%，完全满足构树发酵和反刍动物采食的标准要求。

2.2 茎秆三级丝化装置设计

由于本机采用了三级丝化处理，其分布如图2所示，前两级都是采用与秸秆还田机相似的结构进行处理[12-13](为了避免重复，第二个丝化过程就不再分析)，为了进一步保证构树饲料的丝化效果，最后一级采用了搓板式揉搓装置，如图7所示。工作时，叶片在驱动轴的作用下高速旋转，进入揉搓区的物料在叶片作用下被甩向周边，并在叶片和揉搓板作用下被揉搓，形成丝状物料。而在物料被甩向四周的过程，揉搓区即形成了负压，从而为后续物料的进入创造了条件；又为了减少叶片对送入物料的阻滞，叶片设计为图7所示结构，为物料进入留出最大的空间。

图7 茎秆三级丝化装置结构示意图Fig. 7 Structure diagram of stalk three-stage silking device1.揉搓叶片 2.揉搓板 3.抛料筒

在该过程，由于物料只有在叶片通过揉搓板时才能对物料进行揉搓，所以设每次可以实现15%的茎秆完成丝化处理，则还有85%的茎秆不能得到理想的丝化处理，故为了保证饲料所需要的丝化效果，则必须对物料进行循环揉搓丝化处理。设在该区布置的揉搓板数量为n1，饲料的丝化率要求为95%，按照可靠性设计中串联结构处理[14-15]，则

R=1-(1-φ)n1

(8)

对其转化后，有

(9)

代入R=95%、φ=15%，则有n1=18.43。

即构树粉碎物料必须经过18.43次如此结构的循环揉搓才能达到95%的丝化效果；结合该揉搓丝化底壳的结构尺寸，最终选择了24根揉搓板。

为了进一步减少茎秆滞留揉搓板根部对揉搓效果的影响，综合降低制造成本的要求，本揉搓板采用角钢结构，避免了揉搓板与底壳焊接部位死角的出现；考虑揉搓原理是通过两配合件之间相对运动实现对物料的揉搓，故为了提高构树饲料的丝化效果，应尽量延长茎秆通过揉搓面的时间，即该揉搓板选择了不等边角钢结构，其型号为L32×20，具体分布如图8所示。

图8 揉搓板结构与分布Fig. 8 Structure and distribution of rubbing board1.底壳 2.叶片 3.驱动轴 4.揉搓板

3 田间试验

3.1 田间试验条件

试验在德州市武城县山东芳华农业发展有限公司进行(图9)。试验材料为国家大力推广的杂交构树101，随机选取长度约20 m、宽度约15 m的构树试验田为一组试验，进行3组重复试验。其中试验构树的主要特征参数如表1所示。

图9 构树收获机作业过程Fig. 9 Operation process of Broussonetia papyrifera harvester

表1 构树主要特征参数Tab. 1 Plant parameters of Broussonetia papyrifera

3.2 试验方法

通过前述理论分析确定了构树化收获机的揉搓丝化级数、茎秆的理论切断长度以及揉搓板的数量。根据串联结构可靠性模型，过多的揉搓丝化级数必然会导致装备的复杂性和制造成本的增加。为了进一步探究构树茎秆揉搓丝化的效果的影响规律，同时降低装备的复杂性以及制造成本。在理论分析的基础上，采取Box-Behnken响应面试验设计方法进行正交试验，选取茎秆切断长度、揉搓丝化级数和揉搓板数为试验因素，以茎秆丝化率为试验指标，开展三因素三水平的Box-Behnken响应曲面试验[16]，各因素编码如表2所示，每组试验重复3次，取平均值作为试验结果。

表2 试验因素编码Tab. 2 Factors and coding of experiment

试验中选择反映整机作业效果的构树茎秆丝化率作为考核指标，在试验作业离开地头20 m后，每间隔5 m 在出口接取样品1次，每次接取样品不少于500 g。将3次样品混合称重，拣出其中不符合农业行业标准(NY/T 509—2015)秸秆揉丝机质量评价技术规范的茎秆，即挑出取样中长度大于18 cm，或者直径大于5 mm 的茎秆，对其称重后，按式(10)计算。

平均茎秆丝化率

(10)

式中：m1——样品中超过标准规定的茎秆质量，g；

m——样品质量，g。

3.3 试验结果及分析

3.3.1 方差分析

根据Design-Expert软件中的响应曲面法进行试验方案设计与数据分析，以茎秆丝化率作为考核指标，试验总共进行17次，其中12组为析因点，5组作为零点，零点试验重复多次，以估计试验误差。试验方案和结果见表3。由表3可知在揉搓丝化级数为3级、茎秆切断长度为18 cm、揉搓板数为24个情况下，茎秆丝化率为95.6%，此时揉搓丝化效果最佳。

表3 试验方案与结果Tab. 3 Test design scheme and results

试验数据经Design-Expert软件处理后，得出茎秆丝化率的方差分析结果，如表4所示。由表4中数据可知，揉搓丝化级数、茎秆切断长度、揉搓板数量对茎秆丝化率的影响各不相同。其中揉搓丝化级数的失拟项P<0.000 1，表明揉搓丝化级数对茎秆丝化率影响极显著；茎秆丝断长度与揉搓板数量的失拟项分别为0.007 5和0.003 4均小于0.01，表明茎秆切断长度与揉搓板数量对茎秆丝化率的影响很显著。为进一步优化试验结果，对表4中的数据进行二次多元回归，除去不显著因素，得到茎秆丝化率与各因素编码值间的二次多元回归方程为

