油菜后鋪式割曬裝置的設計

劉科，謝方平,2*，任述光,2，劉大為，李旭，盧偉

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410128)

目前，油菜機收面積僅占油菜種植面積的5%～10%[1–2]。油菜分段收獲與聯(lián)合收獲相比，有收獲時間提前、及早騰地、適應性強、總損失少、產(chǎn)量高、菜籽品質好的特點[3–5]。割曬是油菜分段收獲的首要環(huán)節(jié)，是指將油菜莖稈割斷后經(jīng)輸送鋪放在田間攤曬的過程。由于現(xiàn)有的油菜割曬機由水稻割曬機改進而來[6–7]，并未針對油菜收獲而專門設計，因而在收獲過程中出現(xiàn)莖稈纏繞、輸送不暢、鋪放不整齊等問題。另外，由于割曬后油菜莖稈大多采用側向鋪放，需側邊留有空地才能鋪放整齊，但南方丘陵田塊均有一定的高度差，首行收割后， 無處鋪放，導致莖稈鋪放無序或還需人工移送，費時費力。針對這些問題，筆者設計了一種后鋪式油菜割曬裝置，以適應南方丘陵田塊油菜割曬，現(xiàn)將結果報道如下。

1 油菜后鋪動力學分析

油菜鋪條是莖稈從輸送帶上排禾口拋送出去而形成的。油菜莖稈進入割臺后，受切割器的切割作用和撥禾輪的推送作用倒向割臺，在輸送鏈與輸送帶的作用下，莖稈的輸送會有2 種情況，如圖1所示，箭頭表示莖稈的運動方向。割臺中間部分的油菜莖稈直接鋪放在輸送帶上，向后輸送；兩側的則斜靠在橫導向擋板上并與輸送鏈接觸，受到撥齒的橫向作用而向中間運動，最終鋪放到輸送帶上。

圖1 割臺油菜莖稈的運移過程 Fig.1 The diagram of rape stem moving on the header

在兩導向擋板連接處，莖稈落到輸送帶后會形成偏移角1? ，且1? 在后續(xù)輸送中會逐漸變小。假定莖稈所受作用力向質心簡化，莖稈從輸送鏈撥齒上滑落，其受力如圖2 所示。

圖2 油菜莖稈受力分析 Fig.2 Sketch of force analysis to rape plants

油菜植株質心在離莖稈底部的2/3 處，則莖稈底端處受到的合力矩為：

式中：F1為輸送帶和下層輸送鏈撥齒對莖稈的作用力；F2為導向擋板對莖稈的擠壓力；F3為一側莖稈的擠壓力；L 為被切割后莖稈高度；M(F)為莖稈底端所受的力對莖稈的力矩。

當莖稈末端經(jīng)過橫導向擋板后，認定轉角不再改變，此過程運動時間( vs為輸送帶速度)。莖稈在移動過程中，受力矩作用發(fā)生轉動，有平面運動微分方程

式中：t 為莖稈移動1l 所用的時間；φ 為莖稈在輸送帶上的轉角；J 為轉動慣量。

根據(jù)式(1)和式(2)，在t 時間內(nèi)積分可得

由于莖稈主要受輸送帶與輸送鏈撥齒力作用，?2＜0，而莖稈的最終偏移角為?1+ ?2，因此割臺兩側莖稈形成鋪條后的偏移角較小，不影響整個鋪條的鋪放質量。

2 割曬裝置結構及工作原理

油菜割曬裝置由機架、分禾裝置、撥禾輪、切割器和輸送裝置等組成，其結構如圖3 所示。

圖3 割曬裝置結構 Fig.3 Structural diagram of rape windrower device

工作時，油菜莖稈在撥禾輪的作用下被推向割臺，經(jīng)往復式切割器割斷。割臺中間部分的油菜莖稈直接倒在輸送帶上，而在割臺兩側的油菜莖稈則依靠橫導向擋板，由帶撥齒的輸送鏈送往割臺中間，撥齒轉向過程中，由于離心力作用，莖稈從撥齒上滑落，鋪放在輸送帶上，由縱導向擋板引導，在輸送帶和帶撥齒的輸送鏈的共同作用下被運送出，并形成鋪條。

