王天福，戴 飛，趙武云，史瑞杰，趙一鳴，楊發(fā)榮，邢立成，王國鑫

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；3.江蘇沃得農(nóng)業(yè)機械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

藜麥(Quinoa)又稱南美藜、印第安麥等，原產(chǎn)地南美洲，為一年生草本植物，具有耐鹽堿和抗寒旱特性，被譽為“營養(yǎng)黃金”，是我國西北、西南高寒干旱丘陵地區(qū)的主要糧食作物[1-4]。藜麥低脂低糖，營養(yǎng)價值豐富，富含人體所必需氨基酸，是嬰幼兒、三高人群的理想保健和食療產(chǎn)品，近年來備受推崇[2-4]。我國藜麥種植面積約為2.4×104hm2，主要分布在甘肅、青海、云南、貴州等省份，其中甘肅省作為藜麥主產(chǎn)區(qū)之一，其種植面積約占全國種植總面積的40%[2-5]。

藜麥在歐美國家種植面積較大，現(xiàn)有藜麥聯(lián)合收割機均采用播禾輪或鏈齒式進行喂入，脫粒裝置、清選裝置均采用無級變速，各裝置智能化和模塊化控制，可實現(xiàn)對不同成熟度藜麥進行收獲作業(yè)，收獲效率較高[6]。我國藜麥引進較晚，同時受地域、種植品種、作業(yè)成本等多方面限制，收獲裝備尚不能完全適應(yīng)我國丘陵山地藜麥?zhǔn)斋@作業(yè)。近年來，海梅等[7-8]對普通收獲機械收獲藜麥脫出物物料特性進行研究，為藜麥清選設(shè)備研發(fā)提供借鑒；趙子龍等[9]對藜麥谷物進行浸水試驗；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)針對大田種植模式研發(fā)出國內(nèi)第一臺大型自走式藜麥聯(lián)合收割機，解決了大田藜麥?zhǔn)斋@無機可用現(xiàn)狀[10]。目前，市場未見適應(yīng)丘陵山地藜麥?zhǔn)斋@裝備，丘陵山地稻麥聯(lián)合收割機不能適應(yīng)高桿藜麥作物性狀以及脫出物料差異小等特性，造成損失大、含雜高等問題，國內(nèi)藜麥?zhǔn)斋@多以人工收割攆壓脫粒為主，勞動強度大，收獲效率低。山區(qū)降雨集中，成熟藜麥浸雨后會發(fā)芽，其品質(zhì)受到嚴(yán)重影響，丘陵山地藜麥機械化收獲現(xiàn)狀嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展，地區(qū)藜麥?zhǔn)斋@裝備研發(fā)成為亟需解決的難題。

針對國內(nèi)丘陵山地藜麥種植地塊小、道路狹窄、大型機具難進場等現(xiàn)象，為降低藜麥?zhǔn)斋@損失率和含雜率，解決丘陵山區(qū)藜麥聯(lián)合收獲無機可用的難題，本研究依據(jù)藜麥種植農(nóng)藝要求，基于其莖稈特性擬設(shè)計出一種丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機。該機采用小行距擴口式鏈齒喂入裝置、穗莖分流雙層割刀、紋桿和桿齒組合式縱軸流脫粒滾筒、組合式分離凹板、雙層往復(fù)式振動篩等裝置，實現(xiàn)藜麥莖稈和果穗順暢喂入、脫粒與分離、清選等作業(yè)，從而解決收獲喂入難和損失大等難題，為藜麥機械化生產(chǎn)提供參考。

1 藜麥種植農(nóng)藝要求與植株特性

丘陵山地藜麥多采用覆膜穴播方式，單膜3行種植，中間留有植保工作行，種植后膜面寬度為1 000 mm，藜麥種植行距350～380 mm，株距150～250 mm[4,7]，種植地坡度15°。藜麥生長期90～120 d，成熟期藜麥植株高300～2 500 mm，單株質(zhì)量為200～260 g，草谷比平均為1.8，千粒重4～6 g，籽粒圓周直徑1.8～2.2 mm，平均厚度1.2 mm。成熟藜麥植株穗頭大、莖稈脆、易倒伏，普通稻麥聯(lián)合收割機無法對倒伏藜麥進行適應(yīng)收獲。

