縱軸流式小麥收獲機滾筒設計與試驗

孟凡虎，姜 萌，耿端陽，林連華，徐海港

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049；2.山東時風(集團)有限責任公司，山東 高唐 252800)

0 引言

我國是一個農業大國，“三農”一直是國家重點扶持和發展的對象。隨著我國農業機械化水平的不斷提高，小麥機械化收獲技術也在不斷進步和發展。截止到2016年，我國小麥機收率達到84%以上，主產區甚至達到96%以上[1-3]。但是，隨著我國土地集約化的發展及農作物產量的不斷提高，傳統切流(橫流)式小麥收獲機難以滿足大喂入量小麥收獲的矛盾逐漸顯現，國內許多小麥收獲機骨干企業和學者都加強了對軸流滾筒式小麥收獲機的研究，特別是作為收獲機核心技術的縱軸流脫粒系統，成為當前谷物收獲機的重點研究內容[4-9]。

目前，市場上小麥收獲機多采用切流式脫粒和橫軸流兩種脫粒方式。切流脫粒方式由于脫粒時間短很難滿足大喂入量作業的脫凈率要求；同時，由于脫粒強度過大容易導致籽粒破碎率上升，所以這種方式難以滿足大喂入量小麥收獲的性能要求[10-12]。橫軸流脫粒分離方式由于受到空間位置的限制，脫粒滾筒不能太長，因此脫粒和分離能力受到極大限制，在喂入量較大時會出現脫粒、分離不徹底及夾帶損失較大等問題[13]。

縱軸流脫粒技術具有橫向尺寸小，脫粒、分離時間長等優點[14]。縱軸流又分為單縱軸流和雙縱軸流兩種，雙縱軸流因為橫向距離太寬、成本較高、加工工序復雜等原因受到各種限制，因此本文主要對單縱軸流滾筒進行試驗研究[15]。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

單縱軸流脫粒滾筒主要由喂入螺旋、輻盤、紋桿座及排草板等組成，如圖1所示。脫粒滾筒按照功能分為前后兩大部分：前半部分將待脫谷物順暢導入脫粒滾筒與凹板之間，后半部分將谷物脫粒及將籽粒從脫出物中分離。對于前半部分，其結構由3個成一定角度的葉片和導料月牙組成：導料月牙通過旋轉對谷物產生離心力，使其導向喂入螺旋的作用范圍；喂入螺旋作用于范圍內的谷物導向脫粒滾筒與凹板間隙，這里的凹板間隙分為入口間隙和出口間隙，為了使得小麥順暢進入脫粒區入口間隙常大于出口間隙，出口間隙采用偏心結構進行調整(一端用螺栓固定，另一端采用螺紋桿調節結構)。后半部分為滾筒殼體、紋桿座及排草板等組成：紋桿座以螺旋線結構安裝于滾筒殼體，實現谷物沿脫粒滾筒軸線方向以螺旋形前進，并在該運動過程中不斷受到凹板柵條的阻擋和紋桿座的反復沖擊、揉搓來完成脫粒和籽粒的分離。其主要參數如表1所示。

1.前半軸 2.導料月牙 3.喂入螺旋 4.脫粒凹板 5.分離凹板 6.排草板 7.后半軸 8.滾筒蓋 9.紋桿座組合 10.滾筒殼體 11.凹板調節機構 12.喂入錐體圖1 稻麥聯合收獲機縱軸流脫粒裝置Fig.1 Vertical flow drum of rice wheat combine harvester表1 縱軸流滾筒主要參數Table 1 Main parameters of longitudinal flow drum

