楊 穎，尚琴琴，王英博，李紫輝，呂金慶，朱啟昉,2，潘超然

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械維修研究所，哈爾濱 150501)

?

4QX-12型玉米青貯收獲機(jī)的切碎性能分析與試驗

楊 穎1，尚琴琴1，王英博1，李紫輝1，呂金慶1，朱啟昉1,2，潘超然3

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械維修研究所，哈爾濱 150501)

針對目前玉米青貯收獲機(jī)普遍存在的秸稈切碎性能差和切碎長度不均勻等問題，對4QX-12型玉米青貯收獲機(jī)的切碎性能展開研究。通過對收獲機(jī)撥禾過程和切碎過程的理論分析表明：撥禾圓筒安裝多層撥禾輪可實現(xiàn)傾斜撥禾，使秸稈以傾斜接近水平狀態(tài)喂入至切碎裝置，提升收獲機(jī)切碎長度的均勻性；根據(jù)飼喂不同牲畜的需要，通過改變動刀轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)秸稈切碎段長度，該調(diào)節(jié)方法簡單可靠。同時，進(jìn)行了收獲機(jī)性能試驗，結(jié)果表明：該收獲機(jī)合格切碎長度屬于20～30mm區(qū)間的切碎長度合格率為96.7%，損失率為4.0%，割茬高度為116.1mm；合格切碎長度屬于30～50mm區(qū)間的切碎長度合格率為98.1%，損失率為4.6%，割茬高度為113.7mm；各項作業(yè)指標(biāo)均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，該收獲機(jī)能滿足青貯玉米收獲作業(yè)要求。

青貯玉米；切碎長度；撥禾過程；性能試驗

0 引言

青貯玉米富含豐富的粗蛋白質(zhì)、糖分及胡蘿卜素等多種營養(yǎng)物質(zhì)，營養(yǎng)豐富、產(chǎn)量高，經(jīng)過乳酸菌厭氧發(fā)酵后的青貯玉米是牛、羊等牲畜的優(yōu)質(zhì)綠色飼料。隨著我國畜牧業(yè)的發(fā)展，對青貯玉米的需求量逐年增加，其種植面積也不斷擴(kuò)大。在玉米青貯飼料生產(chǎn)過程中，其整地、播種、植保、施肥等作業(yè)均可采用現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械完成，而青貯玉米的收獲作業(yè)則需專用的玉米青貯收獲機(jī)完成[1-3]。

國外的青貯玉米收獲技術(shù)發(fā)展起步較早，部分發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)五六十年代已經(jīng)實現(xiàn)了青貯玉米的機(jī)械化收獲。目前，玉米青貯收獲機(jī)已成為國外發(fā)達(dá)國家畜牧業(yè)發(fā)展的主要農(nóng)業(yè)裝備之一，其青貯玉米多采用直接收獲法，即使用專用的玉米青貯收獲機(jī)進(jìn)行收獲，可一次完成收獲、切碎、拋灑和裝車等系列作業(yè)，自動化程度高及收獲質(zhì)量好。但國外的玉米青貯收獲機(jī)多以大型設(shè)備為主，并不適合中國國情，且存在收獲機(jī)售價較高、零配件供應(yīng)渠道不暢等問題。國內(nèi)青貯玉米多采用人工收獲或分段式收獲的方法，普遍存在人工收獲的勞動強(qiáng)度大、人工成本高、生產(chǎn)效率低及作業(yè)質(zhì)量差等問題。因此，實現(xiàn)青貯玉米的機(jī)械化收獲和提高機(jī)械化收獲水平，是推動青貯玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要環(huán)節(jié)[4-7]。

國內(nèi)現(xiàn)有的玉米青貯收獲機(jī)種類較少，代表機(jī)型有山東農(nóng)業(yè)大學(xué)李汝莘等人研制的玉米青貯打捆收獲機(jī)，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的9265型自走式青貯飼料收獲機(jī)，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)萬霖等人研制的4QZR-30型青貯飼料收獲機(jī)等。其收獲質(zhì)量高、性能可靠、適應(yīng)性強(qiáng)，在整機(jī)能源功耗、穩(wěn)定性和割臺設(shè)計等方面均進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，但針對玉米青貯收獲機(jī)切碎性能的研究較少[8-10]。

