摘要：立式辊的玉米收获机便于实现秸秆切碎回收作青贮饲料，切碎部件是立式辊玉米收获机的重要工作部件。切刀是切碎部件的主要零件，通过对几种玉米收获机切碎部件切刀型式的比较与试验分析，得出滚筒式平板直刃刀和对辊式平板直刃刀的切碎部件是立式摘穗辊玉米收获机理想的工作部件。

　　关键词： 立式辊玉米收获机 ; 切碎部件切刀型式 ; 研究分析

　　引言

　　玉米是我国主要粮食作物，在我国广为种植，随着农村商品经济的发展和玉米生产规模化、集约化的形成，农业劳动力有了出路，对玉米收获机的要求越来越迫切，我国北方地区农村发展畜牧业，冬季缺饲料，需要玉米茎秆调制青贮饲料，单靠人工收获，满足不了青贮要求。所以玉米收获机能否回收茎秆已成为其推广的关键，据不完全统计，我国开发玉米收获机的厂家60～80余个，其中自走机型6家、牵引机型2家、背负式单行机型15家、背负式多行机型20多家，机器摘穗部件分为摘穗板、卧式摘穗辊和立式摘穗辊。摘穗板和卧式摘穗辊机型其茎秆只能粉碎还田，立式摘穗辊能回收茎秆，茎秆经切碎装置切碎做青贮饲料，玉米收获机切碎部件是立式摘穗辊型玉米收获机的重要工作部件，对该部件研究分析透彻，生产出适销对路的穗、茎兼收的玉米收获机，以满足农业生产的急需。

　　收稿日期：2010-05-08

　　*吉林省科技发展计划项目(项目编号：吉科合字第20010225-1号)

　　肖戟 吉林省农业机械研究院 高级工程师，130022 长春市

　　牛云鹏 吉林省农业机械研究院 助理工程师，130022 长春市

　　于洪斌 吉林省农业机械研究院 研究员， 130022 长春市

　　通过对玉米收获机几种切碎工作部件进行分析试验研究，得出如下结果：

　　1、T型转子式甩刀

　　苏联生产的KKX-3型立式辊玉米联合收获机及我国生产的仿苏YS-3型玉米收获机使用这种粉碎刀【1】，如 图一 所示。

　　该刀配置在摘穗辊后方，其轴线与摘穗辊

　　垂直，在转子轴上铰接有带三角刀片的刀架，每收割行共六把刀，每排三把呈1800对称分布。切刀最大回转半径为430mm，刀轴转数为1400～1450rpm，即粉碎刀圆周速度为31～32m/s，对转子式甩刀型粉碎装置进行了试验，试验植株七千余株，这种切碎装置的动刀铰接在转子上，随转子高速旋转，因此对茎秆不会产生剪切切断，而是砍切，这就使茎秆遭到严重撕裂，切段不规则，茎秆水份损失较大，通过不同喂入量和不同速度的试验测得茎秆长度为150～200mm，无整齐切口，切段全部撕裂，水份损失较大。这种茎秆切段适合我国北方地区还田要求，而不适合做青贮饲料。转子式刀将粉碎的茎秆由罩壳的后下方排出，因此不能直接收集装运。这种粉碎部件，结构简单，传动方便，经试验在摘穗辊最大喂入量情况下，功率消耗为8KW左右，因此，不失为用于茎秆还田的较好部件。

　　2、盘刀式切碎装置

　　这种切碎装置由径向装在转盘上的平面刀组成[2]，

　　见 图二 。转盘直径较大，茎秆垂直于转盘平面进到定刀上，被动刀切碎，然后由抛送叶片通过抛送筒抛入到运输车里，这种装置由于喂入宽度不能大于转盘半径，所以不能适应宽幅收割，此种切碎机型结构简单，传动方便，工作可靠，但地区适应性差，不适于在小垄距地区作业，因此，不适于应用在适应垄距范围广的玉米收获机具上。

