割前摘脫聯(lián)合收割機(jī)復(fù)脫試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

盛力偉　金鹍鵬　陳偉旭

摘 要：脫粒裝置是聯(lián)合收割機(jī)的核心部件之一，它直接影響整機(jī)和其它部件的工作性能。參考國(guó)內(nèi)外各類脫粒分離、清選裝置的組成特點(diǎn)及改進(jìn)思路，分析了現(xiàn)階段各種梳脫式割前摘脫聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)過程中存在的問題。結(jié)合當(dāng)前梳脫式聯(lián)合收割機(jī)上復(fù)脫分離、清選裝置的相關(guān)參數(shù)及工作環(huán)境，考慮到梳脫式聯(lián)合收割機(jī)收獲工藝與傳統(tǒng)全喂入、半喂入式聯(lián)合收割機(jī)的明顯不同，對(duì)割前摘脫聯(lián)合收割機(jī)上的復(fù)脫分離、清選裝置進(jìn)行了較系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究。對(duì)提高我國(guó)現(xiàn)階段聯(lián)合收割機(jī)的工作性能，加速新老產(chǎn)品的更迭，以及新型脫粒裝置的研制具有很好的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：復(fù)脫；聯(lián)合收割機(jī)；分離；清洗

中圖分類號(hào)：S225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.004

Abstract：Threshing unit is one of the combine core parts， which has direct influence on the combine working performance or other parts. According to home and abroad about the structural characteristics and research directions of combine separation and cleaning devices， analyzes the status quo of design and the problem existing in current various stripping combine harvesters. Combination of relevant parameters and the working environment of the combine separation and cleaning devices in the current stripping combine harvester， taking into account the stripping combine harvester are greatly different from those in the conventional all-feeding and half-feeding combine harvester， the theoretical and experimental research of the rethreshing separation. This study has important academic significance and pragmatic value to improve the combine performance， and promote replace of products and develop the new threshing unit.

Key words： rethreshing；combine harvester；separate；cleaning

0 引言

隨著我國(guó)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，廣大農(nóng)村對(duì)中小型稻麥聯(lián)合收獲機(jī)械的需求日益迫切。而現(xiàn)有的一些國(guó)產(chǎn)聯(lián)合收割機(jī)在收獲水稻時(shí)，糧食損失大于5% ，谷物破碎的損傷率有的達(dá)9%以上，細(xì)微損傷達(dá)50%，且工作可靠性較差，平均無故障工作時(shí)間不到20 h[1， 2]。因此，研究新的收獲工藝和方法對(duì)豐富、完善現(xiàn)有的收獲原理具有較高的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值[3-5]。

國(guó)外最先開始割前脫離的研究，其中研究歷史較長(zhǎng)的有英國(guó)希爾索工程研究所、前蘇聯(lián)農(nóng)機(jī)研究所、菲律賓國(guó)際水稻研究所等[6]。前蘇聯(lián)農(nóng)機(jī)研究院自從20世紀(jì)80年代初期就開始研究收獲新機(jī)，他們最先發(fā)明了旋轉(zhuǎn)滾筒摘穗裝置，其利用向后拋扔的方式將摘穗齒與作物進(jìn)行分離[7-9]。該機(jī)械可扶起倒伏作物，并在兩個(gè)滾筒間隙中拉摘作物，利用滾筒的旋轉(zhuǎn)氣流輔助輸送摘脫物。由于前蘇聯(lián)的作物是貼地倒伏的，所以單滾筒梳脫裝置不能滿足其收獲要求。經(jīng)過多年研究，研制了雙滾筒型梳脫裝置，這種裝置對(duì)倒伏作物有一定的扶起作用，試驗(yàn)表明，大多數(shù)情況下，割臺(tái)損失率<2%。

美國(guó)希爾索研究所（SRI ）研制的滾筒摘穗裝置，可在其滾筒和上罩、壓禾鼻之間產(chǎn)生定向的氣流，減少摘脫物飛濺損失且利于后向的輸送。此V型滾筒直徑為450 mm，上面裝有8排摘脫元件，生產(chǎn)率高出普通割臺(tái)40%～100%，但割臺(tái)損失較高[10-12]。

菲律賓國(guó)際水稻研究所長(zhǎng)期從事水稻捋穗收獲機(jī)具的研究工作，先后開發(fā)了SG450型、ST600小型捋穗脫粒機(jī)[13]。

