油菜聯(lián)合收獲機(jī)集成式縱軸流脫離裝置設(shè)計與試驗(yàn)

李海同 萬星宇 王 華 蔣亞軍 廖慶喜,2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心， 長沙 410128)

油菜聯(lián)合收獲機(jī)集成式縱軸流脫離裝置設(shè)計與試驗(yàn)

李海同1萬星宇1王 華1蔣亞軍1廖慶喜1,2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心， 長沙 410128)

針對油菜聯(lián)合收獲機(jī)鏈耙式輸送器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸送路程長、存在堵塞的問題，設(shè)計了一種集成式縱軸流脫粒分離裝置，將強(qiáng)制喂入裝置與縱軸流脫粒分離裝置合二為一，二者呈“T”字形垂直排布，取代傳統(tǒng)的鏈耙式輸送器，依靠強(qiáng)制喂入裝置和縱軸流脫粒分離裝置實(shí)現(xiàn)油菜輸送、抓取、脫粒分離功能。依據(jù)集成式縱軸流脫粒分離裝置的工作過程，確定了強(qiáng)制喂入輪和縱軸流脫粒滾筒直徑和轉(zhuǎn)速等主要參數(shù)。試驗(yàn)表明，喂入量為2.0 kg/s，強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速在300～450 r/min時，該裝置脫粒油菜的夾帶損失率低于1.31%；強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速為400 r/min、喂入量在1.0～2.5 kg/s時，夾帶損失率低于1.18%，符合油菜脫粒分離裝置的設(shè)計指標(biāo)。田間試驗(yàn)表明集成式縱軸流脫粒分離裝置可適應(yīng)油菜聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)物料由割臺至脫粒分離裝置的均勻連續(xù)輸送和脫粒分離功能。

油菜； 聯(lián)合收獲機(jī)； 集成式縱軸流脫粒分離裝置； 強(qiáng)制喂入裝置； 試驗(yàn)

引言

脫粒分離是油菜聯(lián)合收獲過程中的重要環(huán)節(jié)之一，脫粒分離裝置的脫離性能直接影響油菜聯(lián)合收獲機(jī)的損失率[1-2]。

與稻麥聯(lián)合收獲機(jī)類似，油菜聯(lián)合收獲機(jī)主要包括割臺、中間輸送裝置、脫粒分離裝置及清選裝置等部件，可一次性完成油菜切割、脫粒分離及清選等收獲環(huán)節(jié)[3-5]。脫粒分離裝置是油菜聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵工作部件，為提高脫粒分離裝置的工作性能，一些學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)對聯(lián)合收獲機(jī)上的脫粒分離裝置進(jìn)行了相關(guān)研究[6-11]?，F(xiàn)有油菜聯(lián)合收獲機(jī)的中間輸送裝置大都采用鏈耙式輸送器，其功能是將收割臺上的作物均勻連續(xù)地輸送至脫粒分離裝置內(nèi)。4LYB1-2.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)在割臺與脫粒分離裝置之間設(shè)置鏈耙式輸送器以提高油菜莖稈由割臺至脫粒分離裝置的流動性[12]；4LQZ-6型切縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)在切流脫粒裝置與縱軸流脫粒裝置之間安裝強(qiáng)制喂入裝置，該裝置可有效解決油菜莖稈堵塞問題，實(shí)現(xiàn)了作物的平滑順暢過渡[13]。切縱流雙滾筒脫粒裝置依靠縱軸流脫粒滾筒螺旋喂入頭高速旋轉(zhuǎn)形成的氣流減少作物在過渡區(qū)的滯留時間[14]。

傳統(tǒng)的鏈耙式輸送器可有效實(shí)現(xiàn)作物由割臺至脫粒分離裝置的輸送功能，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸送路程長，收獲莖稈高粗的油菜時易出現(xiàn)堵塞。本文提出一種集成式縱軸流脫粒分離裝置，將強(qiáng)制喂入裝置與縱軸流脫粒裝置集成于一體，依靠強(qiáng)制喂入裝置實(shí)現(xiàn)油菜由割臺至縱軸流脫粒分離裝置的均勻連續(xù)輸送，通過縱軸流脫粒分離裝置實(shí)現(xiàn)油菜的脫粒分離功能，為油菜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 油菜聯(lián)合收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)

