楊 洋，孫步功，張 鵬，張克平，田佳壯，張 濤

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

傳統(tǒng)油菜收獲分為機(jī)械收獲和人工收獲兩種方式。收獲機(jī)械包括分段式收獲機(jī)械與聯(lián)合式收獲機(jī)械[1-3]。目前，國內(nèi)機(jī)械收獲方式處于一種由分段式收獲機(jī)械到聯(lián)合式收獲機(jī)械的過渡階段。與分段式收獲機(jī)械相比較，聯(lián)合式收獲機(jī)械損失率更低，作業(yè)速度更快，而且作業(yè)更加靈活，特別適用于西北地區(qū)在陰雨時節(jié)及氣候多變的情況下進(jìn)行搶時、搶節(jié)、搶收，因此聯(lián)合收獲機(jī)也成為農(nóng)機(jī)市場的需求主體[4-5]。

現(xiàn)有的油菜聯(lián)合收獲機(jī)，普遍存在損失率大、含雜率高的問題?？倱p失率均達(dá)到10%～20%，而割臺損失率占到了總損失率的70%以上。針對上述問題，黃小毛等[6]對割臺增設(shè)了一種橫氣流氣壓收集裝置，籽粒收集率為70.34%。冀牧野等[7]設(shè)計了一種梳脫式割臺，其中梳凈率最高為88.3%。萬星宇等[8]針對油菜清選系統(tǒng)，提出了一種旋風(fēng)分離系統(tǒng)，清選損失率與含雜率分別為6.54%與9.79%。宗望遠(yuǎn)等[9]研究設(shè)計了一種軸流式的脫粒裝置，只有在喂入量低于2.5 kg·s-1時，才能達(dá)到夾帶損失率為1.81%的最佳效果。試驗表明，現(xiàn)有的油菜聯(lián)合收獲機(jī)仍存在損失率大、含雜率高的問題。西北地區(qū)的主栽油料作物是油菜，其種植面積大，但是收獲機(jī)械化率低。因為西北地區(qū)油菜種植以條播、撒播等密植模式為主，成熟后的油菜分蘗之間互相纏繞，傳統(tǒng)分禾器無法分禾，機(jī)器難以通過完成作業(yè)[10-12]。種植地區(qū)山脈盆地相間分布，油菜成熟期不同，作物高度參差不齊，同樣不利于機(jī)械收獲[13-14]。而且復(fù)雜的坡地作業(yè)環(huán)境，為機(jī)械收獲帶來了困難。

為此，本課題針對西北地區(qū)獨(dú)特的種植模式和作業(yè)環(huán)境，在現(xiàn)有油菜聯(lián)合收獲機(jī)的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種4LZY-7型全喂入油菜聯(lián)合收獲機(jī)，該機(jī)可望解決分禾難、作業(yè)效率低、損失率高等問題，以降低作業(yè)成本，提高收獲效率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

4LZY-7型全喂入油菜聯(lián)合收獲機(jī)主要由割臺部分、過橋結(jié)構(gòu)、脫粒系統(tǒng)、清選裝置、底盤，以及行走輪組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其中，割臺部分由割臺框架16、橫向切割器17、擺環(huán)箱、縱向割刀1、縱向割刀傳動機(jī)構(gòu)、割臺絞龍、偏心撥禾輪2以及控制偏心撥禾輪升降桿的液壓裝置等組成；過橋結(jié)構(gòu)由過橋外殼和鏈耙式輸送器組成；脫粒系統(tǒng)由釘齒式切流滾筒14和紋桿-釘齒式混合橫軸流滾筒5組成；清選裝置由離心分機(jī)13、抖動板12和雙層振動篩11組成。

