油莎豆收獲裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 健， 劉文亮， 張 亮， 王新陽， 張煜晗

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春 130022）

0 引言

油莎豆是一種生長在沙地的莎草科一年生塊莖類植物，塊莖呈圓形或橢圓形豆?fàn)?，富含油脂和淀粉，單位面積的出油量是大豆的3～4 倍[1]。吉林省擁有適合油莎豆生長的沙土地資源66.7 萬hm2以上，并且地勢平坦，晝夜溫差大，擁有發(fā)展油莎豆產(chǎn)業(yè)的最佳條件，極具發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢?，油莎豆收獲期較短，量大、水分高，極易發(fā)生霉?fàn)€。油莎豆分蘗能力強(qiáng)，根系直徑可達(dá)30 cm。收獲時(shí)需將10 cm 厚的土壤全部鏟起來，進(jìn)行根、土、豆、草的分離，篩土量巨大，收獲困難。

現(xiàn)有的油莎豆收獲機(jī)多采用傳統(tǒng)的平板振動(dòng)篩式或滾筒篩式分離裝置。平板振動(dòng)篩對水分高尤其是根莖帶綠的油莎豆，篩分過程分離困難，成團(tuán)的籽粒和土、根莖緊實(shí)的粘附于篩面，堵塞篩孔甚至被迫停機(jī)，篩分出的籽粒雜質(zhì)較多，儲(chǔ)存容易霉變。滾筒篩的篩網(wǎng)網(wǎng)眼尺寸固定，物料多時(shí)，篩網(wǎng)網(wǎng)眼堵塞，篩分不及時(shí)，籽粒會(huì)隨著根莖一同排出，造成脫凈率低、夾帶損失率大，嚴(yán)重影響篩分效果。雖已在田間試驗(yàn)，但由于問題比較多，大都不滿足推廣條件[2]。

本文結(jié)合目前吉林省油莎豆的種植模式和農(nóng)藝要求，研制一種高效油莎豆收獲機(jī)，對該機(jī)型的核心部件進(jìn)行研究設(shè)計(jì)和對比試驗(yàn)，分析存在問題并得出結(jié)論，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

在油莎豆收獲機(jī)研制過程中，首先利用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行樣機(jī)模型的建立，確定總體結(jié)構(gòu)。再進(jìn)行各部件的設(shè)計(jì)、分析和方案討論。最后形成圖紙，完成樣機(jī)的組裝和試制試驗(yàn)。該機(jī)主要由機(jī)架、升運(yùn)網(wǎng)鏈裝置、脫粒分離裝置、橫向輸送裝置、逐稿器、清選風(fēng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，可一次性完成油莎豆輸送、脫粒、清選及收集等作業(yè)。所述電機(jī)均采用變頻電機(jī)，其轉(zhuǎn)速可根據(jù)試驗(yàn)要求隨時(shí)調(diào)整。其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 油莎豆收獲機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of Cyperus bean harvester

1.2 工作原理及參數(shù)

工作時(shí)，挖掘出的油莎豆籽粒與雜質(zhì)土、根莖等通過升運(yùn)網(wǎng)鏈進(jìn)行初步篩土后，運(yùn)輸至脫粒滾筒。通過脫粒滾筒軸組件的旋轉(zhuǎn)擊打，籽粒從根莖上分離，土塊也被擊碎，部分碎土經(jīng)脫粒滾筒凹板篩的篩孔落到地面。脫粒后的籽粒、根莖和土壤混合物經(jīng)脫粒滾筒出口拋出落到后方逐稿器上。絕大部分根莖通過逐稿器交替拋送向后運(yùn)動(dòng)，至尾部排落地面。而籽粒、土壤和少部分碎根莖在重力及抖動(dòng)的作用下透過逐稿器上層篩板下落至下層篩板，土壤由下層篩板落回地面，油莎豆籽粒沿下層篩板運(yùn)動(dòng)至橫向輸送機(jī)進(jìn)行收集，而混雜的細(xì)小碎草等雜余由清選風(fēng)機(jī)吹出機(jī)體，從而得到潔凈的油莎豆籽粒。整機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 油莎豆收獲機(jī)主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main design technical parameters of Cyperus bean harvester