從目前國(guó)外研究情況來看，割前脫粒聯(lián)合收獲機(jī)摘脫滾筒還存在以下缺點(diǎn)和不足之處：（1）低速作業(yè)時(shí)，損失成倍增加；（2）在脫粒過程中谷物損失較大，主要原因是梳刷齒桿對(duì)穗稈有一定的梳刷與沖擊；（3）摘脫割臺(tái)存在前伸量過大，操作不夠靈活的缺陷；（4）聯(lián)合收獲機(jī)無法加裝摟集裝置，水田作業(yè)時(shí)不能一次性完成脫粒、割草聯(lián)合作業(yè)；（5）水田的通過性能較差[14]。

基于當(dāng)前梳脫式聯(lián)合收割機(jī)復(fù)脫裝置設(shè)計(jì)上存在的問題，對(duì)其復(fù)脫裝置進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，希望本文的研究能為此復(fù)脫裝置提供更科學(xué)且符合實(shí)際情況的設(shè)計(jì)建議，進(jìn)而提高整個(gè)收割機(jī)的適用性和可靠性，為我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

1 復(fù)脫裝置的設(shè)計(jì)過程

1.1 工作原理

脫粒機(jī)械作為一種常用的農(nóng)業(yè)機(jī)械，其內(nèi)部的工作環(huán)境復(fù)雜。割前脫粒機(jī)是一種新式、高效的收割機(jī)械，它可將田間站立狀態(tài)的水稻從穗頭部位摘脫下來，然后采用復(fù)脫、分離和清選的方法將谷粒從穗頭部位脫下來。

梳脫式聯(lián)合收獲機(jī)的復(fù)脫分離裝置性能直接影響到谷物復(fù)脫時(shí)的脫凈率、破碎率、分離均勻性等。梳脫式聯(lián)合收獲機(jī)收獲時(shí)， 經(jīng)梳脫割臺(tái)梳摘下來的混合物（自由籽粒、斷穗頭、穗枝杈、雜余和短莖稈）與傳統(tǒng)的先切割莖稈后脫粒的收獲工藝（全喂入式或半喂入式） 所得到的待脫物料相比有明顯的不同，因此建立復(fù)脫分離裝置的數(shù)學(xué)模型對(duì)于研究梳脫式聯(lián)合收獲機(jī)的復(fù)脫分離性能至關(guān)重要。

1.2 復(fù)脫裝置性能特點(diǎn)及相應(yīng)參數(shù)

在梳脫式聯(lián)合收割機(jī)中，被高速旋轉(zhuǎn)的板齒梳脫下來的混合物（大部分是籽粒，小部分是斷穗頭、雜余和少量的短莖稈等）經(jīng)梳脫割臺(tái)攪龍由輸送槽喂入到復(fù)脫分離裝置進(jìn)行二次脫粒，然后從凹板篩中分離出籽粒，實(shí)現(xiàn)分離。梳脫混合物進(jìn)入復(fù)脫分離裝置進(jìn)行脫粒分離的過程大致可分為兩個(gè)部分。一部分是未被脫粒的斷穗頭在脫粒元件、凹板、頂蓋等的聯(lián)合作用下被二次脫粒；另一部分是己經(jīng)被脫下來的籽粒在繞復(fù)脫滾筒的螺旋運(yùn)動(dòng)中，隨機(jī)地從凹板篩中分離出來。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，梳脫式聯(lián)合收割機(jī)制造技術(shù)上已趨成熟。但梳脫式聯(lián)合收割機(jī)復(fù)脫分離裝置的設(shè)計(jì)基本是從全喂入式聯(lián)合收割機(jī)的軸流脫粒分離裝置改裝而來的。實(shí)際上，梳脫式聯(lián)合收割機(jī)的自身收獲機(jī)理與傳統(tǒng)型聯(lián)合收割機(jī)有很大差別，進(jìn)入其內(nèi)部的梳脫混合物（主要成分為短莖稈、未脫凈斷穗頭、已脫籽粒和雜余等）與全喂入式收割機(jī)的帶有長(zhǎng)莖稈的谷物有著明顯區(qū)別。這就決定了梳脫式聯(lián)合收割機(jī)的復(fù)脫分離裝置與全喂入式聯(lián)合收割機(jī)的傳統(tǒng)型脫粒分離裝置應(yīng)采用不同的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

