基于莖稈染色法的雙向對摟式油菜撥禾機構輸送鋪放機理研究

肖　霄，張貝貝，吳明亮,2,3，謝　偉,2,3，羅海峰,2,3※

基于莖稈染色法的雙向對摟式油菜撥禾機構輸送鋪放機理研究

肖霄1，張貝貝1，吳明亮1,2,3，謝偉1,2,3，羅海峰1,2,3※

(湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現代農業裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410128；3.南方糧油作物協同創新中心，湖南 長沙 410128)

為探明雙向對摟式油菜撥禾裝置作業過程中物料流的輸送放鋪機理與運動規律，采用莖稈染色法開展了輸送放鋪過程研究試驗設計，通過測量作業狀態中油菜莖稈與割臺的高度，條鋪中各染色莖稈離地面的距離，條鋪中同色相鄰染色莖稈距離以及作業前后穗幅差，并對試驗數據進行分析后得出雙向對摟式撥禾機構輸送鋪放過程：莖稈在輸送過程中會發生轉角，且被切割后的油菜莖稈在輸送過程中是分層運輸；油菜莖稈落地過程為翻轉落地；油菜莖稈鋪放的連續性和均勻性均較好；條鋪中穗幅差小于試驗臺架上穗幅差。結合雙向對摟式撥禾機構的工作特性得出油菜莖稈在撥禾機構中的輸送過程為：撥禾裝置先將油菜撥至中間聚攏，累積至一定數量形成一個莖稈團后被推出排禾口，最后形成鋪條，首位搭接條鋪至田間。

雙向對摟式撥禾裝置；輸送放鋪；機理；莖稈染色

油菜是重要的油料作物，收獲方式主要有聯合收獲和兩段收獲兩種，聯合收獲效率高被廣泛應用，但存在收獲時間方面難以把握，且適收期短的問題；兩段收獲在減少田間損失，提高收獲質量，延長收獲時間等方面具有優勢。兩段收獲分為油菜割曬與脫粒撿拾兩個階段，割曬作業作為兩段收獲中的首要關鍵環節，割曬質量的好壞會影響油菜后熟和后續機械化撿拾作業。油菜晾曬又分為平行側鋪和首尾搭接兩種鋪放模式，由于首尾搭接放鋪割曬作業具有空氣流通性好、田間撿拾作業方便等優點而得到了廣泛應用[1-11]。國內外專家學者對油菜分段收獲機械進行了大量研究[12-19]。

油菜植株高大、果莢分枝多且互相纏繞，機械化割曬作業中的輸送與鋪放環節是研究的難點。研究油菜撥送放鋪過程及機理，對于設計優化撥禾裝置，開發油菜分段收獲割曬機，提高油菜機械化生產水平，改善油菜分段收獲問題，保證糧油安全具有重要意義。

當前對油菜撥送放鋪過程機理研究的方法主要有：對撥禾過程進行力學分析、對作物與撥禾部件的關鍵參數與鋪放效果之間進行關系分析、對機構作業過程建模仿真研究等，上述方法雖可獲悉機構與鋪放效果之間的因果關系，但難以獲得物料流輸送鋪放過程中的變化規律。

目前，國內對割曬作業過程中物料流的輸送鋪放過程研究較少，為探明所設計的雙向對摟式撥禾裝置[20-21]作業過程中油菜作物流的實際運動規律，采用莖稈染色試驗法，對油菜作物流在雙向對摟式撥禾裝置作用下的輸送鋪放過程進行了研究，為后續機構優化設計提供依據。

1　雙向對摟式撥禾裝置整體結構與工作原理

1.1　整體結構

對摟式撥禾裝置主要由曲柄搖桿機構、撥齒、機架、導禾板和傳動系統等組成。動力由電機經鏈輪鏈條輸入至曲柄一端，驅動曲柄回轉運動；撥齒套筒與曲柄另一端上下同心裝配，連桿與撥齒套筒剛性連接，撥齒固定安裝在撥齒套筒上。雙向對摟式整體結構如圖1所示，空間結構如圖2所示。

