油葵聯(lián)合收獲機專用割臺設計與試驗

劉 巍 黃小毛,2 馬麗娜,2 宗望遠,2 朱云飛

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070；3.星光農(nóng)機股份有限公司， 湖州 313017)

0 引言

油葵是我國四大油料作物之一[1]，在我國的種植面積達到50萬hm2，主要分布在東北、華北和西北部地區(qū)。目前，國內(nèi)尚未有完全成熟的油葵聯(lián)合收獲機，現(xiàn)有機型普遍在稻麥收獲機基礎上改裝而成[2]。由于缺乏對油葵植株生物特性的研究，改裝后的油葵聯(lián)合收獲機收獲適應性差、割臺損失率高，主要存在以下問題：撥禾輪回帶導致被割后的葵盤飛濺到割臺以外，增大了收獲損失；分禾器左右兩側(cè)面易產(chǎn)生油葵物料堆積；分禾器間隙易產(chǎn)生油葵莖稈堵塞；割下的油葵植株纏繞于輸送器上，無法順利進入升運裝置。割臺是聯(lián)合收獲機的入口和核心部件，根據(jù)收獲對象的生物性狀進行有針對性的結(jié)構(gòu)設計才能獲得理想的收割效果。因此，研發(fā)低損、高效的油葵聯(lián)合收獲機專用割臺，對于提升油葵收獲機械化水平、促進我國油葵產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

國外學者于20世紀80年代開始研究油葵聯(lián)合收獲技術(shù)，對油葵聯(lián)合收獲機割臺撥禾輪、分禾器、螺旋輸送器和切割器等結(jié)構(gòu)進行了改進設計和參數(shù)優(yōu)化。如JACOB[3]在板式撥禾輪的基礎上采用異形撥禾輪增強對油葵植株的喂入效果；SAMUEL[4]在切割器上方通過設置壓莖輥降低撥禾輪對葵盤擊打造成的籽粒損失；DANIEL[5]對剛性撥禾鏈撥指進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強撥指對油葵植株的夾持作用，減少喂入過程割臺損失。但是，國內(nèi)外油葵的種植模式差異較大，國外油葵專用割臺并不能完全適應我國油葵的收獲作業(yè)。近年來，國內(nèi)學者主要在水稻、小麥、玉米等糧食作物收獲機的聯(lián)合收獲割臺降損[6]和整機結(jié)構(gòu)設計[7-10]等方面進行了研究。李毅念等[11]利用氣吹式裝置產(chǎn)生的均勻氣流將小麥喂入割臺，有效降低了割臺損失和割臺殘留；黃小毛等[12]在傳統(tǒng)油菜割臺上利用橫流氣壓裝置對割臺收獲作業(yè)時掉落的油菜籽粒進行回收，從而降低了割臺損失。目前，針對油葵聯(lián)合收獲割臺結(jié)構(gòu)設計和參數(shù)優(yōu)化卻鮮有報道。

本文在研究國內(nèi)油葵種植農(nóng)藝和生物性狀的基礎上，設計一種撥禾輪式油葵聯(lián)合收獲機專用割臺，通過理論分析對關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)進行優(yōu)化設計，通過田間試驗對樣機作業(yè)性能進行驗證。

1 割臺總體結(jié)構(gòu)與工作原理

為提高油葵收獲作業(yè)質(zhì)量，設計如圖1所示的撥禾輪式油葵專用割臺，主要由內(nèi)分禾器、外分禾器、撥禾輪、往復式切割器、割臺輸送器、傳動系統(tǒng)等組成。可一次完成油葵作物的分禾、扶禾、撥禾、切割、導攏及輸送作業(yè)。與傳統(tǒng)稻麥收獲機割臺相比，該割臺采用直徑較大的三幅式撥禾輪，減少撥禾輪對作物的擊打；由于油葵種植模式相較于稻麥作物較為稀疏，因此在割臺幅寬內(nèi)增加內(nèi)分禾器，保證油葵植株喂入和切斷作業(yè)順暢進行。