自行研制的4LYZ-1.8型集成式縱軸流脫粒分離油菜聯(lián)合收獲機(jī)主要由分體組合式割臺、強(qiáng)制喂入裝置、縱軸流脫粒分離裝置、旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、籽粒輸送器和糧箱等部分組成，其中強(qiáng)制喂入裝置和縱軸流脫粒分離裝置組成集成式縱軸流脫粒分離裝置，如圖1所示。4LYZ-1.8型油菜聯(lián)合收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 集成式縱軸流脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)與工作過程

集成式縱軸流脫粒分離裝置置于割臺后方的物料出口處，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。強(qiáng)制喂入裝置包括喂入底板、喂入輪、喂入蓋板和喂入側(cè)板等，縱軸流脫粒分離裝置包括抓取喂入頭、脫粒滾筒、凹板篩和篩下物輸送器等部件。脫粒滾筒軸與脫粒桿通過輻盤與輪轂連為一體，脫粒元件安裝在脫粒齒桿上，脫粒滾筒和抓取喂入頭同軸安裝而成縱軸流脫粒滾筒，其軸線與強(qiáng)制喂入輪軸呈“T”字形垂直分布，獨(dú)立旋轉(zhuǎn)互不干涉。

圖1 4LYZ-1.8型油菜聯(lián)合收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of 4LYZ-1.8 rape combine harvester1.分體組合式割臺 2.復(fù)合式推運(yùn)器 3.行走系統(tǒng) 4.強(qiáng)制喂入裝置 5.篩下物輸送器 6.縱軸流脫粒分離裝置 7.糧箱 8.旋風(fēng)分離清選系統(tǒng) 9.籽粒提升輸送器 10.駕駛室

表1 油菜聯(lián)合收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of type 4LYZ-1.8 rape combine harvester

圖2 集成式縱軸流脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of integrated longitudinal axial flow threshing and separating device 1.喂入底板 2.喂入支架 3.喂入輪 4.過渡罩殼 5.底板 6.篩下物輸送器 7.凹板篩 8.支撐架 9.上端軸承座 10.液壓驅(qū)動馬達(dá) 11.導(dǎo)向頂蓋 12.縱軸流脫粒滾筒 13.喂入蓋板 14.喂入側(cè)板

工作時，強(qiáng)制喂入裝置依靠喂入輪對物料的推送作用及物料之間的摩擦力將物料由割臺輸送至縱軸流脫粒分離裝置內(nèi)；抓取喂入頭配合過渡罩殼將物料抓取進(jìn)入縱軸流脫粒分離裝置內(nèi)；進(jìn)入脫粒分離空間的物料在縱軸流脫粒滾筒與導(dǎo)向頂蓋軸向推送力作用下沿滾筒軸向運(yùn)動，物料在此過程中受到脫粒滾筒上釘齒的沖擊、梳刷、擠壓等機(jī)械作用而被脫粒，脫出的籽粒及輕雜余在離心力和重力的作用下透過凹板篩進(jìn)入篩下物輸送器并由輸送器收集輸送至后續(xù)清選系統(tǒng)內(nèi)；脫粒后的短莖稈在離心力的作用下經(jīng)底板尾部的排草口排出，完成物料的輸送、抓取、脫粒分離過程。

2 集成式縱軸流脫粒分離裝置關(guān)鍵部件設(shè)計

集成式縱軸流脫粒分離裝置主要由強(qiáng)制喂入裝置、抓取喂入頭和脫粒滾筒等部分組成，其中強(qiáng)制喂入裝置實(shí)現(xiàn)油菜由割臺至脫粒分離裝置過渡的功能，抓取喂入頭和脫粒滾筒實(shí)現(xiàn)油菜抓取、脫粒分離功能，三者為集成式脫粒分離裝置的關(guān)鍵部件。

2.1 強(qiáng)制喂入裝置設(shè)計

強(qiáng)制喂入裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中強(qiáng)制喂入輪為核心部件，由喂入輪軸、套筒和喂入葉片等部件組成，兩套筒套置于強(qiáng)制喂入輪軸上，喂入葉片外邊緣呈鋸齒狀以增強(qiáng)葉片對物料的抓取推送能力，兩組喂入葉片分別周向均勻安裝于套筒外。喂入輪直徑和轉(zhuǎn)速對強(qiáng)制喂入裝置的輸送能力影響較大。

