自走式甜高粱收割鋪條機設計和試驗

為了應對全球能源危機和溫室氣體排放引起的全球氣候迅速變化所帶來的不利影響，世界上許多國家的科學家們都致力于探索、開發(fā)和利用清潔的可再生能源。同時為了國家的糧食安全，發(fā)展能源植物不得不選擇能生長在邊際性貧瘠土壤的非糧食作物。

甜高粱是目前公認的最具有應用前景的可再生能源作物之一。這是由于甜高粱屬于C4植物，具有很高的光合效率，是目前世界上生物產量最高的作物，被稱為“高能作物”，而且也因其具有抗旱、抗高溫、耐澇、耐貧瘠、耐鹽堿、穩(wěn)產、莖稈含糖量高和適應性強等特性，因此，其種植地域廣，尤其是在干旱、半干旱、低洼易澇和鹽堿地區(qū)以及土壤貧瘠的山區(qū)和半山區(qū)都可種植，可以在邊際性土地上進行生產，實現(xiàn)不與糧爭地的目標。

甜高粱生物產量高，含糖量高，乙醇轉化率高，是優(yōu)良的飼料作物、糖料作物和可再生能源作物，合理開發(fā)利用，對我國糧食安全、能源安全具有重大意義。

中國政府明確提出發(fā)展生物能源要做到“不與民爭糧，不與糧爭地”。我國擁有大量待開發(fā)的邊際土地，適合大面積推廣和種植能源植物——甜高粱。然而，甜高粱秸稈木質化程度高，適宜的收獲機械少，大面積收獲難度大，一直以來依靠人工作業(yè)，收獲難度大，效率低下，收集成本高，勞動強度大，并且其采集期集中在1個月左右。

收獲技術成為制約甜高粱發(fā)展的關鍵因素之一，甜高粱聯(lián)合收獲機雖經過近幾年的研制和試驗，很多技術一直未能獲得很好的解決。目前，我國大部分甜高粱種植區(qū)只能以高稈作物收割機收獲甜高粱，但是效果并不理想。

本文提出了一種自走式甜高粱收割鋪條機，能實現(xiàn)收割、輸送、切段和鋪條等功能，并進行了試驗，收到了良好的效果。

1總體結構方案

1.1設計原則

為滿足甜高粱規(guī)模化工業(yè)利用要求，實地調研了內蒙古、山東等甜高粱種植地區(qū)，結合能源灌木聯(lián)合收獲機，確定了甜高粱收割鋪條機的工作流程，如圖1所示。

圖1甜高粱收割鋪條機工作流程

設計原則：考慮到甜高粱生長特性，壟距尺寸大小不一，地況復雜，在設計中首先要考慮在各種地況下機器能正常工作，整機在保證實現(xiàn)功能的前提下盡量簡單，穩(wěn)定性好。

1.2整機配置

甜高粱莖稈割臺、喂入機構和切段鋪條裝置在主機縱向恰好位于主機縱軸線對稱位置；發(fā)動機縱向配置于主機后部，喂入機構、切段滾筒等工作部件的傳動軸全部垂直于主機的縱軸線，與發(fā)動機的動力輸出軸線垂直，通過T12齒輪箱進行減速和換向，簡化了主傳動設計，發(fā)動機位于后部也可減小駕駛室噪聲。

雙聯(lián)泵位于發(fā)動機前右側，其傳動軸與發(fā)動機曲軸平行，有利于膠帶傳動，同時雙聯(lián)泵流量擺桿的位置適于操作。割臺和喂入切段滾筒與主機采用獨立單元結構，通過螺栓連接成整體，配置于車架驅動橋前方，整體可繞獨立中心轉動。

自走式甜高粱收割鋪條機主要由割臺、夾持喂入機構、切段鋪條裝置、發(fā)動機、液壓驅動底盤、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)部分組成。本機采用小T型布置，結構緊湊，配置合理，結構如圖2所示。

1.收割臺2.切段鋪條裝置3.割臺升降裝置4.車輪5.駕駛室6.車架7.傳動裝置8.液壓系統(tǒng)9.發(fā)動機

圖2自走式甜高粱收割鋪條機結構

1.3作業(yè)過程

甜高粱收割鋪條機在作業(yè)時，首先由位于機器前部割臺上的圓盤式割刀將莖稈切段，上部切割后的莖稈在壓禾桿和左右輸送滾筒的共同作用下，莖稈前傾并逐步倒下并向后輸送到切段鋪條裝置入口，完成莖稈的切斷、傾倒和輸送，然后由兩個喂入輥夾持強制喂入給切段輥，經切刀切成45～50 cm長度的段鋪放到地上，形成寬度≤1.2 m的條狀堆積。

