油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置的設(shè)計

馬少騰，張學(xué)軍，朱興亮，于蒙杰，劉宇，張云赫，張海濤

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091)

油葵(Helianthusannuus)，菊科(Composite)，向日葵屬(Helianthus)，是我國重要的油料作物之一[1-3].油葵在我國種植面積達(dá)到80萬hm2，占我國向日葵種植面積的60%，并且油葵的種植面積還在逐年遞增[4-6].因此，油葵機(jī)械化收獲將會成為油葵產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢.油葵的生產(chǎn)中，收獲是生產(chǎn)作業(yè)中的重要組成部分，而脫粒工序則是收獲的關(guān)鍵，不僅直接影響葵籽的脫凈率、破損率等，同時影響后續(xù)清選機(jī)械的效果[7-10].

目前，國內(nèi)外有許多企業(yè)和學(xué)者對油葵脫粒脫粒裝置開展了系統(tǒng)的研究，包括脫粒裝置的結(jié)構(gòu)、能耗以及物料運動規(guī)律等問題.德國克拉斯公司研制的lexion700系列谷物聯(lián)合收割機(jī)可以收獲向日葵，其中脫粒系統(tǒng)可以針對物料的特性自動調(diào)節(jié)脫粒間隙，降低裝備能耗和提高收獲率[11]；美國約翰迪爾研制的S系列谷物收獲機(jī)通過液壓系統(tǒng)控制滾筒擋板實現(xiàn)脫粒間隙調(diào)節(jié)，提高谷物收獲率[12]；李耀明等[13]研制了一種聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒凹版間隙調(diào)節(jié)裝置，通過液壓缸調(diào)節(jié)脫粒間隙，提高谷物脫凈率；趙武云等[14]研制了一種變徑變間距螺旋板齒式脫粒裝置，通過改變脫粒滾筒上脫粒元件的高度進(jìn)而改變脫粒間隙，提高谷物脫凈率；韓長杰等[2]研制了一種專用于油葵脫粒的橫軸流脫粒清選裝置，提高了油葵的機(jī)械化水平，但是上述大部分機(jī)型非直接針對油葵作物進(jìn)行設(shè)計使用，應(yīng)用于油葵作物還存在油葵脫凈不徹底、籽粒損傷嚴(yán)重等問題，因此現(xiàn)在迫切需要設(shè)計一種針對油葵作物且基于油葵聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒裝置，提高油葵的脫凈率、降低籽粒的破損率，提高油葵聯(lián)合收獲機(jī)的工作性能.

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

油葵聯(lián)合收獲機(jī)主要包括油葵割臺、脫粒系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、糧倉、操作臺以及履帶式自走系統(tǒng)等，整機(jī)圖如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 油葵聯(lián)合收獲機(jī)主要參數(shù)

圖1 油葵聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)圖

作業(yè)時，油葵植株通過撥禾輪撥向切割器，將油葵盤割下，然后通過絞龍與鏈耙輸送器送至脫粒系統(tǒng)進(jìn)行脫粒.在脫粒滾筒的作用下對油葵盤進(jìn)行搓擦打擊，籽粒從油葵盤上分離，脫落的籽粒與雜余從凹板篩的篩孔下落入清選系統(tǒng)，脫落后的葵盤與短莖稈從桶里滾筒的尾部排除機(jī)外.在清選系統(tǒng)內(nèi)，大部分油葵籽粒通過振動篩前部送入糧倉，含有雜余與少量的籽粒在下層篩進(jìn)行二次分選，由于比重不同，籽粒在下，雜余在上，分選后的籽粒通過絞龍輸入至糧倉，雜余在振動篩的作用下通過尾篩排除機(jī)外，完成油葵籽粒的聯(lián)合收獲作業(yè).

2 脫粒裝置的設(shè)計

2.1 脫粒滾筒的設(shè)計

2.1.1 喂入頭的設(shè)計 喂入頭作為聯(lián)合收獲機(jī)中將籽粒從鏈耙輸送器送入脫粒系統(tǒng)的第一步，根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果，采用圓錐形滾筒作為喂入頭.螺旋葉片與圓錐滾筒焊接，且圓錐頭的錐角為33°，后端直徑與脫粒滾筒一致，即D2=450 mm.

