呂金慶，楊　穎，尚琴琴，王英博，李紫輝，佟思宇，朱啟昉（.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱　50030；.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱　5008）

玉米青貯收獲機切碎性能試驗研究

呂金慶1，楊穎1，尚琴琴1，王英博1，李紫輝1，佟思宇1，朱啟昉2
（1.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱150081）

為解決現(xiàn)有玉米青貯收獲機普遍存在秸稈切碎長度合格率低、均勻性差等問題，提高青貯玉米機械化收獲水平，針對玉米青貯收獲機切碎性能開展研究。結(jié)果表明，當撥禾輪間高度為25mm，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速為47 r·min-1，動刀轉(zhuǎn)速為393 r·min-1，前進速度為6.5 km·h-1時，收獲機切碎長度合格率為97.9%，其他各項作業(yè)指標均優(yōu)于國家標準，滿足青貯玉米收獲作業(yè)要求，可為青貯玉米機械化收獲發(fā)展提供技術支持。

玉米青貯收獲機；切碎性能；撥禾；切碎；試驗

呂金慶,楊穎,尚琴琴,等.玉米青貯收獲機切碎性能試驗研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2016,47(4):102-108.

Lv Jinqing,Yang Ying,Shang Qinqin,et al.Study on chopping performance of silagemaize harvester[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(4):102-108.(in Chinese with English abstract)

網(wǎng)絡出版時間2016-4-22 10:00:49[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160422.1000.004.html

青貯玉米屬高稈飼料作物，種植密度大（一般比籽粒玉米高50%）、產(chǎn)量高（中國生產(chǎn)量為45～60 t·hm-2），與籽粒玉米相比，青貯玉米具有植株高大、莖葉繁茂、抗倒伏性強和不易感染病蟲害等特點，富含蛋白質(zhì)、碳水化合物等多種營養(yǎng)成分。與其他青貯飼料相比，青貯玉米吸收率好，揉切、粉碎、切斷處理、室溫密封厭氧發(fā)酵后，可保留原有營養(yǎng)成分和色澤，延長保存時間，實現(xiàn)常年供應，是反芻動物首選優(yōu)質(zhì)飼料，可有效解決北方寒冷地區(qū)冬季牧草短缺等問題[1-3]。牛、羊等反芻動物飼喂玉米秸稈等青貯飼料前，需將秸稈切碎成合適長度，改善飼料適口性，便于動物消化吸收，提高飼料利用率[4-6]。

目前，中國青貯玉米收獲主要以人工收獲和分段式收獲為主。人工收獲秸稈切碎均勻性好，切碎長度合格率高，但人工勞動強度大、收獲效率低、人工成本高，青貯飼料生產(chǎn)成本增加。人工收割再由機械鍘碎的分段式收獲由于設備簡單而應用廣泛，但仍存在作業(yè)效率低和不利搶農(nóng)時等問題，導致青貯玉米莖葉含水量降低，錯過最佳青貯期，部分蛋白質(zhì)、碳水化合物等營養(yǎng)成分流失，不能滿足牲畜營養(yǎng)需要。玉米青貯收獲機研制起步較晚，代表機型有黑龍江八一農(nóng)墾大學研制的4QR型青貯飼料收獲機，山東農(nóng)業(yè)大學研制的4YQK-2型莖稈青貯打捆玉米收獲機，中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院研制的9265型自走式青貯飼料收獲機等，多在整機性能、功耗、喂入性能等方面開展研究[7-10]。但玉米青貯收獲機切碎性能研究鮮見報道。

本文針對玉米青貯收獲機切碎性能開展研究，探究撥禾輪間高度、撥禾圓筒轉(zhuǎn)速、動刀轉(zhuǎn)速和收獲機前進速度對切碎質(zhì)量影響，以期獲得最佳作業(yè)參數(shù)，根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整收獲機作業(yè)參數(shù)，驗證試驗檢驗收獲機實際作業(yè)性能，為提高青貯玉米機械化收獲水平及玉米青貯收獲機研制提供技術支持和理論參考。

1　整機結(jié)構(gòu)及工作原理

玉米青貯收獲機主要由地輪總成、傳動系統(tǒng)、機架、拋送裝置、切碎裝置、喂入裝置、割臺總成、撥禾圓筒、分禾器等部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　玉米青貯收獲機整體結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of 4QX-12 silagemaize harvester

