4SW-2.0型臥式割曬機的設計與試驗

王 浩，王 顯，張嘯翔，鄭德聰，王嘉偉

（山西農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)業(yè)工程學院，山西 太谷 030801）

燕麥、蕎麥等雜糧作物的機械化收獲能夠大幅度地提高作業(yè)效率、降低人工勞動強度，對提高種植面積、產(chǎn)量與品質(zhì)等有顯著影響。燕麥、蕎麥等雜糧作物的機械化收獲方式有分段式收獲和聯(lián)合收獲2種，其中，分段式收獲是提前將其割倒在地里晾曬，利用后熟作用待其成熟后進行撿拾、脫粒、清選，有利于降低收獲損失，保證籽粒質(zhì)量，提高籽粒品質(zhì)[1-2]。王修善等[3]設計的4SY-2.0型自走式割曬機采用小型履帶底盤與可垂直升降的立式割臺，能夠根據(jù)地形和植株情況實時調(diào)整割茬高度。何靜潔[4]設計的4SQ-4.3型割曬機采用一種豎直切割器和新型往復式切割器曲柄連桿傳動機構(gòu)，能有效解決植株纏繞問題。萬星宇等[5]設計的高地隙履帶自走式中間條鋪割曬機極大地改善了機具通過性和鋪放質(zhì)量。

一般割曬機均采用立式割臺，側(cè)向鋪放的結(jié)構(gòu)型式，導致邊行收獲有困難。當收獲的作物分支多、有交叉和纏繞時，分禾困難，收割損失較大[6-8]。尤其是燕麥、蕎麥、谷子等雜糧作物割曬收割時存在的問題更突出。為了提高割曬機的田間作業(yè)效率，為此設計了4SW-2.0型臥式割曬機，采用高地隙主機、中間茬上鋪放晾曬的工藝方案，為后續(xù)撿拾等作業(yè)提供方便，降低人工勞動強度。本研究對高地隙主機、輸送裝置、掛接裝置、切割裝置等進行設計分析，通過田間性能試驗對割曬機作業(yè)效果進行驗證，可為臥式割曬機的設計與研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設計

1.1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

4SW-2.0型臥式割曬機的割臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 4SW-2.0型臥式割曬機割臺結(jié)構(gòu)示意Fig.1 4SW-2.0 horizontal cutter-rower cutting platform structure

由圖1可知，4SW-2.0型臥式割曬機主要由撥禾輪1、撥禾輪升降液壓缸2、割臺升降液壓缸3、機架4、懸掛升降裝置5、分禾裝置6、往復式切割器7、橫向螺旋輸送滾筒8、傳動系統(tǒng)9和液壓馬達10等組成。田間作業(yè)時，分禾裝置6將收割區(qū)和待收割區(qū)分開，進入收割區(qū)的作物在撥禾輪1的作用下向割臺一側(cè)傾斜，往復式切割器7將其切割分離；在割臺前進推力和橫向螺旋輸送滾筒8的共同作用下，左右兩側(cè)割倒的作物被輸送至中間鋪放，割臺中間部分的作物直接向后傾倒鋪放，實現(xiàn)有序鋪放。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

4SW-2.0型臥式割曬機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 4SW-2.0型臥式割曬機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameter of 4SW-2.0 horizontal cutter-rower

1.3 切割器的設計

1.3.1 切割器結(jié)構(gòu)及參數(shù) 4SW-2.0型臥式割曬機選用標準Ⅱ型往復式切割器[9-10]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由護刃器1、定刀片2、動刀片3、刀桿4、壓刃器5和護刃器梁6等組成。動刀片3用鉚釘固定在刀桿4上，動刀片3相對于定刀片2作往復的剪切運動進而將作物切斷。

圖2 標準Ⅱ型往復式切割器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the structure of standard type Ⅱ reciprocating cutter

標準Ⅱ型往復式切割器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 切割器主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of cuttermm

1.3.2 運動學分析 （1）切割速度。割刀在曲柄驅(qū)動下作往復運動，曲柄轉(zhuǎn)動一個周期，割刀往復運動一次[11-12]。以割刀的平均運動速度表示切割速度，割刀的平均速度如公式（1）。

（2）切割器前進行程。割曬機切割作業(yè)時，割刀的運動是割刀相對于機組往復運動以及隨機組的前進運動組成的復合運動[13-14]。在割刀完成一次往復切割運動的時間內(nèi)，切割器前進的行程與機組前進速度的關(guān)系如公式（2）。

式中，H為切割器前進行程（mm）；v為機組前進速度（mm/s）。

（3）切割圖分析。由于割刀運動是一種復合運動，所以，可以通過切割圖來分析切割器工作過程。如圖3所示，以動刀片橫向位移方向為X軸，動刀片縱向位移為Y軸建立坐標系。在相鄰2個定刀片之間的作物，在切割器切割后會產(chǎn)生3種不同的狀態(tài)，分別為：一次切割區(qū)Ⅰ、漏割區(qū)Ⅱ和重割區(qū)Ⅲ[15]。