2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機結(jié)構(gòu)

丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機(圖1，見260頁)由割臺、過橋、下割刀、鏈齒喂入裝置、脫粒裝置、清選裝置、發(fā)動機動力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等組成，其中割臺是整機創(chuàng)新部分。整機由柴油機提供動力，單邊鏈齒完成撥禾工序，割臺負(fù)責(zé)藜麥切割、喂入工序，實現(xiàn)藜麥小偏差對行收獲；脫粒滾筒采用紋桿+桿齒縱軸流結(jié)構(gòu)，與組合式凹板實現(xiàn)藜麥物料的高效脫粒與分離；清選系統(tǒng)由風(fēng)機和雙層往復(fù)式振動篩組成，實現(xiàn)藜麥脫粒物料的清選作業(yè)，整機滿足丘陵山地、坡地作業(yè)。整機技術(shù)參數(shù)見表1。

1.割臺；2. 過橋；3. 操作臺；4. 雜余輸送器；5. 籽粒輸送器；6. 卸糧桶；7. 糧箱；8. 脫粒滾筒；9. 組合凹板篩；10. 振動篩；11. 風(fēng)機；12. 行走底盤；13. 下割刀1. Header; 2. Bridge; 3. Console; 4. Miscellaneous conveyor;5. Grain conveyor; 6. Unloading bucket; 7. Grain box;8. Threshing drum; 9. Combined concave screen;10. Vibrating screen;11. Fan;12. Walking chassis; 13. Lower cutter圖1 丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機Fig.1 Hilly quinoa combine harvester

表1 丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of quinoa combine harvester in hilly and mountainous areas

2.2 工作原理

機具作業(yè)時，割臺分禾器對藜麥上部莖稈進行分禾切割后進入脫粒滾筒，下部莖稈被下割刀切割后鋪放在田間。藜麥物料在紋桿式脫粒滾筒的打擊、揉搓作用下分離，部分藜麥籽粒由柵格凹板落下，其余物料進入桿齒段并分層，藜麥籽粒、短莖稈和穎殼從組合式編制篩凹板孔隙落入到清選裝置，莖稈在導(dǎo)草板的作用下排出機外，質(zhì)量較輕的短莖稈、穎殼、輕雜質(zhì)被風(fēng)機吹出機外。經(jīng)過氣流與振動篩作用后的藜麥籽粒被一級輸送螺旋輸送進糧倉，含藜麥穗頭較多的雜余被二級螺旋輸送至脫粒室進行復(fù)脫和復(fù)清選。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 割 臺

丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機割臺(圖2)采用小行距擴口式鏈齒喂入，包括側(cè)分禾器、螺旋分禾器、中間分禾器、鏈齒、上割刀、螺旋攪輪、后擋板、過橋。側(cè)分禾器和中間分禾器采用擴口式結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)藜麥小偏差對行收獲；喂入裝置使用鏈齒式喂入，鏈齒直接作用于藜麥莖稈，減少與藜麥果穗接觸，解決喂入難、損失大等問題。

1.側(cè)分禾器；2. 螺旋分禾器；3. 螺旋輸送攪攏；4. 后擋板；5. 過橋；6. 輸送鏈；7. 擋草板；8. 伸縮彈齒；9. 撥齒；10. 上割刀；11. 中間分禾器。1. Side grain divider; 2. Spiral grain divider; 3. Spiral conveying and stirring; 4. Rear baffle; 5. Bridge; 6. Conveyor chain;7. Grass guard; 8. Telescopic spring teeth; 9. Shift teeth; 10. Upper cutting knife; 11. Middle grain divider圖2 藜麥擴口鏈齒喂入割臺Fig.2 Quinoa flared chain teeth are fed into the header

