李 健， 劉文亮， 張 亮， 王新陽(yáng)， 張煜晗

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

油莎豆是一種生長(zhǎng)在沙地的莎草科一年生塊莖類植物，塊莖呈圓形或橢圓形豆?fàn)?，富含油脂和淀粉，單位面積的出油量是大豆的3～4 倍[1]。吉林省擁有適合油莎豆生長(zhǎng)的沙土地資源66.7 萬(wàn)hm2以上，并且地勢(shì)平坦，晝夜溫差大，擁有發(fā)展油莎豆產(chǎn)業(yè)的最佳條件，極具發(fā)展?jié)摿?。然而，油莎豆收獲期較短，量大、水分高，極易發(fā)生霉?fàn)€。油莎豆分蘗能力強(qiáng)，根系直徑可達(dá)30 cm。收獲時(shí)需將10 cm 厚的土壤全部鏟起來(lái)，進(jìn)行根、土、豆、草的分離，篩土量巨大，收獲困難。

現(xiàn)有的油莎豆收獲機(jī)多采用傳統(tǒng)的平板振動(dòng)篩式或滾筒篩式分離裝置。平板振動(dòng)篩對(duì)水分高尤其是根莖帶綠的油莎豆，篩分過(guò)程分離困難，成團(tuán)的籽粒和土、根莖緊實(shí)的粘附于篩面，堵塞篩孔甚至被迫停機(jī)，篩分出的籽粒雜質(zhì)較多，儲(chǔ)存容易霉變。滾筒篩的篩網(wǎng)網(wǎng)眼尺寸固定，物料多時(shí)，篩網(wǎng)網(wǎng)眼堵塞，篩分不及時(shí)，籽粒會(huì)隨著根莖一同排出，造成脫凈率低、夾帶損失率大，嚴(yán)重影響篩分效果。雖已在田間試驗(yàn)，但由于問(wèn)題比較多，大都不滿足推廣條件[2]。

本文結(jié)合目前吉林省油莎豆的種植模式和農(nóng)藝要求，研制一種高效油莎豆收獲機(jī)，對(duì)該機(jī)型的核心部件進(jìn)行研究設(shè)計(jì)和對(duì)比試驗(yàn)，分析存在問(wèn)題并得出結(jié)論，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

在油莎豆收獲機(jī)研制過(guò)程中，首先利用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行樣機(jī)模型的建立，確定總體結(jié)構(gòu)。再進(jìn)行各部件的設(shè)計(jì)、分析和方案討論。最后形成圖紙，完成樣機(jī)的組裝和試制試驗(yàn)。該機(jī)主要由機(jī)架、升運(yùn)網(wǎng)鏈裝置、脫粒分離裝置、橫向輸送裝置、逐稿器、清選風(fēng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，可一次性完成油莎豆輸送、脫粒、清選及收集等作業(yè)。所述電機(jī)均采用變頻電機(jī)，其轉(zhuǎn)速可根據(jù)試驗(yàn)要求隨時(shí)調(diào)整。其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 油莎豆收獲機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of Cyperus bean harvester

1.2 工作原理及參數(shù)

工作時(shí)，挖掘出的油莎豆籽粒與雜質(zhì)土、根莖等通過(guò)升運(yùn)網(wǎng)鏈進(jìn)行初步篩土后，運(yùn)輸至脫粒滾筒。通過(guò)脫粒滾筒軸組件的旋轉(zhuǎn)擊打，籽粒從根莖上分離，土塊也被擊碎，部分碎土經(jīng)脫粒滾筒凹板篩的篩孔落到地面。脫粒后的籽粒、根莖和土壤混合物經(jīng)脫粒滾筒出口拋出落到后方逐稿器上。絕大部分根莖通過(guò)逐稿器交替拋送向后運(yùn)動(dòng)，至尾部排落地面。而籽粒、土壤和少部分碎根莖在重力及抖動(dòng)的作用下透過(guò)逐稿器上層篩板下落至下層篩板，土壤由下層篩板落回地面，油莎豆籽粒沿下層篩板運(yùn)動(dòng)至橫向輸送機(jī)進(jìn)行收集，而混雜的細(xì)小碎草等雜余由清選風(fēng)機(jī)吹出機(jī)體，從而得到潔凈的油莎豆籽粒。整機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 油莎豆收獲機(jī)主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main design technical parameters of Cyperus bean harvester

