4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

倪有亮，金誠(chéng)謙,2，王廷恩，周 磊，劉 政

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

倪有亮1，金誠(chéng)謙1,2※，王廷恩3，周 磊4，劉 政1

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大豆機(jī)械化生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014；2. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000；3. 臨沂鑫匯農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，臨沂 276000；4. 中國(guó)科協(xié)培訓(xùn)和人才服務(wù)中心，北京 100089）

為實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)大豆大田生產(chǎn)低損收獲同時(shí)兼顧大豆育種小區(qū)收獲，該研究設(shè)計(jì)了4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)，針對(duì)大豆成熟期易炸莢的特性，分析了大豆撥禾作業(yè)過(guò)程，建立了撥禾輪結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)求解模型，并對(duì)撥禾輪半徑、撥禾速度比、撥禾輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；針對(duì)大豆結(jié)莢低、收割易鏟土的特性，分析了大豆籽粒尺寸參數(shù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并對(duì)割臺(tái)除土機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；針對(duì)大豆成熟期易脫粒、易破碎特性，對(duì)脫粒分離裝置、清選裝置和氣力卸糧裝置進(jìn)行優(yōu)化；針對(duì)育種小區(qū)收獲要求，建立了清種裝置曲柄搖桿機(jī)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)模型，確定了清種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。分別進(jìn)行大田生產(chǎn)和育種小區(qū)收獲試驗(yàn)，結(jié)果表明，大豆大田生產(chǎn)收獲的損失率<3.5%，破碎率<1.5%，含雜率<1.0%；大豆育種小區(qū)收獲的損失率<3.0%，破碎率<1.5%，含雜率<1.0%，混種率<0.2%，清種時(shí)間200～270 s，滿足大豆大田生產(chǎn)和育種小區(qū)收獲作業(yè)要求。與現(xiàn)有大豆收獲機(jī)械相比，4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)收獲損失率降低1.5～5.0個(gè)百分點(diǎn)、破碎率降低3.5～6.5個(gè)百分點(diǎn)、含雜率降低2.0～7.0個(gè)百分點(diǎn)，研究結(jié)果可為后續(xù)大豆收獲機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；收獲；大豆；小區(qū)育種；優(yōu)化；清種

0 引 言

大豆是油脂和優(yōu)質(zhì)植物蛋白的主要來(lái)源，是我國(guó)重要的糧油作物、戰(zhàn)略物資[1-2]。2021年中國(guó)大豆播種面積約930萬(wàn)hm2，種植規(guī)模逐年增加，但生產(chǎn)效益較低，與之配套的育種和大田機(jī)械化生產(chǎn)體系不完善，尤其是大豆機(jī)械化收獲水平總體比較落后[3]，制約了大豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中國(guó)南方和黃淮海地區(qū)大豆專用收獲機(jī)嚴(yán)重缺乏，目前主要利用稻麥聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行部分作業(yè)參數(shù)調(diào)整后收獲大豆，收獲質(zhì)量差、破碎率高、損失大[4-5]；大豆育種小區(qū)收獲仍主要依靠人工或固定式脫粒機(jī)[6-7]，作業(yè)效率低，限制了小區(qū)育種規(guī)模。

近年來(lái)，大豆收獲技術(shù)和裝備研究逐漸得到重視，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以诖蠖故斋@技術(shù)上進(jìn)行了大量研究并取得了一定進(jìn)展。大豆收獲割臺(tái)方面，解鴻儒等設(shè)計(jì)了一種大豆專用勻流輸送割臺(tái)，在割刀與攪龍之間設(shè)計(jì)了輔助喂入裝置，利用輸送帶實(shí)現(xiàn)大豆主動(dòng)喂入[8]；袁玲合等設(shè)計(jì)了一種大豆機(jī)械式切割機(jī)構(gòu)，并對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行了仿真優(yōu)化[9]；Ni等設(shè)計(jì)了一種大豆液壓仿形割臺(tái)，優(yōu)化了基于土壤-機(jī)器互作機(jī)理的割臺(tái)高度自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)[10]；金誠(chéng)謙等對(duì)大豆收獲機(jī)割臺(tái)仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[11]。大豆收獲脫粒裝置方面，康家鑫等設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱可調(diào)式凹板篩，確定了脫粒間隙調(diào)整量，實(shí)現(xiàn)滾筒雙側(cè)脫粒間隙可調(diào)[12]；陳艷普等設(shè)計(jì)了一種大豆縱軸流雙螺旋滾筒，并對(duì)脫出物分布規(guī)律進(jìn)行了研究[13-14]；金誠(chéng)謙等研究了不同脫粒滾筒結(jié)構(gòu)形式對(duì)大豆收獲質(zhì)量影響規(guī)律，確定了不同含水率條件下脫粒元件選用和最優(yōu)脫粒作業(yè)參數(shù)匹配[15]；Teng等設(shè)計(jì)了一種脫粒面積可調(diào)式脫粒系統(tǒng)，通過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)凹板篩閉合面積實(shí)現(xiàn)大豆脫粒強(qiáng)度調(diào)控[16-17]；楊歡等針對(duì)西南丘陵地區(qū)大豆收獲，設(shè)計(jì)了一種小喂入量縱軸流脫粒裝置，并通過(guò)多因素試驗(yàn)優(yōu)化了滾筒轉(zhuǎn)速和導(dǎo)向板升角[18]。大豆收獲清選裝置方面，劉鵬等設(shè)計(jì)了一種作業(yè)參數(shù)可檢測(cè)可調(diào)控的清選系統(tǒng)，進(jìn)行了不同清選篩對(duì)大豆清選適應(yīng)性試驗(yàn)，優(yōu)化了大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選作業(yè)參數(shù)[19-21]；高連興等基于大豆脫粒機(jī)設(shè)計(jì)了一種氣力清選循環(huán)裝置，通過(guò)漂移速度試驗(yàn)確定了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)篩頻率[22]。大豆育種小區(qū)方面，目前仍采用人工收割、脫粒機(jī)脫粒的收獲方式，李若曦等提出了一種切流式大豆育種脫粒機(jī)結(jié)構(gòu)[23]；侯守印等設(shè)計(jì)了一種立式軸流大豆育種專用脫粒機(jī)，并對(duì)脫粒、分離、清選裝置的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化[24]。

