4LZ-4.0 型 履帶式聯(lián)合收割機設計與試驗*

吳羅發(fā) ，董獻華 ，張文毅 ，陳立才 ，舒時富

（1.江西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)工程研究所，江西 南昌 330200；2.江西良田農(nóng)業(yè)機械有限公司，江西 余江 335200 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇 南京 210014；4.江西省智能農(nóng)機裝備工程研究中心，江西 南昌 330200）

江西省是國家水稻主產(chǎn)區(qū)之一，水稻種植面積為343.62 萬公頃，產(chǎn)量2 092.2 萬噸，占我省糧食作物總產(chǎn)量的95.5%。江西省又是典型的丘陵山區(qū)，田塊面積小，形狀不規(guī)則，分散度高，高差相對較大，農(nóng)田基礎設施建設相對較差，水稻生產(chǎn)勞動強度大、效率低[1]。現(xiàn)代水稻生產(chǎn)具有單產(chǎn)高、長勢密、莖稈粗、草谷比大、莖稈含水率高等特性[2-4]，這些特性對聯(lián)合收割機作業(yè)性能提出了更高的要求[5-6]。隨著農(nóng)村勞動力向二、三產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)移，勞動力短缺矛盾不斷突出，水稻種植生產(chǎn)全程機械化成為必然趨勢[7]，水稻機械化收獲是提高水稻全程機械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

國內(nèi)外許多學者和相關企業(yè)針對南方丘陵區(qū)水田水稻機械化收獲開展了大量研究，并取得了一些成果。ALIZADEH等[7-10]研究了脫粒滾筒對脫粒性能的影響；高愛民等[11-12]設計了可適應于丘陵山區(qū)作業(yè)的小型水稻聯(lián)合收割機，但存在收獲效率低的問題；張敏等[13-14]設計了稻麥聯(lián)合收割機，但在南方丘陵山區(qū)的適應性差。目前市場上的聯(lián)合收割機品牌多且機型雜，農(nóng)民面對如此多的機型，難以選擇適合本地地理特點與土壤類型的收割機。由于丘陵山區(qū)水田地塊條件制約，聯(lián)合收割機結(jié)構(gòu)尺寸和動力受到限制，國內(nèi)現(xiàn)有小型水稻聯(lián)合收割機往往存在收獲效率低、夾帶損失較大等不足[15-17]。同時，現(xiàn)有的機具作業(yè)時，容易造成農(nóng)田耕作層破壞，泥腳越來越深，不利于南方水田保護性作業(yè)的發(fā)展。因此，研發(fā)適用于南方丘陵雙季稻區(qū)作業(yè)的履帶式谷物聯(lián)合收割機十分必要，這對解決南方丘陵水田機械化收獲問題，提升水稻種植全程機械化水平和保障糧食安全具有重要意義。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

履帶式高效聯(lián)合收割機采用全喂入收獲方式，機具總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整機主要由割臺裝置、脫粒裝置、清選裝置、輸送裝置、糧箱裝置、行走裝置等組成。機器可完成稻麥的分禾、扶禾、切割、喂入、脫粒、清選、儲糧等工序。工作過程中，分禾器將幅寬內(nèi)的稻麥植株分開扶起，同時在撥禾輪的扶持推送下，稻麥植株被切割，經(jīng)割臺輸送裝置和喂入裝置，谷穗、莖稈及掉落的籽粒被一起喂入脫粒清選裝置，由縱軸流式脫粒滾筒完成脫粒后，經(jīng)清選裝置實現(xiàn)谷草分離，稻麥秸稈、穗芒被排出，谷粒落入下層清選輸送帶上被傳送到糧箱裝置完成集收。

圖1 整機示意圖

2 關鍵部件設計

2.1 割幅設計

依據(jù)江西省雙季稻區(qū)特點，水稻產(chǎn)量水平一般在7 500～11 250（kg/hm2）之間，以留茬高度15 cm 收割，割下作物谷粒率（籽粒質(zhì)量與總質(zhì)量之比）為0.5。割幅按照式（1）進行計算。

式中：B—收割機的割幅（mm）；

q—脫粒滾筒喂入量（kg/s）；

β0—割下作物谷粒率（籽粒質(zhì)量與總質(zhì)量之比），取0.5；

M—水稻產(chǎn)量（kg/hm2）；

vm—收割機的作業(yè)速度（m/s）。

在脫粒滾筒喂入量4.0 kg/s左右時，收割機作業(yè)速度取1.2 m/s，經(jīng)計算，割幅可以設計在1 481 mm～2 222 mm之間，該機設計割幅寬度為2 100 mm。

