大喂入量水稻聯(lián)合收獲機(jī)脫粒清選裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

魏純才，李耀明，徐立章，梁振偉，王建鵬

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

0　引言

隨著國(guó)家鼓勵(lì)農(nóng)村土地使用權(quán)流轉(zhuǎn)、碎片化土地整合等政策的出臺(tái)，以家庭農(nóng)場(chǎng)為代表的我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)正在逐步形成，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)對(duì)機(jī)械化聯(lián)合收獲的作業(yè)效率和性能等要求也越來(lái)越高，聯(lián)合收獲機(jī)在保證良好性能的前提下也朝著高效、大喂入量方向發(fā)展，以提高生產(chǎn)效率[1]。然而，現(xiàn)階段我國(guó)市場(chǎng)上收獲機(jī)主流機(jī)型為喂入量4～5kg/s的履帶式聯(lián)合收獲機(jī)，割幅較窄，生產(chǎn)率偏低，無(wú)法滿足農(nóng)業(yè)作物種植面積不斷擴(kuò)大的需要。

喂入式聯(lián)合收獲機(jī)種類很多,根據(jù)谷物沿滾筒的運(yùn)動(dòng)方向可分為切流式、軸流式及組合式[2]。其中，軸流式聯(lián)合收獲機(jī)主要有單縱軸流式和切縱流式。切縱流收獲機(jī)具有脫粒行程長(zhǎng)、分離面積大、可以在不增大機(jī)體體積的情況下提高生產(chǎn)率、脫凈率高、破碎率低、對(duì)潮濕和難脫作物適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。將橫向布置的切流滾筒與縱向傾斜布置的縱軸流滾筒組合而成的脫離分離裝置稱為斜置切縱流脫離分離裝置[6-8]。斜置切縱流脫離分離裝置復(fù)脫分離的行程更長(zhǎng)，分離效果更好，而且增大縱軸流下方的清選體積，為下方配置回程輸送板等加大了安裝空間。

大喂入量履帶式全喂入聯(lián)合收獲機(jī)集成了先進(jìn)的斜置切縱流低損傷高性能脫粒分離、帶回程輸送裝置的多風(fēng)道高效清選、履帶式行走底盤和帶液壓開啟蓋的大容量糧箱等關(guān)鍵技術(shù)，收獲水稻喂入量達(dá)到了8.89kg/s，顯著提高了機(jī)器的作業(yè)效率、性能和工作可靠性。

1　總體結(jié)構(gòu)

該履帶式全喂入聯(lián)合收獲機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、HST 變速箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、割臺(tái)總成、輸送槽、脫粒分離裝置、糧箱及履帶式行走底盤等組成，如圖1所示。相應(yīng)的的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.割臺(tái)　2.駕駛室　3.輸送槽　4.切流滾筒 5.縱軸流滾筒　6.回程板　7.行走底盤　8.振動(dòng)篩 9.風(fēng)機(jī)　10.發(fā)動(dòng)機(jī)　11.液壓無(wú)極變速裝置(HST)圖1　斜置切縱流聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

參數(shù)單位數(shù)值外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)mm5740×3050×2500配套發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率kW95整機(jī)使用質(zhì)量kg4380割臺(tái)寬度mm2580切流滾筒(外徑×長(zhǎng)度)mmΦ550×820斜置縱軸流滾筒(外徑×長(zhǎng)度)mmΦ628×1670履帶(節(jié)距/mm×節(jié)數(shù)×寬/mm)90×60×550變速箱類型液壓無(wú)級(jí)變速器+機(jī)械變速

2　主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1　斜置切縱流脫粒分離裝置

斜置切縱流脫粒分離裝置是該聯(lián)合收獲機(jī)的核心部件之一，主要包括切流脫粒分離裝置、錐形螺旋喂入裝置和斜置縱軸流脫粒分離裝置[9-10]，如圖2所示。其中，切流滾筒完成70%以上的易脫、易分離籽粒的初脫初分離工作；螺旋喂入頭配合導(dǎo)流罩，將機(jī)械式轉(zhuǎn)動(dòng)喂入與氣流輔助喂入相結(jié)合，迅速將物料輸送到縱軸流滾筒；斜置縱軸流滾筒完成難脫粒及難分離籽粒的復(fù)脫、復(fù)分離的工作。

