立式軸流脫粒裝置設計研究

王升升，師清翔，劉春亞，楊 芳

(河南科技大學 農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

我國丘陵山區地域廣大，耕地面積占我國耕地總面積的1/3左右，是我國重要的糧食生產基地[1-2]。由于丘陵山區耕地地塊小且分散，道路等基礎設施建設滯后，機器通過性較差，已成為制約我國農業機械化快速發展的瓶頸[3]。因此，實現谷物收獲機械的小型化、輕便化是提高丘陵山區農業機械化水平的重要途徑[4-5]。

脫粒裝置是谷物聯合收獲機的核心工作部分,不僅在很大程度上決定了機器的脫粒質量和生產率,而且對后續的分離清選等作業也有很大影響[6]。現有的聯合收獲機多采用橫向或縱向軸流脫粒滾筒，在滿足收獲性能的前提下，受丘陵山區地形制約，脫粒滾筒橫向或縱向布置在整機寬帶和長度尺寸方面均會影響整機的通過性和操作靈活性[7-8]。因此，研制適于丘陵山區的微型谷物聯合收獲機，不是簡單地對整機尺寸的縮小，而是要研究新型收獲部件及裝置，在結構上做出創新性的改變。

為了有效解決我國丘陵山區谷物機械化收獲所面臨的難題，設計了一種適于丘陵山區微型谷物聯合收獲機的立式軸流脫粒裝置，以期在保證脫粒性能的前提下，減小整機尺寸，增加谷物收獲機的適應性。在理論計算的基礎上，從運動學角度對谷物在立式軸流脫粒空間內的受力和運動狀態進行分析，給出了物料在立式軸流脫粒裝置各段需要滿足的力學關系，推導得出谷物在脫粒裝置內的軸向運動速度公式，并通過室內試驗對脫粒裝置的結構運動參數進行了優化。

1 設計原理及結構

1.1 設計原理

本文所設計的立式軸流脫粒裝置是在認真分析河南科技大學自主設計的便攜式微型谷物聯合收割機的基礎上進行的，如圖1所示。

1.下錐形攪龍 2.上錐形攪龍 3.滾筒殼體 4.脫粒滾筒 5.吸雜風機 6.吸雜管道 7.鏈輪 8.上揚谷器管道 9.皮帶輪 10.旋風分離筒 11.皮帶輪 12.發動機 13.機架 14.撥禾輪 15.割刀軸 16.圓盤刀 17.變速箱 18.履帶 19.下揚谷器管道 20.下揚谷器 21.上圓柱攪龍 22.下圓柱攪龍圖1 微型谷物聯合收割機結構簡圖Fig.1 Structure of miniature grain combine harvester

該機采用割前脫粒原理，依靠雙螺旋攪龍將谷物穗頭喂入到脫粒滾筒中，導致滾筒在整機配置時離地高度過低，影響了整機在地塊狹小且存在高度落差的丘陵山區的適應性和通過性；另外，由于該聯合收獲機只能對行收獲，需要谷物穗頭沿滾筒軸向完全通過時才能實現脫粒，且機器受丘陵山區地形的限制，在地頭邊緣不能繼續前進而出現無法收割整行的現象。

經過查閱文獻和討論，本研究將立式軸流脫粒裝置應用于微型雙行谷物聯合收獲機上。整機采用上下雙割刀完成谷物的切割作業，由喂入輪將谷物喂入立式軸流脫粒裝置。與全喂入脫粒滾筒相比，其功耗小，凹板分離物中的短莖稈較少；與半喂入脫粒裝置相比，其割臺不必安裝精度要求較高且結構復雜的夾持輸送裝置，結構簡單緊湊。與橫軸流或縱軸流式脫粒裝置相比，在保證脫粒性能的前提下，可有效減小整機寬度和長度尺寸，增加機器在丘陵山區的通過性。

