半喂入花生聯(lián)合收獲機去石清選裝置設(shè)計與試驗*

李豪杰，王青華，李軍浩，張延化

(1. 臨沭縣東泰機械有限公司，山東臨沂，276700； 2. 臨沭縣大興鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東臨沂，276700；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

中國是花生種植的傳統(tǒng)大國，半喂入聯(lián)合收獲是目前花生的主要收獲方式之一。半喂入花生聯(lián)合收獲過程中鮮花生的清選是收獲過程中的重要環(huán)節(jié)，在土壤板結(jié)嚴重或石塊、泥塊過多的種植地塊清選裝置的去石效果直接決定收獲機械的作業(yè)質(zhì)量[1-3]。

關(guān)于花生莢果的清選裝置前人也做過大量工作[4-7]，Gorial等[8]研究了谷物及其秸稈的飄浮速度；高連興等[9]研究了花生脫殼產(chǎn)物、大豆脫出物飄浮速度并設(shè)計雙吸風(fēng)口振動式花生莢果清選裝置；王青華等[10]設(shè)計了花生聯(lián)合收獲機風(fēng)動拋撒清選裝置，然而這些傳統(tǒng)清選裝置都是采用振動篩與氣吸組合式清選，收獲時經(jīng)收獲機摘果后利用振動篩均勻輸送，使氣吸組合將其中地膜、枯葉、秧蔓、沙土等較輕小的雜質(zhì)吸除或吹除，由于鮮花生水分充足質(zhì)量大，當(dāng)土壤板結(jié)或石塊、泥塊過多時，與花生大小相仿的石塊、泥塊就會和花生一同被收獲至糧倉，導(dǎo)致花生含雜率較高。

本文設(shè)計了安裝于半喂入花生聯(lián)合收獲機上的去石清選裝置，采用雙層篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中下層篩分為上行、分離、下行3個區(qū)域，將花生與石塊、泥塊進行分區(qū)處理，同時篩選，通過正交試驗確定裝置安裝參數(shù)，然后將該裝置安裝于4HD-2A半喂入花生聯(lián)合收獲機進行試驗驗證，旨在解決傳統(tǒng)清選裝置無法有效篩除與花生大小相仿的石塊、泥塊等問題，以期降低花生含雜率。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理簡介

1.1 整機結(jié)構(gòu)

4HD-2A型半喂入花生聯(lián)合收獲機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，該機型為履帶自走半喂入式，主要由底盤行走系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、收獲系統(tǒng)、摘果系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、收集系統(tǒng)組成。

1.2 整機工作原理

如圖1所示，收獲機械田間工作時，先由扶禾機構(gòu)將花生秧分開，并把倒伏的秧蔓扶起來后引導(dǎo)至夾持機構(gòu)鏈條入口處，接著通過挖掘機構(gòu)的松土鏟將花生主根松動，此時由前低后高的夾持鏈條夾住花生秧，自前往后輸送。然后，花生秧蔓經(jīng)過清土機構(gòu)，抖落根部大塊泥土及雜物，完成第一道去雜清選；花生秧繼續(xù)往后輸送，經(jīng)對輥差相半喂入摘果系統(tǒng)完成果秧分離；摘完果實的花生秧經(jīng)排秧機構(gòu)整齊有序的排在后方田間，由摘果輥摘下的花生果、草葉、微小薄膜、細小秸稈、頑固的泥塊、石塊等雜物落到清選機構(gòu)上，經(jīng)清選機構(gòu)清選后，雜物篩出，清選好的花生果經(jīng)提升機構(gòu)利用提升機、傳送帶輸送至收集機構(gòu)的糧倉，完成完整步驟的田間收獲工作。

圖1 花生去石清選裝置總機結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of peanut stone cleaning device1.扶禾機械 2.夾持機構(gòu) 3.收集機構(gòu) 4.提升機構(gòu)5.排秧機構(gòu) 6.清選機構(gòu) 7.清土機構(gòu) 8.挖掘機構(gòu)