S=72.3+10.29X1+2.94X2+3.42X3+

1.07X1X2+1.15X1X3+0.45X2X3+

5.41X12+3.56X22+0.64X32

(11)

表4 茎秆丝化率的方差分析结果Tab. 4 Analysisresult of variance of straw silking rate

通过方差分析的结果可知所选的3个参数都是影响茎秆丝化率的主要因素；且影响茎秆丝化率因素的主次顺序为揉搓丝化级数、揉搓板数和茎秆切断长度。

3.3.2 响应曲面分析

考虑构树丝化处理非单一因素作用的结果，所以应用响应曲面法分析各因素交互作用对构树茎秆丝化率的影响，即固定3个因素中的1个因素为0水平，考察其他两个因素对构树茎秆丝化率的影响[17]。

1) 当揉搓板数控制为24个时，揉搓丝化级数及茎秆切断长度与茎秆丝化率的关系为

S=72.3+10.29X1+2.94X2+1.07X1X2+

5.41X12+3.56X22

(12)

具体变化规律如图10所示，即当揉搓板的数量为24个时，随着揉搓丝化级数的增加，茎秆丝化率呈快速上升趋势，完全符合串联结构的可靠性模型。这是因为在茎秆丝化过程，揉搓丝化级数的增加会使茎秆得到多次揉搓过程，从而显著降低未被丝化的茎秆数量，提高构树饲料的丝化率，但过多的丝化级数，必然导致装备结构的复杂和成本的上升；随着茎秆切断长度的不断增加，茎秆丝化率提高缓慢，但过长的茎秆切断长度不仅影响反刍动物采食过程的能量消耗，而且会增加揉搓板循环丝化的次数和揉搓强度，加大了构树饲料揉搓丝化过程的能耗，造成茎秆丝化率上升趋势缓慢、甚至下降的趋势。通过响应面分析可知：在揉搓丝化级数为3级以及茎秆切断长度为18 cm时，构树饲料的茎秆丝化率达到95%以上，完全满足构树饲料的发酵和反刍动物的采食要求。

图10 揉搓丝化级数与茎秆切断长度的交互作用Fig. 10 Effects of stem silking rate by kneadingnumbers and stem cutting length

2) 当茎秆切断长度控制为15 cm时，揉搓板数及揉搓丝化级数与茎秆丝化率的关系

S=72.3+10.29X1+3.42X3+1.15X1X3+

5.41X12+0.64X32

(13)

具体变化规律如图11所示，茎秆丝化率随着揉搓丝化级数增加，茎秆丝化率快速上升，仅在揉搓丝化级数单因素作用下茎秆丝化率达到80%以上，符合串联结构可靠性模型，但过多的揉搓丝化级数，必然增加了装备结构的复杂性和制造成本的上升；随着揉搓板数量的增加，在揉搓丝化级数与揉搓板数共同作用下茎秆丝化率达到90%以上，满足构树饲料的发酵和反刍动物采食的要求。

图11 揉搓板数与揉搓丝化级数的交互作用Fig. 11 Effects of stem silking rate by kneading boards andstem cutting length

3) 当揉搓丝化级数控制为2级时，茎秆切断长度及揉搓板数与茎秆丝化率的关系为

S=72.3+2.94X2+3.42X3+0.45X2X3+

3.56X22+0.64X32

(14)

具体变化规律如图12所示，揉搓丝化级数仅为两级时，此时构树茎秆的揉搓作业是由同茎秆还田机相似的结构进行处理，未采用揉搓板式揉搓装置。其茎秆丝化率增长较慢，丝化率较低。由此可见采用带有揉搓板式揉搓装置的三级揉搓丝化对茎秆丝化率效果明显。

图12 揉搓板数与茎秆切断长度的交互作用Fig. 12 Effects of stem silking rate by kneading boards andstem cutting length

通过前述分析与试验验证，最终确定了影响茎秆丝化率的最佳参数为揉搓丝化级数为3级、茎秆切断长度为18 cm、揉搓板数为24个时，构树茎秆丝化率达到95.6%，完全符合构树饲料发酵与反刍动物的采食要求，也满足标准NY/T 509—2015《秸秆揉丝机质量评价技术规范》[18-19]，其揉搓丝化后的产品如图13所示。

图13 构树饲料揉搓丝化效果Fig. 13 Silking effect of Broussonetia papyrifera

4 结论

1) 本文重点对构树收获机揉搓丝化装置进行设计，确定了初级丝化装置中茎秆喂入倾斜角度为45°、梳齿间隙为15 cm、茎秆切碎长度一致性可以达到99.87%以及茎秆丝化处理的串联级数为3级；采用可靠性设计方法设计了茎秆三级丝化装置确定了物料丝化率为95%的情况下应选择24根揉搓板，可满足构树饲料发酵和反刍动物采食要求，为整机结构提供了设计依据。

2) 利用Box-Behnken试验方法建立了影响构树茎秆丝化率的三个主要因素(揉搓丝化级数、茎秆切断长度、揉搓板数)与茎秆丝化率的回归方程；证明了最佳参数组合为揉搓丝化级数为3级、茎秆切断程度为18cm、揉搓板数为24个时，茎秆丝化率达到95.6%，达到了构树饲料的发酵和反刍动物的采食要求，满足国家相关标准的指标要求。