高琪珉，刁培松，張銀平，陳美舟

(山東理工大學 農業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

0 引言

目前，推進秸稈綜合利用存在的主要問題之一就是秸稈產生時間較為集中，點多分散，造成儲運費時費力、成本高。農民對于秸稈的利用意識還比較淺，只注重果穗的收集，大部分地塊秸稈還田處理。

關于推進秸稈收獲，在農業(yè)機械方面已經有很多的研究，目前存在的關于秸稈處理的玉米收獲機有摘穗秸稈還田一體機及穗莖兼收型玉米收獲機[1-4]，最新研制的還有穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機[5-6]。這些機具都存在一些問題：首先，秸稈的還田量是有一定標準的，整株秸稈一次性的全部粉碎還田，對下一茬作物的播種和生長有一定的影響；其次，目前市場上存在的穗莖兼收玉米收獲機都是秸稈粉碎拋送型，需要根據運輸距離配備一部或多部運輸車進行收集，運輸環(huán)節(jié)費時費力，穗莖兼收型秸稈打捆型玉米收獲機在一定程度上解決了上述兩個問題。

但是，從其工作原理上講，這種機型將玉米秸稈切成非常規(guī)整一段一段的，切口整齊，不適合作為動物的飼料使用。尤其是反芻類動物對這種秸稈的采食率、吃凈率及消化率沒有對揉絲秸稈高。畜牧方面要求秸稈需要粉碎揉絲并且混合均勻，對秸稈收獲要求比較高[7-10]。

為此，在總結現(xiàn)有秸稈處理機械的基礎上，研制了4YZPDK-4玉米收獲秸稈壓捆一體機，以實現(xiàn)果穗收集和秸稈收獲壓捆兩個功能，且秸稈可揉絲粉碎，提高了動物的采食率、吃凈率和消化率。

1 整機結構和工作原理

1.1 整機結構

4YZPDK-4玉米收獲秸稈壓捆一體機，主要由割臺、駕駛室升運器、剝皮機、果穗箱、行走系統(tǒng)、秸稈粉碎器及秸稈打捆機等部分組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

工作時，首先割臺進行果穗收獲，果穗經升運器到達剝皮機，剝皮機進行剝皮處理之后送到果穗箱，完成果穗的收獲。在玉米收獲機的中部安裝有秸稈收集打捆裝置，隨著機器的運轉，秸稈撿拾器將地面秸稈切碎，并撿起拋送到螺旋輸送器上；螺旋輸送器將秸稈聚集到打捆室下方，喂入撥叉將堆積在喂入口的物料撥入壓捆室，在活塞往復運動的作用下，物料在壓捆室內逐漸被壓實；當捆形長度達到調定尺寸時，打結器將捆扎物料的兩道捆繩打成繩結；捆扎好的物料捆在后續(xù)物料的推動下逐漸移動到壓捆室出口，經放料板滑落到地面，完成秸稈的打捆收獲。

1.摘穗割臺 2.駕駛室 3.機架 4.發(fā)動機 5.果穗升運器 6.秸稈撿拾裝置 7.打捆裝置 8.果穗箱圖1 玉米收獲秸稈打捆一體機結構示意圖Fig.1 Structural diagram of corn harvesting straw balers

2 關鍵部件設計與計算

2.1 秸稈收集打捆裝置

秸稈收集打捆裝置主要由秸稈撿拾裝置和方捆打捆裝置組成，主要功能是將摘完果穗的玉米秸稈進行粉碎撿拾，最后打成方捆，如圖2所示。

1.聯(lián)軸器 2.飛輪 3.秸稈撿拾裝置 4.收集輸送器 5.撥叉 6.壓塊 7.打結器 8送繩裝置 9.調節(jié)裝置圖2 玉米秸稈收集打捆裝置示意圖Fig.2 Structure diagram of Corn straw collection and bundling device

該結構是可內置到玉米收獲機上的一個可拆卸裝置。與青貯收獲和穗莖兼收的玉米秸稈粉碎方式不同，所設計的秸稈收集打捆裝置對秸稈的粉碎撿拾屬于無支撐切割[11-13]。此種方式切割的玉米秸稈類似于揉碎型，玉米秸稈成撕碎狀態(tài)，對牛羊的采食率有很大的提升。這種裝置結構簡單，功能可靠，與玉米收獲機上配置使用，方便拆卸。

