全 文 ：2 0 0 7年 6月 农 业 机 械 学 报 第 38卷 第 6期
4ZG- 2. 1芦竹收获机的研制*
廖庆喜　田波平　舒彩霞　郑存虎　张国忠　廖宜涛
　　【摘要】　针对芦竹收割条件复杂、人工收割效率低、劳动强度大的生产实际 ,研制了适应芦竹机械化收割的
4ZG- 2. 1型芦竹收获机 ,重点解决了芦竹的收割、输送、分禾和收获机与拖拉机挂接等问题 ,经田间试验和生产考
核表明 ,研制的芦竹收获机具有液压操作便利、锯齿型切割器工作可靠、切割芦竹铺放有序 ,且能实现自走式宽幅
作业等显著特点。
关键词: 芦竹收获机　技术参数　工作原理
中图分类号: S225. 5+ 9 文献标识码 : A
Research on Type 4ZG- 2. 1 Arundo Donaxl Harvester
Liao Qingxi
1　 Tian Boping1　 Shu Caixia1　 Zheng Cunhu2　 Zhang Guozhong1　 Liao Yi tao1
( 1. Huazhong Agricultural University　 2. Shengli Oil Field J inrun Agriculture Developing Co. , Ltd )
Abstract
Based on complicated harv esting condi tions, low ef ficiency of manual w o rk and heavy
labo ring intensi ty in Arundo donax l production, type 4ZG - 2. 1 Arundo donaxl harv ester has
been investiga ted, some key tech nolog ies such as ha rv esting and transpo rta tion and disjoining
crops o f Arundo donaxl and hitching dev ice w ith t racto r have been solv ed. The results showed
the Arundo donaxl harv ester has remarkable characteristics of convenient hydraulic pressure
system , reliable saw-tooth type cut ter and stalks o rdinal spreading, self-propelled style w ith
w ide-coverage w orking. It has impo rtant practical v alue in lightening laboring intensity,
improving ef ficiency and ensuring to increa se production rate and economic benefit s of planting
fields by mechanization harv esting for the Arundo donax l.
Key words　 Arundo donax l harv ester, Technolog y parameters, Wo rking principle
收稿日期: 2006- 07- 19
* 教育部科学技术研究重点项目 (项目编号: 107131)和胜利油田金润农业发展有限责任公司资助项目 (项目编号: 720107037027)
廖庆喜　华中农业大学工程技术学院　副教授　博士 , 430070　武汉市
田波平　华中农业大学工程技术学院　高级工程师
舒彩霞　华中农业大学工程技术学院　副教授
郑存虎　胜利油田金润农业发展有限责任公司　高级工程师 , 257000　山东省东营市
张国忠　华中农业大学工程技术学院　副教授
廖宜涛　华中农业大学工程技术学院　硕士生
　　引言
我国水稻、小麦和牧草等矮细秆作物的切割技
术研究已趋于成熟 ,对高粗茎秆 ,如甘蔗切割技术也
进行了广泛研究 [ 1] ,但对于高、粗、硬的芦竹切割技
术研究相对滞后。芦竹又称旱地芦苇 ,多年生草本植
物 ,是一种优质造纸原料 [2 ] ,多产于我国华东、西南
等地区 ,我国有效种植面积超过 100万 hm2。由于处
于收割期的芦竹具有茎秆粗、高且硬等显著特征 ,芦
竹收割成为制约芦竹种植场农民增收的瓶颈 ,目前
芦竹仍采用传统手工方式收割 ,劳动环境艰苦 ,收割
效率低且成本高。近年来 ,收割成本增加 ,往往造成
芦竹无法及时收获或因人工收割成本高而不收 [3 ]。