1.2 傳動系統(tǒng)及工作原理

油菜聯(lián)合收獲機(jī)傳動系統(tǒng)如圖2所示，發(fā)動機(jī)功率為102.9 kW，發(fā)動機(jī)軸從機(jī)身左側(cè)引出并連接一個皮帶輪作為主動輪，由這一個主動輪帶動三個功能各不相同的從動輪轉(zhuǎn)動。機(jī)身左側(cè)，從動輪1通過傳動軸9把動力傳到機(jī)身右側(cè)；從動輪2通過皮帶輪傳動分別帶動風(fēng)機(jī)軸、篩底輸糧絞龍軸和二次復(fù)脫絞龍軸轉(zhuǎn)動，并且通過傳動軸13把發(fā)動機(jī)動力從機(jī)身左側(cè)傳到右側(cè)；從動輪3把動力傳入變速箱，連接無級變速器帶動行走輪轉(zhuǎn)動。機(jī)身右側(cè)，傳動軸13通過同軸皮帶輪和鏈輪先后帶動清選裝置動力軸和過橋主動軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動；傳動軸9通過皮帶輪分別帶動兩個滾筒軸和卸糧絞龍軸轉(zhuǎn)動；縱向割刀及其傳動機(jī)構(gòu)、割臺絞龍、橫向切割器以及偏心撥禾輪都由過橋從動軸進(jìn)行驅(qū)動。

1.縱向割刀；2.偏心撥禾輪；3.卸糧絞龍；4.卸糧筒；5.橫軸流滾筒；6.秸稈粉碎機(jī)；7.刮板式輸糧器；8.復(fù)脫刮板輸送器；9.輸糧絞龍；10.復(fù)脫絞龍；11.雙層振動篩；12.抖動板；13.離心風(fēng)機(jī)；14.切流滾筒；15.連接過橋；16.割臺框架；17.橫向切割器；18.割臺絞龍1.Vertical cutter;2. Cam-actionreel;3. Grain unloading conveyor;4.Gain unloading tube;5. Horizontal axis flow roller;6. Straw crusher;7. Scraper feeder;8. Multiple stripper scraper feeder;9. Feeding conveyor;10. Multiple stripper conveyor; 11.Double-deck vibrating screen;12. Vibration plate; 13. Centrifugal fan;14. Cutting roller of flow;15. Connector; 16. Cutting table Frame; 17. Horizontal cutter;18. Cutting conveyor圖1 4LZY-7型全喂入油菜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagrams of 4LZY-7 full feeding combineharvester of rapeseed

1.縱向割刀；2.縱向割刀傳動機(jī)構(gòu)；3.行走輪(前) ；4.變速箱；5.卸糧絞龍軸；6.切流滾筒軸；7.橫軸流滾筒軸；8.復(fù)脫絞龍軸；9.傳動軸；10.行走輪(后)；11.后輪輪軸；12發(fā)動機(jī)；13.傳動軸；14.輸糧絞龍軸；15.清選裝置動力軸；16.風(fēng)機(jī)軸；17.過橋主動輪軸；18.變速箱輸入軸；19.過橋從動輪軸； 20.割臺絞龍；21.橫向切割器；22.偏心撥禾輪1.Vertical cutter; 2.Vertical cutter drive mechanism; 3.Front wheel;4. Transmission;5. Shaft of grainunloading conveyor; 6.Shaft of flowcutting roller;7. Shaft of horizontal axis flow-roller;8. Shaft of multiple stripper conveyor; 9.Transmission shaft;10. Back wheel; 11. Shaft of back wheel; 12. Engine;13. Transmission shaft;14. Shaft of feeding conveyor;15. Power shaft of the cleaning device; 16.FanShaft;17. Active shaft of connect the bridge; 18. Shaft of transmission;19. Driven shaft of connecting bridge;20. Cutting conveyor;21. Horizontal cutter;22. Cam-actionreel圖2 油菜聯(lián)合收獲機(jī)傳動系統(tǒng)圖Fig.2 The diagram of transmission system of rapeseedcombine harvester