針對(duì)南方和黃淮海地區(qū)大豆大田生產(chǎn)收獲問(wèn)題，兼顧大豆育種小區(qū)收獲，本文設(shè)計(jì)了4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)，對(duì)六輻偏心撥禾輪、割臺(tái)除土機(jī)構(gòu)、脫粒分離裝置、清選裝置、清種裝置和氣力卸糧裝置進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在大豆收獲機(jī)上開發(fā)集成育種小區(qū)收獲所需的清種裝置，以提高清種效率、降低含雜率，并分別進(jìn)行大田生產(chǎn)和育種小區(qū)收獲試驗(yàn)，以期為大豆收獲機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)主要由割臺(tái)、中間輸送裝置、脫粒分離裝置、清選裝置、籽粒升運(yùn)器、復(fù)脫升運(yùn)器、糧箱、清種裝置和底盤等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。大豆收獲作業(yè)時(shí)，大豆被割刀切割后經(jīng)由撥禾輪撥入割臺(tái)內(nèi)部，通過(guò)割臺(tái)喂入攪龍將大豆植株輸送至中間輸送裝置，并通過(guò)中間輸送裝置將大豆植株輸送至脫粒分離裝置，單縱軸流脫粒滾筒脫分作業(yè)后，大豆籽粒和雜余落在清選裝置篩面上進(jìn)行清選作業(yè)，雜余和秸稈分離出收獲機(jī)，大豆籽粒落入水平籽粒螺旋輸送器，并通過(guò)籽粒升運(yùn)器輸送至糧箱；部分雜余和未脫凈豆莢進(jìn)入水平雜余螺旋輸送器，通過(guò)復(fù)脫升運(yùn)器再次輸送至脫粒滾筒前段進(jìn)行二次脫粒；收獲完成或糧箱裝滿后，通過(guò)氣力卸糧裝置卸糧。對(duì)于大豆育種小區(qū)收獲、種子收獲等對(duì)品種一致性要求高的作業(yè)場(chǎng)景，利用清種裝置，放出殘留在水平籽粒螺旋輸送器和水平雜余螺旋輸送器中的大豆，完成清種，避免漏種、混種。

1.割臺(tái) 2.操控臺(tái) 3.糧箱 4.籽粒升運(yùn)器 5.復(fù)脫升運(yùn)器 6.撥禾輪 7.中間輸送裝置 8.底盤 9.側(cè)圓孔凹板篩 10.清種裝置 11.清選裝置 12.脫粒分離裝置

表1 4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)主要參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 割臺(tái)

2.1.1 六輻偏心撥禾輪

大豆成熟期易炸莢，撥禾輪轉(zhuǎn)速過(guò)大，豆莢在撥禾過(guò)程易受力炸裂，造成極大的割臺(tái)損失，故撥禾過(guò)程需要低轉(zhuǎn)速作業(yè)；大豆結(jié)莢位置低，底部結(jié)莢離地高度小，貼地收割時(shí)需要將整株大豆同步撥入割臺(tái)，因此需要較高的撥禾頻率。現(xiàn)有五輻撥禾輪收獲大豆時(shí)需采用較高的轉(zhuǎn)速，撥禾線速度過(guò)大造成大豆損失嚴(yán)重。為兼顧低轉(zhuǎn)速、高頻率的撥禾作業(yè)，本文設(shè)計(jì)了六輻偏心撥禾輪，并對(duì)彈齒排布參數(shù)、撥禾輪結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。六輻偏心撥禾輪主要由彈齒壓板、尼龍彈齒、主六邊輻盤、主軸、尼龍卡套、曲柄、副六邊輻盤、偏心環(huán)和輻條等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.彈齒壓板 2.尼龍彈齒 3.主六邊輻盤 4.主軸 5.尼龍卡套 6.曲柄 7.副六邊輻盤 8.偏心環(huán) 9.輻條