項目單位參數脫粒滾筒形式單縱軸流紋桿座式脫粒滾筒尺寸mm?650×2860脫粒凹板入口間隙mm40脫粒凹板出口間隙mm5～40凹板包角(°)210

1.2 工作原理

工作時，來自過橋的谷物在高速旋轉導料月牙的作用下被甩向周邊，進而被位于其后的喂入螺旋抓取，并被拖入；在紋桿座配合凹板的沖擊、揉搓作用下，谷物完成籽粒與莖稈的分離，凹板間隙的大小直接影響谷物的含雜率。在此過程，由于紋桿座呈螺旋線方式分布，所以在谷物脫粒的同時起到往后推動脫粒混合物的作用。凹板間隙可由凹板調節機構實現大范圍調節，以滿足不同作物、不同含水率作物收獲的脫粒需要；另外，當脫粒過程發生堵塞時也可快速清理。在此過程，為了延長谷物的脫粒時間，該脫粒滾筒采用前低后高的傾斜式放置，讓其具有一定傾斜角度，來改善滾筒的脫粒性能。

2 關鍵部件設計

2.1 喂入螺旋設計

喂入螺旋是喂入系統的主要部件，主要功能是保證谷物由輸送過橋持續穩定導入脫粒滾筒與凹板之間，防止谷物在此堆積和堵塞，提高系統工作的可靠性。喂入螺旋的結構如圖2所示。

1.三爪 2.葉片 3.加強板圖2 喂入螺旋Fig.2 Feed screw structure

滾筒的喂入螺旋由3個沿圓周方向均布的大端高度為310mm葉片組成。為了最大限度地提高葉片的導向作用和旋轉產生對谷物的向內吸力，葉片的大端直接固定在三爪上，小端通過加強筋連接在脫粒滾筒前部的錐體上。為了強化旋轉帶來的風向，以形成穩定的軸向吸引力，從而強化谷物向脫粒滾筒與凹板之間的導向能力，將葉片設計為沿中部向旋轉方向的折彎結構，折彎半徑約為150mm，葉片的折彎角度為49°。

2.2 脫粒元件設計

為了提高脫粒效果和脫粒過程的工作可靠性，本脫粒元件設計為組合式結構，即該紋桿座組合由脫粒板、紋桿頭、紋桿座、平衡塊以及螺栓所組成，如圖3所示。

為了增強脫粒效果，本滾筒的脫粒元件按照三頭螺旋線方式進行布置，設其螺旋角為φ，滾筒直徑為D，則螺旋線的導程為

l=πDtanφ

假設軸流脫粒滾筒單位長度脫下籽粒的百分比為脫粒強度系數，用α表示，顯然脫粒強度系數與滾筒轉速、脫粒元件類型及脫粒間隙等因素有關；谷物初始籽粒含量為y，則任意段單位長度未脫下的籽粒含量為y(1-α)，即

dy/dx=(1-α)y

解之得

lny=(1-α)x+c

根據當前的麥草比一般為1∶1.1，即當x=0時，其秸稈未脫下的籽粒為c，代入上式即可得到

lny=c

y=Ce(1-α)x

由于本紋桿座組合由脫粒板和紋桿頭組成，所以該結構既發揮了紋桿脫粒元件揉搓破碎低的優勢，又集成了釘齒抓取莖稈和沖擊能力強的優勢，為適合大喂入量和收獲不同作物創造了條件。例如，對于易脫的作物(小麥、大豆、大麥、油菜等)將脫粒板安裝在紋桿座左側的位置，提高對莖稈的抓取能力；對于比較難脫粒的作物(水稻等)就需要將脫粒板由圖3位置更換至平衡墊板的左側，以提高對水稻的梳刷作用；對于特別難脫的作物，可以采取在兩個位置同時安裝脫粒板的方法進一步提高梳刷作用。

1.脫粒板 2.紋桿頭 3.螺栓 4.平衡塊 5.紋桿座圖3 紋桿座組合Fig.3 Bar assembly

如前文所述，脫粒滾筒分為前后兩段結構，前段將大部分籽粒可以脫下并分離，其余未脫下的籽粒在螺旋式脫粒元件作用下，一邊沿滾筒軸線方向后移，一邊不斷翻轉秸稈，實現未脫下谷物與脫粒元件的直接接觸，大大改善谷物的脫粒效果；隨著秸稈層厚度的不斷變小，也有利于脫下籽粒與莖稈的分離。當然，由于滾筒后段脫粒物的不斷減少，所以有些機型甚至將分離凹板改為分段結構，從而實現脫粒滾筒不同位置脫粒間隙的不斷變化，提高對逐漸減少的剩余脫粒物的適應性，不斷減少谷物的脫粒損失。

