廖 禺,王 杰,李 飚,周運(yùn)成,張 文,吳羅發(fā),潘 松*

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所,江西 南昌 330200;2.江西省智能農(nóng)機(jī)裝備工程研究中心,江西 南昌 330200;3.浙江柳林農(nóng)業(yè)機(jī)械股份有限公司,浙江 臺州 318000;4.江西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣監(jiān)測站,江西 南昌 330000)

0 引言

谷物聯(lián)合收割機(jī)是能一次性完成切割、輸送、脫粒分離、清選和集糧等工序的谷物收獲機(jī)械[1-4]。傳統(tǒng)的谷物聯(lián)合收割機(jī)為橫軸流結(jié)構(gòu),其脫粒滾筒橫向設(shè)置,作物從滾筒一端進(jìn)入,從另一端排出；由于整機(jī)結(jié)構(gòu)的限制,橫軸流滾筒不能太長,否則整機(jī)寬度太大。橫軸流收割機(jī)的糧倉一般放置在脫粒滾筒的后方,其寬度不能超過脫粒滾筒的寬度,因而脫粒滾筒的寬度同樣限制了糧倉的大小。而縱軸流聯(lián)合收割機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,縱向脫粒滾筒相對較長,脫粒元件對作物作用柔和,從而可以降低谷物的破碎率,適合中小型面積田地農(nóng)作物的收獲,備受市場的青睞[5-9]。隨著機(jī)械化收獲技術(shù)的發(fā)展,為了提高谷物脫粒和分離的能力、增加糧食的喂入量,現(xiàn)在縱軸流收割機(jī)已取代了橫軸流收割機(jī)[10-15]。

縱軸流收割機(jī)的糧倉設(shè)置不同于橫軸流收割機(jī),如劉永會等[16-18]研究了全喂入縱軸流履帶自走聯(lián)合收割機(jī),其糧倉同樣是縱向設(shè)置,和脫離機(jī)左右并列。這種糧倉設(shè)計(jì)的不足之處在于:當(dāng)糧倉空載或滿載時,收割機(jī)的重心會發(fā)生顯著偏移,當(dāng)糧倉空載時,重心偏向脫粒機(jī)的一邊；當(dāng)糧倉滿載時,重心偏向糧倉的一邊,這種重心的不穩(wěn)定會影響收割機(jī)作業(yè)時的穩(wěn)定性,嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致收割機(jī)的傾覆。我們針對現(xiàn)有縱軸流收割機(jī)糧倉布局不合理、整機(jī)重心不穩(wěn)等缺點(diǎn),重點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種中置糧倉縱軸流輪式收割機(jī),通過騎跨式的糧倉布局,增大了糧倉的貯存空間,同時使收割機(jī)具有穩(wěn)定的重心,提高了收割效率和安全性能。本文對該收割機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理、主要技術(shù)參數(shù),以及導(dǎo)草裝置、割臺裝置、動力裝置等主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,對該機(jī)的主要性能開展了田間試驗(yàn),并對田間試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

4LZ-6.5B型縱軸流聯(lián)合收割機(jī)的外觀如圖1所示,它主要由動力裝置、行走機(jī)構(gòu)、割臺、輸送裝置、脫粒裝置、粉碎裝置、糧倉、卸糧裝置等組成(如圖2)。其中動力裝置包括氣缸、油缸、氣動馬達(dá)等,液壓油缸的缸體與機(jī)架相連,活塞桿與上糧倉的前側(cè)面相連,活塞桿伸展時驅(qū)動上糧倉翻轉(zhuǎn)。在割臺的下游設(shè)置有輸送裝置,在輸送裝置的下游設(shè)置有脫粒裝置,脫粒裝置縱向設(shè)置,其在出秸稈口設(shè)置有粉碎裝置,在上方設(shè)置有上糧倉,在兩側(cè)分別設(shè)置有側(cè)糧倉,上糧倉與側(cè)糧倉接觸連接且相互連通,上糧倉縱向的一側(cè)與側(cè)糧倉縱向的外側(cè)邊通過鉸接件鉸接,且可在動力裝置的驅(qū)動下翻轉(zhuǎn)。在脫粒機(jī)與上糧倉之間設(shè)置有輸送糧食顆粒的垂直攪龍。在側(cè)糧倉的底部設(shè)置有橫向貫穿的下攪龍；在縱軸流收割機(jī)上方的一側(cè)設(shè)置有卸糧攪龍,下攪龍通過斜攪龍與卸糧攪龍相連；斜攪龍與卸糧攪龍通過萬向接頭相連,卸糧機(jī)構(gòu)可以360°旋轉(zhuǎn)。