4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)主要針對(duì)南方和黃淮海及育種小區(qū)地塊設(shè)計(jì)，大豆行距約350～400 mm，一次完成4行大豆收獲，收獲寬度約1 400～1 600 mm，兼顧整機(jī)尺寸配置，割臺(tái)作業(yè)幅寬設(shè)計(jì)為1 500 mm，彈齒壓板長(zhǎng)度=1 300 mm。為提高大豆植株喂入成功率，減少漏枝、掉枝，同時(shí)降低彈齒對(duì)大豆植株過(guò)度撥禾，需要合理設(shè)計(jì)彈齒排布數(shù)量。

試驗(yàn)測(cè)試了國(guó)內(nèi)主要大豆品種植株性狀參數(shù)，其平均值如表2所示。

表2 主要大豆品種植株物理性狀參數(shù)

收割時(shí)，為確保大豆植株受到扶禾作用，在大豆蓬徑范圍內(nèi)至少有一個(gè)尼龍彈齒撥禾，即大豆植株蓬徑d大于相鄰尼龍彈齒中心距Δ1；同時(shí)，對(duì)于蓬徑較大的植株，為減少多個(gè)彈齒對(duì)植株撥禾打擊造成落粒損失，蓬徑內(nèi)應(yīng)少于3個(gè)彈齒撥禾，即d<2Δ1，依據(jù)表2測(cè)量的數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)計(jì)的尼龍彈齒寬度為40 mm，故有：

式中Δ1為相鄰尼龍彈齒中心距，mm；為彈齒數(shù)量；dmin為最小蓬徑，mm，取試驗(yàn)采集的大豆品種中平均蓬徑的最小值，即85 mm；dmax為最大蓬徑，mm，取試驗(yàn)采集的大豆品種中平均蓬徑的最大值，即138 mm。

綜合考慮彈齒壓板尺寸和彈齒布局，取Δ1=73 mm，=17。

撥禾輪與螺旋扒指輸送器、割刀在割臺(tái)的分布關(guān)系如圖3所示，尼龍彈齒撥禾作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈長(zhǎng)幅擺線形態(tài)，根據(jù)現(xiàn)有研究[25]，撥禾輪的尼龍彈齒在1下段弧線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，大豆植株由割刀切割后受力向螺旋扒指輸送器運(yùn)動(dòng)，直接撥禾的長(zhǎng)度l1為

式中為撥禾輪半徑，m；為撥禾速度比。

1.撥禾輪 2.螺旋扒指輸送器 3.割臺(tái)后壁 4.三角死區(qū) 5.割刀

1.Reel 2.Spiral finger conveyor 3.Header rear side panel 4.Triangle dead zone 5.Cutter

注：為撥禾輪半徑，m；1為輸送器外圓半徑，m；l為三角形“死區(qū)”到輸送器端部的距離，m；l為割刀到輸送器中心軸距離，m；1為撥禾輪彈齒壓板運(yùn)動(dòng)軌跡所形成線圈的最大橫弦，m。

Note:is the radius of the reel, m;1is the outer radius of the spiral finger conveyor, m;lis the distance from the triangle dead zone to the end of the spiral finger conveyor, m;lis the distance from the cutter to the central axis of the spiral finger conveyor, m;1is the maximum transverse chord of the coil formed by the movement track of the spring tooth plate of the reel, m.

圖3 撥禾輪運(yùn)動(dòng)示意圖

Fig.3 Reel movement diagram

在撥禾輪、割刀和螺旋輸送器之間形成三角形“死區(qū)”，大豆植株若切割后堆放在“死區(qū)”內(nèi)，不利于向后輸送，造成堆積；同時(shí)，收割作業(yè)時(shí)，為減少撥禾輪打擊豆莢致使其炸裂，撥禾輪尼龍彈齒應(yīng)調(diào)節(jié)為豎直方向插入大豆植株內(nèi)，撥禾作用點(diǎn)在切斷后大豆植株的重心位置上下，即撥禾作業(yè)過(guò)程，重心移動(dòng)距離近似與1長(zhǎng)度相等。為保障大豆植株在割臺(tái)順利輸送、避免切割后大豆植株從割臺(tái)滑落，大豆重心應(yīng)移動(dòng)至“死區(qū)”中心位置，即大豆植株直接撥禾作業(yè)段l1應(yīng)大于三角形“死區(qū)”到輸送器端部的距離l的一半，即l1>l/2，建立參數(shù)求解模型：

根據(jù)團(tuán)隊(duì)前期試驗(yàn)研究結(jié)果[21,26]，大豆收獲機(jī)合理收獲作業(yè)速度在1.0～1.6 m/s，撥禾輪合理轉(zhuǎn)速n在30～38 r/min，l取測(cè)試大豆品種最小值0.458 m，在收獲作業(yè)時(shí)調(diào)至0.05 m?？紤]大豆植株平均高度以及大豆撥禾過(guò)程易炸莢特性，割臺(tái)前端適當(dāng)加長(zhǎng)，設(shè)計(jì)l=0.48 m，螺旋扒指輸送器采用現(xiàn)有成熟產(chǎn)品，半徑1=0.25 m。利用MATLAB編程建模求解，取=0.52 m，=1.6，此時(shí)n=35 r/min，v=1.2 m/s。