1.4主要參數(shù)確定

配套動力80 kW，理論切段長度500 mm，幅寬2 560 mm，莖稈鋪放寬度≤1 200 mm，作業(yè)效率0.5~0.8 hm2/h，可靠性≥90%?；谖覈缆穼挾鹊南拗疲?.6 m），及甜高粱收割鋪條機上路運輸及轉移地塊時不卸收割臺，確定整機寬度2.6 m，割臺有效寬度2.56 m。

由于甜高粱收割鋪條機體積大，行走速度慢，遠距離轉移大多依靠汽車運輸，我國橋涵限高尺寸大多為4.5 m，運輸車輛的底板距離地面高度大多為1.2 m，因此甜高粱收割鋪條機的高度應控制在3.3 m以下。

考慮到甜高粱收割鋪條機行走轉向及轉彎半徑等因素，確定甜高粱收割鋪條機的整機長度6.8 m。參照能源灌木聯(lián)合收獲機底盤的配置，確定前輪輪距215 cm，后輪輪距205 cm。

2主要工作部件設計

2.1收割臺

2.1.1結構

割臺由機架、壓禾桿、圓盤刀、驅動齒箱、仿形叉、T型箱、梳齒板和輸送滾筒等構成，如圖3所示。本設計采用鋸切原理，設計成雙圓刀盤向內旋轉對莖稈實施無支撐切割，切割后的莖稈在壓禾桿和左右輸送滾筒的共同作用下，莖稈前傾并逐步倒下并向后輸送到切段鋪條裝置入口，從而完成莖稈的切斷、傾倒和輸送過程。

1.機架2.壓禾桿3.圓盤刀4.齒輪箱5.仿形叉6.T齒箱7.梳齒板8.輸送滾筒9.分禾尖

圖3收割臺結構

梳齒板的作用是防止莖稈帶入的雜草回帶引起的堵塞，同時將莖稈導入切段鋪條裝置入口。

2.1.2動力傳遞方案

割臺動力來自于切段鋪條裝置的切段輥主軸，通過膠帶輪傳給T齒箱經過90°換向，經膠帶傳遞給割臺齒輪箱，通過齒輪減速，以兩組轉速輸出，高速輸出軸通過雙聯(lián)帶驅動左右圓刀盤，低速輸出軸通過三聯(lián)帶驅動左右輸送滾筒。

2.1.3圓盤刀尺寸和轉速確定

由于甜高粱切割屬于無支撐切割，圓盤刀齒尖的線速度要達到一定的數(shù)值才能實現(xiàn)，查找農業(yè)機械設計手冊，確定齒尖的線速度為V=40 m/s，因有效切割寬度需要2.4 m，且采用雙刀盤，設計成圓盤刀片齒尖的回轉直徑D=1.24 m。

根據(jù)公式：圓盤轉速為n=60 V/（πD）=60×40/（1.24×π）=616 r/min。

2.2切段鋪條裝置

2.2.1結構

切段鋪條裝置的功能是將由割臺傳送的莖稈夾持喂入并經動刀和定刀切成長度約45～50 cm并鋪放在地上。其主要由拉簧、上浮動輥搖臂、換向齒箱、機架、下喂入輥、上浮動輥、光輥、定刀、動刀和切段輥等組成，如圖4所示。

1.拉簧2.上浮動輥搖臂3.換向齒箱4.機架5.下喂入輥6.上浮動輥7.光輥8.定刀9.動刀10.切段輥

圖4切段鋪條裝置結構

上下喂入輥夾持割臺輸送進來的莖稈，強制喂入到切段輥中，通過切段輥上的動刀和固定在機架上的定刀將其按45～50 cm長度切斷并鋪放到地面。

上喂入輥采用浮動結構，左右浮動輥搖臂與浮動輥軸連接，通過搖臂繞固定軸轉動，靠張緊彈簧拉緊，這種結構保證了在喂入過程中，可根據(jù)輸送莖稈的多少自動調整通過空間，使各種情況下莖稈都能順利通過，同時又對莖稈保持足夠的壓力。

上下兩個喂入輥的圓周都設計有6～8個齒板，均勻分布，目的是保證在喂入過程中對莖稈具有足夠的抓取能力。

光輥上直徑略高于定刀上平面，使得莖稈喂入時既能保證喂入角度，同時又能避免莖稈不至于被定刀所阻擋。

喂入輥和光輥的動力通過切段輥軸上的鏈輪和鏈條來傳遞，換向齒箱僅用于改變下喂入輥的旋轉方向，下喂入輥又通過鏈條把動力傳給光輥。

2.2.2切段輥和喂入輥的轉速匹配

切段輥的刀尖回轉直徑設計為D1=0.6 m，參考青飼機、棉稈機和能源林機的尺寸，由于切斷在定刀配合下進行，屬于有支撐切割，刀尖的線速度在20～30 m/s比較合適，取線速度為V1=24 m/s。