圖1 油葵專用割臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of oil sunflower special header1.外分禾器擋板 2.撥禾輪 3.內(nèi)分禾器 4.輸送器 5.外分禾器 6.排禾桿 7.往復式切割器

收獲作業(yè)時，外分禾器將作業(yè)幅寬外的油葵植株分開，作業(yè)幅寬內(nèi)的油葵植株進入內(nèi)分禾器，內(nèi)分禾器將其扶起并引導至對應的通道，撥禾輪在傳動系統(tǒng)的帶動下做勻速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對油葵植株的扶持和推送，油葵植株通過內(nèi)分禾器間隙運動至分禾器末端，進而被往復式切割器切斷，在輸送器的推送作用下，被割油葵植株被拋入中間輸送裝置，最后進入脫粒清選裝置進行脫粒清選作業(yè)。此外，為提升外分禾器的分禾效果，防止油葵植株分禾不徹底，以及在外分禾器內(nèi)側(cè)產(chǎn)生堆積，在外分禾器外側(cè)增加排禾桿，在其內(nèi)側(cè)增加外分禾器擋板。

2 油葵植株主要物理特性參數(shù)

圖2 矮大頭567 DW油葵植株Fig.2 Short head 567 DW oil sunflower plant

選取新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市阜康河南莊子村為試驗示范基地，主要種植品種為矮大頭567 DW。2018年9月11日，選取長勢良好的油葵田塊進行油葵植株的物理特性參數(shù)測量，該田塊油葵種植時間為2018年4月26日，采用氣吸式播種機進行播種，油葵植株行距為400 mm，株距為190～210 mm。如圖2所示油葵植株均處于蠟熟期，采用五點法進行田間取樣(GB/T 5262—2008)，每個取樣點選取油葵50株，油葵植株主要物理參數(shù)測量結(jié)果如表1所示。

表1 油葵植株主要物理特性參數(shù)Tab.1 Oil sunflower plants parameters

3 關(guān)鍵部件參數(shù)設計與分析

3.1 內(nèi)分禾器結(jié)構(gòu)參數(shù)設計

內(nèi)分禾器是割臺的關(guān)鍵部件之一，單個內(nèi)分禾器的結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù)以及相鄰兩內(nèi)分禾器之間的間隙直接影響油葵植株能否成功喂入割臺。

3.1.1內(nèi)分禾器寬度

內(nèi)分禾器寬度主要對內(nèi)分禾器的分禾、扶禾效果具有顯著影響，內(nèi)分禾器寬度過大時，不對行收獲過程中，內(nèi)分禾器會推倒部分油葵植株，造成莖稈在地面處折斷，油葵植株無法成功喂入割臺，造成葵盤損失；內(nèi)分禾器寬度過小時，由于內(nèi)分禾器屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，其末端固定處應力增大，結(jié)構(gòu)強度下降，分禾作業(yè)時容易受力變形，且易產(chǎn)生振動。因此，通過分析油葵植株在分禾過程的運動狀態(tài)來確定內(nèi)分禾器寬度。

如圖3所示，考察不對行收獲時內(nèi)分禾器導致的油葵植株側(cè)傾情況，圖3a為當植株位于內(nèi)分禾器頂點A正前方的極限位置，分禾過程中植株在內(nèi)分禾器前進方向推力的作用下油葵植株運動至B點，此時油葵植株的狀態(tài)如圖3b所示。

圖3 內(nèi)分禾器結(jié)構(gòu)與植株側(cè)向傾斜示意圖Fig.3 Schematics of inner divider structure and lateral tilt of plant

為保證植株在進入分禾器間隙前不會因內(nèi)分禾器AB段推力的作用出現(xiàn)莖稈近地面處側(cè)傾折斷(即莖稈順利通過B點進入內(nèi)分禾器間隙)的現(xiàn)象，最大傾斜角β應不大于油葵植株的臨界折斷角θ[13]，即

(1)

