4HJZ-4A花生撿拾摘果機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉洋成，何 珂，王 騫，耿端陽，李政平，張守海

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000;2.山東五征集團(tuán)有限公司，山東 日照 276800)

0 引言

花生是我國最重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物之一，總產(chǎn)量約占全球的40%，主產(chǎn)區(qū)集中在山東、河南、河北、遼寧等地[1]，收獲方式包括聯(lián)合收獲和兩段式花生收獲兩種方式。其中，聯(lián)合收獲法由于花生對行收獲難度大及花生收獲季土壤濕度大而嚴(yán)重影響了摘果、分離、清選效果和收獲質(zhì)量，其推廣應(yīng)用受到很大限制；而分段式收獲是采用花生挖掘機(jī)將其挖出并鋪放于田間地表，經(jīng)過數(shù)天的晾曬使花生、粘土迅速脫水后，再用撿拾收獲機(jī)對其撿拾、摘果、分離、清選和收集作業(yè)，不僅有效提高了花生摘果的效率，而且保證了收獲質(zhì)量。加之該方式簡化了整機(jī)結(jié)構(gòu)，所以兩段式花生收獲不僅在美國和阿根廷得到推廣應(yīng)用，而且逐步在我國黃淮海地區(qū)得到推廣應(yīng)用。

花生撿拾摘果收獲機(jī)作為花生機(jī)械化收獲的主要機(jī)型，在國際上已有半個世紀(jì)的研究歷史。美國20世紀(jì)60年代開發(fā)了雙滾彈齒式花生摘果收獲機(jī)，70年代開發(fā)了3滾筒彈齒式花生摘果收獲機(jī)；為了提高摘果效果和分離清選效果，90年代甚至推出了多滾筒、凹板篩和機(jī)蓋可調(diào)固定齒組合的花生撿拾摘果收獲機(jī)。2008年，COLOMBO公司推出了最新發(fā)明的軸流式雙螺旋滾筒全喂入式花生撿拾摘果收獲機(jī)[2]。所有這些機(jī)型由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，加之存在一些技術(shù)封鎖等原因，所以一直在國內(nèi)沒有得到推廣應(yīng)用；目前，國內(nèi)花生撿拾摘果收獲機(jī)研究較多的是沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)高連興教授、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)的尚書旗教授以及南京農(nóng)機(jī)化研究所胡志超研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，他們分別從不同角度對我國花生機(jī)械化收獲技術(shù)進(jìn)行了研究，并開發(fā)了相應(yīng)的機(jī)型。高連興教授團(tuán)隊(duì)以花生摘果技術(shù)為切入點(diǎn)，開發(fā)了場地作業(yè)的花生摘果機(jī)[3]；青島農(nóng)業(yè)大學(xué)尚書旗教授先后開發(fā)了花生挖掘機(jī)、背負(fù)式花生撿拾收獲機(jī)和花生聯(lián)合收獲機(jī)等，并在市場上得到一定的推廣[4]；南京農(nóng)機(jī)化研究所胡志超研究員開發(fā)的半喂入式花生收獲機(jī)等。這些成果有力地推動了我國花生機(jī)械化收獲技術(shù)的發(fā)展。

目前，隨著土地集約化發(fā)展，規(guī)模化種植逐漸成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。雖然半喂入式花生聯(lián)合收獲機(jī)可以減輕勞動強(qiáng)度，提高收獲效率，但由于挖掘裝置對不同地區(qū)土壤適應(yīng)性差，不能完全滿足各地花生收獲的要求，制約了半喂入式花生聯(lián)合收獲機(jī)的應(yīng)用推廣。中國花生主要采用一壟兩行的種植模式，行與行之間采用交叉錯蔸播種，挖掘后花生呈有序鋪放狀態(tài)[5]。這種鋪放狀態(tài)使得花生莢果朝上，秧蔓不易纏繞且易實(shí)現(xiàn)莢果的清選。因此，花生兩段式收獲成為大面積花生收獲時最理想的收獲方式[6]。花生兩段式收獲時首先須將花生挖掘、鋪放，之后進(jìn)行撿拾收獲。而人工撿拾收獲勞動強(qiáng)度大、效率低，因此研發(fā)作業(yè)可靠、性能穩(wěn)定的花生撿拾摘果機(jī)成為當(dāng)前花生兩段式收獲需要解決的問題。為此，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對花生聯(lián)合收獲機(jī)存在的不足和撿拾摘果收獲機(jī)的優(yōu)勢，開發(fā)了自走式花生撿拾摘果收獲機(jī)。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

4HJZ-4 型花生撿拾摘果聯(lián)合收獲機(jī)主要由撿拾臺、過橋、摘果滾筒、清選分選裝置、升運(yùn)裝置、集果箱、駕駛室和行走裝置構(gòu)成，如圖 1 所示。

