禾本科牧草種子采集裝置設計與試驗

李鳳鳴， 李 偉， 王 強， 劉 偉， 高曉宏， 蘇佳佳

（中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

世界上草業發達國家，如美國、加拿大、丹麥、新西蘭和澳大利亞等都已經形成了完善的草種收獲機械化、規模化產業體系，草種采集和收獲機械方面的技術相當成熟，且一直在向全程機械化、采集收割聯合化、智能自動化的方向迅速發展[1-2]。近年來，國內外收獲牧草種子使用較多的是經過改裝的谷物聯合收割機，是在傳統的谷物聯合收割機基礎上更換部分零部件、改變一些工作參數完成的，其基本結構原理不變，即同樣需完成牧草切割、輸送、脫粒、分離和清選等工序[3]。

1 研究背景

目前，國內普遍使用的、經改裝后的谷物聯合收割機有JOHN DEERE 的W80 型（圖1）和LOVOL 的GM80 型（圖2）。在實際生產過程中，牧草的種子及草穗成熟、適宜收獲時，其莖稈的含水率依然較高，切割收獲后會導致牧草干燥不到位而發霉變質。現有谷物聯合收割機全喂入收獲方式不適用于牧草種子的收獲，產量和質量均不高，抽檢種子質量合格率只有50%[4-5]。2020 年，中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司基于割前梳脫收獲機械化作業工序，采用氣吸式割前梳刷脫粒工藝，研制出9ZZ-2.4 型自走式牧草種子收獲機，如圖3 所示[6-7]。

圖1 W80 型谷物聯合收割機Fig. 1 W80 grain combine harvester

圖2 GM80 型谷物聯合收割機Fig. 2 GM80 grain combine harvester

圖3 9ZZ-2.4 型自走式牧草種子收獲機Fig. 3 9ZZ-2.4 self-propelled grass seed harvester

該機主要用于對站立苜蓿植株上的種子和種莢進行割前梳刷脫粒，種子、種莢和斷裂莖稈由于風機負壓吸附而沿著風管進入沉降箱，質量密度較大的種子、種莢和莖稈等靠重力沉降到箱體底部，干草葉及塵土等輕雜隨風由風機出風口排出，沉降在箱體內部的物料經排料部件排出至運輸車內。由于豆科牧草種子和禾本科牧草種子的物理特性不同，禾本科牧草作物的行距不明顯，且在收獲時植株會有倒伏現象，而該機對于禾本科牧草種子的收獲質量較差，損失率較高。在9ZZ-2.4 型自走式牧草種子收獲機的基礎上，研制一種新型的可與豆科采集臺互換的禾本科牧草種子采集裝置。

2 整體結構與工作原理

2.1 整體結構

采集裝置與9ZZ-2.4 型自走式牧草種子收獲機配套使用，通過自走式底盤上的連接點可與原豆科采集臺互換使用。主要由安裝架、上支撐吊架、采集裝置殼體、帶傳動部件、刷輥、扶禾器、分禾器、保持臂、鏈輪、液壓油缸和傳動軸組成，整體結構如圖4 所示。

圖4 整體結構Fig. 4 Overall structure

采集裝置對不同行距、倒伏的牧草植株進行采集收獲，同時可實現采集高度的上下平移，以適應不同高度牧草種子的采收。

2.2 工作原理

自走式牧草種子收獲機的動力通過鏈輪、傳動軸及右側的帶傳動部件傳遞給刷輥，尼龍刷輥順時針高速旋轉，從下至上梳刷、沖擊牧草的穗部，牧草草種及草穗等物料被刷輥上面的尼龍絲梳刷脫粒后，由于自走式牧草種子收獲機離心風機的吸附，物料隨風從4 個出口沿波紋風管輸送至物料沉降箱。工作過程中，可根據禾本科牧草作物植株的高低隨時調整液壓油缸的伸出長度，使采集裝置處于最合適的收獲高度。同時，均勻布置在采集裝置殼體喂入口下方的扶禾器可將倒伏的牧草植株扶起，利用刷輥將植株上的種子及草穗梳刷脫粒采集。

3 結構設計和主要參數

3.1 主要參數確定

3.1.1 刷輥結構尺寸

刷輥結構如圖5 所示，由刷輥軸管、半軸和尼龍絲等組成。刷輥軸設計直徑為165 mm 鋼管，左右兩側為半軸連接。由于國內大多數禾本科牧草草穗高度在500 mm以上，種子產量在450 kg/hm2左右，結合收獲機正常工作速度及實際工作效率，設計刷輥工作幅寬為3 m，最低點的離地高度為150 mm，由此計算得出刷輥直徑為700 mm。

圖5 刷輥結構Fig. 5 Structure of brush roll

聚酰胺塑料強度較高且耐磨，所以本結構選用廣泛應用的尼龍材料作為刷輥的刷毛[8]。刷輥尼龍絲的排列原則：一是尼龍絲的梳刷性能要好，即尼龍絲易于插入牧草植株之間；二是梳刷損失要小，即草穗被梳刷沖擊的次數要足夠多。綜合考慮刷輥的加工工藝、制造成本及梳刷次數的要求，設計尼龍絲為螺旋排列，尼龍絲直徑為2 mm，螺距及軸向絲距為8 mm，周向排列為每周35 行。

