復合篩分式油莎豆收獲機設計及試驗

劉文亮，閆洪余，劉 楓，姜彩宇，張 亮，王新陽

（吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130022）

0 引言

油莎豆是一種結于地表下的核狀塊莖，體積小、數量多，與根系連接力小，易拉斷[1-2]。機械化收獲過程中，只適合采用挖掘的方法，收獲物中同時存在著油莎豆、草茬、土壤等因素，其中，土壤是諸因素的主要矛盾，應重點解決[3-5]。另外，油莎豆是連接在根須上，如果沒有很好的脫粒機構，油莎豆就不能與根須分離干凈[6-9]。

國內外現有的油莎豆收獲機，無論是滾篩式還是振動篩式的結構，均是采用多層不同孔型和孔徑的篩片，對油莎豆、草茬、土壤等具有不同物理特性的混合物進行分離，這一方法較好地解決了根莖草的分離問題，但對土的分離去除效果并不理想，并且作業效率低。主要原因：一是各工作部件功能單一，輸送部件只負責輸送，油莎豆、草茬、土壤的分離和去除基本上全部在分離清選裝置上完成，當喂入量較大時，分離清選裝置處理速度就會跟不上；二是這些機型普遍通過提高篩分面積的辦法來提高篩凈率和分離效果，不僅效率提高有限，還常常因為增加了篩眼數量和篩分面積帶來分離清選裝置質量和體積的增大，造成機器動力消耗的增加和可靠性降低[10-19]。為有效提高油莎豆的收凈率和收獲效率，從油莎豆收獲物的輸送、脫粒、分離清選全流程整體考慮，設計一種復合篩分式的油莎豆收獲機，并開展了鍵式分離裝置性能試驗和田間檢測試驗。

1 整機結構設計

1.1 整機結構

考慮到現有油莎豆收獲機去土效果差是因為收獲物中土含量大、分離清選裝置能力不足，課題組設計了一種落土能力更強的單層扭簧式升運網鏈。同時，為了提高油莎豆、草茬、土壤的篩凈率和分離效果，設計了橫向切流脫粒滾筒+鍵式分離裝置的復合式篩分裝置。在復合式篩分裝置之后設計鏈條輸送器+吸雜風機除雜裝置。整機結構如圖1 所示。

圖1 整機結構Fig.1 Overall structure

1.2 工作原理

拖拉機牽引帶動行走輪行走并驅動工作部件運轉。旋耕輥將地表下一定深度埋有油莎豆的土旋松拋撒。鏟土板鏟起混有油莎豆、草茬、根須和土壤的混合物，經升運網鏈抖動篩除部分土后，送入脫粒滾筒。油莎豆及細小的草茬、根須和土壤經脫粒滾筒的凹板篩落入下方的鍵式分離裝置前端，其余比較大的混合物經脫粒滾筒后方出料口排出落到鍵式分離裝置中部。在鍵式分離裝置的往復運動顛簸作用下，比較大的草茬、根須從鍵式分離裝置尾端落到地表還田。油莎豆及部分細小的草茬、根須和土壤經鍵式分離裝置篩面落進下方的水平鏈條輸送器，在水平鏈條輸送器和風機的作用下進一步分離，最后輸出潔凈的油莎豆到籽粒箱。

2 關鍵零部件設計

2.1 升運網鏈

升運網鏈結構如圖2 所示，設計為鋼絲扭簧與銷軸組成的鋼絲網帶結構，兩側為節距相等的鏈條，鏈條之間用銷軸連接，銷軸上安裝長臂扭簧、短臂扭簧。該設計最大程度增大了網鏈孔隙面積，減少了土壤下落過程中的通過層數，從而提升土壤的通過率和流動性。在長臂扭簧上設計立柱，形成如同帶孔刮板的結構，防止網鏈上收獲物的下滑。該設計對油莎豆、草茬有很高的輸送效率，同時對土壤和較小的雜余有很好的分離作用。

圖2 網鏈結構Fig.2 Network chain structure

2.2 復合篩分裝置

復合篩分裝置如圖3 所示，主要由脫粒滾筒、鍵式分離裝置、吹雜風機組成，將弓形齒擊打脫附、多鍵式分離裝置、風力清選等技術綜合在一起，實現對油莎豆表面附著物的脫附，根系草與豆土的分離，油莎豆與土壤的分離，油莎豆摻雜物的首道風力去除。脫粒滾筒由多根脫粒齒桿組成，它們的軸向與滾筒軸的軸線平行，呈圓筒狀分布在滾筒軸的周圍。脫粒齒桿通過螺栓固定在幅盤上。脫粒元件按一定的排布規律和傾角焊接在脫粒齒桿上。鍵式分離裝置主要由4個鍵箱和2 根曲軸組成，形成平行四桿機構，工作時，在曲軸連桿機構的驅動下整個鍵箱做拋揚式運動，較長的莖稈沿尾部排出機外，油莎豆籽粒、松散的土壤和較短的草莖通過鍵面篩孔掉落到下層篩板上進行篩分清選。吹雜風機布置于鍵式分離裝置末端的下方，出風口朝向油莎豆從鍵式分離裝置下層篩板下落的方向，風機吹出的氣流方向與物料運動方向相反。將草莖雜質吹出。