1.限深輪 2.撿拾臺 3.過橋 4.駕駛室 5.第一集果箱 6.第一升運(yùn)器 7.發(fā)動機(jī)總成 8.第二集果箱 9.油箱 10.行走裝置 11.第二升運(yùn)器 12.清選裝置 13.風(fēng)機(jī) 14.摘果滾筒

機(jī)器行進(jìn)時，撿拾臺將鋪放在地面上的花生秧果挑起并送入過橋，經(jīng)過橋輸送作用花生秧果被喂入摘果滾筒；在摘果滾筒作用下，大部分花生秧被排除機(jī)外，花生果莢和少量秧草從摘果滾筒落入清選裝置，由清選裝置振動篩和風(fēng)機(jī)完成花生果莢的清選和分選；經(jīng)分選后的大花生果莢由第一升運(yùn)器被送入第一集果箱，而小花生果莢由第二升運(yùn)器被送入第二集果箱。

2 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該機(jī)采用分路傳動系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)動力輸出后，其中3路經(jīng)帶輪分別為行走裝置、齒輪泵和卸糧裝置提供動力；最后一路經(jīng)帶輪傳遞至中間軸經(jīng)由鏈輪傳動為撿拾輸送裝置、摘果裝置及清選裝置提供動力。傳動系統(tǒng)配置如圖2所示。

3 工作裝置設(shè)計(jì)

3.1 撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

撿拾裝置主要分為滾筒式和升運(yùn)器式兩大類。滾筒式撿拾裝置又分為彈齒式和偏心伸縮指式兩大類。

圖2 傳動路線圖

偏心伸縮指式的撿拾裝置采用的是硬指桿，扒指是剛性的，強(qiáng)度也較大，撿拾物料時對物料的沖擊作用較大；而且由于采用的是硬指桿，離地面不能太低，以免指桿在遇到石塊等障礙物時而損壞，所以一般多用于撿拾谷物作物中的玉米稈。因此，本機(jī)設(shè)計(jì)撿拾裝置為彈齒式撿拾裝置[7]。

彈齒滾筒式撿拾裝置一般借助于固定架安裝在撿拾臺上，主要由傳動軸、凸輪盤、彈齒、彈齒桿及護(hù)板等組成，如圖 3所示。

1.護(hù)板 2.固定架 3.凸輪盤 4.彈齒桿 5.傳動軸 6.滾輪 7.彈齒 8.曲柄

傳動軸的兩端固定著凸輪盤，傳動軸與彈齒桿通過連接盤連接，彈齒沿軸向并排固定在彈齒桿上；當(dāng)傳動軸旋轉(zhuǎn)時彈齒桿帶動滾輪和曲柄沿著凸輪盤內(nèi)凸輪滾筒運(yùn)動。

機(jī)器前進(jìn)時，撿拾裝置傳動軸逆前進(jìn)方向回轉(zhuǎn)，通過兩側(cè)的連接盤帶動周向均布的彈齒桿轉(zhuǎn)動。由于彈齒桿的一端有曲柄和滾輪，因此將沿凸輪盤滑道滾動，彈齒在滾輪的控制下按規(guī)定的軌跡運(yùn)行；當(dāng)彈齒運(yùn)動到撿拾滾筒下方時，其端部從滾筒護(hù)板的縫隙間伸出，將地面上的花生秧果撿拾起來，隨著彈齒的轉(zhuǎn)動將作物提升到撿拾滾筒上方并將其向后方推送，同時彈齒向下方運(yùn)動，并回縮到滾筒護(hù)板內(nèi)側(cè)，實(shí)現(xiàn)彈齒與被撿拾的作物分離。一個運(yùn)動周期要完成放齒、撿拾、升運(yùn)、向后輸送和收齒。

3.2 摘果滾筒設(shè)計(jì)

花生摘果滾筒是花生撿拾收獲機(jī)重要的組成部分，其性能的好壞直接關(guān)系到花生收獲機(jī)的摘果率、破碎率等指標(biāo)。目前，應(yīng)用較多的摘果滾筒主要有螺旋釘齒式、螺旋弓齒式、螺旋面板式及差動式摘果滾筒[8]。這幾種摘果滾筒主要依靠螺旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向力造成花生秧果在滾筒內(nèi)進(jìn)行移動，然而由于螺旋結(jié)構(gòu)加工制造不便，很難保證螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確性，且單級摘果機(jī)構(gòu)存在摘果不凈、分離不清和破碎率高等缺點(diǎn)，因而在實(shí)際應(yīng)用中尚存在不足。

針對此種情況，本機(jī)設(shè)計(jì)了一種二級橫軸流花生摘果滾筒，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.板齒喂入滾筒 2.攪龍裝置 3.凹板 4.釘齒滾筒