2.1.2 除土機(jī)構(gòu)

大豆是低結(jié)莢作物，底莢高度通常在11～18 cm[10]，收獲過(guò)程割臺(tái)貼地行走，割刀離地高度通常要求在5 cm左右，割刀易鏟土帶入割臺(tái)，大豆收獲輸送過(guò)程，籽粒與土粒黏附，嚴(yán)重影響大豆收獲品質(zhì)。因此，需要在大豆植株進(jìn)入脫粒室前，進(jìn)行除土，如圖4所示，在割臺(tái)、中間輸送裝置底部設(shè)計(jì)了除土機(jī)構(gòu)。

注：lk1為篩板長(zhǎng)條孔寬度，mm；lk2為篩板長(zhǎng)條孔長(zhǎng)度，mm。

割臺(tái)除土機(jī)構(gòu)主要由篩板、彈簧卡扣、長(zhǎng)條孔、R型銷、套筒和銷軸等組成，長(zhǎng)條孔寬度直接影響割臺(tái)除土性能，寬度過(guò)大，易造成割臺(tái)處大豆籽粒損失；寬度過(guò)小，土粒難以漏出，除土功能不佳，故需要充分研究大豆籽粒尺寸參數(shù)分布，合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)條孔寬度。

大豆籽粒近似為一個(gè)不等邊橢球體，其在長(zhǎng)軸、短軸、極軸的直徑分別定義為大豆籽粒的長(zhǎng)度、寬度、高度，試驗(yàn)測(cè)試采集了國(guó)內(nèi)主要大豆品種中黃13、中黃37和冀豆21的籽粒尺寸參數(shù)，測(cè)量值范圍如表3所示。

表3 主要大豆品種籽粒尺寸參數(shù)

2.2 脫粒分離裝置

大豆成熟期易脫粒、易破碎，傳統(tǒng)的釘齒脫粒滾筒對(duì)大豆脫粒破碎較大，本文結(jié)合大豆作物特性和脫粒作業(yè)要求，對(duì)大豆脫粒分離裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，大豆脫粒分離裝置主要由單縱軸流脫粒滾筒、圓孔凹板篩、脫粒滾筒頂蓋和傳動(dòng)裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.脫粒滾筒頂蓋 2.側(cè)圓孔凹板篩 3.單縱軸流脫粒滾筒 4.圓孔凹板篩 5.固定架 6.傳動(dòng)裝置 7.導(dǎo)流板角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2.2.1 單縱軸流脫粒滾筒

大豆單縱軸流脫粒滾筒采用閉式滾筒結(jié)構(gòu)，主要由滾筒轉(zhuǎn)軸、螺旋喂入頭、閉式滾筒外殼、調(diào)節(jié)口、脫粒弓齒、分離釘齒等主要部件組成，功能上主要分為喂入段、脫粒段和分離段，大豆植株通過(guò)喂入段進(jìn)入脫粒室，經(jīng)由脫粒段的脫粒弓齒作用完成脫粒作業(yè)，在分離段排出秸稈。

大豆秸稈量較大，莖稈相對(duì)水稻、小麥較粗，傳統(tǒng)開式滾筒脫粒時(shí)，秸稈易纏繞滾筒轉(zhuǎn)軸形成堵塞，故采用閉式滾筒結(jié)構(gòu)。適收期內(nèi)大豆易脫粒、易破碎，脫粒元件采用弓齒結(jié)構(gòu)，對(duì)大豆豆莢、籽粒壓強(qiáng)較小，實(shí)現(xiàn)大豆脫粒功能的同時(shí)，降低了籽粒損傷；在分離段采用活動(dòng)釘齒，占據(jù)分離段空間小，具有較強(qiáng)的秸稈強(qiáng)制排出能力。

1.滾筒轉(zhuǎn)軸 2.螺旋喂入頭 3.閉式滾筒外殼 4.調(diào)節(jié)口 5.脫粒弓齒 6.分離釘齒

傳統(tǒng)脫粒滾筒的脫粒齒多采用等距的排布方式，而大豆成熟期易脫粒，根據(jù)試驗(yàn)觀察，收獲過(guò)程待脫大豆量在軸流滾筒脫粒段軸向逐漸減少、脫粒功耗逐漸降低，脫粒弓齒軸向分布應(yīng)先密后疏，弓齒排布方式如圖 7所示。

注：lt為脫粒段長(zhǎng)度，mm；lf為分離段長(zhǎng)度，mm；xn為第n個(gè)脫粒弓齒到脫粒段邊緣距離，mm。

為滿足大豆脫粒量先密后疏的作業(yè)規(guī)律，脫粒弓齒齒距逐步遞增，設(shè)計(jì)每組脫粒弓齒的齒距差為二階等差數(shù)列：

脫粒段長(zhǎng)度為

2.2.2 凹板篩

成熟期大豆易脫粒，大豆籽粒在脫粒室滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加大豆破碎概率，故需增加凹板篩孔數(shù)量和面積，提高大豆籽粒在凹板篩處的通過(guò)性。如圖8所示，圓孔凹板篩由4塊凹板組成，篩孔直徑25 mm，脫粒間隙20 mm[26]，可通過(guò)更換不同大小的脫粒弓齒實(shí)現(xiàn)脫粒間隙調(diào)節(jié)。