針對目前研究現(xiàn)狀，本文以4QX-12型玉米青貯收獲機(jī)為研究對象，對其切碎性能進(jìn)行了研究，通過對主要影響切碎性能的撥禾過程和切碎過程的理論分析，獲得影響該收獲機(jī)切碎性能的主要因素，并進(jìn)行田間性能試驗研究，驗證整機(jī)的可靠性，為后期進(jìn)一步的深入研究提供理論基礎(chǔ)，也為其它玉米青貯收獲機(jī)的研究提供技術(shù)支持。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

4QX-12型玉米青貯收獲機(jī)主要由動力輸入軸、拋送裝置、切碎裝置、喂入裝置、左分禾器、右分禾器、中間分禾器、撥禾圓筒、切碎裝置和地輪總成等部分組成，如圖1所示。收獲機(jī)前進(jìn)時，玉米秸稈在分禾器的作用下均勻地分布在撥禾圓筒前方，位于撥禾圓筒底部的圓盤割刀將秸稈從基部割斷；被割斷的秸稈在撥禾圓筒傾斜撥禾的作用下，由直立狀態(tài)逐漸變?yōu)閮A斜接近水平的狀態(tài)，再經(jīng)由喂入裝置被輸送至切碎裝置切碎，經(jīng)拋送裝置拋送至拖車，完成玉米青貯收獲作業(yè)。該玉米青貯收獲機(jī)除了可以進(jìn)行青貯玉米收獲外，還可用于蘇丹草、高粱、籽粒玉米秸稈等農(nóng)作物的青貯收獲作業(yè)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.動力輸入軸 2.拋送裝置 3.喂入裝置 4.左分禾器 5.中間分禾器 6.右分禾器 7. 撥禾圓筒 8.地輪總成 9.切碎裝置圖1 4QX-12型玉米青貯收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)(俯視圖)Fig.1 The overall structure of 4QX-12 corn silage harvester (plan view)表1 收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the harvester

項目單位參數(shù)值配套動力kW40～88整機(jī)質(zhì)量kg1000懸掛方式側(cè)、后懸掛作業(yè)行數(shù)2適應(yīng)行距cm≤70適應(yīng)含水率%25～70收獲幅寬mm1200割茬高度mm≤100純工作生產(chǎn)率t/h45可靠性%≥90

2 切碎性能分析

影響收獲機(jī)切碎性能的作業(yè)過程主要有兩個，分別是撥禾過程和切碎過程。撥禾過程使得秸稈能均勻地、以傾斜接近水平狀態(tài)喂入至切碎裝置，有利于提高切碎長度的均勻性。切碎裝置的動刀轉(zhuǎn)速、動刀與定刀的間隙等也是影響收獲機(jī)切碎性能的重要因素，根據(jù)飼喂不同牲畜對青貯飼料的要求，通過改變動刀轉(zhuǎn)速，可調(diào)節(jié)秸稈切碎段的長度。

2.1 撥禾過程分析

撥禾圓筒以一次收割兩行青貯玉米、最大適應(yīng)行距70cm為設(shè)計要求[11-12]。為實現(xiàn)兩行青貯玉米的可靠切割輸送，確定撥禾圓筒的轉(zhuǎn)筒直徑為810mm；為提高撥禾質(zhì)量，在撥禾圓筒的下部水平固定安裝3層撥禾輪，上部沿圓周均布8個弧形齒板；使用帽板和上蓋板等結(jié)構(gòu)增加撥禾圓筒的強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a) 撥禾圓筒主視圖

(b) 撥禾輪俯視局部放大圖 1.弧形齒板 2.帽板 3.轉(zhuǎn)筒 4.上蓋板 5.第3層撥禾輪 6.第2層撥禾輪 7.第1層撥禾輪圖2 撥禾圓筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the rake cylinder