圖3 強(qiáng)制喂入裝置Fig.3 Forced feeding device1.喂入輪軸 2.臥式帶座軸承 3.喂入支架 4.連接軸承座 5.連接軸承 6.喂入底板 7.套筒 8.喂入葉片 9.喂入側(cè)板 10.喂入蓋板

2.1.1 喂入輪直徑

喂入輪安裝于割臺出口處，連接割臺與縱軸流脫粒滾筒，以O(shè)1為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，其安裝位置示意圖如圖4所示。圖中O1為復(fù)合式推運(yùn)器中心點(diǎn)；O2為喂入輪中心點(diǎn)；A為伸縮撥指處于水平位置的點(diǎn)；C為割臺出口處上端點(diǎn)；D為割臺出口處下端點(diǎn)；B為直線O2A與割臺后板的交點(diǎn)；R0為復(fù)合式推運(yùn)器筒體半徑，R0=150 mm；N為葉片對物料的法向推送力，N；R為喂入輪半徑，mm。

圖4 喂入輪安裝位置Fig.4 Position of feeding wheel1.伸縮撥指 2.復(fù)合式推運(yùn)器 3.割臺 4.強(qiáng)制喂入輪 5.抓取喂入頭 6.縱軸流脫粒滾筒

在喂入輪喂入物料過程中假設(shè)物料沒有推力，僅靠喂入輪的摩擦力，為了使物料產(chǎn)生喂入移動，須保證

fcosβ>Nsinθ

(1)

其中

f=μN(yùn)

式中β——直線O2A與豎直方向的夾角，(°)f——葉片對物料的摩擦力，Nμ——喂入輪與葉片的摩擦因數(shù)θ——油菜與螺旋葉片的摩擦角，試驗(yàn)測得θ=27°

因此滿足喂入輪正常輸送葉片的條件為β<θ，則

(2)

式中 x2、y2——O2點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo) xA、yA——A點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)

取θ的最大值27°計算得直線O2A的方程為

y=2.05x-307.5

(3)

已知位于后板上的B點(diǎn)橫坐標(biāo)為170 mm，由此可知B點(diǎn)的坐標(biāo)為(170，235.5)。

強(qiáng)制喂入輪與復(fù)合式推運(yùn)器距離越小，兩者結(jié)構(gòu)越緊湊，輸送莖稈能力較強(qiáng)，因此取y2=yc=200 mm，由直線O2A的方程計算可得O2點(diǎn)的坐標(biāo)為(252，200)。

為防止伸縮撥指拋出的物料被復(fù)合式推運(yùn)器回帶，喂入輪葉片外應(yīng)適當(dāng)深入割臺內(nèi)，因此喂入輪半徑需大于點(diǎn)O2、B之間的距離，即

R>lO2B

(4)

其中

式中xB、yB——B點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)

根據(jù)O2、B點(diǎn)坐標(biāo)計算可得lO2B=89 mm。因此喂入輪半徑R的最小值為Rmin=89 mm。

喂入輪安裝時不可與復(fù)合式推運(yùn)器發(fā)生干涉，依據(jù)復(fù)合式推運(yùn)器的尺寸和喂入輪的安裝位置，其半徑應(yīng)滿足條件

lO1O2>R0+R

(5)

將O1、O2點(diǎn)坐標(biāo)和R0代入式(5)中得喂入輪半徑R的最大值Rmax=172 mm。

綜上計算，喂入輪半徑的取值范圍為89 mm≤R≤172 mm。

增大喂入輪直徑，可有效增大輸送速度、減小油菜莖稈纏繞強(qiáng)制喂入輪的幾率，同時為避免喂入葉片轉(zhuǎn)動時與其他部件干涉，喂入輪半徑設(shè)計為R=127.5 mm。

2.1.2 喂入輪轉(zhuǎn)速

為減少油菜籽粒在強(qiáng)制喂入裝置內(nèi)的脫粒率，在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制喂入輸送和輔助抓取功能的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少喂入輪對油菜果莢的擊打作用，因此喂入輪的線速度vq應(yīng)小于油菜果莢脫粒所需的脫粒元件的速度，參考相關(guān)作物的研究結(jié)果，為6 m/s[15]，故喂入輪轉(zhuǎn)速nq需滿足

