劉子堅(jiān)，田立權(quán)，丁肇，林雪,呂美巧，張正中

(1. 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江金華，321017； 2. 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江金華，321017)

0 引言

中國(guó)南方水稻主產(chǎn)區(qū)，多山地丘陵，水田田塊面積小、泥腳深、田塊連片少、田塊之間高度落差大，再加上經(jīng)濟(jì)因素的束縛，一般大型聯(lián)合收割機(jī)在這些地區(qū)不能得到廣泛使用。為提高這些地區(qū)水稻生產(chǎn)機(jī)械化水平，農(nóng)機(jī)工作者和相關(guān)企業(yè)做了大量嘗試，研制出了一批體積和質(zhì)量相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的小型聯(lián)合收割機(jī)[1]。但從實(shí)際作業(yè)效果來(lái)看，這些機(jī)型在收獲質(zhì)量方面，特別是在脫粒分離方面存在一些不足，因此如何提高脫粒分離質(zhì)量，成為小型水稻聯(lián)合收割機(jī)開發(fā)過(guò)程中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

為了提高小型水稻聯(lián)合收割機(jī)脫粒分離質(zhì)量，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：Alizadeh等[2]研究了脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙對(duì)收獲性能的影響；Mohtasebi等[3]開展了脫粒滾筒不同結(jié)構(gòu)類型及釘齒不同排列方式對(duì)脫粒性能影響的研究；張學(xué)強(qiáng)等[4]設(shè)計(jì)了切流脫粒分離裝置，采用手動(dòng)改變脫粒間隙的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同作物調(diào)整脫粒間隙；李耀明等[5]研制了由液壓缸支撐的凹板篩結(jié)構(gòu)，通過(guò)液壓缸改變凹板篩位置，實(shí)現(xiàn)脫粒間隙調(diào)節(jié)；萬(wàn)霖等利用縱軸流脫分試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)影響脫分裝置功耗的各因素進(jìn)行分析，探究了喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速及導(dǎo)向板螺旋角等因素對(duì)功耗影響的顯著性；謝方平等[6]設(shè)計(jì)了直徑可調(diào)節(jié)脫粒滾筒，通過(guò)調(diào)節(jié)脫粒滾筒直徑，改變脫粒間隙以適應(yīng)不同喂入量脫分需求；戴飛等[7]設(shè)計(jì)了具有縱軸流錐型滾筒的脫粒裝置，脫粒滾筒采用錐型短紋桿-板齒結(jié)構(gòu)，可加快脫粒滾筒軸向物料輸送速度，降低堵塞情況發(fā)生的概率；王升升等開發(fā)了立式軸流脫粒裝置，該裝置縮小了整機(jī)尺寸、提高整備在丘陵山區(qū)的通過(guò)性；李耀明[8-10]、王金雙[11]、樊晨龍[12]等針對(duì)脫粒滾筒類型、脫粒釘齒及脫分裝置工作參數(shù)等對(duì)脫分性能影響展開研究。劉正懷等[13-14]針對(duì)同一稻穗籽粒連接力的差異，對(duì)“單速滾筒+回轉(zhuǎn)式凹板”結(jié)構(gòu)的脫分裝置進(jìn)行研究，其作業(yè)效率和工作性能比安裝固定式柵格凹板對(duì)比機(jī)有顯著改善。上述研究成果對(duì)提高小型水稻聯(lián)合收割機(jī)脫粒分離效果具有一定的指導(dǎo)意義。

4LZ-2.1Z型水稻聯(lián)合收割機(jī)是為適應(yīng)南方丘陵山區(qū)作業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)的小喂入量聯(lián)合收獲機(jī)，其脫分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該脫分裝置主要由縱軸流同軸雙速脫粒滾筒、回轉(zhuǎn)式凹板篩構(gòu)成。為進(jìn)一步優(yōu)化脫粒分離部件的設(shè)計(jì)，降低能耗，提高脫分效果，本文設(shè)計(jì)一種適合較大喂入量、具有較好脫粒性能、脫出物中含雜率小且分布均勻的橫軸流雙滾筒脫粒分離裝置,通過(guò)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)獲取水稻脫粒分離的最佳工作參數(shù)組合,將其裝到聯(lián)合收獲機(jī)上,進(jìn)行田間試驗(yàn)和性能檢測(cè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