1.2 總體設計

根據整機配置，設計立式軸流脫粒裝置并進行室內性能試驗。試驗臺主要由輸送帶和立式軸流脫粒裝置兩部分組成，如圖2所示。輸送帶實現物料的鋪放和輸送，立式軸流脫粒裝置由喂入輪、脫粒滾筒、分離凹板、罩殼及機架等組成。脫粒滾筒分喂入提升段和脫粒分離段，喂入提升段實現物料抓取和喂入，脫粒分離段實現物料脫粒和分離，并保證脫粒過程中物料的螺旋上升運動。

1.物料輸送帶 2.立式軸流滾筒 3.分離凹板 4.螺旋導向板 5.罩殼 6.螺旋推運葉片 7.喂入輪 8.機架 9.籽粒收集裝置圖2 立式軸流脫粒裝置試驗臺結構示意圖Fig.2 The Structure of vertical axial threshing mechanism test beach

為確保物料均勻進入立式軸流脫粒裝置并能夠充分脫粒，喂入口設計在脫粒裝置的下方，喂入輪與滾筒保持相切的位置關系；出草口位于脫粒裝置的頂部。工作時，谷物經由喂入輪從立式軸流滾筒的切向進入到脫粒裝置內，在滾筒和螺旋導向板的共同作用下，物料做自下而上的螺旋上升運動，在此過程中，物料受到脫粒元件的沖擊作用完成脫粒，在滾筒離心力和自身慣性的作用下，籽粒經柵格間隙被分離到凹板外并下落至籽粒收集裝置內，秸稈經上方的出草口排出機外。

2 關鍵部件設計

2.1 喂入輪

喂入輪的作用是輔助谷物順利地進入到脫粒裝置內，主要由葉片、幅盤和喂入輪軸等組成。為了防止喂入到滾筒內的物料被回帶出來，喂入輪的葉片采用后傾角安裝，且喂入輪與脫粒滾筒相切安裝，以確保物料順利流暢地進入脫粒滾筒中。

2.2 立式軸流滾筒

立式軸流滾筒是脫粒裝置的重要組成部分，主要由板齒、滾筒端蓋、防纏擋圈、滾筒軸及螺旋推運葉片等組成，如圖3所示。參考現有中小型谷物聯合收獲機整機結構及尺寸，該滾筒采用閉式圓柱滾筒，滾筒直徑為360mm，長度為700mm，凹板與罩殼之間的間隙為50mm，被凹板分離出的籽粒、穎槺、斷穗，以及短莖稈均從此間隙落進接料裝置。

1.滾筒下端蓋 2.下防纏擋圈 3.螺旋推運葉片 4.滾筒體 5.板齒 6.滾筒上端蓋 7.滾筒軸 8.帶輪 9.上防纏擋圈圖3 立式軸流滾筒結構簡圖Fig.3 Schematic of vertical axial threshing cylinder

要使立式軸流脫粒裝置正常工作，需要保證物料在不堵塞的情況下做螺旋上升運動。設計滾筒時，選擇在滾筒下方0～210mm處安裝螺旋推運葉片的方式，以便能夠確保經喂入輪進入滾筒的物料先由螺旋推運葉片向上輸送，然后再由按雙頭螺旋線排列且傾斜安裝的板齒與導向板相配合向上輸送物料，從而實現對物料在滾筒內運動狀態的控制。

2.3 分離凹板

對于立式軸流脫粒裝置，為防止物料在滾筒下方發生擁堵，影響脫粒裝置的脫粒性能，分離凹板必須具有較強的分離能力。本脫粒裝置分離凹板采用柵格篩形式，具有分離能力強、脫粒損失小及剛性好等優點。

凹板面積是決定脫粒裝置生產率的重要決定因素。立式軸流脫粒裝置的分離凹板包角理論上可以達到360°，但為了保證物料能順暢地沿軸向螺旋上升運動，在脫粒滾筒罩殼上布置有螺旋導向板，輔助物料沿軸向運動，因此將立式軸流脫粒裝置的凹板包角設計為270°。

3 谷物在脫粒過程中的運動分析

由立式軸流脫粒滾筒工作原理可知：谷物在喂入提升段和脫粒分離段的受力與運動狀況不同，在導向板側和凹板側受力也不完全相同[9-10]。因此，需要分別對喂入提升段和脫粒分離段的受力情況進行分析。

