4LZG-1.5 型小型自走式谷子收獲機設計與試驗

趙 菁

（山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

0 引言

谷子是我國丘陵山區(qū)，干旱、半干旱地區(qū)和農(nóng)牧交錯帶的傳統(tǒng)優(yōu)勢雜糧作物，也是我國原產(chǎn)的糧飼兼用作物和營養(yǎng)保健作物，在穩(wěn)定糧食生產(chǎn)和維持膳食結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮重要作用[1]。但是谷子的機械化生產(chǎn)水平不高，尤其是收獲環(huán)節(jié)，基礎研究不足，缺乏可靠有效的聯(lián)合收獲機械[2]。在山西、河北、內(nèi)蒙古等谷子主要產(chǎn)區(qū)的部分地區(qū)，人工收獲谷子的費用甚至占總體種植成本的60%，因此對谷子收獲機械化需求非常迫切[3]。目前國內(nèi)谷子收獲機械化發(fā)展尚處于起步階段，還未形成成熟的產(chǎn)品系列，主要是谷子種植面積較小，機具需求量少，而研究開發(fā)機具投入大、回報率低，農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)積極性不高。近年來，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程不斷加快，農(nóng)業(yè)機械化進入了推進全程全面機械化發(fā)展的新階段，谷子的機械化聯(lián)合收獲和分段收獲已是必然趨勢[4]。在生產(chǎn)需求拉動下，谷子主產(chǎn)區(qū)陸續(xù)開展谷子收獲機具的研究，但還處在科研和試驗階段，成熟的專業(yè)谷子收獲機械非常少。根據(jù)我國谷子種植分布情況、地形地貌特點，平原大面積種植區(qū)需要大中型自走式聯(lián)合收獲機作業(yè)，并進行秸稈收集打捆；山區(qū)、丘陵、平原中小規(guī)模種植區(qū)需要研發(fā)適合的小型自走式聯(lián)合收獲機；收獲機難以下地作業(yè)的較為分散的小地塊，宜采用分段收獲，先用割曬機收割、再用脫粒機脫粒。

針對我國丘陵山區(qū)及平原小地塊谷子機械化收獲需求，研發(fā)設計了4LZG-1.5 型小型自走式谷子收獲機。該機行走系統(tǒng)采用四輪驅(qū)動、后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)，田間通過性好，轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)移地塊靈活快速，適應田間作業(yè)環(huán)境，在硬化道路遠距離轉(zhuǎn)移地塊中也具有明顯優(yōu)勢；優(yōu)化設計的專用谷子收獲割臺及脫粒分離清選機構(gòu)，大幅降低了收獲損失及破損率。在山西、河北等不同谷子種植區(qū)進行的田間試驗表明，該機性能可靠、作業(yè)效率高，各項性能指標符合設計要求及當?shù)剞r(nóng)藝要求，滿足北方丘陵坡地、淺山區(qū)及干旱地區(qū)中小地塊谷子種植的機械化聯(lián)合收獲需求。

1 總體結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)設計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設計

4LZG-1.5 型自走式谷子收獲機主要由輪式底盤、割臺、輸送裝置、脫粒分離裝置、清選裝置、集糧系統(tǒng)和卸糧裝置等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。谷子主要在我國北方干旱和半干旱地區(qū)的丘陵山區(qū)種植，作業(yè)條件具有地塊小、道路窄、坡度大和轉(zhuǎn)彎多等特點，為了適應作業(yè)環(huán)境，確定4LZG-1.5 型小型自走式谷子收獲機割幅為2.0 m、喂入量≥1.5 kg/s，選用四輪驅(qū)動輪式底盤，設計谷子專用割臺，專用脫粒、清選裝置，配套動力為45～65 kW 柴油發(fā)動機。動力設計主要是滿足行走系統(tǒng)及各工作部件的功率需求，保證準確的傳動比和較高的傳動效率，滿足谷子聯(lián)合收獲的要求[5]。

圖1 4LZG-1.5 型自走式谷子收獲機結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of 4LZG-1.5 type self-propelled millet harvester

根據(jù)適合丘陵小塊地、溝壑區(qū)使用的作業(yè)要求，經(jīng)過充分的田間收獲試驗，4LZG-1.5 型自走式谷子收獲機的作業(yè)流程確定為分禾器分禾→撥禾輪扶持撥送→往復式割刀切割→攪龍輸送裝置輸送→滾筒脫?！蛛x清選→籽粒集箱→秸稈拋撒。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)設計