2.2 行 走系統(tǒng)設計

2.2.1 高地隙行走底盤

該機設 計了一種新的高地隙行走底盤機構(gòu)，主要由底盤下架、底盤上架、變速箱傳動機構(gòu)、支撐輪系和行走履帶等裝置組成，如圖2所示。履帶接地長度L影響聯(lián)合收割機水田通過性和行走的穩(wěn)定性。接地長度過小，接地壓力大，水田通過性和縱向穩(wěn)定性差，會產(chǎn)生“翹頭”或“翹尾”現(xiàn)象，造成割茬時高時低；接地長度過大，轉(zhuǎn)向阻力增大，轉(zhuǎn)向困難。履帶的接地長度按照式（2）計算。

式中：G－聯(lián)合收割機重力，N；

B－履帶寬度，m；

q－接地壓力，kPa。

聯(lián)合收割機質(zhì)量為3 140 kg，接地壓力依據(jù)相關標準要求，初步定為25 kPa，履帶寬度加寬為500 mm。依據(jù)式（2）計算，履帶接地長度L≥1.256m，該機設計L為1.738 m。

該機構(gòu)在不改變底盤重心的情況下抬高變速箱，使離地間隙達到340 mm，加長加寬型高花紋履帶至500 mm，有效避免機架與履帶的干涉，托帶輪降低，有利于減少履帶的長度，增加驅(qū)動輪和導向輪的包角，同時可以使變速箱安裝結(jié)構(gòu)牢固、穩(wěn)定，并使糧箱可以旋轉(zhuǎn)。

圖2 高地隙行走底盤

2.2.2 底盤排泥裝置

該機設計了一種新的履帶式收割機底盤排泥裝 置，主要由收割機底盤、驅(qū)動輪、驅(qū)動桿、滑動套、 固定支架和行走履帶等組成，如圖3 所示。該裝置通過驅(qū)動輪帶動驅(qū)動桿推動活動方管移動，刮板自動排泥；通過開口卡座調(diào)節(jié)方管擺動角度，將淤泥排入外側(cè)；同時通過彈簧張緊調(diào)節(jié)卡座結(jié)構(gòu)，改變長度來放置不同數(shù)量的刮板，調(diào)節(jié)整體刮板的寬度，保證排泥效果，極大地提升了機具作業(yè)的便利性和穩(wěn)定性，保證排泥的順暢性，降低機具水田作業(yè)負荷，清理時不需要停機和機器移出田外，大大提高了工作效率。

圖3 底盤排泥裝置

2.3 脫粒裝置設計

該機設計了一種 喂入通暢、 結(jié)構(gòu)強度高、易調(diào)整的收割機脫粒滾筒，主要由若干喂入葉片、喂入錐、主軸、若干第一齒桿、若干第二齒桿、左端蓋和右端蓋組成，如圖4 所示，喂入錐固定于左端蓋上，喂入葉片呈螺旋狀間隔設置于喂入錐上，第一齒桿和第二齒桿一端固定于喂入錐上，另一端固定于右端蓋上，第一齒桿和第二齒桿交錯間隔分布于喂入錐和右端蓋之間，第一齒桿和第二齒桿中部連接有中間固定盤。該裝置的齒桿交錯裝配，連接中間固定盤，結(jié)構(gòu)強度高，齒桿相對主軸的位置可調(diào)整，適用于不同的作物，方便拆卸便于維護，喂入部位采用螺旋狀的葉片以及加強板和加強立板，喂入通暢，結(jié)構(gòu)強度高。滾筒長度為2 360 mm，直徑為700 mm，脫粒分離面積加大，脫粒更干凈，夾帶損失少。

圖4 傾斜縱軸式脫粒滾筒

2.4 清選裝置設計

該機設計了一種新型振動篩，如圖5所示，設計兩段式篩片，前后篩片開度可分別調(diào)節(jié)，適應不同作物品種；加長階梯狀指型篩，經(jīng)過多層過篩，使脫出物料更加有效分離，提高脫粒清選能力；加長加厚尾篩，并優(yōu)化篩片間距與輸送角，使籽粒與雜余充分分離，減少籽粒損失；新型振動篩清選面積加大，清選更干凈，減少籽粒的含雜率。