　　3、平面盘筒式切碎刀

　　9QS型青饲料收获机的切碎刀即为此种刀型，由于这种刀平面与轴线为倾斜配置，有良好的滑切作用，切段质量好，用于青饲收获机上，刀片有直接抛送作用，可将碎茎秆直接抛入饲料拖车。参照饲料切刀，设计了配置在立式摘穗辊上平板盘筒式切碎刀，见 图三。切刀轴线与摘穗辊垂直，刀盘回转直径D=420mm，刀筒宽度B=200mm，在圆周上均匀配置着6片平板式刀片，切刀平面与轴线倾角为β=5°，刀刃口为椭圆曲线。切刀长200mm，切刀经试验，切段质量较好。但切段不能抛出抛送筒，而回带到机壳内，更严重的是形成一股强大的回吹气流将碎茎秆喷向摘穗辊，直接影响摘穗辊下常工作。其原因是平板盘筒式切刀轴线与立式摘穗辊轴线垂直配置，则受摘辊的限制，茎秆的切割位置必须配置在摘辊后上方，为使切碎茎秆能抛送入饲料拖车，抛送口必须配置在摘辊后上方，因此，切刀必须顺时针方向旋转，同时必须满足茎秆在定刀处切断后的瞬间立即脱离刀刃抛向出口，否则产生茎秆回带。从平板盘筒刀的结构和抛送口的位置看，刀片倾角β<00，因此茎秆切段在刀片上的移动速度较慢，在抛送口还不能达到刀尖而脱离切刀抛送出去，粉碎质量也明显下降，切段不整齐，连带较多，并且功率消耗大。

　　4、滚筒式平板曲刃刀切碎装置

　　4YLQ-2B玉米收获机使用此切碎装置，滚筒刀配置在摘穗辊后方，其轴线与摘穗辊平行。在刀体圆周上均匀分布置着6片平板曲线刃刀片，如 图四 所示。 将这种切碎刀配置在试验台进行试验。切碎刀参数[3]为刀筒直径D=300mm, 刀筒长度L=452mm，刀片数n=6，刃口截平面倾角α=3.2520，刀刃曲线为一椭圆曲线。切刀螺旋角β=50，切刀安装在摘穗辊后方，定刀偏离摘穗辊中心配置。在室内与摘穗辊和夹持链同时进行的试验。通过摘穗辊、夹持链及茎秆输送速度的配合试验，利用正交试验的方法找到了最佳的配合速度，即摘辊转数1000rpm，夹持输送速度2.7m/s，作业速度6Km/h，在这种最佳工况下，进行了粉碎部件试验，共试验玉米20000株，试验数据用电子计算机处理得到下列结果。表一 所列数据是9月5日收获早期进行的，秆青绿，平均含水87%。表二 所列数据是9月27日进行的，此时茎叶已经发黄，茎秆表面已木质化，含水率为

　　切碎刀转数(rpm)

　　功率消耗均值(KW)

　　含水率及日期

　　1200

　　3.8

　　2004.9.05

　　茎秆含水

　　率87%

　　1400

　　4.9

　　1500

　　5.8

　　1600

　　6.1

　　1700

　　6.4

　　1800

　　6.6

　　表一：

　　从表一和表二比较可以看出，粉碎刀消耗的功率与刀的转数成正比，即功率消耗随转速的增大而增加。茎秆含水率高时功率消耗小，含水率低时功率消耗大。根据测定茎 段长秆切碎度，切刀转数为1200rpm时，切段长度为32mm，当n=1400rpm时，切段长度为27mm，因此，切刀转数n=1200rpm～1300rpm时，切段长度都能满足青贮的要求，其动力消耗仅为3.8～10KW。

　　表二：

　　切碎刀转数

　　功率消耗均值(KW)

　　含水率及日期

　　1100

　　6.9

　　2004.9.27

　　茎秆含水

　　率78%

　　1200

　　7.2

　　1300

　　8.6

　　1400

　　10

　　1600

　　12.1

　　由于切刀与摘辊轴线平行配置，因此，茎秆在摘穗辊上无论处于何种位置，切刀都能稳定地切断茎秆，而且对摘辊工作没有影响。此种切碎器转速不高，工作平稳，切碎质量好，功率消耗少，其缺点是切刀刀刃是椭圆曲线，不易于加工，只能上磨刀装置，通过切刀反转，磨出椭圆曲线。另外切刀架焊接不易保证精度要求，焊接时要求上刀盘与下刀盘之间旋转7°以保证切刀螺旋角为5°，因为此种刀及刀架不易于加工，而且焊接精度不易保证要求，因此没得到推广。

