新型斜置切縱流聯合收獲機脫粒分離裝置

李　磊，李耀明

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江　212013)

?

新型斜置切縱流聯合收獲機脫粒分離裝置

李磊，李耀明

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江212013)

摘要：為滿足我國現階段高產水稻的高效收獲要求，提出了一種喂入量為7～9kg的履帶式新型斜置切縱流雙滾筒聯合收獲機的總體配置方案，論述了斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置中切流脫粒滾筒、切流凹板篩、錐形螺旋過渡喂入裝置、斜置縱軸流滾筒和縱軸流凹板篩的結構設計，確定了各個工作部件的工作參數。田間試驗表明：該裝置在收獲水稻喂入量為8.57kg/s時，脫粒損失率為0.79%，籽粒破碎率為0.1%，各項性能指標均達到設計要求；同時，在喂入量增大時，該裝置各工作部件功耗較為平穩，適應性較強。

關鍵詞：聯合收獲機；斜置切縱流；喂入量；水稻

0引言

水稻種植在我國糧食種植中占有極其重要的地位，年產量達1.6億t，占世界總產量34%，2012年末我國水稻機械化收獲水平達到69.32%[1-2]。隨著水稻種植面積的不斷擴大、產量的提高及高產水稻的普及，要求聯合收獲機在保證良好性能的前提下向高效、大喂入量方向發展, 以提高生產效率，這對聯合收獲機的作業性能和作業效率提出了更高的要求[3-4]。

目前，我國大部分水稻聯合收獲采用喂入量為3～5kg/s的履帶式全喂入水稻聯合收獲機。傳統全喂入式橫軸流聯合收獲機受機器橫向空間尺寸的制約，其核心工作部件脫粒分離、清選裝置的能力明顯受到限制[5-6]，已無法滿足我國現階段農作物聯合收獲的發展需求。近幾年研制出的全喂入式切縱流聯合收獲機采用切流與水平放置的縱軸流組合式脫粒分離技術，脫粒行程長、分離面積大，可以在不增大機體體積的情況下提高生產率，且脫凈率高、破碎率低，對潮濕作物適應性好[7-8]；但當喂入量增大時會出現喂入不順暢及堵塞現象，且受高度空間的限制，清選空間相對較小，當喂入量增大時清選負荷增大，清選損失率大幅增加，功耗變大，作業效率明顯下降。

為此，通過對傳統切縱流結構與國外大型軸流脫粒分離結構的進一步分析研究，結合我國現階段水稻收獲需求，設計了一種喂入量為7～9kg的新型斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置，并配置相應的高效清選裝置、底盤行走裝置及糧箱等，進行田間性能試驗。

1斜置切縱流聯合收獲試驗車結構與配置

針對南方地區復雜的農作物收獲工作環境，將斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置安裝到履帶式斜置切縱流田間聯合收獲試驗車上。該試驗車主要由發動機、變速箱、履帶式行走底盤、割臺、輸送槽、脫粒分離裝置、清選裝置、糧箱及控制操縱系統等組成。整個試驗車的布局方式如圖1所示。其中，輸送槽、脫粒分離清選裝置和秸稈粉碎裝置依次首尾連接，呈同一中心對稱分布，位于底盤行走裝置左側；駕駛室、發動機、糧箱依次安裝于底盤行走裝置的右側；另外，在各工作部件上均裝有扭矩和轉速傳感器，對其功耗進行采集。

1.割臺　2.輸送槽　3.變速箱　4.發動機

2新型斜置切縱流脫粒分離裝置設計

新型斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置主要由切流脫粒分離裝置、錐形螺旋過渡喂入裝置和斜置縱軸流脫粒分離裝置組成，如圖2和圖3所示。其結構的特點是：由切流滾筒進行脫粒，負責完成70%以上的易脫、易分離籽粒的脫粒任務，剩余難脫、難分離的部分進入傾斜6°縱向布置的縱軸流分離滾筒；與以往水平放置的縱軸流滾筒不同，斜置6°的縱軸流滾筒復脫分離的行程更長、分離效果更好，同時增大了縱軸流下方的清選體積；在充足的脫粒分離時間和脫粒分離面積下，谷物被完全有效地復脫和分離。過渡喂入口連接結構采用錐形螺旋過渡喂入裝置，合理利用錐形螺旋喂入頭的結構，解決了物料從切流滾筒到斜置縱軸流滾筒轉換時作物物流轉向角度大、容易發生堵塞的技術難題，從而保證了作物流的連續性、均勻性，實現了作物平滑、順暢、低損傷的換向過渡，大大降低了收割機無效功率消耗。