作業(yè)前，機(jī)手根據(jù)田間地形及作物高度，對油菜莖稈切割高度和撥禾輪軸高度進(jìn)行調(diào)整，以加裝縱向割刀一側(cè)作為分禾側(cè)，把作業(yè)區(qū)域分為即割區(qū)和待割區(qū)。作業(yè)時，由縱向割刀切斷兩個區(qū)域之間纏繞的油菜莖稈完成分禾，處于即割區(qū)的作物由偏心撥禾輪撥齒撥向橫向切割器，并由橫向切割器將作物切斷，同時撥倒推送到割臺上，經(jīng)由割臺絞龍，將作物推集到割臺中部，再由伸縮撥指機(jī)構(gòu)將作物送入過橋口。然后由過橋口內(nèi)的鏈耙機(jī)構(gòu)把莖稈輸送到釘齒式切流滾筒進(jìn)行第一次旋轉(zhuǎn)脫粒，脫下的籽粒經(jīng)過滾筒凹板進(jìn)入清選系統(tǒng)，未脫下籽粒的果莢及莖稈的混合物，在離心力和釘齒的作用下進(jìn)入到紋桿-釘齒混合式橫軸流滾筒，進(jìn)行第二次復(fù)脫。脫粒后的大部分油菜籽、小部分未脫出的青莢和細(xì)小莖稈，經(jīng)過滾筒凹板進(jìn)入風(fēng)篩系統(tǒng)進(jìn)行清選，而長莖稈等脫出雜物軸向運(yùn)動到軸流滾筒的另一端進(jìn)入秸稈粉碎機(jī)構(gòu)，經(jīng)旋轉(zhuǎn)刀片切碎后拋灑還田用來培肥土壤。進(jìn)入清選系統(tǒng)的菜籽、青莢和細(xì)小莖稈經(jīng)過抖動板的抖動輸送作用使籽粒與細(xì)小雜物逐漸分離形成料簾落入振動篩，在離心風(fēng)機(jī)的作用下將混合物揚(yáng)起。根據(jù)懸浮風(fēng)速的差異性[15-16]，使得大部分籽粒在重力作用下掉入前篩下的籽粒輸送倉，經(jīng)輸糧絞龍和刮板式輸糧器送入糧倉，較輕的雜物在離心風(fēng)機(jī)和雙層振動篩的作用下吹出機(jī)外，未脫凈的雜穗、青莢落入篩尾，經(jīng)尾篩落入二次復(fù)脫倉，輸送回脫粒滾筒進(jìn)行二次脫粒。

1.3 油菜收獲農(nóng)藝要求及樣機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

4LZY-7型全喂入油菜聯(lián)合收獲機(jī)油菜收獲農(nóng)藝模式如圖3所示。其中，油菜割茬高度h為35～40 cm，偏心撥禾輪軸高度H根據(jù)油菜莖稈高度L、割茬高度h、偏心撥禾輪半徑R進(jìn)行調(diào)整。作業(yè)時，偏心撥禾輪做自轉(zhuǎn)與前行的復(fù)合余擺線運(yùn)動，t0～t1時刻，偏心撥禾輪軸由O0運(yùn)動到O1且撥禾輪垂直入禾，擊打在割后油菜莖稈重心位置2/3(L-h)處，同時對油菜莖稈進(jìn)行推送作用；t1～t2時刻，莖稈進(jìn)入橫向切割器切割范圍，在C點處切斷莖稈然后經(jīng)偏心撥禾輪的作用將莖稈推送到割臺上。

查閱國家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合現(xiàn)有稻麥聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)性能對油菜聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行設(shè)計，得到該研究作業(yè)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 割臺部分

割臺部分由割臺框架、縱向割刀、縱向割刀傳動機(jī)構(gòu)、偏心撥禾輪、偏心撥禾輪撥齒、撥禾輪液壓升降桿、擺環(huán)箱、橫向切割器、割臺絞龍，伸縮扒指機(jī)構(gòu)等部件組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

2.1.1 割臺絞龍 該部分由滾筒、滾筒軸、伸縮扒指機(jī)構(gòu)以及左右旋向不同的螺旋葉片組成。針對大喂入量、高效率的作業(yè)要求，對比現(xiàn)有單側(cè)輸送絞龍，設(shè)計采用了一種雙向推送絞龍，提高了作業(yè)效率。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖3 油菜收獲農(nóng)藝模式Fig.3. Agronomic model of rapeseed harvest

表1 油菜聯(lián)合收獲作業(yè)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.割臺框架；2.縱向割刀傳動機(jī)構(gòu)；3.縱向割刀；4.撥禾桿；5.撥禾輪撥齒；6.偏心撥禾輪；7.撥禾輪液壓升降桿；8.擺環(huán)箱；9.橫向切割器；10.割臺絞龍1.Frame of cutting table; 2. Drive mechanism of vertical cutter;3.Vertical cutter;4. Straw polling rod; 5. Teeth of straw polling wheel;6. Cam-action reel;7. Hydraulic lifting rod of straw polling wheel;8. Vibration box;9. Horizontal cutter; 10. Cutting table conveyor圖4 割臺部分結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Diagram of cutting table