1　曲柄；2　鋪放區；3　導禾板；4　從動鏈輪；5　連桿；6　搖桿；7　電機座；8　主動鏈輪；9　鏈條；10　機架；11　撥齒軸；12　撥齒。

圖2　撥禾機構撥齒空間分布

1.2　工作原理

工作時，撥齒與撥齒套筒一方面隨曲柄作回轉運動，另外一方面在搖桿和連桿的配合下，撥齒與撥齒套筒繞撥齒軸作相應偏擺，形成一條非圓的撥齒運動軌跡曲線，最后撥齒在導禾板的協助下完成對莖稈的側向平推、中間撥送、后側放鋪作業。

撥禾裝置的工作過程分兩個階段，一是撥送階段，對摟式撥禾裝置將割幅內被順利切段后的油菜向中間平推撥攏；二是放鋪階段，將中間撥攏的油菜向排禾口推送，在前進速度與撥禾機構推送的共同作用下，油菜向后有序放鋪，最終鋪放在割茬上。

2　油菜莖稈輸送鋪放過程試驗設計

2.1　試驗材料

為便試驗的開展，本試驗的物理樣機在上述設計的前提下按2:1進行等比例縮小，并于2018年5月13日在湖南農業大學工程實訓中心進行室內臺架試驗。試驗相關結構參數如下，割幅：1m；排禾口：200mm；切割高度：260mm；試驗臺架長5m，寬1m，模擬廂面油菜種植狀態；試驗臺架上安裝油菜夾持裝置，每個夾持裝置夾持一根油菜莖稈，夾持裝置可保證油菜植株處于直立狀態，夾持裝置安裝密度按1.5萬株/畝田間油菜密度布置。試驗油菜品種為“湘雜油W37”，實測油菜幾何參數如表1所示。切割裝置采用循環式切割器[22-23]，撥禾裝置整機利用方鋼與土槽車并排剛性連接，前進動力由土槽車提供，根據前期預備試驗和田間試驗經驗，確定本次試驗撥禾機構運動參數為：前進速度0.8m/s，撥禾機構轉速100rpm。

將油菜從田間取回后，裝入夾持裝置內，模擬油菜田間長勢。將試驗臺架上油菜莖稈進行染色，可更好地觀察到油菜莖稈在撥禾裝置作業過程中的運動規律，可以直觀地獲得莖稈輸送鋪放過程，可獲悉在撥禾裝置工作過程中谷物流參數變化規律[24]。

表1　油菜植株幾何特性平均值

2.2　試驗方案設計

研究油菜莖稈輸送鋪放過程，觀察油菜莖稈在撥禾裝置作業過程中的運動規律。通過對鋪條離地距離、均勻性等參數進行測定分析可獲悉油菜輸送鋪放過程。通過對莖稈轉角、穗幅差等參數進行測定分析可評價油菜鋪放效果。

2.2.1莖稈染色

如圖3，所示對所選四行油菜分別染成紅、黃、藍、黑四種顏色，測定行距ms和株距ns，染色效果如圖4所示。

圖3　試驗臺架油菜莖稈染色示意圖

圖4　試驗臺架染色情況圖

2.2.2作業狀態中油菜莖稈與割臺高度與轉角測量

割曬機在前進到一半時，停止前進、撥禾與輸送。測定各染色莖稈離割臺的高度，分析油菜莖稈作業時在空間上分布情況，可獲悉油菜莖稈在工作時的輸送變化狀態。分別用h紅、h黃、h藍、h黑代表所對應染色莖稈距離割臺表面上的高度，如圖5所示。分別測定機具前進方向上，上、中、下層油菜莖稈在排禾口處的輸送轉角和條鋪后莖稈轉角， Vj為機具前進方向，α為油菜莖稈經撥禾裝置撥禾后排禾口處的轉角，如圖6所示。

