玉米秸稈機的優化設計

張世杰

（山西省農機發展中心，山西太原 030002）

1 主要技術參數及工作原理

4GRS-1000玉米秸稈收獲機主要技術參數：配套動力（36.7～44.1）kW，長×寬×高（3000×1050×2040）mm，割臺質量867K，動力輸入轉速（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

2 關鍵部件及性能參數設計

2.1 切割器設計

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

式中，n刀—圓盤刀片轉速（r/min）；

D刀—圓盤刀片直徑（mm）。

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

根據農業機械學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，刀盤每回轉一個刀片間角，刀片伸出的高度應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（120個）；

n—轉速（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，實驗表明該刀片設計合理，切割效果好。根據經驗可知，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之間沒有區別，當刀刃超過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 轉筒的設計

轉筒是為將割下的玉米秸稈喂入揉絲機而專門設計的。轉筒外直徑的大小與盤刀直徑大小有關，設計轉筒外徑為950 mm。轉筒的高度與整機結構、輸送功能有關，設計時取500 mm。為使喂入口秸稈輸送一致有序，轉筒上帶有5層不同間隔的拔齒，每層間距各不同，并且轉筒的速度不能太高，要遠低于鋸片轉速，轉速高了，轉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。

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

2.3 揉搓機設計

目前，農機市場各類各種規格的玉米秸稈揉搓機品牌較多，結合研制要求，經分析，確定了揉搓機外形尺寸等參數的取值，并對部分結構進行了改進設計。

2.3.1 劃絲、揉搓部件的工作原理

當切割器轉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時的配合將割下的秸稈有序的拋向劃絲機喂入口，經水平喇叭型喂入口導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）本身結構設計的特點，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，在高速旋轉錘片的打擊下，同時經受揉搓板的擠搓使得表面刻有預制刻痕的玉米秸稈破碎成適當長度的絲狀物，然后在同軸風扇的作用下經噴管送入集料箱。試驗證明，錘片末端線速度，錘片末端與搓板的間隙，錘片數量及厚度等參數對秸稈桿的揉搓質量有重要影響。

2.3.2 錘片數量、厚度、錘齒間隙的確定

錘片數量過多，打擊次數多，不僅功率消耗大，而且秸稈過碎；錘片數量過少，大塊秸稈比例增加，絲化質量下降；錘片太厚，打擊作用力太大，阻力大，使動力消耗大大增加，絲化質量也明顯下降；錘片過薄，動力消耗小，絲化質量好，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，太大絲化質量明顯下降。由于這3個參數沒有定量的公式，只能通過大量的試驗來進行優化。采用正交試驗方案（結果見表1、2），根據表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，則設備空載功率增加，噪聲和振動也增加。目前，國內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、劃絲輥轉速的確定

秸稈喂入速度的過快和過慢均會造成揉絲質量下降，加工后不是塊大就是過碎，兩輥之間間隙可調。試驗證明，喂入速度為2～3 m/s能滿足絲化質量的要求，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層劃切開，經查資料得，兩個輥的速比為1.5～3.5，取1.7。則劃絲輥的轉速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—切碎滾筒轉速（1000 r/min）；

m—動刀片的數量（12）。

由（4）式可知，改變喂入速度、切碎滾筒轉速、動刀片的數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，在設計中，切碎長度的調整采用了更換刀片的方法，考慮平衡條件，動刀片數一組4個。代入數據可計算出理論切斷長度，L為14 cm。符合設計要求。

2.4 收集箱設計

集料箱機構由可自動開門卸料的集料箱、卸料鎖鉤、彈簧與拉桿、支架、復位鋼絲繩及卸料手柄組成，結構簡單，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，裝秸稈卸下。

3 傳動路線的設計

由于鋸片轉速，滾筒轉速，揉搓筒轉速要求不同，設計傳動機構比較復雜，因此設計了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

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

在保證切割質量同時，該機各參數一定時，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時的最大行走速度，因此在保證切割質量的前提下，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，轉筒轉速為120r/min，推得機器前時1.5秒時，轉筒轉3轉，因此機器前時300 mm時，秸稈不會發生疊加輸送，保證輸送連續，順暢，所以我們所設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，我們取機器前進速度為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，經計算理論喂入量是1.5 kg/s，實際上由于轉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定性

后懸掛農機具降低了拖拉機的縱向穩定性，作業狀態最為危險，為了保證拖拉機作業時的穩定性和操作性，應滿足下式條件：

式中，X—為機組縱向穩定性儲備利用系數；

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）。

經計算：

所以，該機縱向穩定性和操作性滿足要求。

6 性能試驗

經山西省農機鑒定站的檢測人員按國家標準《飼料收獲機》（GB/T10394-2002）和我院提供的技術文件進行實地測試（結果見表3），數據證明該機各項技術性能指標達到標準和技術文件的要求。

表3 4GRS-1000型玉米秸稈收獲機性能試驗結果

7 結論

大量的田間試驗表明，4GRS-1000玉米秸稈收獲機技術先進，配套合理，連接與操作方便，經濟性好，創新了一是整體功能配置優化，能一次性完成玉米秸稈的切割、輸送、揉絲、收集等作業；二是喂入輥與劃絲輥特殊結構的設計，有效降低了玉米秸稈喂入堵塞的技術難題；三是劃絲結構的設計，經試驗劃絲率達到90%，這對提高飼料的精細程度起到了關鍵的作用；四是對錘片的優化設計，不但改善了劃絲效果，而且大大降低了動力消耗。經檢驗各項性能指標均達到相關標準的要求，應用前景十分廣闊。