花生秧果經(jīng)喂入口首先進(jìn)入一級板齒摘果滾筒，由板齒首先對花生秧果進(jìn)行初步斬?cái)嗖⒒ㄉ砉腿攵夅旪X滾筒，由二級釘齒滾筒進(jìn)行花生主要摘果工作。

3.2.1 釘齒滾筒設(shè)計(jì)

釘齒滾筒具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。釘齒輥筒上分布有短釘齒與長釘齒兩種結(jié)構(gòu)樣式釘齒，通過查閱資料得[9]，釘齒直徑為12mm、高70mm，釘齒采用四頭螺旋，齒間距80mm。短釘齒位于釘齒滾筒前3/4部分，主要起到摘果分離的作用，而長釘齒位于釘齒滾筒后1/4部分，主要起到及時排秧的作用，避免花生秧堆積。由于釘齒滾筒內(nèi)釘齒沒有按照螺旋線排布因而加工工藝要求簡單，便于制造。

1.傳動軸 2.盤轂 3.短釘齒 4.固定盤 5.長釘齒

參考相關(guān)文獻(xiàn)可知[10]：釘齒頂部線速度達(dá)到8～10m/s時，摘果性能最佳，因此滾筒轉(zhuǎn)速為

(1)

其中，d為滾筒直徑，本機(jī)為350mm；v為釘齒端部線速度。帶入式(1)可得，n=430～540r/min。

3.2.2 上篩板設(shè)計(jì)

為了讓花生秧果在滾筒內(nèi)能夠產(chǎn)生橫向移動，上篩板上配置有導(dǎo)流板，如圖6所示。

圖6 上篩板

在短釘齒區(qū)域內(nèi)為了配合短釘齒的摘果作用，導(dǎo)流板升角應(yīng)較小設(shè)計(jì)為18°，這樣花生秧果可以在短釘齒區(qū)域內(nèi)停留較長時間，而在長釘齒區(qū)域內(nèi)為了讓花生秧盡快排出機(jī)外，導(dǎo)流板升角應(yīng)較大設(shè)計(jì)為40°[10-11]。

3.2.3 凹板設(shè)計(jì)

凹板的主要任務(wù)是使莢果與秧分離，同時使分離后的莢果通過篩孔落入下方的振動篩面上。對凹板的要求是花生莢果通過性良好，有助于摘果作業(yè)。凹板篩與摘果滾筒的間隙配合通常決定了花生摘果過程中搓擦和擠壓力的大小，一般而言為了保證花生秧果的喂入以及摘果作用，摘果滾筒與凹板篩之間通常是偏心配置，然而固定的凹板間隙對不同品種的花生秧果的適應(yīng)性差。為此，本機(jī)借鑒小麥?zhǔn)斋@機(jī)凹板篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了可調(diào)間隙分段式凹板篩，如圖7所示。

圖7中，Ⅰ段凹板篩與板齒滾筒配合，凹板間隙設(shè)計(jì)為17mm，Ⅱ、Ⅳ段凹板篩與釘齒滾筒短釘齒區(qū)配合，由凹版調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在不改變此處Ⅳ段凹板入口間隙的同時改變出口間隙，從而增強(qiáng)了釘齒滾筒區(qū)域?qū)Σ煌贩N花生秧果的摘果作用。為了讓被摘下的花生果莢順利通過凹板篩進(jìn)入清選裝置，本機(jī)凹板篩形式為方孔柵格篩，篩孔尺寸為60mm。

1.Ⅰ段凹板 2.Ⅱ段凹板 3.Ⅲ段凹板 4. Ⅳ段凹板 5.Ⅳ段凹板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

3.3 清選裝置設(shè)計(jì)

3.3.1 風(fēng)機(jī)選擇

風(fēng)機(jī)在清選過程中起著十分重要的作用。在花生完成脫粒后，少量砂粒及破碎的花生殼和秧蔓的葉子也混入其中，僅僅通過振動篩是無法將這些分開的，但是不同雜質(zhì)和花生莢果之間有著不同的臨界漂浮速度，通過風(fēng)機(jī)給這些脫出物一個漂浮速度，即可將雜質(zhì)與莢果區(qū)分開來。通過查閱資料[12-13]，花生莢果及雜質(zhì)的漂浮速度如表1所示。

表1 花生脫出物各成分漂浮速度

由表1可以看出：花生莢果的漂浮速度與砂粒的漂浮速度有一部分重合區(qū)域，所以在風(fēng)機(jī)進(jìn)行分選時應(yīng)保證花生莢果的實(shí)際漂浮速度在8.3～10m/s之間。風(fēng)機(jī)類型選用離心風(fēng)機(jī)，如圖8所示。由資料得，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為9.5m/s，所選風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口角度為17°[14]。

3.3.2 振動篩設(shè)計(jì)