參照藜麥種植農(nóng)藝、行距、株距，考慮到作業(yè)效率、轉(zhuǎn)移等情況，割臺設(shè)計幅寬為1 900 mm，5行喂入，由種植農(nóng)藝與作業(yè)速度計算得到單位時間喂入藜麥15～20株，質(zhì)量3 000～3 900 g，設(shè)計喂入量為4.0 kg·s-1。

3.1.1 分禾器 藜麥植株在沿分禾器外沿運動,植株經(jīng)分禾后在A點達到最大分禾傾角α。田間測得藜麥莖稈最大傾角為37°[10-11]，此時最大拉伸力約為30 N，藜麥分禾示意圖如圖3所示。

注：X為割臺離地高度(mm)；α為分禾器對藜麥分禾傾角(°)；W為分禾器寬度(mm)；O點為藜麥植株與地面的交點；B點為分禾器尖端；A點為藜麥與分禾器接觸點。Note: X is the height of the header from the ground (mm); α is the inclination angle of the crop divider to the quinoa (°); W is the width of the crop divider (mm); Point O is the intersection point between the quinoa plant and the ground; Point B is the tip of the crop divider; Point A is the contact point between the quinoa and the divider.圖3 藜麥分禾示意圖Fig.3 Schematic diagram of quinoa division

分禾器寬度計算公式為：

(1)

式中，X為分禾器與莖稈根部距離(mm),取X=200 mm。

由式(1)計算得出中間分禾器寬度為527 mm，結(jié)合種植行距，實現(xiàn)小偏差對行收獲，取中間分禾器寬度W=230 mm，此時最大分禾傾角為29.8°，小于田間測定最大測定傾角，不會造成藜麥喂入折損，符合設(shè)計原理。

3.1.2 鏈齒喂入裝置 喂入過程中，鏈輪帶動整個喂入鏈條做撥禾運動，撥齒對藜麥莖稈產(chǎn)生接觸力，與莖稈發(fā)生相對運動，撥禾過程中藜麥向鏈齒邊滑移，喂入過程中相對運動位移為ΔS，鏈齒撥禾角度β應(yīng)小于臨界折斷角37°[10-12]，鏈齒撥禾示意圖如圖4所示，其運動方程[13]為：

注：Y為鏈齒撥禾行程(mm)；Y1為莖稈切割后高度(mm)；S為鏈齒節(jié)距(mm)；β為鏈齒撥禾角度(°)；O點為藜麥植株與地面的交點；W0為分禾器安裝間距(mm)；Wb為撥齒高度(mm)。Note: Y is the stroke of the sprocket (mm); Y1 is the height of quinoa after cutting (mm); S is the pitch of the sprocket (mm); β is the angle of the sprocket (°); Point O is the intersection point between the quinoa plant and the ground; W0 is the installation spacing of divider (mm); Wb is the gear height (mm).圖4 撥齒喂入示意圖Fig.4 Schematic diagram of shifting gear feeding

(2)

式中，λ為速比；Va為機器前進速度(m·s-1)，取Va=1 m·s-1；Vb為鏈齒速度(m·s-1)。Δt為單株藜麥撥禾所用時間(s)；C1為藜麥種植株距(mm)，取C1=250 mm；β為莖稈鏈齒喂入傾角(°)，取β=37°。

由式(2)計算得，相對位移ΔS應(yīng)小于150.7 mm，則鏈齒速度為1.0～1.6 m·s-1，為避免藜麥喂入折損，莖稈后傾幅度不宜過大，設(shè)計Vb=1.25 m·s-1，鏈齒線速度滿足喂入條件，可實現(xiàn)藜麥植株順暢喂入。鏈齒喂入夾角β小于藜麥臨界折斷傾角[10,14]，不會造成喂入折損。

藜麥在撥齒作用下達到一定傾角后由割刀切割后倒向割臺內(nèi)部，完成切割喂入工序，輸送鏈為單邊撥齒，撥齒由A點撥禾至B點(工作長度記為Y,圖2)，完成切割，設(shè)A點到B點，B點到C點，A點到C點距離分別為LAB、LBC、LAC,鏈齒長度可按式(3)計算：