機器作業(yè)時，摘穗后的玉米秸稈進入秸稈撿拾器的切碎裝置，秸稈在秸稈撿拾器切碎作用下切碎并拋入秸稈撿拾器收集輸送裝置；秸稈撿拾器將切碎的秸稈向左輸送至秸稈打捆機喂入口，導入撥叉將堆積的物料導入壓捆室，壓捆裝置的活塞做往復運動將物料在壓捆室中逐漸壓實；當草捆長度達到調定尺寸時，打結器將纏繞物料的兩道捆繩打成繩結，成形的草捆在后續(xù)物料的推動下向后移動推出打捆室，沿打捆機后部出料板滑落到地面，打捆完成[14-16]。

2.2 秸稈撿拾裝置

秸稈撿拾裝置主要完成對玉米秸稈的粉碎撿拾，如圖3所示。該裝置核心為支架，支架內橫向設置滾筒，滾筒一端設置轉動輪，滾筒上分布有刀座，刀座上安裝有刀片；滾筒上方設置有收集輸送裝置，收集輸送裝置兩端通過軸承安裝在支架上，收集輸送裝置一端設置驅動輪，另一端設置連接輪，驅動輪連接驅動裝置，連接輪連接滾筒的轉動輪。切碎裝置主體為滾筒，兩端由軸承連接于撿拾器機架兩側，滾筒上沿螺旋方向焊接刀座，每個刀座由銷軸連接3片刀片。螺旋輸送器的軸中心也是秸稈撿拾器的回轉中心。收割過程中，隨著收割機的行進，摘穗之后的秸稈進入到秸稈撿拾器，在滾筒旋轉下刀片將玉米秸稈切碎；同時，在刀片旋轉作用下，切碎的秸稈被拋入收集輸送裝置，在收集輸送裝置作用下，切碎的秸稈被輸送到機架的一側。

玉米秸稈的粉碎選用了65Mn鋼制作的甩刀作為刀具[16-17]。對比不同種類的甩刀，Y型甩刀、質量輕、體積小、消耗功率低、切碎效果好，因此選用中間直刀、兩側Y型刀片對稱布置的切碎刀組合形式，如圖3中的部件6所示。每組刀片按照雙螺旋線進行排列安裝，特點是排列規(guī)律，結構簡單，刀輥受力均勻，滿足動平衡要求[18-20]。

1.轉動輪 2.連接輪 3.滾筒 4.支架 5.刀座 6.收集輸送裝置 7.刀片 8.安裝座 9.驅動輪圖3 秸稈撿拾器結構簡圖Fig.3 Structure diagram of straw picker device

3 主要參數(shù)的確定

3.1 粉碎刀回轉半徑的確定

粉碎刀回轉半徑直接影響粉碎玉米秸稈的粉碎效果及刀輥的平衡、振動等，在刀輥轉速一定的情況下，粉碎刀回轉半徑增大，使機具整體尺寸增大，刀輥的動不平衡因素也增大，振動激增[20]。目前，國內已有秸稈粉碎還田機的甩刀回轉半徑在240～300mm范圍內，參考玉米收獲機的體積和現(xiàn)有玉米秸稈粉碎還田機的刀輥尺寸，確定粉碎刀輥回轉半徑為250mm。

3.2 粉碎刀輥轉速的確定

秸稈粉碎裝置秸稈粉碎過程屬于無支撐切割，這種切割方式對刀尖線速度的要求較高，根據林靜等對秸稈還田機的設計和試驗得出，對玉米秸稈切碎作業(yè)時，刀尖線速度不小于30m/s[18]。

以粉碎刀到達最低點時切割粉碎玉米秸稈，此刻，粉碎刀的線速度與玉米收獲機前進速度相反，則有

(1)

(2)

ω—粉碎刀角速度(rad/s)；

R—粉碎刀尖旋轉半徑(mm)；

n—粉碎刀輥轉速(r/min)。

代入刀尖線速度30m/s，玉米收獲機的正常工作速度0.4～0.6m/s，計算得粉碎刀輥的最小轉速nmin≥1 130r/min[19]。

4 玉米秸稈收集打捆試驗

4.1 試驗條件

在山東巨明機械試驗田進行田間試驗，環(huán)境溫度為11～17℃，玉米秸稈平均含水率為19.3%。根據玉米收獲機正常的收獲速度選擇參數(shù)變化范圍為0.4～0.6m/s，粉碎刀輥轉速最低1 130r/min，小型方捆打捆機輸入轉速750r/min，測試評價指標為草捆密度。

4.2 試驗設計

在收獲過程中存在很多影響草捆密度的非線性因素，通常需要選用2次或者更高次的模型來逼近響應，因此采用響應面法來建立模型[21-23]。機具前進速度、粉碎刀輥轉速、打捆裝置輸入轉速和草捆密度分別用X1、X2、X3、Y表示。