實(shí)際上，花生果作為收獲作物通常在加工階段尚需進(jìn)行分選， 花生是雙子葉植物， 花生果的大小完全取決于兩片子葉的大小，這也意味著花生越大，所包含的營養(yǎng)成分越多。所以，對花生果進(jìn)行分選是十分有必要的，可以將較大的花生果應(yīng)用于油料的生產(chǎn)以及相關(guān)行業(yè)的多種加工；較小的則可以考慮用于制備飼料等用途。因此，如果在花生撿拾收獲階段內(nèi)就能完成花生果的分選將大大提高花生果加工效率。

通常花生撿拾摘果機(jī)清選裝置中的振動篩為長編織篩，在風(fēng)機(jī)與振動篩的配合作用下，花生果莢從振動篩上落入集果及升運(yùn)裝置中被送往集果箱，由于本機(jī)清選裝置上除了要完成清選功能外還需要完成分選功能，因此本機(jī)清選篩設(shè)計(jì)為雙層篩面，如圖8所示。

圖8 雙層振動篩

花生秧果在摘果滾筒內(nèi)完成摘果后，從凹板篩落入清選篩一級篩面上。清選篩面選擇12×12小方孔編織篩形式，如圖9所示。

圖9 振動篩結(jié)構(gòu)

其中，較小的果莢通過小方孔落入二級篩面上，又從二級篩面小方孔中落入第二升運(yùn)攪龍中；而較大的果莢難以透過小方孔，在風(fēng)機(jī)和振動篩作用落入二級篩面上。同理，此時又有一部分小果莢從小方孔通過落入第二升運(yùn)攪龍中，而較大的果莢在振動作用下到達(dá)尾篩，在尾篩空隙中落下，進(jìn)入升運(yùn)攪龍；整個清選過程中花生秧被逐漸排出體外，完成清選，且由于雙層篩的作用完成花生果莢的分選。

影響花生清選質(zhì)量的參數(shù)包括振動篩的振動頻率和振動篩的傾角，振動頻率和傾角綜合影響了花生莢果的篩選速度。通過查閱有關(guān)資料得，振動篩的最佳頻率為7Hz、振動傾角為8°時，能夠取得最佳的清選效果[15-16]。

4 田間試驗(yàn)(性能驗(yàn)證試驗(yàn))

4.1 試驗(yàn)條件與指標(biāo)

為了測試4HJZ-4A型花生聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量，在山東省日照市五蓮縣潮河鎮(zhèn)進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 4HJZ-4A花生撿拾摘果收獲機(jī)技術(shù)參數(shù)

4.2 試驗(yàn)條件

參照農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2204-2012《花生收獲機(jī)械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》，試驗(yàn)條件如表3所示。

表3 花生收獲試驗(yàn)條件

花生收獲試驗(yàn)是檢測花生撿拾摘果機(jī)性能指標(biāo)的一種重要途徑。該試驗(yàn)中，前進(jìn)速度是一項(xiàng)衡量收獲機(jī)工作效率的一項(xiàng)重要參數(shù)，在保證收獲質(zhì)量的前提下，更高的撿拾收獲速度代表著更高的工作效率。花生破碎率、含雜率及收獲損失率則是衡量花生摘果收獲機(jī)收獲質(zhì)量的重要參數(shù)；而對于花生撿拾收獲機(jī)來說，撿拾率也是影響收獲質(zhì)量的一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—花生收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》(NY/7502-2002)，撿拾率為

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其中，J為撿拾率(%)；Ml為漏撿帶蔓花生質(zhì)量(g)；Mt為每米帶蔓花生平均質(zhì)量(g)；L為小區(qū)長度(m)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

在田間進(jìn)行10次試驗(yàn)后，對試驗(yàn)結(jié)果取平均值，本機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)均列于表4中。

表4 4HJZ-4A花生撿拾摘果收獲機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知:各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求,能夠完成上述一系列花生收獲過程。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的花生撿拾摘果機(jī)，主要由撿拾裝置、輸送裝置、摘果裝置及清選裝置等組成，能夠完成對已經(jīng)掘出鋪放的花生的收獲摘果任務(wù)，使花生的手工收獲變成機(jī)械收獲。

2)在確定整體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)后，對于撿拾花生及花生摘果的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)論述，開發(fā)了一種新型二級橫軸流花生摘果滾筒，在保證摘果效果的情況下降低了加工難度。將清選裝置的篩面定為兩面，能夠?qū)⒒ㄉ凑沾笮∵M(jìn)行分類，以便花生后續(xù)的進(jìn)一步清選和加工。

3)對4HJZ-4A型花生撿拾摘果收獲機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，試驗(yàn)條件嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)制定規(guī)范，結(jié)果表明：該機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，保證了收獲效率和收獲質(zhì)量。使得理論與實(shí)踐聯(lián)系起來。