(6)

計算可得強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速nq<449.6 r/min。

強(qiáng)制喂入裝置的輸送能力可由單位時間內(nèi)通過截面的物料量計算，選取喂入葉片與喂入底板垂直位置的截面PQRS為研究對象，如圖5所示。

圖5 截面PQRS示意圖Fig.5 Sketch of section PQRS1.喂入底板 2.喂入輪 3.喂入側(cè)板 4.喂入蓋板

此處物料的體積流量為

(7)

式中u——物料沿葉片寬度方向上的速度，m/sSPQRS——截面PQRS的面積，由喂入輪及喂入底板和喂入側(cè)板的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，m2

縱軸流脫粒分離裝置工作時，油菜莖稈在復(fù)合式推運(yùn)器內(nèi)被切斷為短莖稈，在輸送通道內(nèi)連續(xù)流動且油菜莖稈之間存在摩擦力，將其視為莖稈流進(jìn)行計算。類比水流力學(xué)特性[16-17]，其雷諾數(shù)Re為

Re=vr/γ

(8)

式中v——莖稈流的平均速度，m/sr——輸送通道的當(dāng)量半徑，取114.3 mmγ——莖稈流的粘度系數(shù)，取0.001 6 m2/s

由式(8)以最大速度6 m/s計算的莖稈流雷諾數(shù)Re=429<2 300，因此莖稈流的流動類型視為層流。由平板層流邊界層理論[18-20]及氣-固兩相流在管道內(nèi)運(yùn)動時軸向和徑向速度分布規(guī)律[21]可知，與喂入輪接觸的油菜莖稈運(yùn)動速度最大，距軸線越遠(yuǎn)速度越小，靠近喂入底板的油菜莖稈流動速度很小。

依據(jù)上述對輸送通道內(nèi)油菜莖稈流運(yùn)動類型和狀態(tài)的分析作出以下假設(shè)：

(2)由于物料之間相互作用，同一層內(nèi)物料的運(yùn)動速度相等，兩組葉片之間物料的速度視為與同層內(nèi)物料運(yùn)動速度相等，忽略物料橫向混雜對軸向運(yùn)動速度的影響。

(3)油菜莖稈流在進(jìn)出強(qiáng)制喂入裝置的過程中密度基本保持不變。

則截面PQRS處莖稈的體積流量為

(9)

式中z——喂入輪軸線與喂入底板之間距離，mm

通過截面PQRS的流量越大則強(qiáng)制喂入裝置的輸送能力越強(qiáng)，由式(9)可知流量為喂入輪半徑R的二次函數(shù)，對式(9)求導(dǎo)并令dV/dR=0可得流量最大時R的取值為R=z/2。

為防止物料在運(yùn)動過程中堵塞，強(qiáng)制喂入裝置的輸送能力應(yīng)大于油菜在復(fù)合式推送器內(nèi)的流量V0，則

(10)

由式(10)可得強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速nq>286 r/min。

綜上分析，同時滿足式(6)、(10)的喂入輪轉(zhuǎn)速取值范圍為286 r/min

2.2 縱軸流脫粒滾筒設(shè)計

縱軸流脫粒滾筒由抓取喂入頭、脫粒齒桿、脫粒釘齒、脫粒滾筒軸、輻盤和排草板等部件組成，分為抓取喂入段、脫粒段和排草段，如圖6所示。圖中b1為排草板與脫粒段最外端釘齒的距離，mm；b為排草板的長度，mm；b2為排草板與縱軸流脫粒滾筒末端輻盤的距離，mm。其中抓取喂入頭轉(zhuǎn)速以及脫粒滾筒長度、直徑、轉(zhuǎn)速對縱軸流脫粒分離裝置的脫粒性能影響顯著，是縱軸流脫粒分離裝置的主要參數(shù)。

圖6 縱軸流脫粒滾筒結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Sketch of longitudinal axial flow threshing cylinder1.下端軸承 2.下端軸承座 3.抓取喂入頭 4.輻盤 5.脫粒釘齒 6.脫粒齒桿 7.脫粒滾筒軸 8.排草板

