胡麻聯(lián)合收割機防纏繞割臺的設計試驗*

趙一鳴，史瑞杰，戴 飛

(甘肅農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

胡麻作為我國重要的油料作物，近年來需求量不斷增加，而甘肅省是全國胡麻主要生產(chǎn)地之一，在全國七大胡麻產(chǎn)區(qū)位列第一[1-4]，但大部分地區(qū)仍舊處于人工分段收獲，費時費力，實現(xiàn)胡麻機械化收獲已迫在眉睫[5-7]。近年來隨著國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷增加，相關學者已經(jīng)開展了針對胡麻的機械化收獲研究[5-7]。雖然國內(nèi)已有使用胡麻聯(lián)合收割機進行收獲，但鑒于胡麻作物的特殊性，胡麻在傳統(tǒng)機械化收獲過程中容易造成纏繞、堵塞[6-10]。因此，傳統(tǒng)的割臺無法滿足對胡麻的高性能收獲要求。因此，為有效減少割臺損失、改善切割效率，本研究根據(jù)胡麻獨特的生物特性對割臺進行改進設計[11-13]，主要針對攪龍以及撥禾輪進行改進，對往復式切割器、曲柄連桿機構(gòu)、撥禾輪、攪龍等的參數(shù)進行計算，改進后的防纏繞割臺在攪龍伸縮桿齒之間添加了可調(diào)高度的防纏繞板，防纏繞板上安裝有可更換刀架，割臺前端曾加帶式輸送裝置。改進后的防纏繞割臺可有效解決莖稈纏繞、作物堆積等問題，并滿足胡麻機械化聯(lián)合收獲的作業(yè)要求，本研究為胡麻聯(lián)合收獲割臺的設計提供參考。

1 割臺整體設計及工作原理

胡麻全喂入式聯(lián)合收割機割臺主要由往復式切割器、攪龍、撥禾輪、割臺上的輸送裝置等組成。胡麻全喂入式聯(lián)合收割機在機器進入田間作業(yè)的時候，隨著機器的前進，左邊和右邊的分禾器將胡麻的莖稈分成了即割區(qū)與待割區(qū)兩大部分，進入即割區(qū)的胡麻莖稈，由撥禾輪向后撥送至往復式切割器處進行切割，胡麻莖稈隨后被撥送到割臺，割臺上的攪龍將割倒的胡麻莖稈從兩側(cè)在螺旋葉片作用下由兩端不斷地推送到伸縮桿齒機構(gòu)處，割臺前端的胡麻細小枝節(jié)及葉片籽粒等會通過輸送裝置輸送到攪龍下方，之后由撥指機構(gòu)把不斷割送的胡麻莖稈等以一定的速度向后拋送到縱軸向脫粒分離裝置喂入口[14]。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防纏繞割臺結(jié)構(gòu)示意圖1.曲柄連桿機構(gòu) 2.防纏繞板 3.攪龍 4.撥禾輪 5.分禾器 6.帶式輸送裝置 7.往復式切割器

2 割臺絞龍的防纏繞改進設計

2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

割臺攪龍主要由螺旋葉片筒體、防纏繞板、割刀以及伸縮桿齒等組成(見圖2)。胡麻莖稈被割倒后進入割臺，由皮帶式輸送器向后運送，再由攪龍上的伸縮桿齒向脫離裝置輸送，兩側(cè)莖稈在攪龍上螺旋葉片的作用下將莖稈向中間輸送。由于胡麻莖稈硬度較強，為防止莖稈首尾進一步纏繞，選擇適當增大割臺上攪龍的直徑。因此，本研究選擇在攪龍中央部位，即各伸縮桿齒之間加入了一塊防纏繞板，此防纏繞板的高度可以任意調(diào)節(jié)，滿足不同高度農(nóng)作物的收割防纏繞要求[10-12]。

圖2 攪龍三維模型1.筒體 2.防纏繞板 3.割刀

2.2 防纏繞板的設計

防纏繞板的作用是為了增大攪龍的直徑，減少胡麻莖稈首尾兩端的接觸長度，防止纏結(jié)在一起，解決了無法達到向后輸送的問題(見圖3)。該防纏繞板為適應不同高度的其他農(nóng)作物的收割，特采取了可調(diào)節(jié)伸縮式的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同植株莖稈的高度適當調(diào)節(jié)防纏繞板的高度，達到防纏繞的目的。防纏繞板左右兩側(cè)設有多個間距為20 mm的螺紋孔，通過螺紋桿固定在板槽內(nèi)。在防纏繞板的板槽底部，設有5個圓柱凸臺，可以用來固定彈簧，可以根據(jù)需要來添加或更換不同強度的彈簧。板槽的突出部位左右兩側(cè)上設有螺紋口，該位置裝有割刀的刀架，可以根據(jù)需要更換不同類型的割刀。

