自走式捡拾高留茬切割装置设计与试验

成 铖，李耀明，徐立章，胡必友，王满先

(1.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013；2.江苏沃得农业机械有限公司，江苏 镇江 212300；3.南通棉花机械有限公司，江苏 南通 226300)



自走式捡拾高留茬切割装置设计与试验

成 铖1，李耀明1，徐立章1，胡必友2，王满先3

(1.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013；2.江苏沃得农业机械有限公司，江苏 镇江 212300；3.南通棉花机械有限公司，江苏 南通 226300)

针对含水率高的作物需要晾晒2～3天后再进行秸秆捡拾打捆的需求，研制了自走式捡拾高留茬切割装置。以4L-4.0型稻麦联合收获打捆复式作业机为样机，将拨禾轮更换为新设计的捡拾装置，对捡拾幅宽、弹齿间距、喂入量匹配及反转机构进行了分析和设计，实现田间秸秆的捡拾打捆和高留茬作物的切割回收。与目前市场上的牵引式捡拾打捆机相比，设计的自走式捡拾高留茬切割打捆机灵活性更好、适应性更强，实现了一机多用。

切割；高留茬；捡拾；自走式；打捆

0 引言

目前，国内外用于收获稻麦秸秆及牧草的机器多为牵引式的捡拾打捆装备，利用拖拉机牵引，完成捡拾、喂入、压缩和打捆等作业程序[1]。但牵引式捡拾打捆装备在小块田地作业时，由于其车身较长，转弯半径过大，不能灵活移动，田间适应性较差[2-3]。

本文设计了一种自走式捡拾高留茬切割装置，不仅能够对散落在田间的作物秸秆进行捡拾打捆，且可对留茬较高的作物秸秆进行切割回收。以4L-4.0型稻麦联合收获打捆复式作业机为样机，对捡拾割台重新进行设计，对捡拾器幅宽、弹齿间距、最小离地间隙等进行设计计算，以实现田间秸秆的捡拾打捆和高留茬的切割回收。

1 切割装置整机结构及工作原理

自走式捡拾高留茬切割打捆机作业流程主要由捡拾、切割、输送、喂入及压缩打捆等步骤组成，其结构如图1所示。

工作时，由捡拾器将铺放在田间的秸秆作物捡起并向后输送至割台内，同时割台前端的切割器对高留茬作物进行切割与被捡拾的秸秆一同输送至割台后方；割台内采用螺旋输送搅龙，将物料连续向后输送至输送槽；输送槽内部采用链耙式输送装置，物料再经过脱粒滚筒输送至喂入机构；喂入机构位于脱粒滚筒出草口处，拨草叉采用下喂入的方式将排出的物料连续不断地喂入压缩打捆室内进行打捆。

1.驾驶室 2.捡拾器 3.割台 4.输送槽 5.驱动轮 6.脱粒滚筒 7.喂入机构 8.转向轮 9.压捆室 10.打结机构图1 自走式捡拾高留茬切割打捆机结构示意图Fig.1 Structure diagram of self-propelled pickup,

high stubble cutting baler

2 关键部件设计及计算

2.1 捡拾幅宽的设计

设计的捡拾装置需要与4L-4.0型稻麦联合收获打捆复式作业机的割台相配合。4L-4.0型稻麦联合收获打捆复式作业机割台左右侧板的距离为2 480mm，为了方便捡拾装置安装在割台上，故设计捡拾器幅宽为2 400mm，则[4]

Bw=0.8Bn

(1)

式中Bw—捡拾器有效幅宽(mm)；

Bn—捡拾器幅宽(mm)。

由此可知，设计的捡拾器的有效捡拾幅宽为Bw=1 920mm。

2.2 弹齿间距及最小离地间隙

弹齿的疏密要保证将秸秆捡拾干净，通常间距为63～100mm[5]，因此在长2 200mm的弹齿支撑管上布置11个弹齿，每个弹齿有2根齿，4根弹齿支撑管共安装44个弹齿；弹齿最小离地间隙δ≤20mm。

