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　　自走式甜高粱收割鋪條機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

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

甜高粱是目前公認(rèn)的最具有應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)、莖稈含糖量高和適應(yīng)性強(qiáng)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(jìn)行生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)不與糧爭(zhēng)地的目標(biāo)。

甜高粱生物產(chǎn)量高，含糖量高，乙醇轉(zhuǎn)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(kāi)發(fā)利用，對(duì)我國(guó)糧食安全、能源安全具有重大意義。

中國(guó)政府明確提出發(fā)展生物能源要做到“不與民爭(zhēng)糧，不與糧爭(zhēng)地”。我國(guó)擁有大量待開(kāi)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(zhì)化程度高，適宜的收獲機(jī)械少，大面積收獲難度大，一直以來(lái)依靠人工作業(yè)，收獲難度大，效率低下，收集成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且其采集期集中在1個(gè)月左右。

收獲技術(shù)成為制約甜高粱發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，甜高粱聯(lián)合收獲機(jī)雖經(jīng)過(guò)近幾年的研制和試驗(yàn)，很多技術(shù)一直未能獲得很好的解決。目前，我國(guó)大部分甜高粱種植區(qū)只能以高稈作物收割機(jī)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(jī)，能實(shí)現(xiàn)收割、輸送、切段和鋪條等功能，并進(jìn)行了試驗(yàn)，收到了良好的效果。

1總體結(jié)構(gòu)方案

1.1設(shè)計(jì)原則

為滿足甜高粱規(guī)?；I(yè)利用要求，實(shí)地調(diào)研了內(nèi)蒙古、山東等甜高粱種植地區(qū)，結(jié)合能源灌木聯(lián)合收獲機(jī)，確定了甜高粱收割鋪條機(jī)的工作流程，如圖1所示。

圖1甜高粱收割鋪條機(jī)工作流程

設(shè)計(jì)原則：考慮到甜高粱生長(zhǎng)特性，壟距尺寸大小不一，地況復(fù)雜，在設(shè)計(jì)中首先要考慮在各種地況下機(jī)器能正常工作，整機(jī)在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下盡量簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。

1.2整機(jī)配置

甜高粱莖稈割臺(tái)、喂入機(jī)構(gòu)和切段鋪條裝置在主機(jī)縱向恰好位于主機(jī)縱軸線對(duì)稱位置；發(fā)動(dòng)機(jī)縱向配置于主機(jī)后部，喂入機(jī)構(gòu)、切段滾筒等工作部件的傳動(dòng)軸全部垂直于主機(jī)的縱軸線，與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出軸線垂直，通過(guò)T12齒輪箱進(jìn)行減速和換向，簡(jiǎn)化了主傳動(dòng)設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)位于后部也可減小駕駛室噪聲。

雙聯(lián)泵位于發(fā)動(dòng)機(jī)前右側(cè)，其傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸平行，有利于膠帶傳動(dòng)，同時(shí)雙聯(lián)泵流量擺桿的位置適于操作。割臺(tái)和喂入切段滾筒與主機(jī)采用獨(dú)立單元結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓連接成整體，配置于車架驅(qū)動(dòng)橋前方，整體可繞獨(dú)立中心轉(zhuǎn)動(dòng)。

自走式甜高粱收割鋪條機(jī)主要由割臺(tái)、夾持喂入機(jī)構(gòu)、切段鋪條裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)底盤、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)部分組成。本機(jī)采用小T型布置，結(jié)構(gòu)緊湊，配置合理，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

圖2自走式甜高粱收割鋪條機(jī)結(jié)構(gòu)

1.3作業(yè)過(guò)程

甜高粱收割鋪條機(jī)在作業(yè)時(shí)，首先由位于機(jī)器前部割臺(tái)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(gè)喂入輥夾持強(qiáng)制喂入給切段輥，經(jīng)切刀切成45～50 cm長(zhǎng)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(dòng)力80 kW，理論切段長(zhǎng)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?guó)道路寬度的限制（2.6 m），及甜高粱收割鋪條機(jī)上路運(yùn)輸及轉(zhuǎn)移地塊時(shí)不卸收割臺(tái)，確定整機(jī)寬度2.6 m，割臺(tái)有效寬度2.56 m。