4LZ-2.1Z型水稻聯(lián)合收割機(jī)采用全喂入履帶自走式，該型聯(lián)合收割機(jī)主要由撥禾輪、割臺(tái)總成、履帶自走式底盤、雙速雙動(dòng)脫分裝置、中間輸送總成、清選總成、操縱總成及糧倉(cāng)等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 4LZ-2.1Z型水稻聯(lián)合收割機(jī)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Sketch map of 4LZ-2.1Z rice combine harvester1.糧倉(cāng) 2.雙速雙動(dòng)脫分裝置 3.操縱總成 4.割臺(tái)總成 5.撥禾輪 6.中間輸送總成 7.履帶自走式底盤 8.清選總成

收割機(jī)作業(yè)時(shí)，撥禾輪將稻株撥向割臺(tái)總成，由割臺(tái)切割器將其切斷，切斷的稻株經(jīng)割臺(tái)滾筒螺旋和伸縮扒齒被拋送到中間輸送總成。輸送總成將稻株輸送到雙速雙動(dòng)脫分裝置，雙速雙動(dòng)脫分裝置利用低速脫粒滾筒降低脫粒過(guò)程中，籽粒和莖稈的破碎損失；利用高速脫粒滾筒降低脫不凈損失并提高分離效率；通過(guò)回轉(zhuǎn)式凹板篩循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，篩面不會(huì)積留籽?；蚯o葉(尤其帶露水作業(yè)時(shí))，防止凹板篩柵格孔堵塞；已脫籽粒通過(guò)回轉(zhuǎn)式凹板篩上篩面落到下篩面過(guò)程中，凹板篩的循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)使籽粒撒布在振動(dòng)篩面更均勻，籽粒、穎殼等脫出物穿過(guò)回轉(zhuǎn)式凹板篩，經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩和風(fēng)扇清選后，由籽粒升運(yùn)器輸送入糧倉(cāng)；長(zhǎng)莖稈及雜余等通過(guò)排草口拋出機(jī)外。

4LZ-2.1Z型水稻聯(lián)合收割機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 4LZ-2.1Z型水稻聯(lián)合收割機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Design parameters of 4LZ-2.1Z rice combine harvester

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 可調(diào)節(jié)伸縮式割臺(tái)總成

可調(diào)節(jié)伸縮式割臺(tái)主要由割臺(tái)機(jī)架、導(dǎo)向桿、割刀、割刀擺桿、球面軸承(帶座)、伸縮桿、液壓油缸、擺環(huán)等組成，如圖2所示。

圖2 割臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Sketch map of harvester header1.導(dǎo)向桿 2.割刀 3.割臺(tái)機(jī)架 4.液壓油缸 5.割刀擺桿 6.球面軸承 7.花鍵伸縮桿 8.擺環(huán)

可調(diào)節(jié)伸縮機(jī)構(gòu)由安裝于割臺(tái)底部的兩組液壓油缸、兩組導(dǎo)向桿、伸縮桿等部件構(gòu)成，液壓油缸后端蓋與割臺(tái)機(jī)架鉸接，活塞桿與割刀刀架鉸接。當(dāng)液壓油缸活塞桿收縮時(shí)，帶動(dòng)割刀刀架向機(jī)體移動(dòng)，花鍵伸縮桿縮短，割臺(tái)收縮狀態(tài)如圖3(a)所示；當(dāng)液壓油缸活塞桿前伸時(shí)，帶動(dòng)割刀刀架向前移動(dòng)，花鍵伸縮桿拉伸，割臺(tái)伸出狀態(tài)如圖3(b)所示。

聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)過(guò)程需自行開道，割臺(tái)寬度應(yīng)滿足

B>La+2Δ+b+δ

(1)

式中:B——割臺(tái)寬度，mm；

La——行走裝置軌距，取900 mm；

b——行走裝置履帶寬度，取400 mm；

Δ——作物保護(hù)帶寬度，取120 mm；

δ——驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)寬度，取240 mm。

該型號(hào)聯(lián)合收割機(jī)需在割臺(tái)單側(cè)配置割刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)式(1)得到割臺(tái)寬度為1 780 mm。

(a) 割臺(tái)收縮狀態(tài)

(b) 割臺(tái)伸出狀態(tài)

