丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計與試驗

王天福，戴 飛，趙武云，史瑞杰，趙一鳴，楊發(fā)榮，邢立成，王國鑫

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；3.江蘇沃得農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

藜麥(Quinoa)又稱南美藜、印第安麥等，原產(chǎn)地南美洲，為一年生草本植物，具有耐鹽堿和抗寒旱特性，被譽(yù)為“營養(yǎng)黃金”，是我國西北、西南高寒干旱丘陵地區(qū)的主要糧食作物[1-4]。藜麥低脂低糖，營養(yǎng)價值豐富，富含人體所必需氨基酸，是嬰幼兒、三高人群的理想保健和食療產(chǎn)品，近年來備受推崇[2-4]。我國藜麥種植面積約為2.4×104hm2，主要分布在甘肅、青海、云南、貴州等省份，其中甘肅省作為藜麥主產(chǎn)區(qū)之一，其種植面積約占全國種植總面積的40%[2-5]。

藜麥在歐美國家種植面積較大，現(xiàn)有藜麥聯(lián)合收割機(jī)均采用播禾輪或鏈齒式進(jìn)行喂入，脫粒裝置、清選裝置均采用無級變速，各裝置智能化和模塊化控制，可實現(xiàn)對不同成熟度藜麥進(jìn)行收獲作業(yè)，收獲效率較高[6]。我國藜麥引進(jìn)較晚，同時受地域、種植品種、作業(yè)成本等多方面限制，收獲裝備尚不能完全適應(yīng)我國丘陵山地藜麥?zhǔn)斋@作業(yè)。近年來，海梅等[7-8]對普通收獲機(jī)械收獲藜麥脫出物物料特性進(jìn)行研究，為藜麥清選設(shè)備研發(fā)提供借鑒；趙子龍等[9]對藜麥谷物進(jìn)行浸水試驗；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)針對大田種植模式研發(fā)出國內(nèi)第一臺大型自走式藜麥聯(lián)合收割機(jī)，解決了大田藜麥?zhǔn)斋@無機(jī)可用現(xiàn)狀[10]。目前，市場未見適應(yīng)丘陵山地藜麥?zhǔn)斋@裝備，丘陵山地稻麥聯(lián)合收割機(jī)不能適應(yīng)高桿藜麥作物性狀以及脫出物料差異小等特性，造成損失大、含雜高等問題，國內(nèi)藜麥?zhǔn)斋@多以人工收割攆壓脫粒為主，勞動強(qiáng)度大，收獲效率低。山區(qū)降雨集中，成熟藜麥浸雨后會發(fā)芽，其品質(zhì)受到嚴(yán)重影響，丘陵山地藜麥機(jī)械化收獲現(xiàn)狀嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展，地區(qū)藜麥?zhǔn)斋@裝備研發(fā)成為亟需解決的難題。

針對國內(nèi)丘陵山地藜麥種植地塊小、道路狹窄、大型機(jī)具難進(jìn)場等現(xiàn)象，為降低藜麥?zhǔn)斋@損失率和含雜率，解決丘陵山區(qū)藜麥聯(lián)合收獲無機(jī)可用的難題，本研究依據(jù)藜麥種植農(nóng)藝要求，基于其莖稈特性擬設(shè)計出一種丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機(jī)。該機(jī)采用小行距擴(kuò)口式鏈齒喂入裝置、穗莖分流雙層割刀、紋桿和桿齒組合式縱軸流脫粒滾筒、組合式分離凹板、雙層往復(fù)式振動篩等裝置，實現(xiàn)藜麥莖稈和果穗順暢喂入、脫粒與分離、清選等作業(yè)，從而解決收獲喂入難和損失大等難題，為藜麥機(jī)械化生產(chǎn)提供參考。