3 主要工作部件的設計

3.1 撥禾輪

撥禾輪割幅為2 m，旋轉半徑為0.5 m，撥齒為20 cm 長的M 型弧線形短齒。

撥禾輪中心位置通過撥禾輪中心到切割器的垂直高度和水平距離確定。根據(jù)徐虎泉等[8]的設計可知，半徑為500 mm 的撥禾輪，其中心距離地面高度要求不小于1 100 mm，以便使油菜莖稈向割臺倒伏。由于油菜莖稈有較強的韌性，撥禾輪位置越低對油菜莖稈的作用力越大，莖稈的彎曲程度也越大，使得莖稈會產(chǎn)生一定的回彈，對油菜鋪放有較大的影響；同時撥齒插入太深，減弱了撥齒的梳刷效果，使莖稈更容易纏繞在撥禾輪上，因此，在能滿足莖稈鋪放的情況下，撥禾輪中心距離地面高度設計為1 250～1 650 mm 可調，水平距離取值0～240 mm。

根據(jù)現(xiàn)有割曬機作業(yè)速度[9–10]，前進速度Vm取0.45～0.75 m/s，通過計算，撥禾輪轉速為10～18 r/min。

3.2 輸送裝置

輸送裝置包括帶撥齒輸送鏈和中間輸送帶。輸送鏈主要由撥齒和帶耳的雙節(jié)距鏈條組成，設計的撥齒長150 mm，寬為16 mm，其結構如圖4 所示。

圖4 輸送鏈局部結構 Fig.4 Structural diagram of a part conveyor chain

撥齒的頂端設計為弧線形，便于莖稈與撥齒分離。為確保輸送平穩(wěn)，設計中采用上、下雙層輸送鏈，下層輸送鏈離輸送帶表面高度為260 mm，上層輸送鏈為750 mm。為保證莖稈鋪放的整齊度，減少輸送過程中莖稈間的相對移動，輸送鏈的速度應與輸送帶的速度一致。輸送帶為帶凹槽的橡膠帶，寬800 mm。

3.3 分離器

輸送鏈到達排禾口完成輸送時需要轉向，轉向中，輸送鏈撥齒與縱導向板之間的夾角小于90°，并漸漸變小。為使油菜莖不造成卡滯，在導向擋板上輸送鏈下方10 mm 處安裝了分離器。分離器縱向長460 mm，截面寬30 mm，與導向擋板夾角約為22°。當油菜莖稈向末端輸送時，分離器將油菜莖稈向后輸送的同時也向輸送帶中間移動，使莖稈與撥齒分離，從而將莖稈與撥齒在轉向處分離，同時減少與導向擋板的接觸，便于油菜莖稈拋送出去，獲得更好的鋪放質量。

4 驗證試驗

4.1 材料

供試油菜品種為高油酸753，油菜直播。采用五點取樣法，所取油菜的平均株高為159 cm，莖稈在離地高30 cm 處的平均直徑為1.47 cm。

4.2 試驗方法與評價指標

于2014年5月，采集油菜莖稈。將油菜莖稈依次安插在6 m×2 m 臺車上，按照株距為18 cm、行距27 cm 排列(模擬田間種植密度)，試驗方案見表1(輸送鏈速度與輸送帶速度一致，統(tǒng)一用輸送速度表示)，每組試驗進行5次，結果取平均值?？疾煊筒溯斔瓦^程中是否堵塞、鋪條的鋪放厚度、莖稈的鋪放角度。

表1 割曬裝置的試驗參數(shù) Table 1 Test parameters of rape windrower device

4.3 試驗結果

4組試驗參數(shù)下，油菜莖稈在切割輸送過程中未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，并且整齊地向后輸送，鋪放成條狀。在撥禾輪轉速為15 r/min，輸送速度為1.05 m/s，前進速度為0.65 m/s 的情況下，測得莖稈的平均鋪放角為24.4°，平均鋪放厚度為53.5 cm，平均鋪條寬度為95.4 cm。

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