Y=LAB=LAC+LBC

(3)

設(shè)計莖稈喂入角β=37°，水平螺旋輸送器裝配尺寸為550 mm，則LBC最小距離為：

LBC=Y1sinβ-550

(4)

LAC=S

(5)

式中，S為鏈齒間距(mm)。藜麥平均株高為1 620 mm，割茬高度為150 mm，則Y1為1 470 mm。

考慮到藜麥種植農(nóng)藝，減少因鏈齒間距過大造成的植株折損，導(dǎo)致喂入不暢，設(shè)置喂入鏈齒間距為S，鏈齒在前進單個株距時間運動距離為：

(6)

設(shè)計每個鏈齒最多撥送1枝藜麥，計運動距離內(nèi)鏈齒數(shù)為N，則有：

N·S≥S0

(7)

則該時間內(nèi)經(jīng)過鏈齒數(shù)Nmin為：

(8)

則鏈齒間距

(9)

式中，Nmin為單個藜麥株距內(nèi)轉(zhuǎn)過最少鏈齒數(shù)，取Nmin=2。

帶入計算數(shù)據(jù)可得，鏈齒間距S≤156 mm，設(shè)計取鏈齒間距S=125 mm[11]?？紤]到割臺尺寸，設(shè)計輸送鏈長度Y=470 mm。

為確保順暢撥禾、喂入，對撥齒高度有一定要求，田間測量藜麥根部撥齒部位莖稈直徑為12.00～19.12 mm，取莖稈平均直徑為16.4 mm，極限尺寸偏差為7 mm，取鏈齒間隙極限尺寸偏差為5 mm，喂入時要求藜麥不能滑出撥齒，滿足99.9%藜麥喂入要求[10]，則設(shè)計撥齒高度Wb滿足：

(10)

式中，η為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

由式(10)計算得Wb≥36.94 mm。鏈齒長度影響割臺喂入流暢性，為保證不發(fā)生藜麥莖稈堵塞和斷裂等現(xiàn)象，同時考慮裝配間隙，取Wb=55 mm，設(shè)計分禾器安裝間距W0=290 mm。

藜麥植株高、草谷比大，為降低清選難度，割臺配置下割刀(圖5)，作業(yè)過程中，上割刀將對藜麥最低結(jié)穗部位進行切割，已切割的作物被輸送進割臺進入脫粒裝置，下割刀對莖稈根部再次切割，實現(xiàn)穗莖分流，減少莖稈喂入，降低脫粒系統(tǒng)功率損耗。

圖5 下割刀示意圖Fig.5 Schematic diagram of lower cutter

3.2 割臺喂入仿真分析

3.2.1 模型建立 基于Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型建立藜麥莖稈離散元模型，莖稈離散元接觸參數(shù)參考史瑞杰等[10]方法確定(表2)，藜麥莖稈離散元模型生成方法為先填充后粘結(jié)，顆粒粘結(jié)參數(shù)法向剛度Kn、切向剛度Ks、法向極限應(yīng)力σ、切向極限應(yīng)力γ計算公式為[15]：

(11)

表2 EDEM 中物料屬性及接觸參數(shù)Table 2 Parameters of materials and contact in EDEM

式中，μa和μb為顆粒泊松比，取值0.3；Ea和Eb為顆粒彈性模量(MPa)，取值416 MPa；Ra和Rb為顆粒半徑(mm)，取值8.2 mm。

(12)

式中，F(xiàn)n為臨界壓力(N)，取Fn=1 028 N；R為壓縮面半徑(mm)，取R=8.2 mm；Fc為莖稈內(nèi)聚力(MPa)，取Fc=0.005 MPa[15]；φ為內(nèi)摩擦角(°)，取φ=30°[15]。