圖3 防纏繞板結(jié)構(gòu)示意圖1.彈簧 2.防纏繞板 3.割刀 4.刀架

2.3 絞龍及其組件的參數(shù)確定

為了避免作物纏繞，攪龍的內(nèi)徑一般采用300 mm；螺旋葉片高度約為100 mm，有光面和折紋面兩種，前者制造簡單，葉片厚度為3～4 mm；后者由矩形鋼帶沖壓而成，用料少、強度高，便于焊接，葉片厚度可薄到1.5 mm左右；攪龍與割胡麻植株的間距為500～540 mm，轉(zhuǎn)速為150～200 r/min，轉(zhuǎn)速過高容易使作物脫粒[13-14]。圖4為攪龍輸送物料的運動速度示意圖。

圖4 螺旋葉片運動速度示意圖

從圖中可以看出其軸向推進速度vr的計算公式為[14]：

(1)

式中：S為攪龍的螺距，mm；n為推運器的轉(zhuǎn)速，r/min；α為推運器的螺旋升角，(°)；f為摩擦系數(shù)，f=tanφ；φ為摩擦角，(°)。

由此可以知道，當1-ftanα≤0時，物料將不能沿軸向運動，所以螺旋角必須滿足以下條件，即：

(2)

(3)

從式(1)中可知，如果當螺距S相等的時候，當攪龍的半徑r增大時，會引起螺旋角α的減小，此時攪龍橫向輸送能力量會增加，但是它的輸送速度會減??；如果攪龍的半徑r為定值時，S與α成正比，即螺距S大，螺旋角α也會變大，橫向輸送速度也會相應變大。螺旋葉片需要延伸進中間輸送裝置槽側(cè)壁內(nèi)左右，100～150 mm以防止輸送槽入口被堵塞，或者會阻擋攪龍的回轉(zhuǎn)運動。為避免割下的作物在攪龍或伸縮桿齒前面堆積或從割臺前滑落，因此設有皮帶式輸送裝置，可以增大螺旋式攪龍與護刃器梁的水平距離[14-15]。

2.4 撥齒參數(shù)確定

撥指的長度L和偏心距e的計算公式為：

(4)

L=l+e+lmin

(5)

式中：e為偏心距，mm；lmax為撥指伸出滾筒的最大伸出長度，mm；lmin為相對方向的最小伸出長度，mm；r為推運器簡體的半徑，mm。

常用的e值為68 mm，L值為230 mm左右，撥指的軸向間距一般為240 mm左右，兩邊最外端的撥指應該距離中同輸送裝置側(cè)整50～100 mm，以防止堵塞。在裝配時應當保證撥指轉(zhuǎn)至后上方時，能向筒內(nèi)收縮，但也不會完全縮回，會在攪龍筒外留有一段距離Lmin(Lmin一般取值為10～20 mm，估計取當15～20 mm)；轉(zhuǎn)至前下方時，應伸出簡外，伸出長度一般為140～150 mm[14-16]。

2.5 防纏繞板位置的調(diào)整

防纏繞板的高低影響的是對胡麻以及其他作物在攪龍上的纏繞周長，防纏繞板的板槽上安裝有刀架，所以具有一定的高度，對于較為低矮的作物，防纏繞板的高度可以與板槽的高度一致，另外也可根據(jù)所收割的作物的具體高度對防纏繞板進行調(diào)整，防纏繞板上左右兩側(cè)設有的螺紋孔可以調(diào)節(jié)防纏繞板的高度，以此來滿足割臺上的基本防纏繞需求。但是防纏繞板的高度也不宜過高，否則在回轉(zhuǎn)的時候會刮碰到割臺地板或無法滿足作業(yè)要求，影響攪龍筒的回轉(zhuǎn)。

3 撥禾輪的調(diào)整

在收割胡麻或者其他作物時，撥禾輪位置的確定對倒伏的作物的收割以及對已經(jīng)割倒的作物莖稈的向后撥送有很大的影響。在收獲作物時一般都要求撥禾輪的主軸是位于往復式切割器前方10 mm左右的上方位置，如果撥禾輪的位置過于靠前，會出現(xiàn)推到疏導能力變?nèi)醯那闆r，尤其是對于胡麻這類莖稈韌性較強的作物來說，向后撥送待割莖稈以及將已割莖稈向后撥倒的作用就會變?nèi)?；反之，若撥禾輪的位置過于靠后，撥禾輪上的固定彈齒有可能會與攪龍上的螺旋葉片發(fā)生碰撞，在收割作物時，對于待割的作物莖稈的撥送能力變?nèi)酰踔翢o法撥到較遠處的胡麻，影響作業(yè)效率。對于生長較為稠密的農(nóng)作物，也可適當調(diào)整撥禾輪的位置靠前一點，但也不宜過大。