1.滾筒軸；2.滾筒外殼；3.螺旋葉片；4.伸縮撥指1.Roller shaft; 2. Drum shell; 3. Spiral blade; 4. Telescopic rod圖5 割臺絞龍結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Diagram of cutting conveyor

該研究設(shè)計的割臺絞龍螺旋葉片內(nèi)徑為330 mm，葉片螺距為500 mm，為了避免割臺絞龍軸在工作時發(fā)生徑向跳動以及達(dá)到穩(wěn)定工作的要求，割臺絞龍軸的轉(zhuǎn)速不宜過高，大約在80～100 r·min-1，將參數(shù)帶入數(shù)學(xué)公式(1)～(3)，計算得到割臺絞龍的軸向推進(jìn)速度V2[17-18]：

V2=ωrsinα·cos(α+φ)/cosφ

(1)

式中，S為割臺絞龍的螺距(mm)；n為絞龍推運(yùn)器的轉(zhuǎn)速(r·min-1)；α為螺旋升角(°)；f為摩擦系數(shù)f=tanφ；φ為摩擦角，鐵皮對物料的摩擦角為16°35′。

已知螺距為500 mm，螺旋葉片內(nèi)外直徑分別為330 mm和430 mm，根據(jù)下列公式(2)求得葉片的螺旋升角為22°74′：

(2)

最大工作轉(zhuǎn)速n=100 r·min-1，帶入式(1)得到推運(yùn)器橫向推送速度V2=0.65 m·s-1。并通過式(3)求得割臺輸送絞龍的喂入量為7 kg·s-1。

Q=2×47D2φtncγ

(3)

式中,D為螺旋葉片外徑；φ為裝滿系數(shù)；c為傾斜輸送時的修正系數(shù)，取1；γ為物料容量。

對伸縮扒指的長度L及偏心距進(jìn)行設(shè)計。當(dāng)扒指轉(zhuǎn)到后方應(yīng)縮回筒體內(nèi)，但為了防止扒指端部磨損，扒指在筒體外應(yīng)留有10 mm余量。當(dāng)扒指轉(zhuǎn)到前方應(yīng)伸出筒體螺旋葉片外40～50 mm，以便達(dá)到一定的抓取能力。因而得出：

e=(lmax-lmin)/2

(4)

L=r+e+lmin

(5)

式中,e為偏心距(mm)；lmin為撥指伸出滾筒的最大伸出長度(mm)；lmin為相對方向的最小伸出長度(mm)；r為滾筒半徑(mm)。

通過螺旋葉片的內(nèi)徑及撥指伸出滾筒外殼的最大與最小伸縮量，得出伸縮撥指的長度L為240 mm，偏心距e為65 mm。

2.1.2 偏心撥禾輪 該部分由撥禾輪輪軸、撥齒、輻盤和輻條組成主框架，并在撥禾輪軸一端裝有與撥禾輪軸呈偏心的圓環(huán)和與撥禾輪輻條長度相等的平行輻條，形成偏心撥禾輪結(jié)構(gòu)，以調(diào)節(jié)撥齒及撥禾板的前后傾角，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖6(a)所示。偏心撥禾輪相對于作物的運(yùn)動軌跡，是其圓周運(yùn)動與機(jī)器前進(jìn)運(yùn)動所合成的余擺線運(yùn)動軌跡，其運(yùn)動軌跡圖如圖6(b)。

專用于油菜收獲的偏心撥禾輪直徑，其大小與油菜的植株高度和切割高度有關(guān)，為了不致打裂果莢，撥禾桿應(yīng)從豎直方向插入禾叢，其最低位置點應(yīng)在作物切斷部分的中心g點略微偏上[19]。如果位置太高，則撥禾時間過短，莖稈會未經(jīng)切割即發(fā)生回彈，如果位置太低，撥禾輪將會對作物植株產(chǎn)生很大的作用力，將會打裂果莢，損失率將會成倍上升。所以確定偏心撥禾輪的直徑與安裝高度和割臺損失率緊密相連，根據(jù)式(6)～(7)可以得出偏心撥禾輪的直徑D，撥禾輪軸的安裝高度以及與橫向切割器的水平距離可以根據(jù)式(8)～(9)求出。