將力學(xué)試驗數(shù)據(jù)代入式(11)、(12)，得Kn=2.36×109N·m-3、Ks=1.58×109N·m-3、σ=48.7 MPa、γ=28.1 MPa，設(shè)置顆粒粘結(jié)半徑Rj=10 mm。在藜麥秸稈幾何體內(nèi)建立1個顆粒工廠，藜麥莖稈離散元模型長650 mm，直徑16.4 mm。顆粒粘結(jié)后導(dǎo)入分禾器三維模型，對各部件分別定義材料屬性。設(shè)置前進速度為1 m·s-1，鏈齒速度為1.25 m·s-1。計算時采用Rayleigh時間的15%，時間步長為3.5×10-6，設(shè)置仿真時間1 s[10]。參數(shù)設(shè)置完成后分別進行藜麥植株分禾、鏈齒喂入過程仿真計算。

仿真結(jié)束后在后處理得到藜麥莖稈分禾過程與鏈齒喂入過程接觸受力云圖(圖6，見260頁)；藜麥莖稈分禾、鏈齒喂入過程各時刻受力如圖7所示。

3.2.2 仿真分析 由圖6A、圖7a可以看出，隨機具前進，沿分禾方向，分禾角度逐漸增大，藜麥莖稈在0.03 s時受力最大，此時分禾器與藜麥莖稈瞬間接觸，最大作用力為10.14 N，0.4 s時藜麥莖稈到達分禾器側(cè)邊處，進入鏈齒喂入過程，此時最大分禾角度為28°；由圖6B、圖7b可以看出，隨機具前進，沿鏈齒喂入方向，藜麥莖稈鏈齒喂入角度逐漸增大，莖稈在0.47 s受力最大，此時撥齒與莖稈最大作用力為9.95 N，此時藜麥經(jīng)鏈齒撥禾到達割刀處，鏈齒喂入過程中最大分禾角度為23°[16]。分禾與鏈齒喂入過程中莖稈與割臺接觸力均未達到藜麥莖稈折斷最大受力，植株未到達最大折斷傾角，割臺仿真分禾、喂入過程與實際分禾、喂入過程接近，表明割臺設(shè)計參數(shù)合理。

圖6 藜麥分禾、鏈齒喂入受力云圖Fig.6 Stress nephogram of quinoa grain division and chain tooth feeding

圖7 藜麥莖稈與割臺接觸力曲線Fig.7 Contact force curve between quinoa stalk and header

3.3 脫粒裝置

3.3.1 組合式脫粒滾筒 藜麥成熟期含水率高、莖稈脆，藜麥脫粒采用紋桿+桿齒空間布局方式，藜麥先經(jīng)紋桿擠壓，再經(jīng)桿齒分離以降低夾帶損失[17]。組合式脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖8所示。

注：1. 喂入頭；2. 紋桿脫粒元件；3. 桿齒脫粒元件；4. 輻盤；5. 輻條。L1為喂入段長度(mm)；L2為紋桿工作長度(mm)；L3為分離段工作長度(mm)；L4為排草段長度(mm)；L5為桿齒間距(mm)；L6為桿齒工作長度(mm)。Note: 1. Feeding head; 2. Striated rod threshing element; 3. Rod tooth threshing element; 4. Spoke plate; 5. Spoke. L1 is the length of feeding section (mm). L2 is the working length of the corrugated rod (mm); L3 is the working length of separation section (mm); L4 is the length of grass discharge section (mm); L5 is the rod tooth spacing (mm); L6 is the working length of rod teeth (mm).圖8 紋桿+桿齒組合式脫粒滾筒示意圖Fig.8 Schematic diagram of grain rod + rod tooth combined threshing drum

脫粒滾筒長度影響藜麥脫凈率，計算公式為：

L≥q1/q0

(13)

式中，q1為脫粒裝置的喂入量(kg·s-1)，取q1=4.0 kg·s-1；q0為滾筒單位長度允許承擔(dān)的喂入量(kg·s-1·m-1)，取q0=3 kg·s-1·m-1，計算得滾筒長度為1 350 mm[10,13]。