2 核心部件設(shè)計(jì)

2.1 輸送分離裝置

該油莎豆收獲機(jī)采用鏈條式升運(yùn)網(wǎng)鏈作為輸送分離裝置，其作用是將收集的油莎豆作物在輸送過程中進(jìn)行初步分離，并將未被分離的物料向后上方輸送到脫粒滾筒內(nèi)。該鏈條式升運(yùn)網(wǎng)鏈在傾角達(dá)到45°時(shí)仍具有良好的輸送能力，而且結(jié)構(gòu)簡單、成本低、分離效果明顯、使用壽命長。

2.2 脫粒分離裝置

脫粒分離裝置是該試驗(yàn)臺(tái)的核心工作部件，采用脫粒滾筒進(jìn)行切流式脫粒，主要部件包括支架、上蓋板、導(dǎo)流板、凹板篩和脫粒軸組件等。其優(yōu)點(diǎn)主要有3 個(gè)方面。①脫粒能力強(qiáng)。該脫粒滾筒通過設(shè)置較低的轉(zhuǎn)速和較大的脫粒間隙，采用弓齒切流式擊打方式，在滾筒旋轉(zhuǎn)3～5 圈后，完成全部脫粒。該結(jié)構(gòu)較好地保持脫粒后根莖的完整，有利于后續(xù)逐稿器排出，提高脫凈率。②分離質(zhì)量好。凹板篩的分離面積大，分離時(shí)間長，且脫粒和分離同時(shí)完成，幾乎全部籽粒都可以分離。③破碎率低。切流式脫粒滾筒速度低、脫粒間隙大，脫粒元件對油莎豆的沖擊力較小，使得油莎豆不會(huì)因機(jī)械作用過強(qiáng)而破碎[3]。

2.2.1 脫粒軸組件

脫粒軸組件是實(shí)現(xiàn)脫粒功能的核心工作部件，主要包括芯軸、軸輥、軸管及弓齒，如圖2 所示。其直徑越大、長度越長，脫粒分離能力越強(qiáng)，效果越好。脫粒軸組件是在4 根軸管上采用正反螺旋方式等距焊接一定數(shù)量弓齒，弓齒與軸管成45°設(shè)置。4 根軸管再通過螺栓，交替均布固定連接于軸輥上。此結(jié)構(gòu)可保證一定的沖擊力，抓取能力強(qiáng)，有效防止纏繞，但脫出物含雜率較高。

圖2 脫粒軸組件結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of threshing shaft assembly

2.2.2 凹板篩

凹板篩除了配合滾筒進(jìn)行脫粒外，還是主要的分離部件，凹板包角、篩孔型式及間隙是影響分離效果的主要因素。隨著包角的增大，分離面積增大，脫凈率越高，漏土功能越強(qiáng)[4]。該油莎豆收獲機(jī)凹板篩弧形面板上等距設(shè)置橢圓形篩孔，篩孔短軸長為油莎豆平均直徑的0.45～0.55 倍，長軸長為油莎豆平均直徑的2.5～3.5 倍，可使籽?？焖俜蛛x、快速漏土，有效減少篩網(wǎng)堵塞。

2.3 清選裝置

清選裝置是油莎豆脫粒清選試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，其功能是將脫粒滾筒分離出來的油莎豆中的大量根莖和土壤清理干凈。清選裝置主要由逐稿器和風(fēng)機(jī)組成。