2.2 雙速雙動(dòng)脫分裝置

雙速雙動(dòng)脫分裝置是該聯(lián)合收割機(jī)核心部件之一，主要包括高/低速脫粒滾筒、回轉(zhuǎn)式凹板篩、驅(qū)動(dòng)箱、中間裝置、驅(qū)動(dòng)鏈條、頂蓋及相關(guān)配件組成，如圖4所示。

圖4 雙速雙動(dòng)脫分裝置Fig. 4 Structure of the threshing-separating device unit1.驅(qū)動(dòng)箱 2.低速脫粒滾筒 3.頂蓋 4.回轉(zhuǎn)式凹板篩 5.中間裝置 6.高速脫粒滾筒 7.驅(qū)動(dòng)鏈條

高/低速脫粒滾筒為同軸同徑、不同轉(zhuǎn)速的脫粒滾筒通過(guò)中間裝置連接，中間裝置隨低轉(zhuǎn)速脫粒滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)；高速脫粒滾筒通過(guò)法蘭盤固定在高速滾筒軸右端，低速脫粒滾筒通過(guò)法蘭盤與低速滾筒軸固結(jié)；低速滾筒軸為空心結(jié)構(gòu)，高速滾筒軸借助軸承套裝在低速滾筒軸內(nèi)；驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)為2組相互嚙合錐齒輪，分為高速脫粒滾筒驅(qū)動(dòng)齒輪和低速脫粒滾筒驅(qū)動(dòng)齒輪，驅(qū)動(dòng)齒輪分別與高/低速滾筒軸固結(jié)，以不同傳動(dòng)比分別驅(qū)動(dòng)高/低速脫粒滾筒；回轉(zhuǎn)式凹板篩由鏈條驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鏈條位于高速脫粒滾筒末端，動(dòng)力由高速脫粒滾筒軸通過(guò)鏈輪提供。

2.2.1 高/低速脫粒滾筒

高/低速脫粒滾筒主要由喂入螺旋、低速脫粒滾筒、高速脫粒滾筒、中間裝置、低速滾筒軸和高速滾筒軸等構(gòu)成，可劃分為喂入段、低速脫粒滾筒段、高速脫粒滾筒段，如圖5所示。高/低速脫粒滾筒均由輻板、齒桿(共6根)在幅板圓周上均勻排布、釘齒(共81根)等組成，齒桿在幅板圓周上均勻排布，齒桿與聯(lián)接板固結(jié)；喂入螺旋與低速脫粒滾筒固結(jié)，脫粒元件采用釘齒式。

圖5 高/低速脫粒滾筒Fig. 5 High/low speed threshing drum1.齒桿 2.釘齒 3.輻板 4.低速滾筒軸 5.中間裝置 6.高速滾筒軸 7.聯(lián)接板Ⅰ.喂入段 Ⅱ.低速脫粒滾筒段 Ⅲ.高速脫粒滾筒段

脫粒滾筒直徑增大時(shí)，凹板篩有效分離面積增大，滾筒脫粒能力和生產(chǎn)率有極大的提高；但隨著脫粒滾筒直徑的增大，脫分裝置體積和重量相應(yīng)增大，整備功耗增加。因此，確定脫粒滾筒齒頂圓直徑

(2)

式中:Dz——脫粒滾筒齒頂圓直徑，mm；

h——脫粒滾筒釘齒高度，取65 mm；

N——齒桿間距，mm；

M——齒桿數(shù)量。

考慮到雙速雙動(dòng)脫粒分離裝置脫粒滾筒縱向布置，其直徑方向尺寸不受限制，同時(shí)為了盡可能增大回轉(zhuǎn)式凹板篩的面積，確定脫粒滾筒釘齒頂圓直徑為520 mm。