割臺總成位于收獲機前方，收獲機前進時，分禾器將玉米秸稈均勻分布在割臺前方，撥禾圓筒下方安裝有圓盤割刀，高速旋轉(zhuǎn)的圓盤割刀將玉米秸稈從基部割斷；撥禾圓筒下部水平安裝三層撥禾輪，被割斷的玉米秸稈在撥禾輪作用下由直立逐漸變?yōu)閮A斜接近水平狀態(tài)，并隨撥禾圓筒轉(zhuǎn)動；玉米秸稈由撥禾圓筒撥禾喂入、喂入裝置夾持喂入，最終被輸送至切碎裝置切碎并拋送至拖車，完成收獲作業(yè)。主要技術參數(shù)為配套動力40～88 kW，整機質(zhì)量1 000 kg，外形尺寸（長、寬、高）為2 703mm×3 359mm×3 550mm，懸掛方式為側(cè)、后懸掛，作業(yè)行數(shù)2行，作業(yè)幅寬1 200mm，適應行距≤70 cm，適應含水率25%～70%，割茬高度≤100mm，純工作生產(chǎn)率45 t·h-1。由前期研究可知，撥禾圓筒最下兩層撥禾輪間高度對收獲機傾斜撥禾效果影響較大，影響收獲機切碎長度均勻性。

2　切碎性能試驗

2.1試驗條件

2015年9月13日，哈爾濱市綜合牧場開展玉米青貯收獲機切碎性能試驗。試驗地塊壟長約500m，試驗品種為東青1號，青貯玉米處于成熟期，秸稈含水率為50%～70%，株高為3.0～3.5m，平均株距為10 cm，壟高為15～18 cm，行距為65 cm。將試驗區(qū)劃分為穩(wěn)定區(qū)長30m，測定區(qū)長15m，停車區(qū)長20m，測定前清除測區(qū)內(nèi)落穗和斷離植株。田間試驗情況及收獲機切碎效果如圖2所示。

圖2　田間試驗Fig.2　Field test

2.2評價指標

根據(jù)國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《NYT 2088-2011玉米青貯收獲機作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定[11]，牛用青貯玉米合格切碎長度為30～50mm，羊用青貯玉米合格切碎長度為20～30mm，選擇30～50mm為合格切碎長度，進行切碎性能試驗。

以切碎長度合格率作為評價指標，計算公式為：

式中，F(xiàn)h-切碎長度合格率（%）；ms-合格切碎長度內(nèi)切碎秸稈質(zhì)量（kg）；mt-切碎秸稈質(zhì)量（kg）。

2.3試驗方案及結(jié)果

以一層、二層撥禾輪間高度、撥禾圓筒轉(zhuǎn)速、動刀轉(zhuǎn)速和收獲機前進速度為試驗因素，以切碎長度合格率為評價指標，進行四元二次回歸正交組合試驗。試驗共4個因素，零水平試驗重復4次，對應軸臂γ值為1.607，得到相應因素水平編碼見表1，試驗方案及結(jié)果見表2。

表1　試驗因素水平編碼Table 1　Test factors and levels

表2　試驗方案及試驗結(jié)果Table 2　Test plan and results

2.4結(jié)果分析

應用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果作F檢驗和方差分析，并對試驗結(jié)果進行二次多項方程擬合，獲得切碎長度合格率y關于各試驗因素響應面回歸方程，根據(jù)回歸方程對收獲機秸稈切碎長度合格率進行預測和控制，并優(yōu)化試驗結(jié)果，確定收獲機最佳作業(yè)參數(shù)組合。

將顯著性水平設定為0.05，方差分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，試驗整體模型為極顯著（P< 0.0001）、失擬性檢驗結(jié)果不顯著（P=0.0505），試驗有效，回歸方程（1）擬合良好，對試驗指標有顯著影響的因素均已考慮[12-14]。

由各項相關系數(shù)檢驗可知，主效應中撥禾輪間高度x1、動刀轉(zhuǎn)速x3、前進速度x4對切碎長度合格率y影響均為極顯著（P<0.01），撥禾圓筒轉(zhuǎn)速x2對切碎長度合格率y影響不顯著（P>0.1），各主效應對指標影響強度為前進速度x4>動刀轉(zhuǎn)速x3>撥禾輪間高度x1>撥禾圓筒轉(zhuǎn)速x2；交互項中，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速和動刀轉(zhuǎn)速交互項x2x3、動刀轉(zhuǎn)速和前進速度交互項x3x4對試驗指標影響極顯著（P<0.01），撥禾輪間高度和撥禾圓筒轉(zhuǎn)速交互項x1x2對試驗指標影響顯著（0.010.1）；二次項中，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速二次項x22、動刀轉(zhuǎn)速二次項x32和前進速度二次項x42對試驗指標影響均為極顯著（P<0.01），而撥禾輪間高度二次項x12對試驗指標影響不顯著（P>0.1）。由于該試驗采用正交設計，可將除主效應外影響不顯著的回歸系數(shù)直接去除[13-14]，因此將影響不顯著的回歸系數(shù)平方和并入誤差平方和重新進行方差分析，得到回歸方程（2）。