撥禾輪影響收獲機(jī)切碎性能主要是其傾斜撥禾作用，將直立狀態(tài)的秸稈變?yōu)閮A斜狀態(tài)，盡量使秸稈以接近水平的姿態(tài)喂入，以提高秸稈切碎長度的均勻性。

由于第1層、第2層撥禾輪的轉(zhuǎn)動半徑不同，致使收獲機(jī)前進(jìn)時兩層撥禾輪接觸玉米秸稈存在時間間隔Δt，可知

(1)

式中 Δt—第1層、第2層撥禾輪接觸秸稈的時間間隔(s)；

R1—第1層撥禾輪的轉(zhuǎn)動半徑(mm)；

R2—第2層撥禾輪的轉(zhuǎn)動半徑(mm)；

vm—收獲機(jī)前進(jìn)速度(m/s)。

當(dāng)?shù)?層撥禾輪接觸秸稈后，帶動秸稈基部發(fā)生偏移，此時秸稈整體由原來的直立狀態(tài)開始逐漸傾斜，直至第2層撥禾輪接觸秸稈后，由兩層撥禾輪共同攜帶秸稈隨撥禾圓筒同步轉(zhuǎn)動，其過程如圖3所示。

(a) 傾斜撥禾過程

(b) 局部放大圖圖3 傾斜撥禾示意圖Fig.3 Schematic diagram of tilted raking

在Δt時間內(nèi)，第1層撥禾輪接觸秸稈并帶動秸稈的基部發(fā)生橫向和縱向位移，由于Δt值極小，因此可將秸稈基部的總位移x近似視為Δt時間內(nèi)撥指轉(zhuǎn)過的弧長，則有

(2)

式中x—Δt時間內(nèi)秸稈基部發(fā)生的位移(mm)；

nb—撥禾圓筒轉(zhuǎn)速(r/min)。

秸稈的傾斜程度可用秸稈與水平面夾角的正切值表示，即

(3)

式中 θ—秸稈與水平面間夾角(°)；

h12—第1層、第2層撥禾輪間的高度(mm)。

整理式(1)～式(3)，得

(4)

考慮收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)尺寸及撥禾圓筒與收獲機(jī)側(cè)板間的空間，確定R1=540mm，R2=510mm。當(dāng)撥禾輪轉(zhuǎn)動半徑值一定時，由式(4)可知：tanθ值與收獲機(jī)前進(jìn)速度、第1層和第2層撥禾輪間的高度成正比，與撥禾圓筒轉(zhuǎn)速成反比。tanθ值越小，說明傾斜撥禾時秸稈越接近水平狀態(tài)，有利于提高秸稈切碎長度的均勻性。由前期研究可知，當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度為6.5km/h，1層、2層撥禾輪間高度為25mm，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速為47r/min時，對應(yīng)理論秸稈傾角θ=29.5°，此時收獲機(jī)秸稈切碎質(zhì)量較高。

結(jié)構(gòu)上，為了提高撥禾作業(yè)的穩(wěn)定性，增設(shè)3層撥禾輪和弧形齒板輔助撥禾。

2.2 切碎過程分析

切碎裝置的動刀裝配如圖4所示，主要由動刀片和刀盤等部分組成。動刀外圓直徑為728mm，動刀片數(shù)量為10。為減小功耗，切割方式選為滑切，一般動刀的最小滑切角τmin為12°～18°，最小推擠角δmin為4°～8°，刀片安裝前傾角(刀片平面與刀刃平面的夾角)α為20°～30°，本收獲機(jī)選取τ=13°、δ=7°、α=30°，動刀刃的偏心距e為14mm。由前期預(yù)試驗可知：動、定刀之間的間隙越小，收獲機(jī)的切碎效果越好；但間隙過小，動刀轉(zhuǎn)動時與定刀碰撞的幾率增加，導(dǎo)致刀具損壞，一般動、定刀的間隙為0.25～1mm，本收獲機(jī)選取間隙為0.5mm[13-15]。

