玉米秸秆打捆灭茬一体机设计与试验

分析，通过理论计算确定曲柄半径、连杆长度和灭茬刀转速分别为275 mm、577 mm、415 r/mino样机田间试验结果表明： 草捆密度、规则草捆率、成捆率、根茬粉碎合格率以及秸秆捡拾损失率分别为U9.3 kg/n?、96.5%、100%、90%以及6%,

各项指标达到设计要求。该机田间作业安全可靠，其结构参数和工作参数组合，更好地满足旱地农业保护性耕作要求并

有效改善生态环境。关键词：秸秆；打捆机；灭茬；参数优化中图分类号：S225 文献标识码：A 文章编号:2095-5553 (2019) 06-0016-05位国建，姜伟，荐世春，李娜，崔荣江.玉米秸秆打捆灭茬一体机设计与试验[J].中国农机化学报，2019, 40(6)： 16-20Wei Guojian, Jiang Wei, Jian Shichun, Li Na, Cui Rongjiang. Design and experiment of corn straw bundling and stubble killing machine [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2019, 40(6): 16 — 200引言随着我国人口增多和耕地减少矛盾日益严重，合 理开发，更加有效地利用农作物秸秆，对稳定农业生态 平衡、缓解资源约束具有重要意义，也是农业发展的必

使我国农业逐步向可持续方向发展。国内的相关科研 人员，针对我国国情开展了 •些秸秆收集、处理方面相

关的研究。如崔中凯等设计了 4YZQK-4自走式穗 茎兼收秸秆打捆一体机，提出了穗茎兼收秸秆打捆，实 现复合作业，李耀明等⑷设计了 4L-4. 0型稻麦联合

然趋势°切。黄淮海地区地势平坦、土壤肥沃，是我国 重要的农业基地，也是秸秆资源最丰富的地区之一⑷。 同时，由于该地区小麦、玉米轮作，农时紧，且农作物秸

收获打捆复式作业机，实现了稻麦秸秆的不落地打捆

功能，王锋德等⑺设计了 4YF— 1300型大方捆打捆

机，对关键部件的设计及参数的优化，保证了打捆机较 高的技术参数，段宝成等通过对收获打捆一体机压缩 装置机构优化及相应试验验证，得到最优打捆工作参

秆体积大、质量轻、形状不规则，贮运极为困难，因此秸

秆收集压捆是实现秸秆综合利用的首要前提。目前，

秸秆收集存在机具缺乏，人工收集劳动强度大、成本高 等问题，严重制约了秸秆综合利用。到2020年，秸秆

数。尽管国内外秸秆综合利用发展速度较快，配套农 机具也不断更新，但是依然存在许多问题。国外机具

综合利用率将达到92%,建立农民和企业“双赢”的秸

对我国农业生产条件不适应，机具质量大，能耗较高， 价格高。国内现有机具存在制造和设计缺陷，机械故

秆收储运体系，形成布局合理、多元利用的秸秆综合利 用产业化格局十分必要*门。*

障率高作业适应性差，自动化程度较低，农机农艺融合 程度低，工作效率低下。研究设计联合收获打捆复式

在国外，秸秆利用主要是还田、用作饲料或者发 电。同时，国外秸秆生产已经实现了全程机械化作业，

作业机，对提高农作物秸秆的回收利用率，具有重要 意义[8]。针对以上问题，本文设计了玉米秸秆打捆灭茬一 体机，能够一次实现玉米秸秆切碎、可控适量还田、灭

各种秸秆处理装备齐全•规模种植，具备完整的秸秆收 储运体系，农机农艺融合，有效提高了收集效率，降低

了秸秆利用的生产成本。国内秸秆综合利用进程近年 来不断加快，在良好的舆论下普遍得到了农民认可，促

收稿日期：2019年1月14日 修回日期：2019年3月20日茬、剩余秸秆捡拾打捆等多道工序，并对关键工作部件

*基金项目：“十三五”国家重点研发计划“粮食丰产增效科技创新”重点专项项目(2O16YFDO3OO8OO)；”十三五”国家重点研发计划“粮食丰产增效科 技创新“重点专项项目(2O17YFDO3O1OO5)；“十三五”国家重点研发计划“粮食丰产增效科技创新”重点专项项目(2018YFD0300600)第一作者：位国建，男，1986年生，山东济南人，硕士，工程师；研究方向为田间作业机械。E-mail： woshitxwh@126.com通讯作者：荐世春，男，1963年生，山东青岛人，研究员；研究方向为耕整地机械装备。E-mail： jscsh2002@163.com第6期位国建等：玉米秸秆打捆灭茬一体机设计与试验17进行了优化设计。本方案显著降低秸秆打捆收获装备 的生产成本，性能指标优于同类机型，大大提高秸秆饲 料收获效率。通过田间试验验证了相关结构参数和工