文献资料表明 ,我国芦竹收获机的研究基本处于空
白 ,但对芦苇收获机曾有研究 , 20世纪 50年代 ,辽宁
省在引进前苏联大麻收获机、罗马尼亚芦苇收获机
的基础上研制了配套动力为 40 kW、 8. 8 kW及
5 kW等大、中、小型芦苇收获机 ,但因难以适应芦
苇种植地的恶劣环境及有效的完成切割等问题 ,均
未被生产认可 ; 20世纪 60～ 80年代 ,湖北省石首市
农机研究所、湖南省岳阳市农机研究所等单位选用
东方红 - 75配套动力对芦苇收获机也进行了深入
研究 ,但由于多种因素的制约 ,均没有获得成功。目
前我国采用的芦苇收获机 ,大多由其他作物收获机
改制 ,其收割方式仍以往复剪切式切割为主 ; 20世
纪 90年代中期 ,华中农业大学对南方高秆芦苇收割
进行了研究 ,研制了 4WG- 1. 5型南方高秆芦苇收
获机 [4 ]。
1　设计目标与主要技术参数
1. 1　设计目标
经测定 ,芦竹的主要特性参数如表 1所示 ,芦竹
在几何参数和物理机械特性参数等方面均高于现有
小麦、玉米等秸秆 ,如玉米秸秆的顺纹抗拉强度为 90
MPa
[5 ]
,麦秸拉伸强度为 21. 2～ 31. 2 M Pa[6 ] ,而芦
竹则高达 123 M Pa;理论分析和试验研究表明 ,芦竹
是典型各向异性、非均质、非线性材料 ,现有农作物
切割器用于芦竹切割易导致刀片很快磨损 ,寿命短 ;
芦竹属自然生产作物 ,收割时作业环境复杂 ,地表不
平 ,田间有石块、树枝、野藤等杂物 ,易造成刀片崩刃
而损坏 ;同时要求芦竹收获机实现宽幅作业 ,并尽可
能降低切割功耗。 由此 ,确定芦竹收获机设计目标
为:①能适应高、粗、硬的芦竹机械化收割 ,芦竹收获
机纯小时生产效率不低于 0. 75 hm2 /h。②实现作物
茎秆切割和转向后的有序铺放 ,工作可靠。 ③能
表 1　收割期芦竹特性表
Tab. 1　 Characterist ic parameters of Arundo donaxl
in harvesting period
项目　　 数值
平均高度 /m m 3 000～ 6 000
直径 /mm 20～ 30
单位面积生长密度 /株· m- 2 30～ 60
茎秆密度 /k g· m- 3 0. 55
单位面积产量 /kg· hm- 2 45 000～ 75 000
纤维长度 /m m 1. 28
纤维宽度 /μm 14. 6
顺纹拉伸最大抗拉强度平均值 /M Pa 123
顺纹压缩最大抗压强度平均值 /M Pa 52
顺纹弯曲最大抗弯强度平均值 /M Pa 125
　　注:实测地点为山东东营市胜利油田金润农业发展有限责任公
司芦竹种植基地
适应芦竹自然生长的地表特征、生长特征和环境特
征 ,漏割率低 ,割茬小于 100 mm。④收获机为自走式
宽幅作业 ,割幅大于 2 000 mm。
1. 2　主要技术参数
4ZG - 2. 1型芦竹收获机主要技术参数如表 2
所示。
表 2　 4ZG- 2. 1型芦竹收获机主要技术参数
Tab. 2　 Key technology parameters of type 4ZG- 2. 1
Arundo donaxl harvester
　　项目 数值
额定功率 /kW 48
外形尺寸 /mm 1 800× 2 500× 3 500
生产率 /hm2· h- 1 0. 75～ 1. 0
行走速度 /km· h- 1 3. 36～ 1. 25
最大离地间隙 /mm 250
割茬高度 /mm 70～ 95
整机质量 /kg 1 200
有效割幅 /mm 2 100
最小转弯半径 /mm 4 000～ 4 500
切割器型式 锯齿回转链式切割器
2　结构及工作原理
图 1　芦竹收获机结构示意图
Fig . 1　 Sketch o f the 4ZG- 2. 1 type Arundo
donaxi harv ester
1.波动分禾机构　 2.主动分禾机构　 3.割台　 4.悬挂机构　 5.谷
神牌谷物联合收获机地轮　 6.液压升降系统　 7.主机架组合　
8.横向输送机构　 9.传动系统
　
2. 1　基本结构
芦竹收获机主要由割台、分禾机构、横向输送机
构、悬挂机构、主机架和传动系统等组成 ,如图 1芦
竹收获机结构示意图。
2. 2　工作原理
当机组前进时 ,分禾机构伸入植株 ,依靠主动分
禾装置将植株缠绕的野藤等切断分离 ,并通过被动
分禾装置将植株分为待割区和切割区。 机组前进时
87　第 6期 廖庆喜 等: 4ZG- 2. 1芦竹收获机的研制
将植株喂入锯齿回转链式切割器 ,锯齿形切割器钳
住芦竹茎秆并实施切割 ,割茬的高度由谷神牌联合
收获机液压系统控制 ,切断的芦竹依靠横向输送拨
齿将其输送到收获机的左侧 ,借助呈渐开线的特殊