試驗采用三因素三水平Box-Behnken響應曲面分析法[30]，因素與水平編碼如表1所示。其包括17個試驗點，5個為零點估計誤差，另外12個為分析因子。通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗方案進行設計，并進行結果分析，試驗結果如表2所示。

表1 試驗因素水平Table 1 Factor level of experiment

表2 二次正交旋轉回歸組合試驗方案及結果Table 2 Program and results of test of quadratic rotation-orthogonal combination

續(xù)表2

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 試驗回歸分析

利用Design-Expert 8.0.6對試驗結果進行方差分析，得到以草捆密度Y為響應函數(shù)，以各因素為自變量的二次多項式響應面回歸模型為

(3)

對試驗結果進行方差分析，如表3所示。結果表明：草捆密度回歸方程模型P<0.001，表明該模型極其顯著；失擬項P>0.05(0.3143)表明回歸方程擬合度高；決定系數(shù)R2值為0.971 3，表明該模型可以解釋97.13%以上的評價指標。因此，玉米收獲秸稈打捆裝置的工作參數(shù)可以用該模型來優(yōu)化。

各參數(shù)對回歸方程的影響作用可以通過P值大小反映：P<0.01表明參數(shù)對模型影響極顯著，P<0.05表明參數(shù)對模型影響顯著。草捆密度Y模型中有3個回歸項影響極顯著(P<0.01)，分別為X1、X2、X22；6個回歸項對試驗影響不顯著(P>0.05)，分別為X3、X1X2、X1X3、X2、X3、X12、X32。剔除模型不顯著回歸項，對模型Y進行優(yōu)化，如式(4)所示。分析優(yōu)化后的模型，根據模型Y的P值(P<0.001)與模型Y的失擬項P值(0.213 1)可知優(yōu)化模型可靠。

(4)

表3 模型顯著性檢驗Table 3 Significance test of model

P<0.01(極顯著)；P<0.05(顯著)。

4.3.2 參數(shù)優(yōu)化

為了獲得較好的打捆效果，以草捆密度要求為優(yōu)化目標，對玉米收獲秸稈打捆一體機工作參數(shù)和結構參數(shù)進行優(yōu)化分析[24]，應用Design-Expert 8.0.6數(shù)據分析軟件對草捆密度的回歸模型優(yōu)化分析，約束條件為：①目標函數(shù)Y[min]；②影響因素約束。機具前進速度為0.4～0.6m/s，粉碎刀輥轉速為1 200～1 800r/min，打捆裝置輸入轉速為700～800r/min。參數(shù)優(yōu)化組合為機具前進速度0.53m/s，粉碎刀輥轉速1 747r/min，打捆裝置輸入轉速711r/min，在該參數(shù)組合下的草捆密度為180.676kg/m3。

4.4 田間試驗驗證

為了驗證優(yōu)化結果的可行性，對優(yōu)化后的參數(shù)組合進行試驗驗證(見圖4)，設定機具前進速度0.5m/s，粉碎刀輥轉速1 750r/min，打捆裝置輸入轉速720r/min。試驗每個行程取5個草捆稱重取平均值，最后得草捆密度為179.8kg/m3。試驗結果與預測值相差為0.876kg/m3，相對誤差為0.48%，驗證了該模型的可靠性。

圖4 樣機照片F(xiàn)ig.4 The picture of prototype

5 結論

1)研制了4YZPDK-4玉米收獲秸稈打捆一體機，并對關鍵部件進行了理論分析、材料驗證和運動軌跡分析，可實現(xiàn)玉米果穗收獲和秸稈收獲打捆。試驗驗證表明：該機器可以保證打捆的可靠性，滿足中華人民共和國國家標準《方草捆打捆機》(GB/T25423-2010)和中華人民共和國農業(yè)行業(yè)標準《方草捆打捆機》(NY/T1631-2008)的要求。

2)采用Box-Benhnken中心組合試驗方法對機具前進速度、粉碎刀輥轉速、打捆裝置輸入轉速對草捆密度的影響趨勢進行了分析并建立了優(yōu)化模型，并通過試驗驗證了模型和優(yōu)化結果進行準確性。試驗因素對草捆密度均有顯著影響，主次順序為：粉碎刀輥轉速>機具前進速度>打捆裝置輸入轉速。玉米收獲秸稈打捆一體機最優(yōu)工作參數(shù)組合為機具前進速度0.53m/s，粉碎刀輥轉速1 747r/min，打捆裝置輸入轉速711r/min，在該參數(shù)組合下的草捆密度為180.676kg/m3。在進行機具作業(yè)時，參數(shù)應盡量靠近優(yōu)化的參數(shù)值進行工作，以達到最佳的打捆效果。