4YZPDK-4玉米收获秸秆打捆一体机的设计和试验

高琪珉，刁培松，张银平，陈美舟

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049)

0 引言

目前，推进秸秆综合利用存在的主要问题之一就是秸秆产生时间较为集中，点多分散，造成储运费时费力、成本高。农民对于秸秆的利用意识还比较浅，只注重果穗的收集，大部分地块秸秆还田处理。

关于推进秸秆收获，在农业机械方面已经有很多的研究，目前存在的关于秸秆处理的玉米收获机有摘穗秸秆还田一体机及穗茎兼收型玉米收获机[1-4]，最新研制的还有穗茎兼收秸秆打捆型玉米收获机[5-6]。这些机具都存在一些问题：首先，秸秆的还田量是有一定标准的，整株秸秆一次性的全部粉碎还田，对下一茬作物的播种和生长有一定的影响；其次，目前市场上存在的穗茎兼收玉米收获机都是秸秆粉碎抛送型，需要根据运输距离配备一部或多部运输车进行收集，运输环节费时费力，穗茎兼收型秸秆打捆型玉米收获机在一定程度上解决了上述两个问题。

但是，从其工作原理上讲，这种机型将玉米秸秆切成非常规整一段一段的，切口整齐，不适合作为动物的饲料使用。尤其是反刍类动物对这种秸秆的采食率、吃净率及消化率没有对揉丝秸秆高。畜牧方面要求秸秆需要粉碎揉丝并且混合均匀，对秸秆收获要求比较高[7-10]。

为此，在总结现有秸秆处理机械的基础上，研制了4YZPDK-4玉米收获秸秆压捆一体机，以实现果穗收集和秸秆收获压捆两个功能，且秸秆可揉丝粉碎，提高了动物的采食率、吃净率和消化率。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

4YZPDK-4玉米收获秸秆压捆一体机，主要由割台、驾驶室升运器、剥皮机、果穗箱、行走系统、秸秆粉碎器及秸秆打捆机等部分组成，如图1所示。

1.2 工作原理

工作时，首先割台进行果穗收获，果穗经升运器到达剥皮机，剥皮机进行剥皮处理之后送到果穗箱，完成果穗的收获。在玉米收获机的中部安装有秸秆收集打捆装置，随着机器的运转，秸秆捡拾器将地面秸秆切碎，并捡起抛送到螺旋输送器上；螺旋输送器将秸秆聚集到打捆室下方，喂入拨叉将堆积在喂入口的物料拨入压捆室，在活塞往复运动的作用下，物料在压捆室内逐渐被压实；当捆形长度达到调定尺寸时，打结器将捆扎物料的两道捆绳打成绳结；捆扎好的物料捆在后续物料的推动下逐渐移动到压捆室出口，经放料板滑落到地面，完成秸秆的打捆收获。

1.摘穗割台 2.驾驶室 3.机架 4.发动机 5.果穗升运器 6.秸秆捡拾装置 7.打捆装置 8.果穗箱图1 玉米收获秸秆打捆一体机结构示意图Fig.1 Structural diagram of corn harvesting straw balers

2 关键部件设计与计算

2.1 秸秆收集打捆装置

秸秆收集打捆装置主要由秸秆捡拾装置和方捆打捆装置组成，主要功能是将摘完果穗的玉米秸秆进行粉碎捡拾，最后打成方捆，如图2所示。

1.联轴器 2.飞轮 3.秸秆捡拾装置 4.收集输送器 5.拨叉 6.压块 7.打结器 8送绳装置 9.调节装置图2 玉米秸秆收集打捆装置示意图Fig.2 Structure diagram of Corn straw collection and bundling device

该结构是可内置到玉米收获机上的一个可拆卸装置。与青贮收获和穗茎兼收的玉米秸秆粉碎方式不同，所设计的秸秆收集打捆装置对秸秆的粉碎捡拾属于无支撑切割[11-13]。此种方式切割的玉米秸秆类似于揉碎型，玉米秸秆成撕碎状态，对牛羊的采食率有很大的提升。这种装置结构简单，功能可靠，与玉米收获机上配置使用，方便拆卸。

