自走式胡麻聯(lián)合收割機設(shè)計與試驗

戴飛，趙武云*，史瑞杰，劉小龍，崔玉山，付善寧

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州，730070；2.雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊，261206）

亞麻（Linum usitɑtissimumL.）是一種一年生或多年生的草本植物，主要包括：提取纖維型、榨油型和油纖兼用型三種類型。胡麻，即油用亞麻或油纖兼用亞麻，因其具有用途廣、價值高的特點，被50多個國家種植和應(yīng)用[1]。胡麻耐寒、耐旱、耐瘠薄，是我國西北和華北高寒干旱貧困山地丘陵地區(qū)的主要油料作物，也是主要經(jīng)濟作物之一，具有其它油料作物不可代替的地位。近年來，我國胡麻的種植面積基本穩(wěn)定在2.92×104hm2，胡麻籽單產(chǎn)平均達到1275 kg/hm2，主要分布于甘肅、內(nèi)蒙古、山西三省[2]。其中，甘肅省是我國胡麻的主產(chǎn)區(qū)之一，種植面積約占全國種植總面積的30%[3]。

歐美發(fā)達國家農(nóng)業(yè)機械化、智能化水平高，胡麻種植品種總體具有較好的抗倒伏、成熟度一致等特性，適合于機械化聯(lián)合收獲；同時，還可通過配合化學(xué)干燥方法進行機械化聯(lián)合收獲，機收效果顯著[4,5]。目前，國外胡麻機械化收獲模式主要以兩段收獲和聯(lián)合收獲為主；其中，兩段收獲主要適合后熟品種，主要是將胡麻先進行收割，待在地里鋪放2～3 天后，用帶有撿拾功能的牽引式或自走式聯(lián)合收獲機進行撿拾收獲作業(yè)。國外發(fā)達國家現(xiàn)有的谷物聯(lián)合收獲機工作參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，撥禾輪轉(zhuǎn)速、切割器割刀速度、作業(yè)機前進速度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、清選風(fēng)機轉(zhuǎn)速均可實現(xiàn)無級調(diào)速，能夠根據(jù)收獲作物不同類型實現(xiàn)模塊化參數(shù)調(diào)整[6]。例如適應(yīng)于胡麻收獲的凱斯多功能谷物聯(lián)合收獲機，在其駕駛室參數(shù)調(diào)節(jié)觸摸屏Crop Type 選項內(nèi)可通過直接選擇作物類型（Flax），使得作業(yè)機自動調(diào)整適應(yīng)胡麻機械化聯(lián)合收獲的相關(guān)工作參數(shù)組合，其智能化、檢測化程度與水平很高[3]。

由于栽培模式與地域、種植品種與規(guī)模、作業(yè)裝備與成本等方面因素，國外胡麻機械化收獲技術(shù)及配套裝備還不能完全適應(yīng)國內(nèi)小地塊種植胡麻的聯(lián)合收獲需求。現(xiàn)階段我國胡麻收獲主要以分段收獲為主，依靠小型割曬機進行人工收割，傳統(tǒng)小麥脫粒機脫粒，人工揚場與手動篩分的組合作業(yè)方式，胡麻脫粒物料分離清選的勞動強度仍然很大、作業(yè)效率低，制約了我國胡麻產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展[7～10]。此外，我國胡麻主產(chǎn)地大部分地區(qū)采用傳統(tǒng)小麥聯(lián)合收割機進行胡麻聯(lián)合收獲嘗試，但在收獲過程中出現(xiàn)的胡麻莖稈與割臺、滾筒嚴重纏繞，收獲胡麻籽粒含雜率高等共性問題急需深入研究解決。為提升機械化收獲水平，本研究結(jié)合胡麻生物學(xué)特性，研制了自走式胡麻聯(lián)合收割機，以下做詳細的介紹。