1.切流頂蓋　2.切流滾筒　3.切流凹板篩 4.錐形螺旋喂入頭　5.錐形導(dǎo)流罩　6.斜置縱軸流滾筒 7.縱軸流凹板篩　8.縱軸流頂蓋

切流滾筒軸、齒桿通過(guò)輻盤和輻盤座連接為一體，如圖3所示。齒桿固定在聯(lián)接板上；內(nèi)輻盤和外輻盤與聯(lián)接板之間的橫向相對(duì)位置可以調(diào)節(jié)；脫粒元件安裝在可拆卸式齒桿上，采用釘齒脫粒元件；可同時(shí)調(diào)節(jié)聯(lián)接板和外輻盤、聯(lián)接板和內(nèi)輻盤的相對(duì)位置。該切流滾筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便，具有良好的脫粒分離性能。縱軸流滾筒采用斜置6°縱向布置。該斜置縱軸流復(fù)脫滾筒的螺旋喂入頭與前面的切流喂入口配合，其他結(jié)構(gòu)和切流滾筒相似。

1.鏈輪　2.軸承座　3.切滾筒軸 4.齒桿　5.脫粒元件　6.輻盤 7.方頭螺栓

切流脫粒滾筒的脫粒元件采用抓取脫粒能力強(qiáng)的釘齒式結(jié)構(gòu)。本裝置中，切流釘齒總數(shù)取69，分配方式為在圓周上均勻排布6根齒桿，每根齒桿上平均分配11～12個(gè)釘齒。本切流滾筒凹板篩包角取為90°，采用的是喂入平板、柵格和弧形交接板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)表明：當(dāng)縱軸流滾筒長(zhǎng)度達(dá)到1.8m時(shí)，籽粒分離率高達(dá)97%左右，此時(shí)脫凈率和分離率均能很好地滿足技術(shù)要求。為了盡可能增大分離凹板的面積，縱軸流滾筒直徑取為628mm。

脫粒分離裝置采用1個(gè)橫向切流脫粒分離裝置與1個(gè)縱向軸流脫粒分離裝置有機(jī)結(jié)合的方式，并呈T型對(duì)稱分布。該裝置在橫、縱交接處采用錐形螺旋喂入交接，由錐形上下導(dǎo)流罩和螺旋喂入頭相配合而組成。該結(jié)構(gòu)使得物料喂入順暢、對(duì)物料的破碎損傷小，而且可以產(chǎn)生負(fù)壓氣流，增加物料的輸送能力。

2.2　多風(fēng)道高效清選裝置

在傳統(tǒng)單風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)清選裝置。該裝置主要由上抖動(dòng)板、風(fēng)機(jī)、上篩、下篩、回程輸送板、尾篩及驅(qū)動(dòng)桿件等組，如圖4所示。

工作時(shí)，由切流滾筒脫下的作物經(jīng)分離凹板落到階梯抖動(dòng)板上，經(jīng)縱軸流分離滾筒分離的作物落到回程輸送板上，并由回程輸送板送到上抖動(dòng)板上；匯總到階梯抖動(dòng)板上的脫出物繼續(xù)往后輸送，通過(guò)風(fēng)機(jī)的作用，漂浮性能較強(qiáng)的雜物被吹走，漂浮性能較弱的、尺寸又較大的夾雜物靠篩子清除[11]。

