甜高粱莖穗兼收機(jī)械化技術(shù)研究

張慧娟，馮曉靜，王　磊

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

甜高粱是抗干旱農(nóng)業(yè)作物，其莖稈比普通籽實(shí)高粱的莖稈粗，植株也比籽實(shí)高粱的高且大，全株可生長到 120.0～400.0 cm， 莖稈寬一般可達(dá)到 2.5 cm 以上。甜高粱屬C4類植物，是籽用高粱的一個(gè)變種，其莖稈和所結(jié)籽粒都含有較高的糖分及淀粉質(zhì)，均可用于生產(chǎn)甜高粱白酒；甜高粱莖稈榨汁后，還可回收用作有機(jī)肥材料。因此，甜高粱全株利用程度均比較高，是典型的生物能源作物。

甜高粱莖稈中糖分含量最高時(shí)期與籽粒成熟時(shí)期同步，若植株開始死亡或遇霜凍，莖稈中的糖分就會下降，因此甜高粱一旦成熟就需要對莖穗盡快收獲。機(jī)械化收獲甜高粱能提高收獲速度，盡力做到莖穗兼收、及時(shí)收獲，以保證效益最佳。

1　甜高粱機(jī)械化收獲技術(shù)的發(fā)展

意大利最早研究對甜高粱進(jìn)行機(jī)械化收割，當(dāng)時(shí)使用的是在玉米收獲機(jī)基礎(chǔ)上改裝而成的甜高粱收獲機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)對甜高粱的去葉、捆綁和裝載，其工作情況如圖1所示。在收獲過程中莖稈損失率較大，后來研究認(rèn)為對甜高粱莖稈的收割與對甘蔗的收割類似，所以針對甘蔗收獲機(jī)進(jìn)行研究。20世紀(jì)末，美國使用改裝后的甘蔗收獲機(jī)對甜高粱進(jìn)行收割，為甜高粱收獲機(jī)的研制提供了參考依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，馬來西亞研制出一種小型甜高粱收割機(jī)，如圖2所示。

圖1　意大利使用的甜高粱收獲機(jī)Figure 1　Sweet sorghum harvester used in Italy

圖2　馬來西亞研制的小型甜高粱切割機(jī)Figure 2　Small size sweet sorghum harvester developed in Malaysia

國內(nèi)對莖稈類農(nóng)作物采收方面的研究是從20世紀(jì)60年代開始的，研究單位主要有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院等。在對甜高粱機(jī)械化采收技術(shù)的研究中提到，甜高粱莖稈采用切段式收獲有利于提高機(jī)械化程度，但應(yīng)注意甜高粱莖稈與甘蔗的特性是不同的；甜高粱穗頭切割后在臥式割臺上橫向輸送時(shí)，由于甜高粱穗頭體積大易折斷，加上受收獲機(jī)振動的影響，容易導(dǎo)致甜高粱籽粒破碎。

隨著我國農(nóng)作物收獲機(jī)械化研究的深入，各類谷物聯(lián)合收獲機(jī)不斷完善。根據(jù)我國甜高粱的種植與生產(chǎn)情況，立式甜高粱分段收獲機(jī)等得到一定程度的發(fā)展，但在實(shí)際收獲過程中仍存在機(jī)械振動影響收獲效果的問題。

2　甜高粱莖稈的受力分析

收獲甜高粱時(shí)，利用切割圓盤將生長于土壤中的甜高粱莖稈分切為多段，切割過程中可將甜高粱莖稈視為懸臂梁，研究其在圓盤刀切割力作用下的應(yīng)力與變形。最下端圓盤刀對甜高粱莖稈切割時(shí)，由于對甜高粱莖稈的切割在地表面以上，相當(dāng)于留有一根接受水平載荷的木樁，則甜高粱在收獲時(shí)所受的切割力如圖3所示。

圖3　甜高粱莖稈受力分析圖Figure 3　Force analysis diagram of sweet sorghum stalk

將莖稈下端的懸臂梁分成n個(gè)單元，在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上施加剛度系數(shù)為Ki的水平彈簧，受力模型為：取相鄰的節(jié)點(diǎn)0，1之間的一段，沿y軸方向截取長度為Dx的一段，根據(jù)材料力學(xué)知識，其受力分析為：

式中：E 為莖稈的彈性模量，N/m2；I為樁體截面慣性矩，m4；M為微段截面彎矩，N·m；Q為微段截面剪力，N。

令樁頂端x＝0點(diǎn)的位移、轉(zhuǎn)角、剪切力、彎矩分別為 y0，θ0，M0，Q0，則對公式進(jìn)行整理、積分，構(gòu)造任意截面的狀態(tài)向量可得到：

由初始狀態(tài)可求出任意位置的內(nèi)力和變形。

3　收獲機(jī)切割器的設(shè)計(jì)

切割器是甜高粱收獲機(jī)切割莖稈的關(guān)鍵部件。為了實(shí)現(xiàn)對甜高粱的高效收獲，要求切割器工作時(shí)功率消耗低、振動小、效率高，因此采用由傳動軸支承的圓盤切割器。根據(jù)收獲機(jī)的進(jìn)給速度調(diào)整對應(yīng)的刀盤轉(zhuǎn)速范圍，收割時(shí)刀盤支撐莖稈，利用回轉(zhuǎn)刀旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割（回轉(zhuǎn)速度一般為 6～10 m/s），支承刀布置于圓盤刀的上方，兩者保持一定的間隙。