1 胡麻生物學(xué)特性

以隴亞14 號胡麻為例，成熟期植株高度約在586～720 mm 之間（圖1），莖稈的分莖（平均為5.8個）及其上部分枝較多，單株胡麻結(jié)果量多（平均為24.1 個），因此，胡麻在機械化收獲過程中，莖稈與蒴果穗頭容易出現(xiàn)首尾交繞，導(dǎo)致在割臺螺旋攪龍、過橋處纏繞堵塞。胡麻蒴果較大、單果粒數(shù)多（平均為7.2 個），所產(chǎn)籽粒千粒質(zhì)量為8.1 g，單株產(chǎn)量能夠達到0.95～1.05 g 左右。根據(jù)品種的不同，所述胡麻植株的形態(tài)、花色、蒴果大小及單株產(chǎn)量皆有所差異[3]。

圖1 完熟期胡麻植株結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Plant structure of flax in mature stage

2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

自行研制的自走式胡麻聯(lián)合收割機（圖2），結(jié)構(gòu)上主要包括：撥禾輪、防纏繞割臺、切流紋桿式脫粒滾筒、橫軸流齒板式分離滾筒、脫粒物料清選系統(tǒng)、籽粒及雜余輸送系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、輪式行走裝置、過橋總成和駕駛室等部件。樣機主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 自走式胡麻聯(lián)合收割機主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)Table 1 Main design parameters of self-propelled flax combine harvester

圖2 自走式胡麻聯(lián)合收割機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of self-propelled flax combine harvester

2.2 工作過程

自走式胡麻聯(lián)合收割機的傳動系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。防纏繞割臺位于收割機的前方，與后置脫粒機體成偏“T”型配置，用以切割和輸送胡麻植株，割臺及其撥禾輪的升降采用液壓系統(tǒng)控制（圖3）。

圖3 傳動系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of transmission system

當樣機田間作業(yè)時，防纏繞割臺上的分禾裝置將工作幅寬內(nèi)兩側(cè)的胡麻莖稈分開，在撥禾輪的扶持和推送作用下，胡麻植株被切割，并在撥禾輪、主動防纏攪龍及過橋總成的共同作用下進入切流紋桿式脫粒滾筒。在紋桿脫粒元件、柵格凹板及錘片割刀的共同作用下，胡麻蒴果被搓擦脫粒，胡麻莖稈被揉搓切割，并經(jīng)切流滾筒拋向后置軸流滾筒，在橫軸流齒板式分離滾筒轉(zhuǎn)動下完成籽粒與莖稈的有序分離。隨后，經(jīng)抖動板、清選上篩、清選下篩分離后的胡麻籽粒通過升運器被提升輸送至糧箱，而胡麻莖稈則通過橫軸流齒板式分離滾筒排草口鋪放成條狀，胡麻脫粒物料中的穎糠則由收割機尾部拋撒至胡麻已割地塊，至此完成了胡麻機械化聯(lián)合收獲作業(yè)。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計與選型

3.1 防纏繞割臺改進設(shè)計

胡麻植株莖稈纖維含量高、柔韌性好，采用傳統(tǒng)稻麥收割機作業(yè)時，在撥禾輪作用下胡麻植株上的蒴果相互交纏，極易造成胡麻植株在割臺螺旋攪龍部分出現(xiàn)纏繞，如圖4A 所示。為此，優(yōu)化設(shè)計了胡麻防纏繞割臺（圖4B、C），重點在割臺攪龍部分進行了改進[11,12]。

圖4 胡麻防纏繞收獲割臺Fig.4 Anti-winding header of flax harvester

胡麻防纏繞收獲割臺主要由防纏繞割刀、防纏繞擋板、攪龍、分禾器、撥禾輪和切割器等部件組成。其割臺攪龍半徑R1=150 mm，螺距S=480 mm。為防止胡麻莖稈收獲過程中首尾相接圓周纏繞于攪龍上，在攪龍對應(yīng)過橋總成入口的螺旋葉片直接焊接了長L1=960 mm、高H1=100 mm 的矩形防纏繞擋板（圖5所示）。