顯著交互項對切碎長度合格率影響的響應曲面如圖3所示，其他因素均固定在零水平（撥禾輪間高度35mm、撥禾圓筒轉(zhuǎn)速45 r·min-1、動刀轉(zhuǎn)速385 r·min-1、前進速度7.0 km·h-1）。

由圖3可知，隨撥禾輪間高度增加，切碎長度合格率逐漸下降，撥禾輪間高度主要影響收獲機傾斜撥禾效果，當撥禾輪間高度增加，傾斜撥禾時秸稈與水平面間夾角變大，切碎作業(yè)時秸稈無法垂直于切碎裝置切割，導致玉米秸稈切碎長度產(chǎn)生偏差，降低收獲機切碎性能，一般撥禾輪間高度取較小值時，對應收獲機切碎長度合格率較高。

表3　試驗結(jié)果方差分析Table 3　ANOVA of test results

撥禾圓筒轉(zhuǎn)速對切碎長度合格率影響不顯著，當撥禾圓筒轉(zhuǎn)速變化時，切碎長度合格率變化幅度較小。但試驗發(fā)現(xiàn)，如果撥禾圓筒轉(zhuǎn)速過低，會影響收獲機傾斜撥禾效果，導致秸稈切碎長度均勻性變差，如果撥禾圓筒轉(zhuǎn)速過高，雖然傾斜撥禾效果有所提升，但由于撥禾喂入速度過快，撥禾圓筒與切碎裝置之間有輕微秸稈堵塞現(xiàn)象，直接影響收獲機秸稈切碎質(zhì)量。因此，選擇合適撥禾圓筒轉(zhuǎn)速可提升收獲機作業(yè)質(zhì)量。當撥禾圓筒轉(zhuǎn)速為45 r·min-1時，對應收獲機秸稈切碎長度合格率較高。

通過動刀轉(zhuǎn)速與喂入裝置的喂入速度配合，實現(xiàn)控制收獲機秸稈切碎長度。當動刀轉(zhuǎn)速改變時，秸稈切碎長度變化較大，整體上，秸稈切碎長度與動刀轉(zhuǎn)速呈反比例相關，即動刀轉(zhuǎn)速越快，秸稈切碎長度越短，而動刀轉(zhuǎn)速與切碎長度合格率呈二次非線性關系，動刀轉(zhuǎn)速過大或過小均會降低切碎長度合格率。當動刀轉(zhuǎn)速為335～435 r·min-1時，切碎長度合格率普遍較高。

當收獲機前進速度較低時，秸稈切碎長度合格率相對較高，原因是較低的前進速度，使撥禾圓筒充分發(fā)揮其傾斜撥禾作用，秸稈以接近水平的姿態(tài)進入切碎裝置，提升切碎長度均勻性，較低前進速度可降低撥禾圓筒與喂入裝置間發(fā)生秸稈堵塞的概率，因此較低前進速度對應較高秸稈切碎質(zhì)量。但考慮到玉米青貯收獲機作業(yè)效率，不宜選擇過低收獲機前進速度。

圖3　交互作用對指標影響Fig.3　Effect of interactions on evaluation index

為獲得收獲機最佳切碎性能作業(yè)參數(shù)，應用Design-Expert 8.0.6軟件優(yōu)化模塊，以最高秸稈切碎長度合格率為優(yōu)化目標，約束目標最大化優(yōu)化，利用牛頓迭代法求解。

優(yōu)化約束條件如下：

目標函數(shù)：F=min[y]=min[F(x1,x2,x3,x4)]

約束函數(shù)：25

根據(jù)收獲機實際可實現(xiàn)的各因素調(diào)節(jié)范圍，保證較高作業(yè)效率，得到收獲機最優(yōu)參數(shù)組合：撥禾輪間高度為25mm，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速為47 r·min-1，動刀轉(zhuǎn)速為393 r·min-1，前進速度為6.5 km· h-1，對應理論切碎長度合格率為97.8%～98.2%。

針對上述理論最優(yōu)參數(shù)組合調(diào)整收獲機，進行田間驗證試驗，對比試驗結(jié)果與國家標準規(guī)定的指標值，對比結(jié)果見表4。由表4可知，經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后收獲機實際切碎長度合格率為97.9%，與理論優(yōu)化結(jié)果基本一致，損失率為4.3%，割茬高度為112.9mm，各項作業(yè)指標均優(yōu)于國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標準，可滿足玉米青貯收獲作業(yè)要求。

