水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机设计

谢 伟，李 旭，方志超，全 伟，罗海峰，吴明亮



水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机设计

谢 伟1,2,3，李 旭1,2，方志超1，全 伟1,2，罗海峰1,2,3，吴明亮1,2,3※

（1. 湖南农业大学工学院，长沙 410128；2. 湖南省现代农业装备工程技术研究中心，长沙 410128；3. 南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128）

针对单体打捆机捡拾联合收获后田间滞留的水稻“站秆”及“残茬”收净率较低，以及圆捆打捆机绕线卸捆时需停机导致作业效率低等问题，该文将现有水稻联合收获机的脱粒清选和粮箱等装置与圆捆打捆装置置换，在输送槽出口与打捆装置集料口处设置集料装置作为缓存区，采用自动控制技术控制各功能部件连续作业，最终研发出集切割、捡拾、收集、打捆、集捆等功能于一体的田间水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机。田间性能试验表明：在作业档的工况条件下，作业速度越快，成捆效率越高，但圆柱规范度程度越差；经测定，整机以中速档（1.1 m/s）连续作业3.4 h后，其成捆率为98%，生产率为0.4 hm2/h，秸秆收净率为95%。该研究为机械化收获后有效提高秸秆利用率以及实现农业生产中农机具的一机多用提供了参考。

机械化；设计；农作物；水稻秸秆；打捆；连续性；集料装置；控制系统

0 引 言

据检测，联合收获机作业功率中40%以上属于脱粒清选功耗，为减小其功耗，往往高留茬收割[1]，导致田间存留大量的“站秆”及“残茬”[2]，其中“站秆”质量占70%左右。据农业部统计，中国每年的水稻秸秆达到2亿多吨，它是最具潜力的生物质原料之一，并作为一种可再生资源得到了广泛和深入地利用[3-8]。由于田间水稻秸秆存在密度比较松散、受作物收获时间、贮存运输困难等问题的限制，以致出现大量水稻秸秆被随意抛弃或就地焚烧等不当处理，不仅造成了资源浪费，而且对环境污染严重[9-13]。燕晓辉等[14]研究发现秸秆经过打捆装置压缩成型后平均密度增加4倍左右，存储空间和运输成本降低75%左右。因此，有效地将田间“站秆”及“残茬”原料进行收集处理是提高水稻秸秆综合利用的关键环节。

目前，国内外现有的水稻秸秆机械化收集处理方式主要有方捆和圆捆2种打捆收集方式，一般由拖拉机牵引，且仅对散落于田间的“残茬”[2]实施间断性的收集打捆作业[15-17]。为提高工作效率，部分研究人员[1,18]将现有的打捆装置成品直接挂接或安装在联合收获机后方进行作业，存在转弯半径大、机具作业不灵活等诸多问题。李耀明等[19-22]所研制的自走轮式联合收获打捆一体机突破了联合收获机与打捆装置的对接安装，实现了稻麦联合收获与秸秆打捆多项功能一次完成，相比牵引式捡拾打捆机具有更小的作业半径，节省二次下地作业时间，由于考虑到收获时脱粒清选效率及整机功耗的影响，大都采用撩穗收割，因此，收获后的田间“站秆”留茬会较高。

为保障田间秸秆收净率，本文吸收现有水稻联合收割机切割收集田间“站秆”和牵引式捡拾打捆机捡拾田间“残茬”的优势，实现一次收获田间水稻秸秆留存于田间的“站秆”及“残茬”的目标，以拆卸脱粒清选及粮箱等装置的联合收获机作为履带自走式收集平台，选用YHL850型圆捆打捆装置作为打捆部件，并针对圆捆打捆装置在卸捆时不能集料而导致工作不连续的问题，创造性地设计了集料装置置于联合收获机输送槽出口与打捆装置集料口间，采用机电一体化技术，设计一套装卸捆自动控制系统,优化配置各功能部件的结构和运动参数，有效的提高了关键部件的工作效率。最终研发出集切割、捡拾、收集、打捆、集捆等功能于一体的田间水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构