圖5 新型振動篩

2.5 行走轉(zhuǎn)向操縱裝置設計

該機設計了一種收割機的行走轉(zhuǎn)向操控裝置，主要由支座、轉(zhuǎn)動塊、擺動塊、操作桿、調(diào)節(jié)桿伺服旋柄等組成，如圖6 所示，支座的內(nèi)側(cè)表面通過第一轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動連接轉(zhuǎn)動塊，轉(zhuǎn)動塊的內(nèi)部設擺動槽，擺動槽的內(nèi)部中心處通過第二轉(zhuǎn)動軸擺動連接擺動塊，擺動塊的上表面和下表面均固定連接操作桿；操作桿的外表面下端固定安裝直角桿，直角桿的后側(cè)表面通過鉸接軸鉸接第一調(diào)節(jié)桿；第一調(diào)節(jié)桿的后側(cè)表面通過鉸接座鉸接三角板，三角板的兩端表面鉸接第二調(diào)節(jié)桿，第二調(diào)節(jié)桿的后側(cè)表面鉸接伺服旋柄，伺服旋柄的內(nèi)部通過安裝孔固定安裝于柱塞泵的控制桿上。可以通過一個操作桿進行控制，比較方便穩(wěn)定，同時通過內(nèi)部螺紋連接的加長桿來安裝手柄，結(jié)合彈簧張緊的限位桿結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)高度，適應不同的駕駛員使用，這樣能夠大大提高使用的便利性和穩(wěn)定性，保證操控的安全穩(wěn)定性。

圖6 行走轉(zhuǎn)向操縱裝置

3 性能試驗

3.1 試驗設計

試驗于2020 年7 月在江西省農(nóng)業(yè)科學院高安基地進行，供試材料為早稻品種中嘉早17，試驗面積10 畝，試驗田泥腳深度15cm 左右，試驗選取同類型沃得谷物聯(lián)合收割機進行對比試驗，試驗方法依照企業(yè)標準《4LZ-4.0 型全喂入履帶式高效聯(lián)合收割機》和機械行業(yè)標準《谷物聯(lián)合收割機 質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》（NY/T 2090—2011）規(guī)定分別測試生產(chǎn)率、含雜率、破碎率、損失率等性能指標。

① 生產(chǎn)率

式中：E—純小時生產(chǎn)率，%；

S—機具作業(yè)面積，hm2；

t—機具作業(yè)時間，h。

② 含雜率

式中：Zz—含雜率，%；

Wxz—出糧口取小樣中雜質(zhì)質(zhì)量，g；

Wxi—出糧口取小樣質(zhì)量，g。

③ 破碎率

式中：Zp—破碎率，%；

Wp—出糧口取小樣中破碎籽粒質(zhì)量，g；

Wx—出糧口取小樣籽粒質(zhì)量，g。

④ 損失率

式中：St—脫粒機體損失率，%；

Sw—未脫凈損失率，%；

Sf—分離損失率，%；

Sq—清選損失率，%。

3.2 結(jié)果與分析

樣機田間作業(yè)性能穩(wěn)定，與同類機型的谷物聯(lián)合收割機主要性能試驗結(jié)果，如表1所示。

表1 不同機型聯(lián)合收割機性能對比試驗

田間試驗表明：研制的4LZ-4.0 型履帶式聯(lián)合收割機，整機作業(yè)性能穩(wěn)定，操作方便，適應性強，該機的生產(chǎn)率為0.59 hm2/h，同類機型生產(chǎn)率為0.48 hm2/h，提高了22.9%；試驗機型含雜率為0.9%，同類機型含雜率為1.47%，降低了38.8%；試驗機型破碎率為0.5%，同類機型破碎率為1%，降低了50%；試驗機型損失率為0.9%，同類機型損失率為1.69%，降低了46.7%。

4 結(jié)論

1）改進設計了一種適宜南方水田水稻收獲的履帶式聯(lián)合收割機，重新設計了聯(lián)合收割機的割幅，提高了喂入量；改進設計了行走系統(tǒng)，采用高地隙行走底盤和排泥裝置，提高了水田適應性和通過性；設計了脫粒滾筒，加大了脫粒分離面積，提高了脫粒性能，降低損失率；設計了可調(diào)式清選篩，加大了清選面積，清選更干凈，降低含雜率；采用一桿式操作控制，提高了使用的便利性、穩(wěn)定性和安全性。

2）田間試驗結(jié)果表明，4LZ-4.0 型履帶式聯(lián)合收割機的承載能力強，可靠性高，通過性好，轉(zhuǎn)彎半徑小；其生產(chǎn)率、含雜率、破碎率、損失率等作業(yè)性能完全符合設計要求，與同類機型相比較，生產(chǎn)率提高了22.9%，含雜率降低了38.8%，破碎率降低了50%，損失率降低了46.7%。

3）履帶式聯(lián)合收割機的研制，解決了南方丘陵區(qū)水田水稻機械化收獲效率低、損失率大等問題，為提高江西省水稻全程機械化生產(chǎn)提供了新裝備和技術(shù)支撐。