新型斜置切縱流聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置

李　磊，李耀明

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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新型斜置切縱流聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置

李磊，李耀明

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：為滿足我國現(xiàn)階段高產(chǎn)水稻的高效收獲要求，提出了一種喂入量為7～9kg的履帶式新型斜置切縱流雙滾筒聯(lián)合收獲機(jī)的總體配置方案，論述了斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置中切流脫粒滾筒、切流凹板篩、錐形螺旋過渡喂入裝置、斜置縱軸流滾筒和縱軸流凹板篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了各個(gè)工作部件的工作參數(shù)。田間試驗(yàn)表明：該裝置在收獲水稻喂入量為8.57kg/s時(shí)，脫粒損失率為0.79%，籽粒破碎率為0.1%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，在喂入量增大時(shí)，該裝置各工作部件功耗較為平穩(wěn)，適應(yīng)性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收獲機(jī)；斜置切縱流；喂入量；水稻

0引言

水稻種植在我國糧食種植中占有極其重要的地位，年產(chǎn)量達(dá)1.6億t，占世界總產(chǎn)量34%，2012年末我國水稻機(jī)械化收獲水平達(dá)到69.32%[1-2]。隨著水稻種植面積的不斷擴(kuò)大、產(chǎn)量的提高及高產(chǎn)水稻的普及，要求聯(lián)合收獲機(jī)在保證良好性能的前提下向高效、大喂入量方向發(fā)展, 以提高生產(chǎn)效率，這對聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)性能和作業(yè)效率提出了更高的要求[3-4]。

目前，我國大部分水稻聯(lián)合收獲采用喂入量為3～5kg/s的履帶式全喂入水稻聯(lián)合收獲機(jī)。傳統(tǒng)全喂入式橫軸流聯(lián)合收獲機(jī)受機(jī)器橫向空間尺寸的制約，其核心工作部件脫粒分離、清選裝置的能力明顯受到限制[5-6]，已無法滿足我國現(xiàn)階段農(nóng)作物聯(lián)合收獲的發(fā)展需求。近幾年研制出的全喂入式切縱流聯(lián)合收獲機(jī)采用切流與水平放置的縱軸流組合式脫粒分離技術(shù)，脫粒行程長、分離面積大，可以在不增大機(jī)體體積的情況下提高生產(chǎn)率，且脫凈率高、破碎率低，對潮濕作物適應(yīng)性好[7-8]；但當(dāng)喂入量增大時(shí)會(huì)出現(xiàn)喂入不順暢及堵塞現(xiàn)象，且受高度空間的限制，清選空間相對較小，當(dāng)喂入量增大時(shí)清選負(fù)荷增大，清選損失率大幅增加，功耗變大，作業(yè)效率明顯下降。

為此，通過對傳統(tǒng)切縱流結(jié)構(gòu)與國外大型軸流脫粒分離結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析研究，結(jié)合我國現(xiàn)階段水稻收獲需求，設(shè)計(jì)了一種喂入量為7～9kg的新型斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置，并配置相應(yīng)的高效清選裝置、底盤行走裝置及糧箱等，進(jìn)行田間性能試驗(yàn)。

1斜置切縱流聯(lián)合收獲試驗(yàn)車結(jié)構(gòu)與配置

針對南方地區(qū)復(fù)雜的農(nóng)作物收獲工作環(huán)境，將斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置安裝到履帶式斜置切縱流田間聯(lián)合收獲試驗(yàn)車上。該試驗(yàn)車主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、履帶式行走底盤、割臺(tái)、輸送槽、脫粒分離裝置、清選裝置、糧箱及控制操縱系統(tǒng)等組成。整個(gè)試驗(yàn)車的布局方式如圖1所示。其中，輸送槽、脫粒分離清選裝置和秸稈粉碎裝置依次首尾連接，呈同一中心對稱分布，位于底盤行走裝置左側(cè)；駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、糧箱依次安裝于底盤行走裝置的右側(cè)；另外，在各工作部件上均裝有扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器，對其功耗進(jìn)行采集。

