張世杰

（山西省農(nóng)機發(fā)展中心，山西太原 030002）

1 主要技術(shù)參數(shù)及工作原理

4GRS-1000玉米秸稈收獲機主要技術(shù)參數(shù)：配套動力（36.7～44.1）kW，長×寬×高（3000×1050×2040）mm，割臺質(zhì)量867K，動力輸入轉(zhuǎn)速（540）r·min-1，幅寬1000 m m，工作速度（3～6）km·h-1。

該機與36.7～44.1 kW（50～60 hp）拖拉機配套。掛接方式為拖拉機三點懸掛[1]，不對行收獲，主要由立式滾筒、機架、劃絲、揉搓、收集、掛接、傳動、行走支承輪等裝置組成，如圖1所示。

圖1 4GRS-1000型玉米秸稈收獲機結(jié)

2 關(guān)鍵部件及性能參數(shù)設(shè)計

2.1 切割器設(shè)計

切割器是割臺的主要工作部件，采用旋轉(zhuǎn)式單圓盤無支承切割鋸片?？紤]到作業(yè)時切割裝置堵塞；漏割和重割；割茬撕裂等嚴(yán)理現(xiàn)象發(fā)生。重點在影響鋸片切割因素（直徑、轉(zhuǎn)速、齒形結(jié)構(gòu)、鋸片厚度等）方面進行設(shè)計。該切割器由圓盤刀片座、圓盤刀片組成。依據(jù)玉米農(nóng)藝種植特點，鋸片直徑1000 mm，鋸齒數(shù)120個，查有關(guān)資料表明，圓盤式鋸片切割器線速度一般為50～90 m/s[2]。

式中，n刀—圓盤刀片轉(zhuǎn)速（r/min）；

D刀—圓盤刀片直徑（mm）。

依據(jù)傳動軸路線，確定圓盤刀片轉(zhuǎn)速1100 r/min，把D刀=1000 mm代入式（1），得V刀=57.6 m/s。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械學(xué)對圓盤式切割器的分析，在實際切割過程中，保證防止漏割和盡量減少重割，刀盤每回轉(zhuǎn)一個刀片間角，刀片伸出的高度應(yīng)等于或大于機械前進的距離：

式中，V——機械前進時最大速度（2 m/s）；

m—鋸齒數(shù)（120個）；

n—轉(zhuǎn)速（1100 r/ min）。

考慮到拖拉機的滑移率和具有一定的重割度，則h=9mm，實驗表明該刀片設(shè)計合理，切割效果好。根據(jù)經(jīng)驗可知，在同樣的切割速度下，刀刃厚度0.5 mm較1～2 mm有較高的切斷率，而在1～2 mm之間沒有區(qū)別，當(dāng)?shù)度谐^1 mm時，對切斷率影響很小，在盡量不增加切割功率的情況下，為了提高刀片的強度和工作壽命，需盡量增大刀片的厚度，采取使用厚度為2.5 mm。

2.2 轉(zhuǎn)筒的設(shè)計

轉(zhuǎn)筒是為將割下的玉米秸稈喂入揉絲機而專門設(shè)計的。轉(zhuǎn)筒外直徑的大小與盤刀直徑大小有關(guān)，設(shè)計轉(zhuǎn)筒外徑為950 mm。轉(zhuǎn)筒的高度與整機結(jié)構(gòu)、輸送功能有關(guān)，設(shè)計時取500 mm。為使喂入口秸稈輸送一致有序，轉(zhuǎn)筒上帶有5層不同間隔的拔齒，每層間距各不同，并且轉(zhuǎn)筒的速度不能太高，要遠低于鋸片轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速高了，轉(zhuǎn)筒上的輸送齒起不到輸送作用，秸稈會彈射到地面，取120 r/min。

分禾導(dǎo)向桿的設(shè)計：分禾導(dǎo)向桿雖然簡單，但對整機性能影響較大，一方面，由于氣候條件等原因，導(dǎo)致部分秸稈倒伏、雜亂無章。分禾導(dǎo)向桿能夠?qū)⒔斩挿猪槪瑴p少切割損失的作用。另一方面，由于不同行的秸稈受到切割力方向的不同，導(dǎo)致秸稈被割后運動方向不同，有的可能脫離設(shè)計要求的方向，造成秸稈被切割后的輸送困難，甚至引起堵塞，因此，分禾導(dǎo)向桿起到對被切割的秸稈導(dǎo)向、使之盡快被輸送的作用。

2.3 揉搓機設(shè)計

目前，農(nóng)機市場各類各種規(guī)格的玉米秸稈揉搓機品牌較多，結(jié)合研制要求，經(jīng)分析，確定了揉搓機外形尺寸等參數(shù)的取值，并對部分結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計。