作参数组合的优势效果，具有良好的社会效益和生态 效益，为秸秆打捆灭茬机具的设计提供了参考，具有重

要的现实意义。1工作原理及总体结构1.1整机结构玉米秸秆灭茬打捆一体机由机架、动力传动装置、 压捆室、喂入搅龙、打捆机构、秸秆捡拾粉碎灭茬装置

等组成。秸秆捡拾粉碎灭茬装置包含捡拾粉碎装置和 灭茬装置，捡拾粉碎装置安装在打捆机机架上，且位于 喂入搅龙前方，灭茬装置安装在压捆室下方，且位于喂

入搅龙后方，并位于行走机构前方。在现有秸秆打捆

收获机的基础上，设计了秸秆揉搓粉碎和根茬还田机

构，便于将站立的玉米秸秆进行粉碎打捆和还田，通过 调整相关结构，将打捆机和灭茬组合形成一种玉米打

捆灭茬收获机。该装置可实现还田灭茬复式作业，实 现一次完成玉米秸秆切碎、可控适量还田、灭茬、剩余

秸秆捡拾打捆等多道工序的作业装备。玉米秸秆打捆 一体机结构示意图如图1所示。8

7

6

5 4 3 2

1图1玉米秸秆打捆一体机结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of stalk bundling and

stubbing machine

1.行走机构2.灭茬机构3.打捆机构4.喂入搅龙5.压捆室6.茎秆切碎装置7.动力传动装置 &机架1.2工作原理其作业流程为：上部秸秆一捡拾粉碎一秸秆喂入

搅龙一拨叉输送一压捆一打结；根茬一灭茬。机器作 业时，捡拾器捡拾地面秸秆并由切碎装置将其切碎，切

碎后的秸秆经过搅龙被强制输送到进料口，送料拨叉 将进料口秸秆喂入压捆室，同时压缩机构进行推送压

缩，压缩机构不断往复运动，随着隈入量的增加，秸秆 捆长度不断增加，当达到设定限值时，停止送料，打捆 机构进行放绳打结，推送掉落地面，完成一个秸秆捆。

玉米茎秆经过切碎装置作业留下的根茬和杂草，由灭 茬装置粉碎还田，提高了劳动效率，减轻农民的劳动

强度。1.3主要技术参数玉米秸秆灭茬打捆一体机主要技术参数如表1

所示。表1玉米秸秆打捆一体机主要技术指标Tab. 1 Main technical parameters of stalk bundling and

stubbing machine项目数值外形尺寸/ ( mm X mm Xmm)2 200X2 200X 1 350藝机质量/kg950配套动力/kW120作业幅宽/mm2 000作业速度/(km • D4〜6草捆长度/mm300〜320还田宽度mm2 1002主要工作部件设计2. 1压缩机构压缩机构是打捆机中最重要的运动部件，压缩机 构的设计好坏能直接决定打捆机的性能以及草捆密度 的大小。偏置曲柄滑块机构行程小，且具有急回特性，

所以压缩机构采用曲柄滑块机构。该机构包括飞轮、 连杆、压缩活塞，工作时减速机的动力输出轴带动飞轮

做圆周运动，飞轮带动连杆做平面运动，连杆带动压缩

活塞做往复运动完成秸秆压缩工作⑼。通过几何关系

计算可得偏心式曲柄滑块机构的相关参数。U7。毘 ⑵式中：厂----曲柄半径，mm；L----连杆长度，mm；S---压缩行程，mm；e---偏心距，mm ；e——极位夹角，°。本设计选择有效压缩行程s为550 nun、极位夹角 &为3.5°、偏心距幺为35 mmo将已知参数代入式(1)〜 式(2)计算，结果取整得:_R = 275 mm,L = 577 mmo图2摇臂运动轨迹图Fig. 2 Chart of the trace for rocker arm18中国农机化学报2019 年摇臂运动轨迹如图2所示，活塞一次往复：活塞连 杆摆动中心由J点到A点，再由A点运动到J点，行 程550 mm,完成一次草料的切断、压缩、前推及回程。