彈齒調(diào)整時將調(diào)節(jié)螺栓先拆下，然后轉(zhuǎn)動偏心調(diào)節(jié)盤，可以使之相對于撥禾軸轉(zhuǎn)動，帶動彈齒偏轉(zhuǎn)。在收割胡麻時一般將彈齒與水平面設為垂直狀態(tài)，以便保證彈齒可以豎直插入作物，以此來滿足收割的作業(yè)要求。

4 割臺帶式輸送裝置的設計

當收割機向前行進時，往復式切割器將胡麻莖稈割斷，由撥禾輪將已經(jīng)割刀的胡麻莖稈撥倒在割臺上，胡麻植株的葉片及果實部分可以與攪龍進行大面積接觸，此時再由螺旋式葉片向中間撥送時抓取力強，伸縮桿齒向后輸送時也較為方便，當胡麻莖稈纏繞在攪龍上由防纏繞板來增大胡麻植株的首尾間距，由割刀割斷纏結(jié)的莖稈。由于往復式切割器距攪龍較遠，撥禾輪無法完全將所有的損壞的枝節(jié)葉片等撥送到攪龍位置，為防止堆塞問題，將割臺的前端加以帶式輸送裝置，將割臺前端的胡麻枝節(jié)葉片等及時輸送到攪龍附近，防止堵塞問題出現(xiàn)。

4.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

機器工作時，割臺上的細小枝節(jié)在前端由傳送帶輸送到攪龍下方，再由攪龍向后輸送。支承裝置用于承托運輸帶及其上物料，由于胡麻秸稈及枝節(jié)相對較輕，所以雙帶支承采用平面單輥式支承裝置，此時的運輸帶面平直，適合胡麻植株莖稈的水平輸送要求，下帶支承裝置只是起到承托運輸帶的作用，所以也采用平面單輥。

為了防止輸送帶在工作過程中偏斜，需要將支承輥柱一眼運動方向往前斜2°～3°安裝，使運輸帶受有向中間的分力，從而保持在中央的位置。此帶式運輸裝置的運轉(zhuǎn)主要是依靠驅(qū)動滾筒與皮帶間的摩擦力，為了保持正常的摩擦，需要有張緊裝置，因此，在輸送裝置下部也裝有從動滾筒即為張緊滾筒。此滾筒位置可以由側(cè)面的調(diào)節(jié)板進行調(diào)節(jié)。

圖5 帶式輸送裝置三維示意圖1.傳動輪 2.支承架 3.輸送帶 4.張緊裝置

4.2 輸送裝置的調(diào)整

為防止割臺上的皮帶式輸送裝置上的皮帶在作業(yè)時會出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，在輸送裝置支架的中間部位設有張緊裝置，在調(diào)節(jié)時可以先卸下調(diào)節(jié)螺柱，在上下轉(zhuǎn)動調(diào)整手環(huán)，確定好從動輥要預緊的位置后，重新將調(diào)節(jié)螺柱旋入固定架固定位置，以此來調(diào)整皮帶的張緊程度，解決皮帶打滑的現(xiàn)象，滿足機械化收割的作業(yè)需求[16-17]。

圖6 張緊裝置1.調(diào)整手環(huán) 2.固定架 3.從動輥 4.調(diào)節(jié)螺柱

5 結(jié) 語

此次研究設計的胡麻聯(lián)合收割機防纏繞割臺可一次性實現(xiàn)對胡麻莖稈的分禾、切割、喂入、輸送等收割工序，實現(xiàn)了割幅為3 250 mm的胡麻防纏繞割臺快速喂入，其中絞龍及其配套裝置、偏心撥禾裝置和帶式輸送裝置有效的解決了胡麻聯(lián)合收獲時出現(xiàn)的莖稈纏繞、作物堆積等現(xiàn)象，作業(yè)生產(chǎn)率可達0.6～1.3 hm2/h，滿足胡麻機械化收獲作業(yè)的功能需求。通過對防纏繞絞龍的計算分析表明，該設計滿足設計要求，本研究以期為胡麻聯(lián)合收割機防纏繞機構(gòu)設計及其后續(xù)研究提供參考。