圖3 復合篩分裝置Fig.3 Compound screening device

2.3 水平鏈條輸送器+吸雜風機組合

對分離清選后油莎豆輸送環節采用水平鏈條輸送器結構（支桿間距小于油莎豆粒徑），并在上方布置吸雜風機，如圖4 所示。這種布局和結構，可以有效地對分離清選裝置起到補充作用：一方面，吸雜風機會把碎草等較輕的雜物和物料上層夾雜的土壤吸走；另一方面，碎草被吸走過程產生對物料的擾動，從而加快底層土壤從支桿間隙中落下。

圖4 水平鏈條輸送器+吸雜風機組合Fig.4 Combination of horizontal chain conveyor and suction fan

3 臺架試驗

3.1 試驗方法及結果

3.1.1 試驗方法

試驗臺架如圖5 所示，采用3 因素5 水平的二次回歸正交旋轉中心組合設計方法，選取曲軸轉速、分離裝置角度、擋板角度為因素，以篩凈率和落粒損失率為評價指標，進行23 組試驗。試驗所選的因素水平范圍根據該機設計和參考相關研究選定[20-28]。選定曲軸轉速180～220 r/min，分離裝置角度6°～8°，擋板角度50°～70°。篩凈率和落粒損失率按式（1）、式（2）計算。

圖5 試驗臺架Fig.5 Test bench

式中ρ1?篩凈率

ρ2?落粒損失率

W1?收獲物中雜質質量

W2?收獲物質量

W3?損失籽粒質量

3.1.2 試驗結果

因素水平編碼與試驗結果如表1、表2 所示。

表1 因素水平編碼Tab.1 Factor and levels coding table

表2 響應面試驗設計與結果Tab.2 Response surface test design and results

3.2 結果分析

利用Design-expert 軟件對數據進行分析擬合及顯著性分析，可以得到篩凈率與落粒損失率的回歸方程。

式中A?曲軸轉速

B?分離裝置角度

C?擋板角度

3.2.1 篩凈率方差分析

由表3 可知，模型P值<0.000 1，說明回歸模型極為顯著。失擬項P值為0.961 7（P>0.05），影響不顯著，說明該方程擬合度良好具有研究意義。分析各因素的一次項、二次項和交互項的P值可知，一次項因素A、B、C的P值均<0.05，影響顯著；二次項因素A2、B2、C2的P值均<0.05，影響顯著；交互項因素AB的P值為0.089 7>0.05，影響不顯著，AC、BC的P值均<0.05，影響顯著。由表中F值大小分析可知，因素影響的主次順序為B>A>C，即鍵式分離裝置安裝角度>曲軸轉速>擋板安裝角度。去掉未篩凈率回歸方程中的不顯著項，可以得到新的回歸方程為

表3 篩凈率回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of screening rate by regression equation

3.2.2 落粒損失率方差分析

由表4 可知，模型P值<0.000 1，說明回歸模型極為顯著。失擬項P值為0.064 4（P>0.05），影響不顯著，說明該方程擬合度良好，具有研究意義。分析各因素的一次項、二次項和交互項的P值可知：一次項因素A、B、C的P值均<0.05，影響顯著；二次項因素A2、B2、C2的P值均<0.05，影響顯著；交互項因素AC的P值為0.149 5>0.05，影響不顯著，AB、BC的P值均<0.05，影響顯著。由表中F值大小分析可知，因素影響的主次序為A>B>C，即曲軸轉速>鍵式分離裝置安裝角度>擋板安裝角度。

表4 落粒損失率回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of shedding loss rate by regression equation

去掉落粒損失率回歸方程中的不顯著項，可以得到新的回歸方程為

綜上所述，鋼結構橋梁工程施工階段是事故高發階段，許多橋梁工程質量問題出現，都緣于施工階段的不良施工行為。鋼結構橋梁工程施工階段風險把控的力度，直接影響著橋梁工程最終的施工質量。從每一個施工環節抓起，將風險控制工作落實到施工過程中的每一個細節，才能促進橋梁工程施工質量的提高。