收獲機作業(yè)速度根據(jù)地勢和作物生長情況由機手選擇合適的擋位，設計時將最低和最高速度分別確定為

1.5 和4 km/h。由于地塊條件、產(chǎn)量和作物狀態(tài)等情況的變化，收獲作業(yè)中需及時改變機器前進速度，而撥禾輪的轉(zhuǎn)速也在一定范圍內(nèi)變化，因此綜合考慮谷子植株的生長情況，設計撥禾輪轉(zhuǎn)速為30 r/min 左右。對于脫粒分離滾筒，設計入口間隙12～18 mm，出口間隙2～4 mm，脫粒滾筒與凹板最低點間隙設計為9 mm，滾筒直徑540 mm 左右，滾筒轉(zhuǎn)速700 r/min 左右。根據(jù)作物生長情況適度調(diào)整轉(zhuǎn)速和間隙。主要設計技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 4LZG-1.5 型自走式谷子收獲機主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of 4LZG-1.5 type self-propelled millet harvester

2 關(guān)鍵部件設計

2.1 輪式底盤設計

針對谷子種植地區(qū)多為丘陵山地、小地塊的特點，為便于快速轉(zhuǎn)移地塊、提高作業(yè)效率，選擇輪式底盤行走系統(tǒng)，借鑒自走式玉米收獲機底盤系統(tǒng)進行改造。為適應北方山區(qū)及丘陵地區(qū)行走，防止道路左右高低不平造成翻車，輪距設計宜寬不宜窄，第二代樣機軸距設計由1 320 mm 增加到1 600 mm?？紤]到谷子聯(lián)合收獲機與谷物聯(lián)合收獲機的通用性及降低成本，選擇45～65 kW 的發(fā)動機為配套動力，以確保動力充沛。

2.2 專用谷子割臺設計

針對谷子收獲時植株含水率高、高度差別大、倒伏多、谷穗交叉纏繞現(xiàn)象嚴重等特點，割臺設計時主要考慮扶禾器形式、撥禾輪高度和割刀位置參數(shù)[6]。

2.2.1 扶禾器

為解決谷穗交叉纏繞問題，在扶禾器設計時，采用兩種設計形式：旋轉(zhuǎn)式扶禾器和分禾板式扶禾器?？紤]谷子收獲機為小型機，初代樣機采用了性價比高的分禾板扶禾器，第3 代樣機使用了旋轉(zhuǎn)式扶禾器。為了有效分開應割區(qū)與未割區(qū)纏繞在一起的谷穗，分禾板式扶禾器設計為錐尖式，谷子整株高度在0.8～1.2 m，兩側(cè)分禾器最高處離地距離高于谷子高度，長度>700 mm，尾部寬度>200 mm。谷子收獲機作業(yè)時，專用扶禾器可有效減少割臺兩側(cè)掛穗及掉穗。試驗證明，設計的割臺分禾尖比較低，可以收獲倒伏谷子，分禾器高、長且尾部較寬，解決了谷穗交叉纏繞問題。

2.2.2 撥禾輪

為避免谷穗和莖稈被撥禾輪板挑起、帶起向前拋出，造成割臺損失，撥禾輪的高度設計對谷子莖稈的作用非常重要。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗和計算，確定撥禾輪對谷子植株的打擊點在谷子植株高度的2/3 處，并使撥禾輪對割倒的谷子莖稈有穩(wěn)定推送作用，將谷子送入絞龍。

有些谷子莖稈較長，在1.3 m 以上，為防止纏繞，選取較大撥禾輪，取撥禾輪半徑500 mm，撥禾輪中心高度1 100 mm。同時為適應倒伏谷子的收獲，撥禾輪可以降低安裝高度并可前移。在極端情況下，可以調(diào)整撥禾輪位置，使撥禾彈齒在割刀斜前上方，齒尖距離割刀3 cm，方便收獲倒伏谷子。設計撥禾輪轉(zhuǎn)速為30 r/min 左右。

2.2.3 割刀位置

谷子莖稈長度平均比小麥、水稻長 200～400 mm，因此需加長割臺范圍。在谷子收獲機設計中，谷子專用割臺底板加長，割刀位置前移250 mm，結(jié)構(gòu)采用可組裝式，便于小麥與谷子割臺通用。

2.3 專用脫粒清選機構(gòu)設計

2.3.1 脫粒、分離機構(gòu)

脫粒裝置由全紋桿前脫粒滾筒、前凹板、前脫粒滾筒蓋板、紋桿加板齒后脫粒滾筒、后凹板、后脫粒滾筒蓋板組成?？紤]到谷子籽粒小、谷碼易掉，收獲時莖葉偏綠等因素，并考慮小型化因素，采用切流式雙滾筒，紋桿脫粒、板齒分離機構(gòu)[7]。脫粒凹板選用柵格式，設計凹板篩條間距為前小后大。使通過脫粒滾筒充分揉搓后的谷碼到達滾筒后部時能快速落到振動篩上，減少被大莖稈帶走造成的夾帶損失。

2.3.2 清選裝置

清選裝置選用氣流清選加振動篩組合結(jié)構(gòu)，主要由離心清選風機、偏心振動臂、上篩片、下篩片、出風口風向調(diào)整板和振動篩體等組成。上篩選用魚鱗篩，氣流清選主要分離有籽谷碼和無籽谷碼，采用農(nóng)用離心式風扇將混合物吹散[8]。谷子品種不同、收獲時間不同，其質(zhì)量也不同，通過智能調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速和出風角度，對風量、風速和方向進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)最優(yōu)清選[9]。