1 藜麥種植農(nóng)藝要求與植株特性

丘陵山地藜麥多采用覆膜穴播方式，單膜3行種植，中間留有植保工作行，種植后膜面寬度為1 000 mm，藜麥種植行距350～380 mm，株距150～250 mm[4,7]，種植地坡度15°。藜麥生長期90～120 d，成熟期藜麥植株高300～2 500 mm，單株質(zhì)量為200～260 g，草谷比平均為1.8，千粒重4～6 g，籽粒圓周直徑1.8～2.2 mm，平均厚度1.2 mm。成熟藜麥植株穗頭大、莖稈脆、易倒伏，普通稻麥聯(lián)合收割機(jī)無法對倒伏藜麥進(jìn)行適應(yīng)收獲。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機(jī)(圖1，見260頁)由割臺、過橋、下割刀、鏈齒喂入裝置、脫粒裝置、清選裝置、發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等組成，其中割臺是整機(jī)創(chuàng)新部分。整機(jī)由柴油機(jī)提供動力，單邊鏈齒完成撥禾工序，割臺負(fù)責(zé)藜麥切割、喂入工序，實現(xiàn)藜麥小偏差對行收獲；脫粒滾筒采用紋桿+桿齒縱軸流結(jié)構(gòu)，與組合式凹板實現(xiàn)藜麥物料的高效脫粒與分離；清選系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)和雙層往復(fù)式振動篩組成，實現(xiàn)藜麥脫粒物料的清選作業(yè)，整機(jī)滿足丘陵山地、坡地作業(yè)。整機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

1.割臺；2. 過橋；3. 操作臺；4. 雜余輸送器；5. 籽粒輸送器；6. 卸糧桶；7. 糧箱；8. 脫粒滾筒；9. 組合凹板篩；10. 振動篩；11. 風(fēng)機(jī)；12. 行走底盤；13. 下割刀1. Header; 2. Bridge; 3. Console; 4. Miscellaneous conveyor;5. Grain conveyor; 6. Unloading bucket; 7. Grain box;8. Threshing drum; 9. Combined concave screen;10. Vibrating screen;11. Fan;12. Walking chassis; 13. Lower cutter圖1 丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機(jī)Fig.1 Hilly quinoa combine harvester

表1 丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of quinoa combine harvester in hilly and mountainous areas

2.2 工作原理

機(jī)具作業(yè)時，割臺分禾器對藜麥上部莖稈進(jìn)行分禾切割后進(jìn)入脫粒滾筒，下部莖稈被下割刀切割后鋪放在田間。藜麥物料在紋桿式脫粒滾筒的打擊、揉搓作用下分離，部分藜麥籽粒由柵格凹板落下，其余物料進(jìn)入桿齒段并分層，藜麥籽粒、短莖稈和穎殼從組合式編制篩凹板孔隙落入到清選裝置，莖稈在導(dǎo)草板的作用下排出機(jī)外，質(zhì)量較輕的短莖稈、穎殼、輕雜質(zhì)被風(fēng)機(jī)吹出機(jī)外。經(jīng)過氣流與振動篩作用后的藜麥籽粒被一級輸送螺旋輸送進(jìn)糧倉，含藜麥穗頭較多的雜余被二級螺旋輸送至脫粒室進(jìn)行復(fù)脫和復(fù)清選。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 割 臺

丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機(jī)割臺(圖2)采用小行距擴(kuò)口式鏈齒喂入，包括側(cè)分禾器、螺旋分禾器、中間分禾器、鏈齒、上割刀、螺旋攪輪、后擋板、過橋。側(cè)分禾器和中間分禾器采用擴(kuò)口式結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)藜麥小偏差對行收獲；喂入裝置使用鏈齒式喂入，鏈齒直接作用于藜麥莖稈，減少與藜麥果穗接觸，解決喂入難、損失大等問題。

1.側(cè)分禾器；2. 螺旋分禾器；3. 螺旋輸送攪攏；4. 后擋板；5. 過橋；6. 輸送鏈；7. 擋草板；8. 伸縮彈齒；9. 撥齒；10. 上割刀；11. 中間分禾器。1. Side grain divider; 2. Spiral grain divider; 3. Spiral conveying and stirring; 4. Rear baffle; 5. Bridge; 6. Conveyor chain;7. Grass guard; 8. Telescopic spring teeth; 9. Shift teeth; 10. Upper cutting knife; 11. Middle grain divider圖2 藜麥擴(kuò)口鏈齒喂入割臺Fig.2 Quinoa flared chain teeth are fed into the header