3.3 各因素對評價指標影響分析

3.3.1 篩凈率

根據篩凈率回歸方程得出的響應曲面如圖6 所示。由圖6a 可知，當曲軸轉速一定時，隨著鍵式分離裝置安裝角度的增大，篩凈率呈現先增大后減小的趨勢。由圖6b 可知，當擋板安裝角度一定時，隨著曲軸轉速的增大，篩凈率呈現先增大后減小的趨勢。由圖6c 可知，當擋板安裝角度一定時，隨著鍵式分離裝置安裝角度的不斷增大，篩凈率呈現先增大后減小的趨勢，當鍵式分離裝置安裝角度一定時，隨著擋板安裝角度的增大，篩凈率也呈現先增大后減小的趨勢。

圖6 篩凈率正交試驗響應面Fig.6 Response surface of screening rate orthogonal test

3.3.2 落粒損失率

根據落粒損失率回歸方程得出的響應曲面如圖7 所示。由圖7a 可知，當曲軸轉速一定時，隨著鍵式分離裝置安裝角度的增大，落粒損失率呈現先減小后增大趨勢。由圖7b 可知，當曲軸轉速一定時，隨著擋板安裝角度的增大，落粒損失率呈現先減小后增大的趨勢。由圖7c 可知，當鍵式分離裝置安裝角度一定時，隨著擋板安裝角度的增大，落粒損失率呈現先下降后升高的趨勢，當擋板安裝角度一定時，隨著鍵式分離裝置安裝角度的增大，落粒損失率也呈現先下降后升高的趨勢。

圖7 落粒損失率正交試驗響應面Fig.7 Response surface of shedding loss rate orthogonal test

4 田間檢測

復合篩分式油莎豆收獲機于2021 年10 月在吉林省前郭縣前龍坑村油莎豆試驗田進行了田間作業性能試驗，對機組收獲效率、落粒損失率進行檢測，如圖8 所示。

圖8 田間試驗Fig.8 Field experiment

4.1 收獲效率檢測

在試驗區內機組前進方向取3 組10 m 區間記作N1、N2、N3，以旋耕刀水平距拖拉機最近旋轉直徑頂點與區間標志物重合作為秒表計時開始和結束信號，記錄機具通過每一區間所用時間，記作t1、t2、t3。試驗測得通過區間N1時間平均為24.86 s，通過區間N2時間平均為26.15 s，通過區間N3時間平均為25.31 s。通過計算可得機具每通過一個10 m 區間平均耗時25.44 s。試驗田每壟寬度為1.3 m，所以區間面積為13 m2，經計算，收獲效率為0.184 hm2/h。

4.2 落粒損失率檢測

在每個10 m 測試區間內取3 組共9 組400 mm×400 mm 的正方形區域進行挖掘，對沒有收獲到的油莎豆進行收集并測得其質量。同樣，對區間內機具收獲的油莎豆進行質量測量，如表5 所示。落粒損失率為

表5 落粒損失率Tab.5 Harvest loss rate

M?區間內機具收獲油莎豆質量

通過計算：第1 次落粒損失率為2.9%，第2 次落粒損失率為2.8%，第3 次落粒損失率為2.7%。油莎豆收獲機在收獲時的平均落粒損失率為2.8%，符合設計要求。

5 結束語

設計了一種復合篩分式的油莎豆收獲機，開展了鍵式分離裝置臺架試驗，以曲軸轉速、鍵式分離裝置安裝角度、擋板安裝角度為試驗因素，篩凈率和落粒損失率為試驗指標開展正交試驗，根據試驗結果建立了回歸模型方程，分析了各因素對指標的影響，并通過田間試驗檢測了樣機的收獲效率和落粒損失率，為相關油莎豆收獲設備的研究提供了參考。產品和現有技術中的產品相比具有以下特點。

（1）設計的脫粒滾筒彌補了現有油莎豆收獲機缺少專用脫粒部件的不足。脫粒滾筒直徑尺寸設計較大既能防止纏繞又保障脫粒時間；采用弓型脫齒切流式打擊方式，打擊力度大，既能提高脫凈率，減少夾帶損失率，又能較好地保持脫粒后根莖的完整，有利于后續的逐稿器分離處理。

（2）設計的雙層多階鍵箱式逐稿器克服了現有平板振動篩或滾筒篩分離困難，易纏繞、堵塞，適應性差的問題，同時能夠較好地保證機器的轉動慣量平衡。

（3）通過設置在鍵箱上的兩層篩板，能夠依次把根莖、土壤從油莎豆籽粒中有效分離出來，分離能力強和效率高，最大程度簡化了結構，解決了纏繞堵塞的問題，根莖排出過程中無夾帶籽粒現象，篩分后的籽粒含土量和含根莖量遠低于現有技術。