半喂入花生聯合收獲機去石清選裝置設計與試驗*

李豪杰，王青華，李軍浩，張延化

(1. 臨沭縣東泰機械有限公司，山東臨沂，276700； 2. 臨沭縣大興鎮農業綜合服務中心，山東臨沂，276700；3. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

中國是花生種植的傳統大國，半喂入聯合收獲是目前花生的主要收獲方式之一。半喂入花生聯合收獲過程中鮮花生的清選是收獲過程中的重要環節，在土壤板結嚴重或石塊、泥塊過多的種植地塊清選裝置的去石效果直接決定收獲機械的作業質量[1-3]。

關于花生莢果的清選裝置前人也做過大量工作[4-7]，Gorial等[8]研究了谷物及其秸稈的飄浮速度；高連興等[9]研究了花生脫殼產物、大豆脫出物飄浮速度并設計雙吸風口振動式花生莢果清選裝置；王青華等[10]設計了花生聯合收獲機風動拋撒清選裝置，然而這些傳統清選裝置都是采用振動篩與氣吸組合式清選，收獲時經收獲機摘果后利用振動篩均勻輸送，使氣吸組合將其中地膜、枯葉、秧蔓、沙土等較輕小的雜質吸除或吹除，由于鮮花生水分充足質量大，當土壤板結或石塊、泥塊過多時，與花生大小相仿的石塊、泥塊就會和花生一同被收獲至糧倉，導致花生含雜率較高。

本文設計了安裝于半喂入花生聯合收獲機上的去石清選裝置，采用雙層篩網結構，其中下層篩分為上行、分離、下行3個區域，將花生與石塊、泥塊進行分區處理，同時篩選，通過正交試驗確定裝置安裝參數，然后將該裝置安裝于4HD-2A半喂入花生聯合收獲機進行試驗驗證，旨在解決傳統清選裝置無法有效篩除與花生大小相仿的石塊、泥塊等問題，以期降低花生含雜率。

1 結構與工作原理簡介

1.1 整機結構

4HD-2A型半喂入花生聯合收獲機結構簡圖如圖1所示，該機型為履帶自走半喂入式，主要由底盤行走系統、操縱系統、液壓系統、電控系統、收獲系統、摘果系統、清選系統、收集系統組成。

1.2 整機工作原理

如圖1所示，收獲機械田間工作時，先由扶禾機構將花生秧分開，并把倒伏的秧蔓扶起來后引導至夾持機構鏈條入口處，接著通過挖掘機構的松土鏟將花生主根松動，此時由前低后高的夾持鏈條夾住花生秧，自前往后輸送。然后，花生秧蔓經過清土機構，抖落根部大塊泥土及雜物，完成第一道去雜清選；花生秧繼續往后輸送，經對輥差相半喂入摘果系統完成果秧分離；摘完果實的花生秧經排秧機構整齊有序的排在后方田間，由摘果輥摘下的花生果、草葉、微小薄膜、細小秸稈、頑固的泥塊、石塊等雜物落到清選機構上，經清選機構清選后，雜物篩出，清選好的花生果經提升機構利用提升機、傳送帶輸送至收集機構的糧倉，完成完整步驟的田間收獲工作。

圖1 花生去石清選裝置總機結構圖Fig. 1 Structure diagram of peanut stone cleaning device1.扶禾機械 2.夾持機構 3.收集機構 4.提升機構5.排秧機構 6.清選機構 7.清土機構 8.挖掘機構

1.3 去石清選裝置結構組成與工作原理

如圖2所示，該裝置主要由上閥門、下層篩、上擺臂、機構支架、上層篩、偏心軸、支臂、下擺臂及動力傳動裝置組成。其中，上、下擺臂分別位于篩體兩側，兩者長度不等使篩體傾斜一定角度，在偏心軸的往復運動下，將下層篩分成上行區、分離區、下行區3個區域，上閥門位于下層篩的上行區；大石塊排出口位于上層篩的下方；花生出料口位于下層篩下行區。

該裝置工作時，由收獲機鏈輪帶動傳動裝置運作，經收獲大架上的摘果系統將花生與其中摻雜的石塊、泥塊，全部通過輸送機構輸送并散落在清選裝置的上層篩，其中大石塊直接從上層篩底部的大石塊排出口篩出，其余花生及與其大小、質量相仿的石塊、泥塊則由上層篩的網孔落入下層篩的分離區，花生與石塊、泥塊進行初步分離，直徑小于10 mm的石塊、泥塊則會由下層篩的網孔直接落到地面，剩余的石塊、泥塊由于質量、密度以及數量遠遠小于花生的數量等物理因素，在偏心軸的往復運動下，石塊、泥塊分布在花生莢果下方并沿篩網向上移動，進入上行區經上閥門篩出，其余干凈花生則浮在石塊、泥塊上方，由于自身數量多且篩體傾斜一定角度，堆積過多的花生莢果流入下行區，經花生出料口篩出后通過輸送帶收集至糧倉。

