玉米青贮收获机切碎性能试验研究
2016-09-21吕金庆尚琴琴王英博李紫辉佟思宇朱启昉东北农业大学工程学院哈尔滨50030黑龙江省农业机械工程科学研究院哈尔滨5008
吕金庆，杨 颖，尚琴琴，王英博，李紫辉，佟思宇，朱启昉（.东北农业大学工程学院，哈尔滨 50030；.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 5008）
玉米青贮收获机切碎性能试验研究
吕金庆1，杨颖1，尚琴琴1，王英博1，李紫辉1，佟思宇1，朱启昉2
（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨150030；2.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨150081）
为解决现有玉米青贮收获机普遍存在秸秆切碎长度合格率低、均匀性差等问题，提高青贮玉米机械化收获水平，针对玉米青贮收获机切碎性能开展研究。结果表明，当拨禾轮间高度为25mm，拨禾圆筒转速为47 r·min-1，动刀转速为393 r·min-1，前进速度为6.5 km·h-1时，收获机切碎长度合格率为97.9%，其他各项作业指标均优于国家标准，满足青贮玉米收获作业要求，可为青贮玉米机械化收获发展提供技术支持。
玉米青贮收获机；切碎性能；拨禾；切碎；试验
吕金庆,杨颖,尚琴琴,等.玉米青贮收获机切碎性能试验研究[J].东北农业大学学报,2016,47(4):102-108.
Lv Jinqing,Yang Ying,Shang Qinqin,et al.Study on chopping performance of silagemaize harvester[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(4):102-108.(in Chinese with English abstract)
网络出版时间2016-4-22 10:00:49[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160422.1000.004.html
青贮玉米属高秆饲料作物，种植密度大（一般比籽粒玉米高50%）、产量高（中国生产量为45～60 t·hm-2），与籽粒玉米相比，青贮玉米具有植株高大、茎叶繁茂、抗倒伏性强和不易感染病虫害等特点，富含蛋白质、碳水化合物等多种营养成分。与其他青贮饲料相比，青贮玉米吸收率好，揉切、粉碎、切断处理、室温密封厌氧发酵后，可保留原有营养成分和色泽，延长保存时间，实现常年供应，是反刍动物首选优质饲料，可有效解决北方寒冷地区冬季牧草短缺等问题[1-3]。牛、羊等反刍动物饲喂玉米秸秆等青贮饲料前，需将秸秆切碎成合适长度，改善饲料适口性，便于动物消化吸收，提高饲料利用率[4-6]。
目前，中国青贮玉米收获主要以人工收获和分段式收获为主。人工收获秸秆切碎均匀性好，切碎长度合格率高，但人工劳动强度大、收获效率低、人工成本高，青贮饲料生产成本增加。人工收割再由机械铡碎的分段式收获由于设备简单而应用广泛，但仍存在作业效率低和不利抢农时等问题，导致青贮玉米茎叶含水量降低，错过最佳青贮期，部分蛋白质、碳水化合物等营养成分流失，不能满足牲畜营养需要。玉米青贮收获机研制起步较晚，代表机型有黑龙江八一农垦大学研制的4QR型青贮饲料收获机，山东农业大学研制的4YQK-2型茎秆青贮打捆玉米收获机，中国农业机械化科学研究院研制的9265型自走式青贮饲料收获机等，多在整机性能、功耗、喂入性能等方面开展研究[7-10]。但玉米青贮收获机切碎性能研究鲜见报道。
本文针对玉米青贮收获机切碎性能开展研究，探究拨禾轮间高度、拨禾圆筒转速、动刀转速和收获机前进速度对切碎质量影响，以期获得最佳作业参数，根据试验结果调整收获机作业参数，验证试验检验收获机实际作业性能，为提高青贮玉米机械化收获水平及玉米青贮收获机研制提供技术支持和理论参考。
1 整机结构及工作原理
玉米青贮收获机主要由地轮总成、传动系统、机架、抛送装置、切碎装置、喂入装置、割台总成、拨禾圆筒、分禾器等部分组成，整体结构如图1所示。
图1 玉米青贮收获机整体结构Fig.1 Structure of 4QX-12 silagemaize harvester