圖8 圓孔凹板篩結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 脫粒滾筒頂蓋

大豆品種較多，不同品種差異大，主要表現(xiàn)在植株高度、成熟期含水率不同。脫粒分離裝置作業(yè)時(shí)，大豆喂入量、含水率直接影響脫分物料的運(yùn)動(dòng)，故將脫粒滾筒頂蓋導(dǎo)流板角度設(shè)計(jì)為可調(diào)，當(dāng)收獲喂入量增加或植株含水率較大時(shí)，為避免脫粒滾筒內(nèi)部堵塞，適當(dāng)增大導(dǎo)流板角度，提高作物流運(yùn)動(dòng)效率和通過(guò)性；當(dāng)收獲喂入量較小、植株含水率較低時(shí)，適當(dāng)減小導(dǎo)流板角度，增加脫粒時(shí)間。

1.導(dǎo)流角度刻度板 2.固定框架 3.導(dǎo)流角度調(diào)節(jié)桿 4.鉸接座 5.導(dǎo)流板 6.導(dǎo)流連桿 7.導(dǎo)流固定板

1.Diversion angle scale plate 2.Fixed frame 3.Diversion angle adjustment rod 4.Hinged base 5.Deflector 6.Deflector rod 7.Deflector fixing plate

注：l為導(dǎo)流角度刻度板長(zhǎng)度，mm；l為鉸接座到導(dǎo)流角度刻度板的距離，mm；N為導(dǎo)流角度刻度板上第個(gè)刻度編號(hào)。

Note:lis the length of the diversion angle scale plate, mm;lis the distance from the hinged base to the diversion angle scale plate, mm;Nis theth scale No. on the diversion angle scale plate.

圖9 導(dǎo)流板角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.9 Structural diagram of the angle adjustment mechanism of the deflector

脫粒滾筒頂蓋主要由蓋板和導(dǎo)流板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，導(dǎo)流板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖9所示，最前端導(dǎo)流板通過(guò)鉸接座、螺栓與導(dǎo)流角度調(diào)節(jié)桿連接，導(dǎo)流板、導(dǎo)流固定板、導(dǎo)流連桿構(gòu)成平行四連桿機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)流角度調(diào)節(jié)桿可實(shí)現(xiàn)所有導(dǎo)流板同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成導(dǎo)流板整體角度調(diào)整；應(yīng)用導(dǎo)流角度刻度板定位導(dǎo)流角度調(diào)節(jié)桿并定量確定導(dǎo)流角度，導(dǎo)流角度調(diào)節(jié)桿位于導(dǎo)流板導(dǎo)流角度刻度板最右側(cè)時(shí)，導(dǎo)流角度最小，向左調(diào)節(jié)導(dǎo)流調(diào)節(jié)桿時(shí)，導(dǎo)流板角度順時(shí)針增加，向右調(diào)節(jié)導(dǎo)流調(diào)節(jié)桿時(shí)，導(dǎo)流板角度逆時(shí)針增加。

2.3 清選裝置

4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)采用葉片風(fēng)機(jī)-組合篩式清選裝置，由葉片風(fēng)機(jī)、抖動(dòng)板、前柵格篩、圓孔篩、指桿篩、后柵格篩等組成（圖10），利用大豆、豆莢及雜余的漂浮系數(shù)不同，通過(guò)氣流吹浮及清選篩抖動(dòng)，將混雜在大豆中的豆莢和雜余排出。當(dāng)大豆植株由清選裝置上方脫粒滾筒脫粒作業(yè)后，大豆籽粒和部分大豆秸稈、豆莢等落在抖動(dòng)板及清選篩篩面上，在振動(dòng)作用下，抖動(dòng)板上的物料不斷在前柵格篩匯合，在氣流及清選篩振動(dòng)作用下進(jìn)行清選。大豆籽粒由前柵格篩、圓孔篩落入水平籽粒螺旋輸送器，雜余混合物經(jīng)過(guò)指桿篩落到后柵格篩前部，同時(shí)葉片風(fēng)機(jī)氣流將雜余混合物疏松翻轉(zhuǎn)，碎秸稈等受氣流作用而漂浮。

1.葉片風(fēng)機(jī) 2.抖動(dòng)板 3.前柵格篩 4.圓孔篩 5.指桿篩 6.后柵格篩 7.水平籽粒螺旋輸送器 8.水平雜余螺旋輸送器

2.3.1 風(fēng)機(jī)

清選風(fēng)機(jī)為軸流葉片風(fēng)機(jī)，采用單風(fēng)道設(shè)計(jì)，葉片數(shù)量為4，葉輪外徑為380 mm，葉輪寬580 mm。