式中θ——植株臨界折斷角，油葵植株一般為15°

b——內(nèi)分禾器寬度，mm

h——內(nèi)分禾器離地高度，mm

測量當?shù)赜涂仓甑母叨确秶鸀?38.0～1 389.6 mm，正常收獲時分禾器的離地高度在400～850 mm之間。由此可得b≤214 mm，即可保證植株不被分禾器折斷。

考慮到內(nèi)分禾器要配合切割器的作業(yè)要求，并防止護刃器對油葵植株進行二次分禾，選取的分禾器寬度應為本文所選割刀行程(S=76.2 mm)的整數(shù)倍，即

b=kS

(2)

式中k——倍數(shù)

由上文可知b≤214 mm，因此k取1或2。當k取1時，內(nèi)分禾器寬度為76.2 mm，內(nèi)分禾器結(jié)構(gòu)強度較低，且內(nèi)分禾器尾部不易安裝固定。故k取2，此時分禾器寬度為152.4 mm。

3.1.2內(nèi)分禾器長度

為保證油葵植株被切割器割斷后，植株上部尤其是葵盤仍在內(nèi)分禾器縱向收集范圍內(nèi)，即割下的油葵植株能夠順利進入割臺，分析油葵植株分離部分絕對前傾時的極限情況，分禾器長度應滿足

l≥L-a

(3)

式中L——油葵植株總長度，mm

a——油葵割茬高度，mm

l——內(nèi)分禾器長度，mm

割臺試驗時配套機型為星光4LZ-5.0Z型收獲機，其收獲作業(yè)時的最佳留茬高度為450 mm，由公式(3)可知，內(nèi)分禾器的長度應大于等于950 mm，而內(nèi)分禾器通過螺栓與割臺機架相連，分禾器越長其尾部螺栓連接處的應力越大，故本文選取分禾器的長度為1 000 mm。

3.1.3內(nèi)分禾器間隙

新疆昌吉試驗區(qū)油葵植株莖稈中部直徑為(18.2±8.3) mm，考慮加工和安裝誤差，取內(nèi)分禾器間隙的極限尺寸偏差為6 mm?；诳煽啃栽O計方法[14]，為保證99%的油葵植株通過性，內(nèi)分禾器間隙應滿足

(4)

式中φ——標準正態(tài)分布函數(shù)

x——內(nèi)分禾器間隙,mm

查標準正態(tài)分布表計算得x≥49.7 mm。故內(nèi)分禾器間隙應大于等于(49.7+6) mm，內(nèi)分禾器間隙越小，其發(fā)生油葵莖稈堵塞的概率越大，內(nèi)分禾器間隙大于55.7 mm時，才能保證油葵植株順暢喂入割臺，綜合考慮油葵植株通過性與割臺損失的影響，取內(nèi)分禾器間隙為60 mm。

3.2 撥禾輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與運動參數(shù)確定

撥禾輪是輔助導向、收集和輸送葵盤的重要部件。收獲作業(yè)時既要保證快速平穩(wěn)地向輸送器喂入葵盤及相連的部分莖稈，又要保證在撥禾過程中不產(chǎn)生回帶現(xiàn)象。

傳統(tǒng)稻麥收獲機割臺撥禾輪采用偏心五桿機構(gòu)，由于油葵植株葵盤碩大，且油葵莖稈上部呈倒鉤狀，因此傳統(tǒng)撥禾輪在收獲油葵過程中彈齒容易造成葵盤穿透性破碎及物料回帶。為了解決上述問題，本文采用圖4所示的三幅板式撥禾輪。撥禾輪由撥禾板、支撐架、撥禾輪軸組成，由于撥禾板受力較小，因此撥禾板的材料選用普通冷軋板SPCC，由于撥禾板較寬，故撥禾輪在進行收獲作業(yè)時，其撥禾運動對油葵葵盤沖擊較小，減少了籽粒損失，且可防止產(chǎn)生物料回帶。

圖4 撥禾輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of reel1.撥禾板 2.支撐架 3.撥禾輪軸