圖5 防纏繞裝置結(jié)構(gòu)及原理圖Fig.5 Structure and schematic diagram of anti-winding device

通過公式（1）計算得出加裝防纏繞檔板攪龍與未加裝防纏繞檔板攪龍直徑比值N=1.42，即增加了割臺攪龍圓周長度，緩解了胡麻莖稈、蒴果交織后對攪龍的纏繞。

式中：N—加裝防纏繞檔板攪龍與未加裝防纏繞檔板攪龍直徑比值；

C1—未加裝防纏繞檔板攪龍周長（mm）；

C2—加裝防纏繞檔板攪龍周長（mm）；

R1—未加裝防纏繞檔板攪龍半徑，為150 mm；

b—加裝防纏繞檔板攪龍形成橢圓截面短半軸長，為150 mm；

H1—加裝防纏繞檔板高度，為100 mm。

同時，采用主動防纏繞方式，在矩形防纏繞擋板上面安裝了梯形防纏繞割刀（圖5B），梯形上邊長l1=15 mm、下邊長l2=25 mm、高度與矩形防纏繞擋板相等H1=100 mm。當胡麻莖稈在防纏繞擋板上不斷繞緊時，安裝在上面的梯形防纏繞割刀對其實現(xiàn)高速切割，實現(xiàn)主動防纏繞。隨著胡麻聯(lián)合收割機的前進與攪龍勻速圓周轉(zhuǎn)動，梯形防纏繞割刀的運動軌跡如圖6所示。

圖6 梯形防纏繞割刀運動軌跡Fig.6 Movement locus of trapezoidal anti-winding cutter

以時間t=0 s 時的梯形防纏繞割刀軸心為坐標原點，x正向為自走式胡麻聯(lián)合收割機前進方向，垂直向上為y軸正向，以xOy為投影面，則梯形防纏繞割刀的運動方程可表示為公式（2）[13,14]：

式中：t—時間，s；

vm—自走式胡麻聯(lián)合收割機前進速度（m/s）；

R2—防纏繞割刀回轉(zhuǎn)半徑；

w—防纏繞割刀刀輥角速度（rad/s）。

對式（2）中t進行求導(dǎo)，可得：

則防纏繞割刀對胡麻莖稈的切割速度為：

由式（4）可以看出，防纏繞割刀對胡麻莖稈的切割速度與收割機前進速度、防纏繞割刀回轉(zhuǎn)半徑和刀輥角速度有關(guān)。因此，在自走式胡麻聯(lián)合收割機具體作業(yè)過程中，針對收割胡麻的長勢、莖稈含水率等因素實時調(diào)節(jié)上述相關(guān)作業(yè)因素大小，確保割臺無莖稈纏繞。

3.2 胡麻脫粒分離裝置設(shè)計

為實現(xiàn)胡麻莖稈與胡麻脫粒物料有序分離，提升胡麻脫粒物料高凈度清選效果，自走式胡麻聯(lián)合收割機采用切流-橫軸流組合脫粒分離裝置，主要由切流紋桿式脫粒滾筒、橫軸流齒板式分離滾筒及其對應(yīng)的凹板篩、凹板間隙調(diào)整手柄等部件組成。其中，切流紋桿式滾筒主要起到對胡麻蒴果脫粒及對其莖稈切割防纏繞功能；橫軸流齒板式滾筒主要起到對胡麻脫粒物料分離及莖稈側(cè)向排出功能，切流、軸流滾筒與對應(yīng)凹板間隙均可獨立快速調(diào)節(jié)，有較強的作業(yè)適應(yīng)性，胡麻切流-橫軸流組合脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示[15,16]。

圖7 胡麻切流-橫軸流組合脫粒分離裝置Fig.7 Combined threshing and separating device of flax shear flow and transverse axial flow