切段輥的轉速n1=60×V1/（πD1）=60×24/（π×0.6）=778 r/min。

取莖稈切段長度L=0.45 m為基數(shù)進行設計計算。上下喂入輥和光輥由于結構尺寸的限制，上輥齒板旋轉直徑確定D2=0.31 m，下喂入輥齒板旋轉直徑D3=0.18 m，光輥直徑D4=0.12 m。

切段輥上的動刀共2把，長度占寬度的一半，相對180°配置，實際上相當于每轉1周切斷1次。

根據(jù)公式n=n1×L/（πD），分別計算出喂入輥和光輥轉速。

上喂入輥轉速n2=n1×L/（πD2）=778×0.45/（π×0.31）=359 r/min。

下喂入輥轉速n3=n1×L/（πD3）=778×0.45/（π×0.18）=619 r/min。

光輥轉速n4=n1×L/（πD4）=778×0.45/（π×0.12）=928 r/min。

2.2.3動力傳遞方案

切段鋪條裝置的動力來自于底盤的中間傳動膠帶輪，通過3根膠帶與切段輥連接驅動切段輥，上浮動輥通過鏈輪鏈條驅動，下喂入輥通過換向齒箱改變方向后由鏈輪鏈條驅動。

2.3液壓驅動底盤

液壓驅動底盤主要由驅動輪、后橋、機架、駕駛臺、駕駛室、柴油機、柱塞式雙聯(lián)變量泵、柱塞式定量起動機、齒輪泵、液壓油箱和燃油箱等組成，如圖5所示。

1.驅動輪2.液壓啟動機3.機架4.駕駛臺5.駕駛室6.柴油箱7.液壓油箱8.發(fā)動機9.齒輪泵10.雙聯(lián)泵11.后橋

12.邊減速器13.割臺升降缸

圖5液壓驅動底盤結構

在行走或轉彎時，發(fā)動機把動力傳遞給雙聯(lián)泵，把機械能轉變?yōu)橐簤耗茈p聯(lián)泵通過油管把動力傳遞給電機，帶動電機轉動，并把液壓能轉換回機械能，電機驅動輪式減速器轉動，帶動車輪前進、后退和轉彎。

采用液壓驅動底盤的優(yōu)點在于，可根據(jù)植株的疏密程度，控制機器的作業(yè)速度，而不改變工作部件的轉速，也就是說對于植株稠密的地塊，可以降低行走速度，相反可以提高速度，這樣就保證了無論在何種情況下，機器的喂入量大體不變，避免由于喂入量過大所造成的莖稈堵塞。

2.4電器和儀表系統(tǒng)

電器和儀表系統(tǒng)的功能是為甜高粱收割鋪條機供電、啟動和照明，檢測和指示發(fā)動機的運行狀況，方便駕駛員操作，保證收獲機的安全工作。

電器設計電壓為12 V，采用單線線側，負極搭鐵，并能在工作環(huán)境變化及振動、雨淋和塵埃條件下可靠工作，具有符合安全規(guī)定的絕緣電強度。

3樣機性能試驗

2015年11月17日，作業(yè)性能試驗在山東省東營市孤島鎮(zhèn)林場實驗基地進行，如圖6所示。試驗時溫度為0~10 ℃，試驗地中甜高粱沒有明顯的倒伏現(xiàn)象，沒有雜草或少量雜草。樣機作業(yè)性能試驗結果如表1所示。樣機通過了國家農機具質量監(jiān)督檢驗中心的檢測，主要性能指標達到了設計要求。

圖6田間試驗

表1樣機作業(yè)性能試驗結果

試驗證明，本機集成甜高粱割臺高速圓盤刀切割、輸送輥輸送、浮動輥強制喂入、低功耗切段鋪條和自走式液壓驅動底盤，一次性連續(xù)實現(xiàn)莖稈的切斷、輸送、喂入、切段和鋪條聯(lián)合作業(yè)。自走式甜高粱收割鋪條技術裝備填補國內空白，提高了甜高粱工業(yè)轉化效率，降低了勞動強度，對于改善生態(tài)環(huán)境、降低生產成本、促進循環(huán)經濟的發(fā)展具有重要意義。本機仍然存在一些問題需要進一步改進，并需進一步開展可靠性試驗。

（作者：吳麗麗 董世平 劉天舒 楊軍太 燕曉輝）