4QX-12型玉米青贮收获机的切碎性能分析与试验

杨 颖，尚琴琴，王英博，李紫辉，吕金庆，朱启昉,2，潘超然

(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；3.黑龙江省农业机械维修研究所，哈尔滨 150501)



4QX-12型玉米青贮收获机的切碎性能分析与试验

杨 颖1，尚琴琴1，王英博1，李紫辉1，吕金庆1，朱启昉1,2，潘超然3

(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；3.黑龙江省农业机械维修研究所，哈尔滨 150501)

针对目前玉米青贮收获机普遍存在的秸秆切碎性能差和切碎长度不均匀等问题，对4QX-12型玉米青贮收获机的切碎性能展开研究。通过对收获机拨禾过程和切碎过程的理论分析表明：拨禾圆筒安装多层拨禾轮可实现倾斜拨禾，使秸秆以倾斜接近水平状态喂入至切碎装置，提升收获机切碎长度的均匀性；根据饲喂不同牲畜的需要，通过改变动刀转速，调节秸秆切碎段长度，该调节方法简单可靠。同时，进行了收获机性能试验，结果表明：该收获机合格切碎长度属于20～30mm区间的切碎长度合格率为96.7%，损失率为4.0%，割茬高度为116.1mm；合格切碎长度属于30～50mm区间的切碎长度合格率为98.1%，损失率为4.6%，割茬高度为113.7mm；各项作业指标均优于国家标准的相关规定，该收获机能满足青贮玉米收获作业要求。

青贮玉米；切碎长度；拨禾过程；性能试验

0 引言

青贮玉米富含丰富的粗蛋白质、糖分及胡萝卜素等多种营养物质，营养丰富、产量高，经过乳酸菌厌氧发酵后的青贮玉米是牛、羊等牲畜的优质绿色饲料。随着我国畜牧业的发展，对青贮玉米的需求量逐年增加，其种植面积也不断扩大。在玉米青贮饲料生产过程中，其整地、播种、植保、施肥等作业均可采用现有农业机械完成，而青贮玉米的收获作业则需专用的玉米青贮收获机完成[1-3]。

国外的青贮玉米收获技术发展起步较早，部分发达国家早在20世纪五六十年代已经实现了青贮玉米的机械化收获。目前，玉米青贮收获机已成为国外发达国家畜牧业发展的主要农业装备之一，其青贮玉米多采用直接收获法，即使用专用的玉米青贮收获机进行收获，可一次完成收获、切碎、抛洒和装车等系列作业，自动化程度高及收获质量好。但国外的玉米青贮收获机多以大型设备为主，并不适合中国国情，且存在收获机售价较高、零配件供应渠道不畅等问题。国内青贮玉米多采用人工收获或分段式收获的方法，普遍存在人工收获的劳动强度大、人工成本高、生产效率低及作业质量差等问题。因此，实现青贮玉米的机械化收获和提高机械化收获水平，是推动青贮玉米产业发展的必要环节[4-7]。

国内现有的玉米青贮收获机种类较少，代表机型有山东农业大学李汝莘等人研制的玉米青贮打捆收获机，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，黑龙江八一农垦大学万霖等人研制的4QZR-30型青贮饲料收获机等。其收获质量高、性能可靠、适应性强，在整机能源功耗、稳定性和割台设计等方面均进行了深入系统的研究，但针对玉米青贮收获机切碎性能的研究较少[8-10]。

针对目前研究现状，本文以4QX-12型玉米青贮收获机为研究对象，对其切碎性能进行了研究，通过对主要影响切碎性能的拨禾过程和切碎过程的理论分析，获得影响该收获机切碎性能的主要因素，并进行田间性能试验研究，验证整机的可靠性，为后期进一步的深入研究提供理论基础，也为其它玉米青贮收获机的研究提供技术支持。

1 整机结构及工作原理

4QX-12型玉米青贮收获机主要由动力输入轴、抛送装置、切碎装置、喂入装置、左分禾器、右分禾器、中间分禾器、拨禾圆筒、切碎装置和地轮总成等部分组成，如图1所示。收获机前进时，玉米秸秆在分禾器的作用下均匀地分布在拨禾圆筒前方，位于拨禾圆筒底部的圆盘割刀将秸秆从基部割断；被割断的秸秆在拨禾圆筒倾斜拨禾的作用下，由直立状态逐渐变为倾斜接近水平的状态，再经由喂入装置被输送至切碎装置切碎，经抛送装置抛送至拖车，完成玉米青贮收获作业。该玉米青贮收获机除了可以进行青贮玉米收获外，还可用于苏丹草、高粱、籽粒玉米秸秆等农作物的青贮收获作业，其主要技术参数如表1所示。

1.动力输入轴 2.抛送装置 3.喂入装置 4.左分禾器 5.中间分禾器 6.右分禾器 7. 拨禾圆筒 8.地轮总成 9.切碎装置图1 4QX-12型玉米青贮收获机整体结构(俯视图)Fig.1 The overall structure of 4QX-12 corn silage harvester (plan view)表1 收获机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of the harvester