成熟期藜麥籽粒包裹有穎殼，為使脫粒充分，取脫粒滾筒直徑D=550 mm[13]，脫粒滾筒配置紋桿數(shù)Z=6，按式(14)計算紋桿間距T為280 mm。

(14)

滾筒轉(zhuǎn)速影響脫凈率與損失率[18]。滾筒轉(zhuǎn)速n計算公式為：

(15)

式中，v為脫粒滾筒線速度(m·s-1)，參考水稻、高粱取v=20～24 m·s-1[13]。計算得藜麥脫粒滾筒轉(zhuǎn)速范圍為694～833 r·min-1。

脫粒滾筒由喂入段、紋桿脫粒段、桿齒分離段、排草段組成，設(shè)計喂入段長度L1=240 mm，紋桿脫粒段L2=550 mm，桿齒分離段L3=550 mm。桿齒對稱安裝實現(xiàn)充分分離，桿齒間距L5=70 mm，工作高度L6=66 mm。

3.3.2 組合式凹板篩 組合式凹板篩(圖9)配合脫粒滾筒完成谷物脫粒與分離。脫離滾筒前段配置柵格凹板，利用柵格篩較好的脫粒能力，使物料籽?？焖倜摿?，根據(jù)籽粒直徑設(shè)計柵格間距ds=10 mm；后段配置編制篩，減少細(xì)碎莖稈落入清選系統(tǒng)，降低含雜率[19]，取編制篩間距a為14 mm×14 mm。

注：1.柵格篩；2.編制篩。ds為柵格間距(mm)；a為編制篩間距(mm)；τ為凹版包角(°)；dx為凹版間隙(mm)。Note: 1. Grid sieve; 2. Weaving sieve. ds is the grid spacing (mm); a is the spacing of the weaving sieve (mm); τ is intaglio wrap angle (°); dx is gravure clearance (mm).圖9 分離凹板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structural diagram of separating concave plate

凹板面積對分離效率和脫凈率均產(chǎn)生影響。較大的分離面積使得脫粒分離作業(yè)更容易，凹板弧長、凹板面積、凹板包角計算公式為[13]:

(16)

式中，A0為凹板面積(m2)；B0為凹板寬度(mm)；l為凹板弧長(mm)。ζ為喂入物料中藜麥籽粒所占比重，取ζ=0.35[10]；q1為喂入量(kg·s-1)，取q1=4.0 kg·s-1；qa為單位凹板面積可承受的喂入量(kg·s-1)，取qa=5 kg·s-1[13]。計算得到B0=1 100 mm，凹板弧長l為870 mm，凹板面積0.95 m2，包角τ為180°，設(shè)計凹板間隙dx=20 mm。

3.4 清選裝置

清選裝置(圖10，見260頁)采用離心風(fēng)機+雙層振動篩式模式，由離心風(fēng)機、篩箱、輸送螺旋等組成[20-22]。振動篩負(fù)責(zé)將藜麥籽和短莖稈等混合物分層篩選，風(fēng)機負(fù)責(zé)將脫粒產(chǎn)生的雜余以及藜麥穎殼吹出。

1.風(fēng)機；2. 抖動版；3. 魚鱗篩；4. 尾篩；5. 偏心輪；6. 二級雜余輸送螺旋；7. 魚鱗篩開度調(diào)節(jié)裝置；8. 一級籽粒輸送螺旋；9. 下篩；10. 調(diào)風(fēng)板1. Fan; 2. Shaking plate; 3. Fish scale screen; 4. Tail screen; 5. Eccentric wheel; 6. Secondary residue conveying screw; 7. Fish scale screen opening adjustment device;8. Primary grain conveying screw; 9. Lower screen; 10. Air regulating plate圖10 清選裝置總成Fig.10 Cleaning device assembly