氣流在篩面入口處以較大的流速(8～9m/s)將混合物吹散，把輕雜物往遠(yuǎn)吹甚至吹出機(jī)外；要求中部氣流降低，一般為5～6m/s，尾部為2～3m/s。為了獲得上述要求的氣流場(chǎng)，采用先進(jìn)的雙出風(fēng)口多風(fēng)道軸向進(jìn)風(fēng)的離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)扇采用四葉片離心式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)，風(fēng)機(jī)葉輪直徑為405mm，單葉片寬度為446mm，轉(zhuǎn)速為1 300r/min。

1.上抖動(dòng)板　2.風(fēng)機(jī)　3.上篩　4.下篩　5.回程輸送板　6.尾篩圖4　雙出風(fēng)口多風(fēng)道風(fēng)篩式清選裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.左蝸殼　2.左上蝸殼　3.上出風(fēng)口　4.右蝸殼　5.葉輪 6.風(fēng)道Ⅰ　7.分風(fēng)板Ⅰ　8.分道Ⅱ　9.分風(fēng)板Ⅱ　10.風(fēng)道Ⅲ

風(fēng)機(jī)的上出風(fēng)口的吹出氣流實(shí)現(xiàn)物料的分層和輕雜余吹出；下出風(fēng)口被分風(fēng)板Ⅰ、分風(fēng)板Ⅱ分為3個(gè)風(fēng)道：風(fēng)道Ⅰ的吹出氣流覆蓋上篩的前半部分和下篩的前段；風(fēng)道Ⅱ的吹出氣流覆蓋上篩的后半部分和下篩的中、后段；風(fēng)道Ⅲ的吹出氣流覆蓋尾篩。分風(fēng)板Ⅰ和分風(fēng)板Ⅱ可根據(jù)作物特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同作物的清選需要，調(diào)節(jié)范圍都是±20°。

在振動(dòng)篩下抖動(dòng)板下方裝有一個(gè)流線型導(dǎo)流板，可引導(dǎo)風(fēng)道Ⅰ中氣流沿著弧板直接進(jìn)入清選室，阻止了漩渦的生成。回程板位于振動(dòng)篩右上方，與振動(dòng)篩做交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，物料在抖動(dòng)板的抖動(dòng)過(guò)程中均勻混合，更利于物料的清選；由于回程板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，抵消了振動(dòng)篩的一部分慣性力，使總體慣性力平衡更好；回程板的擺幅與振動(dòng)篩的擺幅方向相反。振動(dòng)篩和回程板結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如表2、表3所示。

表2　振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3　回程輸送板的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3　Structural parameters of return transportation board

2.3　承載能力6～7t履帶式底盤

基于設(shè)計(jì)的承載要求，提出了配套動(dòng)力90～100kW、可承載6～7t的履帶式行走底盤技術(shù)方案，配置了550×90×60規(guī)格橡膠履帶、52mL/r的大排量HST，以及大功率的Ⅲ檔變速箱，突破了傳統(tǒng)履帶式底盤承載能力≤5t的限制；履帶式行走底盤具有適應(yīng)性強(qiáng)、承載力大、結(jié)構(gòu)合理等特點(diǎn)，從而保證了聯(lián)合收割機(jī)在田間的高強(qiáng)度收獲作業(yè)。

帶式行走底盤由上層承載機(jī)架、中層支撐機(jī)架及下層的輪系履帶架3層焊接而成，如圖6所示。其中，上層承載機(jī)架采用“三橫三縱”的設(shè)計(jì)原則，框架初步由橫梁1、橫梁2、橫梁3、縱梁1、縱梁2、縱梁3等6根壁厚為6mm的Q345B高強(qiáng)度矩形結(jié)構(gòu)鋼搭建而成。聯(lián)合收割機(jī)采用大集糧箱，故在承載糧箱載荷的機(jī)架處增加了2處高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的短縱梁，提高其承載能力。中層支撐機(jī)架主要由前端的前大梁支撐和后端的八字梁構(gòu)成，用以承載全部的載荷，故均采用多塊6mm的Q345B高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼鋼板焊接成中空管狀的設(shè)計(jì)，主要由左右兩側(cè)履帶架構(gòu)成。履帶架采用120mm×60mm×6mm的Q345B高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)矩形鋼，如圖7所示。

