油菜收割機脫粒分離裝置的試驗研究

中圖分類號：S226.1 文獻標志碼：B 文章編號：2095-3305（2025）05-0034-03

脫粒分離效果是決定油菜收割機性能的關鍵指標。脫粒裝置作為油菜收割機的關鍵部件，通過對油菜籽粒與秸稈連接部位進行破壞，實現油菜脫粒[1]。盡管經過多年發展，油菜收割機的脫粒裝置性能得到顯著提升，相應的運行效率得到提升，但油菜脫凈率仍難以得到保證，導致油菜籽粒損失率高、破損率高等，使油菜收割效率難以得到提升[2-3]。通過對油菜收割機脫粒分離裝置進行分析，并根據分析結果對油菜收割機脫粒分離裝置進行優化設計，為提升油菜籽粒分離效率提供支持。

1油菜收割機脫粒分離裝置的參數優化

1.1 試驗指標

研究將油菜收割機脫粒分離裝置損失率、含雜率作為試驗指標，損失率計算如公式（1）所示，含雜率計算如公式（2）所示。

式（1）中， a 為損失率 為籽粒損失質量（ ｋｇ）；"M₁ 為籽粒總質量 （kg） 。

式（2中， b 為含雜率 （%）;m₂ 為底部秸稈質量（ ?_kg） M₂ 為底部混合物總質量 （kg） 。

1.2 因素分析

1.2.1 滾筒轉速

研究中選用的油菜收割機脫粒滾筒最大轉速為1100r/min 、最小轉速為 400r/min ，選擇EDEM作為脫粒滾筒轉速損失率仿真分析環境，將 400r/min 作為收割機脫粒滾筒啟動轉速，仿真試驗頻次為 100r/（min? 次，確定喂入量為 1kg/s 、凹板篩振動頻率為 6Hz ，隨后逐級提升收割機脫粒滾筒轉速，直至達到最大轉速，對脫粒滾筒不同轉速下尾部籽粒與底部秸稈質量進行分析。表1為脫粒滾筒不同轉速下尾部籽粒與底部秸稈質量。

由表1可知，脫粒滾筒轉速 lt;700r/min 的情況下，伴隨滾筒轉速的逐漸提升，相應的籽粒損失率逐漸降低，而脫粒滾筒轉速逐漸下降，相應的籽粒損失率隨之上升。脫粒滾筒轉速達到 700r/min 時，對應的籽粒最小損失率為 5.15% ，當脫粒滾筒轉速 gt;900r/min 時，相應的籽粒損失率明顯上升。由此推斷，脫粒滾筒轉速與含雜率成正比，并非油菜收割機脫粒滾筒轉速越小則含雜率越理想。

1.2.2 振動頻率

確定脫粒滾筒轉速為 800r/min 、喂入量 1kg/s ，取最大振動頻率 9Hz 、最小振動頻率 3Hz ，仿真實驗頻次為 1Hz/ 次，對不同振動頻率下尾部籽粒和底部秸稈質量進行分析。表2為不同振動頻率下尾部籽粒和底部秸稈質量。

分析油菜收割機脫粒滾筒振動頻率對籽粒損失率與含雜率的影響發現，成功脫粒秸稈的籽粒沿機殼壁面運動至凹板篩內表面，當凹板篩處于低振動頻率的狀態下，籽粒難以通過凹板篩進入底部，增加損失率。當振動頻率達到 5Hz 后，含雜率伴隨振動頻率的增加呈現下降趨勢，而振動頻率 lt;5Hz 的情況下，凹板篩處理能力下降，對篩選頻率造成影響，由此可見油菜收割機振動頻率不可過低。

2油菜收割機脫粒分離裝置的優化設計

2.1 螺旋頭設計

研究中以脫粒滾筒與油菜相對位置不同為依據，設置喂入方式包括平喂上脫、倒掛側脫、平喂下脫。

研究中脫粒裝置為夾持式，油菜莖部在夾持裝置的作用下被夾緊，沿著脫粒滾筒軸向進行勻速運動，在此期間完成脫粒。凹板篩對籽粒、碎草、殘穗分離，排稿輪向后排出秸稈。脫粒滾筒軸向前端為喂入部分，雜亂的油菜在螺旋喂入頭的作用下被運送至疏整段，同時油菜向螺旋脫粒段方向移動。為最大限度增強油菜穗的輸送效果、喂入流暢程度，研究中使用傳統的螺旋喂入頭，分析喂入角 a 對油菜穗喂入速度的影響。圖1為螺旋喂入頭結構圖示。

分析圖1發現，當喂入螺旋頭旋轉角速度為 ω 的情況下，相應的O點籽粒速度為 V₀ ，可將其方向進一步分解為沿螺旋葉片轉動后、沿脫粒滾筒軸向移動。任意螺旋半徑r上O點的籽粒，以O為圓心、 x 軸、y軸為方向構建坐標系。沿原點O圓周切線的方向即籽粒速度方向，相應的喂入螺旋頭運動速度 V_R 與經過0點的螺旋線處于平行關系，對 V_n 進行分解后得到沿 x 軸方向的輸送速度 V_z? 沿y軸方向的攪動速度 V_t?V 計算公式（3）所示。