清選裝置簡圖如圖11所示。為確保往復(fù)式振動篩運送藜麥脫粒物料能夠充分分離，篩面尺寸、喂入量之間應(yīng)滿足關(guān)系式[23-24]：

1.風(fēng)機外殼；2. 風(fēng)扇葉片；3. 調(diào)風(fēng)板；4. 籽粒攪攏；5. 篩箱；6. 雜余攪攏1. Fan shell; 2. Fan blade; 3. Air regulating plate; 4. Grain mixing; 5. Screen box; 6. Miscellaneous mixing圖11 清選系統(tǒng)簡圖Fig.11 Schematic diagram of cleaning system

W1=q1(1-ψK)/B1qs

(17)

式中，W1為篩板長度(mm)；q1為收割機喂入量(kg·s-1)，取q1=4 kg·s-1；ψ為秸草占藜麥脫粒物料總重量的比值，取ψ=0.6[8,10]；K為脫粒清選裝置工作特性系數(shù)，取K=0.75[23-24]；B1為篩板的寬度(mm)，取B1=650 mm；qs為篩面單位面積可承擔(dān)的脫粒物料喂入量(kg·s-1)，取qs=2.8 kg·s-1[23]。由此可計算得W1=1 200 mm。

雙層往復(fù)式振動篩上篩使用魚鱗篩(圖12a)，魚鱗篩開度0～45°可調(diào)節(jié)，目的是在不同作業(yè)模式下調(diào)整魚鱗篩開度以提高篩分效率；根據(jù)藜麥直徑與篩分條件，為降低含雜率，取編制篩(圖12b)間距Di為6 mm×6 mm，編制篩直徑j(luò)=2 mm，編制篩尺寸為650 mm×530 mm[10]。

注：1.開度調(diào)節(jié)裝置；2.篩片。La為下篩長度(mm)；Lb為下篩寬度(mm)；Di為編制篩間距(mm)；j為篩條直徑(mm)。Note: 1. Opening adjustment device; 2. Sieve piece. La is the length of the lower screen (mm); Lb is the width of the lower screen (mm); Di is the spacing of the screen (mm); j is the diameter of the screen bar (mm).圖12 魚鱗篩與清選編制篩局部圖Fig.12 Partial drawing of fish scale screen and cleaning screen

選用通用離心式風(fēng)機，風(fēng)扇直徑D0=350 mm。風(fēng)機工作時，氣流從兩端吸入，在葉片作用下，沿風(fēng)道方向吹出。出風(fēng)口高度決定吹風(fēng)面積，影響脫出物分散程度[23,25]，兩者需滿足條件：

H=K1W1sinθ0

(18)

式中，H為出風(fēng)口高度(mm)；K1為系數(shù)，取K1=0.4[23]；θ0為氣流與篩面夾角(°)，取θ0=30°[25]?？捎嬎愕肏=240 mm。

3.5 行走穩(wěn)定性能分析

在機具轉(zhuǎn)場作業(yè)時要經(jīng)歷爬坡、下坡等情況，為適應(yīng)丘陵山地小地塊作業(yè)，需對丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機爬坡、下坡過程進行車輛穩(wěn)定性分析。機具縱向和橫向穩(wěn)定性能分析如圖13所示。

圖13 機具行走穩(wěn)定性分析Fig.13 Analysis of walking stability of the implement

機具行駛穩(wěn)定性主要影響因素為履帶觸地長度、履帶軌距、機具質(zhì)心離地高度[26]，則機具縱向極限傾覆角度為：

(19)

式中，Ln為履帶觸地長度(mm)，取Ln=1 324 mm；h0為質(zhì)心G0離地高度(mm)，取h0=570 mm；Lc為機具質(zhì)心距前觸地點距離(mm)，取Lc=330 mm。

橫向極限傾覆角度為：

(20)

式中，Lz為履帶軌距(mm)，取Lz=1 360 mm。

由式(19)、(20)計算得出機具縱向極限傾覆角度δmax=29.8°,橫向極限傾覆角度?max=40.6°。藜麥種植地坡度遠(yuǎn)小于機具設(shè)計傾覆值，樣機可進行丘陵山地藜麥?zhǔn)斋@作業(yè)。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