圖1 4LZ-6.5B型收割機(jī)的外觀

4LZ-6.5B型縱軸流聯(lián)合收割機(jī)的工作原理如下:割臺將待收割的農(nóng)作物(如小麥、水稻等)扶起,經(jīng)割刀切割后,由輸送裝置將作物輸送到脫粒機(jī)構(gòu)中；農(nóng)作物在脫粒機(jī)構(gòu)中脫粒、分離莖稈和糧食顆粒,莖稈由出稈口送到粉碎裝置中粉碎,拋灑還田,糧食顆粒由垂直絞龍輸送到上糧倉,貯存于上糧倉和側(cè)糧倉中。

1.割臺;2.操縱系統(tǒng);3.輸送裝置;4.輪式行走機(jī)構(gòu);5.動力裝置;6.后驅(qū)傳動系統(tǒng);7.上糧倉;8.側(cè)糧倉;9.脫粒機(jī)構(gòu);10.360°放糧機(jī)構(gòu);11.粉碎裝置。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

4LZ-6.5B型縱軸流聯(lián)合收割機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 4LZ-6.5B型收割機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件與配置設(shè)計(jì)

2.1 糧倉的設(shè)計(jì)

糧倉作為谷物聯(lián)合收割機(jī)的儲糧機(jī)構(gòu)直接影響機(jī)具的作業(yè)效率。本研究充分利用縱軸流收割機(jī)的現(xiàn)有空間,優(yōu)化設(shè)計(jì)了收割機(jī)的糧倉,采用分體式的上糧倉和側(cè)糧倉,將糧倉騎跨在脫粒機(jī)上,既擴(kuò)大了糧倉的容量,又確保了縱軸流收割機(jī)在作業(yè)時重心穩(wěn)定,由于糧倉被安裝在收割機(jī)中部,無論糧倉是空載還是滿載,其重心均處于中線位置,因此不會造成收割機(jī)側(cè)翻。同時上糧倉可以翻轉(zhuǎn),便于縱軸流收割機(jī)的維修和清洗。在增加糧倉容量的前提下,與現(xiàn)有技術(shù)相比,該機(jī)占用空間更小,重心更穩(wěn)。針對小麥、水稻等不同的糧食作物和不同的田間環(huán)境,可以選擇合適的輪式行走方式,方便靈活。上糧倉和側(cè)糧倉均為倒梯形,在上糧倉內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)板,導(dǎo)板沿上糧倉頂部的縱向中線向兩側(cè)底部傾斜,上糧倉的導(dǎo)板與側(cè)糧倉形成騎跨在脫粒機(jī)上的結(jié)構(gòu),使倒梯形為直角倒梯形,與駕駛室相鄰的邊為直角邊，如圖3所示。

a.主視圖；b.右視圖。1.上糧倉;2.放糧攪龍總成;3.左側(cè)糧倉;4.放糧攪龍;5.右側(cè)糧倉。圖3 糧倉結(jié)構(gòu)的示意圖

2.2 導(dǎo)草裝置的設(shè)計(jì)

谷物脫粒分離裝置是收割機(jī)的重要組成部分,脫粒及清選的效果直接影響到整個收割機(jī)的作業(yè)性能?，F(xiàn)有的聯(lián)合收割機(jī)通常在脫粒滾筒及上方的脫粒室頂蓋安裝有引導(dǎo)被脫物向后運(yùn)動的導(dǎo)草板,導(dǎo)草板的結(jié)構(gòu)型式及傾斜角度對脫粒至關(guān)重要。目前的收割機(jī)上頂蓋有圓弧頂和平頂兩個類型。平頂?shù)捻斏w易調(diào)整但對作物流動的阻力大,導(dǎo)致頂蓋磨損快而需另行加固;圓弧形的頂蓋導(dǎo)草板是固定的,角度不易調(diào)整,導(dǎo)草板調(diào)節(jié)時需拆除頂蓋,工作量大,不能最佳地適應(yīng)不同品種作物的收獲。