机器作业时，摘穗后的玉米秸秆进入秸秆捡拾器的切碎装置，秸秆在秸秆捡拾器切碎作用下切碎并抛入秸秆捡拾器收集输送装置；秸秆捡拾器将切碎的秸秆向左输送至秸秆打捆机喂入口，导入拨叉将堆积的物料导入压捆室，压捆装置的活塞做往复运动将物料在压捆室中逐渐压实；当草捆长度达到调定尺寸时，打结器将缠绕物料的两道捆绳打成绳结，成形的草捆在后续物料的推动下向后移动推出打捆室，沿打捆机后部出料板滑落到地面，打捆完成[14-16]。

2.2 秸秆捡拾装置

秸秆捡拾装置主要完成对玉米秸秆的粉碎捡拾，如图3所示。该装置核心为支架，支架内横向设置滚筒，滚筒一端设置转动轮，滚筒上分布有刀座，刀座上安装有刀片；滚筒上方设置有收集输送装置，收集输送装置两端通过轴承安装在支架上，收集输送装置一端设置驱动轮，另一端设置连接轮，驱动轮连接驱动装置，连接轮连接滚筒的转动轮。切碎装置主体为滚筒，两端由轴承连接于捡拾器机架两侧，滚筒上沿螺旋方向焊接刀座，每个刀座由销轴连接3片刀片。螺旋输送器的轴中心也是秸秆捡拾器的回转中心。收割过程中，随着收割机的行进，摘穗之后的秸秆进入到秸秆捡拾器，在滚筒旋转下刀片将玉米秸秆切碎；同时，在刀片旋转作用下，切碎的秸秆被抛入收集输送装置，在收集输送装置作用下，切碎的秸秆被输送到机架的一侧。

玉米秸秆的粉碎选用了65Mn钢制作的甩刀作为刀具[16-17]。对比不同种类的甩刀，Y型甩刀、质量轻、体积小、消耗功率低、切碎效果好，因此选用中间直刀、两侧Y型刀片对称布置的切碎刀组合形式，如图3中的部件6所示。每组刀片按照双螺旋线进行排列安装，特点是排列规律，结构简单，刀辊受力均匀，满足动平衡要求[18-20]。

1.转动轮 2.连接轮 3.滚筒 4.支架 5.刀座 6.收集输送装置 7.刀片 8.安装座 9.驱动轮图3 秸秆捡拾器结构简图Fig.3 Structure diagram of straw picker device

3 主要参数的确定

3.1 粉碎刀回转半径的确定

粉碎刀回转半径直接影响粉碎玉米秸秆的粉碎效果及刀辊的平衡、振动等，在刀辊转速一定的情况下，粉碎刀回转半径增大，使机具整体尺寸增大，刀辊的动不平衡因素也增大，振动激增[20]。目前，国内已有秸秆粉碎还田机的甩刀回转半径在240～300mm范围内，参考玉米收获机的体积和现有玉米秸秆粉碎还田机的刀辊尺寸，确定粉碎刀辊回转半径为250mm。

3.2 粉碎刀辊转速的确定

秸秆粉碎装置秸秆粉碎过程属于无支撑切割，这种切割方式对刀尖线速度的要求较高，根据林静等对秸秆还田机的设计和试验得出，对玉米秸秆切碎作业时，刀尖线速度不小于30m/s[18]。

以粉碎刀到达最低点时切割粉碎玉米秸秆，此刻，粉碎刀的线速度与玉米收获机前进速度相反，则有

(1)

(2)

ω—粉碎刀角速度(rad/s)；

R—粉碎刀尖旋转半径(mm)；

n—粉碎刀辊转速(r/min)。

代入刀尖线速度30m/s，玉米收获机的正常工作速度0.4～0.6m/s，计算得粉碎刀辊的最小转速nmin≥1 130r/min[19]。

4 玉米秸秆收集打捆试验

4.1 试验条件

在山东巨明机械试验田进行田间试验，环境温度为11～17℃，玉米秸秆平均含水率为19.3%。根据玉米收获机正常的收获速度选择参数变化范围为0.4～0.6m/s，粉碎刀辊转速最低1 130r/min，小型方捆打捆机输入转速750r/min，测试评价指标为草捆密度。

4.2 试验设计

在收获过程中存在很多影响草捆密度的非线性因素，通常需要选用2次或者更高次的模型来逼近响应，因此采用响应面法来建立模型[21-23]。机具前进速度、粉碎刀辊转速、打捆装置输入转速和草捆密度分别用X1、X2、X3、Y表示。

