甘蔗叶打捆收集机械作业性能的对比试验研究

王 刚，宋德庆，张 劲，薛 忠，黄正明，宋 刚，冯 屾

(1.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524091; 2.黄河水利职业技术学院,河南 开封 475004)



甘蔗叶打捆收集机械作业性能的对比试验研究

王 刚1，宋德庆1，张 劲1，薛 忠1，黄正明1，宋 刚1，冯 屾2

(1.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524091; 2.黄河水利职业技术学院,河南 开封 475004)

通过对我国秸秆打捆机械的调查分析，针对目前甘蔗叶机械化收集缺乏配套机具及现有机型适应性较差的现状，选择了5120型圆捆机和FSB-1600型方捆机作为试验研究对象。通过对这两种打捆机收集甘蔗叶的田间性能对比试验，分析了各机型的主要技术指标：作业小时生产率、单位面积耗油量、捡拾损失率。结果表明：两种机型的作业小时生产率基本一致，5120型圆捆机的单位面积燃油消耗量明显高于FSB-1600型方捆机，5120型圆捆机的捡拾损失率要优于FSB-1600型方捆机，且波动较小。通过两种打捆机的对比试验分析，为甘蔗叶打捆机的理论研究与优化设计提供了依据和新思路，有利于甘蔗叶综合利用产业的规模化发展。

甘蔗叶；打捆机；作业性能；对比试验

0 引言

甘蔗叶是甘蔗收获后遗留在田间的废弃秸秆，总量巨大，传统的处理方式往往就是直接焚烧，不仅给大气造成严重污染，而且浪费宝贵资源。为此，相关研究机构与公司企业就甘蔗叶的综合利用开展了大量的研究与应用，主要包括生产沼气[1-2]、培养基质、粉碎还田[3]、直燃发电和制作饲料[4]等。由于甘蔗叶在自然堆放状态下结构松散、密度小、占用空间大，因此收集甘蔗叶时需要对其进行压缩处理以减少运输和储存的空间与成本。

打捆机是秸秆收储运系统的核心设备，能够直接将秸秆从田间收集并进行压缩打捆，目前国内虽然已经研发了一些相关机型，但适应性和成熟度还有待改进。由于甘蔗种植模式和甘蔗叶物料特性的不同，目前的秸秆打捆机在收集甘蔗叶时仍存在许多问题。本文通过对我国秸秆打捆机械的广泛调研，分析其主要类型及性能特点，对现有机型在用于甘蔗叶收集打捆时进行相应的田间对比试验和性能分析，为进一步改进和研制适合甘蔗叶收集的打捆机提供依据。

1 两种秸秆打捆机的特性

圆草捆和方草捆是秸秆机械打捆的两种常见形态，选用中机美诺科技股份有限公司生产的5120型圆捆机和沈阳方科机械制造有限公司生产的FSB-1600型方捆机进行对比试验。这两种打捆机是国内目前秸秆打捆机械的主要类型，也具有相对良好的市场。

1.1 5120型圆捆机的主要参数与工作原理

5120型圆捆机主要由弹齿式捡拾器、打捆胶带、成捆室、液压机构、卸捆机构、传动机构和机架组成，主要参数，如表1所示。

表1 5120型圆捆机主要参数Table 1 The main parameters of 5120 round baler

工作原理：在拖拉机的带动下，捡拾器将甘蔗叶喂入由打捆皮带围成的成捆室，进入到成捆室的甘蔗叶在打捆皮带的带动下强制旋转，自动形成芯捆；随着捡拾器不停地喂入甘蔗叶，草捆直径逐渐增大，然后通过压力控制装置来逐步改变成捆室容积直至蔗叶捆直径达到设计要求，也可根据蔗捆直径浮动标志人为控制甘蔗叶草捆直径大小。此时，拖拉机停止前进，启动绕绳装置，完成绕绳工作后，切断捆绳，打开卸捆机构，草捆因自重滚出成捆室，合上后门后继续前进，属于间断性作业[5]，如图1所示。

1.2 FSB-1600型方捆机的主要参数与工作原理

FSB-1600型方捆机主要由滑道弹齿式捡拾器、喂入拨叉输送器、切断压缩装置、草捆长度密度调节装置、打结器、传动机构和机架组成，主要参数如表2所示。

图1 5120型圆捆机甘蔗叶打捆试验Fig 1 Sugarcane leaf bundle test for 5120 round baler表2 FSB-1600型方捆机主要参数Table 2 The main parameters of FSB-1600 square baler