螺旋葉片的升角是螺旋喂入頭的一個重要參數(shù).對于油葵盤的軸向運輸有著重要影響.因此建立油葵盤與螺旋葉片之間的受力分析，如圖2所示.

1.錐形頭；2.螺旋葉片；3.脫粒滾筒.

圖2中O點為坐標(biāo)原點，x、y為坐標(biāo)軸；Ff為油葵與脫粒螺旋葉片的摩擦力，N；T為法向推力，N；F為摩擦力與推力的合力，N；Dz為脫粒滾筒直徑，mm；α1為油葵盤與螺旋葉片的摩擦角，(°)；β1為螺旋葉片的升角，(°)；θ為圓錐頭的錐角，(°).

為了保證油葵的運輸，需要滿足軸向輸送力大于軸向阻力的要求，即：

(1)

根據(jù)油葵前期試驗，測定油葵與金屬之間存在的摩擦角α1為28°.因此，根據(jù)式(1)油葵在螺旋葉片的輸送下最終需要滿足：

β1<90°-α1=62°

(2)

螺旋葉片的升角對油葵的輸送能力和功率消耗有重要影響.因此，在滿足油葵的輸送能力下，減小螺旋葉片的升角可以有效的降低裝置的功勞消耗.根據(jù)螺旋喂入頭的長度L1和螺旋升角β1的轉(zhuǎn)換公式可以求解出螺旋升角，即：

2.3 過表達(dá)B7-H3對細(xì)胞周期的影響 在腫瘤細(xì)胞中分別瞬轉(zhuǎn)空載體和B7-H3真核表達(dá)載體，于轉(zhuǎn)染48 h及72 h后收集細(xì)胞，用流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞周期變化。結(jié)果如圖3所示，過表達(dá)B7-H3之后，與對照相比，處于G1期的細(xì)胞增多，S期細(xì)胞減少，提示細(xì)胞發(fā)生了G1/S期阻滯。

(3)

式中：S為螺旋導(dǎo)程，mm；K為螺旋頭數(shù).

根據(jù)油葵前期試驗，設(shè)計喂入頭的螺旋頭數(shù)為2頭，螺旋導(dǎo)程為700 mm.因此，得出螺旋喂入頭的長度L1為350 mm，螺旋葉片的升角β1為13.9°.

2.1.2 滾筒的設(shè)計 聯(lián)合收獲機(jī)中脫粒滾筒的直徑能直接影響到脫粒裝置的脫粒效果.若滾筒直徑過小，油葵莖稈會發(fā)生纏繞；若滾筒過大，所需要的功率能耗也將增加[16].因此，滾筒的徑向周長大于莖稈的長度即可，根據(jù)割臺高度，進(jìn)入脫粒系統(tǒng)內(nèi)的莖稈長度最大值為450 mm，設(shè)計脫粒滾筒幅盤直徑D2為450 mm，脫粒元件選擇紋桿，其高度h為95 mm，因此，脫粒滾筒直徑DZ為640 mm.設(shè)計時基于開放縱軸流脫粒滾筒設(shè)計，即主要結(jié)構(gòu)包括喂入頭、幅盤、齒桿、滾筒軸、脫粒元件(紋桿)、脫粒元件連接座 排雜釘齒等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

1.喂入頭；2.紋桿；3.脫粒元件連接座；4.幅盤；5.排雜釘齒.

對于開放軸流式脫粒滾筒，其長度也與脫粒性能有著密切的關(guān)系.脫粒滾筒越長，脫粒效果越佳，但長度過長也會導(dǎo)致功率消耗越大、油葵盤的破損程度越大，給后續(xù)清選作業(yè)帶來了一定負(fù)擔(dān).因此，選擇聯(lián)合收獲機(jī)的常用長度2～3 m，根據(jù)喂入段長度L1為350 mm；排雜段的長度L3需要大于收獲時莖稈位置到葵盤的長度，即L3=340 mm；根據(jù)紋桿脫粒滾筒的設(shè)計手冊，脫粒滾筒的脫粒段L2以及脫粒滾用的總長度L可由下式確定：

(4)

式中：L2為脫粒紋桿的長度，mm；β為草谷比，取0.319；q為喂入量，取2.5 kg/s；qz為每根紋桿單位長度承擔(dān)的喂入量，一般取值范圍為0.7～1.1 kg/(s·m)，本試驗取qz為0.7 kg/(s·m)；n為紋桿根數(shù)，取n為3.