1.割臺(tái)　2.輸送槽　3.變速箱　4.發(fā)動(dòng)機(jī)

2新型斜置切縱流脫粒分離裝置設(shè)計(jì)

新型斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置主要由切流脫粒分離裝置、錐形螺旋過渡喂入裝置和斜置縱軸流脫粒分離裝置組成，如圖2和圖3所示。其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：由切流滾筒進(jìn)行脫粒，負(fù)責(zé)完成70%以上的易脫、易分離籽粒的脫粒任務(wù)，剩余難脫、難分離的部分進(jìn)入傾斜6°縱向布置的縱軸流分離滾筒；與以往水平放置的縱軸流滾筒不同，斜置6°的縱軸流滾筒復(fù)脫分離的行程更長、分離效果更好，同時(shí)增大了縱軸流下方的清選體積；在充足的脫粒分離時(shí)間和脫粒分離面積下，谷物被完全有效地復(fù)脫和分離。過渡喂入口連接結(jié)構(gòu)采用錐形螺旋過渡喂入裝置，合理利用錐形螺旋喂入頭的結(jié)構(gòu)，解決了物料從切流滾筒到斜置縱軸流滾筒轉(zhuǎn)換時(shí)作物物流轉(zhuǎn)向角度大、容易發(fā)生堵塞的技術(shù)難題，從而保證了作物流的連續(xù)性、均勻性，實(shí)現(xiàn)了作物平滑、順暢、低損傷的換向過渡，大大降低了收割機(jī)無效功率消耗。

1.切流頂蓋　2.切流滾筒　3.切流凹板篩　4.錐形螺旋喂入頭

2.1切流脫粒分離裝置設(shè)計(jì)

切流脫粒分離裝置主要由切流頂蓋、切流滾筒和切流凹板篩組成，如圖3所示。收獲時(shí)，物料由輸送槽喂入到切流滾筒內(nèi)，在高速旋轉(zhuǎn)的切流滾筒與切流凹板篩的共同作用下，物料受到梳刷、沖擊等作用力進(jìn)行初脫和初分離，易脫和易分離的籽粒通過凹板篩孔落到振動(dòng)篩上；剩下未脫粒的物料和難脫粒的籽粒在高速旋轉(zhuǎn)的切流滾筒作用下，沿著切流滾筒的切線方向進(jìn)入到錐形螺旋喂入裝置內(nèi)進(jìn)行過渡換向，在螺旋葉片的作用下進(jìn)入斜置縱軸流滾筒。

1.切流頂蓋　2.切流滾筒　3.切流凹板篩

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，切流滾筒一般采用釘齒式滾筒，如圖4所示。釘齒滾筒特點(diǎn)是抓取能力強(qiáng)、脫粒能力及對不均勻喂入適應(yīng)能力均較強(qiáng)，對潮濕作物的適應(yīng)性較好。切流滾筒釘齒的總數(shù)量Nq取決于脫粒裝置的生產(chǎn)效率[9]，則

(1)

式中δ—試驗(yàn)作物的谷草比，根據(jù)實(shí)際田間試驗(yàn)作物取δ=0. 65；

q—喂入量，取設(shè)計(jì)要求喂入量7～9kg/s的80%；

qd—單個(gè)釘齒脫粒能力，取qd=0.04kg/s。

由公式(1)進(jìn)行計(jì)算，可以得到釘齒數(shù)量應(yīng)大于等于62。綜合考慮輸送槽喂入口的寬度和脫粒機(jī)架的寬度，取釘齒的數(shù)量為69。

計(jì)算切流釘齒滾筒的長度Lq[10]，即

(2)

式中aq—切流滾筒釘齒齒跡距，取aq=35mm；

Kq—切流滾筒釘齒螺旋頭數(shù)，取Kq=3；

Δlq—切流滾筒齒桿端部距最外釘齒的距離，取Δlq=15mm。

將已知參數(shù)代入到公式(2)，計(jì)算得出切流滾筒長度取整為800mm。同時(shí)，綜合考慮切流滾筒釘齒數(shù)量及切流滾筒長度采取合理的釘齒排列方式，在圓周上分別均勻分布6跟齒桿，在每根齒桿上平均分配11～12個(gè)釘齒。