梳脫式聯(lián)合收割機(jī)如采用傳統(tǒng)型軸流脫粒分離裝置，其整機(jī)的復(fù)脫分離結(jié)構(gòu)會(huì)變得較大，水稻帶柄率、斷穗率、破碎率及含雜率等軸向分離不均勻，損失率和夾帶損失率也會(huì)變得較高。影響梳脫式聯(lián)合收割機(jī)復(fù)脫分離工作性能的主要因素有：復(fù)脫滾筒的轉(zhuǎn)速、凹板的類型與篩孔的尺寸、復(fù)脫滾筒的結(jié)構(gòu)類型及尺寸、復(fù)脫（凹板）間隙、頂距（滾筒外緣到滾筒頂蓋間的距離）的大小、頂蓋導(dǎo)向板的高度和角度。

2 復(fù)脫裝置主要部件設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)脫滾筒的設(shè)計(jì)

復(fù)脫過程中的軸流滾筒式脫粒裝置，主要包含滾筒、凹板（包括分離篩）、導(dǎo)板和蓋（或罩）。

復(fù)脫滾筒內(nèi)部采用軸流釘齒、弓齒混合結(jié)構(gòu)。為了使梳脫混合物軸向分離均勻，在復(fù)脫滾筒的入口端可專門加入一段螺旋葉片?？蓽p少其結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)保證復(fù)脫過程的線速度，復(fù)脫滾筒的直徑可適當(dāng)調(diào)小一些，轉(zhuǎn)速可適當(dāng)提高一些。

脫粒裝置是脫粒機(jī)與谷物聯(lián)合收獲機(jī)的核心部件，復(fù)脫裝置屬于脫粒裝置。它不僅在很大程度上決定了機(jī)器的脫粒質(zhì)量和生產(chǎn)率，而且對(duì)分離清選等有很大的影響。

軸流滾筒式脫粒裝置在不添加其它裝置的情況下即可滿足作物脫粒奇偶分離的技術(shù)要求。因此，同級(jí)別聯(lián)合收割機(jī)的通過能力比傳統(tǒng)脫粒裝置加鍵式逐稿器要高。軸流滾筒式脫粒裝置配以無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)裝置可適應(yīng)脫水稻、小麥、玉米和大豆等多種作物。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

2.2 凹板篩的設(shè)計(jì)

凹板篩選定為柵格型。為使物料沿軸向方向分離更均勻，應(yīng)當(dāng)選擇合適的柵格軸向與徑向間距，以減少夾帶損失和未脫凈損失，在凹板篩上添加擋草圈。凹板可同時(shí)配合滾筒起脫粒和分離脫出物的作用。為使谷粒能快速分離，可避免和減少谷粒破碎，也能減輕分離裝置的負(fù)擔(dān)。想提高凹板的通過性，必須加大凹板的篩孔率。

紋桿滾筒式脫粒裝置一般搭載柵格式與沖孔式的凹板結(jié)構(gòu)。鋼板沖孔式凹板的優(yōu)點(diǎn)主要是工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但篩孔率僅為25%～30%，分離率一般小于50%，而格柵式凹板的篩孔率在40%～70%之間，凹板的分離率能達(dá)到75%以上，所以在此選用柵格式凹板篩。

柵格式凹板由橫格板、側(cè)弧板、篩條等結(jié)構(gòu)組成（如圖2），其凹板的整體結(jié)構(gòu)分成兩段或三段制造，凹板與滾筒的間隙可通過隨意調(diào)節(jié)和改變。

2.3 頂蓋的設(shè)計(jì)

頂蓋的設(shè)計(jì)主要在于導(dǎo)向板的角度和高度。為減少?gòu)?fù)脫損失，提高復(fù)脫性能，應(yīng)根據(jù)復(fù)脫區(qū)段的不同來選擇導(dǎo)向板的角度。

滾筒蓋板中的螺旋導(dǎo)向板與谷物在脫粒裝置中旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)有關(guān)。谷粒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)隨著導(dǎo)向板數(shù)量的增加而變大，同時(shí)谷粒的分離也更充分，但是碎莖稈的消耗功率也會(huì)增加。機(jī)器長(zhǎng)度不同時(shí)，導(dǎo)向板數(shù)目也會(huì)隨之變化，但一般數(shù)量為2～5塊。為使谷物起到良好的導(dǎo)向作用，導(dǎo)向板應(yīng)有一定的高度，對(duì)大中型機(jī)器為30～50 mm，小型機(jī)器為13～25 mm，導(dǎo)向板與齒頂間隙為10～20 mm。

導(dǎo)向板升角（即螺旋角）的大小和谷物在脫粒裝置中軸向移動(dòng)速度有關(guān)。螺旋角過小，谷物軸向移動(dòng)速度小，脫粒時(shí)間長(zhǎng)，因而生產(chǎn)率低，而且容易堵塞。螺旋角過大，谷物軸向移動(dòng)速度過大，影響脫粒和分離質(zhì)量。在圖3中為導(dǎo)向板的配置。