參照藜麥種植農(nóng)藝、行距、株距，考慮到作業(yè)效率、轉(zhuǎn)移等情況，割臺設(shè)計幅寬為1 900 mm，5行喂入，由種植農(nóng)藝與作業(yè)速度計算得到單位時間喂入藜麥15～20株，質(zhì)量3 000～3 900 g，設(shè)計喂入量為4.0 kg·s-1。

3.1.1 分禾器 藜麥植株在沿分禾器外沿運動,植株經(jīng)分禾后在A點達(dá)到最大分禾傾角α。田間測得藜麥莖稈最大傾角為37°[10-11]，此時最大拉伸力約為30 N，藜麥分禾示意圖如圖3所示。

注：X為割臺離地高度(mm)；α為分禾器對藜麥分禾傾角(°)；W為分禾器寬度(mm)；O點為藜麥植株與地面的交點；B點為分禾器尖端；A點為藜麥與分禾器接觸點。Note: X is the height of the header from the ground (mm); α is the inclination angle of the crop divider to the quinoa (°); W is the width of the crop divider (mm); Point O is the intersection point between the quinoa plant and the ground; Point B is the tip of the crop divider; Point A is the contact point between the quinoa and the divider.圖3 藜麥分禾示意圖Fig.3 Schematic diagram of quinoa division

分禾器寬度計算公式為：

(1)

式中，X為分禾器與莖稈根部距離(mm),取X=200 mm。

由式(1)計算得出中間分禾器寬度為527 mm，結(jié)合種植行距，實現(xiàn)小偏差對行收獲，取中間分禾器寬度W=230 mm，此時最大分禾傾角為29.8°，小于田間測定最大測定傾角，不會造成藜麥喂入折損，符合設(shè)計原理。

3.1.2 鏈齒喂入裝置 喂入過程中，鏈輪帶動整個喂入鏈條做撥禾運動，撥齒對藜麥莖稈產(chǎn)生接觸力，與莖稈發(fā)生相對運動，撥禾過程中藜麥向鏈齒邊滑移，喂入過程中相對運動位移為ΔS，鏈齒撥禾角度β應(yīng)小于臨界折斷角37°[10-12]，鏈齒撥禾示意圖如圖4所示，其運動方程[13]為：

注：Y為鏈齒撥禾行程(mm)；Y1為莖稈切割后高度(mm)；S為鏈齒節(jié)距(mm)；β為鏈齒撥禾角度(°)；O點為藜麥植株與地面的交點；W0為分禾器安裝間距(mm)；Wb為撥齒高度(mm)。Note: Y is the stroke of the sprocket (mm); Y1 is the height of quinoa after cutting (mm); S is the pitch of the sprocket (mm); β is the angle of the sprocket (°); Point O is the intersection point between the quinoa plant and the ground; W0 is the installation spacing of divider (mm); Wb is the gear height (mm).圖4 撥齒喂入示意圖Fig.4 Schematic diagram of shifting gear feeding

(2)

式中，λ為速比；Va為機(jī)器前進(jìn)速度(m·s-1)，取Va=1 m·s-1；Vb為鏈齒速度(m·s-1)。Δt為單株藜麥撥禾所用時間(s)；C1為藜麥種植株距(mm)，取C1=250 mm；β為莖稈鏈齒喂入傾角(°)，取β=37°。

由式(2)計算得，相對位移ΔS應(yīng)小于150.7 mm，則鏈齒速度為1.0～1.6 m·s-1，為避免藜麥喂入折損，莖稈后傾幅度不宜過大，設(shè)計Vb=1.25 m·s-1，鏈齒線速度滿足喂入條件，可實現(xiàn)藜麥植株順暢喂入。鏈齒喂入夾角β小于藜麥臨界折斷傾角[10,14]，不會造成喂入折損。

藜麥在撥齒作用下達(dá)到一定傾角后由割刀切割后倒向割臺內(nèi)部，完成切割喂入工序，輸送鏈為單邊撥齒，撥齒由A點撥禾至B點(工作長度記為Y,圖2)，完成切割，設(shè)A點到B點，B點到C點，A點到C點距離分別為LAB、LBC、LAC,鏈齒長度可按式(3)計算：