2.2.2 回轉(zhuǎn)式凹板篩

回轉(zhuǎn)式凹板篩是雙速雙動(dòng)脫分裝置重要組成部分，結(jié)構(gòu)如圖6所示。凹板柵條安裝在弧形凹板篩架內(nèi)，凹板柵條內(nèi)芯為直徑5 mm鋼絲，外套裝內(nèi)徑為8 mm鋼管并可繞內(nèi)芯轉(zhuǎn)動(dòng)；凹板篩架下部固定若干支撐橫軸，凹板柵條穿過(guò)多條凹板柵條鏈，由凹板篩驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，動(dòng)力由高速脫粒滾筒軸通過(guò)鏈條提供，形成上下兩層間距為80 mm的活動(dòng)?xùn)鸥瘢缓Y架下部固定有若干橫軸，等間距穿接并固定下定型片(厚3.0 mm)，托著環(huán)形柵條篩片上篩面，篩架上部固定多條厚3.0 mm的上定型片，上、下定型片形成徑向空間即為回轉(zhuǎn)柵格凹板運(yùn)行軌道；凹板柵條兩端和中部分別穿過(guò)銷孔套裝多組A12型滾子鏈和多組A12型滾子鏈片(中心距為19.05 mm)，構(gòu)成了環(huán)形可回轉(zhuǎn)凹板篩面；回轉(zhuǎn)柵格凹板橫隔板與下定型片、柵條鏈片和柵條形成一系列孔寬為11.00 mm、孔長(zhǎng)為50.00 mm的柵格。

圖6 回轉(zhuǎn)式凹板篩Fig. 6 Structure of the moving grate concave1.下定型片 2.柵條鏈片 3.凹板柵條 4.凹板柵條鏈5.凹板篩架 6.上定型片 7.橫軸

聯(lián)合收割機(jī)雙速雙動(dòng)脫分裝置，主要依靠脫粒滾筒和凹板篩對(duì)稻株作用完成脫粒和分離，因此決定其生產(chǎn)率的因素除與脫分裝置結(jié)構(gòu)有關(guān)外，也取決于脫粒滾筒和凹板篩的作用面積(即回轉(zhuǎn)式凹板篩包圍面積)。

Q=η·S

=L·R·β·η

(3)

式中:S——回轉(zhuǎn)式凹板篩包圍面積，m2；

η——凹板篩單位面積生產(chǎn)率，取1.68 kg/(m2·s)；

Q——喂入量(工作流量)，取2.10 kg/s；

L——脫粒滾筒總長(zhǎng)度，取1.50 m；

R——脫粒滾筒半徑，取0.26 m；

β——凹板篩包角，rad。

將相關(guān)數(shù)值代入式(3)，求得回轉(zhuǎn)式凹板篩包圍面積S=1.25 m2，凹板篩包角β=3.21 rad=183.6°,取整為180°。

2.3 清選總成

清選裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由抖動(dòng)板、振動(dòng)篩、尾篩、上導(dǎo)風(fēng)板、下導(dǎo)風(fēng)板、離心風(fēng)機(jī)、輸糧輸送器、二次雜余輸送器等組成。清選裝置的振動(dòng)篩由曲柄，連桿和搖桿組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；離心風(fēng)機(jī)安裝于振動(dòng)篩的左下方。

圖7 清選裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 7 Sketch map of cleaning system1.尾篩 2.振動(dòng)篩 3.抖動(dòng)板 4.離心風(fēng)機(jī) 5.上導(dǎo)風(fēng)板6.下導(dǎo)風(fēng)板 7.輸糧輸送器 8.二次雜余輸送器

工作時(shí)，清選裝置振動(dòng)篩作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，水稻脫出物在抖動(dòng)板作用下輸送到篩面，脫出物在離心風(fēng)機(jī)氣流作用下分散，籽粒在移動(dòng)過(guò)程中透篩，輕雜余等被氣流吹出機(jī)外，長(zhǎng)莖稈等在振動(dòng)篩及氣流作用下向篩面尾部移動(dòng)，未清選干凈的雜余在尾篩處落入二次雜余輸送器，被輸送到復(fù)脫裝置進(jìn)行復(fù)脫。實(shí)際設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)采用直徑400 mm的農(nóng)用離心式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)控導(dǎo)風(fēng)板方向?qū)︼L(fēng)向進(jìn)行調(diào)節(jié)。風(fēng)扇氣流在篩面入口處速度約為8～9 m/s，將脫出物吹散；清選裝置中部氣流速度約為5～6 m/s，尾部約為2～3 m/s。上導(dǎo)風(fēng)板和下導(dǎo)風(fēng)板根據(jù)作物特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同作物清選需要，調(diào)節(jié)夾角范圍為±20°。

3 田間性能試驗(yàn)