割台总成位于收获机前方，收获机前进时，分禾器将玉米秸秆均匀分布在割台前方，拨禾圆筒下方安装有圆盘割刀，高速旋转的圆盘割刀将玉米秸秆从基部割断；拨禾圆筒下部水平安装三层拨禾轮，被割断的玉米秸秆在拨禾轮作用下由直立逐渐变为倾斜接近水平状态，并随拨禾圆筒转动；玉米秸秆由拨禾圆筒拨禾喂入、喂入装置夹持喂入，最终被输送至切碎装置切碎并抛送至拖车，完成收获作业。主要技术参数为配套动力40～88 kW，整机质量1 000 kg，外形尺寸（长、宽、高）为2 703mm×3 359mm×3 550mm，悬挂方式为侧、后悬挂，作业行数2行，作业幅宽1 200mm，适应行距≤70 cm，适应含水率25%～70%，割茬高度≤100mm，纯工作生产率45 t·h-1。由前期研究可知，拨禾圆筒最下两层拨禾轮间高度对收获机倾斜拨禾效果影响较大，影响收获机切碎长度均匀性。
2 切碎性能试验
2.1试验条件
2015年9月13日，哈尔滨市综合牧场开展玉米青贮收获机切碎性能试验。试验地块垄长约500m，试验品种为东青1号，青贮玉米处于成熟期，秸秆含水率为50%～70%，株高为3.0～3.5m，平均株距为10 cm，垄高为15～18 cm，行距为65 cm。将试验区划分为稳定区长30m，测定区长15m，停车区长20m，测定前清除测区内落穗和断离植株。田间试验情况及收获机切碎效果如图2所示。
图2 田间试验Fig.2 Field test
2.2评价指标
根据国家农业行业标准《NYT 2088-2011玉米青贮收获机作业质量》规定[11]，牛用青贮玉米合格切碎长度为30～50mm，羊用青贮玉米合格切碎长度为20～30mm，选择30～50mm为合格切碎长度，进行切碎性能试验。
以切碎长度合格率作为评价指标，计算公式为：
式中，Fh-切碎长度合格率（%）；ms-合格切碎长度内切碎秸秆质量（kg）；mt-切碎秸秆质量（kg）。
2.3试验方案及结果
以一层、二层拨禾轮间高度、拨禾圆筒转速、动刀转速和收获机前进速度为试验因素，以切碎长度合格率为评价指标，进行四元二次回归正交组合试验。试验共4个因素，零水平试验重复4次，对应轴臂γ值为1.607，得到相应因素水平编码见表1，试验方案及结果见表2。
表1 试验因素水平编码Table 1 Test factors and levels
表2 试验方案及试验结果Table 2 Test plan and results
2.4结果分析
应用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果作F检验和方差分析，并对试验结果进行二次多项方程拟合，获得切碎长度合格率y关于各试验因素响应面回归方程，根据回归方程对收获机秸秆切碎长度合格率进行预测和控制，并优化试验结果，确定收获机最佳作业参数组合。
将显著性水平设定为0.05，方差分析结果如表3所示。由表3可知，试验整体模型为极显著（P< 0.0001）、失拟性检验结果不显著（P=0.0505），试验有效，回归方程（1）拟合良好，对试验指标有显著影响的因素均已考虑[12-14]。
由各项相关系数检验可知，主效应中拨禾轮间高度x1、动刀转速x3、前进速度x4对切碎长度合格率y影响均为极显著（P<0.01），拨禾圆筒转速x2对切碎长度合格率y影响不显著（P>0.1），各主效应对指标影响强度为前进速度x4>动刀转速x3>拨禾轮间高度x1>拨禾圆筒转速x2；交互项中，拨禾圆筒转速和动刀转速交互项x2x3、动刀转速和前进速度交互项x3x4对试验指标影响极显著（P<0.01），拨禾轮间高度和拨禾圆筒转速交互项x1x2对试验指标影响显著（0.01
显著交互项对切碎长度合格率影响的响应曲面如图3所示，其他因素均固定在零水平（拨禾轮间高度35mm、拨禾圆筒转速45 r·min-1、动刀转速385 r·min-1、前进速度7.0 km·h-1）。
由图3可知，随拨禾轮间高度增加，切碎长度合格率逐渐下降，拨禾轮间高度主要影响收获机倾斜拨禾效果，当拨禾轮间高度增加，倾斜拨禾时秸秆与水平面间夹角变大，切碎作业时秸秆无法垂直于切碎装置切割，导致玉米秸秆切碎长度产生偏差，降低收获机切碎性能，一般拨禾轮间高度取较小值时，对应收获机切碎长度合格率较高。
表3 试验结果方差分析Table 3 ANOVA of test results