主要项目外形尺寸/mm捡拾幅宽/mm弹齿个数/个腔室截面/mm草捆长度/mm技术参数4740×2240×157016004×14300×400300～1200

工作原理：在拖拉机牵引下，甘蔗叶由捡拾器弹齿捡起，经喂入拨叉输送至压捆室入口处，往复运动的柱塞压缩装置将甘蔗叶切断分层逐渐压实；当被压缩的蔗叶层积累至一定长度时，打捆机构离合器结合，启动打结器运转，将包络蔗叶捆的两道捆绳打成绳结；捆扎好的蔗叶捆在后续物料的推动下逐渐移动到压捆室出口，经放捆板跌落到地面，可实现连续性作业[6]，如图2所示。

图2 FSB-1600型方捆机甘蔗叶打捆试验Fig.2 Sugarcane leaf bundle test for FSB-1600 square baler

2 田间性能对比试验

田间试验是机械性能测试的重要依据。在田间试验中，选择条件比较均匀的试验田，尽量避免土壤的成分、硬度、湿度等因素对试验的影响。

2.1 试验目的

通过甘蔗叶田间打捆作业试验，测定两种打捆机的作业性能和质量指标；在相同的试验条件下，综合分析两种机型在用于甘蔗叶田间收集打捆时的生产率、燃油消耗及捡拾损失率等性能指标。

2.2 试验设备

主要试验设备为：中机美诺科技股份有限公司5120型圆捆机、沈阳方科机械制造有限公司FSB-1600型方捆机、上海纽荷兰904拖拉机、MA-45快速水分测定仪、机械秒表及台秤等。

2.3 试验条件

选择中国热带农业科学院南亚热带作物研究所甘蔗种植基地为试验地，试验地坡度不大于5°，机器的每个作业行程不小于100m；配套动力为上海纽荷兰904拖拉机，作业速度为低速慢Ⅲ挡；甘蔗种植品种为新台糖系列ROC22号，种植行距为90mm；试验时间为甘蔗人工收获后的第10天，甘蔗叶平铺于田间，无搂草聚拢处理，测定甘蔗叶含水率为15%～20%。

2.4 试验指标

试验指标包括：作业小时生产率、单位面积耗油量及捡拾损失率。

2.5 试验内容

在拖拉机带动下，分别对5120型圆捆机和FSB-1600型方捆机进行打捆试验，以1h为时间节点，分别记录两种机型的作业面积和燃油消耗，重复6次。捡拾损失率定为在测定地段全长上捡拾器遗漏的甘蔗叶质量与该地段全部甘蔗叶质量之比。各测定指标具体计算方法如下：

1)作业小时生产率。在正常作业条件下测定时间1h左右，时间精确到“s”，记录打捆作业面积(hm2)。则有

E=S/T

其中，E为生产率(hm2/h)；S为作业面积(hm2)；T为工作时间(h)。

2)单位面积耗油量。在测定小时生产率的同时，记录拖拉机燃油消耗量(kg)，根据作业面积按公式计算，则有

Gn=M/S

其中，Gn为单位面积燃油消耗量(kg/hm2)；M为工作时间内燃油消耗量(kg)；S为作业面积(hm2)。

3)捡拾损失率。在每个试验时间节点，随机取10m长行程称其甘蔗叶质量，捡拾后再收集原作业行程内遗漏的15cm以上的全部甘蔗叶，称其质量[7]。则有

Sn=(Ml/Mz)×100%

其中，Sn为捡拾损失率(%)；Ml为10m漏捡甘蔗叶质量(kg)；Mz为10m甘蔗叶总质量。

2.6 试验结果

试验结果如表3所示。由图3可以看出：5120型圆捆机在作业过程中，由于甘蔗叶叶片较长，错综交缠，经捡拾器后直接进入成捆室，运动行程较短，喂入性能较好，不易堵塞，工作可靠性高；捡拾过后，损失率较小，捡拾后的地面达到了耕整地的要求，不会造成耕整犁的堵塞。但是，该机动力消耗大，草捆质量较大，不易搬运，需要配合专门的装载机具。

FSB-1600型方捆机由于甘蔗叶经捡拾器后，还要通过拨叉喂入装置才能进入压缩机构，运动行程较长，捡起的甘蔗叶与地面的甘蔗叶还有一定的牵扯作用，导致该机型的喂入口容易堵塞，工作可靠性较差，捡拾损失率较大，对后期的耕整地造成一定影响；但该机动力消耗较小，节能环保，草捆容易搬运。