1.3 去石清選裝置結(jié)構(gòu)組成與工作原理

如圖2所示，該裝置主要由上閥門、下層篩、上擺臂、機構(gòu)支架、上層篩、偏心軸、支臂、下擺臂及動力傳動裝置組成。其中，上、下擺臂分別位于篩體兩側(cè)，兩者長度不等使篩體傾斜一定角度，在偏心軸的往復(fù)運動下，將下層篩分成上行區(qū)、分離區(qū)、下行區(qū)3個區(qū)域，上閥門位于下層篩的上行區(qū)；大石塊排出口位于上層篩的下方；花生出料口位于下層篩下行區(qū)。

該裝置工作時，由收獲機鏈輪帶動傳動裝置運作，經(jīng)收獲大架上的摘果系統(tǒng)將花生與其中摻雜的石塊、泥塊，全部通過輸送機構(gòu)輸送并散落在清選裝置的上層篩，其中大石塊直接從上層篩底部的大石塊排出口篩出，其余花生及與其大小、質(zhì)量相仿的石塊、泥塊則由上層篩的網(wǎng)孔落入下層篩的分離區(qū)，花生與石塊、泥塊進行初步分離，直徑小于10 mm的石塊、泥塊則會由下層篩的網(wǎng)孔直接落到地面，剩余的石塊、泥塊由于質(zhì)量、密度以及數(shù)量遠遠小于花生的數(shù)量等物理因素，在偏心軸的往復(fù)運動下，石塊、泥塊分布在花生莢果下方并沿篩網(wǎng)向上移動，進入上行區(qū)經(jīng)上閥門篩出，其余干凈花生則浮在石塊、泥塊上方，由于自身數(shù)量多且篩體傾斜一定角度，堆積過多的花生莢果流入下行區(qū)，經(jīng)花生出料口篩出后通過輸送帶收集至糧倉。

圖2 去石清選裝置結(jié)構(gòu)組成Fig. 2 Structure composition of stone removal andcleaning device1.純凈花生收集筐 2.上層篩 3.機構(gòu)支架 4.上擺臂 5.下層篩6.小石塊收集筐 7.偏心軸 8.支臂 9.下擺臂 10.大石塊收集筐11.花生出料口 12.大石塊排出口 13.動力傳動裝置 14.上閥門

2 花生去石清選裝置關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計

篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，根據(jù)花生聯(lián)合收獲機尺寸確定的篩體尺寸，總長1 683 mm、寬550 mm、高1 010 mm，由上、下兩層篩網(wǎng)組成，開口設(shè)計為雙開口，上層篩網(wǎng)開口向外，下層篩網(wǎng)開口向內(nèi)，此設(shè)計為增加清選裝置的吞吐量，底部由三根承重架支撐確保篩體不變形。根據(jù)花生外形、品種等條件，經(jīng)過多次試驗篩選，確定了網(wǎng)孔形狀為方形、條形、圓形時物料流動性相對其他異形網(wǎng)孔較高。當(dāng)網(wǎng)孔為方形時試驗基本不會出現(xiàn)卡住花生及土塊堵塞等問題，適用于花生類作物篩選，篩網(wǎng)尺寸則由花生品種決定。本地主要種植的花生品種為花育22號，根據(jù)該花生外形物理尺寸對石塊進行定義，直徑大于20 mm為大石塊、10～20 mm的為小石塊，所以在設(shè)計方面，上層篩網(wǎng)邊長為20 mm，下層篩網(wǎng)邊長為10 mm，使花生更好的實現(xiàn)與石塊、泥塊的分離運動，當(dāng)花生品種發(fā)生變化可根據(jù)花生尺寸調(diào)整網(wǎng)孔大小。

圖3 半喂入花生聯(lián)合收獲去石清選裝置篩網(wǎng)參數(shù)圖Fig. 3 Screen parameter diagram of peanut stoneremoval and cleaning device1.花生出料口 2.承重架 3.上閥門 4.大石塊排出口

2.2 偏心軸設(shè)計

偏心軸結(jié)構(gòu)如圖4所示，該裝置工作時，通過花生聯(lián)合收獲機獲得動力后經(jīng)減速箱減速輸送至主介軸，帶動偏心鏈輪轉(zhuǎn)動，通過拉桿帶動擺動臂進行往復(fù)運動，使偏心軸工作，經(jīng)過試驗獲得兩臂夾角為20°時傳動的性能最佳，從而使篩底軸帶動篩體運動，連接桿可以用來調(diào)節(jié)與篩體的角度，從而確定篩體的前后行程。

