小型水稻秸秆打捆机的研制

何 林，黄雄辉，黄激文

（广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630）

0 引言

2019 年广东稻谷种植面积179.37 万hm2[1]，收割后产生的秸秆在1000 万t 以上。目前秸秆处理主要有直接焚烧还田、旋耕埋茬还田和收集利用等方式。秸秆直接焚烧还田一般在田间直接进行，田间焚烧秸秆会造成土壤有机质含量和微生物数量显著降低，严重的会使土壤丧失种植能力[2]，并带来严重的环境污染，已经被严令禁止。全量埋茬还田存在秸秆还田量太大时，可能造成病虫害情况加重、秸秆腐烂后土壤疏松及秸秆腐烂时土壤微生物与作物幼苗争夺养分造成死苗减产等问题，推广应用过程中农民一直存在怀疑和担忧。广东水稻种植面积50%以上位于丘陵山区，地块之间落差较大，田块的特点是面积小、泥脚深，秸秆收集打捆离田是一种绿色环保的处理方式，收集后的秸秆可以用来做饲料、燃料、肥料等，可促进农民增收。因此研发一种小型履带式水稻秸秆打捆机，能够有效疏导秸秆焚烧、提高秸秆综合利用率，具有较好的经济、社会和生态效益。

1 设计要求与总体结构设计

1.1 设计要求

1）适用于广东丘陵山区小面积、深泥脚水田的作业环境，结构紧凑、小巧灵活，具有良好的通过性。

2）完成收割后水稻秸秆收集打捆作业，装备安全可靠。

1.2 总体设计

9YLZ-850 型小型水稻秸秆打捆机主要由履带行走底盘、捡拾器、动力系统、控制系统、成捆室、操纵系统等组成，如图1 所示。

图1 水稻秸秆打捆机布置图

工作原理：经捡拾器弹齿旋转捡拾的秸秆在喂入轮的作用下进入打捆室，在滚动轴和秸秆重力双重作用下，秸秆逐渐形成圆捆且被不断抛起、旋转、落下，当圆捆逐渐成形后，开始从外向内压缩，直到达到规定的紧实度，报警器声音报警，执行绕网打捆，然后打开后罩把圆捆排出机体外。

1.3 主要技术参数

9YLZ-850 型小型水稻秸秆打捆机的主要参数如表1 所示。

表1 整机主要参数

2 主要部件设计

2.1 履带行走底盘

行走底盘主要由变速箱、驱动轮、支重轮、浮动轮、履带、张紧调节机构、导向轮等组成，如图2所示。由于南方水田普遍田块较小，泥脚较深，采用履带加轮系行走装置可以保持较小的接地压力，通过性能高，同时具有转弯半径小的特点；浮动轮在地表不平或过田埂时可以仿形，保持整机行走平稳；通过调整张紧调节机构，可以保持履带在合适的张紧度，防止履带在恶劣的工作环境下脱出。从发动机传递过来的动力经变速箱带轮输入，通过操纵杆件控制，可以选择不同的档位以适应工作需要。底盘主要参数如表2 所示。

图2 履带行走底盘

表2 底盘主要参数

2.2 捡拾器

机器工作前进时，全喂入或半喂入联合收割机收割脱粒后排出的水稻秸秆在捡拾器1 的旋转弹齿作用下被拾起，在挡板2 的约束下，由转动的喂入轮把秸秆送入打捆室。秸秆捡拾喂入示意图如图3所示。

图3 秸秆捡拾喂入示意图

本机采用滑道滚筒式弹齿捡拾器。捡拾器结构如图4 所示。

图4 捡拾器结构图

弹齿2 固定在曲柄管轴3 上；4 根曲柄管轴3 穿入固定外盘5 四周的4 个孔内；曲柄管轴3 的曲柄上安装轴承4，轴承4 在导向滑道6 内运动；捡拾器轴1 通过销轴7 与固定外盘5 连接，捡拾器轴1 通过花键与动力输入带轮连接。动力通过皮带传递给带轮，带轮通过花键带动捡拾器轴1 转动同时带动固定外盘5 转动，曲柄管轴3 在固定外盘5 和导向滑道6 共同作用下运动，弹齿在捡拾过程中有捡拾、抬起、卸草、空行等4 个状态[3]。滑道设计应满足以下条件：捡拾阶段要求弹齿接近于垂直地面，其端部开始向上捡拾秸秆且要求运动平稳，以免过度打击和搅乱秸秆；抬起阶段齿端速度相对向上，要求弹齿运动平稳；卸草阶段要求弹齿相对半径方向有较大的后倾，端部速度向下，使秸秆从弹齿上迅速离开，卸草后空行段应有较大的速度，确保捡拾段弹齿能接近于径向[4]。弹齿采用弹性钢丝制造，捡拾时弹齿与地面的最小间隙在3～5 cm 之间，遇到不平地面可有短暂接触，以减少秸秆收集的损失率。