3.2.1撥禾輪轉(zhuǎn)速

撥禾輪相對地面的運動軌跡取決于撥禾輪的圓周速度vb與整機前進速度v的比值λ(撥禾速比)。不同λ取值的撥禾輪運動軌跡如圖5所示。

圖5 不同λ的撥禾輪運動軌跡Fig.5 Reel trajectory with different λ values

要使撥禾輪對油葵莖稈產(chǎn)生扶持切割、輸送等作用，就必須使撥禾輪具有水平向后的分速度，從圖5中3個運動軌跡可以看出只有λ>1時撥禾輪有向后的水平分速度，油葵收獲作業(yè)速度v=0.8 m/s，根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設計手冊可知，三幅板式撥禾輪撥禾速比λ為1.5～1.6，為了達到較好的撥禾效果，油葵聯(lián)合收獲機可選取稍大的λ值，即1.6。

由于油葵收獲機作業(yè)速度為0.8 m/s，撥禾速比為1.6，故vb=1.28 m/s。此時可得撥禾輪轉(zhuǎn)速

(5)

式中r——撥禾輪半徑，mm

由公式(5)計算得出撥禾輪轉(zhuǎn)速為24.4 r/min。

3.2.2撥禾輪直徑

在撥禾過程中，為避免撥禾板將割斷的油葵拋出割臺，應使撥禾輪上最低點撥壓在油葵植株割斷部分的重心G點偏上(圖6)。按照油葵一般植株高度及留茬高度范圍，預估G點與葵盤頂部的距離e=200 mm。

圖6 撥禾過程示意圖Fig.6 Schematic of reel work process

撥禾輪的直徑主要由作物植株的平均株高、被割油葵植株的重心位置和撥禾輪速比λ決定[14]，即

D=2λe/(λ-1)

(6)

式中D——撥禾輪直徑，mm

經(jīng)計算得D≤1 067 mm，由于撥禾輪直徑越大其撥禾范圍越大[15]，因此在滿足其安裝條件的基礎上，要盡可能的增加其撥禾范圍保證撥禾質(zhì)量，本文選取撥禾輪的直徑為1 000 mm。

3.3 輸送器刮板結(jié)構(gòu)參數(shù)設計

輸送器將割斷后的油葵導攏集中并拋送至升運器。傳統(tǒng)稻麥收獲機割臺輸送器在拋送段采用伸縮撥指形式，割后葵盤的形狀與稻麥有很大差異，圓柱形細長撥指和圓餅狀葵盤為線接觸，不能很好地推送葵盤而造成纏繞和堆積，且易將葵盤擊碎，使后續(xù)脫粒清選困難。針對上述問題，設計了刮板式輸送裝置，其結(jié)構(gòu)如圖7，采用刮板結(jié)構(gòu)進行物料輸送時，刮板與葵盤之間為面面接觸，能夠有效減少葵盤所受的擊打，刮板結(jié)構(gòu)和油葵莖稈不易產(chǎn)生纏繞，同時刮板結(jié)構(gòu)能夠有效減少割臺殘留。查閱農(nóng)業(yè)機械設計手冊選取輸送器相應結(jié)構(gòu)參數(shù)，輸送器具體參數(shù)如表2所示。

圖7 輸送器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic of auger structure

表2 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of spiral auger

3.4 往復式切割器選型

目前國內(nèi)的往復式切割器根據(jù)其切割行程S、動刀片間距t、定刀片間距t0可分為普通型(S=t=t0=76.2 mm)、雙刀距行程型(S=2t=2t0=152.4 mm)、低割型(S=t=2t0=101.6 mm)3種型式。由上文中分禾器間隙取60 mm，切割行程大于內(nèi)分禾器間隙即可，因此選取普通型往復式切割器。

往復式切割器的切割速度vp對切割效果有顯著影響，切割器切割速度較慢時，作物莖稈會出現(xiàn)壓扁和撕破現(xiàn)象[16]，而較快又會導致割臺振動較大，一般切割器的切割速度vp需要根據(jù)機器前進速度v確定[17]，其關(guān)系式為

vp=γv

(7)