3.2.1 胡麻聯(lián)合收割機脫粒裝置 為實現(xiàn)胡麻蒴果有效脫粒與胡麻籽粒低破碎，防止胡麻莖稈纏繞堵塞脫粒裝置，作業(yè)機采用切流紋桿式脫粒滾筒、滾筒切刀和脫粒凹板等組成。切流紋桿式脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 切流紋桿式脫粒滾筒Fig.8 Shear flow rasp bar threshing cylinder

其中，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速由式（5）計算可得[14,17]：

式中：n1—脫粒滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；

D1—脫粒滾筒直徑，mm，按照紋桿滾筒系列尺寸取450 mm；

v1—脫粒滾筒線速度，m/s，依據(jù)谷物脫粒滾筒線速度取值為26 m/s[16]。

計算得出脫粒滾筒轉(zhuǎn)速n1=1104 r/min。

為防止脫粒滾筒高速旋轉(zhuǎn)引起胡麻莖稈切向纏繞，在脫粒滾筒四塊輻板上各安裝有3 把滾筒切刀，按照輻板圓周方向120°均布排列，如圖8A所示。為便于滾簡轉(zhuǎn)動平衡，脫粒滾筒紋桿數(shù)一般取偶數(shù)。在NJ105-75 標準中規(guī)定脫粒滾筒直徑D1=450 mm時，脫粒滾筒紋桿數(shù)Z=6。

脫粒滾筒紋桿間距S1由式（6）計算可得[14]：

計算得出紋桿間距S1=236 mm。脫粒滾筒選用D型紋桿，長度820 mm 且左右紋向交替安裝，如圖8B所示。

如圖7A所示，選用柵格式凹板篩與切流紋桿式脫粒滾筒相配備，柵格篩條直徑Φ1=4.5 mm，篩條間距l(xiāng)3=10 mm，凹板包角α1=110°。柵格凹板與切流紋桿式脫粒滾筒的入口間隙d1設(shè)置為15 mm、出口間隙d2設(shè)置為8 mm。脫粒裝置的凹板間隙可通過駕駛室內(nèi)凹板間隙調(diào)整手柄實現(xiàn)調(diào)節(jié)。當收獲胡麻脫不凈時，減小脫粒裝置凹板間隙；當收獲胡麻破碎率過大時，增大脫粒裝置凹板間隙[18]。

3.2.2 胡麻聯(lián)合收割機分離裝置 胡麻聯(lián)合收割機分離裝置如圖7B所示，由橫軸流齒板式分離滾筒和分離室總成組成，分離室上部有導(dǎo)草板，下部為柵格分離凹板。當胡麻脫粒物料經(jīng)切流滾筒脫粒后拋向橫軸流齒板式分離滾筒，分離滾筒齒板帶動物料由右向左軸向運動，在與分離室內(nèi)柵格凹板、導(dǎo)草板的共同作用下，部分未脫凈的胡麻蒴果繼續(xù)被脫粒，并靠轉(zhuǎn)動離心力將胡麻籽粒及短莖桿、蒴果殼分離，較長莖稈則被輸送至分離滾筒末端（排草口）被排出收割機外[19]。

為提升對胡麻脫粒物料與其莖稈的分離能力，增加物料在橫軸向輸送過程中的蓬松程度，橫軸流齒板式分離滾筒上軸向均布四組齒板分離元件，如圖9所示。其中，滾筒的長度L2=1805 mm，分離滾筒直徑D2=560 mm。

圖9 橫軸流齒板式分離滾筒Fig.9 Transverse axial flow tooth plate separation cylinder

為確保經(jīng)切流紋桿式脫粒滾筒作業(yè)后的胡麻脫粒物料能夠被后置橫軸流齒板式分離滾筒有序輸送，不發(fā)生脫粒物料滯留堵塞的條件為：

式中：v2—分離滾筒線速度，m/s。

則聯(lián)合式（5）、式（7），可得分離滾筒的轉(zhuǎn)速為：

式中：n2—分離滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；

計算得出分離滾筒轉(zhuǎn)速n2≥887 r/min，為便于對胡麻脫粒物料充分分離且不產(chǎn)生較高夾帶損失，取分離滾筒轉(zhuǎn)速n2=900 r/min。