2.3 成捆室

成捆室主要包括前压缩室、缠网机构、紧实度感应机构、辊子、后压缩室等，如图5 所示。作业过程包括卷捆成形、成形压实、缠网及卸载草捆等工序[5]。成捆室内包括11 个直径140 mm 的辊子，辊子轴端通过链条传动，使其保持同步转动。辊子采用法兰与耐磨钢板成型的外罩焊接而成，以确保辊子质量轻且耐磨性好。左下侧的辊子起过渡作用，其余10 个辊子起成捆作用。

图5 成捆室工作示意图

机器在前进过程中，秸秆经喂入轮喂入前压缩室1 中，所有的辊子在链条带动下顺时针同步旋转。当越来越多的秸秆进入前后压缩室形成的封闭圆形空间后，在辊子转动外圆的带动下秸秆逐渐形成一个逆时针旋转的圆草捆形状；新喂入的秸秆不断卷在旋转着的草捆外围，当压缩室的物料不断增加，同时受到辊子形成空间的约束时，草捆被从外向里压紧。当圆捆达到一定紧实度时，紧实度感应机构被圆捆顶向左侧旋转，通过传感器报警，提醒驾驶员停止前进，缠网机构2 进行缠网操作。缠网完成后，自动切网机构自动将网割断。

2.4 动力系统

本机消耗的动力主要是行走系统，行走所需功率与泥地深度有关，计算公式为

式中 Nx为行走功率，kW；m为机器满载质量，取1000 kg，其中包括机器850 kg、驾驶员及工作时机器内的秸秆等合计150 kg；f为履带滚动阻力系数，对于湿软地面取0.3；Vm为行走速度，取1 m/s；η为传动效率，取0.85。计算可得Nx为3.5 kW。

为保证机器在各种恶劣的地理环境下都能顺利工作，发动机要有足够的储备功率。根据经验，发动机的功率N 应为计算Nx 的1.33 倍，即N=1.33×3.5=4.7（kW）。

根据发动机传递液压动力单元及传递打捆装置所需动力，选用8.2 kW 柴油机作为整机动力。

2.5 控制及操纵系统

机器的动作需要控制手柄才能实现，操纵系统主要包含各类控制手柄，如图6 所示。

图6 操纵系统示意图

工作时，扳动左转向手柄1 或右转向手柄2，机器向左或右转向。需要机器行走时，把行走离合手柄3 挂上，把HST 变速杆放置在“前进”或“后退”位置，让机器前进或后退。如果要机器停下来，必须先把HST 手柄放置于中间的“中立”位置，然后把行走离合手柄3 扳到“停车刹车”位置，否则可能造成HST 损坏。扳动油门手柄5，可以控制发动机油门大小。扳动工作离合手柄7，可以控制传递到打捆机工作部件的动力。当报警器报警显示圆捆达到要求的紧实度后，断开HST 动力同时行走离合手柄3 扳到“停车刹车”位置，机器开始自动缠网，缠网结束后自动切断。

此时扳动卸捆手柄6，油缸活塞杆收缩，后压缩室沿上转动轴转动向后逐渐打开，草捆在旋转的辊子和自重双重作用下离开成捆室，辊子对草捆的旋转作用力逐渐减弱，加上草捆与成捆室侧壁的摩擦作用，使得草捆在后压缩室打开的过程中旋转速度不断减小[6]，最终以接近为零的速度经过卸草板滚落到地面，完成整个作业流程。自此一个工作过程到此结束，机器再继续前进，重新开始新的捡拾捆草作业。

3 田间试验

为了进一步验证产品性能，对样机通过性能及作业性能进行了实地测试。如图7 所示。

图7 田间试验

作业条件：全喂入水稻联合收割机收割，割茬20～30 cm，秸秆含水率在16%～20%之间，稻草铺在稻茬或在沟里。

整机作业性能参数如表3 所示。

表3 打捆性能参数

4 总结

通过田间试验验证，样机的通过性能良好，水田和田埂行驶平稳；整机作业性能良好，标准挡作业速度1 m/s 时，平均每捆作业时间约90 s，成捆率100%，捡拾损失率小于1%，达到产品研制的预期效果。