　　5、曲面直刃盘筒式切碎刀

　　设计参数选取：

　　切碎刀直径D=420mm

　　摘穗辊在最佳工作转数1000转下,茎秆线速度=3.77m/s切刀转数nj=1885rpm　切刀线速度V切=41.45m/s取刀宽90mm ，刀长200mm，刀厚6mm，弧半径R=144mm，刃口角α=400，刀片曲面分析，见 图五所示。β角为刀片上任意一点的切线与此点与回转中心连线的夹角，经分析茎秆切段距刀片距离越远，β角越大，则运动速度越快，利于茎秆的抛送。盘筒曲面切碎刀的安

　　装位置见 图六。这种刀片在切断茎秆后直接将茎秆抛出机外，能够满足粉碎直接抛送要求。抛送筒的安装角度、定刀的位置、动定刀的间隙对粉碎质量和抛送指标都有很大影响，调整合适的抛送角，使抛送距离最远，定刀位置应使茎秆能顺利抛到机外，动定刀间隙不宜过大，过大会降低粉碎质量，且功耗增加。按照正交试验方法[4]，对此切刀型式进行了大量的配合试验，试验采用两因素四水平正交表，两因素分别为喂入量和切刀转速，喂入量的四个水平分别为1.5m/s、1.7m/s、1.9m/s、2.2m/s。切刀转速四个水平分别为1800rpm、1900rpm、2000rpm、2100rpm，以粉碎刀的功率消耗，茎秆切断长度和抛送距离作为试验指标，进行多指标试验。每一个配合速度重复三次试验。试验数据经计算机处理求得各种状况下数据的均值和均方差。数据处理后列于下表。

　　表三：

　　输送速度(喂入量)

　　切刀转速

　　功耗KW

　　切段长度mm

　　抛送距离

　　M/s

　　rpm

　　均值

　　方差

　　均值

　　方差

　　m

　　1.5

　　1800

　　9.2

　　1.8

　　40.0

　　4.8

　　8.3

　　1.5

　　2100

　　13.1

　　1.7

　　28.3

　　5.0

　　9.2

　　1.7

　　1800

　　10.0

　　1.4

　　39.1

　　3.2

　　8.5

　　1.7

　　2100

　　11.7

　　2.4

　　27.1

　　4.2

　　9.2

　　1.9

　　1800

　　9.4

　　1.8

　　39.2

　　4.9

　　8.7

　　1.9

　　1900

　　10.6

　　0.9

　　31.5

　　5.3

　　8.9

　　1.9

　　2100

　　11.0

　　1.7

　　26.4

　　5.1

　　9.2

　　2.2

　　1800

　　10.0

　　2.4

　　39.0

　　5.3

　　8.1

　　2.2

　　2000

　　13.6

　　2.3

　　28.7

　　5.3

　　9.2

　　从表中可看出，取喂入量为1.9m/s、切刀转速2000rpm时，比较理想。功率消耗随切刀转速提高而增大。切段长度随转速增加而缩短。抛送距离和切刀转速成正比增加。因此曲面形直刃盘筒式切碎刀，具有结构简单，易于加工制造，粉碎质量好，便于刃磨等优点，还可同时完成茎秆抛送回收，省略茎秆输送装置，降低了机器的生产成本。此切刀生产能力满足机组作业速度在10km/h情况下收获作业要求。其缺点是功率消耗较大，其刀型切割原理是用动定刀剪切茎秆，没有滑切作用。因此此种刀型没得到推广。

　　6、滚筒式直刃切碎刀切碎装置

　　4YL-2C型是将茎秆回收作饲料的牵引式玉米收获机机型，此机型切碎装置切刀采用平面直刃滚筒式切碎刀切碎装置。 切碎装置主要由切碎架、切刀滚筒、动刀、定刀、导板组成;结构如图七所示：