2 核心部件設(shè)計(jì)

2.1 輸送分離裝置

該油莎豆收獲機(jī)采用鏈條式升運(yùn)網(wǎng)鏈作為輸送分離裝置，其作用是將收集的油莎豆作物在輸送過(guò)程中進(jìn)行初步分離，并將未被分離的物料向后上方輸送到脫粒滾筒內(nèi)。該鏈條式升運(yùn)網(wǎng)鏈在傾角達(dá)到45°時(shí)仍具有良好的輸送能力，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、分離效果明顯、使用壽命長(zhǎng)。

2.2 脫粒分離裝置

脫粒分離裝置是該試驗(yàn)臺(tái)的核心工作部件，采用脫粒滾筒進(jìn)行切流式脫粒，主要部件包括支架、上蓋板、導(dǎo)流板、凹板篩和脫粒軸組件等。其優(yōu)點(diǎn)主要有3 個(gè)方面。①脫粒能力強(qiáng)。該脫粒滾筒通過(guò)設(shè)置較低的轉(zhuǎn)速和較大的脫粒間隙，采用弓齒切流式擊打方式，在滾筒旋轉(zhuǎn)3～5 圈后，完成全部脫粒。該結(jié)構(gòu)較好地保持脫粒后根莖的完整，有利于后續(xù)逐稿器排出，提高脫凈率。②分離質(zhì)量好。凹板篩的分離面積大，分離時(shí)間長(zhǎng)，且脫粒和分離同時(shí)完成，幾乎全部籽粒都可以分離。③破碎率低。切流式脫粒滾筒速度低、脫粒間隙大，脫粒元件對(duì)油莎豆的沖擊力較小，使得油莎豆不會(huì)因機(jī)械作用過(guò)強(qiáng)而破碎[3]。

2.2.1 脫粒軸組件

脫粒軸組件是實(shí)現(xiàn)脫粒功能的核心工作部件，主要包括芯軸、軸輥、軸管及弓齒，如圖2 所示。其直徑越大、長(zhǎng)度越長(zhǎng)，脫粒分離能力越強(qiáng)，效果越好。脫粒軸組件是在4 根軸管上采用正反螺旋方式等距焊接一定數(shù)量弓齒，弓齒與軸管成45°設(shè)置。4 根軸管再通過(guò)螺栓，交替均布固定連接于軸輥上。此結(jié)構(gòu)可保證一定的沖擊力，抓取能力強(qiáng)，有效防止纏繞，但脫出物含雜率較高。

圖2 脫粒軸組件結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of threshing shaft assembly

2.2.2 凹板篩

凹板篩除了配合滾筒進(jìn)行脫粒外，還是主要的分離部件，凹板包角、篩孔型式及間隙是影響分離效果的主要因素。隨著包角的增大，分離面積增大，脫凈率越高，漏土功能越強(qiáng)[4]。該油莎豆收獲機(jī)凹板篩弧形面板上等距設(shè)置橢圓形篩孔，篩孔短軸長(zhǎng)為油莎豆平均直徑的0.45～0.55 倍，長(zhǎng)軸長(zhǎng)為油莎豆平均直徑的2.5～3.5 倍，可使籽粒快速分離、快速漏土，有效減少篩網(wǎng)堵塞。

2.3 清選裝置

清選裝置是油莎豆脫粒清選試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，其功能是將脫粒滾筒分離出來(lái)的油莎豆中的大量根莖和土壤清理干凈。清選裝置主要由逐稿器和風(fēng)機(jī)組成。