3.1 喂入提升段

當喂入提升段的螺旋推運葉片以角速度ω繞滾筒軸旋轉時，產生較大的離心力與摩擦力，位于葉片上的谷物一方面受到螺旋葉片的作用繞軸線轉動，另一方面與葉片之間發生相對滑動沿軸線向上運動。

此時，谷物會分別受到螺旋推運葉片的支反力F1、物料之間的牽扯力F2、物料沿周向運動的慣性力F3、葉片對物料的摩擦力F4、凹板對物料的徑向支撐力F5及自身重力G等力的作用，受力分析如圖4所示。

要使谷物能夠順利地螺旋上升，則位于螺旋推運葉片上的谷物質點所受到的合力應等于0，即需要滿足以下的條件

豎直方向：G+F4sinα=F2sinα+F1cosα

周向：F4cosα+F1sinα=F2cosα

徑向：F3=F5

F3=mrω2,G=mg

式中α—螺旋推運葉片升角；

m—物料質量；

r—物料到滾筒軸線的距離。

位于葉片上的谷物質點的牽連速度v0為葉片上質點處的圓周速度，有

又有tanα=S/2πr，則有

(1)

式中n—滾筒轉速(r/min)；

S—螺旋推運葉片的螺距。

速度方向沿質點回轉的切線方向。

圖4 谷物在喂入提升段時的受力分析Fig.4 Scheme of forces on grain in feeding of threshing roller

假設谷物與螺旋推運葉片的摩擦因數為μ，則絕對速度vn的方向相對于螺旋線的法線后偏一定角度，其大小為φ，并且有

μ=tanφ

由速度三角形可知，牽連速度與絕對速度滿足如下關系，即

(2)

將式(1)代入式(2)并進行三角變換得

(3)

絕對速度vn可以分解成沿滾筒軸線的軸向速度vz和沿滾筒切線的切向速度vq。軸向速度使谷物自下而上運動，切向速度使谷物在上升過程中翻動和攪拌，所以有

(4)

要使谷物能夠自下而上螺旋運動，則物料沿滾筒軸向的運動速度應大于0，即需要滿足

1-μtanα>0

即α<90°-φ

(5)

3.2 脫粒分離段

當谷物被螺旋推運葉片提升到脫粒分離段后，其運動情況將會變得更加復雜，谷物不僅會受到脫粒元件的沖擊作用，而且還會受到滾筒罩殼上導向板的作用。由于位于板齒上物料的受力情況與螺旋推運葉片上的完全相同，故不再分析(見圖4)。

由于谷物在凹板側受到滾筒的強烈沖擊，高速接觸到罩殼上的導向板，并依靠自身慣性沿導向板做螺旋運動。在這種狀態下，處在導向板之間的物料也會受到來自導向板的支反力F1、沿周向運動時的慣性力F2、導向板及罩殼與物料間的摩擦力F3、罩殼對物料的支撐力F4、周向運動物料給導向板之間物料的牽扯力F5及其自身重力G等力的作用，其受力分析如圖5所示。同時，這些力還滿足以下的平衡關系

豎直方向：G+F3sinβ=F5sinβ+F1cosβ

周向：F3cosβ+F1sinβ=F5cosβ

徑向：F2=F4

F2=mr'ω2,G=mg

式中β—螺旋推運葉片升角；

m—物料質量；

r′—物料到滾筒軸線的距離。

圖5 谷物在脫粒分離段導向板上的受力分析Fig.5 Scheme of forces on leading lathing of threshing sector

借鑒相關研究結論知，谷物在滾筒內的平均運動速度約為滾筒圓周速度的0.2～0.5，設谷物的平均運動速度與滾筒的圓周速度的比值為λ，有

vt0=λv0

(6)

在考慮摩擦影響的情況下，假設谷物與導向板的摩擦因數為μ′，絕對速度vtn的方向與螺旋導向板的法向方向后偏一個摩擦角φ′。與喂入提升段類似，根據速度三角形可得

(7)

(8)

若要使物料沿滾筒軸向作螺旋上升運動，則vtz>0，即cotβ-μ'>0，所以脫粒分離段導向板的螺旋角β應滿足

β<φ'

