垅作大豆全地形收割裝置的開發研究*

王金雙，陳 郁，陳 霓，熊永森，周翎霄

(1.金華職業技術學院機電學院，浙江金華321000;2.浙江四方集團公司，浙江永康321300)

0 引 言

我國南方研發生產的全喂入稻麥聯合收割機已大量應用于東北地區的水稻收獲，為擴大作業功能需配置大豆收獲裝置進行大豆聯合收獲。大豆是我國主要的油料作物，2013年我國種植面積達9.33×106hm2(約1.4億畝)。東北地區是我國大豆的主要產區，僅黑龍江省就種植2.6×106hm2(4 000萬畝)的面積。大豆普遍實行采用“垅三”載培法，垅距(行距)65 cm～70 cm，垅臺高14 cm～17 cm。由于垅臺系多次中耕培土形成，相鄰垅臺之間高度差可達3 cm～8 cm甚至更大。大豆植株的生物學特征是結莢部位低、收割時易炸莢。由于上述原因，用現有全喂入聯合收割機收獲時，因切割器是與收割臺剛性聯結的整體式結構，在高低不平的垅臺上進行收割時必然出現高割茬。割茬高了引起炸莢(割到豆莢)、拉莢((豆莢未割下)、掉技(豆技未進割臺)等損失，損失率可達5% ～7%。為了開發適用于大豆收獲的切割器，半個多世紀以來，國內外對此進行了大量的研究［1-4］，取得許多成果，較成功的有美國早期開發的切割器整體上下浮動的Hart-Carter(由2根連桿驅動)，當前市場上廣為應用的也是在此基礎上研發的200系列撓性割臺［5-6］。由于在整個割幅內存在垅臺差，割茬必然參差不齊，整體切割器很難解決因高割茬引起的損失。

本研究將金地形切割技術應用到往復式切割器中，開展具有分段式往復切割器和雙自由度仿形機構的金地形收割裝置的研究。

1 基本結構和工作原理

收獲大豆時大都應用往復式切割器，全地形往復式切割裝置作業時，要求切割器能緊貼每個垅臺切割大豆莖稈，因此必須利用“兩點支承一根桿件”的原理，采用一組切割器收割兩垅大豆的結構，并給刀床施以一定壓力使切割器緊貼垅臺工作獲得最低割茬。為此刀床必須是能浮動的，為此本研究設計了一套仿形系統，使刀床縱向能隨垅臺高度上下浮動，同時使刀組兩端能繞刀組中心偏轉，以適應橫向兩個垅臺不同的高度而貼緊每個垅臺，實現全地形作業。為控制浮動范圍，本研究設有縱向和橫向限位裝置。刀床接觸垅臺的壓力必須適當以免破壞垅臺。根據機器割幅可以設置若干組刀床。割下的豆枝通過旋轉輥送入收割臺，旋轉輥和收割臺之留有空，以防止泥土進入收割臺污染大豆。

裝有兩組切割器的垅作大豆全地形收割臺如圖1所示。

圖1 垅作大豆全地形切割器結構示意圖

2 垅作大豆全地形收割裝置設計

2.1 垅臺地面特征及對仿形系統的要求

經測定，收獲期垅臺有如下特征:①經多次中耕培士后，垅臺表層土壤強度［σ］=0.05 MPa～0.07 MPa，要求刀床仿形板的接觸比壓應小于該值;②同一截面上相鄰垅臺高度差平均為5 cm，最高達8 cm，要求刀床在該位置能傾斜切割;③同一垅臺上，相距100 cm的兩個垅臺截面的平均高度差為3.5 cm，要求刀床能縱向浮動。因此，全地形垅作大豆切割器的仿形系統必須具備上、下平動和繞刀組中心轉動的兩個自由度，以適應縱向和橫向不同垅臺高度而貼緊每個垅臺作業。

2.2 全地形切割器結構設計

如上所述，全地形切割器一組切割器(簡稱分刀組，下同)收割兩垅大豆，割幅為2.5 m的收割臺，收割行距為65 cm時的垅作大豆時，可配備2組切割器。分刀組由扁鋼制造的刀床以及安裝其上的標I形往復式切割器各種元件構成，分刀組動刀桿中心設有球形驅動頭，通過分連桿與主刀桿以肖軸相連。分刀組通過安裝在刀床上的肖軸與仿形杠桿頭部軸套相連，分刀組可繞軸套轉動，以適應正收割的兩個垅臺的高差。分刀組下部與垅臺接觸處裝有仿形板，以減輕分刀組對垅臺的壓力以免破壞垅臺。主刀桿通過5組滾輪安裝在收割臺上，由切割器驅動裝置驅動。分刀組與收割臺之間設有轉動輥，用以將割下的豆枝送入收割臺并防止泥土進入割臺，轉動輥由驅動撥禾輪的皮帶輪通過V形傳動帶傳動，轉動輥外套有膠管以增加摩擦力，轉動輥外徑φ=75 mm，轉速n=350 r/min。