活塞的水平中心线与摇臂的旋转中心有35 mm的高

度差主要是为了克服两个极端位置的“死点”，避免卡 死，使活塞能够完成连续的往复运动。活塞水平线高

于摇臂的旋转中心线能使活塞产生较大的推力。2.2 灭茬刀速度灭茬装置的作业能将作物根茬和杂草破碎，有效

改善土壤表层结构，提高播种质量，促进种子发芽。灭 茬机构采用苗带灭茬，只需要对所需播种的苗带上的 秸秆进行灭茬，减少了动力消耗。在灭茬作业时，灭茬

刀辐旋转方向与拖拉机前进方向一致，灭茬刀辐运动

由直线运动和回转运动组成。直线运动为牵连运动 (机器的前进速度V”)，回转运动是灭茬刀绕轴心旋转

所形成的圆周运动(灭茬刀端点的圆周线速度V。)。

灭茬刀的绝对速度V的运动矢量方程V = V„+Vm (3)设刀辐轴心在某一时刻的位置O为固定坐标系原点，z轴正向为机器前进方向，垂直向下为y轴正向， 设刀刃点M的坐标为则刀片端点的运动

方程(x = Vmt + Rcoswt=RsirW(4)

式中：t——时间，s；R——刀齿半径，m；3——刀辐旋转角速度，rad/s；----机器的前进速度，m/s。对t求导[Vx = Vm — Rusina/[V” = RwCOSajt(5)则灭茬刀刃端点的绝对速度即刀刃点切削速度V = /V： + (Rz>)2 — 2V”Ra>sina/ (6)根据机具灭茬的要求和前人设计经验，本机刀辐回转半径R为250 mm,设计灭茬转速n为415 r/min,灭 茬深度为100 mm,机组前进速度为4~6 km/h,计算

可得V”大小为7. 02-7. 58 m/s。查阅资料，根茬切断

临界值为5 m/s,因此能满足设计需求。3试验与结果分析2017年10月，对设计的玉米秸秆打捆灭茬一体

机样机进行了田间试验，主要测验机具性能是否达标。 根据当地农艺种植习惯，选择在山东章丘“黄淮海玉米 全程机械化技术集成与装备科研基地”为试验用地，该

地块墙情比较具有代表性，符合农业机械试验条件。试验地土壤质地为砂壤土，土壤含水率为15. 7%,

根茬含水率为20. 5%,玉米秸秆含水率为20. 3%,土壤 平均坚实度529. 2 kPa,地面倾斜度为5°〜10°,玉米种 植方式为行播，行距为600 rmn,用玉米收获机收获，秸

秆留茬高度100 mm,测定地块满足草捆数达到100

捆。将长方形地块四边中点连十字线，把该试验地块 等分为4份，随机选取对角的2份作为待检测区域。 在检测区域随机选择一块长度不低于150 m的试验区

域，其中测定区长度不小于100 m,前后两端各保留

20 m准备区，测定区后有指定的停车区玉米秸 秆打捆灭茬一体机机样机田间试验如图3所示。图3样机田间试验Fig. 3 Field experiment for prototype3. 1试验方法按照GB/T 5667-2008农业机械生产试验方法、

GB/T 25423-2010方草捆打捆机试验方法等规范性

引用文件，对玉米秸秆打捆灭茬一体机样机的相关技

术指标进行了现场试验和相关数据测量，检测内容主 要包括秸秆捡拾损失率、成捆率、草捆密度、规则草捆

率、根茬粉碎合格率⑴〕，测试设备有土壤坚实度仪、皮 尺、电子秤和卷尺等。3.1.1秸秆捡拾损失率随机抽取5个草捆间长度，在打捆后的地段上，将

试验区漏拾的7 cm以上秸秆及秸秆压缩时造成的损

失收集起来，称其质量,秸秆捡拾损失率按式(7)计算。s, = F 丄p 丄厂 X 100

(7)式中：s,——秸秆捡拾损失率，％；G,——试验区漏拾秸秆质量，kg；Gk----试验区内草捆质量，kg ；Gy——试验区压缩秸秆损失质量，kg。3. 1.2成捆率统计打成的草捆数和散捆数，按式(8)计算。Sk =虫$ 人 X 100