D≤2λe/(λ-1)

(6)

e=(l-h)/3

(7)

式中，λ為撥禾輪速比；e為切斷莖稈重心g到植株頂端的距離(m)；l為作物平均高度(m)；h為切割高度(m)。

實際測得青海省“青油331”型雙低油菜植株平均高度為1.57 m，割茬高度在35～40 cm左右。輪速比λ設(shè)為1.75，帶入式(6)～(7)得到切斷莖稈重心g到植株頂端的距離e為0.407 m，撥禾輪直徑D為2.436 m。結(jié)合實際作業(yè)情況與割臺框架整體結(jié)構(gòu)，最終撥禾輪直徑D=1.4 m，即進(jìn)行作業(yè)時偏心撥禾輪軸應(yīng)在作物頂端上25～30 cm處。

撥禾輪安裝位置滿足垂直插禾和穩(wěn)定推送要求，即

(8)

(9)

式中，H為撥禾輪軸距割刀面的垂直距離(m)；B為撥禾輪軸距割刀面的水平位置(mm)。

把各參數(shù)帶入式(8)與式(9)得H最大值為1.62 m，b為574 mm。綜合考慮到撥禾輪太高會使莖稈向上帶起發(fā)生纏草現(xiàn)象和果莢炸裂掉落割臺的問題，設(shè)計時選取H=1.6 m、B=300 mm作為撥禾輪安裝參數(shù)。

2.1.3 縱向割刀及其傳動機(jī)構(gòu) 針對現(xiàn)有分禾器無法對油菜進(jìn)行分禾，以及圓盤割刀堵塞問題，以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與搖桿滑塊機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種縱向割刀及其傳動機(jī)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)分禾器進(jìn)行分禾。其運(yùn)動簡圖如圖7所示。刀片采用標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型，切割行程S、動刀片間距t和定刀片間距t0三者之間關(guān)系為S=t=t0=76.2 mm。

其中，驅(qū)動桿和連桿通過曲柄連接形成一個偏心連桿機(jī)構(gòu)。連桿帶動鉸接在縱向割刀架上的中心轉(zhuǎn)桿做一定角度的圓周擺動運(yùn)動。中心轉(zhuǎn)桿帶動鉸接在另一端的搖桿及與搖桿鉸接的動刀片作往復(fù)切割運(yùn)動，根據(jù)式(10)～(11)求出縱向割刀的曲柄轉(zhuǎn)速n。

Vp=βgVm

(10)

n=30Vp/S

(11)

式中，Vp為動刀片的平均速度(m·s-1)；βg為收割機(jī)的切割比，取βg為1[20]；Vm為撥禾輪線速度；S為動刀行程。

求得動刀片的切割速度為1.0 m·s-1，曲柄轉(zhuǎn)速為400 r·min-1。

2.2 脫粒系統(tǒng)

脫粒系統(tǒng)是油菜聯(lián)合收獲機(jī)的核心部分，它直接影響機(jī)器的損失率?，F(xiàn)有的改裝型油菜聯(lián)合收獲機(jī)，依舊使用原有稻麥聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒裝置和純釘齒式脫粒元件，損失率很大。本次設(shè)計針對油菜的果莢型角果，重新確定脫粒方式以及脫粒元件。

1.驅(qū)動桿；2.連桿；3.縱向割刀架；4.搖桿；5.動刀鉸接板；6.護(hù)刃器；7.動刀片；8.中心轉(zhuǎn)桿；9.曲柄1. Driveshaft; 2. Connecting rod; 3. Vertical cutter holder;4. Rocker rod;5. Moving knife hinge plate;6. Blade guard;7. Cutter blade; 8. Center turningpole; 9. Crank圖7 縱向切割器機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Fig.7 Kinematic diagram of picking reel

2.2.1 雙滾筒設(shè)計 脫粒裝置采用雙滾筒設(shè)計[21-23]，其中第一滾筒為切流式滾筒，第二滾筒為橫軸流式滾筒，作物在滾筒中的流動形式如圖8所示。