如圖7A所示，選用柵格式凹板篩與橫軸流齒板式分離滾筒相配備，柵格篩條直徑Φ2=4.5 mm，篩條間距l(xiāng)4=15 mm，凹板包角α2=120°。柵格凹板與橫軸流齒板式分離滾筒的入口間隙d3設(shè)置為20 mm、出口間隙d4設(shè)置為15 mm。分離裝置凹板間隙的調(diào)整通過機架右側(cè)調(diào)節(jié)手柄實現(xiàn)，通過機架上五個排列孔來固定手柄位置，手柄調(diào)節(jié)從后向前側(cè)依次調(diào)節(jié)，分離間隙逐步減小[18]。

3.3 胡麻脫粒物料清選裝置設(shè)計

如圖10所示，自走式胡麻聯(lián)合收割機的脫粒物料清選裝置主要由風(fēng)機、抖動板、上篩板、下篩板、尾篩板、雜余攪龍、籽粒攪龍和導(dǎo)風(fēng)板等部件組成。其中，上篩板、下篩板和尾篩板均選用魚鱗篩，開度依次調(diào)節(jié)A1=18 mm、A2=12 mm 和A3=16 mm[20,21]，如圖10 左圖所示。通過風(fēng)機氣流對抖動板輸送的胡麻脫粒物料進行吹浮，并輔助上、下篩板抖動作用，將胡麻脫粒物料中的短莖稈、蒴果殼與塵雜分離，以獲取潔凈的胡麻籽粒[22]。同時，在雜余攪龍的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)對胡麻雜余物料的二次脫粒清選，降低了胡麻脫粒物料清選含雜率。

圖10 胡麻脫粒物料清選裝置示意圖Fig.10 Schematic diagram of flax threshing material cleaning device

為保證被抖動板運送的胡麻脫粒物料能夠充分分離，清選裝置上篩板、下篩板面積尺寸選取至關(guān)重要。設(shè)計上篩板、下篩板的長度與寬度尺寸關(guān)系為式（9）所示[14]：

式中：L2—上篩板的長度，m；

Q—自走式胡麻聯(lián)合收割機喂入量，取5.0kg/s；

δ—秸草占胡麻脫粒物料總重量的比值，取0.634[4]；

k—脫粒清選裝置工作特性系數(shù)，取0.75；

B1—上篩板的寬度，依據(jù)收割機清選室尺寸取0.90 m；

B2—下篩板的寬度，m；

qs—上篩板單位面積可承擔(dān)的胡麻脫粒物料喂入量，取2 kg/（s·m2）[14]。

計算得出上篩板的長度L2=1.46 m，下篩板的長度L3=1.17 m，下篩板的寬度B2=0.90 m。

胡麻脫粒物料清選裝置選用通用離心式風(fēng)機，風(fēng)扇直徑D3=390 mm。風(fēng)機與上篩的配置如圖11所示。

圖11 風(fēng)機與上篩板配置參數(shù)Fig.11 Configuration parameters of fan and upper sieve plate

風(fēng)機輸出氣流與上篩板的夾角是影響清選裝置吹風(fēng)面積的關(guān)鍵參數(shù)，合理的夾角選取能較好地滿足沿篩長方向不同清選氣流速度的要求。風(fēng)機輸出氣流與上篩板的夾角θ由式（10）計算可得[14]：