3.1 優(yōu)化與驗(yàn)證

2019年10月委托浙江省機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)所對(duì)4LZ-2.1型雙速雙動(dòng)水稻聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)性能檢測(cè)試驗(yàn)，如圖8所示。試驗(yàn)方法依照國(guó)標(biāo)GB10395.7— 2006《農(nóng)林拖拉機(jī)和機(jī)械安全技術(shù)要求第7部分：聯(lián)合收割機(jī)、飼料和棉花收獲機(jī)》、機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5117—2017《全喂入聯(lián)合收割機(jī)技術(shù)條件》和國(guó)標(biāo)GB/T8097—2008《收獲機(jī)械：聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》規(guī)定，分別測(cè)試了損失率、破碎率和含雜率等3個(gè)指標(biāo)。

圖8 田間試驗(yàn)Fig. 8 Field trials scene

試驗(yàn)地點(diǎn)為金華市下謝村水稻試驗(yàn)基地，試驗(yàn)品種為“甬優(yōu)15號(hào)”超級(jí)雜交稻，喂入量為2.10 kg/s，環(huán)境溫度30 ℃，濕度為31%，水稻部分特性參數(shù)如表2所示。

表2 水稻部分特性參數(shù)Tab. 2 Basic properties of rice

選取水稻長(zhǎng)勢(shì)均勻，田塊平整的區(qū)域，并量取寬為1.8 m，長(zhǎng)為10 m的水稻田，用標(biāo)桿進(jìn)行標(biāo)記，作為后續(xù)試驗(yàn)區(qū)域。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)車在測(cè)量好的田塊后方5 m處以中檔速度前進(jìn)，通過(guò)3次機(jī)器的試跑，測(cè)量完成10 m長(zhǎng)度下收獲作業(yè)時(shí)間，保證試驗(yàn)喂入量的連續(xù)均勻性。試驗(yàn)開始前，將接料袋固定在機(jī)具機(jī)架，用以收集雙速雙動(dòng)聯(lián)合收割機(jī)工作中，從清選室吹出脫出混合物；試驗(yàn)結(jié)束后，將接料袋從機(jī)具上取下，通過(guò)人工方式，將接取到的脫出混合物進(jìn)行分離，分別秤取混合物、籽粒和雜余質(zhì)量，測(cè)得清選損失率。每組試驗(yàn)結(jié)束之后，從糧箱接取一定量的混合物，并通過(guò)人工方式將籽粒與雜余分離，分別秤取混合物、破碎籽粒和雜余的質(zhì)量，測(cè)得清選含雜率和破碎率。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

計(jì)算每次試驗(yàn)所得籽?？傎|(zhì)量，記為W；接糧口取樣，記總質(zhì)量W1；手工挑選破碎籽粒、雜質(zhì)分別稱重，記為Wp、Wz。由清選室出口和排草箱收集排出物，挑選籽粒和含籽粒斷穗稱重，記為清選損失Wq和夾帶損失Wj。則籽粒損失率y1、破碎率y2和含雜率y3分別由式(4)～式(6)計(jì)算得到。

(4)

(5)

(6)

處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)后得到4LZ-2.1Z型聯(lián)合收割機(jī)性能指標(biāo)如表3所示。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Results of field experiment

從表3可以看出，該機(jī)收獲產(chǎn)量為10 020 kg/hm2的“甬優(yōu)15號(hào)”水稻時(shí)，總損失率為1.34%，破碎率和含雜率分別為0.20%和0.40%，其各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。結(jié)果表明，4LZ-2.1Z型聯(lián)合收割機(jī)總損失率、含雜率和破碎率3項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4 結(jié)論

1) 提出了一種喂入量為2.10 kg/s的履帶式全喂入雙速雙動(dòng)水稻聯(lián)合收割機(jī)，并完成了對(duì)可調(diào)節(jié)伸縮式割臺(tái)總成和雙速雙動(dòng)脫分裝置等主要工作部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足我國(guó)南方水稻主產(chǎn)區(qū)對(duì)高效率、中小型聯(lián)合收割機(jī)的要求。

2) 研制的4LZ-2.1Z型聯(lián)合收割機(jī)能夠一次實(shí)現(xiàn)水稻扶禾、切割、喂入、脫粒、清選等功能，滿足了丘陵山區(qū)水稻收獲要求，田間試驗(yàn)得到聯(lián)合收割機(jī)損失率、含雜率和破碎率分別為1.34%、0.40%和0.20%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。