4LZ-6.5B型縱軸流聯合收割機關鍵部件的設計與試驗

廖 禺,王 杰,李 飚,周運成,張 文,吳羅發,潘 松*

(1.江西省農業科學院 農業工程研究所,江西 南昌 330200;2.江西省智能農機裝備工程研究中心,江西 南昌 330200;3.浙江柳林農業機械股份有限公司,浙江 臺州 318000;4.江西省農業機械化推廣監測站,江西 南昌 330000)

0 引言

谷物聯合收割機是能一次性完成切割、輸送、脫粒分離、清選和集糧等工序的谷物收獲機械[1-4]。傳統的谷物聯合收割機為橫軸流結構,其脫粒滾筒橫向設置,作物從滾筒一端進入,從另一端排出；由于整機結構的限制,橫軸流滾筒不能太長,否則整機寬度太大。橫軸流收割機的糧倉一般放置在脫粒滾筒的后方,其寬度不能超過脫粒滾筒的寬度,因而脫粒滾筒的寬度同樣限制了糧倉的大小。而縱軸流聯合收割機的整機結構緊湊,縱向脫粒滾筒相對較長,脫粒元件對作物作用柔和,從而可以降低谷物的破碎率,適合中小型面積田地農作物的收獲,備受市場的青睞[5-9]。隨著機械化收獲技術的發展,為了提高谷物脫粒和分離的能力、增加糧食的喂入量,現在縱軸流收割機已取代了橫軸流收割機[10-15]。

縱軸流收割機的糧倉設置不同于橫軸流收割機,如劉永會等[16-18]研究了全喂入縱軸流履帶自走聯合收割機,其糧倉同樣是縱向設置,和脫離機左右并列。這種糧倉設計的不足之處在于:當糧倉空載或滿載時,收割機的重心會發生顯著偏移,當糧倉空載時,重心偏向脫粒機的一邊；當糧倉滿載時,重心偏向糧倉的一邊,這種重心的不穩定會影響收割機作業時的穩定性,嚴重時甚至會導致收割機的傾覆。我們針對現有縱軸流收割機糧倉布局不合理、整機重心不穩等缺點,重點設計了一種中置糧倉縱軸流輪式收割機,通過騎跨式的糧倉布局,增大了糧倉的貯存空間,同時使收割機具有穩定的重心,提高了收割效率和安全性能。本文對該收割機的整機結構、工作原理、主要技術參數,以及導草裝置、割臺裝置、動力裝置等主要部件進行了設計研究,對該機的主要性能開展了田間試驗,并對田間試驗結果進行了分析。

1 整機結構與主要技術參數

1.1 整機結構與工作原理

4LZ-6.5B型縱軸流聯合收割機的外觀如圖1所示,它主要由動力裝置、行走機構、割臺、輸送裝置、脫粒裝置、粉碎裝置、糧倉、卸糧裝置等組成(如圖2)。其中動力裝置包括氣缸、油缸、氣動馬達等,液壓油缸的缸體與機架相連,活塞桿與上糧倉的前側面相連,活塞桿伸展時驅動上糧倉翻轉。在割臺的下游設置有輸送裝置,在輸送裝置的下游設置有脫粒裝置,脫粒裝置縱向設置,其在出秸稈口設置有粉碎裝置,在上方設置有上糧倉,在兩側分別設置有側糧倉,上糧倉與側糧倉接觸連接且相互連通,上糧倉縱向的一側與側糧倉縱向的外側邊通過鉸接件鉸接,且可在動力裝置的驅動下翻轉。在脫粒機與上糧倉之間設置有輸送糧食顆粒的垂直攪龍。在側糧倉的底部設置有橫向貫穿的下攪龍；在縱軸流收割機上方的一側設置有卸糧攪龍,下攪龍通過斜攪龍與卸糧攪龍相連；斜攪龍與卸糧攪龍通過萬向接頭相連,卸糧機構可以360°旋轉。

圖1 4LZ-6.5B型收割機的外觀

4LZ-6.5B型縱軸流聯合收割機的工作原理如下:割臺將待收割的農作物(如小麥、水稻等)扶起,經割刀切割后,由輸送裝置將作物輸送到脫粒機構中；農作物在脫粒機構中脫粒、分離莖稈和糧食顆粒,莖稈由出稈口送到粉碎裝置中粉碎,拋灑還田,糧食顆粒由垂直絞龍輸送到上糧倉,貯存于上糧倉和側糧倉中。

1.割臺;2.操縱系統;3.輸送裝置;4.輪式行走機構;5.動力裝置;6.后驅傳動系統;7.上糧倉;8.側糧倉;9.脫粒機構;10.360°放糧機構;11.粉碎裝置。