圖4 動刀裝配Fig.4 Assembly drawing of dynamic knife

該收獲機(jī)通過喂入裝置的喂入速度和切碎裝置的動刀轉(zhuǎn)速相配合，實現(xiàn)控制秸稈的切碎長度。理論切碎長度l為

(5)

式中l(wèi)—切碎長度(mm)；

Vw—喂入速度(m/s)；

nd—動刀轉(zhuǎn)速(r/min)；

z—動刀片數(shù)量。

為避免收獲機(jī)內(nèi)部秸稈堆積堵塞、保證收獲機(jī)生產(chǎn)效率，一般設(shè)計喂入速度大于等于收獲機(jī)的前進(jìn)速度。該收獲機(jī)的設(shè)計最高作業(yè)速度不超過8km/h，即2.2m/s，確定喂入速度VW=2.4m/s。實際作業(yè)時，可通過改變動刀轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)切碎長度：當(dāng)動刀轉(zhuǎn)速為524r/min時，收獲機(jī)切碎秸稈長度處于20～30mm區(qū)間的切碎長度合格率較高；當(dāng)動刀轉(zhuǎn)速為393r/min時，收獲機(jī)切碎秸稈長度處于30～50mm區(qū)間的切碎長度合格率較高。

3 田間性能試驗

3.1 試驗條件

2015年9月末，在黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)萬寶鎮(zhèn)，對4QX-12型玉米青貯收獲機(jī)進(jìn)行性能試驗，總作業(yè)面積為4.4hm2。配套動力為東方紅-1004(73.5kW)輪式拖拉機(jī)，試驗品種為高油106，試驗地塊壟長800m。青貯玉米處于成熟期，秸稈、籽粒含水率較高為64.9%，平均株高為3.35m、株距為13cm、壟高為15cm、行距為65cm，植株倒伏率低于5%，果穗無下垂，結(jié)穗高度在1 000mm左右。

3.2 試驗方法

依照《GB/T 10394.3-2002 飼料收獲機(jī) 第3部分:試驗方法》規(guī)定的方法[16]，分別針對秸稈合格切碎長度屬于20～30mm和30～50mm兩個長度區(qū)間進(jìn)行玉米青貯收獲試驗，選取玉米青貯收獲機(jī)的損失率、割茬高度和切碎長度合格率為試驗指標(biāo)，考察該收獲機(jī)的切碎、喂入、拋灑及整機(jī)性能等。

3.3 試驗結(jié)果

將整機(jī)性能試驗結(jié)果與《NYT 2088-2011.玉米青貯收獲機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》中規(guī)定的指標(biāo)值對比，結(jié)果如表2所示[17]。

表2 驗證試驗結(jié)果Table 2 Verification test results

由表2可知：設(shè)定合格秸稈切碎長度為20～30mm時，該收獲機(jī)的損失率為4.0%，割茬高度為116.1mm，秸稈切碎長度合格率為96.7%，合格碎秸稈平均長度為28.3mm，與動刀轉(zhuǎn)速為524r/min時收獲機(jī)的理論切碎長度(27.5mm)僅相差0.8mm；設(shè)定合格秸稈切碎長度為30～50mm時，該收獲機(jī)的損失率為4.6%，割茬高度為113.7mm，秸稈切碎長度合格率為98.1%，合格碎秸稈平均長度為38.9mm，與動刀轉(zhuǎn)速為393r/min時收獲機(jī)的理論切碎長度(36.6mm)僅相差2.3mm。由于進(jìn)行該收獲試驗時，青貯玉米已經(jīng)處于黃熟期，收獲機(jī)的切割部件接觸玉米秸稈及果穗時，有部分頂部秸稈、葉片和苞葉等受到切割部件的撞擊而折斷、掉落，因此實際切碎長度超過合格切碎長度的碎秸稈主要為苞葉和秸稈葉片，如果將收獲時間適時提前，基本可避免該現(xiàn)象的發(fā)生。所以，可以認(rèn)定該收獲機(jī)有較高的切碎精度。處于黃熟期的青貯玉米，其果穗成熟度比一般青貯玉米略高，秸稈上部莖葉青綠，平均含水率為50%～70%，在一定程度上增加了收獲機(jī)作業(yè)負(fù)荷，因此該玉米青貯收獲機(jī)在節(jié)約能源消耗方面的優(yōu)勢并未體現(xiàn)。綜上所述，收獲機(jī)各項作業(yè)指標(biāo)均優(yōu)于國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足玉米青貯收獲的作業(yè)要求。