圖8(a)為切流式滾筒作物工藝流程，作物自徑向進(jìn)入也自徑向排出，圖8(b)為橫軸流式滾筒作物工藝流程，作物自徑向進(jìn)入自軸向排出。根據(jù)成熟期前后油菜果莢易炸裂的農(nóng)藝特性，確定脫粒原理以梳刷、沖擊為主，搓擦為輔(主要針對一些半成熟夾青角果)。因此切流滾筒選用以梳刷與沖擊為主的釘齒式滾筒不但可以提高油菜的脫凈率，而且可以利用釘齒的抓取特性作為中間輸送裝置，無過渡的連接第二滾筒以提高工作效率。橫軸流式滾筒設(shè)計為紋桿-釘齒式混合滾筒。前半軸為紋桿式以搓擦脫粒為主，主要針對一些半成熟夾青角果，后半軸為釘齒式對搓擦后的果莢進(jìn)行捶打和梳刷。脫粒裝置的設(shè)計與選型充分與油菜果莢特性相結(jié)合，使農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝達(dá)到結(jié)合。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖9所示。

橫軸流滾筒設(shè)計為1 800 mm，滾筒圓周轉(zhuǎn)速在15～20 m·s-1之間，切流滾筒直徑450 mm，軸流滾筒直徑為550 mm，根據(jù)式(12)可求得橫軸流滾筒的喂入量：

圖8 滾筒內(nèi)作物流動形式Fig.8 Flow pattern of crops in a drum

圖9 滾筒結(jié)構(gòu)簡圖Fig.9 Diagram of cylinder structure

(12)

式中,q為脫離裝置的喂入量(kg·s-1)；L為滾筒長度(m)；q0為滾筒單位長度允許承擔(dān)的喂入量(kg·s-1·m-1)，P型收割機(jī)取q0為4[24]。

已知橫軸流滾筒長度L帶入式(12)，求得橫軸流滾筒裝置的最大喂入量是7.2 kg·s-1。

滾筒消耗總功率N，包括空轉(zhuǎn)時克服各種摩擦力消耗的功率總和N0和滾筒在脫粒過程中消耗的總功率NT兩部分。

N=N0+NT=Aω+Bω3+qv2/1000(1-f)

(13)

式中,ω為滾筒角速度(rad·s-1)；v為滾筒圓周速度(m·s-1)；A為系數(shù)，取0.2×10-3；B為系數(shù)，與滾筒轉(zhuǎn)動時的迎風(fēng)面有關(guān)，取0.48×10-6；q為喂入量(kg·s-1)；f為搓擦系數(shù)，取0.8[24]。

設(shè)N1為切流滾筒消耗的功率，N2為軸流滾筒消耗的功率，則脫離裝置消耗的總功率N總=N1+N2，求解為21.875 kW。

2.2.2 固定凹板 固定凹板與滾筒成套配置，配合旋轉(zhuǎn)滾筒進(jìn)行脫粒，并對脫出物進(jìn)行分離。凹板分為沖孔式與柵格式兩種，因柵格式凹板其篩孔率為40%～70%，凹板分離率可高達(dá)75%～90%，可以有效應(yīng)對釘齒式滾筒秸稈短、碎、多的問題，因此該設(shè)計選用柵格式凹板以減輕清選負(fù)荷。其部分結(jié)構(gòu)簡圖如圖10所示。α為凹板包角與凹板弧長呈正相關(guān)，其中切流滾筒凹板包角設(shè)計為132°，橫軸流滾筒為150°，橫隔板間孔長b為20 mm，篩條間隙寬a為6 mm。凹板面積A和凹板弧長l對脫粒裝置的脫粒和分離能力有顯著影響，其關(guān)系式為：

A=Bl

(14)

Bl≥9(l-B)q/0.6qα

(15)

式中,B為凹板寬度,等于滾筒長度L(m)，l為凹板弧長 (m);q為脫粒裝置的喂入量(kg·s-1);qα為系數(shù)，聯(lián)合收割機(jī)取5～8。

1.側(cè)弧板；2.橫格板；3.篩條1.Side arcplate; 2.Cross board; 3.Grating圖10 柵格式凹板Fig.10 Grid-type concave plate