1.切流頂蓋　2.切流滾筒　3.切流凹板篩　4.錐形螺旋喂入頭

2.1切流脫粒分離裝置設計

切流脫粒分離裝置主要由切流頂蓋、切流滾筒和切流凹板篩組成，如圖3所示。收獲時，物料由輸送槽喂入到切流滾筒內，在高速旋轉的切流滾筒與切流凹板篩的共同作用下，物料受到梳刷、沖擊等作用力進行初脫和初分離，易脫和易分離的籽粒通過凹板篩孔落到振動篩上；剩下未脫粒的物料和難脫粒的籽粒在高速旋轉的切流滾筒作用下，沿著切流滾筒的切線方向進入到錐形螺旋喂入裝置內進行過渡換向，在螺旋葉片的作用下進入斜置縱軸流滾筒。

1.切流頂蓋　2.切流滾筒　3.切流凹板篩

根據以往的經驗，切流滾筒一般采用釘齒式滾筒，如圖4所示。釘齒滾筒特點是抓取能力強、脫粒能力及對不均勻喂入適應能力均較強，對潮濕作物的適應性較好。切流滾筒釘齒的總數量Nq取決于脫粒裝置的生產效率[9]，則

(1)

式中δ—試驗作物的谷草比，根據實際田間試驗作物取δ=0. 65；

q—喂入量，取設計要求喂入量7～9kg/s的80%；

qd—單個釘齒脫粒能力，取qd=0.04kg/s。

由公式(1)進行計算，可以得到釘齒數量應大于等于62。綜合考慮輸送槽喂入口的寬度和脫粒機架的寬度，取釘齒的數量為69。

計算切流釘齒滾筒的長度Lq[10]，即

(2)

式中aq—切流滾筒釘齒齒跡距，取aq=35mm；

Kq—切流滾筒釘齒螺旋頭數，取Kq=3；

Δlq—切流滾筒齒桿端部距最外釘齒的距離，取Δlq=15mm。

將已知參數代入到公式(2)，計算得出切流滾筒長度取整為800mm。同時，綜合考慮切流滾筒釘齒數量及切流滾筒長度采取合理的釘齒排列方式，在圓周上分別均勻分布6跟齒桿，在每根齒桿上平均分配11～12個釘齒。

切流滾筒的直徑Dq[10]與轉速nq[9]為

(3)

式中Dqg—滾筒齒桿根部的直徑，一般大于300mm[10]；

h—切流滾筒釘齒的高度，根據試驗要求取h=70mm；

Vg—切流脫粒滾筒的線速度，一般易脫水稻取Vg=18～22m/s[9]。

將已知參數代入上述兩個公式中，計算得出結果。綜合考慮計算結果、脫粒滾筒常用的直徑系列及傳統機型的滾筒直徑，得到切流滾筒直徑取550mm，切流滾筒的轉速取值范圍為726～862r/min，在大喂入量的要求下取862r/min。

切流凹板篩的結構如圖5所示。

1.喂入平板　2.柵格凹版　3.沖孔弧形交接板

切流凹板篩采用喂入平板、柵格和沖孔弧形交接板相結合的結構。物料通過喂入平板進入切流滾筒，柵格式的凹板可以起到初脫粒、初分離的作用。工作時，先脫下來易脫的籽粒，并進行初脫分離，以減少籽粒破損率，其余脫出物則由弧形交接板進入到斜置縱軸流滾筒進行復脫。

釘齒式脫粒滾筒凹板篩的最小凹板弧長lm[11]為

(4)

式中k—分離系數，釘齒式滾筒取k=2.81m-1；

u—脫粒系數，釘齒式滾筒取u=2.81m-1。

對于釘齒型滾筒，可以算出最小的切流滾筒凹板弧長為676.67mm。通過最小切流凹板篩凹板弧長、切流滾筒直徑和長度可以算出最小的切流滾筒凹板包角為61.3°；再根據切流凹版篩所采用的結構及所處位置關系對切流脫粒滾筒凹板篩包角取為67°；沖孔弧形交接板沿著凹板切線安裝，并確定其脫粒間隙為26mm。

2.2錐形螺旋過渡喂入裝置設計

錐形螺旋過渡喂入裝置由錐形螺旋喂入頭及上下錐形導流罩組成，如圖6所示。該結構的作用是將由切流滾筒拋出的物料快速換向，并由螺旋葉片推送到斜置縱軸流滾筒，沿著斜置縱軸流滾筒的軸線做螺旋運動，保證物料輸送的連續性和均勻性。

1.上錐形導流罩　2.錐形螺旋喂入頭　3.下錐形導流罩

錐形螺旋頭是由兩片錐形螺旋葉片180°均布焊接在錐形頭上，并合理利用錐形螺旋喂入頭，配置倒錐形的導流罩形成封閉的喂入空間。裝置工作時，高速旋轉的螺旋葉片與倒錐形的導流罩配合形成較強的氣流，增強了作物的低損傷輸送能力，提高了整機的輸送能力。