圖3 標準Ⅱ型往復式切割器切割Fig.3 Cutting diagram of standard type Ⅱreciprocating cutter

如圖3所示，動刀片運動軌跡AB可表示為公式（3）。

動刀片運動軌跡CF可表示為公式（4）。

動刀片運動軌跡EG可表示為公式（5）。

動刀片運動軌跡DH可表示為公式（6）。

漏割區(qū)Ⅱ（SⅡ）和重割區(qū)Ⅲ（SⅢ）面積分別按公式（7）（8）計算。

漏割率（kⅡ）和重割率（kⅢ）分別按公式（9）（10）計算。

利用MATLAB編程并繪制切割圖，當機組前進速度為1 m/s時，不同轉(zhuǎn)速下的切割如圖4所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下切割器切割Fig.4 Cutting diagram of cutter under different speeds

由公式（7）～（10）計算可得，當機組前進速度為1 m/s時，不同曲柄轉(zhuǎn)速下的切割面積、漏割區(qū)面積、重割區(qū)面積、切割率以及漏割率，計算所得數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同曲柄轉(zhuǎn)速下切割結(jié)果Tab.3 Cutting results under different crank speeds

當機組前進速度為1 m/s時，不同的曲柄轉(zhuǎn)速 對漏割率和重割率的影響結(jié)果如圖5所示。

圖5 曲柄轉(zhuǎn)速對漏割率和重割率的影響Fig.5 Influence of crank speed on leakage cutting rate and recutting rate

由圖5可知，要使漏割率低于5%，曲柄轉(zhuǎn)速必須高于450 r/min；但隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增大，重割率會逐漸增大。因此，當曲柄轉(zhuǎn)速在450～500 r/min時，漏割率和重割率將同時低于4%，切割性能較好，可充分提高作業(yè)效率。

利用MATLAB編程并繪制切割圖，當曲柄轉(zhuǎn)速固定為450 r/min時，機組在不同前進速度下的切割如圖6所示。

圖6 機組不同前進速度下切割器切割Fig.6 Cutting diagram of cutter under different forward speeds of unit

由公式（7）～（10）計算可得，當曲柄轉(zhuǎn)速固定為450 r/min時，機組在不同前進速度下的切割面積、漏割區(qū)面積、重割區(qū)面積、切割率以及漏割率計算所得數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 機組不同前進速度下切割結(jié)果Tab.4 Cutting results under different forward speeds of the unit

當曲柄轉(zhuǎn)速為450 r/min時，不同的機組前進速度對漏割率和重割率的影響結(jié)果如圖7所示，當機組前進速度小于1.0 m/s時，漏割率低于5%；但機組前進速度越低，重割率越大。因此，機組前進速度在0.85～1.00 m/s時，漏割率和重割率將同時低于5%，切割性能較好。

圖7 機組前進速度對漏割率和重割率的影響Fig.7 Influence of unit forward speed on leakage cutting rate and recutting rate

1.4 撥禾裝置的設計

偏心式撥禾輪結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 偏心式撥禾輪結(jié)構(gòu)Fig.8 The structure diagram of eccentric grain wheel

撥禾裝置對提高割曬質(zhì)量具有重要意義[16-17]。由圖8可知，4SW-2.0型臥式割曬機選用偏心式撥禾輪，主要由支撐架1、撥禾輪輔盤2、撥禾輪軸3、撥禾輪桿4、撥齒5、撥禾輪盤6、撥禾輪偏心盤7、動力輸入帶輪8等組成。動力通過輸入帶輪8傳動到撥禾輪軸3，從而帶動撥禾輪盤6、撥禾輪輔盤2轉(zhuǎn)動，在撥禾輪偏心盤7的作用下，使得撥齒5垂直向下?lián)苋胱魑?，整個撥禾輪主體通過銷軸固定在支撐架1上，支撐架1通過固定座鉸接在割臺上。撥禾輪整體的升降依靠液壓缸控制。

撥禾輪的主要結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)如表5所示。

表5 撥禾輪主要技術(shù)參數(shù)Tab.5 Main technical parameters of grain wheel

1.5 橫向輸送裝置的設計

橫向螺旋輸送裝置結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。

圖9 橫向螺旋輸送裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.9 Transverse spiral conveyor device structure diagram