切流滾筒的直徑Dq[10]與轉(zhuǎn)速nq[9]為

(3)

式中Dqg—滾筒齒桿根部的直徑，一般大于300mm[10]；

h—切流滾筒釘齒的高度，根據(jù)試驗(yàn)要求取h=70mm；

Vg—切流脫粒滾筒的線速度，一般易脫水稻取Vg=18～22m/s[9]。

將已知參數(shù)代入上述兩個(gè)公式中，計(jì)算得出結(jié)果。綜合考慮計(jì)算結(jié)果、脫粒滾筒常用的直徑系列及傳統(tǒng)機(jī)型的滾筒直徑，得到切流滾筒直徑取550mm，切流滾筒的轉(zhuǎn)速取值范圍為726～862r/min，在大喂入量的要求下取862r/min。

切流凹板篩的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.喂入平板　2.柵格凹版　3.沖孔弧形交接板

切流凹板篩采用喂入平板、柵格和沖孔弧形交接板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。物料通過喂入平板進(jìn)入切流滾筒，柵格式的凹板可以起到初脫粒、初分離的作用。工作時(shí)，先脫下來易脫的籽粒，并進(jìn)行初脫分離，以減少籽粒破損率，其余脫出物則由弧形交接板進(jìn)入到斜置縱軸流滾筒進(jìn)行復(fù)脫。

釘齒式脫粒滾筒凹板篩的最小凹板弧長lm[11]為

(4)

式中k—分離系數(shù)，釘齒式滾筒取k=2.81m-1；

u—脫粒系數(shù)，釘齒式滾筒取u=2.81m-1。

對于釘齒型滾筒，可以算出最小的切流滾筒凹板弧長為676.67mm。通過最小切流凹板篩凹板弧長、切流滾筒直徑和長度可以算出最小的切流滾筒凹板包角為61.3°；再根據(jù)切流凹版篩所采用的結(jié)構(gòu)及所處位置關(guān)系對切流脫粒滾筒凹板篩包角取為67°；沖孔弧形交接板沿著凹板切線安裝，并確定其脫粒間隙為26mm。

2.2錐形螺旋過渡喂入裝置設(shè)計(jì)

錐形螺旋過渡喂入裝置由錐形螺旋喂入頭及上下錐形導(dǎo)流罩組成，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)的作用是將由切流滾筒拋出的物料快速換向，并由螺旋葉片推送到斜置縱軸流滾筒，沿著斜置縱軸流滾筒的軸線做螺旋運(yùn)動(dòng)，保證物料輸送的連續(xù)性和均勻性。

1.上錐形導(dǎo)流罩　2.錐形螺旋喂入頭　3.下錐形導(dǎo)流罩

錐形螺旋頭是由兩片錐形螺旋葉片180°均布焊接在錐形頭上，并合理利用錐形螺旋喂入頭，配置倒錐形的導(dǎo)流罩形成封閉的喂入空間。裝置工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片與倒錐形的導(dǎo)流罩配合形成較強(qiáng)的氣流，增強(qiáng)了作物的低損傷輸送能力，提高了整機(jī)的輸送能力。

2.3斜置縱軸流脫粒分離裝置設(shè)計(jì)

斜置縱軸流脫粒分離裝置由縱軸流頂蓋、錐形螺旋喂入頭、斜置釘齒式縱軸流滾筒和縱軸流凹板篩組成，如圖7所示。作物由斜置縱軸流滾筒的錐形螺旋喂入頭推送到斜置縱軸流滾筒內(nèi)，受到縱軸流滾筒和縱軸流凹板篩的作用進(jìn)行復(fù)脫分離，并且在頂蓋導(dǎo)向板的作用下向排草口作螺旋運(yùn)動(dòng)；最后，剩余的莖稈、雜余及夾帶的少量的籽粒由排草口排到機(jī)外。