圖5　染色莖稈離割臺高度

圖6　染色莖稈輸送轉角

2.2.3條鋪中各染色莖稈離地面的距離測量

主要撥禾作業全部結束后，測量條鋪中各染色莖稈離地面高度可與作業時各染色油菜莖稈與割臺高度對比，獲悉莖稈變化規律。Z紅、Z黃、Z藍、Z黑分別代表所對應染色莖稈離地面的高度，如圖7所示。

圖7　染色莖稈離地面距離

2.2.4條鋪中同色相鄰染色莖稈距離測量

在油菜條鋪后，測定機具前進方向上鋪條中相鄰同種染色莖稈的距離，如圖8所示。求出株距ns與此距離差值的絕對值|ns-S紅|、|ns-S黃|、|ns-S藍|、|ns-S黑|，對結果進行分析。S紅、S黃、S藍、S黑分別代表機具前進方向上所對應相同染色莖稈相鄰距離，結果可用來表示油菜莖稈鋪放均勻性。

2.2.5穗幅差測量

兩株相近、不同高度的油菜莖稈穗頭之間的差值即為穗幅差，分為試驗臺架上未割油菜穗幅差和割曬作業后鋪條中的穗幅差，通過分析兩個穗幅差之間的差值可獲悉油菜在輸送過程中運動情況。

為確保相近的兩株高度不同的油菜運動狀況近似相同，能同時被撥禾機構送入輸送區域，因此在機具前進方向上，每隔1米選擇兩株株高不同的油菜，將其中一顆穗頭染成紅色，另一株穗頭染成黃色，在這兩株穗頭被染色的植株上做好標記，如圖9所示。測出臺架上油菜穗幅差，用Xs表示；作業完成后，在鋪條中，選出穗頭染色的兩株油菜，測定此時條鋪中兩個穗頭之間的穗幅差，用Xs1表示。比較Xs與Xs1之間的差值，可以得出臺架上穗幅差與鋪條中穗幅差之間的關系。

圖8　同色相鄰染色油菜莖稈沿機器前進方向的距離

圖9　穗幅差室內試驗

3　試驗結果分析

3.1　油菜莖稈輸送狀態分析

綜合表2表3，試驗前油菜按照紅、黃、藍、黑的順序從左至右染色，染色莖稈平均行距ms= 235.6mm，平均株距ns=155.8mm；在進行一段距離割曬作業后將機器停下，測量染色莖稈與割臺之間的高度，不同顏色莖稈高度值分別為h紅=266.4mm，h黃=219.6mm，h藍=250.6mm，h黑=182.4mm，h紅>h藍>h黃>h黑，與初始染色狀態對比發現，最左側的紅色莖稈此時處于作物流的最上層，最右側的黑色莖稈處于作物流的最下層，藍、黃莖稈已錯位排列，染色油菜在割臺上呈分層狀態。

表2　試驗臺架染色油菜莖稈行距與株距

表3　染色莖稈離割臺高度

由表4可知，通過測量莖稈在排禾口處的轉角發現：油菜莖稈在輸送過程中會發生轉動，其中在排禾口處上層的莖稈平均轉角為13.5°，中層莖稈平均轉角為27°，下層莖稈平均轉角為11°，在排禾口處中層染色莖稈轉角明顯要大于上下兩層莖稈轉角，因此在撥禾裝置的作用下油菜莖稈被分層輸送。