2.3.1 劃絲、揉搓部件的工作原理

當(dāng)切割器轉(zhuǎn)速達到一定的線速度時，利用圓盤割刀與拔禾滾筒高速旋轉(zhuǎn)時的配合將割下的秸稈有序的拋向劃絲機喂入口，經(jīng)水平喇叭型喂入口導(dǎo)向使秸稈進入劃絲機上下兩輥（下面是喂入輥，上面是劃絲輥），由于劃絲機（由喂入輥和劃絲輥組成）本身結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，它對秸稈具有很強的牽拉能力。強制劃絲并向后送入揉搓機，完成輸送全部工作過程。

經(jīng)過劃絲機的秸稈在外皮上，由上下2個輥刻出縱向和徑向刻痕，秸稈進入揉搓機后，在高速旋轉(zhuǎn)錘片的打擊下，同時經(jīng)受揉搓板的擠搓使得表面刻有預(yù)制刻痕的玉米秸稈破碎成適當(dāng)長度的絲狀物，然后在同軸風(fēng)扇的作用下經(jīng)噴管送入集料箱。試驗證明，錘片末端線速度，錘片末端與搓板的間隙，錘片數(shù)量及厚度等參數(shù)對秸稈桿的揉搓質(zhì)量有重要影響。

2.3.2 錘片數(shù)量、厚度、錘齒間隙的確定

錘片數(shù)量過多，打擊次數(shù)多，不僅功率消耗大，而且秸稈過碎；錘片數(shù)量過少，大塊秸稈比例增加，絲化質(zhì)量下降；錘片太厚，打擊作用力太大，阻力大，使動力消耗大大增加，絲化質(zhì)量也明顯下降；錘片過薄，動力消耗小，絲化質(zhì)量好，但錘片壽命縮短。錘片的間隙，也就是錘片末端到齒板的齒頂之間的距離，太小容易堵塞，太大絲化質(zhì)量明顯下降。由于這3個參數(shù)沒有定量的公式，只能通過大量的試驗來進行優(yōu)化。采用正交試驗方案（結(jié)果見表1、2），根據(jù)表2可知，A2B1C2為最佳方案，即錘片12個，厚度2 mm，間隙30 mm時性能最佳。

表1 正交試驗因素與水平

表2 試驗方法與試驗結(jié)果

2.3.3 錘片末端線速度的確定

錘片的末端速度對揉搓效果明顯，速度增大時，錘片對物料的打擊揉搓的作用增強，增大粉碎能力，但速度過大，則設(shè)備空載功率增加，噪聲和振動也增加。目前，國內(nèi)粉碎機對于物料進行粉碎時取錘片末端線速度60～80 m/s，在中小型秸稈揉搓機速度取38～70 m/s，試驗證明，取65 m/s值，揉搓質(zhì)量較好。錘片材料選用65Mn、45號鋼進行淬火處理，提高表面硬度，既保證了錘片壽命，又降低了成本。

2.3.4 喂入輥、劃絲輥轉(zhuǎn)速的確定

秸稈喂入速度的過快和過慢均會造成揉絲質(zhì)量下降，加工后不是塊大就是過碎，兩輥之間間隙可調(diào)。試驗證明，喂入速度為2～3 m/s能滿足絲化質(zhì)量的要求，取2.7 m/s。由（3）式推出n=360 r/min。

式中，V—喂入輥的線速度（m/s）；

D—喂入輥的直徑（145 mm）。

由于喂入輥表面的齒是平行于軸，劃絲輥表面的齒是垂直于軸，這2個輥必須有一個相對速度，才能使秸稈表機硬質(zhì)層劃切開，經(jīng)查資料得，兩個輥的速比為1.5～3.5，取1.7。則劃絲輥的轉(zhuǎn)速V1=1.7×n=1.7×360=612r/min。

2.3.5 理論切碎長度

為了滿足不同作物切碎要求，切碎長度通過參數(shù)改變可以得到不同范圍的切斷長度，一般青飼收獲機理論切碎長度L可按公式（4）計算：

式中，VW—喂入速度（2.7 m/s）；

n—切碎滾筒轉(zhuǎn)速（1000 r/min）；

m—動刀片的數(shù)量（12）。

由（4）式可知，改變喂入速度、切碎滾筒轉(zhuǎn)速、動刀片的數(shù)量可以改變切斷的長度，考慮到切碎的長度也不須頻繁改變，在設(shè)計中，切碎長度的調(diào)整采用了更換刀片的方法，考慮平衡條件，動刀片數(shù)一組4個。代入數(shù)據(jù)可計算出理論切斷長度，L為14 cm。符合設(shè)計要求。