水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机结构如图1所示，主要由履带自走式收集平台、YHL850型圆捆打捆装置、集料装置、集捆平台和控制系统等组成。其中履带自走式收集平台是由4LZ-3.0t型水稻联合收获机卸除其脱粒清选及粮箱等装置后的剩余部件，主要由输送槽、切割器、拨禾轮、割台搅龙、驾驶室、行走底盘等组成；集料装置设置于输送槽正后方、原脱粒装置所处位置，作为由输送槽抛送过来的秸秆的缓存区和喂送至打捆装置的中转区；置于驾驶室正后方的YHL850型圆捆打捆装置集料口弹齿式捡拾器旋转轴与集料装置输送搅龙轴平行安装，即保证了集料箱出口与打捆装置集料口对接，又实现了整机重心的合理配置，提高了整机的通过性；同时集捆平台采用环置框架厢式结构，并向整机行进方向左侧倾斜20°挂接于整机正后方，以利于后期有效的集捆运输。

图1 水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机结构示意图

设计收割后的“站秆”留茬为5 cm，水稻经机械化收获后的田间“站秆”高度比所收割的水稻矮10～15 cm左右。为保证收割的“站秆”倒向割台时顺利被割台搅龙输送至输送槽，将切割器与割台搅龙间距离缩短10 cm，调整拨禾轮拨齿最低点距割刀垂直距离为5 cm。整机主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

1.2 工作原理

整机工作路线如图2所示，作业时，机具前端切割器将田间“站秆”割倒，并在拨禾轮的作用下将割倒的“站秆”及田间的“残茬”在割台配合下聚拢拨向割台搅龙，通过割台搅龙集中后拨向输送槽，经输送槽运送至集料箱中，集料箱底部的输送搅龙将秸秆沿集料箱出口输送至打捆装置弹齿式捡拾器入口，秸秆由弹齿式捡拾器扒送至打捆装置成捆室内实现打捆作业。当成捆室在完成一个秸秆捆的集料打捆进入绕线卸捆作业时，铰接于集料箱底部侧板上的梳刷压杆翻转提升，阻挡集料箱中的秸秆落入其下方的输送搅龙处，使成捆室停止集料，而由输送槽连续不断输送过来的秸秆则集中缓存于集料箱中，在成捆室完成绕线卸捆作业后，梳刷压杆回转至初始位置，集料箱中秸秆靠自身重力流入输送搅龙并被拨向弹齿式捡拾器入口，成捆室重新开始集料、打捆、绕线作业。同时已完成的秸秆捆卸捆至集捆平台处被收集暂存，完成一个秸秆捆的收集、打捆和集捆作业，整个工作程序依次循环连续作业。

图2 整机工作路线

2 关键部件设计及参数计算

2.1 传动系统

据水稻秸秆收集与连续打捆的作业功能，结合联合收获机现有动力传动形式[23-24]，在保证其履带收集平台及YHL850型圆捆打捆装置正常工作效率的同时，确定其传动系统的总体方案如图3所示。

图3 整机动力传动路线

发动机输出动力通过带传动将动力分配至行走底盘和过渡主轴，过渡主轴将动力分别传递给集料装置动力轴、打捆装置动力轴和输送槽驱动轴。输送槽驱动轴经输送槽中介轴将动力传递给割台搅龙轴、拨禾轮轴和往复式切割器，设计得集料装置输送搅龙轴转速为100 r/min，打捆装置弹齿式捡拾器转轴转速为120 r/min，打捆装置工作辊转速为200 r/min。