針對現(xiàn)有收割機(jī)導(dǎo)草板裝置的不足,本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)合理、調(diào)整方便的導(dǎo)草裝置(見圖4～圖5)。導(dǎo)草機(jī)構(gòu)均勻間隔布置在脫粒室的圓弧頂蓋上,一端與拉桿連接,其上固定轉(zhuǎn)軸,在頂蓋外部安裝旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄,針對不同的作物,通過調(diào)整導(dǎo)草板的角度達(dá)到最佳收獲效果,在不打開脫粒室頂蓋的情況下,就可以對導(dǎo)草板的角度進(jìn)行調(diào)整,減少頂蓋的磨損,操作方便可靠。

圖5 導(dǎo)草裝置-2

2.3 割臺裝置的設(shè)計(jì)

2.3.1 割臺的結(jié)構(gòu)形式 全喂入聯(lián)合收割機(jī)普遍采用臥式割臺,結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠。

2.3.2 割臺寬度 水稻的平均產(chǎn)量一般在7500～12000 kg/hm2,以割茬高度25 cm收割,割下作物草谷所占的比率為0.5，割幅的計(jì)算公式如下:

B=10000q·β/(M·vm)

上式中:B為收割機(jī)的割幅(m);q為脫粒滾筒的喂入量(kg/s);β為割下作物草谷所占的比率;M為水稻的產(chǎn)量(kg/hm2);vm為收割機(jī)的作業(yè)速度(m/s)。

當(dāng)脫粒滾筒的喂入量為6.5 kg/s左右時,機(jī)具的作業(yè)速度取1.5 m/s,經(jīng)計(jì)算,割幅在1806～2889 mm,故將割臺的寬度定為2400 mm。

2.4 動力裝置的設(shè)計(jì)

全喂入聯(lián)合收割機(jī)的功率消耗主要由拔禾裝置、切割裝置、輸送裝置、脫粒裝置、分離裝置、清選裝置、谷粒輸送提升裝置、液壓裝置、行走裝置、糧倉放糧裝置等各部分功率消耗組成。其中脫粒裝置和行走裝置的消耗功率居前2位,脫粒裝置消耗的功率占消耗總功率的28%～42%,行走裝置消耗的功率占總消耗功率的20%～40%。

影響脫粒裝置功率消耗的因素有很多,其中與脫粒速度、喂入量、凹板篩包角及作物濕度等關(guān)系最為密切,聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)一般都以喂入量來計(jì)算脫粒裝置的功率消耗。對于釘齒式脫粒滾筒,1 kg/s喂入量所需要的功率為3.7～4.4 kW。本機(jī)型設(shè)計(jì)考慮水稻產(chǎn)量、作物濕度、操作人員熟練程度等因素,以及滾筒轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性對脫粒分離效果影響的敏感性,適當(dāng)給予余量。因此,本機(jī)型以6.5 kg/s喂入量時的脫粒裝置功率消耗NT=4.4×6.5=28.6 kW；設(shè)脫粒裝置消耗的功率占總消耗功率的比例為38%,功率儲備系數(shù)取1.2,則本機(jī)型配套功率N=28.6/0.38×1.2=90.3 kW。

該機(jī)配置立式直列水冷四沖程柴油機(jī),標(biāo)定功率92 kW,標(biāo)定轉(zhuǎn)速2400 r/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)條件

2019年6月7日在安徽省泗縣泗城鎮(zhèn)胡陳村進(jìn)行小麥?zhǔn)崭钤囼?yàn),小麥品種為華城3366,平均自然高度81.1 cm,籽粒含水率15.7%,環(huán)境溫度35.1～35.7 ℃,環(huán)境濕度44.2%～43.5%。2019年12月7日在浙江省臺州市溫嶺西岸村進(jìn)行水稻收割試驗(yàn),水稻品種為甬優(yōu)9號,平均自然高度99.5 cm,籽粒含水率24.4%,環(huán)境溫度22.7～23.5 ℃,環(huán)境濕度67.1%～66.6%。試驗(yàn)選擇在切割線以上無雜草、作物直立的地塊內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)田塊不陷腳、無積水,長度不少于40 m,寬度不少于3個作業(yè)行程,要求測區(qū)長度為20 m。