2.3.1 逐稿器

該機(jī)采用雙層多階4 箱式逐稿器。逐稿器上下兩層篩板上設(shè)置有橢圓孔，其中上層篩板橢圓孔的短軸長為油莎豆平均直徑的1.5 倍左右，長軸長為油莎豆平均直徑的2.5～3.5 倍；下層篩板橢圓孔的短軸長為油莎豆平均直徑的0.5 倍，長軸長為油莎豆平均直徑的2.5～3.5 倍。采用多階4 箱式結(jié)構(gòu)，通過不斷往復(fù)交錯(cuò)的拋送運(yùn)動(dòng)，可加快草在上層篩板的運(yùn)動(dòng)速度，最后經(jīng)逐稿器末端排落田間。而下層篩板可將油莎豆中土壤和細(xì)小雜草二次篩分，最終達(dá)到分離根、葉、莖的作用。該結(jié)構(gòu)分離能力強(qiáng)，效率高，最大程度簡化了結(jié)構(gòu)，有效解決分離困難、易纏繞、堵塞的問題[5]。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 逐稿器結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of manuscript beater

2.3.2 風(fēng)機(jī)

該機(jī)采用離心式風(fēng)機(jī)，設(shè)有風(fēng)量、風(fēng)向調(diào)節(jié)板。當(dāng)氣流吹送方向與篩面成20°～25°時(shí)，并保證風(fēng)扇出氣管道吹著篩面在長度方向的范圍應(yīng)為篩子全長的2/5～3/5，能較好適應(yīng)雜余根莖的流量情況，有效清除根莖碎屑等雜余，處理能力強(qiáng)，可保障籽粒的清潔度[6]。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該油莎豆收獲機(jī)試驗(yàn)內(nèi)容主要包括分離試驗(yàn)和清選試驗(yàn)，試驗(yàn)對象為人工挖掘的油莎豆，試驗(yàn)設(shè)備主要包括傳送帶、土壤水分測量儀、數(shù)字式高精度轉(zhuǎn)速儀器、高速攝像機(jī)、米尺、秒表、電子秤、油莎豆收獲機(jī)樣機(jī)。試驗(yàn)前測定多組油莎豆土壤含水率，結(jié)果相近，均值6.9%。

（1）試驗(yàn)材料準(zhǔn)備。預(yù)定品種單一、成熟度較一致的油莎豆地塊，成熟后同一時(shí)期統(tǒng)一進(jìn)行挖掘、裝袋、收集和儲(chǔ)藏。采收量共20 袋，稱量、編號(hào)記錄。

（2）試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)開始前，將轉(zhuǎn)速傳感器架擺放到合適位置并進(jìn)行調(diào)試；開啟高速攝像機(jī)對準(zhǔn)逐稿器出口處；檢查控制臺(tái)顯示器與燈光指示是否正常，確認(rèn)正常后，啟動(dòng)各電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超過2 min，同時(shí)檢查各部分裝置運(yùn)行情況是否平穩(wěn)正常。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig. 4 Test site

3.2 收獲作業(yè)指標(biāo)及計(jì)算方法

3.2.1 損失率

損失率是衡量油莎豆收獲機(jī)重要技術(shù)指標(biāo)之一，是所有未收集到完整籽粒之和占籽粒總質(zhì)量的百分比。在測定區(qū)內(nèi)，撿起全部落地籽粒，分為振動(dòng)篩風(fēng)機(jī)排出籽粒和逐稿器排出籽粒，分別稱其質(zhì)量。按照式（1）計(jì)算損失率SL。

式中WL?收獲籽粒質(zhì)量，g

Wf?振動(dòng)篩風(fēng)機(jī)排出籽粒質(zhì)量，g

Wz?逐稿器排出籽粒質(zhì)量，g

3.2.2 含雜率

含雜率是收獲物所含雜質(zhì)（主要是莖稈、根、土、石塊等）質(zhì)量占其總質(zhì)量的百分比。將收集到的一定質(zhì)量（約2 000 g）的混合籽粒，從中分離出雜質(zhì)，并稱其質(zhì)量，按式（2）計(jì)算籽粒含雜率ZZ。