2.3 清選分離系統(tǒng)

清選分離系統(tǒng)采用風(fēng)篩式組合[25-27]，充分利用篩子的振動推送作用和凹板篩篩下物懸浮風(fēng)速的差異而進(jìn)行分離(籽粒懸浮風(fēng)速在7～9 m·s-1,長短雜為3～6 m·s-1,輕雜為2～4 m·s-1[15])，其結(jié)構(gòu)主要由離心分機(jī)、抖動板和雙層振動篩組成，篩選機(jī)構(gòu)簡圖如圖11所示。

作業(yè)時，由曲柄做圓周運(yùn)動帶動搖桿進(jìn)行擺動，搖桿與固定軸用轉(zhuǎn)動副連接，使搖桿繞固定軸擺動，帶動鉸接在搖桿兩端的兩個連桿進(jìn)行異向往復(fù)運(yùn)動。搖桿上端的連桿與上層篩相連，下端的連桿與下層篩相連，即連桿的異向往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)為雙層篩的異向往復(fù)運(yùn)動。同理，抖動板與上層篩通過轉(zhuǎn)動副連接在搖桿3中心兩側(cè)，使得抖動板與上層篩做異向運(yùn)動、與下層篩做同向運(yùn)動；而傳動軸則把動力傳遞到另一側(cè)的對稱機(jī)構(gòu)中。

因此，本機(jī)清選機(jī)構(gòu)設(shè)計思路如下：首先通過凹板篩對雜物進(jìn)行總量控制，其次對凹板篩落下的物料進(jìn)行振動分離，使籽粒鋪放趨于均勻，盡量使得籽粒、長短雜、輕雜三者自下而上分層。此后通過物料的自然落下，形成較為均勻的料簾，在離心風(fēng)機(jī)的作用下，使料簾中的雜余全部揚(yáng)起，揚(yáng)起的輕雜飛出機(jī)外，長短雜與籽粒因為重力作用會沉降到清選篩上，經(jīng)清選篩振動推送使得籽粒穿過篩面被收集，而長短雜一部分會穿過篩子進(jìn)行二次清選，大部分長短雜則會由篩面推送出機(jī)外。篩子的長度可根據(jù)式(16)得到：

(16)

式中,Qs為進(jìn)入清選裝置的谷?；旌衔?kg·s-1)；B為篩寬，1.2 m；qs為篩子單位面積可承擔(dān)的谷?；旌衔锏奈谷肓?，1.5～2.5 kg·s-1·m-2；Q為機(jī)器喂入量；δ為桔草占谷物總質(zhì)量的比值，按草谷比計算；K為工作特性系數(shù)，取0.6～0.9[24]。

1.振動篩 (下)；2.振動篩 (上)；3.搖桿；4.連桿；5.抖動板；6.連桿；7.曲柄；8.搖桿；9.固定軸；10.傳動軸；11-12.連桿1. Shaker (bottom); 2. Shaker (upper); 3.Rocker rod; 4.Connecting rod;5.Shakingplate; 6.Connecting rod; 7. Crank; 8. Rocker rod;9. Fixed shaft;10. Transmission shaft;11-12. Connecting rod圖11 篩選機(jī)構(gòu)簡圖Fig.11 Diagram of sifter mechanism

把各項參數(shù)帶入式(16)得L為1.789 m，則篩長取1.8 m，風(fēng)選氣流的風(fēng)量V由式(17)確定：

V=βQ/μρ

(17)

式中,β為清除雜質(zhì)占機(jī)器喂入量的比例，取15%；ρ為空氣密度；μ為攜帶雜質(zhì)氣流的混合濃度比，約0.2～0.3[24]。由此求得風(fēng)機(jī)風(fēng)速V為4.07 m·s-1。