项目单位参数值配套动力kW40～88整机质量kg1000悬挂方式侧、后悬挂作业行数2适应行距cm≤70适应含水率%25～70收获幅宽mm1200割茬高度mm≤100纯工作生产率t/h45可靠性%≥90

2 切碎性能分析

影响收获机切碎性能的作业过程主要有两个，分别是拨禾过程和切碎过程。拨禾过程使得秸秆能均匀地、以倾斜接近水平状态喂入至切碎装置，有利于提高切碎长度的均匀性。切碎装置的动刀转速、动刀与定刀的间隙等也是影响收获机切碎性能的重要因素，根据饲喂不同牲畜对青贮饲料的要求，通过改变动刀转速，可调节秸秆切碎段的长度。

2.1 拨禾过程分析

拨禾圆筒以一次收割两行青贮玉米、最大适应行距70cm为设计要求[11-12]。为实现两行青贮玉米的可靠切割输送，确定拨禾圆筒的转筒直径为810mm；为提高拨禾质量，在拨禾圆筒的下部水平固定安装3层拨禾轮，上部沿圆周均布8个弧形齿板；使用帽板和上盖板等结构增加拨禾圆筒的强度，其结构如图2所示。

(a) 拨禾圆筒主视图

(b) 拨禾轮俯视局部放大图 1.弧形齿板 2.帽板 3.转筒 4.上盖板 5.第3层拨禾轮 6.第2层拨禾轮 7.第1层拨禾轮图2 拨禾圆筒结构示意图Fig.2 Structure of the rake cylinder

拨禾轮影响收获机切碎性能主要是其倾斜拨禾作用，将直立状态的秸秆变为倾斜状态，尽量使秸秆以接近水平的姿态喂入，以提高秸秆切碎长度的均匀性。

由于第1层、第2层拨禾轮的转动半径不同，致使收获机前进时两层拨禾轮接触玉米秸秆存在时间间隔Δt，可知

(1)

式中 Δt—第1层、第2层拨禾轮接触秸秆的时间间隔(s)；

R1—第1层拨禾轮的转动半径(mm)；

R2—第2层拨禾轮的转动半径(mm)；

vm—收获机前进速度(m/s)。

当第1层拨禾轮接触秸秆后，带动秸秆基部发生偏移，此时秸秆整体由原来的直立状态开始逐渐倾斜，直至第2层拨禾轮接触秸秆后，由两层拨禾轮共同携带秸秆随拨禾圆筒同步转动，其过程如图3所示。

(a) 倾斜拨禾过程

(b) 局部放大图图3 倾斜拨禾示意图Fig.3 Schematic diagram of tilted raking

在Δt时间内，第1层拨禾轮接触秸秆并带动秸秆的基部发生横向和纵向位移，由于Δt值极小，因此可将秸秆基部的总位移x近似视为Δt时间内拨指转过的弧长，则有

(2)

式中x—Δt时间内秸秆基部发生的位移(mm)；

nb—拨禾圆筒转速(r/min)。

秸秆的倾斜程度可用秸秆与水平面夹角的正切值表示，即

(3)

式中 θ—秸秆与水平面间夹角(°)；

h12—第1层、第2层拨禾轮间的高度(mm)。

整理式(1)～式(3)，得

(4)

考虑收获机整体结构尺寸及拨禾圆筒与收获机侧板间的空间，确定R1=540mm，R2=510mm。当拨禾轮转动半径值一定时，由式(4)可知：tanθ值与收获机前进速度、第1层和第2层拨禾轮间的高度成正比，与拨禾圆筒转速成反比。tanθ值越小，说明倾斜拨禾时秸秆越接近水平状态，有利于提高秸秆切碎长度的均匀性。由前期研究可知，当收获机前进速度为6.5km/h，1层、2层拨禾轮间高度为25mm，拨禾圆筒转速为47r/min时，对应理论秸秆倾角θ=29.5°，此时收获机秸秆切碎质量较高。

结构上，为了提高拨禾作业的稳定性，增设3层拨禾轮和弧形齿板辅助拨禾。

2.2 切碎过程分析

切碎装置的动刀装配如图4所示，主要由动刀片和刀盘等部分组成。动刀外圆直径为728mm，动刀片数量为10。为减小功耗，切割方式选为滑切，一般动刀的最小滑切角τmin为12°～18°，最小推挤角δmin为4°～8°，刀片安装前倾角(刀片平面与刀刃平面的夹角)α为20°～30°，本收获机选取τ=13°、δ=7°、α=30°，动刀刃的偏心距e为14mm。由前期预试验可知：动、定刀之间的间隙越小，收获机的切碎效果越好；但间隙过小，动刀转动时与定刀碰撞的几率增加，导致刀具损坏，一般动、定刀的间隙为0.25～1mm，本收获机选取间隙为0.5mm[13-15]。