Y=LAB=LAC+LBC

(3)

設(shè)計莖稈喂入角β=37°，水平螺旋輸送器裝配尺寸為550 mm，則LBC最小距離為：

LBC=Y1sinβ-550

(4)

LAC=S

(5)

式中，S為鏈齒間距(mm)。藜麥平均株高為1 620 mm，割茬高度為150 mm，則Y1為1 470 mm。

考慮到藜麥種植農(nóng)藝，減少因鏈齒間距過大造成的植株折損，導(dǎo)致喂入不暢，設(shè)置喂入鏈齒間距為S，鏈齒在前進(jìn)單個株距時間運動距離為：

(6)

設(shè)計每個鏈齒最多撥送1枝藜麥，計運動距離內(nèi)鏈齒數(shù)為N，則有：

N·S≥S0

(7)

則該時間內(nèi)經(jīng)過鏈齒數(shù)Nmin為：

(8)

則鏈齒間距

(9)

式中，Nmin為單個藜麥株距內(nèi)轉(zhuǎn)過最少鏈齒數(shù)，取Nmin=2。

帶入計算數(shù)據(jù)可得，鏈齒間距S≤156 mm，設(shè)計取鏈齒間距S=125 mm[11]?？紤]到割臺尺寸，設(shè)計輸送鏈長度Y=470 mm。

為確保順暢撥禾、喂入，對撥齒高度有一定要求，田間測量藜麥根部撥齒部位莖稈直徑為12.00～19.12 mm，取莖稈平均直徑為16.4 mm，極限尺寸偏差為7 mm，取鏈齒間隙極限尺寸偏差為5 mm，喂入時要求藜麥不能滑出撥齒，滿足99.9%藜麥喂入要求[10]，則設(shè)計撥齒高度Wb滿足：

(10)

式中，η為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

由式(10)計算得Wb≥36.94 mm。鏈齒長度影響割臺喂入流暢性，為保證不發(fā)生藜麥莖稈堵塞和斷裂等現(xiàn)象，同時考慮裝配間隙，取Wb=55 mm，設(shè)計分禾器安裝間距W0=290 mm。

藜麥植株高、草谷比大，為降低清選難度，割臺配置下割刀(圖5)，作業(yè)過程中，上割刀將對藜麥最低結(jié)穗部位進(jìn)行切割，已切割的作物被輸送進(jìn)割臺進(jìn)入脫粒裝置，下割刀對莖稈根部再次切割，實現(xiàn)穗莖分流，減少莖稈喂入，降低脫粒系統(tǒng)功率損耗。

圖5 下割刀示意圖Fig.5 Schematic diagram of lower cutter

3.2 割臺喂入仿真分析

3.2.1 模型建立 基于Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型建立藜麥莖稈離散元模型，莖稈離散元接觸參數(shù)參考史瑞杰等[10]方法確定(表2)，藜麥莖稈離散元模型生成方法為先填充后粘結(jié)，顆粒粘結(jié)參數(shù)法向剛度Kn、切向剛度Ks、法向極限應(yīng)力σ、切向極限應(yīng)力γ計算公式為[15]：

(11)

表2 EDEM 中物料屬性及接觸參數(shù)Table 2 Parameters of materials and contact in EDEM

式中，μa和μb為顆粒泊松比，取值0.3；Ea和Eb為顆粒彈性模量(MPa)，取值416 MPa；Ra和Rb為顆粒半徑(mm)，取值8.2 mm。

(12)

式中，F(xiàn)n為臨界壓力(N)，取Fn=1 028 N；R為壓縮面半徑(mm)，取R=8.2 mm；Fc為莖稈內(nèi)聚力(MPa)，取Fc=0.005 MPa[15]；φ為內(nèi)摩擦角(°)，取φ=30°[15]。