　　切碎架由焊接加工而成，刀筒、动定刀和传动箱都固定其上，它直接装在摘穗箱后部。切刀为立式滚筒平板直刃切碎刀，共两组，旋转方向相反，每个滚筒上安装6组、共12片动刀，左右动刀不能互换。6组刀安装后，其刀尖应在φ300圆周上，其圆柱度为1～1.5mm,每组上两片动刀应调整一致。定刀断面为矩形，四个棱边都可作为工作面，磨损后可更换工作面。动刀与定刀间隙可调整，间隙保持在1mm为好，间隙小容易打刀，间隙大时切段质量不好，消耗功率增加。

　　设计参数的选取：

　　动刀片平面配置与切碎滚筒轴线夹角即β=3°，切碎刀滚筒直径φ300mm。

　　刀片刃应为椭圆曲线如 图八

　　椭圆长轴之半 a===2866.1

　　b=150

　　椭圆曲线方程为=1

　　由于切刀螺旋角β较小，滚筒直径φ300较小，刀片AB段取直刃与椭圆曲线最大间隙仅1mm，因此取椭圆弧AB中点F，用直线段AF、BF代替椭圆弧AB，取动刀片AF=BF=240mm，两个动刀片安装一起成一组刀片。每组动刀片长480 mm，取∠O2AC=72°计算出，上刀盘安装倾角=∠O4GM=68040′26″，上刀盘安装倾角=∠O6HN=54015′6″,上、下刀盘之间旋转7.15°以保证切刀与滚筒轴线夹角为3°取动刀片宽80 mm，刀片刃倾角α=25°切刀转数n=2000rpm。

　　切刀线速度：V==31.4m/s

　　4YL-2C型玉米收获机进行了多点大面积的生产考核试验，此种机器分别在梨树县十家堡，双辽市白音塔乡和兴隆乡进行了生产查定。

　　从生产试验查定表明：

　　< >机器作业速度快，平均作业速度为7.7KM/h.效率高，查定期间作业41.76h，收获玉米624亩，平均为15亩/h，最高时速达10KM/h，小时作业量为19亩/h。燃油消耗少，平均亩耗油0.94kg，最多为1.04kg,最少为0.714kg。 机具故障少，使用可靠。在整个生产试验期间，机器没有零、部件损坏，生产查定的41.76h内共发生轻微故障10次，总计时间为0.413h，使用有效度达95～96% 。 4YZL3型自走式玉米收获机应用此刀型作切碎部件[5]。此切碎装置直接安装在摘穗辊后侧，对辊式平板直刃刀轴线与摘辊轴线平行，茎秆经过摘穗辊后，被安装在对辊上的切刀切断后抛到风机中，再由风机抛送到饲料拖车内。此切碎装置是由辊1、辊2、及安装在辊上的平板直刃刀组成。见图九所示：

　　切刀参数选择：

　　辊1和辊2的中心距为100mm，两对辊是由一对齿数相同的啮合齿轮传动的，每个辊上均匀安装8片平板直刃切刀，由于是齿轮传动，两对辊旋向相反，切刀在切割茎秆时，两切刀间隙为0.6mm，取切刀宽22mm ，切刀厚5mm，切刀长470mm，切刀刃倾角23°，切刀转数1400rpm，切刀直径d=104mm，切刀线速度V=7.6m/s。用此种型式的切刀安装玉米收获机上作试验。试验采用两因素四水平正交表， 两因素分别为喂入量和切刀转数，喂入量的四个水平分别为1.5m/s、1.7m/s、1.9m/s、2.2m/s，刀转速的四个水平分别为1200rpm,1300rpm,1400rpm,1500rpm,以粉碎刀的功率消耗、茎秆切段长度作为试验目标进行的指标试验，每一个配合速度重复三次试验.将试验所得的数据用计算机处理,求得各种状况下数据的均值和均方差.数据处理后列于表:

　　表四

　　输送速度(喂入量)