考慮到本機(jī)糧箱滿載后整機(jī)質(zhì)量達(dá)到6t，配置了550×90×60規(guī)格橡膠履帶。另外，驅(qū)動(dòng)輪采用分體式設(shè)計(jì)，有助于收割機(jī)在不拆卸履帶的情況下更換驅(qū)動(dòng)輪；同時(shí)，提高了變速箱底部至地面間的間隙，即“地隙”。收割機(jī)的地隙由原來(lái)普遍的220mm提升到320mm，可通過(guò)的泥腳深度330mm，提高了45%，有效地提高了聯(lián)合收割機(jī)在水田的行走通過(guò)性。設(shè)置履帶與水平面夾角為58°，提升了聯(lián)合收割機(jī)的越障能力，使得其更容易通過(guò)田邊田埂及田間的凹坑。

2.4　發(fā)動(dòng)機(jī)

考慮到與整機(jī)功率性能的匹配性，該水稻聯(lián)合收獲機(jī)選擇4G33TCV16發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)定功率100kW，轉(zhuǎn)速2 600r/min。此發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是行程長(zhǎng)、扭矩儲(chǔ)備大、動(dòng)力強(qiáng)勁、節(jié)能省油，并且排放達(dá)到非道路國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。

2.5　變速箱

由于聯(lián)合收割機(jī)的工作環(huán)境惡劣，因此要求變速箱有很高的可靠性。本設(shè)計(jì)通過(guò)提高牙嵌離合齒輪上的牙嵌部分的設(shè)計(jì)及加工的精度等級(jí)，設(shè)計(jì)特殊的半軸密封結(jié)構(gòu)，以有效防止泥水的浸入和使用高強(qiáng)度球墨鑄鐵作為箱體的材料，以提高箱體的強(qiáng)度等方式穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量及變速箱的可靠性，如圖8所示。液壓無(wú)級(jí)變速器(簡(jiǎn)稱HST)選用進(jìn)口的52ml/min的液壓無(wú)級(jí)變速器如圖9所示。

圖8　行走變速箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖9　液壓無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)示意圖

3　整機(jī)田間性能檢測(cè)

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB8097-2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》及 GB /T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械 試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》，由江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站在靖江東興鎮(zhèn)對(duì)所述的斜置切縱流全喂入履帶式聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行田間整機(jī)性能檢測(cè)。作物為無(wú)完熟倒伏的自然高度84cm的武運(yùn)粳24號(hào)水稻。水稻千粒質(zhì)量26.3g，籽粒含水率22.7%，莖稈含水率35%，平均產(chǎn)量9 000kg/hm2，機(jī)器作業(yè)速度4.86km/h，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4　斜置切縱流聯(lián)合收獲機(jī)水稻試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

由表4可以看出:該機(jī)收獲產(chǎn)量9 000kg /hm2水稻時(shí)，總損失率 1.2%，含雜率1.0%，破碎率0.9%，機(jī)具生產(chǎn)率0.8hm2/h,其各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。另外，該斜置切縱流全喂入履帶式聯(lián)合收獲機(jī)喂入量達(dá)到了8.89kg/s，顯著提高了機(jī)器的作業(yè)效率、性能。

4　結(jié)論

1)提出了一種喂入量8kg/s以上的履帶式式全喂入水稻聯(lián)合收獲機(jī)，并完成了對(duì)斜置切縱流脫粒清選裝置和履帶式底盤等主要工作部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足我國(guó)聯(lián)合收獲機(jī)發(fā)展對(duì)高效率、大型化的要求。

2)田間試驗(yàn)結(jié)果顯示：在滿足總損失率、含雜率和破碎率等要求的基礎(chǔ)上，收獲時(shí)喂入量可達(dá)8.89kg/s，極大地提高了我國(guó)現(xiàn)階段聯(lián)合收獲機(jī)喂入量水平和整機(jī)性能。