2.3.2 清選篩

篩面長(zhǎng)度L[25]為

2.4 清種裝置

育種小區(qū)相對(duì)大田生產(chǎn)，其種植規(guī)模小、品種多，小區(qū)收獲對(duì)大豆混種要求高，收獲后需要頻繁清種，以減少漏種、混種，本文針對(duì)小區(qū)收獲的清種性能要求，在水平籽粒輸送攪龍、水平雜余輸送攪龍底部等易殘留大豆籽粒且人工難以清理的部位設(shè)計(jì)了清種裝置，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，主要由連接軸、曲柄桿、調(diào)節(jié)把手、篩板調(diào)節(jié)桿、圓孔弧型篩板、連桿、驅(qū)動(dòng)桿等組成。驅(qū)動(dòng)桿與曲柄桿焊裝在連接軸上，篩板調(diào)節(jié)桿與篩板焊合連接構(gòu)成搖桿，篩板鉸接在輸送攪龍外罩上，曲柄桿、連桿、搖桿與圓孔弧型篩板組成一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，向下轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)把手，圓孔弧型篩板向下打開，堆積在輸送攪龍外罩和水平籽粒輸送攪龍內(nèi)的大豆籽粒落下，完成清種；向上轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)把手時(shí)，圓孔弧型篩板向上閉合。

1.輸送攪龍罩 2.水平籽粒輸送攪龍 3.連接軸 4.曲柄桿 5.調(diào)節(jié)把手 6.篩板調(diào)節(jié)桿 7.圓孔弧型篩板 8.連桿 9.驅(qū)動(dòng)桿

為順利完成清種作業(yè)，確保攪龍內(nèi)堆積的大豆完全清理，需要對(duì)清種裝置的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定曲柄、連桿、搖桿長(zhǎng)度，該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖12所示。

注：O為圓孔弧型篩板旋轉(zhuǎn)中心，、為圓孔弧型篩板，A1B1、A2B2為篩板調(diào)節(jié)桿，B1C1、B2C2為連桿，D為連接軸旋轉(zhuǎn)中心，C1D、C2D為曲柄桿，DE1、DE2為驅(qū)動(dòng)桿，E1F1、E2F2為調(diào)節(jié)把手，、是圓孔弧型篩板關(guān)閉和完全打開狀態(tài)時(shí)搖桿角度，(°)。

由此建立該清種裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為

2.5 氣力卸糧裝置

氣力式卸糧裝置主要由糧箱、電機(jī)、傳動(dòng)鏈、卸糧管、滾筒式卸料器、排氣管路、進(jìn)氣管路、旋渦風(fēng)機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)如圖13所示。滾筒式卸料器與糧箱底部相連，卸糧作業(yè)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)卸糧器內(nèi)部滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)后，糧箱內(nèi)部大豆籽粒持續(xù)落入卸料器底部，旋渦風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高壓氣流通過(guò)排氣管道將卸料器底部大豆籽粒吹出，經(jīng)由卸糧管排出卸糧，并可通過(guò)卸糧管直接裝袋或卸至運(yùn)梁車等。

1.糧箱 2.電機(jī) 3.傳動(dòng)鏈 4.卸糧管 5.滾筒式卸料器 6.排氣管路 7.進(jìn)氣管路 8.旋渦風(fēng)機(jī)

團(tuán)隊(duì)前期對(duì)卸料器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)[30-31]，卸料器下端通風(fēng)口直徑d=0.1 m，所需氣流速度v=30 m/s。為提高大豆籽粒通過(guò)性，減少卸料器底部堵塞，需要增加卸糧管內(nèi)的風(fēng)量，旋渦風(fēng)機(jī)相對(duì)離心風(fēng)機(jī)體積小、風(fēng)量大，本文選用旋渦風(fēng)機(jī)，對(duì)風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)、葉輪直徑、葉片數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)[32-34]。

注：hY為葉片高度，mm；DY1為葉輪直徑，mm；DY2為葉輪內(nèi)徑，mm。

3 田間試驗(yàn)

3.1 大田收獲適應(yīng)性試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)條件

為測(cè)試4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)性能，于2021年10月在新疆澤普縣、山東省梁山縣、河北省滄州市進(jìn)行了大田收獲試驗(yàn)。新疆澤普縣試驗(yàn)田大豆無(wú)倒伏，地塊平坦，收獲大豆品種為合豐50號(hào)，千粒質(zhì)量198 g，大豆植株平均高度為502 mm，底莢平均高度95 mm，大豆籽粒含水率11.8%；山東省梁山縣試驗(yàn)田大豆無(wú)倒伏，地塊有一定起伏，收獲大豆品種為齊黃34，千粒質(zhì)量276 g，大豆植株平均高度為707 mm，底莢平均高度239 mm，大豆籽粒含水率12.5%；河北省滄州市試驗(yàn)田大豆無(wú)倒伏，地塊較平坦，收獲大豆品種為冀豆12，千粒質(zhì)量214 g，大豆植株平均高度為513 mm，底莢平均高度135 mm，大豆籽粒含水率14.3%，圖15為部分試驗(yàn)場(chǎng)景。同時(shí)進(jìn)行普通收獲機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)。

圖15 田間試驗(yàn)

3.1.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

依據(jù)《NY/T 738-2020 大豆聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[35]，大豆大田收獲試驗(yàn)以損失率，含雜率0，破碎率0作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，各指標(biāo)計(jì)算如下：