3 試驗設計與數據分析

為了驗證上述分析的正確性，筆者選擇了影響脫粒強度系數較大的滾筒轉速、凹板間隙(脫粒系統的出口間隙)及滾筒傾角為試驗參數，以評價脫粒性能的含雜率和損失率為評價指標，采用正交試驗設計方法，探尋了影響脫粒性能因素的主次關系，確定所選參數的較優組合。為滿足縱軸流滾筒脫粒的要求，參考國內外類似機型的參數確定了選定參數的試驗水平，其因素與水平表如表2所示。試驗結果如表3所示。

表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels

表3 試驗結果Table 3 Test scheme and result

3.1 試驗結果與分析

3.1.1極差分析

滾筒轉速、凹板間隙和滾筒傾角各水平對滾筒脫粒性能的影響如圖4所示。

圖4 各指標對損失率、含雜率的影響Fig.4 The influence of each index on the loss rate and impurity content

各考察因子的極差值越大，說明該因子對試驗指標的影響越大，結合圖4的試驗結果，確定了谷物含雜率和損失率影響因素的主次關系，如表4所示。

表4 試驗指標分析Table 4 Analys is of test indexes

3.1.2 方差分析

綜合極差分析和方差分析可知：滾筒轉速、凹板間隙和滾筒傾角對滾筒的脫粒效果的影響是不同的，如表5所示。

表5 滾筒性能指標方差分析Table 5 Variance analysis of roller performance

續表5

F0.1(3,6)=3.29；F0.05(3,6)=4.76；F0.01(3,6)=9.87。

由方差分析結果可知：滾筒轉速、凹板間隙、滾筒傾角對滾筒脫粒性能指標均有顯著作用。這表明所選參數正確，是影響該滾筒脫粒性能的主要因素。

在這3個參數中，滾筒轉速對滾筒脫粒性能的2個指標均有顯著影響，隨著滾筒轉速的提高谷物含雜率和損失率呈現先降后升的趨勢。這是因為滾筒轉速提高后，谷物被滾筒上的脫粒元件擊打及被凹板撞擊強度和次數增強，谷粒更容易從莖稈上脫下，并由凹板分離出來。

凹板間隙對谷物含雜率和損失率具有顯著影響，間隙過大，脫粒空間增加，脫粒元件對莖稈的揉搓和沖擊作用降低，從而影響了脫粒效果；間隙太小，會對谷物的沖擊和揉搓作用加強，從而使莖稈破碎過于嚴重，影響了籽粒與莖稈的分離。

滾筒傾角對谷物含雜率和損失率有一定影響，當滾筒傾角增大時，由于延長了谷物的脫粒時間，所以滾筒脫粒更加徹底，谷粒的含雜率及損失率就呈現下降的趨勢。

通過極差和方差分析，綜合各試驗因數對滾筒脫粒性能指標的影響及其優化組合，按照以谷物含雜率低、損失率低的原則，確定A3B2C4為較優組合。

4 結論

1)開發了一套縱軸流式滾筒脫粒裝置，分析了該脫粒方式的工作原理，建立了脫凈率與脫粒強度系數的數學模型，為縱軸流滾筒的改進設計提供了理論依據。

2)確定了滾筒脫粒裝置中關鍵工作部件的工作參數，并驗證了相關參數設計的合理性。

3)通過正交試驗確定了影響谷物損失率的3個主次因素順序為：滾筒轉速、滾筒傾角、凹板間隙；影響谷物含雜率的3個主次因素順序為：凹板間隙、滾筒轉速、滾筒傾角。較優組合為滾筒轉速800r/min、凹板間隙15mm、滾筒傾角8°，在該參數下谷物的含雜率為0.11%、損失率為0.29%，完全滿足國家相關技術標準。