3 田間試驗與分析

3.1 試驗材料與方法

4LZY-7型全喂入油菜聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)工作性能試驗于2017年9月23日在青海省海東市互助縣南門峽試驗田進(jìn)行，該縣油菜種植面積在2.4萬hm2以上，實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該縣油菜種植品種主要為“青油331”，因此選用“青油331”作為試驗對象，具有很高的代表性。試驗地海拔在2 530～3 100 m，試驗時微風(fēng)東南風(fēng)，溫度在16°左右。試驗田85%～90%的植株和角果已呈黃色，植株含水率約36%～50%?！扒嘤?31”在本地域植株高平均為156 cm左右，分枝位高48 cm，一次分枝7～8個，主花序長66～72 cm，種子黑褐色，千粒重4.0 g，旱地最高產(chǎn)量為276 kg·666.7m-2。

田間性能試驗依據(jù)GB/T 8097-2008《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗方法》內(nèi)容進(jìn)行機(jī)器試驗，如圖12所示。在25 m長的測區(qū)內(nèi)等間距選取3個區(qū)域，每個區(qū)域按照割幅×1 m劃定出取樣區(qū)，鏟取取樣區(qū)表層3 cm厚的土壤進(jìn)行落粒數(shù)的取樣計算。收集滾筒脫出物與振動篩篩出物，作為取樣樣本，對樣本內(nèi)籽粒數(shù)進(jìn)行計算[28-29]。測定損失率、破碎率、含雜率3項性能指標(biāo)，并依據(jù)NY/T 1231-2006《油菜聯(lián)合收獲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能評價，其計算方法如公式(18)所示。

圖12 油菜聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)性能試驗Fig.12 Field performance test of rapeseedcombine harvester

(18)

式中,Wω為未脫凈損失籽粒質(zhì)量(g)；Wf為分離損失籽粒質(zhì)量(g)；Wq為清選損失籽粒質(zhì)量(g)；WC為測區(qū)出糧口混合物質(zhì)量(g)；Wg為取樣面積內(nèi)實際割臺損失量(g)；W為總籽粒質(zhì)量(g)；ZZ為含雜率(%)；Sω為未脫凈損失率(%)；Sf為分離損失率(%)；Sq為清選損失率(%)；Sg為割臺損失率(%)；L為測區(qū)長度(m)。

3.2 結(jié)果分析

對4LZY-7型全喂入油菜聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行田間試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度U保持在0.8～1.2 m·s-1之間、撥禾輪線速度Vm在1.4～1.8 m·s-1之間時，作業(yè)性能較高且相對穩(wěn)定。在該作業(yè)條件下進(jìn)行各項數(shù)據(jù)的測定，并根據(jù)公式(18)對測定結(jié)果進(jìn)行計算，得到作業(yè)機(jī)的各項性能指標(biāo)，如表2所示。各項性能指標(biāo)均符合NY/T 1231-2006《油菜聯(lián)合收獲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)表2田間試驗指標(biāo)內(nèi)實際測定的指標(biāo)參數(shù)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)計算公式(18)進(jìn)行計算，計算結(jié)果指標(biāo)與國家指標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。4LZY-7型全喂入油菜聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行作業(yè)后，其割臺損失率最高為2.35%，脫粒損失率(包括未脫凈率與分離損失率)最高為1.17%，清選損失率最高只占到0.43%，即整機(jī)總損失率最高為3.95%，含雜率與破碎率最高分別為2.83%和0.2%。各項指標(biāo)都低于國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)要求。

表2 田間試驗指標(biāo)

表3 田間試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

1)融合國內(nèi)現(xiàn)有的稻麥聯(lián)合收割機(jī)，結(jié)合油菜收獲的農(nóng)藝要求，確定了4LZY-7型全喂入油菜聯(lián)合收獲機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)。針對油菜莖稈倒伏纏繞的生物特性，對縱向割刀進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，并對脫粒系統(tǒng)、清選裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行了選型與設(shè)計，完成其關(guān)鍵參數(shù)分析計算。

2)田間試驗表明，4LZY-7型全喂入油菜聯(lián)合收獲機(jī)其割臺損失率最高為2.35%，脫離損失率最高為1.17%，清選損失率最高只占到0.43%，即總損失率最高為3.95%，含雜率與破碎率最高分別為2.83%和0.2%，各項指標(biāo)都低于國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)要求。

3)4LZY-7型全喂入油菜聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行油菜收獲作業(yè)時，性能平穩(wěn)，通過性良好，未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，可以完成收割、脫粒、分離、清選、入倉等一體化作業(yè)。