拨禾圆筒转速对切碎长度合格率影响不显著，当拨禾圆筒转速变化时，切碎长度合格率变化幅度较小。但试验发现，如果拨禾圆筒转速过低，会影响收获机倾斜拨禾效果，导致秸秆切碎长度均匀性变差，如果拨禾圆筒转速过高，虽然倾斜拨禾效果有所提升，但由于拨禾喂入速度过快，拨禾圆筒与切碎装置之间有轻微秸秆堵塞现象，直接影响收获机秸秆切碎质量。因此，选择合适拨禾圆筒转速可提升收获机作业质量。当拨禾圆筒转速为45 r·min-1时，对应收获机秸秆切碎长度合格率较高。
通过动刀转速与喂入装置的喂入速度配合，实现控制收获机秸秆切碎长度。当动刀转速改变时，秸秆切碎长度变化较大，整体上，秸秆切碎长度与动刀转速呈反比例相关，即动刀转速越快，秸秆切碎长度越短，而动刀转速与切碎长度合格率呈二次非线性关系，动刀转速过大或过小均会降低切碎长度合格率。当动刀转速为335～435 r·min-1时，切碎长度合格率普遍较高。
当收获机前进速度较低时，秸秆切碎长度合格率相对较高，原因是较低的前进速度，使拨禾圆筒充分发挥其倾斜拨禾作用，秸秆以接近水平的姿态进入切碎装置，提升切碎长度均匀性，较低前进速度可降低拨禾圆筒与喂入装置间发生秸秆堵塞的概率，因此较低前进速度对应较高秸秆切碎质量。但考虑到玉米青贮收获机作业效率，不宜选择过低收获机前进速度。
图3 交互作用对指标影响Fig.3 Effect of interactions on evaluation index
为获得收获机最佳切碎性能作业参数，应用Design-Expert 8.0.6软件优化模块，以最高秸秆切碎长度合格率为优化目标，约束目标最大化优化，利用牛顿迭代法求解。
优化约束条件如下：
目标函数：F=min[y]=min[F(x1,x2,x3,x4)]
约束函数：25 根据收获机实际可实现的各因素调节范围，保证较高作业效率，得到收获机最优参数组合：拨禾轮间高度为25mm，拨禾圆筒转速为47 r·min-1，动刀转速为393 r·min-1，前进速度为6.5 km· h-1，对应理论切碎长度合格率为97.8%～98.2%。 针对上述理论最优参数组合调整收获机，进行田间验证试验，对比试验结果与国家标准规定的指标值，对比结果见表4。由表4可知，经优化调整后收获机实际切碎长度合格率为97.9%，与理论优化结果基本一致，损失率为4.3%，割茬高度为112.9mm，各项作业指标均优于国家农业行业标准，可满足玉米青贮收获作业要求。 表4 验证试验结果Table4 Verification test results a.研究影响收获机切碎性能的拨禾轮间高度、拨禾圆筒转速、动刀转速和收获机前进速度等试验因素，得出收获机最佳作业参数组合为拨禾轮间高度25mm，拨禾圆筒转速47 r·min-1，动刀转速393 r·min-1，收获机前进速度6.5 km·h-1，此时理论切碎长度合格率为97.8%～98.2%。 b.根据最佳作业参数调整收获机，开展田间验证试验，结果表明，调整后收获机切碎长度合格率为97.9%，与理论切碎长度合格率基本一致，证明该收获机切碎精度较高；收获机损失率为4.3%，割茬高度为112.9mm，各项作业指标均优于国家标准，该收获机能满足青贮玉米机械化收获作业要求。 [1]王晓娜,孙启忠,韩海波,等.内蒙古青贮饲料质量研究[J].草业学报,2011,20(3):149-155. [2]李洋,辛杭书,李春雷,等.奶牛常用秸秆类饲料营养价值的评定[J].东北农业大学学报,2015,46(4):76-82. [3]程睿.细碎型青贮饲料高密度打捆机的设计与试验[D].长春:吉林大学,2014. [4]刘建新.甘草秸秆青贮饲料加工技术[M].北京:中国农业科学技术出版社,2003. [5]王德福,蒋亦元,张永根,等.鲜稻秆青贮收获工艺试验研究[J].东北农业大学学报,2009,40(11):113-115. [6]袁洪方,王德成,王光辉,等.秸秆铡切揉搓装置优化设计与试验[J].农业机械学报,2012,43(增):153-157. [7]林君堂,常建国,刘兴博,等.玉米秸秆田间处理技术及收获机[J].农机使用与维修,2015(7):104-105. [8]车刚,万霖,张伟,等.青贮饲料收获机实体设计与试验[J].农业机械学报,2010,41(2):82-86. [9]丛宏斌,李明利,李汝莘,等.4YQK-2型茎秆青贮打捆玉米收获机的设计[J].