2.2 集料装置

集料装置是将输送槽与打捆装置工作衔接起来，是实现整机连续性作业的关键部件，其结构如图4所示，主要由集料箱、置于集料箱底部出口的输送搅龙、布置于输送搅龙正上方的梳刷压杆及控制梳刷压杆起闭的控制拉杆等组成。其中输送搅龙由输送搅龙轴、搅龙滚筒以及螺旋设置于搅龙滚筒上的伸缩扒齿等组成；梳刷压杆主要由转动杆和梳刷齿等组成，转动杆铰接于集料箱箱体内壁上，并绕转动杆轴线转动，梳刷齿尾部与搅龙滚筒最小间距设计为20 mm，且相对伸缩扒齿错开安装在转动杆上，避免产生干涉。集料箱出口与入口正相切，安装时集料箱入口与输送槽相连，源源不断的接收其水稻秸秆，集料箱出口与置于驾驶室正后方的打捆装置集料口对接且输送搅龙轴轴线与其弹齿式捡拾器旋转轴轴线平行，保证水稻秸秆的顺利输送。

图4 集料装置结构图

集料装置作为由输送槽抛送过来的秸秆的缓存区和将秸秆喂送至打捆装置的中转区，在打捆装置开始进入绕线打结及卸捆作业时，在控制系统的控制下将控制拉杆拉动梳刷压杆绕其转动杆转动，使其翻转提升，梳刷齿处于水平状态，阻挡秸秆继续被输送搅龙扒送，集料箱开始缓存由输送槽抛送过来的秸秆，如图5a所示，梳刷压杆处于关闭状态。

当打捆装置绕线卸捆后，集料离合器自动断开，此时梳刷压杆会转至初始位置，使其处于张开状态，如图5b所示。此时，由输送槽经集料箱入口抛送至集料箱底部的秸秆靠自重流入输送搅龙处，同时输送搅龙在逆时针旋转作用下沿集料箱侧壁输送至集料箱出口，并被扒送至弹齿式捡拾器入口处，为避免秸秆输送不均造成堵塞，弹齿式捡拾器经顺时针转动并在其挡杆架的配合下将秸秆平稳向后扒送至成捆室内进行作业。

图5 梳刷压杆运动状态示意图

田间测试得YHL850型圆捆打捆装置对每捆秸秆平均集料打捆时间1为21s，绕线卸捆平均时间2为10 s。打捆装置每次绕线、卸捆前，输送搅龙不断向捡拾器处扒送秸秆，成捆室收集的秸秆量与集料箱收集秸秆量相等，且集料箱只有在成捆室绕线卸捆的时段内暂存秸秆。查阅相关文献[25-26]，取水稻干物质秸秆质量与水稻籽粒的质量之比约为0.9，水稻单产约为8 000 kg/hm2，取水稻收获时秸秆含水率为50%，则田间每平方米的水稻秸秆质量为1.44 kg/m2。

为使整机作业时秸秆收集、打捆过程连续进行，单位时间内各关键位置秸秆流动质量应该满足以下关系式[29]

（1）

式中0为单位时间割台收集秸秆质量最大理论值，kg/s；1为输送槽单位时间输送秸秆质量理论值，kg/s；2为集料箱内输送搅龙单位时间扒送出秸秆质量理论值，kg/s；3为弹齿式捡拾器单位时间喂入成捆室内的秸秆质量理论值，kg/s。

式中0为割台作业幅宽，取2.1 m；为每平方米的水稻秸秆质量，取1.44 kg/m2；0为机器作业时最大前进行驶速度，取1.7 m/s。可得单位时间割台所收集秸秆质量最大理论值0为5.14 kg/s。

（3）

式中1为秸秆在输送槽输送过程中被压缩的平均密度，取75 kg/m3；1为刮板顶端与输送槽壳体围成的截面面积，m2；1为输送刮板的线速度，m/s；1为输送槽宽度，取0.54 m；1为输送刮板与输送槽壳体之间的间隙，取0.045 m；1为输送槽主链轮直径，取0.145 m；1为输送槽主动轮转速，取7.5 r/s。可得输送槽单位时间输送秸秆质量理论值1为6.22 kg/s。