橫向螺旋輸送裝置通過螺旋葉片的轉(zhuǎn)動將割臺左右兩側(cè)割倒的燕麥強制橫向輸送至中間鋪放通道上，螺旋輸送裝置的主要結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要由鏈輪1、傳動軸2、軸承座3、螺旋葉片4、滾筒5和幅板6等組成。工作時，動力經(jīng)鏈輪1輸入，通過傳動軸2帶動整個螺旋輸送裝置按設計方向旋轉(zhuǎn)，螺旋葉片4將割倒的燕麥依次輸送至中間鋪放通道，在割茬上對燕麥進行晾曬。

1.5.1 輸送能力計算

1.5.1.1 輸送滾筒外徑 為避免割曬作業(yè)時，作物纏繞螺旋滾筒，則滾筒的周長需大于切割后的作物長度，因此，螺旋輸送滾筒的外徑應滿足公式（11）。

式中，H為切割后作物高度（mm）；D為輸送滾筒外徑（mm）。

針對長勢較好的燕麥品種，其平均高度為1400 mm，割曬割茬高度一般為500 mm，則進入割臺的作物平均高度為900 mm，由公式（11）計算可得，輸送滾筒外徑應大于287 mm。為了確保輸送裝置有更好的輸送能力，螺旋葉片選取高度為100 mm、外徑為500 mm，可確保針對各種長勢的作物均有足夠的輸送能力。

1.5.1.2 螺距 螺距決定了輸送裝置的輸送能力，而且還會對作物的質(zhì)量產(chǎn)生影響。螺距與輸送滾筒外徑之間存在一定的關(guān)系。

式中，P為螺距（mm）；C為螺距系數(shù)。

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》以及輸送要求，選取螺距系數(shù)C=0.8，為減少割曬過程對作物的摩擦，選取螺距為450 mm。

1.5.1.3 輸送滾筒轉(zhuǎn)速 在能夠滿足輸送能力的前提下，輸送滾筒的轉(zhuǎn)速不宜過大，結(jié)合現(xiàn)有輸送機構(gòu)，選取螺旋輸送器輸送速度為1.6 m/s，因此，輸送滾筒的轉(zhuǎn)速如公式（13），計算得到輸送滾筒轉(zhuǎn)速為213 r/min。

式中，v為輸送速度（m/s）；n為輸送滾筒轉(zhuǎn)速（r/min）。

1.5.2 輸送裝置主要技術(shù)參數(shù) 橫向輸送裝置主要技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表6 橫向輸送裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.6 Main technical parameters of transverse conveyor device

1.6 掛接機構(gòu)的設計

割臺掛接裝置結(jié)構(gòu)如圖10所示。

由圖10可知，掛接機構(gòu)裝置主要由液壓缸下端固定座1、液壓缸2、液壓缸上端固定座3、機架4、懸掛桿5和割臺懸掛固定座6組成。工作時，通過調(diào)節(jié)液壓缸活塞桿的伸縮量使懸掛桿5繞其鉸接點進行旋轉(zhuǎn)，從而帶動割臺整體進行升降。

掛接機構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如表7所示。

2 田間性能試驗

2.1 試驗方法

為檢驗燕麥割曬機的田間作業(yè)性能，于2022年7月在山西省晉中市太谷區(qū)山西農(nóng)業(yè)大學申奉試驗田進行田間作業(yè)性能試驗，試驗用燕麥長勢較好，平均株高1434 mm，籽粒平均含水率為9.71%，秸稈平均含水率為65.51%。

試驗前對割曬機整機的穩(wěn)定性進行長時間運行測試，確保整機工作無誤后，進行田間性能試驗。試驗所用儀器包括DT22358B+型轉(zhuǎn)速表、TCS-60型電子臺秤、KFS-C1型電子秤等。

試驗前調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)，設置割茬高度為400 mm，通過調(diào)節(jié)動力底盤檔位和油門大小控制機組前進速度和主傳動軸轉(zhuǎn)速為試驗所需運行參數(shù)。試驗時，選取長勢較均勻的燕麥區(qū)，每組試驗行駛20 m，以中間15 m為測試區(qū)間，分3段進行取樣，每段取樣長度為1 m，結(jié)果取其平均值。

2.2 試驗評價指標

割曬機試驗選取前進速度和主傳動軸轉(zhuǎn)速為影響因素，以鋪放均勻度系數(shù)和割曬損失系數(shù)為評價指標進行試驗[18-19]。

2.2.1 鋪放均勻度系數(shù) 每組試驗結(jié)束后，對取樣區(qū)間內(nèi)鋪放整齊的燕麥分別稱質(zhì)量，并計算其平均值。再對取樣區(qū)間外鋪放整齊的燕麥進行稱質(zhì)量。

式中，N為鋪放均勻度系數(shù)；xi為第i次取樣燕麥質(zhì)量（kg）；x為取樣區(qū)間外燕麥質(zhì)量（kg）。

2.2.2 割曬損失系數(shù) 每次試驗結(jié)束后，在取樣區(qū)間內(nèi)，人工撿拾掉落在地里的燕麥籽粒，稱質(zhì)量并取其平均值作為損失率。