表4　驗證試驗結(jié)果Table4　Verification test results

3　結(jié)論

a.研究影響收獲機切碎性能的撥禾輪間高度、撥禾圓筒轉(zhuǎn)速、動刀轉(zhuǎn)速和收獲機前進速度等試驗因素，得出收獲機最佳作業(yè)參數(shù)組合為撥禾輪間高度25mm，撥禾圓筒轉(zhuǎn)速47 r·min-1，動刀轉(zhuǎn)速393 r·min-1，收獲機前進速度6.5 km·h-1，此時理論切碎長度合格率為97.8%～98.2%。

b.根據(jù)最佳作業(yè)參數(shù)調(diào)整收獲機，開展田間驗證試驗，結(jié)果表明，調(diào)整后收獲機切碎長度合格率為97.9%，與理論切碎長度合格率基本一致，證明該收獲機切碎精度較高；收獲機損失率為4.3%，割茬高度為112.9mm，各項作業(yè)指標均優(yōu)于國家標準，該收獲機能滿足青貯玉米機械化收獲作業(yè)要求。

[1]王曉娜,孫啟忠,韓海波,等.內(nèi)蒙古青貯飼料質(zhì)量研究[J].草業(yè)學報,2011,20(3):149-155.

[2]李洋,辛杭書,李春雷,等.奶牛常用秸稈類飼料營養(yǎng)價值的評定[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2015,46(4):76-82.

[3]程睿.細碎型青貯飼料高密度打捆機的設計與試驗[D].長春:吉林大學,2014.

[4]劉建新.甘草秸稈青貯飼料加工技術[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科學技術出版社,2003.

[5]王德福,蔣亦元,張永根,等.鮮稻稈青貯收獲工藝試驗研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2009,40(11):113-115.

[6]袁洪方,王德成,王光輝,等.秸稈鍘切揉搓裝置優(yōu)化設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2012,43(增):153-157.

[7]林君堂,常建國,劉興博,等.玉米秸稈田間處理技術及收獲機[J].農(nóng)機使用與維修,2015(7):104-105.

[8]車剛,萬霖,張偉,等.青貯飼料收獲機實體設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2010,41(2):82-86.

[9]叢宏斌,李明利,李汝莘,等.4YQK-2型莖稈青貯打捆玉米收獲機的設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(10):96-100.

[10]王進華.自走式青貯飼料收獲機矮稈割臺喂入機理研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院,2011.

[11]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NYT 2088-2011.玉米青貯收獲機作業(yè)質(zhì)量[S].北京:中華人民共和國農(nóng)業(yè)部,2011.

[12]董欣,王曉娜,李紫輝,等.臥輥式玉米秸稈調(diào)質(zhì)裝置參數(shù)優(yōu)化試驗[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2013,44(11):95-100.

[13]何為,薛衛(wèi)東,唐斌.優(yōu)化試驗設計方法與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學工業(yè)出版社,2012.

[14]袁志發(fā),周靜芋.試驗設計與分析[M].北京:高等教育出版社, 2000.

Study on chopping performance of silagemaize harvester

LV Jinqing1, YANG Ying1,SHANG Qinqin1,WANG Yingbo1,LI Zihui1,TONG Siyu1,ZHU Qifang2(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Heilongjiang Institute of Agriculturalmechanical Engineering Science,Harbin 150081,China)

In order to solve the problems widespread in silagemaize harvester,such as low qualified index and poor uniformity.At the same to improve themechanization level of silagemaize harvest and the working performance of the silagemaize harvester,the silagemaize harvester as the research object,a quadratic regression orthogonal combination test was carried out.The results showed that under the condition that the height between two rake wheels was 25mm,the rotation speed of the rake cylinder was 47 r·min-1,the rotation speed of the dynamic knife was 393 r·min-1and the forward speed of themachine was 6.5 km·h-1,the qualified index of chopped length was 97.9%.And the other performance indices were all higher than the national standard.This equipment couldmeet the work requirements of silagemaize harvest. This paper provided a technical support for the further development of the silagemaizemechanized harvesting.

silagemaize harvester;chopping performance;raking process;chop;test

S225.8；S817.11

A

1005-9369（2016）04-0102-07

2016-01-28

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項資金（CARS-10-P22）；國家十二五科技支撐計劃項目（2014BAD06B03）；黑龍江省重大科技攻關項目（GA15B401）

呂金慶（1970-），男，研究員，碩士生導師，研究方向為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術及裝備。E-mail:ljq8888866666@163.com