2.2.1 抓取喂入頭轉(zhuǎn)速

圖7 抓取喂入頭結(jié)構(gòu)簡圖Fig.7 Sketch of grabbing feeder1.抓取喂入軸 2.錐形筒體 3.螺旋輸送葉片 4.下端軸承 5.下端軸承座

抓取喂入頭由抓取喂入軸、錐形筒體和螺旋輸送葉片等組成，如圖7所示。抓取喂入頭的錐形筒體外焊接有螺旋輸送葉片，與過渡罩殼配合將強(qiáng)制喂入裝置輸送而來的油菜抓取進(jìn)入脫?？臻g內(nèi)，增加油菜莖稈的流動性，防止油菜在此處堵塞。

抓取頭螺旋葉片上一點(diǎn)M處的物料在葉片的法向推送力與摩擦力的作用下向前運(yùn)動，物料受力如圖8所示。

圖8 物料受力分析Fig.8 Force analysis of material

螺旋葉片對物料作用力的合力F與葉片的法向方向偏離了一個角度，大小為物料與葉片摩擦角θ。物料所受合力可分解為x方向的分力Fx和y方向的分力Fy，其大小分別為

(11)

式中α——抓取喂入頭螺旋葉片升角，(°)

欲使物料軸向前移須保證軸向推送力大于軸向阻力，即滿足

Tsinα>Ffcosα

(12)

其中

Ff=Ttanθ

式中T——葉片對物料的法向推力，NFf——物料沿葉片方向的摩擦力，N

由此可得滿足物料沿葉片軸向運(yùn)動條件為α<90°-θ=63°。

當(dāng)螺旋輸送葉片以角速度ω繞抓取喂入軸旋轉(zhuǎn)時，在半徑r處的油菜一方面與螺旋輸送葉片之間發(fā)生相對滑動，另一方面受螺旋輸送葉片作用繞軸線轉(zhuǎn)動。油菜沿軸向運(yùn)動的速度vz為

(13)

式中nz——脫粒滾筒轉(zhuǎn)速，即抓取喂入頭轉(zhuǎn)速，r/min

S——抓取喂入頭螺旋輸送葉片的螺距，S=1 200 mm

為保證抓取喂入頭能有效將強(qiáng)制喂入裝置輸送的油菜抓取進(jìn)入脫粒滾筒內(nèi)而不發(fā)生堵塞，油菜在抓取喂入段內(nèi)的軸向運(yùn)動速度須大于油菜在強(qiáng)制喂入過程中的速度，因此

vz>6 m/s

(14)

由式(13)、(14)可得滿足抓取條件的抓取喂入頭轉(zhuǎn)速nz>555.6 r/min。

2.2.2 抓取喂入頭與喂入輪連接設(shè)計

強(qiáng)制喂入輪與抓取喂入頭通過兩軸承座剛性連接，其結(jié)構(gòu)俯視圖如圖9所示。

圖9 強(qiáng)制喂入輪與抓取喂入頭連接結(jié)構(gòu)簡圖Fig.9 Connection structure diagram of forced feeding wheel and grabbing head1.喂入底板 2.喂入側(cè)板 3.連接軸承 4.喂入輪軸 5.喂入葉片 6.抓取頭下端軸承座 7.螺旋輸送葉片 8.錐形筒體 9.脫粒滾筒

由強(qiáng)制喂入輪的安裝位置可知

l0=2(Δ1+l2+Δ2)+d0

(15)

式中l(wèi)0——兩喂入側(cè)板之間的距離，l0=500 mml2——喂入葉片的長度，mmΔ1——喂入葉片與側(cè)板的間隙，mmΔ2——喂入葉片與抓取頭下端軸承座的間隙，mm

d0——連接軸承座或抓取頭下端軸承座的外徑，d0=130 mm

喂入葉片長度越大，喂入輪的抓取喂入能力越強(qiáng)，但需避免喂入輪轉(zhuǎn)動時與側(cè)板及抓取喂入頭干涉，取Δ1=Δ2=10 mm，由式(15)可得喂入葉片的長度l2=165 mm。

喂入葉片與抓取喂入頭不發(fā)生干涉的約束條件為

w+d0/2>R

(16)