V₀=ωr

式（3中， r 為籽粒旋轉運動半徑。

2.2 脫粒元件的選擇與布局

此次研究中以脫粒滾筒不同部位的脫粒要求為依據，將其分為疏整區、脫粒區、排稿區，其中主要脫粒元件包括釘齒式、紋桿式、板齒式、楔形齒式、弓齒式等。

將圓柱釘齒作為梳整齒，使厚度較大的作物層變薄，使籽粒分粒效果得到優化提升。圓柱釘齒具有理想的籽粒抓取、擊打能力，可快速分離籽粒，整體脫凈率相對較高。圓柱釘齒后傾角最大角度為 15^° 、最小角度為 10^° ，能有效避免掛草。沿軸線斜向安裝圓柱釘齒，有助于提升其軸向作物輸送能力水平。選取的收割機脫粒滾筒中的圓柱釘齒，占據整個滾筒長度的15% 。計算圓柱釘齒脫粒滾筒長度如公式（4所示。

式（4中， Δl 為邊齒與脫粒滾筒端的間距，取值15mm ·a 為齒跡距，取值 25mm ；z為滾筒上圓柱釘齒總數，取值12個； k 為螺旋頭數，取值3個。代入數值計算得到 L₁=100mm ○

3油菜收割機脫粒分離裝置的性能對比

3.1滾筒轉速對脫粒性能影響分析

采用EDEM分析滾筒轉速不同的情況下，油菜損失率、含雜率，得到尾部籽粒與底部秸稈質量。表3為不同滾筒轉速下尾部籽粒和底部秸稈質量。分析滾筒轉速對損失率的影響發現，滾筒轉速為 700r/min 的情況下，夾帶損失率最小值為 4.5% ，伴隨轉速的逐漸增加，相應的滾筒轉速對損失率的影響不明顯、含雜率增加。滾筒處于低速轉動的狀態下，對秸稈的打擊力度相對較小，秸稈破損、從凹板篩上掉落的難度較大，含雜率明顯下降；隨著轉速的增大，相應的秸稈破碎程度也在增加，底部秸稈質量增大，導致含雜率上升。

盡管優化后脫粒滾筒脫粒性能相比弓齒式脫粒滾筒有所下降、損失率下降，在 700r/min 下旋轉時的損失率為 0.62% 、含雜率下降最大幅度為 3.43% 、最小值為 0.27% ，但伴隨轉速的逐漸增大，優化后脫粒滾筒脫粒性能未發生顯著變化，而弓齒式脫粒滾筒性能變化相對顯著，充分說明優化后脫粒滾筒脫粒性能相比弓齒式脫粒滾筒更加理想。

3.2 喂入量對脫粒性能影響分析

將不同喂入量下尾部籽粒與底部秸稈質量的尾部籽粒數量、尾部籽粒重量、損失率、底部秸稈數量、底部秸稈重量、含雜率進行對比，具體見表4。

優化后脫粒滾筒在轉速、振動頻率一致的情況下，伴隨喂入量的增加，相應的脫粒性能損失率、含雜率上升，弓齒式脫粒滾筒喂食量在 0.8～1.2kg/s 的情況下無大幅度變化，且優化后脫粒滾筒整體性能增加幅度穩定，最大脫粒性能損失幅度 2.54% 、最小脫粒性能損失幅度 0.06% ，含雜率下降最大幅度 2.77% 、最小幅度 0.06% ，進一步說明優化后脫粒滾筒性能相比弓齒式脫粒滾筒性能更加理想。

3.3振動頻率對脫粒性能影響分析

將不同凹板篩振動頻率下的尾部籽粒數量、尾部籽粒重量、底部秸稈數量、損失率、底部秸稈重量、含雜率進行對比，具體見表5。

當脫粒滾筒與喂入量一致的情況下，優化后脫粒滾筒與弓齒式脫粒滾筒性能變化趨勢一致，而優化后脫粒滾筒脫粒性能相比弓齒式滾筒更低，損失率最大

變化幅度 0.58% 、含雜率最大變化幅度 0.36% ，損失率最大下降幅度 1.51% 、最小下降幅度 0.14% ，含雜率最大下降幅度 1.44% 、最小下降幅度 0.27% ，進一步說明優化后脫粒滾筒性能相比弓齒式脫粒滾筒更加理想。

4結束語

脫粒分離裝置作為油菜收割機的重要組成部分，其性能與油菜脫離損失率、含雜率密切相關。對油菜收割機脫粒分離裝置開展試驗的過程中，在明確試驗指標的基礎上，對相關因素進行了分析，并根據分析結果對脫粒分離裝置進行了優化設計，以此降低了油菜損失率、含雜率。未來，可進一步探索如智能化、自適應調控等先進技術在脫粒分離裝置中的應用，推動油菜收割工作向高效、低損、智能化方向發展。

參考文獻

[1]陳湖演，呂青，付全有.縱向雙軸流谷物聯合收割機脫粒分離裝置的優化設計[J].現代農機，2024（5）：120-123.

[2]李子康，張璠，滕桂法，等.基于深度強化學習的收割機省內協同調度優化策略[J].農業工程學報，2024，40（14）：23-32.

[3]張小凡.聯合收割機故障診斷優化技術研究[J].農業機械，2024（6）：71-73.