藜麥樣機收獲試驗于2021年10月在甘肅省臨夏州東鄉(xiāng)縣達阪鎮(zhèn)進行，該地屬于典型西北丘陵地貌。試驗藜麥品種為‘隴藜5號’，采用旱作覆膜穴播種植方式，平均株高1 620 mm，平均結(jié)穗高度355 mm，無倒伏情況，試驗地藜麥籽粒含水率14%，莖稈含水率26%，試驗地面積2.67 hm2。樣機作業(yè)速度為0.75～1.50 m·s-1，各裝置調(diào)整至設(shè)計值后進行田間試驗，田間試驗現(xiàn)場如圖14所示。

圖14 樣機田間試驗Fig.14 Field test of prototype

4.2 試驗方法

丘陵山地藜麥聯(lián)合收獲作業(yè)性能試驗按照GB/T 8097.2008《收獲機械聯(lián)合收割機試驗方法》分別測定脫凈率、含雜率、割臺損失、夾帶損失、清選損失、總損失率6項工作性能指標(biāo)[10,18]。

按照作業(yè)規(guī)范以滿幅收割工況在試驗區(qū)域前進100 m，期間隨機取5個試驗指標(biāo)取樣點，以1 m2取樣器對地表未脫凈穗頭、割臺落穗、清選損失籽粒及糧倉脫粒籽粒進行取樣并裝袋標(biāo)記，作業(yè)完成后使用電子秤進行作業(yè)指標(biāo)測定，測量結(jié)果取平均值。

4.3 試驗結(jié)果

根據(jù)國內(nèi)藜麥?zhǔn)斋@技術(shù)要求、結(jié)合藜麥種植農(nóng)藝，要求藜麥聯(lián)合收割機脫凈率≥95%，含雜率、總損失率均<5%，割臺損失率、夾帶損失率、清選損失率均<3%。按照作業(yè)規(guī)范進行田間試驗與收獲指標(biāo)測定，結(jié)果見表3。作業(yè)過程中整機與各裝置運行穩(wěn)定，割臺喂入與脫粒作業(yè)流暢，收獲過程割臺損失較小，糧倉籽粒含雜率低，總損失率較小，作業(yè)效果與收獲效率與傳統(tǒng)履帶式稻麥聯(lián)合收割機相比有較大提升，滿足丘陵山地藜麥聯(lián)合收獲作業(yè)的要求。

表3 整機試驗結(jié)果Table 3 Complete machine test results

5 結(jié) 論

1)針對國內(nèi)藜麥種植現(xiàn)狀和農(nóng)藝特性，設(shè)計了丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機，對割臺、脫粒滾筒、組合式分離凹板、雙層往復(fù)式振動清選裝置、樣機行走穩(wěn)定性等關(guān)鍵部件的參數(shù)進行設(shè)計與計算，并對割臺分禾、鏈齒喂入過程進行離散元仿真分析，仿真結(jié)果表明，藜麥分禾、鏈齒喂入過程接觸載荷較小，未造成藜麥折損，分禾、鏈齒喂入與實際作業(yè)相符，實現(xiàn)藜麥莖稈順暢喂入、切割、脫粒與分離、清選，可進行丘陵山地藜麥?zhǔn)斋@作業(yè)，并進行田間試驗。

2)藜麥籽粒含水率14%，莖稈含水率26%時，樣機收獲脫凈率為96.83%、含雜率4.30%、破損率0.15%、割臺損失率1.54%、夾帶損失率0.92%、清選損失率0.52%、總損失率2.98%。收獲過程中割臺喂入順暢，機具工作平穩(wěn)，脫粒裝置無堵塞，田間性能試驗與相關(guān)指標(biāo)均達到藜麥聯(lián)合收獲作業(yè)質(zhì)量要求。

3)藜麥植株高度、成熟度等對藜麥?zhǔn)斋@損失有較大影響，藜麥脫粒物清選較困難。清選系統(tǒng)還需進一步進行結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，并結(jié)合不同地區(qū)的藜麥生物特性進行深入研究。本研究可為丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機的設(shè)計試驗提供一定參考。