由式(4)可知脫粒段長度即脫粒紋桿的長度L2=1 351 mm，取1 350 mm；脫粒滾筒總長度L=2 041 mm.

由于前期試驗測得油葵的脫粒速度vz為6.5～9.5 m/s，為了保證油葵籽粒全部脫出，取vz=9.5 m/s，根據(jù)式(5)得出脫粒滾筒轉(zhuǎn)速nZ為284 r/min.

(5)

凹板篩作為脫粒裝置的重要組成部分.安裝時與脫粒滾筒保持同軸度安裝.該裝置基于柵格式凹板篩進(jìn)行設(shè)計，如圖4所示.結(jié)構(gòu)上主要包括凹板安裝板、橫條篩條、縱格篩條以及側(cè)弧板.凹板篩的分離取決于凹板篩的包角，包角越大脫粒作業(yè)的空間越大，脫粒效果越佳，但包角過大也會增加安裝的困難，并根據(jù)前期試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)包角大于180°時，脫粒效果增加的并不明顯，因此本研究設(shè)計凹板篩包角為180°.

1.凹板安裝板；2.橫格篩條；3.縱格篩條；4.側(cè)弧板.

在設(shè)計中考慮凹板篩安裝方便性，以及零部件替換方便、制造成本等方面，凹板篩采用分塊制造與設(shè)計，每塊凹板篩的軸向長度為450 mm，安裝在油葵聯(lián)合收獲機(jī)當(dāng)中為3塊，合計凹板篩總長為1 350 mm.根據(jù)前期市場調(diào)研以及預(yù)試驗[17]，設(shè)計凹板篩縱格篩條的間隙為30 mm、橫格篩條每18°焊接一根.

在脫粒過程中，油葵籽粒在凹板篩與脫粒滾筒的作用下發(fā)生碰撞接觸，如圖5所示，此時油葵盤在豎直方向上受力平衡.

圖5 油葵與橫格篩條碰撞接觸示意圖

圖5中O點為坐標(biāo)原點，x、y為坐標(biāo)軸；δ為脫粒滾筒與凹板篩產(chǎn)生的脫粒間隙，mm；F為橫格篩條對油葵的剪切力，N；T為脫粒元件對油葵籽粒的打擊作用力，N；G為油葵的重力，N；d為橫格篩條的直徑，mm；b為油葵盤的厚度，mm；δ為脫粒間隙，mm；θ為紋桿對油葵的打擊作用力T與豎直方向的夾角，(°)；β為橫格篩條對油葵的剪切力F與豎直方向的夾角，(°).

根據(jù)受力分析可知，油葵受到脫粒元件的打擊作用力T、油葵自身的重力G、以及橫格板對油葵的剪切力F，其中不考慮油葵受到的摩擦力，由于油葵在是豎直方向上的受力平衡，其力學(xué)模型為：

(6)

化簡式(6)油葵的受力模型：

(7)

根據(jù)公式(7)以及分析可知，當(dāng)橫格篩條的直徑d增大時，橫格篩條對油葵的剪切力增加、油葵籽粒受到的作用力增大、籽粒破損率隨之增加；反之，當(dāng)橫格篩條的直徑d減小時，橫格篩條對油葵的剪切力減小、油葵籽粒受到的作用力減小、籽粒破損率隨之降低.因此，在設(shè)計凹板篩的時，適當(dāng)降低橫格篩條的直徑，有利于減小油葵受到的剪切力，達(dá)到適當(dāng)降低油葵籽粒的破損率的目的.本研究設(shè)計的橫格篩條的直徑d為3 mm，同時根據(jù)葵盤厚度設(shè)計脫粒間隙δ為24 mm，凹板篩直徑694 mm.

2.3 頂蓋的設(shè)計

在脫粒過程中，油葵籽粒在凹板篩與脫粒滾筒的作用下發(fā)生搓擦，脫粒裝置中頂蓋置于脫粒滾筒的上部，其作用是與脫粒滾筒、凹板篩形成一個脫粒室，防止油葵飛濺.其次，頂蓋上部裝有螺旋導(dǎo)流片，脫粒時引導(dǎo)油葵盤軸向運動，脫粒后的葵盤從排雜段排除.頂蓋的結(jié)構(gòu)主要包括：頂板、螺旋葉片和頂蓋安裝板，如圖6所示.