2.3斜置縱軸流脫粒分離裝置設計

斜置縱軸流脫粒分離裝置由縱軸流頂蓋、錐形螺旋喂入頭、斜置釘齒式縱軸流滾筒和縱軸流凹板篩組成，如圖7所示。作物由斜置縱軸流滾筒的錐形螺旋喂入頭推送到斜置縱軸流滾筒內，受到縱軸流滾筒和縱軸流凹板篩的作用進行復脫分離，并且在頂蓋導向板的作用下向排草口作螺旋運動；最后，剩余的莖稈、雜余及夾帶的少量的籽粒由排草口排到機外。

1.錐形螺旋喂入頭　2.下錐形導流罩

縱軸流滾筒脫粒元件同樣采用釘齒(見圖8)，需要對剩余40%～60%的籽粒進行復脫分離。根據軸流脫粒分離裝置的分離模型[7]來確定縱軸流滾筒長度，則有

(5)

式中α—在凹板篩內沿著滾筒軸向取任意一段距離內發生脫粒的概率，與其中未被脫籽粒量的比例關系；

β—在凹板篩內沿著滾筒軸向取任意一段距離內籽粒從凹板篩分離的概率，與未分離籽粒量的比例關系；

x—滾筒軸向位置(m)；

Lz—縱軸流滾筒的長度(m)。

試驗證明[8]：當x=Lz時，籽粒脫粒分離率最高；通過計算得到滾筒長度1 806.4mm時，籽粒分離率為98%左右；再結合脫粒機架的長度要求，對縱軸流滾筒的長度取值為1 800mm。

縱軸流釘齒滾筒的直徑Dq[10]與轉速nq[9]為

(6)

式中Dqg—滾筒齒桿根部的直徑，一般大于300mm[10]；

h—縱軸流滾筒釘齒的高度，根據試驗要求取h=75mm；

Vg—縱軸流脫粒滾筒的線速度，一般難脫水稻取Vg=22～26m/s[9]。

將已知參數代入上述兩個公式中，計算得出結果。考慮到縱軸流滾筒采用傾斜6°的縱向布置，在寬度方向不受限制，同時為了增大分離面積，將縱軸流滾筒直徑取值為650mm，并得出縱軸流滾筒的轉速取值范圍為679～806r/min，在大喂入量的要求下取806r/min，凹板間隙取14mm。

1.錐形喂入頭　2.縱軸流滾筒

2.4過渡交接口結構

通過切流凹版篩的沖孔弧形交接板與下錐形導流罩相結合(見圖9)，合理地解決物料從切流到斜置縱軸流換向時物流轉向角度大、容易發生堵塞的難題；同時，在螺旋葉片形成的負壓吸運作用下保證了作物低損傷輸送，實現作物平滑、順暢地換向過渡。

圖9　過渡喂入交接口三維結構圖

3田間試驗

2014年11月，在江蘇靖江對履帶式斜置切縱流聯合收獲試驗車進行田間性能檢測。為減少田間收獲環境帶來的誤差影響，盡量選擇土地平整、水稻長勢較均勻的田塊。測定試驗水稻的基本特性參數如表1所示。

表1　試驗水稻基本特性參數

該田間試驗的方案為：通過調節試驗車的前進速度來調整喂入量，并對脫粒損失率及功耗進行試驗分析，得出在該參數配置下該裝置在滿足脫粒分離性能下的喂入量。試驗前,量取寬為2.5m、長為25m的水稻田塊，并用4根標桿(中間兩個標桿距離為10m)做好標記；聯合收獲試驗車停在距離測量好的田塊后方5m處(留有一定的啟動距離)。試驗車收獲時，割茬為20mm，記錄速度較平穩的中間10m段的時間；跑完試驗距離后，清空糧箱里的糧食并稱重得到籽粒質量，同時收集試驗車后方油布上試驗距離段滾筒排草口的脫出物并稱重得出脫出物總質量。通過這兩個質量之和及行駛速度，計算出該試驗車的實際田間喂入量q。計算公式為

(7)

式中W—田間實際割幅，W=2.5m；

m—收獲后糧箱里糧食的質量(kg)；

n—收獲后滾筒排草口脫出物總質量(kg)；

t—收獲中速度平穩段10m所用的時間(s)。

通過人工對所接的糧箱籽粒和脫出物進行清選，得到破碎率、含雜率和脫粒損失率。通過分析扭矩和轉速傳感器的信號，得到在不同前進速度收獲時各工作部件的功耗情況。為了減少偶然因素對試驗結果的影響，每一種參數重復做3次，結果取其平均值。試驗結果如表2所示。