將力學(xué)試驗數(shù)據(jù)代入式(11)、(12)，得Kn=2.36×109N·m-3、Ks=1.58×109N·m-3、σ=48.7 MPa、γ=28.1 MPa，設(shè)置顆粒粘結(jié)半徑Rj=10 mm。在藜麥秸稈幾何體內(nèi)建立1個顆粒工廠，藜麥莖稈離散元模型長650 mm，直徑16.4 mm。顆粒粘結(jié)后導(dǎo)入分禾器三維模型，對各部件分別定義材料屬性。設(shè)置前進(jìn)速度為1 m·s-1，鏈齒速度為1.25 m·s-1。計算時采用Rayleigh時間的15%，時間步長為3.5×10-6，設(shè)置仿真時間1 s[10]。參數(shù)設(shè)置完成后分別進(jìn)行藜麥植株分禾、鏈齒喂入過程仿真計算。

仿真結(jié)束后在后處理得到藜麥莖稈分禾過程與鏈齒喂入過程接觸受力云圖(圖6，見260頁)；藜麥莖稈分禾、鏈齒喂入過程各時刻受力如圖7所示。

3.2.2 仿真分析 由圖6A、圖7a可以看出，隨機(jī)具前進(jìn)，沿分禾方向，分禾角度逐漸增大，藜麥莖稈在0.03 s時受力最大，此時分禾器與藜麥莖稈瞬間接觸，最大作用力為10.14 N，0.4 s時藜麥莖稈到達(dá)分禾器側(cè)邊處，進(jìn)入鏈齒喂入過程，此時最大分禾角度為28°；由圖6B、圖7b可以看出，隨機(jī)具前進(jìn)，沿鏈齒喂入方向，藜麥莖稈鏈齒喂入角度逐漸增大，莖稈在0.47 s受力最大，此時撥齒與莖稈最大作用力為9.95 N，此時藜麥經(jīng)鏈齒撥禾到達(dá)割刀處，鏈齒喂入過程中最大分禾角度為23°[16]。分禾與鏈齒喂入過程中莖稈與割臺接觸力均未達(dá)到藜麥莖稈折斷最大受力，植株未到達(dá)最大折斷傾角，割臺仿真分禾、喂入過程與實際分禾、喂入過程接近，表明割臺設(shè)計參數(shù)合理。

圖6 藜麥分禾、鏈齒喂入受力云圖Fig.6 Stress nephogram of quinoa grain division and chain tooth feeding

圖7 藜麥莖稈與割臺接觸力曲線Fig.7 Contact force curve between quinoa stalk and header

3.3 脫粒裝置

3.3.1 組合式脫粒滾筒 藜麥成熟期含水率高、莖稈脆，藜麥脫粒采用紋桿+桿齒空間布局方式，藜麥先經(jīng)紋桿擠壓，再經(jīng)桿齒分離以降低夾帶損失[17]。組合式脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖8所示。

注：1. 喂入頭；2. 紋桿脫粒元件；3. 桿齒脫粒元件；4. 輻盤；5. 輻條。L1為喂入段長度(mm)；L2為紋桿工作長度(mm)；L3為分離段工作長度(mm)；L4為排草段長度(mm)；L5為桿齒間距(mm)；L6為桿齒工作長度(mm)。Note: 1. Feeding head; 2. Striated rod threshing element; 3. Rod tooth threshing element; 4. Spoke plate; 5. Spoke. L1 is the length of feeding section (mm). L2 is the working length of the corrugated rod (mm); L3 is the working length of separation section (mm); L4 is the length of grass discharge section (mm); L5 is the rod tooth spacing (mm); L6 is the working length of rod teeth (mm).圖8 紋桿+桿齒組合式脫粒滾筒示意圖Fig.8 Schematic diagram of grain rod + rod tooth combined threshing drum

脫粒滾筒長度影響藜麥脫凈率，計算公式為：

L≥q1/q0

(13)

式中，q1為脫粒裝置的喂入量(kg·s-1)，取q1=4.0 kg·s-1；q0為滾筒單位長度允許承擔(dān)的喂入量(kg·s-1·m-1)，取q0=3 kg·s-1·m-1，計算得滾筒長度為1 350 mm[10,13]。