式中W為每平方米的損失大豆質(zhì)量，g；1為每平方米自然落粒的大豆質(zhì)量，g；W為每平方米大豆收獲質(zhì)量，g；W為對(duì)糧箱內(nèi)大豆采樣樣品中雜質(zhì)質(zhì)量，g；W為對(duì)糧箱內(nèi)大豆采樣樣品質(zhì)量，g；W為對(duì)糧箱內(nèi)大豆采樣樣品中破碎籽粒質(zhì)量，g。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)前，根據(jù)地塊作業(yè)工況特點(diǎn)和大豆品種特性、長(zhǎng)勢(shì)，對(duì)大豆收獲機(jī)割臺(tái)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、清選篩開度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速等進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，割臺(tái)高度在5～10 cm，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速在350～400 r/min；收獲機(jī)與大豆待割區(qū)之間預(yù)留15～20 m緩沖區(qū)域，收獲機(jī)經(jīng)過(guò)緩沖區(qū)域加速行駛至1.2～1.6 m/s，并以此速度完成收獲作業(yè)。大田收獲試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 大田收獲試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)總體上作業(yè)效果較好，損失率<3.5%、破碎率<1.5%、含雜率<1.0%，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)低于《NY/T 738-2020 大豆聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定值，與現(xiàn)有普通大豆收獲機(jī)械田間作業(yè)質(zhì)量相比，收獲損失率降低1.5～5.0個(gè)百分點(diǎn)、破碎率降低3.5～6.5個(gè)百分點(diǎn)、含雜率降低2.0～7.0個(gè)百分點(diǎn)。河北滄州試驗(yàn)田作業(yè)條件較好、大豆品種特性、含水率適宜，收獲效果最佳，損失率1.3%、破碎率0.4%、含雜率0.2%；新疆澤普縣大豆品種籽粒較小、含水率低，清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整不當(dāng)造成損失偏高。

3.2 育種小區(qū)收獲性能試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)條件與方法

為測(cè)試4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)在育種小區(qū)試驗(yàn)地的作業(yè)性能，分別于2020年10月、2021年11月在河北省滄州市進(jìn)行小區(qū)收獲試驗(yàn)，每個(gè)育種小區(qū)規(guī)模約為3 m×6 m，小區(qū)內(nèi)種植6行大豆，行距45～50 cm。大豆品種包括滄豆1312、滄豆0734、滄豆1327、滄鮮豆1號(hào)、滄豆1438、滄黑豆2號(hào)、滄豆1301、滄豆1417、滄豆1426、滄豆1329、滄豆1453、滄豆1434、滄豆1418、滄豆11共14個(gè)，其中滄鮮豆籽粒為綠色，滄黑豆籽粒為黑色，其余品種籽粒為黃色。

為辨別收獲后大豆混種情況，間隔收獲黑色、黃色、綠色大豆品種，收獲后通過(guò)顏色區(qū)分前一段滯種情況。

3.2.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照《NY/T 738-2020 大豆聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[33]，大豆小區(qū)收獲作業(yè)質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括損失率，含雜率0，破碎率0，同時(shí)結(jié)合育種科研人員對(duì)大豆小區(qū)收獲作業(yè)要求，補(bǔ)充混種率H1、清種時(shí)間T，計(jì)算如下：

式中2為對(duì)收獲后糧箱內(nèi)大豆采樣樣品的總質(zhì)量，g；W1為對(duì)收獲后糧箱內(nèi)大豆采樣樣品中混雜前一次收獲大豆品種的大豆質(zhì)量，g。

清種時(shí)間T為清理割臺(tái)、水平籽粒螺旋輸送器、水平雜余螺旋輸送器內(nèi)部殘留大豆籽粒所用的總時(shí)間，s。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

育種小區(qū)地塊小、收獲大豆品種多，試驗(yàn)前適當(dāng)調(diào)整大豆收獲機(jī)割臺(tái)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、清選篩開度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速等，割臺(tái)高度在5～10 cm，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速在350～400 r/min；收獲機(jī)與大豆待割區(qū)之間預(yù)留10～15 m緩沖區(qū)域，經(jīng)過(guò)緩沖區(qū)域，收獲機(jī)加速行駛至1.0～1.2 m/s，完成一個(gè)大豆品種收獲后，收獲機(jī)空轉(zhuǎn)3～5 min，盡可能使收獲機(jī)內(nèi)部殘留大豆輸送至糧箱，然后通過(guò)清種裝置清理殘留在割臺(tái)、螺旋輸送器內(nèi)的大豆，記錄清種時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5試驗(yàn)結(jié)果表明，4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)小區(qū)收獲作業(yè)順暢、作業(yè)質(zhì)量較好，能夠?qū)崿F(xiàn)大豆小區(qū)聯(lián)合收獲機(jī)各項(xiàng)作業(yè)功能，其中損失率<3.0%、破碎率<1.5%、含雜率<1.0%，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)低于《NY/T 738-2020 大豆聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定值?；旆N率<0.2%，且14個(gè)小區(qū)品種收獲中有9次試驗(yàn)混種率為0，清種時(shí)間200～270 s，滿足大豆育種小區(qū)收獲作業(yè)要求。

