黄允魁，徐名汉，陈月锋，狄明利，高 威，杨军太，李 杨

（中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083）

0 引言

柠条、沙棘、沙柳和紫穗槐等灌木植物，由于粗蛋白含量高（16%～30%）是动物的优质非粮饲料；也因为他们的热值高（16.75 kJ 左右），又是很好的生物质燃料[1]。灌木作为“三北”防护林植物，主要集中分布在甘肃省、宁夏回族自治区、内蒙古自治区等西北地区的沙坡地上，起到防风固沙的作用。而作为人工种植的杂交构树、紫穗槐等种植灌木，其植株一般比较矮小，不会超过6 m，在地面根部就开始横生枝干，是多年生植物，主要分布在东北、中原、南方地区[2-3]。近几年，国家对构树产业支持力度不断加大，其产业发展迅速，2018 年4 月，农业农村部将构树纳入《饲料原料目录》，杂交构树的种植面积迅速扩大，仅仅几年全国杂交构树的种植面积就超过了1.33 万hm2，还在逐年增加[4]。

利用柠条、杂交构树、蛋白桑等生产饲料，不但能降低饲料的成本，还能提升动物的肉质及产奶质量，因此构树、柠条、蛋白桑等深加工产业的企业如雨后春笋般成立发展[5]。为了实现碳达峰和碳中和，我国严格控制煤炭等石化原料的使用，建成了许多生物质电厂，同时也改造了许多民用和办公用生物质锅炉，为灌木生物质原料的大量使用找到了广泛用途[6-7]。研制开发合适的灌木收获机械是当务之急，是解决灌木规模化综合利用的有效途径，尤其是开发既适合西北地区沙坡地又适合南方雨季的履带灌木收获机械市场潜力巨大，会为国家带来重大的经济和社会效益[8-11]。目前市场上的灌木收获机存在两个问题：一是适应范围不能覆盖北方较陡的沙坡、丘陵和南方泥泞的边际地块；二是整机作业效率没有达到优化发挥。本研究是在现有轮式灌木收获机基础上，通过8 t 履带底盘的研发，解决灌木收获机适应性问题；通过整机总体布置和模块化部件设计、关键部件试验，以优化参数和整机结构，解决作业效率发挥的问题，实现在轮式灌木收获机或其他机型上移植使用。

1 总体结构及技术参数设计

1.1 总体结构设计

9L-200 型灌木收获机采用液压马达驱动的履带底盘，锯片灌木割台、输送机构、切碎装置、抛送筒、缓冲箱和集料箱在主机纵向，恰好位于主机纵轴线对称位置；发动机横向配置于收获机的中后部，所有工作部件的传动轴全部垂直于主机的纵轴线，与发动机的动力输出轴线平行，简化了主传动设计，发动机位于中后部也可减小驾驶室噪声。割台、喂入机构与切碎装置采用独立单元结构，相互连接采用快速挂接机构，并全部配置于主机前方，整体可绕多辊输送中间传动轴转动。

柠条、杂交构树、蛋白桑等灌木在夏秋季含水率较高时，作为饲料进行多茬收获，而在冬春季含水率较低时，作为燃料进行平茬收获，因此要求该机一年四季都能收获。收获作业时，随着机器的行走，高速旋转的锯盘首先将灌木锯断并推送至割台的拨送搅龙，搅龙再将灌木枝杆推送到输送装置的入口，随后灌木枝杆在输送装置的多辊强制抓取和输送作用下推送到切碎装置，切碎滚筒再将灌木枝杆切碎并抛送至集料箱，形成履带集箱式灌木联合收获机。总体结构设计如图1 所示。

图1 9L-200 型灌木收获机结构Fig.1 Structure of 9L-200 shrub harvester

1.2 传动设计

发动机动力通过联组带分为两路，一路分往行走，即行走液压泵，另一路分往作业部件的中间轴，中间轴再分别传往切碎装置，切碎装置通过反转齿箱和中间轴再分别传往多辊输送装置和割台装置。

1.3 参数确定

（2）整机高度。我国幅员辽阔，灌木生长除了内地人工种植的平原土地之外，大部分集中在西北部的内蒙古自治区、新疆维吾尔自治区沙漠坡地等边际土地上。灌木收获机体积大，行走速度慢，远距离转移大多依靠汽车运输，我国桥涵限高尺寸大多为4.5 m，而运输车辆的底板距离地面高度大多为1.2 m，因此柠条、沙柳等收获机的高度应控制在3.3 m 以下。