圖2 去石清選裝置結構組成Fig. 2 Structure composition of stone removal andcleaning device1.純凈花生收集筐 2.上層篩 3.機構支架 4.上擺臂 5.下層篩6.小石塊收集筐 7.偏心軸 8.支臂 9.下擺臂 10.大石塊收集筐11.花生出料口 12.大石塊排出口 13.動力傳動裝置 14.上閥門

2 花生去石清選裝置關鍵部件設計

2.1 篩網結構與尺寸設計

篩網結構如圖3所示，根據花生聯合收獲機尺寸確定的篩體尺寸，總長1 683 mm、寬550 mm、高1 010 mm，由上、下兩層篩網組成，開口設計為雙開口，上層篩網開口向外，下層篩網開口向內，此設計為增加清選裝置的吞吐量，底部由三根承重架支撐確保篩體不變形。根據花生外形、品種等條件，經過多次試驗篩選，確定了網孔形狀為方形、條形、圓形時物料流動性相對其他異形網孔較高。當網孔為方形時試驗基本不會出現卡住花生及土塊堵塞等問題，適用于花生類作物篩選，篩網尺寸則由花生品種決定。本地主要種植的花生品種為花育22號，根據該花生外形物理尺寸對石塊進行定義，直徑大于20 mm為大石塊、10～20 mm的為小石塊，所以在設計方面，上層篩網邊長為20 mm，下層篩網邊長為10 mm，使花生更好的實現與石塊、泥塊的分離運動，當花生品種發生變化可根據花生尺寸調整網孔大小。

圖3 半喂入花生聯合收獲去石清選裝置篩網參數圖Fig. 3 Screen parameter diagram of peanut stoneremoval and cleaning device1.花生出料口 2.承重架 3.上閥門 4.大石塊排出口

2.2 偏心軸設計

偏心軸結構如圖4所示，該裝置工作時，通過花生聯合收獲機獲得動力后經減速箱減速輸送至主介軸，帶動偏心鏈輪轉動，通過拉桿帶動擺動臂進行往復運動，使偏心軸工作，經過試驗獲得兩臂夾角為20°時傳動的性能最佳，從而使篩底軸帶動篩體運動，連接桿可以用來調節與篩體的角度，從而確定篩體的前后行程。

該偏心軸設計巧妙的地方在于拉桿可以自由張緊調節，調節前后兩個軸之間的中心距離，可以改變篩體的傾斜角度，方便隨時調整。軸承盒當中使用UC206球面軸承，該軸承可以自由轉動，有效的防止當拉桿傾斜時對軸承的損壞。在圖中遮擋處擺動軸上安裝兩處限位，可以使篩體運動時不會偏移位置。

圖4 偏心軸結構Fig. 4 Structure of eccentric shaft1.軸承座 2.擺動軸 3.擺動臂 4.軸承盒 5.拉桿6.連接桿 7.篩底軸 8.偏心鏈輪 9.主介軸 10.偏心軸

3 試驗與分析

3.1 材料與方法

正交試驗于2020年10月在山東省臨沭縣某公司研發車間進行(圖5)，試驗對象為當地主要種植的花育22號鮮花生，且試驗對象受土壤墑情、環境墑情影響不大，與實際田間試驗幾乎無誤差影響。試驗前準備的條件如下：將花生、大石塊、小石塊按照7.5∶1.5∶1的比例進行調整，以4HD-2A傳送系統模擬鮮花生正常收獲形式，持續向傳送系統投入，輸送至半喂入花生聯合收獲機去石清選裝置中進行正交試驗，以此計算含雜率。

圖5 半喂入花生聯合收獲機去石清選裝置試驗現場圖Fig. 5 Experimental site diagram of peanut stoneremoval and cleaning device

3.2 正交試驗與分析

半喂入花生聯合收獲機去石清選裝置：以花育22號品種花生為參考，分別進行單因素試驗，篩網安裝角10°～13°，篩選頻率設定為3.8～4.2 Hz，前后行程16～24 mm時流動性、分區性、吞吐量最佳，可有效實現花生與雜質分區清選。其中無論是角度、頻率、行程任何一個因素超出或小于該范圍都會導致花生出現堆積在篩面上方不流動或直接從篩網出口流出等問題，所以網孔形狀、篩選頻率、篩網安裝角度、前后行程，這些因素直接影響其去石清選能力，以含雜率及損失率為考察指標，進行正交試驗，其中含雜率及損失率計算公式[11-12]如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：PS——總損失率，%；