成熟期藜麥籽粒包裹有穎殼，為使脫粒充分，取脫粒滾筒直徑D=550 mm[13]，脫粒滾筒配置紋桿數(shù)Z=6，按式(14)計算紋桿間距T為280 mm。

(14)

滾筒轉(zhuǎn)速影響脫凈率與損失率[18]。滾筒轉(zhuǎn)速n計算公式為：

(15)

式中，v為脫粒滾筒線速度(m·s-1)，參考水稻、高粱取v=20～24 m·s-1[13]。計算得藜麥脫粒滾筒轉(zhuǎn)速范圍為694～833 r·min-1。

脫粒滾筒由喂入段、紋桿脫粒段、桿齒分離段、排草段組成，設(shè)計喂入段長度L1=240 mm，紋桿脫粒段L2=550 mm，桿齒分離段L3=550 mm。桿齒對稱安裝實現(xiàn)充分分離，桿齒間距L5=70 mm，工作高度L6=66 mm。

3.3.2 組合式凹板篩 組合式凹板篩(圖9)配合脫粒滾筒完成谷物脫粒與分離。脫離滾筒前段配置柵格凹板，利用柵格篩較好的脫粒能力，使物料籽粒快速脫粒，根據(jù)籽粒直徑設(shè)計柵格間距ds=10 mm；后段配置編制篩，減少細(xì)碎莖稈落入清選系統(tǒng)，降低含雜率[19]，取編制篩間距a為14 mm×14 mm。

注：1.柵格篩；2.編制篩。ds為柵格間距(mm)；a為編制篩間距(mm)；τ為凹版包角(°)；dx為凹版間隙(mm)。Note: 1. Grid sieve; 2. Weaving sieve. ds is the grid spacing (mm); a is the spacing of the weaving sieve (mm); τ is intaglio wrap angle (°); dx is gravure clearance (mm).圖9 分離凹板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structural diagram of separating concave plate

凹板面積對分離效率和脫凈率均產(chǎn)生影響。較大的分離面積使得脫粒分離作業(yè)更容易，凹板弧長、凹板面積、凹板包角計算公式為[13]:

(16)

式中，A0為凹板面積(m2)；B0為凹板寬度(mm)；l為凹板弧長(mm)。ζ為喂入物料中藜麥籽粒所占比重，取ζ=0.35[10]；q1為喂入量(kg·s-1)，取q1=4.0 kg·s-1；qa為單位凹板面積可承受的喂入量(kg·s-1)，取qa=5 kg·s-1[13]。計算得到B0=1 100 mm，凹板弧長l為870 mm，凹板面積0.95 m2，包角τ為180°，設(shè)計凹板間隙dx=20 mm。

3.4 清選裝置

清選裝置(圖10，見260頁)采用離心風(fēng)機(jī)+雙層振動篩式模式，由離心風(fēng)機(jī)、篩箱、輸送螺旋等組成[20-22]。振動篩負(fù)責(zé)將藜麥籽和短莖稈等混合物分層篩選，風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)將脫粒產(chǎn)生的雜余以及藜麥穎殼吹出。

1.風(fēng)機(jī)；2. 抖動版；3. 魚鱗篩；4. 尾篩；5. 偏心輪；6. 二級雜余輸送螺旋；7. 魚鱗篩開度調(diào)節(jié)裝置；8. 一級籽粒輸送螺旋；9. 下篩；10. 調(diào)風(fēng)板1. Fan; 2. Shaking plate; 3. Fish scale screen; 4. Tail screen; 5. Eccentric wheel; 6. Secondary residue conveying screw; 7. Fish scale screen opening adjustment device;8. Primary grain conveying screw; 9. Lower screen; 10. Air regulating plate圖10 清選裝置總成Fig.10 Cleaning device assembly

清選裝置簡圖如圖11所示。為確保往復(fù)式振動篩運送藜麥脫粒物料能夠充分分離，篩面尺寸、喂入量之間應(yīng)滿足關(guān)系式[23-24]：

1.風(fēng)機(jī)外殼；2. 風(fēng)扇葉片；3. 調(diào)風(fēng)板；4. 籽粒攪攏；5. 篩箱；6. 雜余攪攏1. Fan shell; 2. Fan blade; 3. Air regulating plate; 4. Grain mixing; 5. Screen box; 6. Miscellaneous mixing圖11 清選系統(tǒng)簡圖Fig.11 Schematic diagram of cleaning system