2.3 喂入量的匹配

4L-4.0型稻麦联合收获打捆复式作业机的喂入装置每工作一次可喂入2kg的秸秆物料，工作频率为90次/min。因此，自走式捡拾高留茬切割装置每秒的捡拾量为

(2)

式中q—捡拾量(kg/s)；

f—工作频率(次/min)；

G—喂入装置每秒喂入量(kg/次)。

计算得q=3kg/s。为了避免秸秆物料堆积而造成堵塞，自走式捡拾高留茬切割装置在作业时其每秒的喂入量需要小于3kg/s。捡拾打捆机在田间作业时，每米秸秆的质量一般为1.5～2.5kg/m，本文取2kg/m。所以，自走式捡拾高留茬切割装置田间作业时的前进速度应满足以下条件，即

(3)

计算得vt≤1.5m/s。作业时，机器的前进速度不能大于弹齿末端的线速度。其中，弹齿末端线速度为

(4)

式中vt—弹齿末端线速度(mm/s)；

n—捡拾器转速(r/min)；

r—弹齿末端最大回转半径(mm)。

设计时，取r=215mm。经计算得：n≥65r/min。在计算捡拾器时需要引入一个修正系数k[6]，选取k=1.6，经过计算，捡拾器的实际转速为n1=k·n=105r/min。

2.4 反转机构设计

在4L-4.0型稻麦联合收获打捆复式作业机上，拨禾轮的动力由割台中间无级变速轮通过带传动输入，而拨禾轮的转动方向与捡拾装置所需要的转动方向刚好相反。因此，需要在捡拾装置上设计一个可以使其反转的机构。本设计采用一对啮合齿轮，齿轮a安装在主轴上，齿轮b安装在传动轴上，两者相互啮合，齿数比为1，如图2所示。

2.5 捡拾割台装配

捡拾割台由捡拾装置和割台装置组成。其中，捡拾装置包括弹齿捡拾器、输入带轮、捡拾机架、连杆及连接架等。弹齿捡拾器固定在捡拾机架上，输入带轮安装在捡拾器输入轴上，连接架焊接在机架的两端。割台装置包括切割装置、割台侧板，过渡带轮及中间无级变速输出带轮等。其中，切割装置位于割台装置的前端下方，过渡带轮安装在割台悬臂上，可以上下移动以便调节皮带的张紧，中间无级变速输出带轮位于割台装置的后方，割台侧板位于两侧。捡拾装置与割台装置的装配方式如图3所示。

1.齿轮a 2.齿轮b图2 反转机构图Fig.2 Reverse mechanism

1.弹齿捡拾器 2.输入带轮 3.捡拾机架 4.切割装置 5.割台侧板 6.中间无级变速输出带轮 7.过渡带轮 8.连接架 9.连杆图3 捡拾割台装配示意图Fig.3 Connection of the pickup collector and header

捡拾装置安装在割台装置前端下方，与切割装置相互配合工作实现作物秸秆的捡拾及高留茬的切割功能。连接架与切割装置连接，连杆一端与捡拾装置端盖连接，另一端与割台侧板连接。连接架与切割装置的具体连接方式如图4所示。

1.连接架 2.护刃器定位孔 3.护刃器 4.动刀片图4 捡拾装置安装局部示意图Fig.4 Installation of pickup collector

捡拾装置每个连接架上开有两个定位孔，安装时需要将原割台切割装置护刃器的连接螺栓拆卸，将连接架定位孔与护刃器定位孔对齐，然后再用连接螺栓将其拧紧。

3 田间试验与分析

3.1 试验地点及条件

田间试验地点选在江苏省南通市通州区十总镇新雁村。试验时间为2015年12月水稻收获季节，在全喂入式联合收割机收获完毕后，将抛洒在田间的水稻秸秆晾晒2～3天，当其含水率在20%左右时，利用自走式捡拾高留茬切割装置进行捡拾打捆作业。试验时，草条铺设宽度为1～1.5m，草条质量为1.5～2.5kg/m，测定区域总长度为20m。所选取的试验田割茬要整齐，平均留茬高度在20cm左右。试验样机如图5所示。