1.2 主要技術參數

4LZ-6.5B型縱軸流聯合收割機的主要技術參數見表1。

表1 4LZ-6.5B型收割機的主要技術參數

2 關鍵部件與配置設計

2.1 糧倉的設計

糧倉作為谷物聯合收割機的儲糧機構直接影響機具的作業效率。本研究充分利用縱軸流收割機的現有空間,優化設計了收割機的糧倉,采用分體式的上糧倉和側糧倉,將糧倉騎跨在脫粒機上,既擴大了糧倉的容量,又確保了縱軸流收割機在作業時重心穩定,由于糧倉被安裝在收割機中部,無論糧倉是空載還是滿載,其重心均處于中線位置,因此不會造成收割機側翻。同時上糧倉可以翻轉,便于縱軸流收割機的維修和清洗。在增加糧倉容量的前提下,與現有技術相比,該機占用空間更小,重心更穩。針對小麥、水稻等不同的糧食作物和不同的田間環境,可以選擇合適的輪式行走方式,方便靈活。上糧倉和側糧倉均為倒梯形,在上糧倉內設置有導板,導板沿上糧倉頂部的縱向中線向兩側底部傾斜,上糧倉的導板與側糧倉形成騎跨在脫粒機上的結構,使倒梯形為直角倒梯形,與駕駛室相鄰的邊為直角邊，如圖3所示。

a.主視圖；b.右視圖。1.上糧倉;2.放糧攪龍總成;3.左側糧倉;4.放糧攪龍;5.右側糧倉。圖3 糧倉結構的示意圖

2.2 導草裝置的設計

谷物脫粒分離裝置是收割機的重要組成部分,脫粒及清選的效果直接影響到整個收割機的作業性能。現有的聯合收割機通常在脫粒滾筒及上方的脫粒室頂蓋安裝有引導被脫物向后運動的導草板,導草板的結構型式及傾斜角度對脫粒至關重要。目前的收割機上頂蓋有圓弧頂和平頂兩個類型。平頂的頂蓋易調整但對作物流動的阻力大,導致頂蓋磨損快而需另行加固;圓弧形的頂蓋導草板是固定的,角度不易調整,導草板調節時需拆除頂蓋,工作量大,不能最佳地適應不同品種作物的收獲。

針對現有收割機導草板裝置的不足,本文設計了一種結構合理、調整方便的導草裝置(見圖4～圖5)。導草機構均勻間隔布置在脫粒室的圓弧頂蓋上,一端與拉桿連接,其上固定轉軸,在頂蓋外部安裝旋轉調節手柄,針對不同的作物,通過調整導草板的角度達到最佳收獲效果,在不打開脫粒室頂蓋的情況下,就可以對導草板的角度進行調整,減少頂蓋的磨損,操作方便可靠。

圖5 導草裝置-2

2.3 割臺裝置的設計

2.3.1 割臺的結構形式 全喂入聯合收割機普遍采用臥式割臺,結構簡單,工作可靠。

2.3.2 割臺寬度 水稻的平均產量一般在7500～12000 kg/hm2,以割茬高度25 cm收割,割下作物草谷所占的比率為0.5，割幅的計算公式如下:

B=10000q·β/(M·vm)

上式中:B為收割機的割幅(m);q為脫粒滾筒的喂入量(kg/s);β為割下作物草谷所占的比率;M為水稻的產量(kg/hm2);vm為收割機的作業速度(m/s)。

當脫粒滾筒的喂入量為6.5 kg/s左右時,機具的作業速度取1.5 m/s,經計算,割幅在1806～2889 mm,故將割臺的寬度定為2400 mm。

2.4 動力裝置的設計

全喂入聯合收割機的功率消耗主要由拔禾裝置、切割裝置、輸送裝置、脫粒裝置、分離裝置、清選裝置、谷粒輸送提升裝置、液壓裝置、行走裝置、糧倉放糧裝置等各部分功率消耗組成。其中脫粒裝置和行走裝置的消耗功率居前2位,脫粒裝置消耗的功率占消耗總功率的28%～42%,行走裝置消耗的功率占總消耗功率的20%～40%。