W1=q1(1-ψK)/B1qs

(17)

式中，W1為篩板長度(mm)；q1為收割機(jī)喂入量(kg·s-1)，取q1=4 kg·s-1；ψ為秸草占藜麥脫粒物料總重量的比值，取ψ=0.6[8,10]；K為脫粒清選裝置工作特性系數(shù)，取K=0.75[23-24]；B1為篩板的寬度(mm)，取B1=650 mm；qs為篩面單位面積可承擔(dān)的脫粒物料喂入量(kg·s-1)，取qs=2.8 kg·s-1[23]。由此可計算得W1=1 200 mm。

雙層往復(fù)式振動篩上篩使用魚鱗篩(圖12a)，魚鱗篩開度0～45°可調(diào)節(jié)，目的是在不同作業(yè)模式下調(diào)整魚鱗篩開度以提高篩分效率；根據(jù)藜麥直徑與篩分條件，為降低含雜率，取編制篩(圖12b)間距Di為6 mm×6 mm，編制篩直徑j(luò)=2 mm，編制篩尺寸為650 mm×530 mm[10]。

注：1.開度調(diào)節(jié)裝置；2.篩片。La為下篩長度(mm)；Lb為下篩寬度(mm)；Di為編制篩間距(mm)；j為篩條直徑(mm)。Note: 1. Opening adjustment device; 2. Sieve piece. La is the length of the lower screen (mm); Lb is the width of the lower screen (mm); Di is the spacing of the screen (mm); j is the diameter of the screen bar (mm).圖12 魚鱗篩與清選編制篩局部圖Fig.12 Partial drawing of fish scale screen and cleaning screen

選用通用離心式風(fēng)機(jī)，風(fēng)扇直徑D0=350 mm。風(fēng)機(jī)工作時，氣流從兩端吸入，在葉片作用下，沿風(fēng)道方向吹出。出風(fēng)口高度決定吹風(fēng)面積，影響脫出物分散程度[23,25]，兩者需滿足條件：

H=K1W1sinθ0

(18)

式中，H為出風(fēng)口高度(mm)；K1為系數(shù)，取K1=0.4[23]；θ0為氣流與篩面夾角(°)，取θ0=30°[25]?？捎嬎愕肏=240 mm。

3.5 行走穩(wěn)定性能分析

在機(jī)具轉(zhuǎn)場作業(yè)時要經(jīng)歷爬坡、下坡等情況，為適應(yīng)丘陵山地小地塊作業(yè)，需對丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機(jī)爬坡、下坡過程進(jìn)行車輛穩(wěn)定性分析。機(jī)具縱向和橫向穩(wěn)定性能分析如圖13所示。

圖13 機(jī)具行走穩(wěn)定性分析Fig.13 Analysis of walking stability of the implement

機(jī)具行駛穩(wěn)定性主要影響因素為履帶觸地長度、履帶軌距、機(jī)具質(zhì)心離地高度[26]，則機(jī)具縱向極限傾覆角度為：

(19)

式中，Ln為履帶觸地長度(mm)，取Ln=1 324 mm；h0為質(zhì)心G0離地高度(mm)，取h0=570 mm；Lc為機(jī)具質(zhì)心距前觸地點距離(mm)，取Lc=330 mm。

橫向極限傾覆角度為：

(20)

式中，Lz為履帶軌距(mm)，取Lz=1 360 mm。

由式(19)、(20)計算得出機(jī)具縱向極限傾覆角度δmax=29.8°,橫向極限傾覆角度?max=40.6°。藜麥種植地坡度遠(yuǎn)小于機(jī)具設(shè)計傾覆值，樣機(jī)可進(jìn)行丘陵山地藜麥?zhǔn)斋@作業(yè)。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