式中Wzm?雜質(zhì)質(zhì)量，g

Wb? 混合籽粒質(zhì)量，g

3.2.3 破碎率

破碎率是因機(jī)械損傷而造成油莎豆收獲過程中破裂、裂紋、破皮，其籽粒質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。經(jīng)觀察，此油莎豆收獲機(jī)試驗(yàn)過程中破碎籽粒數(shù)幾乎為零，故在正交試驗(yàn)中此因素不考慮[7]。

3.3 正交試驗(yàn)

在試驗(yàn)中，以脫粒滾筒頻率、風(fēng)機(jī)頻率、逐稿器頻率為3 個(gè)因素，通過前期單因素試驗(yàn)觀察和理論分析，確定試驗(yàn)因素水平如表2 所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Tab. 2 Experimental factors and levels

根據(jù)油莎豆收獲的實(shí)際技術(shù)要求，進(jìn)行了3 因素3水平正交試驗(yàn)，分別稱量并計(jì)算每組油莎豆的損失率η1和含雜率η2，并用極差法計(jì)算出綜合指標(biāo)η的R值。試驗(yàn)分離的土、油莎豆和莖稈如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)分離的土、油莎豆和莖稈Fig. 5 Soil，Cyperus bean and stem separated from the test

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3 所示。不考慮各因素的交互作用，通過分析表中試驗(yàn)結(jié)果判斷各個(gè)因素對性能指標(biāo)的影響主次，最終確定最優(yōu)參數(shù)組合。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 3 Test plan and results

此試驗(yàn)為多指標(biāo)正交試驗(yàn)，將油莎豆的損失率η1和含雜率η2兩指標(biāo)綜合加權(quán)評(píng)分計(jì)算出綜合指標(biāo)η，最終確定最優(yōu)組合為A2B2C1，即脫粒滾筒頻率40 Hz、風(fēng)機(jī)頻率28 Hz、逐稿器頻率40 Hz，為后期樣機(jī)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為消除隨機(jī)誤差，確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性，選取上述較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，并取平均值為試驗(yàn)驗(yàn)證值。試驗(yàn)測得結(jié)果分別為損失率5.8%和含雜率0.497%。通過對比分析可知，優(yōu)選后的油莎豆收獲裝置的綜合作業(yè)質(zhì)量優(yōu)于其他參數(shù)組合下的作業(yè)性能。因此，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)推薦采用該較優(yōu)組合：脫粒滾筒頻率40 Hz、風(fēng)機(jī)頻率28 Hz、逐稿器頻率40 Hz。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)北方地區(qū)油莎豆收獲相關(guān)農(nóng)藝要求，針對油莎豆收獲困難、人工收獲率低等問題，研究設(shè)計(jì)的油莎豆收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、收獲效率高，可一次完成幅寬1.3 m 的油莎豆收獲作業(yè)，實(shí)現(xiàn)低損脫粒清選。

（2）通過3 因素3 水平正交試驗(yàn)，確定了油莎豆收獲機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合，當(dāng)脫粒滾筒頻率40 Hz、風(fēng)機(jī)頻率28 Hz、逐稿器頻率40 Hz 時(shí)，油莎豆損失率和含雜率均最低。

（3）采用振動(dòng)式輸送技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了脫粒滾筒和逐稿器式分離技術(shù)，符合油莎豆生產(chǎn)農(nóng)藝要求。該油莎豆收獲機(jī)的研究設(shè)計(jì)可解決油莎豆機(jī)收難的瓶頸問題，將對油莎豆機(jī)械化生產(chǎn)模式的建立和發(fā)展起到積極的推動(dòng)和示范作用，并將進(jìn)一步帶動(dòng)油莎豆產(chǎn)業(yè)向規(guī)?；?、規(guī)范化方向發(fā)展。