該偏心軸設(shè)計巧妙的地方在于拉桿可以自由張緊調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)前后兩個軸之間的中心距離，可以改變篩體的傾斜角度，方便隨時調(diào)整。軸承盒當(dāng)中使用UC206球面軸承，該軸承可以自由轉(zhuǎn)動，有效的防止當(dāng)拉桿傾斜時對軸承的損壞。在圖中遮擋處擺動軸上安裝兩處限位，可以使篩體運動時不會偏移位置。

圖4 偏心軸結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of eccentric shaft1.軸承座 2.擺動軸 3.擺動臂 4.軸承盒 5.拉桿6.連接桿 7.篩底軸 8.偏心鏈輪 9.主介軸 10.偏心軸

3 試驗與分析

3.1 材料與方法

正交試驗于2020年10月在山東省臨沭縣某公司研發(fā)車間進行(圖5)，試驗對象為當(dāng)?shù)刂饕N植的花育22號鮮花生，且試驗對象受土壤墑情、環(huán)境墑情影響不大，與實際田間試驗幾乎無誤差影響。試驗前準備的條件如下：將花生、大石塊、小石塊按照7.5∶1.5∶1的比例進行調(diào)整，以4HD-2A傳送系統(tǒng)模擬鮮花生正常收獲形式，持續(xù)向傳送系統(tǒng)投入，輸送至半喂入花生聯(lián)合收獲機去石清選裝置中進行正交試驗，以此計算含雜率。

圖5 半喂入花生聯(lián)合收獲機去石清選裝置試驗現(xiàn)場圖Fig. 5 Experimental site diagram of peanut stoneremoval and cleaning device

3.2 正交試驗與分析

半喂入花生聯(lián)合收獲機去石清選裝置：以花育22號品種花生為參考，分別進行單因素試驗，篩網(wǎng)安裝角10°～13°，篩選頻率設(shè)定為3.8～4.2 Hz，前后行程16～24 mm時流動性、分區(qū)性、吞吐量最佳，可有效實現(xiàn)花生與雜質(zhì)分區(qū)清選。其中無論是角度、頻率、行程任何一個因素超出或小于該范圍都會導(dǎo)致花生出現(xiàn)堆積在篩面上方不流動或直接從篩網(wǎng)出口流出等問題，所以網(wǎng)孔形狀、篩選頻率、篩網(wǎng)安裝角度、前后行程，這些因素直接影響其去石清選能力，以含雜率及損失率為考察指標，進行正交試驗，其中含雜率及損失率計算公式[11-12]如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：PS——總損失率，%；

MS——測區(qū)內(nèi)損失花生的質(zhì)量，kg；

Mh——測區(qū)內(nèi)果箱中收獲花生質(zhì)量，kg；

PZ——含雜率，%；

MZ——測區(qū)內(nèi)果箱中雜質(zhì)的質(zhì)量，kg。

按正交試驗表L9(34)進行正交試驗，因素水平安排如表1所示。試驗結(jié)束以大石塊出口質(zhì)量、小石塊出口質(zhì)量、花生出料口接料質(zhì)量，計算含雜率與損失率。每10 min記錄一次試驗數(shù)據(jù)，取10次試驗數(shù)據(jù)取平均值作為最終試驗結(jié)果。

表1 裝置正交試驗因素水平Tab. 1 Orthogonal test factor level of peanut stoneseparation device