由于甜高粱收割鋪條機(jī)體積大，行走速度慢，遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移大多依靠汽車運(yùn)輸，我國(guó)橋涵限高尺寸大多為4.5 m，運(yùn)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(jī)的高度應(yīng)控制在3.3 m以下。

考慮到甜高粱收割鋪條機(jī)行走轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)彎半徑等因素，確定甜高粱收割鋪條機(jī)的整機(jī)長(zhǎng)度6.8 m。參照能源灌木聯(lián)合收獲機(jī)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(shè)計(jì)

2.1收割臺(tái)

2.1.1結(jié)構(gòu)

割臺(tái)由機(jī)架、壓禾桿、圓盤刀、驅(qū)動(dòng)齒箱、仿形叉、T型箱、梳齒板和輸送滾筒等構(gòu)成，如圖3所示。本設(shè)計(jì)采用鋸切原理，設(shè)計(jì)成雙圓刀盤向內(nèi)旋轉(zhuǎn)對(duì)莖稈實(shí)施無(wú)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(guò)程。

1.機(jī)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(tái)結(jié)構(gòu)

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(shí)將莖稈導(dǎo)入切段鋪條裝置入口。

2.1.2動(dòng)力傳遞方案

割臺(tái)動(dòng)力來(lái)自于切段鋪條裝置的切段輥主軸，通過(guò)膠帶輪傳給T齒箱經(jīng)過(guò)90°換向，經(jīng)膠帶傳遞給割臺(tái)齒輪箱，通過(guò)齒輪減速，以兩組轉(zhuǎn)速輸出，高速輸出軸通過(guò)雙聯(lián)帶驅(qū)動(dòng)左右圓刀盤，低速輸出軸通過(guò)三聯(lián)帶驅(qū)動(dòng)左右輸送滾筒。

2.1.3圓盤刀尺寸和轉(zhuǎn)速確定

由于甜高粱切割屬于無(wú)支撐切割，圓盤刀齒尖的線速度要達(dá)到一定的數(shù)值才能實(shí)現(xiàn)，查找農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(shè)計(jì)成圓盤刀片齒尖的回轉(zhuǎn)直徑D=1.24 m。

根據(jù)公式：圓盤轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

切段鋪條裝置的功能是將由割臺(tái)傳送的莖稈夾持喂入并經(jīng)動(dòng)刀和定刀切成長(zhǎng)度約45～50 cm并鋪放在地上。其主要由拉簧、上浮動(dòng)輥搖臂、換向齒箱、機(jī)架、下喂入輥、上浮動(dòng)輥、光輥、定刀、動(dòng)刀和切段輥等組成，如圖4所示。

1.拉簧2.上浮動(dòng)輥搖臂3.換向齒箱4.機(jī)架5.下喂入輥6.上浮動(dòng)輥7.光輥8.定刀9.動(dòng)刀10.切段輥

圖4切段鋪條裝置結(jié)構(gòu)

上下喂入輥夾持割臺(tái)輸送進(jìn)來(lái)的莖稈，強(qiáng)制喂入到切段輥中，通過(guò)切段輥上的動(dòng)刀和固定在機(jī)架上的定刀將其按45～50 cm長(zhǎng)度切斷并鋪放到地面。

上喂入輥采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，左右浮動(dòng)輥搖臂與浮動(dòng)輥軸連接，通過(guò)搖臂繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，靠張緊彈簧拉緊，這種結(jié)構(gòu)保證了在喂入過(guò)程中，可根據(jù)輸送莖稈的多少自動(dòng)調(diào)整通過(guò)空間，使各種情況下莖稈都能順利通過(guò)，同時(shí)又對(duì)莖稈保持足夠的壓力。

上下兩個(gè)喂入輥的圓周都設(shè)計(jì)有6～8個(gè)齒板，均勻分布，目的是保證在喂入過(guò)程中對(duì)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(shí)既能保證喂入角度，同時(shí)又能避免莖稈不至于被定刀所阻擋。

喂入輥和光輥的動(dòng)力通過(guò)切段輥軸上的鏈輪和鏈條來(lái)傳遞，換向齒箱僅用于改變下喂入輥的旋轉(zhuǎn)方向，下喂入輥又通過(guò)鏈條把動(dòng)力傳給光輥。