式中w——抓取頭下端軸承座的寬度，mm

可得抓取頭下端軸承座寬度的取值范圍為w>62.5 mm，依據(jù)軸承安裝要求，設(shè)計中w=72.5 mm。

為保證抓取頭將強(qiáng)制喂入裝置輸送的油菜抓取進(jìn)入脫粒分離裝置內(nèi)，須保證一定的抓取輸送空間，錐形筒體應(yīng)滿足的條件為

d0

(17)

式中d1——錐形筒體的小徑，mm

計算可得130 mm

抓取頭的抓取能力與錐形筒體半徑、螺旋葉片高度有關(guān)，適當(dāng)增大錐形筒體的半徑可增加抓取頭的抓取輸送能力，設(shè)計中d1=200 mm。

2.2.3 脫粒滾筒設(shè)計

脫粒滾筒的脫粒元件為釘齒，呈螺旋排列方式安裝于脫粒齒桿上。釘齒排列方式對脫粒性能影響較大，釘齒數(shù)量越多脫凈率越大，但破損率與脫粒功耗隨之增加；螺旋頭數(shù)越多、齒跡距與齒間距越小，則脫凈率越高，但功耗越大，脫粒后莖稈破損程度越嚴(yán)重，將增加后續(xù)清選環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)。因此，設(shè)計中脫粒滾筒釘齒的螺旋頭數(shù)為3，安裝于6根脫粒齒桿上，釘齒排列方式如圖10所示。

圖10 脫粒滾筒釘齒排列方式Fig.10 Arrangement of nail-tooth on axial throw drum

脫粒滾筒脫粒段長度[15]為

(18)

式中a——齒跡距，對油菜脫粒取50 mmZ——脫粒釘齒數(shù)量k——螺旋頭數(shù)，k=3

試驗(yàn)研究表明，縱軸流脫粒滾筒脫粒段長度為1 400 mm時即可將油菜果莢脫粒干凈[22]，為保證脫粒性能，縱軸流脫粒滾筒脫粒段的長度設(shè)計為1 500 mm。由式(18)可得所需的脫粒釘齒個數(shù)為90個。

因此縱軸流脫粒滾筒的總長度為

L=Lt+b1+b+b2=1 500+120+150+80=1 850 mm

(19)

脫粒滾筒直徑Dz[23]為

Dz=D0+2hz

(20)

式中Dz——脫粒滾筒輻盤直徑，設(shè)計中取260 mm

hz——釘齒高度，設(shè)計為75 mm

由此可知縱軸流脫粒滾筒直徑Dz為410 mm。脫粒滾筒轉(zhuǎn)速[15,23]為

(21)

式中vg——縱軸流脫粒滾筒脫粒釘齒的線速度，m/s

對于易脫粒的油菜果莢其線速度參考大豆脫粒的線速度為7～9 m/s[15]，為保證油菜果莢的脫凈率，設(shè)計中脫粒元件的線速度大于10 m/s，則由式(21)可得滿足脫粒條件的流脫粒滾筒轉(zhuǎn)速

nz>466 r/min

(22)

脫粒滾筒與抓取喂入頭同軸安裝，其轉(zhuǎn)速需同時滿足式(14)、(22)，因此縱軸流脫粒滾筒轉(zhuǎn)速nz>556 r/min。

綜合上述分析與設(shè)計，集成式縱軸流脫粒分離裝置的主要參數(shù)如表2所示。

表2 集成式縱軸流脫粒分離裝置主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of integrated longitudinal axial flow threshing and separating device

3 集成式縱軸流脫粒分離裝置試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)方法

室內(nèi)試驗(yàn)在自行研制的4LYZ-1.8型集成式縱軸流脫粒分離油菜聯(lián)合收獲機(jī)上進(jìn)行，如圖11所示。

圖11 集成式縱軸流脫粒分離裝置試驗(yàn)臺架Fig.11 Integrated longitudinal axial flow threshing and separating device test bed 1.輸送帶2.割臺3.強(qiáng)制喂入裝置4.接料袋5.縱軸流脫粒裝置