农业工程学报,2009,25(10):96-100. [10]王进华.自走式青贮饲料收获机矮秆割台喂入机理研究[D].北京:中国农业机械化科学研究院,2011. [11]中华人民共和国农业部.中华人民共和国农业行业标准NYT 2088-2011.玉米青贮收获机作业质量[S].北京:中华人民共和国农业部,2011. [12]董欣,王晓娜,李紫辉,等.卧辊式玉米秸秆调质装置参数优化试验[J].东北农业大学学报,2013,44(11):95-100. [13]何为,薛卫东,唐斌.优化试验设计方法与数据处理[M].北京:化学工业出版社,2012. [14]袁志发,周静芋.试验设计与分析[M].北京:高等教育出版社, 2000. Study on chopping performance of silagemaize harvester LV Jinqing1, YANG Ying1,SHANG Qinqin1,WANG Yingbo1,LI Zihui1,TONG Siyu1,ZHU Qifang2(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Heilongjiang Institute of Agriculturalmechanical Engineering Science,Harbin 150081,China) In order to solve the problems widespread in silagemaize harvester,such as low qualified index and poor uniformity.At the same to improve themechanization level of silagemaize harvest and the working performance of the silagemaize harvester,the silagemaize harvester as the research object,a quadratic regression orthogonal combination test was carried out.The results showed that under the condition that the height between two rake wheels was 25mm,the rotation speed of the rake cylinder was 47 r·min-1,the rotation speed of the dynamic knife was 393 r·min-1and the forward speed of themachine was 6.5 km·h-1,the qualified index of chopped length was 97.9%.And the other performance indices were all higher than the national standard.This equipment couldmeet the work requirements of silagemaize harvest. This paper provided a technical support for the further development of the silagemaizemechanized harvesting. silagemaize harvester;chopping performance;raking process;chop;test S225.8；S817.11 A 1005-9369（2016）04-0102-07 2016-01-28 现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-10-P22）；国家十二五科技支撑计划项目（2014BAD06B03）；黑龙江省重大科技攻关项目（GA15B401） 吕金庆（1970-），男，研究员，硕士生导师，研究方向为现代化农业技术及装备。E-mail:ljq8888866666@163.com
3 结论