(9)

綜上所述，要實現物料能夠自下而上的螺旋運動需要滿足如下條件，即喂入提升段螺旋推運葉片的螺旋角應小于谷物與螺旋推運葉片的摩擦角的余角；脫粒分離段導向板的螺旋角應小于谷物與導向板的摩擦角，并且板齒的排列螺旋角也應小于谷物與板齒的摩擦角的余角。

4 室內試驗與結果分析

4.1 試驗條件及方法

室內試驗選用河南省孟津縣城關鎮九泉村試驗田小麥，通過田間檢測得知，其產量為7 500kg/hm2，小麥株高為700mm，谷草質量比為1∶1.5，籽粒含水率為8.67%，秸稈含水率21.83%。

試驗時，使用輸送帶模擬脫粒裝置的物料實際喂入，將輸送帶的速度固定在一定值，同時為了能使物料喂入流暢，要保證喂入輪的喂入速度要不小于輸送帶速度。然后，稱取試驗所需的物料并均勻地鋪放在物料輸送帶上，啟動試驗臺，待其工作穩定后啟動輸送帶；同時，收集試驗臺的凹板分離物和出草口排出物，對它們進行處理并稱重，可以得到出草口排出的籽粒重w1、凹板分離物中的籽粒重w2以及凹板分離物的總重w3，通過上述數據可以計算出立式軸流脫粒裝置的試驗性能參數：

脫粒損失率為

Y1=w1/(w1+w2)

含雜率為

Y2=(w3-w2)/w3

4.2 試驗方案與結果

根據初步試驗結果可知：影響立式軸流脫粒裝置性能的主要因素有滾筒轉速、脫粒間隙、板齒傾角及柵條間隙等。故選取滾筒轉速、脫粒間隙、柵條間隙、板齒傾角為試驗因素按L9(34)進行四因素三水平正交試驗，分別測定脫粒損失率Y1和含雜率Y2作為試驗評價指標。試驗因素與水平設計如表1所示，試驗方案及結果如表2所示。

表1 試驗因素與水平Table 1 Experimental factors and levels

表2 試驗方案及結果Table 2 Experimental program and results

對上述試驗結果進行直觀分析可知：影響脫粒損失率的因素主次順序是D>B>A>C，最優參數組合為A3B2C1D1；影響含雜率的因素主次順序是A>B>C>D，最優參數組合為A3B2C2D3。由于各個試驗因素對兩個指標的影響次序和較優參數組合不一致，所以將含雜率和清選損失率的權重分別取為0.6、0.4，用綜合評分法確定綜合指標，對試驗數據進行加權分析，可得到各個因素對綜合指標的影響主次為B>A>C>D,最優參數組合為A2B2C1D1。

由于得到的最優參數組合并未出現在正交試驗方案中，所以需要對最優參數組合進行驗證。將立式軸流脫粒裝置的各參數調至最優組合，重復試驗3次，取平均值得到脫粒損失率為2.16%，含雜率為23.25%。

5 結論

1) 設計的立式軸流脫粒裝置由喂入輪和脫粒滾筒組成，裝置通過螺旋推運葉片、螺旋排列的板齒及罩殼上的導向板共同實現對物料運動狀態的控制，確保谷物自下而上螺旋上升。

2) 通過對谷物在立式軸流脫粒滾筒內的運動狀態分析，給出了谷物分別在喂入提升段和脫粒分離段的受力情況，并推導出了谷物在滾筒內的軸向速度計算公式。

3) 分析得出，若使谷物自下而上螺旋運動，則螺旋推運葉片、螺旋排列的板齒的螺旋角應小于谷物與螺旋推運葉片、板齒摩擦角的余角；導向板的螺旋角應小于谷物和導向板的摩擦角。

4) 通過室內試驗研究發現：當脫粒間隙為13mm、滾筒轉速為900r/min、凹板柵條間隙為9mm、板齒傾角為8°時，立式軸流脫粒裝置的脫粒損失率為2.16%，含雜率為23.25%，利于后續清選作業。