弧形输送栏杆将切割芦竹连续铺放田间 ,完成芦竹
的切割和有序铺放。
3　结构方案的确定
3. 1　动力与挂接方式
动力和挂接方式的选择是芦竹收获机能否适应
作业环境、操作方便、满足收割与铺放的首要问题。
研制过程中 ,采用东方红- 75型拖拉机作配套动力
的前悬挂式收获机 ,由于受收获机质量和结构的制
约 ,致使挂接困难 ,动力传送路程长 ,操作与运输不
便 ;采用铁牛- 55型拖拉机作配套动力的后悬挂式
收获机 ,拖拉机悬挂负荷大 ,且操作不便 ;采用纽荷
兰大马力拖拉机作配套动力的前悬挂式收获机 ,拖
拉机改装的难度大 ,功率浪费多 ;且上述各种形式的
配套动力均使拖拉机的利用率低 ,增加投资成本。为
此 ,依据上述分析 ,为提高机具自身的利用率 ,结合
设计目标 ,本方案采用福田谷神牌 4LG- 2. 0型自
走式轴流谷物联合收获机作为配套动力 ,不破坏原
有收获机结构 ,在驱动轮主轴上增设型号为 63、额定
压力为 16 M Pa、行程为 495的两个液压油缸 ,与收获
机悬挂系统相配套 ,有利于不改变传动路线 ,液压升
降操作便利 ,负荷分布合理 ,重心协调 ,地表适应性
强 ,驾驶员视野好 ,有效地解决了收获机的动力配套
和挂接以及自走式的问题。 芦竹收获机动力与挂接
方式 ,如图 2所示。
图 2　芦竹收获机动力与挂接方式实物图
Fig. 2　 Sketch o f hang ing up the t racto r
　
3. 2　割台
实现作物的机械化收割 ,切割器的研究是收获
机核心 ,其工作性能应满足割茬整齐、无漏割、功率
消耗小、振动小和适应性强等特点。在广泛调研和试
验基础上 ,芦竹收获机割台确定为锯齿回转链式结
构 ,该装置主要由主动输送链轮组合、从动输送链轮
组合、双节距链条、动刀片和护刃器等组成 ,图 3为
割台结构示意图。
图 3　割台结构示意图
Fig. 3　 Sketch of the cutting mechanism
1.从动链轮组合　 2.动刀片　 3.双节距链条　 4.过渡链轮组合
5.护刃器　 6.主动链轮组合
　
该装置依靠链条带动动刀片的回转实现有支撑
与无支撑的切割 ,动刀片是切割器的核心部件 ,根据
配套动力、芦竹茎秆高的几何特征和实际生产作业
要求 ,割台设计为 2 100 mm。针对芦竹高、粗、硬的
特征 ,采用从德国Wikus公司进口的带锯刀片 ,双金
属斜齿锯片 ,根据设计的割幅 ,锯齿回转链式割台刀
片为 40片 ,相邻刀片间距为 7 mm ,刀片长、宽、厚为
127 mm× 54 mm× 2. 6 mm ,与水平方向偏斜 7°安
装 ,有利于钳住秸秆 ;锯齿用 8%钴和 10%钼的合金
高速钢制成 ,材料为 M42,其刀片的 HRC达65以上 ,
强度与刚度可行 ,且切割方式为锯切 ,能降低功耗 ;
锯片每英寸长度内由 3和 4齿交替排列 ,变化的齿距
利于排出锯屑 ,提高切割质量和切割效率。
3. 3　横向输送机构
合适的输送机构和输送速度是保证及时将被切
割茎秆与割台分离并有序铺放的技术关键。 输送机
构由减轻质量的双节距 (节距为 63. 5 mm )输送链、
输送拨杆、输送拨指、输送栏杆和动力传递链轮等组
成。 根据收获机作业时 ,切割茎秆能有效地输送铺
放 ,在单位时间内机器收割量应小于等于输送拨指
所输送的被切割茎秆量的依据 ,经分析计算得出输
送速度为 2. 6 m /s。经测定我国芦竹的重心一般在 2
200 mm ,如表 3所示芦竹重心分布表 ,测试时按试
验设计方法进行 ,结合割茬的考虑 ,直径测定取离地
面 100 mm处 ,高度测定取芦竹最高点离地面的距
离 ,因此横向输送机构的拨指最高点选择在略高于
芦竹茎秆重心上方 ,取 2 400 mm;输送拨杆的间距
根据田间芦竹的生长密度、机组前进速度和输送速
度综合考虑 ,取 254 mm;同时 ,结构上设计横向输送
机构与割台切割系统不同轴 ,有利于速度的匹配 ;为
保证切割芦竹有序铺放 ,设计渐开线式的特制弧形
输送栏杆 ,以保证铺放质量。
3. 4　分禾机构
分禾机构的合理设计是保证收获机连续切割、
输送、铺放的必要条件。本收获机的分禾机构分为主
88 农　业　机　械　学　报 2 0 0 7年　
表 3　收割期芦竹重心分布表
Tab. 3　 Center distr ibutions of the Arundo donaxl in
harvesting period mm
序号 高度 直径 重心高 序号 高度 直径 重心高
1 6 230 28 2 262 26 4 189 24 2 017
2 5 946 27 2 053 27 6 352 29 2 324