1.錐形螺旋喂入頭　2.下錐形導(dǎo)流罩

縱軸流滾筒脫粒元件同樣采用釘齒(見圖8)，需要對剩余40%～60%的籽粒進(jìn)行復(fù)脫分離。根據(jù)軸流脫粒分離裝置的分離模型[7]來確定縱軸流滾筒長度，則有

(5)

式中α—在凹板篩內(nèi)沿著滾筒軸向取任意一段距離內(nèi)發(fā)生脫粒的概率，與其中未被脫籽粒量的比例關(guān)系；

β—在凹板篩內(nèi)沿著滾筒軸向取任意一段距離內(nèi)籽粒從凹板篩分離的概率，與未分離籽粒量的比例關(guān)系；

x—滾筒軸向位置(m)；

Lz—縱軸流滾筒的長度(m)。

試驗(yàn)證明[8]：當(dāng)x=Lz時(shí)，籽粒脫粒分離率最高；通過計(jì)算得到滾筒長度1 806.4mm時(shí)，籽粒分離率為98%左右；再結(jié)合脫粒機(jī)架的長度要求，對縱軸流滾筒的長度取值為1 800mm。

縱軸流釘齒滾筒的直徑Dq[10]與轉(zhuǎn)速nq[9]為

(6)

式中Dqg—滾筒齒桿根部的直徑，一般大于300mm[10]；

h—縱軸流滾筒釘齒的高度，根據(jù)試驗(yàn)要求取h=75mm；

Vg—縱軸流脫粒滾筒的線速度，一般難脫水稻取Vg=22～26m/s[9]。

將已知參數(shù)代入上述兩個(gè)公式中，計(jì)算得出結(jié)果?？紤]到縱軸流滾筒采用傾斜6°的縱向布置，在寬度方向不受限制，同時(shí)為了增大分離面積，將縱軸流滾筒直徑取值為650mm，并得出縱軸流滾筒的轉(zhuǎn)速取值范圍為679～806r/min，在大喂入量的要求下取806r/min，凹板間隙取14mm。

1.錐形喂入頭　2.縱軸流滾筒

2.4過渡交接口結(jié)構(gòu)

通過切流凹版篩的沖孔弧形交接板與下錐形導(dǎo)流罩相結(jié)合(見圖9)，合理地解決物料從切流到斜置縱軸流換向時(shí)物流轉(zhuǎn)向角度大、容易發(fā)生堵塞的難題；同時(shí)，在螺旋葉片形成的負(fù)壓吸運(yùn)作用下保證了作物低損傷輸送，實(shí)現(xiàn)作物平滑、順暢地?fù)Q向過渡。

圖9　過渡喂入交接口三維結(jié)構(gòu)圖

3田間試驗(yàn)

2014年11月，在江蘇靖江對履帶式斜置切縱流聯(lián)合收獲試驗(yàn)車進(jìn)行田間性能檢測。為減少田間收獲環(huán)境帶來的誤差影響，盡量選擇土地平整、水稻長勢較均勻的田塊。測定試驗(yàn)水稻的基本特性參數(shù)如表1所示。

表1　試驗(yàn)水稻基本特性參數(shù)

該田間試驗(yàn)的方案為：通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)車的前進(jìn)速度來調(diào)整喂入量，并對脫粒損失率及功耗進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出在該參數(shù)配置下該裝置在滿足脫粒分離性能下的喂入量。試驗(yàn)前,量取寬為2.5m、長為25m的水稻田塊，并用4根標(biāo)桿(中間兩個(gè)標(biāo)桿距離為10m)做好標(biāo)記；聯(lián)合收獲試驗(yàn)車停在距離測量好的田塊后方5m處(留有一定的啟動(dòng)距離)。試驗(yàn)車收獲時(shí)，割茬為20mm，記錄速度較平穩(wěn)的中間10m段的時(shí)間；跑完試驗(yàn)距離后，清空糧箱里的糧食并稱重得到籽粒質(zhì)量，同時(shí)收集試驗(yàn)車后方油布上試驗(yàn)距離段滾筒排草口的脫出物并稱重得出脫出物總質(zhì)量。通過這兩個(gè)質(zhì)量之和及行駛速度，計(jì)算出該試驗(yàn)車的實(shí)際田間喂入量q。計(jì)算公式為