（4）

式中2为秸秆在伸缩扒齿压缩下的平均密度，取150 kg/m3；2为输送搅龙扒齿最低端与集料箱箱体截面面积，m2；2为伸缩扒齿扒送线速度，m/s；2为伸缩扒齿与集料箱箱底之间的间隙高度，取0.05 m；2为伸缩扒齿有效扒送宽度，取0.7 m；2为搅龙滚筒直径，取0.3 m；2为输送搅龙轴转速，设计值为1.67 r/s。得集料箱内输送搅龙单位时间扒送出秸秆质量理论值2为8.26 kg/s。

（5）

式中3为捡拾器扒送口截面面积，m2；3为水稻秸秆在弹齿式捡拾器捡拾齿压缩下的平均密度，取120 kg/m3；3为弹齿式捡拾器与其挡杆架之间的间隙高度，取0.04 m；3为弹齿式捡拾器捡拾有效扒送宽度，取0.7 m；3为捡拾器捡拾体直径，取0.4 m；3为捡拾转轴转速，设计值为2 r/s。可得弹齿式捡拾器单位时间喂入成捆室内的秸秆质量理论值3为8.44 kg/s。

为保障集料箱内秸秆能及时输送至成捆室，在一个秸秆集料、打捆、绕线、卸捆周期内，使集料箱内存储的秸秆质量2能够及时全部喂入成捆室内，即

（6）

式中0为割台在一个秸秆捆周期内能收集的秸秆最大总质量，kg；3为成捆室集料打捆时间内能收集的秸秆最大总质量，kg。

（7）

（8）

式中1为完成一个水稻秸秆捆平均集料打捆时间，s；2为一个水稻秸秆平均捆绕线卸捆时间，s。可得0= 159.34 kg、3=177.24 kg，即3≥0，可满足式（6）。综上计算结果表明，集料箱内不会积存水稻秸秆，且能实现不停机连续作业。

2.3 控制系统

为提高机具作业效率，简化机手操作流程，监控并保障整个装卸捆过程自动运行，设计了一套装卸捆自动控制系统。该系统结构框图如图6所示，主要由控制器、控制信息输入单元和执行机构驱动单元组成。其中控制器为信捷PLC，其型号为XC1-24R-C；控制信息输入单元用于控制系统启停和接受各行程开关信号，同时通过控制器结合控制信息启动执行机构相对应的电磁阀工作。

图6 控制系统结构框图

控制系统程序流程图如图7所示，系统启动后，控制系统驱动集料油缸电磁阀处于断开状态且梳刷压杆张开，水稻秸秆被源源不断的集料、打捆，当成捆室内的秸秆集满后，控制系统驱动集料油缸电磁阀闭合，触发控制拉杆将梳刷压杆翻转提升且处于关闭状态，成捆室停止集料，待绕线作业完成后发出报警信息，控制系统驱动成捆室油缸电磁阀闭合且成捆室仓门被打开，已打捆好的秸秆捆靠自重卸至集捆平台，此时成捆室油缸电磁阀断开且成捆室仓门被关闭后，梳刷压杆在集料油缸电磁阀的控制下处于张开状态，打捆装置开始进入下一轮的集料、打捆、绕线、卸捆作业。同时控制系统驱动集捆油缸电磁阀触发集捆推杆将秸秆捆推至集捆平台底部完成集捆，之后集捆推杆在集捆电磁阀驱动下自动收回，整个工作程序依次循环完成。