根據(jù)上述試驗結(jié)果，以含雜率及損失率為考察指標的正交試驗中，由表2可知含雜率與損失率兩個指標最后得出的優(yōu)方案一致，A水平極差最低是對試驗影響最小的因素，A取2水平為好，B水平極差小于C和D，對試驗影響比C和D都小，B取3水平為好，C和D兩個因素的極差都很大，是對試驗影響很大的兩個因素，還可知，C取第2水平為好，D取第1水平為好，綜合考慮，網(wǎng)孔形狀為方形、篩網(wǎng)安裝角度為13°、頻率設(shè)定在4.0 Hz、前后行程為16 mm時工作效率最佳。但由于正交試驗方案中沒有該優(yōu)方案，因此將該優(yōu)方案進行試驗驗證，按照優(yōu)方案調(diào)整花生去石清選裝置參數(shù)進行試驗，重復(fù)試驗10次，取平均值，得到優(yōu)方案的花生去石清選裝置含雜率為3.82%，損失率為1.28%，小于表2中所有正交試驗結(jié)果[13-17]。因此，正交試驗得到的優(yōu)方案是花生去石清選裝置最優(yōu)的工作參數(shù)。

表2 正交試驗結(jié)果Tab. 2 Analysis of orthogonal test results

3.3 對比試驗與分析

目前傳統(tǒng)的半喂入花生聯(lián)合收獲機的清選方式主要是通過振動篩與氣吸組合式清選，將花生與雜質(zhì)振動拋空，然后通過大功率風(fēng)機將雜質(zhì)吹出、或者吸附清除，此類清選方式在針對地膜、枯葉、癟果等雜質(zhì)效果理想，但花生中如果摻雜與花生質(zhì)量、大小相仿的石塊、泥塊時清選效果不理想。

為進一步驗證該去石清選裝置的實際工作效果與傳統(tǒng)清選裝置效果的差異，選用的試驗田土壤含水率為11.1%，土壤硬度130 kPa，花生品種為花育22號，秧高平均44 cm，單株結(jié)果數(shù)平均為24個，平均行距為235 mm，以單壟雙行種植模式種植，埋果深度小于20 cm，為確保試驗條件相同，試驗前均勻向田間拋撒一定數(shù)量的大、小型石塊、泥塊[18-20]。

將去石清選裝置安裝至4HD-2A半喂入花生聯(lián)合收獲機，由表2正交試驗可知安裝參數(shù)，按照網(wǎng)孔形狀為方形，篩網(wǎng)安裝角度為13°，頻率設(shè)定在4.0 Hz，前后行程為16 mm，安裝好后調(diào)試為最佳工作狀態(tài)進行田間試驗，分別計時記錄10次數(shù)據(jù)取平均值。

通過表3對比試驗數(shù)據(jù)，可直觀的體現(xiàn)出，試驗結(jié)果除雜率約為3.47%，損失率約為1.21%，花生含雜率由傳統(tǒng)清選裝置的13%降低到3%左右，除雜率是傳統(tǒng)清選裝置的4倍左右，同時損失率也降低了0.75%。同時符合上述表2正交試驗結(jié)果，可以說明該優(yōu)方案的參數(shù)理論具有可靠度。

表3 田間對比試驗結(jié)果Tab. 3 Field comparative test results

4 結(jié)論

1) 針對傳統(tǒng)清選裝置無法有效篩除與花生大小相仿的石塊、泥塊等問題，本文對篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行了分析，設(shè)計了一種去石清選裝置，通過采用雙層篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)、利用前后搖臂的長度差、偏心軸往復(fù)運動，使下層篩形成了上行、分離、下行3個區(qū)域，可將花生與石塊、泥塊進行分區(qū)處理，同時篩選。

2) 通過分析影響篩選效率的主要因素是網(wǎng)孔形狀、頻率、篩網(wǎng)安裝角度、前后行程，經(jīng)過正交試驗得出最優(yōu)參數(shù)組合：網(wǎng)孔形狀為方形，篩網(wǎng)安裝角度為13°，前頻率設(shè)定4.0 Hz，前后行程為16 mm時工作效率最佳。

3) 以正交試驗的最優(yōu)方案進行試驗，重復(fù)記錄10組試驗取平均值得含雜率為3.82%，損失率為1.28%，然后與傳統(tǒng)清選裝置進行實際田間對比試驗，得傳統(tǒng)清選裝置的含雜率約為13.17%，損失率約為1.96%，該去石清選裝置的含雜率為3.47%，損失率為1.21%，除雜率是傳統(tǒng)清選裝置的4倍左右，損失率減少了0.75%。