集成式縱軸流脫粒分離裝置的功能是實(shí)現(xiàn)油菜由割臺過渡至脫粒分離裝置并進(jìn)行脫粒分離，以適應(yīng)油菜聯(lián)合收獲機(jī)收獲作業(yè)的要求。因此，以集成式縱軸流脫粒分離裝置夾帶損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速和喂入量為試驗(yàn)因素開展試驗(yàn)研究。試驗(yàn)油菜品種為華油雜62，種植方式為機(jī)直播，人工收獲后運(yùn)送至試驗(yàn)場地。試驗(yàn)時將試驗(yàn)油菜均勻鋪放于輸送帶上，輸送帶以一定的速度將油菜喂入割臺內(nèi)，割臺將油菜收集并輸送至集成式縱軸流脫粒分離裝置內(nèi)進(jìn)行脫粒分離作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)束后收集縱軸流脫粒分離裝置出料口和排草口處的物料，分別篩分出其中的油菜籽粒并稱量，計算縱軸流脫粒分離裝置的夾帶損失率。

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)時，固定油菜聯(lián)合收獲機(jī)喂入量為2.0 kg/s，調(diào)節(jié)強(qiáng)制喂入輪的轉(zhuǎn)速，得到強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速在300～450 r/min范圍內(nèi)夾帶損失率與強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖12所示。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果固定強(qiáng)制喂入輪為400 r/min，得到在喂入量為1.0～2.5 kg/s范圍內(nèi)夾帶損失率與喂入量之間的關(guān)系如圖13所示。

圖12 夾帶損失率與強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線Fig.12 Relationship curve between entrainment loss rate and rotational speed of forced feed wheel

圖13 夾帶損失率與喂入量的關(guān)系曲線Fig.13 Relationship curve between entrainment loss rate and feed quantity

由圖12可以看出，喂入量為2.0 kg/s，強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速由300 r/min增加至450 r/min的過程中，夾帶損失率隨脫粒滾筒轉(zhuǎn)速增加呈先減小后保持穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速在300～400 r/min范圍內(nèi)時，轉(zhuǎn)速增加致使集成式縱軸流脫粒分離裝置的喂入量增加，脫?？臻g內(nèi)物料的充滿系數(shù)增加，油菜莖稈與果莢之間的搓擦作用增強(qiáng)而增加油菜果莢的脫粒作用，夾帶損失率減少；當(dāng)強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速大于400 r/min時，縱軸流脫粒分離裝置的工作性能保持穩(wěn)定，夾帶損失率基本不變。表明強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速在300～450 r/min范圍內(nèi)，集成式縱軸流脫粒分離裝置夾帶損失率小于1.31%，滿足油菜脫粒分離裝置的設(shè)計指標(biāo)，且強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速為400 r/min時脫粒性能較優(yōu)。

由圖13可以看出強(qiáng)制喂入滾筒轉(zhuǎn)速為400 r/min，喂入量由1.0 kg/s增加至2.5 kg/s的過程中，夾帶損失率隨喂入量的增加先減小后增大。喂入量在1.0～2.0 kg/s的范圍內(nèi)時，集成式縱軸流脫粒分離裝置喂入量增加，脫粒時油菜果莢所受的搓擦梳刷作用增強(qiáng)，夾帶損失率減??；喂入量繼續(xù)增大，脫粒分離裝置的工作負(fù)荷增加，未脫凈的油菜果莢及夾帶在碎莖稈中的油菜籽粒增加，導(dǎo)致夾帶損失率增加。表明喂入量在1.0～2.5 kg/s范圍內(nèi)時，集成式縱軸流脫粒分離裝置夾帶損失率小于1.18%，滿足油菜脫粒分離裝置的設(shè)計指標(biāo)，且喂入量為2.0 kg/s時脫粒性能較優(yōu)。

3.3 田間試驗(yàn)

圖14 田間試驗(yàn)Fig.14 Field experiment

田間試驗(yàn)于2016年5月份在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地依據(jù)GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》及GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械 試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》進(jìn)行。以4LYZ-1.8型集成式縱軸流脫粒分離油菜聯(lián)合收獲機(jī)為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)材料為華油雜62，播種方式為機(jī)直播，油菜平均株高為1 500 mm，試驗(yàn)時割茬高度為350 mm。油菜聯(lián)合收獲機(jī)田間收獲作業(yè)時集成式縱軸流脫粒分離裝置可實(shí)現(xiàn)對油菜的輸送、抓取、脫粒分離功能，莖稈流動順暢未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，如圖14所示。試驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)較為簡單的集成式縱軸流脫粒分離裝置可滿足油菜聯(lián)合收獲機(jī)的工作要求。