式中γ——刀機速比，由被割作物的種類和機器類型決定

試驗樣機的前進速度為0.8 m/s,選取γ為0.75～1.0，故切割器切割速度為0.6～0.8 m/s，現(xiàn)有聯(lián)合收獲機往復式切割器的切割速度一般大于等于0.8 m/s[16]，因此選取油葵聯(lián)合收獲機割臺往復式切割器的切割速度為0.8 m/s。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

2019年9月，在新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市阜康河南莊子村農(nóng)戶自種長勢良好的油葵田開展樣機田間試驗。油葵行距400 mm，籽粒千粒質(zhì)量58.8 g，油葵籽粒含水率21%～30%，莖稈含水率71%～79%，產(chǎn)量6 006 kg/hm2。

圖8為履帶式油葵聯(lián)合收獲機樣機，整機配套動力65 kW，額定轉(zhuǎn)速2 400 r/min，收獲作業(yè)速度0.8 m/s，割幅2 400 mm。

圖8 田間試驗Fig.8 Field test of combine harvester

4.2 試驗方案與結(jié)果分析

依據(jù)GB/T 8097—2008《收獲機 聯(lián)合收割機 試驗方法》、GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械 試驗條件測定方法的一般規(guī)定》并參考GB/T 21961—2008《玉米收獲機械 試驗方法》對履帶式油葵聯(lián)合收獲機樣機進行田間作業(yè)性能試驗。

單次田間試驗時，整機穩(wěn)定作業(yè)20 m，在該區(qū)域內(nèi)隨機選取3處1 000 mm×2 400 mm區(qū)域作為測試區(qū)域，如圖9所示，收集所選區(qū)域內(nèi)的落粒與葵盤，取出葵盤上的籽粒與收集的落粒一起稱量，計算3個測點割臺籽粒損失率W1，重復試驗3次，并取割臺籽粒損失率的平均值。計算式為

(8)

式中m1——測試區(qū)域內(nèi)收集油葵籽粒總質(zhì)量，g

m2——測試區(qū)域內(nèi)油葵籽?？傎|(zhì)量，g

圖9 籽粒收集區(qū)域Fig.9 Oil sunflower grain collection area

田間試驗整機的前進速度為0.8 m/s時，整機作業(yè)效率為0.69 hm2/h。樣機的各項性能指標與試驗結(jié)果如表3所示。

表3 樣機性能指標與試驗結(jié)果Tab.3 Prototype performance indicators and test results

整機收獲效果如圖10所示，收獲后的油葵割茬高度一致，地面無可見油葵葵盤與漏割油葵植株。作業(yè)過程中植株喂入順暢，割臺內(nèi)外分禾器無油葵植株堵塞、堆積，撥禾輪無回帶，輸送器喂入順暢、無纏繞，該油葵聯(lián)合收獲專用割臺有效解決了油葵割臺因葵盤掉落而導致籽粒割臺損失率高的問題，對提升我國油葵機械化收獲水平具有重要意義。此外，針對高低不同、疏密不同、株行距不同的油葵田塊進行收獲作業(yè)，該油葵聯(lián)合收獲機專用割臺具備良好的收獲適應性。

圖10 整機收獲效果Fig.10 Harvesting effect of prototype

5 結(jié)論

(1)設計了一種撥禾輪式油葵聯(lián)合收獲機專用割臺，包括三幅板式撥禾輪、內(nèi)分禾器、外分禾器、往復式切割器和刮板式輸送器等部件，能夠?qū)崿F(xiàn)油葵植株順暢喂入，解決了油葵收獲時割臺內(nèi)、外分禾器處油葵植株堵塞、堆積，撥禾輪處油葵植株回帶，輸送器喂入不暢、莖稈纏繞等問題，提高了油葵割臺的輸送能力，有效降低了割臺損失。

(2)樣機以0.8 m/s的作業(yè)速度進行田間試驗時，整機工作性能穩(wěn)定，油葵喂入順暢，喂入量為3.3 kg/s，割臺平均損失率僅為1.42%，整機作業(yè)效率為0.69 hm2/h，各項指標均達到或超過設計技術(shù)指標。