(7)

式中W—田間實(shí)際割幅，W=2.5m；

m—收獲后糧箱里糧食的質(zhì)量(kg)；

n—收獲后滾筒排草口脫出物總質(zhì)量(kg)；

t—收獲中速度平穩(wěn)段10m所用的時(shí)間(s)。

通過人工對所接的糧箱籽粒和脫出物進(jìn)行清選，得到破碎率、含雜率和脫粒損失率。通過分析扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)，得到在不同前進(jìn)速度收獲時(shí)各工作部件的功耗情況。為了減少偶然因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，每一種參數(shù)重復(fù)做3次，結(jié)果取其平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　不同喂入量的脫粒分離試驗(yàn)結(jié)果

由表2得出：隨著前進(jìn)速度的增加，喂入量同時(shí)增大，收獲效率隨之提高，切流滾筒和斜置縱軸流滾筒功耗逐漸增大，脫粒損失率同時(shí)增大；當(dāng)喂入量達(dá)到8.57kg/s時(shí)，脫粒損失率為0.79%，籽粒破碎率為0.3%，含雜率為0.8%，滿足了喂入量為7～9kg/s的設(shè)計(jì)要求；當(dāng)喂入量繼續(xù)增大時(shí)，工作部件功耗較為平穩(wěn)，并未發(fā)生堵塞情況，說明裝置的適應(yīng)性較好；當(dāng)前進(jìn)速度達(dá)到1.36m/s時(shí)，切割器跟不上前進(jìn)速度，漏割較為嚴(yán)重，收割損失增大，脫粒損失較大。

4結(jié)論

1)提出了一種喂入量為7～9kg/s的履帶式斜置切縱流聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作參數(shù)配置方案，可以滿足我國現(xiàn)階段高產(chǎn)水稻大喂入量、高效率的收獲要求。

2)對斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，在過渡交接段采用錐形螺旋喂入裝置，增強(qiáng)輸送喂入能力，并確定了其工作部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工作參數(shù)：切流滾筒轉(zhuǎn)速862r/min、切流脫粒凹版間隙26mm、斜置縱軸流滾筒轉(zhuǎn)速806r/min、縱軸流凹板間隙15mm。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)喂入量達(dá)到8.57kg/s時(shí)，脫粒損失率為0.79%，籽粒破碎率為0.3%，含雜率為0.8%，滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)喂入量繼續(xù)增大時(shí)，工作部件功耗較為平穩(wěn)，并未發(fā)生堵塞情況，說明裝置的適應(yīng)性較好。

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A Combinational Threshing and Separating Unit of ObliqueTangential-longitudinal Combine

Li Lei, Li Yaoming

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：With the development of rice harvesting with large scale in China，high-efficiency of combine is more and more important. In order to satisfy the urgent demand of high-efficiency combine，the overall structure of a new crawler-type combine with a feed rate of 7～9kg/s was proposed and the combinational threshing and separating unit of oblique tangential-longitudinal combine was designed. The design focused on the designing process of structural and operational parameters of tansverse tangential cylinder tangential concave,conical spiral transition device,axial rotor and concave. And determine the working parameters.Field test showed that the total loss was 0.79% , the damage rate was 0.3% and the impurity content was 0.8% ,when the feed rate was 8.57kg/s，which met the demands of the design．

Key words：combine harvester; oblique tangential-longitudinal; feeding rate; rice

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0084-06

中圖分類號(hào)：S225.4；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：李磊(1991-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，(E-mail)shuaileo3071101011@126.com。通訊作者：李耀明(1959-)，男，江蘇張家港人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)ymli@ujs.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(2012AA10A502)

收稿日期：2015-03-30