3.1　切割原理

在甜高粱莖穗兼收型收獲機(jī)上采用雙圓盤鋸齒型切割器。利用液壓裝置控制雙圓盤切割器的兩個(gè)刀盤所處位置，在收獲機(jī)前進(jìn)過程中兩個(gè)圓盤刀的旋轉(zhuǎn)方向相反、同時(shí)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以保證鉗住甜高粱莖稈后使莖稈向收獲機(jī)割臺方向倒伏。圓盤刀的邊緣為齒形刃口，對甜高粱莖稈進(jìn)行滑動切割。

3.2　圓盤式切割器的受力分析

為了保證切割甜高粱莖稈時(shí)不出現(xiàn)相對滑動，切割器圓盤刀刃口的摩擦力要大，加上需要延長刃口和莖稈之間相互作用的時(shí)間，所以采用鋸齒形的圓盤刀切割器。切割時(shí)甜高粱莖稈受到切向力和法向力的共同作用，其受力情況如圖4所示。

圖4　切割過程中莖稈的受力分析圖Figure 4　Force analysis diagram of stalk in the cutting process

圖4中：N，M分別為兩個(gè)圓盤刀作用于莖稈上的法向力，F(xiàn)，P分別為兩個(gè)圓盤刀對莖稈的摩擦力，且 F＝N·tanβ，P＝M·tanα；L 為切割器雙圓盤刀的中心距，mm；D為圓盤刀直徑，mm；d為切割面處甜高粱莖稈的直徑，mm。

對于切割莖稈的圓盤刀來說，每個(gè)圓盤刀所受的力都是切割力反力的一部分，如圖5所示。

圖5中：N為法向力方向，F(xiàn)為切向力方向，分別將法向力和切向力沿X，Y軸方向進(jìn)行分解，可以得到相應(yīng)的分力，受力分析公式為：

圖5　切割過程中圓盤刀的受力分析圖Figure 5　Force analysis diagram of cutting disc in the cutting process

由于甜高粱莖稈的直徑不確定、但相差不大，且主要對切割時(shí)間產(chǎn)生影響、而對切割過程影響較小，所以假設(shè)莖稈直徑已知，這樣對圓盤刀直徑和刃角進(jìn)行調(diào)整，可以增大切割器的扶持力度。當(dāng)圓盤刀刃角一定時(shí)，莖稈和刃角處的摩擦系數(shù)越大，越有利于對甜高粱莖稈的扶持與控制，從而提高割茬的整齊性。

3.3　甜高粱穗頭的收獲裝置

甜高粱頂端穗頭的收獲裝置如圖6所示。收獲過程分為3個(gè)步驟：首先利用刀桿最上端的一組撥穗輪向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，將甜高粱穗頭拉到割臺邊上；然后由撥穗輪下側(cè)的一組圓盤刀將甜高粱莖穗切割下來，切割下來的穗頭落到割臺中間的輸送帶上，在輸送帶的帶動下集中進(jìn)入倒穗槽；最后由在倒穗槽內(nèi)部設(shè)置的輸送槽將切割好的穗頭送入脫粒室。

圖6　穗頭的收獲裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6　Structural diagram of spike harvesting device

在脫粒室內(nèi)利用板齒滾輪和釘齒紋桿對穗頭進(jìn)行脫粒處理。板齒滾筒的抓取能力較強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)對甜高粱穗頭的可靠抓??；釘齒紋桿主要負(fù)責(zé)脫粒分離。切割下來的穗頭底端會帶有較短的一截莖稈，釘齒紋桿能將穗頭和莖稈分開，使分離下來的籽粒落到振動篩上，再通過振動篩的振動實(shí)現(xiàn)清選、分離、集中收集。

4　結(jié)論

本課題對甜高粱收獲過程中的莖稈進(jìn)行受力分析，確定收獲時(shí)莖稈需要刀具提供的切割力，為切割刀具的設(shè)計(jì)提供依據(jù)；對所采用的圓盤刀式切割器進(jìn)行受力分析，研究圓盤刀直徑和刃角對切割效果的影響；對穗頭的收獲裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)莖穗同時(shí)收獲，提高對甜高粱整體的收獲效率。

［1］陸水怡，李南珠，鄒劍秋，等.甜高粱的生物學(xué)特性、研究現(xiàn)狀與發(fā)展應(yīng)用前景［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（7）：21-23.

［2］劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂.農(nóng)作物莖稈的力學(xué)特性研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（7）：172-176.

［3］雷雨春，李曉華.甜高粱聯(lián)合收割機(jī)的研制［J］.農(nóng)業(yè)工程，2012，2（6）：1-5.

［4］楊海，周海波，馮小川，等.鋸齒形雙圓盤刀切割器切割原理分析與仿真［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（9）：23-26.

［5］林茂，楊堅(jiān)，梁兆新，等.雙圓盤甘蔗切割器工作參數(shù)的試驗(yàn)優(yōu)化研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2006（12）：12-14.