　　切刀转速

　　功 率 消 耗

　　切段长度

　　M/s

　　rpm

　　均值

　　方差

　　均值

　　方差

　　1.5

　　1200

　　2.5

　　0.5

　　39

　　4.5

　　1.5

　　1300

　　2.6

　　0.7

　　34

　　5.1

　　1.5

　　1400

　　2.8

　　0.4

　　31.5

　　4.9

　　1.5

　　1500

　　3.9

　　0.7

　　28.1

　　5.3

　　1.7

　　1200

　　2.8

　　0.5

　　38.1

　　5.2

　　1.7

　　1300

　　2.9

　　0.4

　　32.1

　　4.8

　　1.7

　　1400

　　3.1

　　0.6

　　29.5

　　4.9

　　1.7

　　1500

　　4.1

　　0.7

　　27.3

　　3.1

　　1.9

　　1200

　　2.9

　　0.5

　　38.2

　　5.8

　　1.9

　　1300

　　3.1

　　0.6

　　31.1

　　3.6

　　1.9

　　1400

　　3.3

　　0.4

　　29.1

　　4.1

　　1.9

　　1500

　　4.3

　　0.7

　　26.7

　　4.9

　　2.2

　　1200

　　3.0

　　0.5

　　38.0

　　5.1

　　2.2

　　1300

　　3.3

　　0.6

　　31.3

　　6.1

　　2.2

　　1400

　　3.8

　　0.8

　　28.6

　　5.0

　　2.2

　　1500

　　4.9

　　0.6

　　25.8

　　5.2

　　从试验数据得出图十功率消耗曲线和图十一茎秆切段长度变化曲线。选取茎秆切段长度为20mm，因此从表中可以看出,取喂入量为1.9m/s，切刀转数1400rpm时比较理想。功率消耗随切刀转数提高而增大，切段长度随切刀转数增加而缩短。

　　通过试验表明对辊式平板直刃刀茎秆切段整齐,功率消耗较其它类型切刀都小得多。此种刀结构简单，便于加工制造，而且加工精度易于得到保证，由于对辊轴线与摘辊轴线平行，因此茎秆在摘辊任意位置都能稳定地切断茎秆而不影响摘辊工作，对辊平板刀工作稳定可靠，刀刃磨方便，因其对辊中心距仅100mm，其结构尺寸小，适合安装在多行自走式宽幅玉米收获机上。由于我国玉米种植不同地区垄距不同，大致有550mm、600mm、650mm、700mm垄距，卧辊式玉米收获机由于不易回收茎秆，茎秆只好粉碎还田，只需在机器后部配置一个宽幅茎秆还田粉碎部件即可实现茎秆粉碎还田。而立辊式玉米收获机茎秆回收机型，需要每一对立式摘穗辊对准一行玉米地进行玉米收获，需要在摘穗辊后面配置茎秆回收切碎部件，只有对辊式平板直刃刀的切碎部件因其结构尺寸小，能配置在收获3行以及3行以上玉米的宽幅玉米收获机上，其它型式的切碎部件则因结构尺寸大而不能配置在多行立式辊玉米收获机上。

　　8、结论

　　(1)T型转子式甩刀，结构简单，制造方便，但茎秆切段不能满足作青贮饲料要求。

　　(2)盘刀式切碎装置结构简单，工作可靠，但地区适应性差，不适于在小垄距地区作业。

　　(3)平面盘筒式切碎刀虽然茎秆切段质量较好，但切刀影响摘穗辊的正常工作。

　　(4)滚筒式平板曲线刃切碎装置，工作平稳，切碎质量好，功率消耗小，但切刀及切刀座不易加工，加工精度难以保证。

　　(5)曲面直刃盘筒式切碎刀可省略茎秆输送装置，其缺点是功率消耗大。

　　(6)平板滚筒式直刃刀切碎装置，其切碎质量好，功率消耗小，工作平稳，直刃加工方便，是比较理想的配立式摘穗辊的切碎装置。

　　(7)对辊式平板直刃刀切碎装置，切碎质量好，功率消耗最小，结构简单，易于加工，工作稳定，刀刃磨方便，结构尺寸小，适于配置在宽幅立式辊多行玉米收获机上，是立辊式玉米收获机所配置的最理想刀型，它为能茎秆回收作饲料的立辊式玉米收获机的推广提供了有利条件。

　　参考文献:

　　1、国外的谷物和玉米收获机(俄)[R].1984:10

　　2、技术作物收获机械[M].长春：吉林工业大学农机教研室内部书籍，1981：59

　　3、镇江农业机械学院主编[M].农业机械学下册[M].北京:中国农业机械出版社,1980:241-243

　　4、农机试验设计[M].吉林工业大学农机教研室

　　5、收获机械论文集[J].中国农机学会收获加工机械专业委员会.