1.頂板；2.螺旋葉片；3.頂蓋安裝板.

圖6中O點為坐標(biāo)原點，x、y為坐標(biāo)軸；βd為螺旋葉片的升角，(°)；Ld為頂蓋的長度，mm；δd為螺旋葉片的間距，mm.

頂蓋中關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)主要包括導(dǎo)流板的螺旋升角βd、螺旋葉片的間距δd、螺旋葉片的高度hd以及螺旋葉片的個數(shù)Nd.螺旋升角越大，油葵脫粒的脫粒過程越長，脫凈率也會增加，但螺旋升角過大，導(dǎo)致油葵碎物和莖稈碎物增加，給后續(xù)清選帶來了一定的工作負(fù)荷，反之螺旋升角過小會導(dǎo)致油葵脫粒不充分，夾帶損失大；螺旋葉片的間距、高度和數(shù)量對脫粒間隙產(chǎn)生影響，主要影響為脫粒滾筒到頂蓋的間隙不一致，脫粒間隙過大，脫粒效果不佳，反之油葵碎物增加.因此參考市場上現(xiàn)有脫粒裝置中的頂蓋設(shè)計[18-20]，以及上述中油葵沿著螺旋葉片的輸送條件：β1<62°，因此本試驗設(shè)計螺旋葉片的升角βd為20°、螺旋葉片的高度hd為35 mm、螺旋葉片的間距δd為150 mm以及螺旋葉片的數(shù)量Nd為11個.

3 驗證試驗

根據(jù)對油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置的分析與設(shè)計，對該機(jī)進(jìn)行試驗驗證，如圖7所示.試驗對象為新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州阜康市種植的油葵矮大頭 DW667，種植時間為2019年4月20日，2019年9月16日成熟，物料的相關(guān)特性如表2所示.

圖7 試驗現(xiàn)場

表2 物料基本參數(shù)

試驗方法根據(jù)GB/T 5982-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》和GB/T 5982-2005《脫粒機(jī)試驗方法》的要求進(jìn)行，試驗前調(diào)整好機(jī)器工作參數(shù)，即脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速為280 r/min，脫粒間隙為24 mm.試驗重復(fù)3次，每次行走20 m，立標(biāo)桿作為標(biāo)記，脫凈率的測定方法是對葵盤上的未脫下的籽粒進(jìn)行收集、稱質(zhì)量.對于油葵盤上存在干癟的籽粒，不計算在未脫凈的籽粒質(zhì)量當(dāng)中.破損率主要測定方法是破損的籽粒收集和稱質(zhì)量，規(guī)定將所有籽粒中發(fā)生殘缺、橫斷、籽粒破裂(包括果皮破裂但是子葉或胚完整的籽粒)現(xiàn)象的籽粒定義為破損籽粒.試驗結(jié)果如表3所示.

根據(jù)表3試驗結(jié)果，油葵脫粒裝置的平均脫凈率為98.56%，籽粒平均破損率為2.12%，因此該油葵收獲機(jī)脫粒裝置的工作性能較佳，符合我國對油葵的脫粒要求.

表3 試驗驗證值

4 結(jié)論

1) 本研究介紹了油葵聯(lián)合收獲機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理以及重要參數(shù).根據(jù)油葵聯(lián)合收獲機(jī)以及油葵的物料學(xué)特性設(shè)計其脫粒裝置，確定脫粒裝置中脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為280 r/min、滾筒長度為2 041 mm、以及滾筒直徑為640 mm；凹板篩工作長度為1 350 mm，脫粒間隙為24 mm；以及頂蓋中螺旋葉片的升角為20°、葉片的高度為35 mm、葉片間距為150 mm.

2) 通過對油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置的設(shè)計，在確定工作參數(shù)的條件下進(jìn)行田間試驗驗證：即當(dāng)脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速為280 r/min，脫粒間隙為24 mm時，該機(jī)的脫凈率為98.56%、籽粒破損率為2.12%，滿足我國對油葵的脫粒要求.