（3）整机长度。考虑到灌木收获机行走转向及转弯半径等因素，最终确定履带饲料收获机的整机长度为7.94 m。

（4）履带间距和宽度。由于灌木既有人工种植，也有沙漠坡地生长，行距种类较多，没有固定的行距，考虑机具履带在宽行中行走，同时考虑履带外宽不超过割台，选择履带间距1 750 mm，履带宽度450 mm。

2 关键部件设计

2.1 履带底盘

考虑到在沙漠坡地等边际土地上收获灌木，采用履带底盘，结构如图2 所示。驱动采用“定量液压泵+比例阀+变量行走马达”的方案。根据总体布置，整机质量约8 t、工作速度0～6 km/h、转场速度0～9 km/h要求，首先选择农机常用HST+变速箱方案，但当前最大的80 型只适用5.5 t 整机，不能满足要求；再选择工程常用定量泵+比例阀+双变量马达方案，但行走最高速度只有4 km/h，不符合要求；最终选择青岛力克川液压机械有限公司LTM07N 型液压行走马达，经调整速比并计算，最高速度9.8 km/h、最低速度6.3 km/h，满足需要。

图2 履带结构Fig.2 Structure of track

履带规格与型号确定：履带的接地长度L=2.44 m，履带宽度b=0.45 m，履带高度h=0.63 m，计算平均接地比压p。

2.2 灌木割台

由于柠条、沙柳、蛋白桑等灌木生长在沙质非农田区域，没有行的概念，生长密度也稀疏不均，而且属于木质结构，质地坚硬，传统的往复式割刀和旋转式割刀都不能达到平茬无损切割的要求[12]。

采用锯切原理，设计成双圆锯盘向内旋转对灌木实施无支撑切割，锯盘的锯尖线速度达到50 m/s，切割后的灌木在压枝辊和左右切割器上翼板的共同作用下，枝杆前倾并逐步倒下，根部首先被送入拨送搅龙，在拨送板的作用下，强制性地被送入多辊输送装置入口，完成灌木的锯切、倾倒、拨送过程。在机器前行过程中，会有少量的枝杆不是按顺序进入到拨送口区域，可能会直接到达搅龙的左右端位置，拨送搅龙的两侧设计有推送叶片，可将进入到两侧的枝杆强行推送至拨送板区域，在拨送板的作用下被推送至多辊输送装置的入口。灌木切割拨送装置结构如图3 所示。

图3 灌木切割拨送装置结构Fig.3 Structure of shrub cutting and feeding device

动力经由多辊输送装置的动力轴传入，经胶带轮传送至割台的动力装置，动力输出端设计有两个链轮，分别驱动拨送搅龙和左右切割器。由于动力装置与切割器距离较远，所以设计有中间传动装置，将动力平均分配给左右齿轮箱，从而满足切割器所需要的转速和动力。压枝辊的作用是当枝杆被锯切后，使之倾倒从而实现枝杆水平方向的拨送；左右切割器旋转方向相反，使锯切后的枝杆从中间区域进入拨送搅龙；根据不同的灌木密度和杆径的大小，拨送搅龙设计成拨送通过面积可调，通过左右轴承座上的调整螺栓来实现；枝杆多时调大，稀疏时减小。

2.3 切碎滚筒装置

针对饲料和燃料对灌木切段长度的不同要求，研究开发了组合式切碎滚筒装置，并配置了反转齿轮箱。在组合式切碎滚筒里，刀架与滚筒支架采用螺栓固定，动刀与刀架也采用螺栓固定，动刀分左右两列，交错对称布置，每列8 片动刀，动刀片向内倾斜布置，实现滑切，减少切削阻力，其结构如图4 所示。刀片采用5Cr8Mo2WSiV 合金钢。