3.1.2 刷輥轉速

參照脫粒機滾筒的線速度不超過35 m/s 的一般要求，刷輥的線速度設計值為34 m/s，轉速為

式中n?刷輥轉速，r/min

V?刷輥線速度，m/s

R?刷輥半徑，m

經計算并考慮實際作業工況，最終選定刷輥轉速為950 r/min，可保證順利梳刷脫粒和草種不破碎。

3.1.3 上弧板前伸量及收獲角

采集裝置刷輥的梳刷原理如圖6 所示，其中O點是刷輥的旋轉中心點，其半徑為R，O1點是采集裝置殼體上弧板的圓弧中心點，其半徑為R1。A點是上弧板下端與橫管外表面的切點，B點是刷輥尼龍絲端部形成外圓的象限點，C點是AC連線與刷輥尼龍絲端部形成外圓的切點，稱之為梳刷臨界點，AC垂直于OC。在C點以上位置的草種及草穗能夠完全被梳刷干凈，只有極少數難于脫落的才在C點以下被脫落。將AB之間的距離稱之為上弧板前伸量，將OA和OC形成的夾角α稱為收獲角。

圖6 梳刷原理Fig. 6 Comb and brush principle

當刷輥的結構尺寸確定后，α角增大，前伸量AB則增大，草穗在C點前的梳刷時間增長，梳刷次數增多，損失減少。AB過大時，進風通道中的風速降低，則被梳刷下的草種及草穗有可能不被吸入沉降箱[9]。

按照梳刷脫凈的相關要求，在A點與C點之間，刷輥轉動一圈對草穗的梳刷次數＞20 次，依據刷輥工作轉速、尼龍絲周向排列行數及采集裝置殼體喂入口的牧草植株草穗高度幅差，當牧草收獲機以最高工作速度9 km/h 作業并同時滿足上述要求時，刷輥的轉動角度為205.7°，轉動時間為3.63×10?2s，以此確定采集裝置的收獲角α最小值為31.5°，綜合考慮安全系數，最終選擇的收獲角α為36°，由此計算上弧板前伸量AB為80 mm。

3.2 平行4 連桿機構設計

如圖7 所示，由于牧草植株的高低不同，在工作時，采集裝置應能實現對不同高度植株的種子及草穗進行采集收獲，而且在調整高度的同時還必須保證采集收獲角不變，也即采集裝置喂入口的對地角度不變。所以，設計了安裝架、上支撐吊架、刷輥和保持臂4 者相互的鉸接點形成平行4 連桿機構，通過液壓油缸的伸縮可實現采集裝置的平行升降，升降高度幅差為500 mm。

圖7 平行4 連桿機構Fig. 7 Parallel four-bar linkage

3.3 扶禾器設計

為實現對倒伏牧草植株上的種子及草穗進行扶起后梳刷脫粒采集，在禾本科牧草種子采集裝置殼體喂入口下方的橫梁上設計了前伸式扶禾器，由扁鋼和彈性斜桿焊合而成，如圖8 所示。工作時深入禾叢，由其彈性斜桿將倒伏禾株扶起。扶禾器后端由螺栓固定在小支座上，小支座為間距100 mm 均勻布置。扶禾器伸出長度約350 mm，但不超出分禾器尖[10]。

圖8 扶禾器結構Fig. 8 Structure of grain lifter

4 試驗驗證

裝置試制完成后，將其安裝在原有自走式牧草種子收獲機的頭部，在試制廠牧草種植基地進行了功能性試驗，試驗作物為披堿草。試驗前對收獲機及采集裝置的外觀進行了檢查，對全部關鍵部位進行了再次緊固，之后對設備進行了現場調試和不帶負荷試運轉，最后將收獲機及采集裝置調整至最佳工作狀態。試驗現場如圖9 所示。

圖9 試驗現場Fig. 9 Testing site

試驗時收獲機的正常工作速度為5.8～8.2 km/h，試驗中分別對采集裝置的技術參數、發動機轉速、刷輥轉速、收獲效果及采集裝置4 個出口風速進行了測定，各項參數數值均在設計允許誤差范圍內。測定值如表1～表3 所示。

表1 技術參數測定結果Tab. 1 Measurement results of technical parameters

表2 轉速與收獲效果的關系Tab. 2 Relationship between rotation speed and harvest effect

表3 出口風速測定結果Tab. 3 Measurement results of outlet wind speed單位：m/s

對上述數據及現場試驗效果的分析表明：當發動機轉速為1 550～1 600 r/min、刷輥轉速為950～980 r/min 時，采集裝置的梳刷采集效果較好，植株上殘留的草穗較少且收獲到的物料莖稈等雜質較少。另外，披肩草種子的懸浮速度為2.2～3.5 m/s，而對采集裝置4 個出口平均風速的測定值均為其懸浮速度的3 倍以上，完全能夠保證種子的可靠收獲，說明采集裝置的結構及參數選擇合理。

5 結論

（1）試驗完成了設計目標，驗證了設計圖紙，實現了設計要求，功能達到了預期效果，也為下一步優化改進奠定了良好基礎。

（2）采集裝置實現了對禾本科牧草種子的不對行收獲，同時也實現了對于倒伏的植株進行扶起后梳刷采集。

（3）采集裝置平行4 連桿的升降結構，實現了采集高度的適時調整，提高了收獲適應性。

（4）為我國自走式牧草種子收獲機提供了一種新型的禾本科牧草種子采集裝置，結構簡單、操控方便，各項技術參數與原有收獲機匹配良好，成果值得轉化和示范推廣。