影響脫粒裝置功率消耗的因素有很多,其中與脫粒速度、喂入量、凹板篩包角及作物濕度等關系最為密切,聯合收割機的設計一般都以喂入量來計算脫粒裝置的功率消耗。對于釘齒式脫粒滾筒,1 kg/s喂入量所需要的功率為3.7～4.4 kW。本機型設計考慮水稻產量、作物濕度、操作人員熟練程度等因素,以及滾筒轉速的穩定性對脫粒分離效果影響的敏感性,適當給予余量。因此,本機型以6.5 kg/s喂入量時的脫粒裝置功率消耗NT=4.4×6.5=28.6 kW；設脫粒裝置消耗的功率占總消耗功率的比例為38%,功率儲備系數取1.2,則本機型配套功率N=28.6/0.38×1.2=90.3 kW。

該機配置立式直列水冷四沖程柴油機,標定功率92 kW,標定轉速2400 r/min。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗條件

2019年6月7日在安徽省泗縣泗城鎮胡陳村進行小麥收割試驗,小麥品種為華城3366,平均自然高度81.1 cm,籽粒含水率15.7%,環境溫度35.1～35.7 ℃,環境濕度44.2%～43.5%。2019年12月7日在浙江省臺州市溫嶺西岸村進行水稻收割試驗,水稻品種為甬優9號,平均自然高度99.5 cm,籽粒含水率24.4%,環境溫度22.7～23.5 ℃,環境濕度67.1%～66.6%。試驗選擇在切割線以上無雜草、作物直立的地塊內進行。試驗田塊不陷腳、無積水,長度不少于40 m,寬度不少于3個作業行程,要求測區長度為20 m。

3.2 試驗方法

按照GB/T 8097─2008《收獲機械聯合收割機試驗方法》、GB/T 5667─2008《農業機械生產試驗方法》等標準對收割水稻和小麥的總損失率、破碎率、含雜率等進行試驗驗證。

3.2.1 總損失率 從莖稈和清選排出物樣品中分別清出未脫凈損失、分離損失和清選損失的籽粒質量。按下式計算:

St=Sw+Sf+Sq

Wz=Wc×(1-Z)+Ww+Wf+Wq

上式中：St為脫粒機體損失率；Sw為未脫凈損失率，Sw=Ww/Wz×100%；Sf為分離損失率，Sf=Wf/Wz×100%；Sq為清選損失率，Sq=Wq/Wz×100%；Wc為出糧口籽粒質量(g)；Ww為未脫凈損失的籽粒質量(g)；Wf為分離(夾帶)損失的籽粒質量(g)；Wq為清選損失的籽粒質量(g)；Wz為總籽粒質量(g)。

3.2.2 割臺損失率 在寬度為實際割幅、長度為1 m(當割幅大于2 m時,長度為0.5 m)的面積內揀起落粒、掉穗和漏割穗,脫粒清凈后稱籽粒質量,換算成每平方米損失的質量,測量3次，取平均值；從中減去每平方米的自然落粒量,即為割臺每平方米的實際損失量。按下式計算:

Sg=Wgs(B×L)/Wz×100%

上式中：Sg為割臺損失率(%)；B為平均實際割幅(m)；Wgs為每平方米實際損失量(g/m2)。S為收割機總損失率，S=St+Sg。

3.2.3 破碎率 從出糧口排出物中選取樣品，再從樣品中取出不少于100 g的小樣，從中挑選出破碎的籽粒,分別稱重,測量3次，取平均值,按下式計算:

Zp=Wp/W×100%

上式中：Zp為籽粒破碎率(%)；Wp為小樣中破碎的籽粒質量(g)；W為小樣籽粒總質量(g)。

3.2.4 含雜率 從出糧口排出物中選取樣品，再從樣品中取出不少于100 g的小樣，從中選出雜質,分別稱重,測量3次，取平均值,按下式計算:

Z=Wg/W×100%

上式中：Wg為小樣中雜質質量(g)；W為小樣籽粒總質量(g)。

3.3 試驗結果與分析

樣機在田間收割試驗中的各性能測試指標如表2所示。試驗結果表明：該樣機在田間收獲性能穩定,安全性能高,各項性能指標均能滿足設計要求；與小麥收獲相比,該機水稻收獲的總損失率降低了0.48個百分點,破碎率降低了0.08個百分點,含雜率降低了0.35個百分點,因而該機更適用于水稻收獲。

表2 4LZ-6.5B型收割機田間收割試驗結果

4 小結

中置騎跨式糧倉布局的設計,增大了糧倉的貯存空間,同時使收割機具有穩定的重心,提高了谷物收割效率和安全性能。合理設計了導草裝置,通過調整導草板的角度可以使收割的作物秸稈快速從脫粒機體排出。割臺的結構型式和割臺寬度設計合理。整機動力配置可以滿足使用要求。田間試驗結果表明:該樣機在田間收獲性能穩定,安全性能高,各項性能指標均能滿足設計要求,但該機更適合于水稻的收獲。