2.3.1 逐稿器

該機(jī)采用雙層多階4 箱式逐稿器。逐稿器上下兩層篩板上設(shè)置有橢圓孔，其中上層篩板橢圓孔的短軸長(zhǎng)為油莎豆平均直徑的1.5 倍左右，長(zhǎng)軸長(zhǎng)為油莎豆平均直徑的2.5～3.5 倍；下層篩板橢圓孔的短軸長(zhǎng)為油莎豆平均直徑的0.5 倍，長(zhǎng)軸長(zhǎng)為油莎豆平均直徑的2.5～3.5 倍。采用多階4 箱式結(jié)構(gòu)，通過(guò)不斷往復(fù)交錯(cuò)的拋送運(yùn)動(dòng)，可加快草在上層篩板的運(yùn)動(dòng)速度，最后經(jīng)逐稿器末端排落田間。而下層篩板可將油莎豆中土壤和細(xì)小雜草二次篩分，最終達(dá)到分離根、葉、莖的作用。該結(jié)構(gòu)分離能力強(qiáng)，效率高，最大程度簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，有效解決分離困難、易纏繞、堵塞的問(wèn)題[5]。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 逐稿器結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of manuscript beater

2.3.2 風(fēng)機(jī)

該機(jī)采用離心式風(fēng)機(jī)，設(shè)有風(fēng)量、風(fēng)向調(diào)節(jié)板。當(dāng)氣流吹送方向與篩面成20°～25°時(shí)，并保證風(fēng)扇出氣管道吹著篩面在長(zhǎng)度方向的范圍應(yīng)為篩子全長(zhǎng)的2/5～3/5，能較好適應(yīng)雜余根莖的流量情況，有效清除根莖碎屑等雜余，處理能力強(qiáng)，可保障籽粒的清潔度[6]。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該油莎豆收獲機(jī)試驗(yàn)內(nèi)容主要包括分離試驗(yàn)和清選試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為人工挖掘的油莎豆，試驗(yàn)設(shè)備主要包括傳送帶、土壤水分測(cè)量?jī)x、數(shù)字式高精度轉(zhuǎn)速儀器、高速攝像機(jī)、米尺、秒表、電子秤、油莎豆收獲機(jī)樣機(jī)。試驗(yàn)前測(cè)定多組油莎豆土壤含水率，結(jié)果相近，均值6.9%。

（1）試驗(yàn)材料準(zhǔn)備。預(yù)定品種單一、成熟度較一致的油莎豆地塊，成熟后同一時(shí)期統(tǒng)一進(jìn)行挖掘、裝袋、收集和儲(chǔ)藏。采收量共20 袋，稱量、編號(hào)記錄。

（2）試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)開(kāi)始前，將轉(zhuǎn)速傳感器架擺放到合適位置并進(jìn)行調(diào)試；開(kāi)啟高速攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)逐稿器出口處；檢查控制臺(tái)顯示器與燈光指示是否正常，確認(rèn)正常后，啟動(dòng)各電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)2 min，同時(shí)檢查各部分裝置運(yùn)行情況是否平穩(wěn)正常。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig. 4 Test site

3.2 收獲作業(yè)指標(biāo)及計(jì)算方法

3.2.1 損失率

損失率是衡量油莎豆收獲機(jī)重要技術(shù)指標(biāo)之一，是所有未收集到完整籽粒之和占籽?？傎|(zhì)量的百分比。在測(cè)定區(qū)內(nèi)，撿起全部落地籽粒，分為振動(dòng)篩風(fēng)機(jī)排出籽粒和逐稿器排出籽粒，分別稱其質(zhì)量。按照式（1）計(jì)算損失率SL。

式中WL?收獲籽粒質(zhì)量，g

Wf?振動(dòng)篩風(fēng)機(jī)排出籽粒質(zhì)量，g

Wz?逐稿器排出籽粒質(zhì)量，g

3.2.2 含雜率

含雜率是收獲物所含雜質(zhì)（主要是莖稈、根、土、石塊等）質(zhì)量占其總質(zhì)量的百分比。將收集到的一定質(zhì)量（約2 000 g）的混合籽粒，從中分離出雜質(zhì)，并稱其質(zhì)量，按式（2）計(jì)算籽粒含雜率ZZ。