表5 育種小區(qū)收獲試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)，針對(duì)大豆植株性狀和作業(yè)工況特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了六輻偏心撥禾輪、割臺(tái)除土機(jī)構(gòu)、脫粒分離裝置、清選裝置、清種裝置和氣力卸糧裝置等，結(jié)合理論分析、運(yùn)動(dòng)分析、MATLAB參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)撥禾輪直徑、脫粒滾筒直徑、脫粒弓齒排布、卸糧風(fēng)機(jī)直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及撥禾輪轉(zhuǎn)速、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、卸糧風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速等運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）在國(guó)內(nèi)新疆、山東、河北等地進(jìn)行了大田收獲對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：損失率<3.5%，破碎率<1.5%，含雜率<1.0%，4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)大田收獲作業(yè)效果較好，能夠達(dá)到大豆低損收獲要求。

3）在3 m×6 m小區(qū)內(nèi)對(duì)14個(gè)不同大豆品種進(jìn)行收獲測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，損失率<3.0%，破碎率<1.5%，含雜率<1.0%，混種率<0.2%，清種時(shí)間200～270 s，滿足育種小區(qū)收獲作業(yè)指標(biāo)要求。

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Design and experiments of the 4LZ-1.5 soybean combine harvester

Ni Youliang1, Jin Chengqian1,2※, Wang Ting’en3, Zhou Lei4, Liu Zheng1

(1.,,,210014,; 2.,,255000,; 3..,.,276000,; 4.,100089,)

Soybean is one of the most important grains and oil crops in China, due to a major source of oil and high-quality vegetable protein. It is very necessary to realize the low-loss harvest of soybean fields in the southern and Huanghuaihai regions. In this study, a 4LZ-1.5 type combine harvester was designed to consider the harvest of soybean breeding plots. The operation process was also theoretically analyzed for the soybean reel harvesting, according to the soybean pods easy to be fried at maturity. A numerical model was established for the reel structure and motion parameters. Some parameters were then optimized, such as the reel radius, reel speed ratio, and reel rotational speed. After that, the soil removal mechanism was optimized for the soybeans with the low pods and easy-to-shovel soil, according to the statistical parameters of soybean grain size. Furthermore, a soybean threshing and separation device was designed for the easy threshing and breakage of soybeans at maturity. The arrangement and distribution of the arch teeth were also determined via the increasing characteristics of the second-order arithmetic sequence. The angle of the deflector was adjusted for the various input amount. The blade fan-combined screen cleaning device was designed to optimize the structural parameters of the fan and cleaning screen. The pneumatic grain unloading device was designed to optimize the vortex fan. The plot harvesting required the high soybean mixed seeding, particularly for the breeding plot with a small planting scale and many varieties, compared with the field production. Frequent seed cleaning was required after harvesting to reduce the missed and mixed seeding, according to the harvest requirements of the breeding area. An optimization mathematical model was established to develop the seed cleaning device, together with the objective function and constraint conditions. A numerical simulation was then carried out using MATLAB, in order to determine the structural parameters of the seed-cleaning device. A series of comparative experiments in field harvesting were conducted in the Xinjiang Uygur Autonomous Region, Shandong province, and Hebei province of China. The better operating performance was achieved in the 4LZ-1.5 soybean combine harvester: the loss rate < 3.5%, broken rate < 1.5%, and impurity rate < 1%, fully meeting the soybean harvest requirements in most hilly areas. After harvest testing of 14 soybean varieties in a 3 m×6 m breeding plot, the test results were all achieved: the loss rate < 3.0%, broken rate < 1.5%, impurity rate < 1.0%, mixed seed rate < 0.2%, and the clearing time of 200-270 s, fully meeting the requirements of the harvesting operation indicators in the breeding plots. Compared with the existing soybean harvesting machinery, the harvest loss rate of 4LZ-1.5 soybean combine harvester was reduced by 1.5-5.0 percentage points, the broken rate was reduced by 3.5-6.5 percentage points, and the impurity rate was reduced by 2.0-7.0 percentage points. The findings can provide a strong reference for the structural optimization of operating parameters in soybean harvesters.

agricultural machinery; harvesting; soybean; breeding plots; optimization;seed cleaning

倪有亮，金誠(chéng)謙，王廷恩，等. 4LZ-1.5型大豆聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(22)：1-11. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.001 http://www.tcsae.org

Ni Youliang, Jin Chengqian, Wang Ting’en, et al. Design and experiments of the 4LZ-1.5 soybean combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 1-11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.001 http://www.tcsae.org

2022-09-15

2022-10-27

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFD2000500）；國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-04）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（32171911、32272004）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（S202216）

倪有亮，博士，助理研究員，研究方向?yàn)榇蠖箼C(jī)械化收獲技術(shù)與收獲機(jī)械智能控制技術(shù)。Email：764607401@qq.com

金誠(chéng)謙，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇筇镒魑锸斋@機(jī)械化與智能化技術(shù)。Email：412114402@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.001

S225.31

A

1002-6819(2022)-22-0001-11