4 結(jié)論

(1)將強(qiáng)制喂入裝置與縱軸流脫粒分離裝置進(jìn)行集成，設(shè)計了一種“T”字形集成式縱軸流脫粒分離裝置，實(shí)現(xiàn)對油菜的輸送、抓取、脫粒分離功能，簡化油菜聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)。

(2)通過分析集成式縱軸流脫粒分離裝置的工作過程，結(jié)合聯(lián)合收獲機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)，確定了強(qiáng)制喂入輪長度480 mm、直徑255 mm、轉(zhuǎn)速286～450 r/min，脫粒滾筒長度1 850 mm、直徑410 mm、轉(zhuǎn)速大于556 r/min。

(3)以自行研制的4LYZ-1.8型油菜聯(lián)合收獲機(jī)為平臺開展集成式軸流脫粒分離裝置的性能試驗(yàn)。結(jié)果表明喂入量為2.0 kg/s，強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速在300～450 r/min范圍內(nèi)，集成式縱軸流脫粒分離裝置的夾帶損失率低于1.31%；強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速為400 r/min，喂入量在1.0～2.5 kg/s范圍內(nèi)，夾帶損失率低于1.18%，符合油菜脫粒分離裝置的設(shè)計指標(biāo)，達(dá)到了設(shè)計要求。且強(qiáng)制喂入輪轉(zhuǎn)速為400 r/min、 喂入量為2.0 kg/s時脫粒性能較優(yōu)。

(4)田間試驗(yàn)表明4LYZ-1.8型集成式縱軸流脫粒分離油菜聯(lián)合收獲機(jī)收獲油菜時莖稈流動順暢未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，集成式縱軸流脫粒分離裝置可實(shí)現(xiàn)對油菜的輸送、抓取、脫粒分離功能。為簡化油菜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)、縮短油菜在聯(lián)合收獲機(jī)內(nèi)的流動路徑提供了參考。

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Design and Experiment on Integrated Longitudinal Axial Flow Threshing and Separating Device of Rape Combine Harvester

LI Haitong1WAN Xingyu1WANG Hua1JIANG Yajun1LIAO Qingxi1,2
(1.CollegeofEngineering，HuazhongAgriculturalUniversity，Wuhan430070，China2.SouthernRegionalCollaborativeInnovationCenterforGrainandOilCropsinChina，Changsha410128，China)

Aiming at the problems of complex structure，long transportation distance and block of chain scraper conveying groove on rape combine harvester，an integrated longitudinal axial flow threshing and separating device was designed，which could replace the traditional chain scraper conveying groove. The forced feeding unit and longitudinal axial flow threshing and separating device were integrated together，their axes were distributed as “T”pattern. Rape stalks were transported by forced feeding unit and threshed and separated relying on longitudinal axial flow threshing and separating device. According to the working process of integrated longitudinal axial flow threshing and separating device，length，diameter，and rotational speed of forced feeding wheel and longitudinal axial flow threshing cylinder and other main parameters were determined. The indoor experiment was conducted and its results showed that when the feed quantity was 2.0 kg/s and rotational speed of forced feeding wheel ranged from 300 r/min to 450 r/min，entrainment loss rate of integrated longitudinal axial flow threshing and separating device was less than 1.31%；when the rotational speed of forced feeding wheel was 400 r/min，and feed quantity varied from 1.0 kg/s to 2.5 kg/s，the entrainment loss rate of was less than 1.18%，which met the design target of threshing and separating device for rape. Field experiments on rape combine harvester showed that integrated longitudinal axial flow threshing and separating device could adapted to operational requirements of rape combine harvester，materials were transported from header to threshing and separating device evenly and successively and threshed and separated. This study provided a reference for simplifying the whole structure of the rape combine harvester and reducing the flow path of rape in the combine harvester.

rape; combine harvester； integrated longitudinal axial flow threshing and separating device； forced feeding device； experiment

2016-08-22

2016-10-20

農(nóng)業(yè)部科研杰出人才及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)重大項(xiàng)目(2016ABA094)

李海同(1987—)，男，博士生，主要從事油菜收獲技術(shù)與裝備研究，E-mail: li1988@webmail.hzau.edu.cn

廖慶喜(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油菜機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究，E-mail: liaoqx@mail.hzau.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.013

S225.99

A

1000-1298(2017)05-0108-09