图4 动刀装配Fig.4 Assembly drawing of dynamic knife

该收获机通过喂入装置的喂入速度和切碎装置的动刀转速相配合，实现控制秸秆的切碎长度。理论切碎长度l为

(5)

式中l—切碎长度(mm)；

Vw—喂入速度(m/s)；

nd—动刀转速(r/min)；

z—动刀片数量。

为避免收获机内部秸秆堆积堵塞、保证收获机生产效率，一般设计喂入速度大于等于收获机的前进速度。该收获机的设计最高作业速度不超过8km/h，即2.2m/s，确定喂入速度VW=2.4m/s。实际作业时，可通过改变动刀转速来调节切碎长度：当动刀转速为524r/min时，收获机切碎秸秆长度处于20～30mm区间的切碎长度合格率较高；当动刀转速为393r/min时，收获机切碎秸秆长度处于30～50mm区间的切碎长度合格率较高。

3 田间性能试验

3.1 试验条件

2015年9月末，在黑龙江省哈尔滨市松北区万宝镇，对4QX-12型玉米青贮收获机进行性能试验，总作业面积为4.4hm2。配套动力为东方红-1004(73.5kW)轮式拖拉机，试验品种为高油106，试验地块垄长800m。青贮玉米处于成熟期，秸秆、籽粒含水率较高为64.9%，平均株高为3.35m、株距为13cm、垄高为15cm、行距为65cm，植株倒伏率低于5%，果穗无下垂，结穗高度在1 000mm左右。

3.2 试验方法

依照《GB/T 10394.3-2002 饲料收获机 第3部分:试验方法》规定的方法[16]，分别针对秸秆合格切碎长度属于20～30mm和30～50mm两个长度区间进行玉米青贮收获试验，选取玉米青贮收获机的损失率、割茬高度和切碎长度合格率为试验指标，考察该收获机的切碎、喂入、抛洒及整机性能等。

3.3 试验结果

将整机性能试验结果与《NYT 2088-2011.玉米青贮收获机 作业质量》中规定的指标值对比，结果如表2所示[17]。

表2 验证试验结果Table 2 Verification test results

由表2可知：设定合格秸秆切碎长度为20～30mm时，该收获机的损失率为4.0%，割茬高度为116.1mm，秸秆切碎长度合格率为96.7%，合格碎秸秆平均长度为28.3mm，与动刀转速为524r/min时收获机的理论切碎长度(27.5mm)仅相差0.8mm；设定合格秸秆切碎长度为30～50mm时，该收获机的损失率为4.6%，割茬高度为113.7mm，秸秆切碎长度合格率为98.1%，合格碎秸秆平均长度为38.9mm，与动刀转速为393r/min时收获机的理论切碎长度(36.6mm)仅相差2.3mm。由于进行该收获试验时，青贮玉米已经处于黄熟期，收获机的切割部件接触玉米秸秆及果穗时，有部分顶部秸秆、叶片和苞叶等受到切割部件的撞击而折断、掉落，因此实际切碎长度超过合格切碎长度的碎秸秆主要为苞叶和秸秆叶片，如果将收获时间适时提前，基本可避免该现象的发生。所以，可以认定该收获机有较高的切碎精度。处于黄熟期的青贮玉米，其果穗成熟度比一般青贮玉米略高，秸秆上部茎叶青绿，平均含水率为50%～70%，在一定程度上增加了收获机作业负荷，因此该玉米青贮收获机在节约能源消耗方面的优势并未体现。综上所述，收获机各项作业指标均优于国家农业行业标准，可以满足玉米青贮收获的作业要求。

4 结论

1)该收获机的拨禾圆筒共安装有3层拨禾轮，利用最下两层拨禾轮实现倾斜拨禾，使割断的秸秆以倾斜接近水平状态喂入，提高了秸秆切碎长度的均匀性。为满足饲喂不同牲畜对青贮玉米秸秆长度的要求，可通过调节动刀转速改变收获机的秸秆切碎长度，该方法操作简便、稳定性高。

2)试验结果表明：收获机合格切碎长度属于20～30mm区间的切碎长度合格率为96.7%，损失率为4.0%，割茬高度为116.1mm；合格切碎长度属于30～50mm区间的切碎长度合格率为98.1%，损失率为4.6%，割茬高度为113.7mm。其各项作业指标均达到国家标准，合格碎秸秆的平均长度与理论切碎长度值基本一致，证明该收获机的切碎精度较高。

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[17] NYT 2088-2011.玉米青贮收获机作业质量[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

现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-10-P22)；“十二五”科技支撑计划项目(2014BAD06B03)；云南省冬季无公害高产技术体系构建及应用项目(2014YNC001)；黑龙江省重大科技攻关项目 (GA15B401)

杨 颖(1992-)，女，黑龙江密山人，硕士研究生，(E-mail)1378705735@qq.com。

吕金庆(1970-)，男，哈尔滨人，研究员，国家马铃薯产业技术体系岗位科学家，(E-mail)ljq8888866666@163.com。

S225.5+1

A

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