表2　不同喂入量的脫粒分離試驗結果

由表2得出：隨著前進速度的增加，喂入量同時增大，收獲效率隨之提高，切流滾筒和斜置縱軸流滾筒功耗逐漸增大，脫粒損失率同時增大；當喂入量達到8.57kg/s時，脫粒損失率為0.79%，籽粒破碎率為0.3%，含雜率為0.8%，滿足了喂入量為7～9kg/s的設計要求；當喂入量繼續增大時，工作部件功耗較為平穩，并未發生堵塞情況，說明裝置的適應性較好；當前進速度達到1.36m/s時，切割器跟不上前進速度，漏割較為嚴重，收割損失增大，脫粒損失較大。

4結論

1)提出了一種喂入量為7～9kg/s的履帶式斜置切縱流聯合收獲機的結構及其工作參數配置方案，可以滿足我國現階段高產水稻大喂入量、高效率的收獲要求。

2)對斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置的結構進行設計計算，在過渡交接段采用錐形螺旋喂入裝置，增強輸送喂入能力，并確定了其工作部件的運動參數和工作參數：切流滾筒轉速862r/min、切流脫粒凹版間隙26mm、斜置縱軸流滾筒轉速806r/min、縱軸流凹板間隙15mm。

3)田間試驗結果表明：當喂入量達到8.57kg/s時，脫粒損失率為0.79%，籽粒破碎率為0.3%，含雜率為0.8%，滿足設計要求；當喂入量繼續增大時，工作部件功耗較為平穩，并未發生堵塞情況，說明裝置的適應性較好。

參考文獻：

[1]王玉霞，秦洪彬.水稻收獲機械化的現狀及發展趨勢[J].中國新技術新產品，2009(18)： 231.

[2]李海同，黃鵬，舒彩霞.我國稻麥油機械化收獲技術研究現狀與趨勢[J]. 農業工程，2013，3(5)：1-6.

[3]張桃林. 轉變方式 提升質量 努力推動農業機械化科學發展—在全國農業機械化工作會議上的講話(摘要) [J].中國農機化，2010(1):3-7，19．

[4]高煥文，李問盈，李洪文. 我國農業機械化的跨世紀展望[J] . 農業工程學報，2003，16(2) : 9-12.

[5]王岳,曹揚,夏曉東,等.雙季稻區收獲農藝及先進適用聯合收割機型譜[J].農業工程學報,2002(2):68-71.

[6]唐忠,李耀明,徐立章,等. 切縱流聯合收獲機小麥脫粒分離性能評價與試驗[J]. 農業工程學報,2012(3):14-19.

[7]Petre I Miu, Heinz-Dieter Kutzbach. Mathematical model of material kinematics in an axial threshing unit [J].Computers and Electronics in Agriculture,2007,58：93-99.

[8]李杰，閻楚良，楊方飛. 縱向軸流脫粒裝置的理論模型與仿真[J]. 江蘇大學學報:自然科學版，2006，27(4)：299-302.

[9]吳守一.農業機械學(下)[M].北京:中國農業機械出版社,1992.

[10]中國農業機械化科學研究院. 農業機械設計手冊[K]. 北京: 中國農業科學技術出版社, 2007.

[11]唐忠. 切縱流結構谷物脫粒分離理論與試驗研究[D].鎮江:江蘇大學，2013.

A Combinational Threshing and Separating Unit of ObliqueTangential-longitudinal Combine

Li Lei, Li Yaoming

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：With the development of rice harvesting with large scale in China，high-efficiency of combine is more and more important. In order to satisfy the urgent demand of high-efficiency combine，the overall structure of a new crawler-type combine with a feed rate of 7～9kg/s was proposed and the combinational threshing and separating unit of oblique tangential-longitudinal combine was designed. The design focused on the designing process of structural and operational parameters of tansverse tangential cylinder tangential concave,conical spiral transition device,axial rotor and concave. And determine the working parameters.Field test showed that the total loss was 0.79% , the damage rate was 0.3% and the impurity content was 0.8% ,when the feed rate was 8.57kg/s，which met the demands of the design．

Key words：combine harvester; oblique tangential-longitudinal; feeding rate; rice

文章編號：1003-188X(2016)04-0084-06

中圖分類號：S225.4；S220.3

文獻標識碼：A

作者簡介：李磊(1991-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，(E-mail)shuaileo3071101011@126.com。通訊作者：李耀明(1959-)，男，江蘇張家港人，教授，博士生導師，(E-mail)ymli@ujs.edu.cn。

基金項目：國家“863計劃”項目(2012AA10A502)

收稿日期：2015-03-30