试验采用三因素三水平Box-Behnken响应曲面分析法[30]，因素与水平编码如表1所示。其包括17个试验点，5个为零点估计误差，另外12个为分析因子。通过Design-Expert 8.0.6软件对试验方案进行设计，并进行结果分析，试验结果如表2所示。

表1 试验因素水平Table 1 Factor level of experiment

表2 二次正交旋转回归组合试验方案及结果Table 2 Program and results of test of quadratic rotation-orthogonal combination

续表2

4.3 试验结果与分析

4.3.1 试验回归分析

利用Design-Expert 8.0.6对试验结果进行方差分析，得到以草捆密度Y为响应函数，以各因素为自变量的二次多项式响应面回归模型为

(3)

对试验结果进行方差分析，如表3所示。结果表明：草捆密度回归方程模型P<0.001，表明该模型极其显著；失拟项P>0.05(0.3143)表明回归方程拟合度高；决定系数R2值为0.971 3，表明该模型可以解释97.13%以上的评价指标。因此，玉米收获秸秆打捆装置的工作参数可以用该模型来优化。

各参数对回归方程的影响作用可以通过P值大小反映：P<0.01表明参数对模型影响极显著，P<0.05表明参数对模型影响显著。草捆密度Y模型中有3个回归项影响极显著(P<0.01)，分别为X1、X2、X22；6个回归项对试验影响不显著(P>0.05)，分别为X3、X1X2、X1X3、X2、X3、X12、X32。剔除模型不显著回归项，对模型Y进行优化，如式(4)所示。分析优化后的模型，根据模型Y的P值(P<0.001)与模型Y的失拟项P值(0.213 1)可知优化模型可靠。

(4)

表3 模型显著性检验Table 3 Significance test of model

P<0.01(极显著)；P<0.05(显著)。

4.3.2 参数优化

为了获得较好的打捆效果，以草捆密度要求为优化目标，对玉米收获秸秆打捆一体机工作参数和结构参数进行优化分析[24]，应用Design-Expert 8.0.6数据分析软件对草捆密度的回归模型优化分析，约束条件为：①目标函数Y[min]；②影响因素约束。机具前进速度为0.4～0.6m/s，粉碎刀辊转速为1 200～1 800r/min，打捆装置输入转速为700～800r/min。参数优化组合为机具前进速度0.53m/s，粉碎刀辊转速1 747r/min，打捆装置输入转速711r/min，在该参数组合下的草捆密度为180.676kg/m3。

4.4 田间试验验证

为了验证优化结果的可行性，对优化后的参数组合进行试验验证(见图4)，设定机具前进速度0.5m/s，粉碎刀辊转速1 750r/min，打捆装置输入转速720r/min。试验每个行程取5个草捆称重取平均值，最后得草捆密度为179.8kg/m3。试验结果与预测值相差为0.876kg/m3，相对误差为0.48%，验证了该模型的可靠性。

图4 样机照片Fig.4 The picture of prototype

5 结论

1)研制了4YZPDK-4玉米收获秸秆打捆一体机，并对关键部件进行了理论分析、材料验证和运动轨迹分析，可实现玉米果穗收获和秸秆收获打捆。试验验证表明：该机器可以保证打捆的可靠性，满足中华人民共和国国家标准《方草捆打捆机》(GB/T25423-2010)和中华人民共和国农业行业标准《方草捆打捆机》(NY/T1631-2008)的要求。

2)采用Box-Benhnken中心组合试验方法对机具前进速度、粉碎刀辊转速、打捆装置输入转速对草捆密度的影响趋势进行了分析并建立了优化模型，并通过试验验证了模型和优化结果进行准确性。试验因素对草捆密度均有显著影响，主次顺序为：粉碎刀辊转速>机具前进速度>打捆装置输入转速。玉米收获秸秆打捆一体机最优工作参数组合为机具前进速度0.53m/s，粉碎刀辊转速1 747r/min，打捆装置输入转速711r/min，在该参数组合下的草捆密度为180.676kg/m3。在进行机具作业时，参数应尽量靠近优化的参数值进行工作，以达到最佳的打捆效果。