式中：S3—風(fēng)機出口高度，取0.30 m；

K—系數(shù)，取0.40；

計算得出風(fēng)機輸出氣流與上篩板的夾角θ控制在31°為宜。

4 胡麻田間收獲效果與試驗

4.1 胡麻田間特性

2019年8月在甘肅省張掖市華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司進行了自走式胡麻聯(lián)合收割機田間作業(yè)性能試驗，機收完熟期胡麻品種為隴亞14 號和張亞3號，采用施肥覆膜穴播聯(lián)合作業(yè)機進行播種，種植穴距200 mm，種植行距200 mm，胡麻植株無倒伏，胡麻莖稈含水率為12.7%，胡麻籽粒含水率為13.9%，試驗田面積為6.67 hm2，機收作業(yè)速度控制在2.92～6.00 km/h，控制收割機的脫粒滾筒轉(zhuǎn)速與分離滾筒轉(zhuǎn)速均不低于設(shè)計值，樣機田間試驗現(xiàn)場如圖12（左）所示。

4.2 收獲性能試驗

自走式胡麻聯(lián)合收割機田間作業(yè)性能試驗指標測定過程如圖12（右）所示，按照GB/T 8097-2008《收獲機械聯(lián)合收割機試驗方法》分別測定籽?？倱p失率、籽粒含雜率、籽粒破碎率和防纏繞合格率4個指標[23～25]。

圖12 樣機田間作業(yè)性能試驗（左）與指標測定過程（右）Fig.12 Prototype field performance test(left)and index determination(right)

其中，通過排草口與尾篩排出物測定籽?？倱p失率；通過糧箱收獲籽粒測定籽粒含雜率和籽粒破碎率；在試驗過程中每隔5 m 設(shè)置一個測點，觀察收獲割臺纏繞情況，測點不少于20 個，并記錄觀察總點數(shù)和未纏繞點數(shù)，通過未纏繞點數(shù)與總點數(shù)比值進行防纏繞合格率計算。同時，在試驗過程中觀察樣機排草鋪放與割茬分布情況。

4.3 田間收獲效果分析

自走式胡麻聯(lián)合收割機田間胡麻收獲試驗結(jié)束后，樣機相關(guān)收獲籽粒、尾篩排出雜余、排草口拋灑莖稈形態(tài)和機收割茬分布等試驗效果如圖13所示。

圖13 胡麻機械化收獲試驗效果Fig.13 Test results of flax mechanized harvesting

田間試驗結(jié)果表明，自走式胡麻聯(lián)合收割機收獲胡麻后，其籽?？倱p失率為2.26%、籽粒含雜率為1.82%，籽粒破碎率為0.98%，收獲過程中割臺無胡麻莖稈掛接與纏繞現(xiàn)象發(fā)生，防纏繞合格率為100%。同時，經(jīng)排草口排出的胡麻莖稈夾帶損失小，機收后胡麻莖稈割茬分布均勻，高度控制在18～25 mm 之間，表明研發(fā)樣機作業(yè)性能達到胡麻機械化聯(lián)合收獲需求。此外，由于胡麻脫粒物料具有小差異混雜特性，試驗過程中發(fā)現(xiàn)樣機尾部排出雜余中夾雜有適量胡麻籽粒，當逐步降低清選裝置離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速時，胡麻籽粒夾帶損失有所降低，但此時籽粒含雜率又有所增加。因此，胡麻脫粒物料分離清選關(guān)鍵技術(shù)仍需要進一步研究和提升。

5 結(jié)論

（1）針對胡麻機械化收獲需求，設(shè)計了自走式胡麻聯(lián)合收割機，對其防纏繞割臺、切流-橫軸流組合脫粒分離裝置和脫粒物料清選裝置等關(guān)鍵作業(yè)部件進行設(shè)計分析與計算選型，研制樣機能夠一次性完成胡麻切割、脫粒、清選等作業(yè)工序。

（2）田間驗證試驗表明，自走式胡麻聯(lián)合收割機作業(yè)后，籽?？倱p失率為2.26%、籽粒含雜率為1.82%，籽粒破碎率為0.98%，防纏繞合格率為100%，在機械化收獲過程中割臺無胡麻莖稈掛接與纏繞，排出胡麻莖稈夾帶損失小，割臺收獲割茬分布均勻，表明樣機作業(yè)性能達到胡麻機械化聯(lián)合收獲需求。