表4　油菜莖稈在排禾口處轉角

對條鋪中莖稈的轉角進行測量，數據如表5所示，條鋪后鋪條中上層莖稈平均轉角為15°，中層莖稈平均轉角為8°，下層莖稈平均轉角為4°，中下層莖稈轉角逐漸減小，上層莖稈轉角變化不大，條鋪后的下層莖稈轉角均小于上層莖稈轉角和中層莖稈轉角。在受到后續作物流的推送和撥禾裝置的推送作用后，油菜莖稈在輸送過程中會產生一定轉角，莖稈角果之間的相互交織牽連增加，因此鋪條間存在一定的鋪放角和根差。角果間適當牽連便于后續的機械化撿拾作業，但轉角不宜過大，轉角過大易使得油菜莖稈堆積輸送區域，不利于輸送鋪放。

表5　油菜莖稈條鋪后轉角

3.2　油菜莖稈落地過程分析

對染色莖稈與地面的高度進行測量，數據如表6所示，染色莖稈離地面的高度平均值分別為Z紅=206.2mm，Z黃=265.2mm，Z藍=227.8mm，Z黑=147.8mm，染色莖稈離地面高度由高到低分別為Z黃>Z藍>Z紅>Z黑。而表3中染色莖稈與割臺的高度由高到低的排序為h紅>h藍>h黃>h黑，由該組數據對比可知，油菜莖稈在輸送過程中發生了翻轉，最后翻轉落地。

表6　條鋪中各染色莖稈離地距離

3.3　鋪放均勻性分析

對同種顏色相鄰油菜莖稈沿機器前進方向的距離進行測量，數據結果如表7所示，前進方向上同種顏色相鄰油菜莖稈均值為S紅=24.2mm，S黃=24mm，S藍=18.4mm，S黑=32mm。株距ns與此距離差值的絕對值可以表達油菜莖稈在撥禾裝置作用后油菜莖稈的連續性和均勻性，各數值區別越大，連續性與均勻性越差；反之，則連續性與均勻性較好。|ns-S紅|=131.6mm，|ns-S黃|=131.8mm，|ns-S藍|=137.4mm，|ns-S黑|=123.8mm，可以看出各顏色對應的絕對值之間差距較小，說明油菜莖稈在后續油

表7　同種顏色相鄰油菜莖稈沿機器前進方向的距離

菜莖稈的推送作用以及撥禾裝置的撥禾輸送作用下，油菜莖稈鋪放的連續性和均勻性較好。

3.4　穗幅差之間的關系

由表8可知，由于測定穗幅差的兩株紅黃油菜莖稈株距較近，處于同一水平方向，兩株紅黃油菜被切割后在撥齒的作用下會同時進入輸送區域，因此可以近似認為兩株相鄰的油菜莖稈在割臺上運動情況一致，可以認為條鋪中紅黃油菜株高差即為輸送過程時油菜莖稈的穗幅差。條鋪中紅黃油菜穗幅差Xs1的均值為5.3cm，試驗臺架紅黃油菜穗幅差均值為21.1cm，條鋪中穗幅差小于試驗臺架穗幅差。

表8　穗幅差室內試驗數據匯總表

根據鋪條穗幅差與試驗臺架穗幅差之間的關系，結合撥禾裝置有效工作區域的循環性可知，在實際工作過程中，撥禾裝置先將油菜莖稈撥至中間聚攏，直至油菜莖稈累積一定數量形成一個莖稈團，在撥禾機構撥動作用下以及后續物料流推擠作用下莖稈團被推出排禾口后，形成鋪條，條鋪至田間。條鋪中穗幅差的大小隨臺架上穗幅差的增大而增大，試驗臺架上油菜莖稈的穗幅差與條鋪中莖稈穗幅差存在相關性。