3 5 862 28 2 171 28 8 100 32 2 552
4 5 553 24 1 945 29 4 827 26 2 057
5 7 862 29 2 405 30 5 624 28 2 126
6 6 542 28 2 342 31 5 485 26 2 091
7 7 023 30 2 271 32 7 218 32 2 515
8 4 571 23 1 946 33 6 525 28 2 324
9 6 021 27 2 253 34 3 216 23 1 794
10 5 358 26 2 072 35 4 484 22 1 728
11 6 158 27 2 301 36 6 188 29 2 374
12 6 007 27 2 315 37 6 359 29 2 328
13 7 562 31 2 424 38 7 321 31 2 382
14 5 823 26 2 024 39 4 982 28 2 041
15 3 865 23 1 946 40 6 664 30 2 282
16 4 128 23 1 965 41 5 630 27 2 220
17 6 521 28 2 344 42 6 944 28 2 258
18 7 006 30 2 482 43 5 786 27 2 038
19 4 327 25 1 944 44 6 551 28 2 415
20 6 524 29 2 451 45 6 572 28 2 306
21 6 085 27 2 163 46 6 042 26 2 137
22 6 217 28 2 234 47 7 721 30 2 479
23 5 562 26 2 115 48 4 078 25 2 057
24 5 612 26 2 154 49 6 521 28 2 363
25 4 658 24 2 048 50 5 958 26 2 199
　　注: 平均高度: 5 927. 2 m;平均直径: 27. 2 m;平均重心高:
2 200. 74 m。
动分禾和被动分禾两部分 ,主动分禾机构由输送链、
锯齿形动刀片、锯齿形定刀片、导轨和传动系统等组
成 ,而被动分禾主要为锲形的刚架结构组合 ,因芦竹
植株高 ,设计其分禾机构高于机架 1 050 mm。当机
组前进时 ,首先由被动分禾头伸入到植株中 ,依靠锲
形的被动分禾杆自下而上逐步将植株分离为切割区
和待割区 , 植株上部若有野藤等缠绕 ,则借助主动
分禾机构的锯齿形动刀将其钳住 ,并依靠回转式输
送链带动锯齿形动刀片自下而上移动 ,在机组前进
过程中 ,动刀片切断野藤等缠绕物 ,并在主动分禾机
构的顶部依靠动定刀的配合实现清刀 ,以此实现有
效地分离切割区和待割区并保证切割的连续。实践
证明 ,该分禾机构运转平稳、工作可靠。
4　结论
( 1)该芦竹收获机可实现宽幅作业 ,芦竹收获机
纯小时生产效率达 0. 75～ 1. 0 hm2 /h。
( 2)芦竹收获机切割器具有耐磨损、功耗低、适
应性强 ,利于提高切割质量和切割效率等显著特点。
( 3)采用链式驱动输送拨杆 ,并结合输送栏杆的
特定弧形 ,可有效提高输送效果 ,实现芦竹的有序转
向铺放。
( 4)采用主动分禾与被动分禾机构相结合 ,有效
实现切割区和待割区的分离 ,满足芦竹收获机对田
间野藤和杂草的适应性。
( 5)采用自走式作业 ,提高了芦竹收获机作业的
可操作性和适应性。
参 考 文 献
1　高建民 ,区颖刚 .甘蔗螺旋扶起机构的理论研究及虚拟样机仿真 [ J].农业工程学报 , 2004, 20( 3): 1～ 5.
2　张自敏 ,李群 ,谭国民 ,等 .芦竹造纸的发展 [ J]. 天津造纸 , 2004( 3): 18～ 20.
3　廖庆喜 ,舒彩霞 ,田波平 . 芦苇 /芦竹机械化收获及加工作业基地化集成研究 [ J]. 农机化研究 , 2005( 5): 66～ 67.
4　舒彩霞 ,廖庆喜 ,田波平 ,等 . 4WG- 1. 5型高秆芦苇收割机的研制 [ J]. 农业机械学报 , 2002, 33( 5): 129～ 130.
5　杨中平 ,杨林青 ,郭康权 ,等 . 玉米秸外皮碎料板制板工艺的初步研究 [ J]. 西北林学院学报 , 1995, 10( 3): 67～ 72.
6　 O′Dogher th M J, Huber J A, Dyson J, et al. A study of the physical and mechanical proper ties of w heat st raw [ J].
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89　第 6期 廖庆喜 等: 4ZG- 2. 1芦竹收获机的研制