4 結(jié)論

1)該收獲機(jī)的撥禾圓筒共安裝有3層撥禾輪，利用最下兩層撥禾輪實現(xiàn)傾斜撥禾，使割斷的秸稈以傾斜接近水平狀態(tài)喂入，提高了秸稈切碎長度的均勻性。為滿足飼喂不同牲畜對青貯玉米秸稈長度的要求，可通過調(diào)節(jié)動刀轉(zhuǎn)速改變收獲機(jī)的秸稈切碎長度，該方法操作簡便、穩(wěn)定性高。

2)試驗結(jié)果表明：收獲機(jī)合格切碎長度屬于20～30mm區(qū)間的切碎長度合格率為96.7%，損失率為4.0%，割茬高度為116.1mm；合格切碎長度屬于30～50mm區(qū)間的切碎長度合格率為98.1%，損失率為4.6%，割茬高度為113.7mm。其各項作業(yè)指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，合格碎秸稈的平均長度與理論切碎長度值基本一致，證明該收獲機(jī)的切碎精度較高。

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[16] GB/T 10394.3-2002 飼料收獲機(jī) 第3部分:試驗方法[S].

[17] NYT 2088-2011.玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量[S].

Chopped Performance Analysis and Test on 4QX-12 Silage Maize Harvester

Yang Ying1, Shang Qinqin1, Wang Yingbo1, Li Zihui1, Lv Jinqing1, Zhu Qifang1,2, Pan Chaoran3

(1.College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2.Science Research Institute of Agriculturai Nechanical Engineering in Heilongjiang, Harbin 150081,China; 3.Heilong Maintenance Research Instute of Agricultural Mechanization,Harbin 150501,China)

For the problems widespread in silage maize harvester such as poor chopped performance, uneven chopped length and other issues.A research on the chopped performance of the 4QX-12 silage maize harvester was carried out.The theoretical analysis showed that the raking process and the chopped process have main impact on the chopped performance of the machine. The layers rake wheel was designed to make the cut maize straw tilted when feeding.Help enhance the uniformity of the equipment chopped length.According to the different needs of livestock feed, by changing knife speed, the chopped length of straw can be adjusted. This adjustment method is simple and reliable.The performance test results showed that the working performance of this equipment was higher than the national standard.When the length of 20～30mm was selected as the qualified chopped length,the qualified index of chopped length was 96.7%,the loss rate was 4.0% and the cutting height was 116.1mm,the average length of qualified chopped straw was 28.3mm; when the length of 30 ～ 50mm was selected as the qualified chopped length, the qualified index of chopped length was 98.1%, the loss rate was 4.6% and the cutting height was 113.7mm, the average length of qualified chopped straw was 38.9mm. This equipment can meet the work requirements of silage maize harvest.

silage maize; chopped length; raking process; performance test

2016-01-26

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金(CARS-10-P22)；“十二五”科技支撐計劃項目(2014BAD06B03)；云南省冬季無公害高產(chǎn)技術(shù)體系構(gòu)建及應(yīng)用項目(2014YNC001)；黑龍江省重大科技攻關(guān)項目 (GA15B401)

楊 穎(1992-)，女，黑龍江密山人，碩士研究生，(E-mail)1378705735@qq.com。

呂金慶(1970-)，男，哈爾濱人，研究員，國家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家，(E-mail)ljq8888866666@163.com。

S225.5+1

A

1003-188X(2017)03-0042-05