2.4 智能電控系統(tǒng)設計

借鑒成熟的谷物收獲機智能電控系統(tǒng)，根據(jù)谷子機械化收獲作業(yè)的實際特點進行適當改進，形成谷子收獲機專用的智能電控系統(tǒng)。撥禾輪轉(zhuǎn)速、撥禾高度能夠?qū)崿F(xiàn)無級精確調(diào)整；可根據(jù)待收獲谷子的高度、秸稈含水量、倒伏程度和作物產(chǎn)量等狀況，對收獲機的割臺收割速度、前進速度、滾筒轉(zhuǎn)速和割臺離地間隙等參數(shù)進行快速調(diào)整。

3 樣機試驗及推廣前景

3.1 第1 代樣機試驗

2018 年9 月23-28 日，第1 代谷子收獲機在河北省石家莊市藁城區(qū)某村進行機械化收獲試驗，發(fā)現(xiàn)對于倒伏嚴重的谷子無法收獲。經(jīng)調(diào)試改進，2018 年10月10 日，在河北省石家莊市藁城區(qū)另一村繼續(xù)進行收獲試驗。谷子品種為潤谷2 號，種植密度63 萬株/hm2，估算產(chǎn)量4 500 kg/hm2，籽粒含水率25.6%，基本無倒伏現(xiàn)象。收獲總損失率4.63%、破碎率2.1%，符合技術(shù)要求；含雜率4.3%，未達到設計要求。

3.2 第2 代樣機試驗

2019 年9 月20 日 至10 月10 日，第2 代 谷 子 收 獲機在河北省石家莊市藁城區(qū)進行收獲試驗，試驗中發(fā)現(xiàn)脫不凈現(xiàn)象嚴重，同時由于秸稈含水率高、拋出的秸稈較碎，不利于籽粒清選，隨后進行了脫粒滾筒的間隙調(diào)整和轉(zhuǎn)速調(diào)整。試驗期間，河北省農(nóng)業(yè)機械鑒定總站對該機進行了性能檢測，結(jié)果表明，喂入量達2.3 kg/s，總損失率6.1%，籽粒含雜率2.0%，破碎率2.7%，基本達到了設計要求。

3.3 第3 代樣機試驗

在進行第2 代樣機試驗的同時，第3 代樣機的設計、試制工作也同步進行。

2019 年10 月28 日至11 月18 日，第3 代谷子收獲機在河北省武安市進行收獲試驗，并在此期間召開了由當?shù)剞r(nóng)機管理部門、農(nóng)機手、種糧大戶、生產(chǎn)企業(yè)和農(nóng)機推廣部門有關(guān)人員參加的谷子聯(lián)合收獲機技術(shù)研討會。試驗中對樣機性能進行了檢測，由于是晚茬谷子，長勢一般，樣機喂入量1.68 kg/s，總損失率4.5%，籽粒含雜率2.2%，破碎率3.1%，各項指標均達到了設計要求。

3.4 推廣前景

通過試驗和改進，河北省武安市、石家莊市藁城區(qū)等谷子種植戶對該機作業(yè)認可度較高，收益增長明顯。經(jīng)測試，谷子破損率<5%，收獲作業(yè)費用1 500 元/hm2，與傳統(tǒng)人工分段式收獲相比，可節(jié)約收割和脫粒用工2 個，同時節(jié)約脫粒費用，綜合節(jié)本增效3 000 元/hm2。以每臺收獲機年收獲谷子53.5 hm2、減損375 kg/hm2、谷子價格5 元/kg 計算，一臺收獲機每年可以為農(nóng)民增收10 萬余元，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

4 結(jié)束語

針對我國丘陵山區(qū)及平原小地塊谷子機械化收獲需求，研發(fā)設計了4LZG-1.5 型小型自走式谷子收獲機，實現(xiàn)了3 大技術(shù)創(chuàng)新。一是采用四驅(qū)輪式動力底盤，行走通過性好；二是設計了谷子專用扶禾器和加長型仿形割臺，優(yōu)化撥禾輪空間位置和運動參數(shù)，解決谷子收獲割臺掉穗嚴重、倒伏收割難等問題；三是采用“紋桿+板齒+釘齒”組合式脫粒滾筒、小孔網(wǎng)篩式分離機構(gòu)，優(yōu)化運動參數(shù)，解決了高濕谷子脫粒、清選難的問題。

通過3 代樣機的設計、研究、試制、田間試驗，該機基本滿足了北方丘陵坡地、淺山區(qū)及干旱地區(qū)中小地塊種植的谷子機械化聯(lián)合收獲需求，各項性能指標達到了設計要求，為我國谷子等雜糧生產(chǎn)機械化收獲提供了裝備支撐，推廣應用前景廣闊。