2.3 仿形機構設計

仿形機構由仿形杠桿、仿形彈簧組件、縱向和橫向限位裝置等構成。仿形杠桿位于收割臺下部，其中部通過軸套與收割臺鉸接。其后端裝有仿形彈簧組件以平衡分刀組對垅臺的壓力。彈簧預應力可調，使分刀組對垅臺的壓強σ＜0.05 MPa的設計要求。仿形彈簧通過彈簧架安裝在仿形杠桿上，另一端固定在收割臺上，作業時仿形機構位于垅溝，履帶行走在垅溝中有助于提高作業質量。

仿形機構基本結構及受力情況如圖2所示。

圖2 仿形機構結構示意圖

3 垅臺壓力P分析計算

機器作業時，全地形切割器(分刀組)對垅臺的壓力P由兩個垅臺承擔，分刀組對垅臺的壓力P由分刀組對垅臺的靜壓力P1和對垅臺的動壓力P2構成，以每個垅臺承擔1/2計，則:

3.1 靜壓力P1計算

分刀組安裝在仿形杠桿頭部，仿形杠桿各處受力構成平行力系，根據力系平衡原理，∑M0=0，有:

式中:F1—分刀組與仿形杠桿O點左段的質量所引起的重力由索多邊形合成后的合力，F1=224.50 N;F2—仿形杠桿O點右段和彈簧架質量所引起的重力由索多邊形合成后的合力，F2=37.73 N;F3—平衡彈簧張力，N;當 α =0°～11°，F3=49.0 N ～88.2 N;l1，l2，l3—F1，F2，F3與O點的距離，l1=450 mm，l2=240 mm，l3=320 mm;l—P'1作用線與O點的距離，l=500 mm;P'1—垅臺反作用力，N，其反向的力即為對垅臺力P1;α—刀組升降平衡彈簧上掛結點O1與O點連線的夾角，α =0°～11°。

圖3 仿形系統平行力系示意圖

令A=F1l1-F2l2，代入數據計算得:A=92.56 N·m。

故:

式中:C—彈簧剛度，N/mm，C=1.1，即C=1 100 N/m;ε—平衡彈簧變形系數，ε=l3/l1=1.36;Δh2—切割器縱向浮動量，Δh2(0～50 mm)。

分刀組對垅臺的壓力為P'1的反作用力，與P'1大小相等，方向相反。

3.2 動壓力P2計算

機器作業時，分連桿驅動切割器作往復運動，與刀床夾角β隨刀床的傾斜度變化。分連桿與分刀桿的連接點(驅動點)為球形鉸接，因此驅動刀R可分解為沿著刀床對切割器的驅動力和垂直刀床、通過仿形板垅臺的分力P2，作于垅臺的動壓力垂直分力如圖4所示［7］。

圖4 作于垅臺的動壓力垂直分力

從圖4可知:

式中:R—分連桿驅動力，N，用于克服切割時的工作阻力;β—分連桿與刀床夾角，β=0～8°;Pf—分刀組切割器摩擦力，動刀桿能用手推拉時可忽略不計，即Pf=0;Δh1——切割器橫向偏轉相鄰垅臺高度差(0～60 mm);l4——垅距，l4=65 cm。

根據切割器理論:

式中:Pc—平均切割阻力，且:

式中:B—分刀組割幅，B=1.18 m;H—切割器進距，H=30Vm/n=0.064 m;Q—切割單位面積作物所作的功，J，收獲大豆Q=100 Nm/m2=100 J/m2;XH—切割器動刀片有效行程，mm，XH=0.031(標準型);Pd—切割器慣性力，N，且:

式中:M—分連桿和分動刀的質量，kg，M=4.5;amax—動刀最大加速度，m/s2，分連桿向地面運動為“+”反之為“-”;且:

式中:r—曲柄半徑，m;ω—曲柄角速度，1/s。

r=0.036，ω =47代入公式(9)可得，amax=79.52。

將式(7，8)式代入式(6)可得:

3.3 垅臺壓力P

將式(4，10)代入式(1)，可得切割器對垅臺的總作用力P:

式中:函數P有 4 個變量，即 Δh2、Δh1、α、β，即P=f(Δh1，Δh2，α，β)，為四元函數，不能用二元函數二階偏導的B2-4AC≥0來判斷極大值和極小值，故可以駐點和邊界值求得，即在4個變量的定義域內，函數P有定值，因此，為了求得極值可根據費馬定理，求函數P對各變量的偏導，確定該函數極值的“駐點”［8］。

得 β=0;Δh1=0;

得α=0;

得 α=π/2，Δh2=0;

得β=π/2。

將位于駐點內的值 β=0，Δh1=0，α=π/2，Δh2=0及設計參數代入式(11)，可得:

取右邊界值，β =8，α =11，Δh2=60 mm，Δh1=50 mm及設計參數代入式(11)，當分連桿向左運動時，如圖4所示分連桿向左運動(朝向地面)P1、P2同向，amax為“+”值，可得P=82.38 N。

當分連桿向右運動(離開地面)，amax為“-”值，可得P=32.28 N，即對垅臺的最大壓力Pmax=102.84 N，最小壓力Pmin=32.28 N。

3.4 切割器對垅臺壓強σ

切割器對垅臺壓強σ［9］為:

式中:S—仿形板接地面積，m2，S=0.007。

當動刀組處于最高位置(水平位置)，由于F3為最小值，動刀組質量由垅承擔P=Pmax代入式(12)，σ=Pmax/2S=0.007 MPa＜［p］=0.05 MPa。

當動刀組處于最低位置，動刀組質量由彈簧平衡，F3為最大值，P=Pmin，代入式(12)，σ =Pmin/2SMPa＜［p］=0.05 MPa。

4 田間試驗與結果分析

4.1 概述

試驗機型為4LZ—2.5履帶式全喂入聯合收割機，橫軸流，割幅2.5 m，裝有兩組切割器。大豆株高70 cm～75 cm，垅距65 cm，密度約35萬株/hm2，予測產量2 100 kg/hm2，籽粒含水率18% ～20%，百粒重15.05 g，豆莢下垂后最低點離地高度50 cm～67 cm，垅距65 cm，9測點截面相鄰垅高差3.5 cm～7.7 cm，機器前進速度1 m/s［10］。田間測定結果如表1所示。

表1 垅作大豆全地形收割裝置割臺損失測定表

4.2 試驗結果分析

(1)全地形切割器能在相鄰垅臺存在垅高差的情況下，刀組能自由浮動并始終緊貼每個垅臺作業，因此能獲得低割茬。經測定平均割茬為4.37 cm，標準差為1.01 cm，變異系數為0.23，效果較好。

(2)有關研究表明，收割臺損失占大豆收獲總損失的80%，收割臺損失主要有5項，即“掉技”(豆枝雖巳割下但未進入割臺);“掉莢”(已割下的豆莢掉在地上)、“炸莢”(豆莢炸裂飛濺);“拉莢”(俗稱“拉馬耳朵"，留在割茬上的豆莢);“拉技”(俗稱“漏胡子”，未割下的豆枝)，而高割茬是引起這些損失的主要因素之一。由于全地形切割裝置能獲得低割茬，收割臺5項損失均獲得不同程度減少，收割臺總損失僅為1.90%。

(3)由于切割器刀組下設仿形板與垅臺接觸，切割通過后垅臺光滑平整，可為下一熟玉米垅上播種創造良好條件。

5 結束語

(1)本研究以“兩點支承一桿件”的原理研發的大豆全地形往復式切割裝置替代整體式切割器，可在整機割幅內可基本消除因垅高差引起的高割茬，以及由此產生的損失。由于一刀只割兩垅，切割器只有在兩垅臺支持下才能穩定工作，達到刀床緊貼每個垅臺作業，從而獲得了低割茬。

(2)切割器對垅臺壓強σ=0.007 MPa～0.05 MPa＜［p］=0.05 MPa，在正常作業狀態下，不會破壞垅臺表面。

(3)切割器在田間作業中能隨垅臺高差的變化而靈活浮動，使切割器獲得最低割茬，其均值為4.37 cm，消除了因高割茬引起的“拉莢”損失，減輕了因高割茬引起的其他4項收割臺損失，割茬和收割臺損失都達到了技術要求。

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［7］中國標準出版社編.中國農業標準匯編農牧機械卷［M］.北京:中國標準出版社，1997.

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［10］王黎明，莊衛東，洪 軍.大豆聯合收割機械作業質量標準與檢測的研究［J］.農機化研究，2002，24(5):56-57，109.