图5 自走式捡拾高留茬切割装置试验样机Fig.5 Experimental prototype of self-propelled pickup,

high stubble cutting device

3.2 田间性能试验

影响捡拾效果的主要因素是机器前进速度、捡拾器滚筒转速和离地间隙。其中，离地间隙可根据留茬二次切割的高度来确定。因此，选取机器前进速度、捡拾器滚筒转速及留茬高度作为田间试验的3个因素，如表1所示。

表1 田间试验因子水平表

田间试验的方案为：试验前量取长度为20m的田块，并将称好质量的水稻秸秆整齐的铺放在留茬上方，厚度约为100～150mm；自走式捡拾高留茬切割装置的田间试验采用L9(34)正交试验表[7]，以捡拾损失率作为性能指标，每组试验重复3次，取3次试验结果的平均值，如表2所示。

表2 自走式捡拾高留茬切割装置田间性能正交试验表

Table 2 Orthogonal test table of self-propelled pickup,high stubble cutting device

试验号机器前进速度/m·s-1捡拾器转速/r·min-1留茬高度/cm10.5100520.5110630.5120740.8100650.8110760.8120571.0100781.0110591.01206

试验样机跑完测定距离后，将进行过二次切割的高留茬作物重新测量高度以验证切割装置的性能，如图6所示。

图6 留茬高度对比Fig.6 Comparison of stubble height

同时，将漏捡的水稻秸秆收集起来称重，以计算试验的捡拾损失率，计算方法为[8]

(5)

式中Sj—捡拾损失率(%)；

Wj—捡拾装置漏捡秸秆质量(g)；

L—测区长度(m)；

Pt—每米秸秆物料的质量(kg)。

自走式捡拾高留茬切割装置田间试验结果如表3所示。

表3 田间试验结果

续表3

3.3 试验结果分析

应用DPS数据处理软件对试验数据进行方差分析处理，结果如表4所示。

表4 试验因素对捡拾损失率的方差分析结果

由表4可以看出：机器前进速度和捡拾器转速两个因素的p值分别为0.03和0.011 9，均小于置信水平0.05。这说明，机器前进速度和捡拾器转速这两个因素对捡拾损失率具有显著影响。第3因素留茬高度的p值为0.212，明显大于置信水平0.05，因此留茬高度对捡拾损失率没有显著的影响。由于第二因素的p值小于第一因素的p值，因此可以得出影响捡拾损失率的主次因素为：捡拾器转速→机器前进速度→留茬高度。

4 结论

1)通过对自走式捡拾高留茬切割装置的结构设计和分析，研制了自走式捡拾高留茬切割装置。该装置能一次完成田间秸秆的捡拾及高留茬作物的切割，有效地解决了高留茬作物回收困难的问题。

2)将自走式捡拾高留茬切割装置安装到4L-4.0型稻麦联合收获打捆复式作业机上，实现了秸秆捡拾、高留茬切割和打捆复式作业。田间试验结果表明：该机工作性能达到了使用要求，具有良好的推广应用前景。

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Design and Experiment of Self-propelled Pickup,High Stubble Cutting Device

Cheng Cheng1，Li Yaoming1，Xu Lizhang1，Hu Biyou2，Wang Manxian3

(1.Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology,Ministry of Education,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China；2.Jiangsu World Agricultural Machinery Co. LTD., Zhenjiang 212300, China；3.Nantong Cotton Machinery Co. LTD., Nantong 226300, China)

In accordance with the demand that the high moisture content of crop needs to be baling after drying in the sun two or three days. This paper developed a self-contained collecting, high stubble cutting device,with 4L-4.0 type of all-in-one machine of combine harvester and baler as the prototype，redesign the pick up width,spring tooth spacing, feeding amount,and inversion of institutions of the self-propelled pickup, high stubble cutting device. Implementing the straw collecting and high stubble cutting.Compared with the traction pick up baler,this self-propelled pickup, high stubble cutting baler is more flexible and more adaptive.It can also improve the utilization rate of straw more efficiently.

cutting； high stubble； pickup； self-propelled； baler

2016-05-09

江苏省科技支撑计划项目(BE2014371)

成 铖(1990-)，男，南京人，硕士研究生，(E-mail)1025738165@qq.com。

S817.11+5

A

1003-188X(2017)06-0150-04