1.3.2 观察指标 SAP10-2模式偏差图分为上半侧、下半侧和六个区域，每个区域均计算平均缺损（aMD上半侧，aMD下半侧，aMD鼻上，aMD上方，aMD颞上，aMD鼻下，aMD下方，aMD颞下）。因模式偏差图的每位点数值单位dB为相对亮度单位，非线性，因此计算某区域视野平均缺损时需将模式偏差图的每位点数值（单位为dB）转换为反对数单位（1／L）后再求算术平均数。转换单位的公式为平均缺损（MD）1／L＝10（0.1×MDdB）。MD1／L数值越小表示视野缺损越严重。统计模式偏差图的68个位点中超过90%的SAP10-2异常受试者存在视野损害的位点编号与空间分布特点。

图4 组合式切碎滚筒装置Fig.4 Combined shredding drum device

2.3.1 灌木切碎长度确定

根据多辊输送装置第3 喂入辊外圆直径0.21 m、转速356 r/min，则线速度约为3.92 m/s；设计切碎滚筒直径0.6 m、转速24.167 r/s，则线速度约为45.55 m/s；切碎滚筒圆周上均布8 片动刀，则动刀切灌木的次数约为193.33 次/s；相应切段长度为20 mm，这就是灌木作为饲料的理论切段长度。若用作燃料，为了降低能耗，可隔一组刀架拆卸一组刀架，相应也拆除了动刀，使每列动刀片数量由8 片减为4 片，此时理论切段长度为40 mm。

2.3.2 灌木抛送速度确定

由于切碎滚筒的线速度为45.55 m/s，则灌木切碎后抛离切碎滚筒的线速度也为45.55 m/s，经过田间试验，这个速度能够抛送切碎物料到缓冲箱，满足气流输送的功能。

2.4 反转齿箱装置

为了快速排除多辊输送装置和切碎滚筒装置堵塞故障，在切碎滚筒与多辊输送装置的传动之间设置了反转齿箱装置。该装置由输入链轮、输出链轮、输入齿轮、中间齿轮和组合齿轮等部分组成，其结构如图5 所示。

图5 反转齿箱装置Fig.5 Reverse gear box device

与输出链轮在同一轴上的组合齿轮有空挡、正转和反转3 个挡位。当组合齿轮与中间齿轮啮合时，多辊输送装置正转，进行正常喂入切碎作业；当发生堵塞时，组合链轮调在空挡，切断多辊输送装置的传动，切碎滚筒独自转动，排除切碎滚筒中的物料；之后调整组合齿轮与输入链轮（21 齿）啮合，多辊输送装置反转，由于反转速比近似为正转速比的1.5 倍，从而反转扭矩也是正转扭矩的1.5 倍，所以反转便可以吐出多辊输送装置中堵塞的物料，达到堵塞快速排除的效果。

3 样机试验及推广前景

3.1 样机试验情况

9L-200 型灌木收获机样机在河北省康保县郝家营村进行了性能试验，对试验中发现的问题进行了改进和试验。通过康宝县的田间收获试验，样机流程通畅，通过自动控制，能够实现柠条切割、输送、切碎、抛送、链爬输送和铺放等作业流程，具有切段长度有级可调、故障报警等特点，样机田间试验如图6 所示。

图6 样机田间试验Fig.6 Prototype field test

3.2 样机检测结果

研制的9L-200 型灌木收获机经国家农机具质量检验检测中心现场检测，各项检测数据都达到考核指标，如表1 所示。

表1 9 L-200 型灌木收获机现场检测指标Tab.1 Field inspection indicators of 9 L-200 shrub harvester

3.3 推广前景

样机通过试验和改进后，可为我国沙地、沙坡、丘陵地和泥泞地灌木收获作业提供合适的关键技术和机械装备，解决轮式收获机不能进行灌木收获作业的最后一公里问题，即增加了适用范围。

4 结束语

9L-200 型灌木收获机是在复杂地形环境下实现了灌木平茬收割、强制喂入、切碎和抛送功能于一身的联合收获机械，拓展了饲料作物范围，促进了我国灌木机械的发展。其不但能够在较平坦地块进行灌木收获作业，也能够在沙地、沙坡、丘陵等边际复杂地块进行灌木收获作业，适应范围更广、效率更高，可提高机器的创收能力，缩短用户投资回收期，具有良好的社会效益和生态效益。该机型技术先进、经济适用，能够满足我国灌木产区各种地块的使用要求，可减轻劳动强度、降低生产成本、提高林业效益和增加农民收入。