图7 控制系统程序流程

3 田间试验

3.1 试验条件

为检测水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机的工作性能，对整机进行田间试验。依据《圆草捆打捆机试验方法GB/T 14290-2008》、《NY/T 498-2002水稻联合收割机作业质量》相关标准[27-28]，样机于2017年10月29日在湖南省汨罗新市镇红花村进行试验，试验田面积3.33 hm2，地表平整，试验材料选用晚稻收获后的田间水稻秸秆，“站秆”比较齐整、均匀、连续，“残茬”无腐烂现象，试验田情况如图8a所示。试验前，在所测试验田随机取5个行程，每个行程随机取5个区域，每个区域面积为2.1 m×0.5 m，测量“站秆”平均高度为35.86 cm，“站秆”与“残茬”比重为7:3，“站秆”含水率为31.7%，“残茬”含水率为58.4%，每平方米秸秆为2.03 kg/m2。

3.2 试验结果与分析

试验时，选取慢速档0.8 m/s、中速档1.1 m/s和高速档1.7 m/s 3种档位不同作业速度下分别在面积为0.07 hm2的水稻秸秆田进行连续打捆作业测试，试验过程中整机运转平稳，工作可靠，田间留茬高度整齐。结果表明，采用3种档位作业速度均能实现收集、连续打捆作业功能，且作业速度越快，成捆效率越高，无散捆出现，其中慢速档成捆18捆耗时17 min、中速档成捆19捆耗时14 min、高速档连续性成捆21捆耗时12 min，草捆如图8b所示。在3种档位作业速度下所成捆的草捆中随机分别取5个草捆样本，测量不同档位水稻秸秆捆的最大直径max和最小直径min，计算其差值，试验结果如表2所示。

图8 试验田间情况及水稻秸秆捆

表2 试验结果

由表2可知，该机作业速度越快，圆柱规范度程度越差。随后机具以中速档1.1 m/s连续作业3.4 h作业面积为1.36 hm2，累计成捆347个，其中散捆6个，即[27,29]

式中为成捆率，%；为工作时间内累计打捆数，捆；为工作时间内累计散捆数，捆；可得成捆率为98%。

式中为机具作业生产率，%；为机具田间作业面积，hm2；机具工作时间，；可得出生产率为0.4 hm2/h。

同时，按试验前测量田间“站秆”平均高度的测量方法，测量机具作业后选取5个行程各区域面积留茬“站秆”高度和质量，计算得出作业后田间留茬“站秆”平均高度为49.3 mm，收净率为95%且高于国家标准[27-28]。目前市面上所出现的自走式稻麦联合收获打捆复式作业机与该文设计的水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机相比，虽然避免了机具二次进田作业，提高了作业效率，但机具作业后出现高留茬“站秆”，以及秸秆收净率和籽粒损失率居高不下[1]。李湘萍[1]研制的4LSK-50型麦秸联合收捆机作业后的田间留茬高度最高达70 mm，生产率为0.45 hm2/h；李耀明等[19]研制的4L-4.0型稻麦联合打捆复式机作业后的田间留茬平均高度为144 mm，生产率为0.52～1.0 hm2/h；与之相比本文设计的水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机的留茬高度优势明显，尽管该机单项打捆作业效率略低于上述两款机具，但其综合效率得到提高。同时该机一机多用降低了成本，并通过履带式行走方式增强了机具田间作业的灵活性，拓宽了机具的适应性。

4 结 论

1）采用机电一体化技术，设计了集“站秆”切割、“残茬”捡拾、秸秆收集、打捆、集捆等功能于一体的田间水稻秸秆收集与打捆复式作业机，实现了水稻收获后存留于田间的稻秸秆连续性收集打捆作业要求。

2）对水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机进行田间试验，试验表明该机工作性能与机具作业速度有关，其作业速度越快，成捆效率越高，但草捆圆柱规范度程度越差。采用中速档作业时，其生产率为0.4 hm2/h、成捆率可达98%、收净率95%，各项技术指标均达到相关作业质量标准和农艺作业要求。

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Design of compound machine for rice straw collecting and continuous baling

Xie Wei1,2,3, Li Xu1,2, Fang Zhichao1, Quan Wei1,2, Luo Haifeng1,2,3, Wu Mingliang1,2,3※

(1.,,410128,; 2.,410128,; 3.,410128,)