4　結論

為探明油菜莖稈在所設計的油菜撥禾裝置作業過程中的運動規律，利用莖稈染色法，對撥禾機構對莖稈的放鋪過程和機理進行了研究，得出以下結論。

(1)通過測量不同染色莖稈與割臺之間的高度，染色莖稈與割臺空間分布自上而下為h紅>h藍>h黃>h黑；與初始莖稈染色順序對比，可知染色油菜在割臺上呈分層狀態；通過測量上、中、下各層油菜莖稈在排禾口處的轉角，上層的莖稈平均轉角為13.5°，中層莖稈平均轉角為27°，下層莖稈平均轉角為11°，可知油菜莖稈在撥禾機構的作用下被分層輸送；對條鋪中莖稈轉角的進行測量，數據如表5所示，條鋪后鋪條中上層莖稈平均轉角為15°，中層莖稈平均轉角為8°，下層莖稈平均轉角為4°，油菜莖稈在輸送過程中會產生一定轉角，莖稈角果之間的相互交織牽連增加，角果間適當牽連便于后續的機械化撿拾作業。

(2)對染色莖稈與地面的高度進行測量，染色莖稈離地面高度由高到低分別為Z黃>Z藍>Z紅>Z黑。與染色莖稈與割臺的高度空間分布h紅>h藍>h黃>h黑對比分析可得知，油菜莖稈在輸送過程中發生了翻轉，最后翻轉落地。

(3)對同種顏色相鄰油菜莖稈沿機器前進方向的距離進行測量，并計算株距ns與該距離差值的絕對值，計算結果|ns-S紅|=131.6mm，|ns-S黃|=131.8mm，|ns-S藍|=137.4mm，|ns-S黑|=123.8mm，各絕對值之間差距較小，油菜莖稈鋪放的連續性和均勻性較好。

(4)通過測量試驗臺架上油菜穗幅差與條鋪中穗幅差之間的差值，結合撥禾裝置工作原理進行分析，可知撥禾裝置的工作過程為：油菜在撥禾裝置先將油菜莖稈撥至中間聚攏，直至油菜莖稈累積一定數量形成一個莖稈團，在機構的撥動與后續物料流推擠作用下，莖稈團被推出排禾口，形成鋪條，條鋪至田間。條鋪中穗幅差的大小隨作業前初始穗幅差的增大而增大，試驗臺架上油菜莖稈的穗幅差與條鋪中莖稈穗幅差具有相關性。

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Study on the conveying and spreading mechanism of two-way pair rape paddle mechanism based on stalk dyeing method

XIAO Xiao1，ZHANG Beibei1，WU Mingliang1,2,3，XIE Wei1,2,3，LUO Haifeng1,2,3※

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China;2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha, Hunan 410128, China; 3. Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in South China, Changsha, Hunan 410128, China)

In order to reveal the conveying mechanism and movement rule of the two-way pair rape paddle mechanism, the stalk dyeing method is used to carry out a research and experimental design. By measuring the height of rapeseed stalks and cutting heads, the distance of each dyed stalk in the stripe from the ground, the distance of the same-colored adjacent stalks in the stripe, and the difference in ear width before and after the operation, it is concluded that the conveying and spreading process of the two-way pair rape paddle mechanism, which including the following: the stalks will turn around during the transportation, and the cut rapeseed stalks are transported in layers during the transportation process; the rapeseed stalks fall to the ground flip the ground; the continuity and uniformity of rapeseed stalk laying are good; the spike width difference in stripe is smaller than the spike width difference on the test bench. According to the above research results, combined with the working characteristics of the two-way pair rape paddle mechanism, the transportation process of rapeseed stalks is as follows: the reed device first gathers the rape to the middle and accumulates a certain amount to form a stem; the stalk ball was pushed out of the row of grasses. Finally a sliver was formed, and the first overlap sliver was spread to the field.

two-way pair rape paddle mechanism; conveying and spreading; mechanism; stalk dyeing

S225

A

2096–8736(2022)01–0001–07

湖南省重點研發計劃(2018NK2064)；湖南省教育廳科學研究項目(18A107)。

肖霄(1995—)，男，湖南湘潭人，博士研究生，主要研究方向為機械結構創新設計與試驗。

羅海峰(1976—)，男，湖南邵陽人，博士，高級實驗師，主要研究方向為農業機械性能試驗與創新設計。

責任編輯：陽湘暉

英文編輯：吳志立