導(dǎo)向板應(yīng)作如下配置：在入口處用導(dǎo)向板橫跨整個(gè)喂入口，這可以防止谷物返回。出口處只配置最后一條導(dǎo)向板的1/3，以使莖稈通暢地排出。各條導(dǎo)向板之間有一定的重疊量，以保證谷物受到連續(xù)的導(dǎo)向作用。

2.4 脫粒間隙的設(shè)計(jì)

脫粒間隙為滾筒與凹板組成的空隙（或稱凹板間隙）。脫粒間隙可根據(jù)作物的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常情況下可按照一定規(guī)律來進(jìn)行變化，間隙比在2與4之間。間隙比大而入口間隙小的脫粒分離能力比間隙比小而入口間隙大的強(qiáng)。主要原理是利用作物進(jìn)入凹板內(nèi)被滾筒抓取、打擊后得到加速，而后隨著脫粒間隙的減小，作物層逐漸拉開而變薄，于是谷粒就很快分離下來。試驗(yàn)證明如果采用的入口間隙較小，作物能很好地被抓取，并在入口處很快被拉開，可以使凹板前段的脫粒分離性能大為改善，采用小的脫粒間隙會(huì)使碎秸稈增多，而谷粒的破碎率則由于凹板前段能很快地分離而并不增加多少。入口間隙的減小會(huì)使作物堆成堆后進(jìn)入滾筒，谷粒被壓緊后很難從秸稈里面脫離或者分離出來，以至于脫粒裝置的功率消耗增加。如入口間隙大于30 mm，凹版前面的分離的能力會(huì)減弱?？傊肟陂g隙要盡可能的調(diào)小以便作物能順利進(jìn)入下一入口，可有利于提高脫粒裝置的工作效率。

脫粒間隙隨著作物種類和脫粒分離質(zhì)量來調(diào)節(jié)。現(xiàn)有的脫粒機(jī)上脫稻、麥的間隙一般為20～30 mm，脫大豆、玉米、高粱等為60～70 mm。喂入口與排出口布置在徑向位置的軸流滾筒脫粒裝置上，脫粒間隙在凹板入口處最大，出口處次之，凹板底部最小，一般比入口、出口處小10 mm左右。對(duì)紋桿式軸流滾筒入口處的間隙不宜超過30 mm，以免降低抓取能力。沿軸線方向的脫粒間隙可設(shè)計(jì)成由大（喂入處）逐漸減小（排出口處），以提高脫粒和分離能力。采用螺栓連接式半紋桿滾筒活動(dòng)葉片與滾筒葉片連接，可以隨時(shí)調(diào)節(jié)滾筒脫粒間隙。如下圖4。

3 總結(jié)

本文中的復(fù)脫裝置復(fù)脫滾筒由皮帶輪帶動(dòng)，脫粒間隙采用調(diào)節(jié)活動(dòng)葉片來實(shí)現(xiàn)可調(diào)整，提升了割前摘脫聯(lián)合收割機(jī)復(fù)脫分離的工作性能，考慮不同混合物的物理特性，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)出了工作性能更好、結(jié)構(gòu)更合理的復(fù)脫分離裝置。此新裝置提高了各參數(shù)沿軸向分離的均勻性，包括斷穗率、破碎率、水稻帶柄率及含雜率等，而且最大程度降低了其脫凈率和夾帶損失率，真正發(fā)揮出梳脫式聯(lián)合收割機(jī)高效、節(jié)能、可靠的特點(diǎn)。

復(fù)脫裝置的工作過程如下：貼近凹板與導(dǎo)向板組成的圓通內(nèi)弧面隨著滾筒的單向旋轉(zhuǎn)作螺旋運(yùn)動(dòng)，并且沿滾筒軸線方向流過此裝置。谷粒混合物借助滾筒的離心力由凹板篩孔落下，而秸草則由滾筒的排草輪排出。不同情況的谷粒分階段進(jìn)行分離，生長(zhǎng)成熟、飽滿的谷粒在前半段則脫下，而一些不太成熟的谷粒到后半段才逐漸脫離。本脫粒裝置可保證作物在其內(nèi)部的停留時(shí)間超過2 s，能更好地保證分離效果，所以其脫凈率比傳統(tǒng)使用的切流式脫粒裝置更高，同時(shí)還可保證工作過程的柔和性，減小受傷的谷粒數(shù)，增加脫粒效率。

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