A large number of rice “standing-stalk” and “stubble” will remain in the paddy field after the rice is harvested by a combined harvester. At present, the harvest rate of rice “standing-stalk” and “stubble” remained in the paddy field after joint harvest using single baling machine is low. The single baling machine is usually pulled by a tractor which causes intermittent collection and baling of stubble in paddy field. The working efficiency of traditional baling machine is low due to the halt of the baling machine when unloading the baling wire. In this paper, threshing and cleaning device and the grain tank in existing rice and wheat combine harvester were replaced with round baling device. The rice and wheat combine harvester, in which threshing and cleaning device and grain tank were disassembled, was used as the self-propelled tracked collection platform. A design idea of setting collecting device at the exit of conveying groove and the feed port of baling device as cache area and using round baling device as the main working part was put forward to solve the problem of discontinuity caused by the round baling device failing to feed during the unloading of bales. The collecting device was set at the position of the original threshing device directly behind the conveying groove, straw thrown from the conveyor groove was fed to the baling machine's transfer area after passing through the cache area, and the bottom part of the collecting box of the material collecting device was successively arranged with the brush rod and the conveying auger. The round baling device was set directly behind the cab, and the rotary shaft of the spring-tooth picking machine located in the feeding port was installed in parallel with the conveying auger shaft, which not only ensured the connection between the outlet of the collecting box and the feeding port of the round baling machine, but also realized the reasonable configuration of the center of gravity of the whole machine and improved the passing ability of the whole machine. In this way, a rice straw continuous collection and baling machine used in paddy field and with functions of harvest, pickup, collect, bale and bundle was developed, which realized the multi-use of the combined harvester and reduced the cost. The whole machine adopted mechatronics technology. An automatic control system of loading and unloading of baling was designed. The six-way commutator switch was adopted as the sensing and detection component, which simplified the operating process of the manipulator, ensured the automatic operation and monitoring of the whole loading and unloading process, and effectively improved the working efficiency of key components. The structure and motion parameters of each functional component were optimized and the whole machine was finally coordinated and working continuously and efficiently. The continuous collection and baling requirements of rice straw in paddy field including "standing-stalk" cutting, stubble picking, collecting, baling and binding can be completed at one time. The field performance test showed that the performance of the whole machine was safe and reliable. Under the working conditions on working gear, the faster the operation speed, the shorter the time of collecting a straw bale, the shorter the compression time of rice straw bale in the bundling room, the higher the efficiency of bundling, but the worse the specification degree of cylinder. After a continuous operation of 3.4 h at medium speed, the binding rate was 98%, the operating efficiency was 0.4 hm2/h, and the harvest rate of straw was 95%. All other technical indicators met the relevant standards and requirements of agricultural work were met. This study provides a reference for improving the utilization rate of straw after mechanized harvest and realizing the multi-use of one agricultural machine in agricultural production.

mechanization; design; crops; rice straw; baler; continuity; collecting device; control system

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.003

S817.11+5

A

1002-6819(2019)-11-0019-07

2018-06-21

2019-05-30

国家重点研发专项（2017YFD0301500）；湖南省科学技术厅重点项目（2017NK2131）；湖南省科学技术厅重点项目（2016NK2120）。

谢 伟，实验师，主要从事农业机械设计与创新研究。Email：444012168@qq.com

吴明亮，教授，博士生导师，主要从事农业机械创新设计与试验研究。Email：mlwu@hunau.edu.cn.

中国农业工程学会会员：吴明亮（E041200186S）

谢 伟，李 旭，方志超，全 伟，罗海峰，吴明亮. 水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机设计[J]. 农业工程学报，2019，35(11)：19－25. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.003 http://www.tcsae.org

Xie Wei, Li Xu, Fang Zhichao, Quan Wei, Luo Haifeng, Wu Mingliang. Design of compound machine for rice straw collecting and continuous baling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 19－25. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.003 http://www.tcsae.org