(8)1 d式中：S* —成捆率，％;Id——作业区内累计打捆数；h——作业区内累计散捆数。第6期位国建等：玉米秸秆打捆灭茬一体机设计与试验193. 1.3草捆密度选取5个行程，每个行程测量2个草捆的长、宽、

高、质量，计算草捆体积，草捆密度按式(9)计算，并求 其平均值。式中：。——草捆密度，kg/n?；V----草捆体积，n?；G

草捆质量，kg。3. 1.4规则草捆数测定草捆横截面四个边长的尺寸，当其最大值与 堆小值之差不大于长边平均值的10%时，判为规则草

捆，否则，判为不规则草捆。每个单向行程测5个草 捆.按式(10)计算。Sg ='于抵 X 100丄gc(10)式中：Sg----规则草捆率，％；♦ ——被测草捆数；5——-不规则草捆数。3. 1.5根茬粉碎合格率根茬粉碎合格率按式(11)计算。F” h =〜---------— mJX 100(11)式中：Fk---根茬粉碎合格率，％；m =---测区内测点秸秆质量，g;mb——测区内测点中不合格秸秆质量.g。3.2试验结果分析对于打捆灭茬一体机来说，判断其性能好坏的因素

有很多，研究整个打捆灭茬流程，其中包括捡拾损失率、

成捆率、草捆密度、规则捆率、根茬粉碎合格率五项重要 指标。试验中，以喂入量2. 5 kg/s,捆包长度700 mm, 出口高度250 mm进行试验，并重复进行三次，试验结

果取平均值，获得机具性能指标如表2所示。表2玉米秸秆打捆灭茬一体机主要技术指标Tab. 2 Main technical parameters of corn stalk bundling and

stubbing machine指标试验数据评价要求捡拾损失率/%6<10成捆率/%100>98草捆密度/(kg・m 3)119. 3>100规则捆率/%96. 5>95根茬粉碎合格率/%90>86根据试验结果，在作业质量方面，成捆率、草捆密

度、规则草捆率、根茬粉碎合格率均优于设计要求；在 损失率方面，秸秆捡拾损失率较低。试验过程中，样机

整机工作稳定、性能可靠，主要技术指标优于评价要

求，整机捡拾效果良好，根茬粉碎满足农艺要求。4结论1) 玉米秸秆打捆灭茬一体机，整体结构设计合 理，工作性能稳定，不仅能够捡拾秸秆并粉碎打捆，而

且能够把根茬灭茬，减轻土壤压实。2) 确定了压缩机构的有效行程为550 mm,偏心

距35 mm,极为夹角3. 5°,并根据参数之间的几何关系 计算出曲柄长度和连杆长度分别为275 mm,577 mm；

根据机具灭茬的要求和前人设计经验，本机刀辐回转 半径R为250 mm,设计灭茬转速”为415 r/min,灭

茬深度为100 mm,机组前进速度为4~6 km/h,计算

得 V’大小为 7. 02—7. 58 m/s。3) 田间试验结果表明：整机工作稳定、性能可靠。其

中,成捆率、规则草捆率、秸秆捡拾损失率、草捆密度以及 根茬粉碎合格率分别为100%,96. 5%、6%、119. 3 kg/m3

以及90%,主要技术指标优于评价要求。参考文献[1] 韩鲁佳，闫巧娟，刘向阳，等.中国农作物秸秆资源及其利

用现状[J].农业工程学报，2002(3)： 87-91.Han Lujia, Yan Qiaojuan, Liu Xiangyang, et al. Straw re­

sources and their utilization in China [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2002(3): 87-91.[2] 韩绪明，张姬.耿爱军，等.玉米秸秆机械化利用综述[J].