2.2.2切段輥和喂入輥的轉(zhuǎn)速匹配

切段輥的刀尖回轉(zhuǎn)直徑設(shè)計(jì)為D1=0.6 m，參考青飼機(jī)、棉稈機(jī)和能源林機(jī)的尺寸，由于切斷在定刀配合下進(jìn)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(zhuǎn)速n1=60×V1/（πD1）=60×24/（π×0.6）=778 r/min。

取莖稈切段長(zhǎng)度L=0.45 m為基數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。上下喂入輥和光輥由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，上輥齒板旋轉(zhuǎn)直徑確定D2=0.31 m，下喂入輥齒板旋轉(zhuǎn)直徑D3=0.18 m，光輥直徑D4=0.12 m。

切段輥上的動(dòng)刀共2把，長(zhǎng)度占寬度的一半，相對(duì)180°配置，實(shí)際上相當(dāng)于每轉(zhuǎn)1周切斷1次。

根據(jù)公式n=n1×L/（πD），分別計(jì)算出喂入輥和光輥轉(zhuǎn)速。

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

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

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

2.2.3動(dòng)力傳遞方案

切段鋪條裝置的動(dòng)力來(lái)自于底盤的中間傳動(dòng)膠帶輪，通過(guò)3根膠帶與切段輥連接驅(qū)動(dòng)切段輥，上浮動(dòng)輥通過(guò)鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)，下喂入輥通過(guò)換向齒箱改變方向后由鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)。

2.3液壓驅(qū)動(dòng)底盤

液壓驅(qū)動(dòng)底盤主要由驅(qū)動(dòng)輪、后橋、機(jī)架、駕駛臺(tái)、駕駛室、柴油機(jī)、柱塞式雙聯(lián)變量泵、柱塞式定量起動(dòng)機(jī)、齒輪泵、液壓油箱和燃油箱等組成，如圖5所示。

1.驅(qū)動(dòng)輪2.液壓?jiǎn)?dòng)機(jī)3.機(jī)架4.駕駛臺(tái)5.駕駛室6.柴油箱7.液壓油箱8.發(fā)動(dòng)機(jī)9.齒輪泵10.雙聯(lián)泵11.后橋

12.邊減速器13.割臺(tái)升降缸

圖5液壓驅(qū)動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)

在行走或轉(zhuǎn)彎時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)把動(dòng)力傳遞給雙聯(lián)泵，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗茈p聯(lián)泵通過(guò)油管把動(dòng)力傳遞給電機(jī)，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并把液壓能轉(zhuǎn)換回機(jī)械能，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪式減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)車輪前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。

采用液壓驅(qū)動(dòng)底盤的優(yōu)點(diǎn)在于，可根據(jù)植株的疏密程度，控制機(jī)器的作業(yè)速度，而不改變工作部件的轉(zhuǎn)速，也就是說(shuō)對(duì)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(wú)論在何種情況下，機(jī)器的喂入量大體不變，避免由于喂入量過(guò)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(jī)供電、啟動(dòng)和照明，檢測(cè)和指示發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，方便駕駛員操作，保證收獲機(jī)的安全工作。

電器設(shè)計(jì)電壓為12 V，采用單線線側(cè)，負(fù)極搭鐵，并能在工作環(huán)境變化及振動(dòng)、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(qiáng)度。

3樣機(jī)性能試驗(yàn)

2015年11月17日，作業(yè)性能試驗(yàn)在山東省東營(yíng)市孤島鎮(zhèn)林場(chǎng)實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行，如圖6所示。試驗(yàn)時(shí)溫度為0~10 ℃，試驗(yàn)地中甜高粱沒(méi)有明顯的倒伏現(xiàn)象，沒(méi)有雜草或少量雜草。樣機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。樣機(jī)通過(guò)了國(guó)家農(nóng)機(jī)具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)，主要性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6田間試驗(yàn)

表1樣機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)證明，本機(jī)集成甜高粱割臺(tái)高速圓盤刀切割、輸送輥輸送、浮動(dòng)輥強(qiáng)制喂入、低功耗切段鋪條和自走式液壓驅(qū)動(dòng)底盤，一次性連續(xù)實(shí)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(shù)裝備填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，提高了甜高粱工業(yè)轉(zhuǎn)化效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境、降低生產(chǎn)成本、促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。本機(jī)仍然存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步改進(jìn)，并需進(jìn)一步開(kāi)展可靠性試驗(yàn)。

（作者：吳麗麗 董世平 劉天舒 楊軍太 燕曉輝）