式中Wzm?雜質(zhì)質(zhì)量，g

Wb? 混合籽粒質(zhì)量，g

3.2.3 破碎率

破碎率是因機(jī)械損傷而造成油莎豆收獲過(guò)程中破裂、裂紋、破皮，其籽粒質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。經(jīng)觀察，此油莎豆收獲機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中破碎籽粒數(shù)幾乎為零，故在正交試驗(yàn)中此因素不考慮[7]。

3.3 正交試驗(yàn)

在試驗(yàn)中，以脫粒滾筒頻率、風(fēng)機(jī)頻率、逐稿器頻率為3 個(gè)因素，通過(guò)前期單因素試驗(yàn)觀察和理論分析，確定試驗(yàn)因素水平如表2 所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Tab. 2 Experimental factors and levels

根據(jù)油莎豆收獲的實(shí)際技術(shù)要求，進(jìn)行了3 因素3水平正交試驗(yàn)，分別稱量并計(jì)算每組油莎豆的損失率η1和含雜率η2，并用極差法計(jì)算出綜合指標(biāo)η的R值。試驗(yàn)分離的土、油莎豆和莖稈如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)分離的土、油莎豆和莖稈Fig. 5 Soil，Cyperus bean and stem separated from the test

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3 所示。不考慮各因素的交互作用，通過(guò)分析表中試驗(yàn)結(jié)果判斷各個(gè)因素對(duì)性能指標(biāo)的影響主次，最終確定最優(yōu)參數(shù)組合。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 3 Test plan and results

此試驗(yàn)為多指標(biāo)正交試驗(yàn)，將油莎豆的損失率η1和含雜率η2兩指標(biāo)綜合加權(quán)評(píng)分計(jì)算出綜合指標(biāo)η，最終確定最優(yōu)組合為A2B2C1，即脫粒滾筒頻率40 Hz、風(fēng)機(jī)頻率28 Hz、逐稿器頻率40 Hz，為后期樣機(jī)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為消除隨機(jī)誤差，確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性，選取上述較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，并取平均值為試驗(yàn)驗(yàn)證值。試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果分別為損失率5.8%和含雜率0.497%。通過(guò)對(duì)比分析可知，優(yōu)選后的油莎豆收獲裝置的綜合作業(yè)質(zhì)量?jī)?yōu)于其他參數(shù)組合下的作業(yè)性能。因此，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)推薦采用該較優(yōu)組合：脫粒滾筒頻率40 Hz、風(fēng)機(jī)頻率28 Hz、逐稿器頻率40 Hz。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)北方地區(qū)油莎豆收獲相關(guān)農(nóng)藝要求，針對(duì)油莎豆收獲困難、人工收獲率低等問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)的油莎豆收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、收獲效率高，可一次完成幅寬1.3 m 的油莎豆收獲作業(yè)，實(shí)現(xiàn)低損脫粒清選。

（2）通過(guò)3 因素3 水平正交試驗(yàn)，確定了油莎豆收獲機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合，當(dāng)脫粒滾筒頻率40 Hz、風(fēng)機(jī)頻率28 Hz、逐稿器頻率40 Hz 時(shí)，油莎豆損失率和含雜率均最低。

（3）采用振動(dòng)式輸送技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了脫粒滾筒和逐稿器式分離技術(shù)，符合油莎豆生產(chǎn)農(nóng)藝要求。該油莎豆收獲機(jī)的研究設(shè)計(jì)可解決油莎豆機(jī)收難的瓶頸問(wèn)題，將對(duì)油莎豆機(jī)械化生產(chǎn)模式的建立和發(fā)展起到積極的推動(dòng)和示范作用，并將進(jìn)一步帶動(dòng)油莎豆產(chǎn)業(yè)向規(guī)?；?、規(guī)范化方向發(fā)展。