中国农机化学报,2018, 39(4)： 114-118.Han Xuming, Zhang Ji, Geng Aijun, et al. Revive on mechanization utilization of corn stalks [J]. Journal of Chi­

nese Agricultural Mechanization, 2018, 39(4) ： 114—118.[3] 丁翔文.张树阁.李吉.黄淮海地区小麦玉米农作物秸秆

能源化利用收加储运模式实验研究[J].中国农机化.

2010, 31(4)： 14-19.Ding Xiangwen, Zhang Shuge, Li Ji. Experimental study on energy utilization and collection processing storage and

transportation models of main crop resources in Huang- Huai-Hai region [J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2010, 31(4)： 14-19.[4] 罗强军.陈永生，韩柏和，等.自走式打捆机的国内外研究

进展[J].中国农机化学报，2018, 39(12)： 18-24.Luo Qiangj un, Chen Yongsheng, Han Baihe, et al. Research progress of self-propelled baler in china and abroad [J]. Journal

of Chinese Agricultural Mechanization, 2018, 39 ( 12 )： 18-24.[5] 刘晓，侯加林，杨传龙，等.青饲料收获打捆包膜一体机的

设计与研究[J].中国农机化学报，2017, 38(4)： 16-20.Liu Xiao, Hou Jialin, Yang Chuanlong, et al. Design and research on integrative machine for harvesting, bundling

20中国农机化学报2019 年and wrapping silage [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization» 2017, 38(4) ： 16~20.[6] 李耀明，成钺，徐立章.4L —4. 0型稻麦联合收获打捆复

式作业机设计与试验[J].农业工程学报，2016 (23)：

11, 27.Huang Jicheng, Zhang Bin, Tian Kunpeng, et al. Design and experiment on the 4LYZ— 3K corn combine harvesting

29-35.Li Yaoming, Cheng Cheng, Xu Lizhang. Design and exper­

both stalk and spike [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2018, 39(10): 7 — 11, 27.iment of baler for 4L — 4. 0 combine harvester of rice and wheat [J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32 (23)： 29-35.M段宝成.水稻收获打捆一体机压缩装置关键部件设计与试

验[D].大庆：黑龙江八一农垦大学，201&Duan Baocheng. Design and test of rice harvest tying unity machine [D]. Daqing： Heilongjiang Bayi Agricultural Uni­versity, 201&[10] GB/T 25423—2010,方草捆打捆机[S]・[7] 王锋德，陈志，王俊友，等.4YF—1300型大方捆打捆机

设计与试验[J].农业机械学报，2009, 40(11)： 36-41.Wang Fengde» Chen Zhi, Wang Junyou, et al. Design and experiment of 4YF — 1300 large rectangular baler [J]. [11] 马晓刚.自走式方草捆压捆机关键部件优化设计与试验

研究[D].北京：中国农业大学，2014.Ma Xiaogang. Optimal design and experiment on the key parts of self-propelled rectangular baler [D]. Beijing： Chi­

Transactions of the CSAM, 2009, 40(11)： 36 — 41.[8] 黄继承，张彬，田昆鹏，等• 4LYZ-3K型穗茎兼收玉米收

获机设计与试验[J].中国农机化学报，2018, 39(10)： 7-na Agriculture University, 2014.Design and experiment of corn straw bundling and stubble killing machineWei Guojian, Jiang Wei, Jian Shichun, Li Na, Cui Rongjiang(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences , Jinan» 250100 , China}Abstract： In order to solve the problems of straw storage, transportation and high intensity of labor in Huanghuai region» a corn straw bund­

ling and stubble killing machine was developed. The structure and working principle of the machine are analyzed. The crank radius, connecting rod length and stubble cutter speed are determined by theoretical calculation, which are 275 mm. 577 mm and 415 r/min. The field test re­sults of the prototype show that the density of straw bale, the rate of regular straw bale, the rate of bundling, the qualified rate of stubble crushing and the loss rate of straw picking are 119. 3 kg/m3, 96. 5% , 100% , 90% and 6% , respectively, and all the indexes

meet the design requirements. The machine works safely and reliably in the field, and its combination of structural parameters and working parameters can better meet the requirements of conservation tillage in dryland agriculture and effectively improve the ecologi­cal environment.Keywords： straw； binding machine； stub bing； parameter optimization