藜麥樣機(jī)收獲試驗于2021年10月在甘肅省臨夏州東鄉(xiāng)縣達(dá)阪鎮(zhèn)進(jìn)行，該地屬于典型西北丘陵地貌。試驗藜麥品種為‘隴藜5號’，采用旱作覆膜穴播種植方式，平均株高1 620 mm，平均結(jié)穗高度355 mm，無倒伏情況，試驗地藜麥籽粒含水率14%，莖稈含水率26%，試驗地面積2.67 hm2。樣機(jī)作業(yè)速度為0.75～1.50 m·s-1，各裝置調(diào)整至設(shè)計值后進(jìn)行田間試驗，田間試驗現(xiàn)場如圖14所示。

圖14 樣機(jī)田間試驗Fig.14 Field test of prototype

4.2 試驗方法

丘陵山地藜麥聯(lián)合收獲作業(yè)性能試驗按照GB/T 8097.2008《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗方法》分別測定脫凈率、含雜率、割臺損失、夾帶損失、清選損失、總損失率6項工作性能指標(biāo)[10,18]。

按照作業(yè)規(guī)范以滿幅收割工況在試驗區(qū)域前進(jìn)100 m，期間隨機(jī)取5個試驗指標(biāo)取樣點，以1 m2取樣器對地表未脫凈穗頭、割臺落穗、清選損失籽粒及糧倉脫粒籽粒進(jìn)行取樣并裝袋標(biāo)記，作業(yè)完成后使用電子秤進(jìn)行作業(yè)指標(biāo)測定，測量結(jié)果取平均值。

4.3 試驗結(jié)果

根據(jù)國內(nèi)藜麥?zhǔn)斋@技術(shù)要求、結(jié)合藜麥種植農(nóng)藝，要求藜麥聯(lián)合收割機(jī)脫凈率≥95%，含雜率、總損失率均<5%，割臺損失率、夾帶損失率、清選損失率均<3%。按照作業(yè)規(guī)范進(jìn)行田間試驗與收獲指標(biāo)測定，結(jié)果見表3。作業(yè)過程中整機(jī)與各裝置運行穩(wěn)定，割臺喂入與脫粒作業(yè)流暢，收獲過程割臺損失較小，糧倉籽粒含雜率低，總損失率較小，作業(yè)效果與收獲效率與傳統(tǒng)履帶式稻麥聯(lián)合收割機(jī)相比有較大提升，滿足丘陵山地藜麥聯(lián)合收獲作業(yè)的要求。

表3 整機(jī)試驗結(jié)果Table 3 Complete machine test results

5 結(jié) 論

1)針對國內(nèi)藜麥種植現(xiàn)狀和農(nóng)藝特性，設(shè)計了丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機(jī)，對割臺、脫粒滾筒、組合式分離凹板、雙層往復(fù)式振動清選裝置、樣機(jī)行走穩(wěn)定性等關(guān)鍵部件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計與計算，并對割臺分禾、鏈齒喂入過程進(jìn)行離散元仿真分析，仿真結(jié)果表明，藜麥分禾、鏈齒喂入過程接觸載荷較小，未造成藜麥折損，分禾、鏈齒喂入與實際作業(yè)相符，實現(xiàn)藜麥莖稈順暢喂入、切割、脫粒與分離、清選，可進(jìn)行丘陵山地藜麥?zhǔn)斋@作業(yè)，并進(jìn)行田間試驗。

2)藜麥籽粒含水率14%，莖稈含水率26%時，樣機(jī)收獲脫凈率為96.83%、含雜率4.30%、破損率0.15%、割臺損失率1.54%、夾帶損失率0.92%、清選損失率0.52%、總損失率2.98%。收獲過程中割臺喂入順暢，機(jī)具工作平穩(wěn)，脫粒裝置無堵塞，田間性能試驗與相關(guān)指標(biāo)均達(dá)到藜麥聯(lián)合收獲作業(yè)質(zhì)量要求。

3)藜麥植株高度、成熟度等對藜麥?zhǔn)斋@損失有較大影響，藜麥脫粒物清選較困難。清選系統(tǒng)還需進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，并結(jié)合不同地區(qū)的藜麥生物特性進(jìn)行深入研究。本研究可為丘陵山地藜麥聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計試驗提供一定參考。