2.4 收集箱設(shè)計

集料箱機構(gòu)由可自動開門卸料的集料箱、卸料鎖鉤、彈簧與拉桿、支架、復(fù)位鋼絲繩及卸料手柄組成，結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，操作方便。容量約1.7 m3物料后。機具運行到指定的地方后，拖拉機駕駛員只需搬動1個手柄，集料箱便可自動翻轉(zhuǎn)，裝秸稈卸下。

3 傳動路線的設(shè)計

由于鋸片轉(zhuǎn)速，滾筒轉(zhuǎn)速，揉搓筒轉(zhuǎn)速要求不同，設(shè)計傳動機構(gòu)比較復(fù)雜，因此設(shè)計了2個變速（主變速箱和二次變速箱），傳動路線圖1拖拉機動力輸出軸—主變速箱—喂入滾—劃絲滾—拔齒。傳動路線圖2拖拉機動力輸出軸—主變速箱—二次變速箱—鋸片。

4 機組前進速度與切割速度、輸送速度、喂入速度的匹配

根據(jù)前面分析取割刀轉(zhuǎn)數(shù)n=1100r/min，計算割刀端切割速度（額定速度）：

在保證切割質(zhì)量同時，該機各參數(shù)一定時，可求得理論允許的最大機器前進速度。

這個速度遠大于該機實際作業(yè)時的最大行走速度，因此在保證切割質(zhì)量的前提下，切割速度與前進速度相匹配的。機組前進速度與輸送速度的匹配是指在前進速度一定的條件下，輸送速度要滿足輸送要求，保證秸稈連續(xù)順暢輸送。玉米行距400～500 mm，株距為250～300 mm，玉米揉搓機前進速度為2 m/s，拖拉機前進300 mm，所用時間：

另，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為120r/min，推得機器前時1.5秒時，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)3轉(zhuǎn)，因此機器前時300 mm時，秸稈不會發(fā)生疊加輸送，保證輸送連續(xù)，順暢，所以我們所設(shè)計輸送速度和前進速度是相匹配的。切割速度決定切割量，喂入量大于切割量，也就基本滿足了前進速度與喂入速度的匹配要求，我們?nèi)C器前進速度為2 m/s，株距300 mm，那么機器前時1s，將收割7根秸稈。每根秸稈重約0.15 kg，因此切割量為1.05 kg/s，經(jīng)計算理論喂入量是1.5 kg/s，實際上由于轉(zhuǎn)子軸裝直葉片和進入揉搓室錘片的作用，喂入量足大于這個理論值的，因此喂入量大于切割量，滿足匹配要求。

5 拖拉機懸掛機組縱向穩(wěn)定性

后懸掛農(nóng)機具降低了拖拉機的縱向穩(wěn)定性，作業(yè)狀態(tài)最為危險，為了保證拖拉機作業(yè)時的穩(wěn)定性和操作性，應(yīng)滿足下式條件：

式中，X—為機組縱向穩(wěn)定性儲備利用系數(shù)；

M—機具重量（取950 kg）；

Mmax—懸掛機具的極限重量（取2500 kg）；

a、b—指拖拉機重心和懸掛點相對拖拉機后輪軸的力臂（a=920 mm，b=960 mm）。

經(jīng)計算：

所以，該機縱向穩(wěn)定性和操作性滿足要求。

6 性能試驗

經(jīng)山西省農(nóng)機鑒定站的檢測人員按國家標(biāo)準(zhǔn)《飼料收獲機》（GB/T10394-2002）和我院提供的技術(shù)文件進行實地測試（結(jié)果見表3），數(shù)據(jù)證明該機各項技術(shù)性能指標(biāo)達到標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件的要求。

表3 4GRS-1000型玉米秸稈收獲機性能試驗結(jié)果

7 結(jié)論

大量的田間試驗表明，4GRS-1000玉米秸稈收獲機技術(shù)先進，配套合理，連接與操作方便，經(jīng)濟性好，創(chuàng)新了一是整體功能配置優(yōu)化，能一次性完成玉米秸稈的切割、輸送、揉絲、收集等作業(yè)；二是喂入輥與劃絲輥特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計，有效降低了玉米秸稈喂入堵塞的技術(shù)難題；三是劃絲結(jié)構(gòu)的設(shè)計，經(jīng)試驗劃絲率達到90%，這對提高飼料的精細程度起到了關(guān)鍵的作用；四是對錘片的優(yōu)化設(shè)計，不但改善了劃絲效果，而且大大降低了動力消耗。經(jīng)檢驗各項性能指標(biāo)均達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，應(yīng)用前景十分廣闊。