表3 两种机型甘蔗叶打捆试验对比试验结果Table 3 The compare experimental results of two models

图3 两种打捆机作业小时生产率的对比Fig.3 Comparison of two baler’s job productivity

2.7 结果分析

由表3及图3～图5可以看出：对于作业小时生产率来说，两种机型的作业效率基本一致，但5120型圆捆机的稳定性较FSB-1600型方捆机高。分析原因：FSB-1600型方捆机虽然为连续性作业，但打捆作业工序较为复杂，机器通过性较差；5120型圆捆机虽然通过性较好，但属于间歇性作业，每次拖拉机需停止前进完成绕绳工序才能继续捡拾打捆，大大降低了其作业效率。对于单位面积耗油量来说，5120型圆捆机明显较高，将近倍增于FSB-1600型方捆机，主要是由于5120型圆捆机在工作过程中打捆皮带需不停的带动圆草捆转动，消耗了大量的能量。对于捡拾损失率来说，5120型圆捆机捡拾损失率较小，FSB-1600型方捆机捡拾损失率较大，且波动较大，主要是和两种机型的不同成捆原理和甘蔗叶的物料特性以及田间分布有关。

图4 两种打捆机燃油消耗量的对比Fig.4 Comparison of two baler’s fuel consumption

图5 两种打捆机捡拾损失率的对比Fig.5 Comparison of two baler’s cane leaves loss rate

3 结论

1)两种打捆机收集甘蔗叶的作业小时生产率基本一致，5120型圆捆机为0.15hm2/h，FSB-1600型方捆机为0.14hm2/h。虽然5120型圆捆机通过性好，而FSB-1600型为连续性作业，但均存在各自的问题，整体作业效率低， 均有待提高。 从能耗来看， 两种打捆

机的单位面积耗油量和变异系数表明：5120型圆捆机的性能耗油量要远大于FSB-1600型方捆机。

2)从捡拾后的工作效果来看，由于5120型圆捆机喂入口紧贴成捆室，甘蔗叶从地面到成捆室的行程较短，卷压式的工作原理对地面甘蔗叶起到一定吸附作用，捡拾效果良好。FSB-1600型方捆机工作时，甘蔗叶从地面到成捆室的行程较长，且经过多种工序，甘蔗叶举升高度较大，拨叉喂入装置与捡拾机构运动存在时差，导致喂入口容易堵塞，通过性较差，捡拾损失率较高。

3)FSB-1600型方捆机打出的方捆，易于搬运解捆，5120型圆捆机打出的圆草捆质量大，需要配套专门的装载机具，且后期解捆粉碎较为复杂。

[1] 焦静，王金丽，张劲，等．甘蔗叶干法厌氧发酵正交试验[J]． 农业机械学报，2012，43(10)：110-113，142．

[2] 王金丽，焦静，张劲，等.甘蔗叶干法厌氧发酵工艺研究[J]．农业机械学报，2011，42(3)：109-114．

[3] 李明，卢敬铭，韦丽娇，等．甘蔗叶机械化粉碎还田技术集成[J]．安徽农业科学，2011，39(8)：5022-5025．

[4] 蚁细苗，谭文兴，钟映萍，等．利用甘蔗梢(叶)作牛饲料[J]．甘蔗糖业，2013(2)：43-46．

[5] 唐遵峰．大型内缠绕式圆捆机的设计研究[J]．中国奶牛，2007(4)：42-46．

[6] 汪雄伟，景全荣，燕晓辉，等．侧牵引秸秆捡拾方捆打捆机研究[J]．农业工程，2012，2(9)：1-3．

[7] 杨铁军，康清华，杨锦章，等．GB/T14290-2008，圆草捆打捆机[S]．北京：中国标准出版社，2008．

Comparative Experimental Study on Mechanical Working Performance of Bundled Sugarcane Leaves Collection

Wang Gang1，Song Deqing1，Zhang Jin1，Xue Zhong1，Huang Zhengming1，Song Gang1，Feng Shen2

(1.Tropical Agricultural Machinery Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agriculture Sciences, Zhanjiang 524091, China; 2.Yellow River Water Conservancy Technical College, Kaifeng 475004,China)

Because mechanization of sugarcane leaf collection is lack of ancillary equipment currently, and existing models are poor adaptability of the status quo.Through investigation and analysis the straw baling machinery in China,select the 5120 round baler and FSB-1600 type square baler as a pilot study.Through comparative the field performance two balers collect cane leaves,the dominant factors including: operating hours of productivity,fuel consumption per unit area, picking up the loss rate.Obtained a job hourly production of two models are basically the same, 5120 round baler fuel consumption per unit area was significantly higher than the FSB-1600 type square baler,5120 round baler pick-loss rate is superior to FSB-1600 type square baler, and less volatile. By comparing the test of two balers, which provide a basis and new ideas for theoretical research and optimization design sugarcane leaves balers, conducive to large-scale development of comprehensive utilization of industrial sugarcane leaves.

sugarcane leaves；baler；working performance；comparative experiment

2016-03-18

公益性行业(农业)科研专项(201203072)

王 刚(1986-)，男，湖北孝感人，助理研究员，硕士研究生，(E-mail)435399069@qq.com。

宋德庆(1957-)，男，湖北黄冈人，研究员，硕士生导师，(E-mail)deqing@21cn.com。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)03-0203-04