3.2 試驗(yàn)方法

按照GB/T 8097─2008《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》、GB/T 5667─2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)對收割水稻和小麥的總損失率、破碎率、含雜率等進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2.1 總損失率 從莖稈和清選排出物樣品中分別清出未脫凈損失、分離損失和清選損失的籽粒質(zhì)量。按下式計(jì)算:

St=Sw+Sf+Sq

Wz=Wc×(1-Z)+Ww+Wf+Wq

上式中：St為脫粒機(jī)體損失率；Sw為未脫凈損失率，Sw=Ww/Wz×100%；Sf為分離損失率，Sf=Wf/Wz×100%；Sq為清選損失率，Sq=Wq/Wz×100%；Wc為出糧口籽粒質(zhì)量(g)；Ww為未脫凈損失的籽粒質(zhì)量(g)；Wf為分離(夾帶)損失的籽粒質(zhì)量(g)；Wq為清選損失的籽粒質(zhì)量(g)；Wz為總籽粒質(zhì)量(g)。

3.2.2 割臺損失率 在寬度為實(shí)際割幅、長度為1 m(當(dāng)割幅大于2 m時,長度為0.5 m)的面積內(nèi)揀起落粒、掉穗和漏割穗,脫粒清凈后稱籽粒質(zhì)量,換算成每平方米損失的質(zhì)量,測量3次，取平均值；從中減去每平方米的自然落粒量,即為割臺每平方米的實(shí)際損失量。按下式計(jì)算:

Sg=Wgs(B×L)/Wz×100%

上式中：Sg為割臺損失率(%)；B為平均實(shí)際割幅(m)；Wgs為每平方米實(shí)際損失量(g/m2)。S為收割機(jī)總損失率，S=St+Sg。

3.2.3 破碎率 從出糧口排出物中選取樣品，再從樣品中取出不少于100 g的小樣，從中挑選出破碎的籽粒,分別稱重,測量3次，取平均值,按下式計(jì)算:

Zp=Wp/W×100%

上式中：Zp為籽粒破碎率(%)；Wp為小樣中破碎的籽粒質(zhì)量(g)；W為小樣籽?？傎|(zhì)量(g)。

3.2.4 含雜率 從出糧口排出物中選取樣品，再從樣品中取出不少于100 g的小樣，從中選出雜質(zhì),分別稱重,測量3次，取平均值,按下式計(jì)算:

Z=Wg/W×100%

上式中：Wg為小樣中雜質(zhì)質(zhì)量(g)；W為小樣籽粒總質(zhì)量(g)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

樣機(jī)在田間收割試驗(yàn)中的各性能測試指標(biāo)如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：該樣機(jī)在田間收獲性能穩(wěn)定,安全性能高,各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求；與小麥?zhǔn)斋@相比,該機(jī)水稻收獲的總損失率降低了0.48個百分點(diǎn),破碎率降低了0.08個百分點(diǎn),含雜率降低了0.35個百分點(diǎn),因而該機(jī)更適用于水稻收獲。

表2 4LZ-6.5B型收割機(jī)田間收割試驗(yàn)結(jié)果

4 小結(jié)

中置騎跨式糧倉布局的設(shè)計(jì),增大了糧倉的貯存空間,同時使收割機(jī)具有穩(wěn)定的重心,提高了谷物收割效率和安全性能。合理設(shè)計(jì)了導(dǎo)草裝置,通過調(diào)整導(dǎo)草板的角度可以使收割的作物秸稈快速從脫粒機(jī)體排出。割臺的結(jié)構(gòu)型式和割臺寬度設(shè)計(jì)合理。整機(jī)動力配置可以滿足使用要求。田間試驗(yàn)結(jié)果表明:該樣機(jī)在田間收獲性能穩(wěn)定,安全性能高,各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求,但該機(jī)更適合于水稻的收獲。