MS——測區內損失花生的質量，kg；

Mh——測區內果箱中收獲花生質量，kg；

PZ——含雜率，%；

MZ——測區內果箱中雜質的質量，kg。

按正交試驗表L9(34)進行正交試驗，因素水平安排如表1所示。試驗結束以大石塊出口質量、小石塊出口質量、花生出料口接料質量，計算含雜率與損失率。每10 min記錄一次試驗數據，取10次試驗數據取平均值作為最終試驗結果。

表1 裝置正交試驗因素水平Tab. 1 Orthogonal test factor level of peanut stoneseparation device

根據上述試驗結果，以含雜率及損失率為考察指標的正交試驗中，由表2可知含雜率與損失率兩個指標最后得出的優方案一致，A水平極差最低是對試驗影響最小的因素，A取2水平為好，B水平極差小于C和D，對試驗影響比C和D都小，B取3水平為好，C和D兩個因素的極差都很大，是對試驗影響很大的兩個因素，還可知，C取第2水平為好，D取第1水平為好，綜合考慮，網孔形狀為方形、篩網安裝角度為13°、頻率設定在4.0 Hz、前后行程為16 mm時工作效率最佳。但由于正交試驗方案中沒有該優方案，因此將該優方案進行試驗驗證，按照優方案調整花生去石清選裝置參數進行試驗，重復試驗10次，取平均值，得到優方案的花生去石清選裝置含雜率為3.82%，損失率為1.28%，小于表2中所有正交試驗結果[13-17]。因此，正交試驗得到的優方案是花生去石清選裝置最優的工作參數。

表2 正交試驗結果Tab. 2 Analysis of orthogonal test results

3.3 對比試驗與分析

目前傳統的半喂入花生聯合收獲機的清選方式主要是通過振動篩與氣吸組合式清選，將花生與雜質振動拋空，然后通過大功率風機將雜質吹出、或者吸附清除，此類清選方式在針對地膜、枯葉、癟果等雜質效果理想，但花生中如果摻雜與花生質量、大小相仿的石塊、泥塊時清選效果不理想。

為進一步驗證該去石清選裝置的實際工作效果與傳統清選裝置效果的差異，選用的試驗田土壤含水率為11.1%，土壤硬度130 kPa，花生品種為花育22號，秧高平均44 cm，單株結果數平均為24個，平均行距為235 mm，以單壟雙行種植模式種植，埋果深度小于20 cm，為確保試驗條件相同，試驗前均勻向田間拋撒一定數量的大、小型石塊、泥塊[18-20]。

將去石清選裝置安裝至4HD-2A半喂入花生聯合收獲機，由表2正交試驗可知安裝參數，按照網孔形狀為方形，篩網安裝角度為13°，頻率設定在4.0 Hz，前后行程為16 mm，安裝好后調試為最佳工作狀態進行田間試驗，分別計時記錄10次數據取平均值。

通過表3對比試驗數據，可直觀的體現出，試驗結果除雜率約為3.47%，損失率約為1.21%，花生含雜率由傳統清選裝置的13%降低到3%左右，除雜率是傳統清選裝置的4倍左右，同時損失率也降低了0.75%。同時符合上述表2正交試驗結果，可以說明該優方案的參數理論具有可靠度。

表3 田間對比試驗結果Tab. 3 Field comparative test results

4 結論

1) 針對傳統清選裝置無法有效篩除與花生大小相仿的石塊、泥塊等問題，本文對篩網結構進行了分析，設計了一種去石清選裝置，通過采用雙層篩網結構、利用前后搖臂的長度差、偏心軸往復運動，使下層篩形成了上行、分離、下行3個區域，可將花生與石塊、泥塊進行分區處理，同時篩選。

2) 通過分析影響篩選效率的主要因素是網孔形狀、頻率、篩網安裝角度、前后行程，經過正交試驗得出最優參數組合：網孔形狀為方形，篩網安裝角度為13°，前頻率設定4.0 Hz，前后行程為16 mm時工作效率最佳。

3) 以正交試驗的最優方案進行試驗，重復記錄10組試驗取平均值得含雜率為3.82%，損失率為1.28%，然后與傳統清選裝置進行實際田間對比試驗，得傳統清選裝置的含雜率約為13.17%，損失率約為1.96%，該去石清選裝置的含雜率為3.47%，損失率為1.21%，除雜率是傳統清選裝置的4倍左右，損失率減少了0.75%。