式中，M為割曬損失系數(shù)；mi為第i次掉落燕麥質(zhì)量（g）。

2.3 正交試驗

采用Design-Exper軟件中Cenrtel Composite中心復合設計方法對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合與方差分析，建立鋪放均勻度系數(shù)、割曬損失系數(shù)與機組前進速度、主傳動軸轉(zhuǎn)速的數(shù)學模型。對響應面交互作用進行分析，所有試驗因素均用編碼-1（低）、0（中）與+1（高）3個水平表示[20-21]。

2.3.1 試驗結(jié)果 試驗因素與結(jié)果如表8、9所示。

表8 試驗因素編碼Tab.8 Code list of test factors

根據(jù)表9的數(shù)據(jù)，利用Design-Exper軟件對試驗結(jié)果進行方差回歸分析，得到鋪放均勻度系數(shù)（N）和割曬損失系數(shù)（M）隨機組前進速度（X）和主傳動軸轉(zhuǎn)速（Y）變化關(guān)系的回歸方程模型。

表9 試驗方案與結(jié)果Tab.9 Test protocol and results

2.3.2 方差分析 對上述試驗結(jié)果進行方差分析后得到的結(jié)果如表10、11所示[22-23]。

由表10可知，各因素之間的交互作用對于鋪放均勻度系數(shù)影響從大到小的順序為Y2、X、X2、Y、XY,其中，Y2、X影響極其顯著（P<0.01），X2影響較顯著（0.05≤P<0.1），其他因素影響不顯著（P>0.1）。失擬項P=0.3384，不顯著（P>0.1），證明不存在其他影響試驗指標的主要因素。

表10 鋪放均勻度系數(shù)方差分析Tab.10 Analysis of variance of laying uniformity coefficient

由表11可知，各因素之間的交互作用對于割曬損失系數(shù)影響從大到小的順序為X2、Y2、Y、X、XY,其中，X2、Y2影響極顯著（P<0.01），Y、X影響顯著（0.01≤P<0.05），XY影響不顯著（P>0.1）。失擬項P=0.1381，不顯著（P>0.1），證明不存在其他影響試驗指標的主要因素。

表11 割曬損失系數(shù)方差分析Tab.11 Analysis of variance of cutting and tanning loss coefficient

2.3.3 響應曲面分析 機組前進速度（X）和主傳動軸轉(zhuǎn)速（Y）及其交互作用對鋪放均勻度系數(shù)（N）和割曬損失系數(shù)（M）均有顯著影響，利用Design-Exper 12軟件得到機組前進速度（X）和主傳動軸轉(zhuǎn)速（Y）對鋪放均勻度系數(shù)（N）的響應曲面，如圖11所示。機組前進速度（X）和主傳動軸轉(zhuǎn)速（Y）對割曬損失系數(shù)（M）的響應曲面如圖12所示。

圖11 因素交互作用對鋪放均勻度系數(shù)的影響Fig.11 Influence of factor interaction on laying uniformity coefficient

圖12 因素交互作用對割曬損失系數(shù)的影響Fig.12 Influence of factor interaction on cutting and tanning loss coefficient

由圖11可知，機組前進速度和主傳動軸轉(zhuǎn)速對鋪放均勻度系數(shù)的交互影響較大。隨著機組前進速度的增大，鋪放均勻度系數(shù)逐漸增大；隨著主傳動軸轉(zhuǎn)速的增大，鋪放均勻度系數(shù)先減小后增大；當機組前進速度最大，主傳動軸速度最低時，在圖11所示區(qū)間內(nèi)鋪放均勻度系數(shù)取得極大值；當機組前進速度最小，主傳動軸轉(zhuǎn)速在450 r/min時，鋪放均勻度系數(shù)接近1，說明此種狀態(tài)下鋪放的最為均勻。

由圖12可知，機組前進速度和主傳動軸轉(zhuǎn)速對割曬損失系數(shù)的交互影響較大。隨著機組前進速度的增大，割曬損失系數(shù)出現(xiàn)明顯的先減小后增大的趨勢；主傳動軸轉(zhuǎn)速對其影響效果也類似；當主傳動軸轉(zhuǎn)速為450 r/min，機組前進速度為1 m/s時，割曬損失系數(shù)在圖12所示區(qū)間內(nèi)取得極小值，說明此種狀態(tài)下整機運行時對燕麥的損失最小。

2.4 參數(shù)優(yōu)化與驗證

為了使高地隙臥式燕麥割曬機達到最佳工作狀態(tài)，在損失率極低的情況下鋪放得更均勻，設定其約束條件為鋪放均勻度系數(shù)（N）和割曬損失系數(shù)（M）均為最小值，利用Design-Exper軟件對回歸模型進行優(yōu)化求解。在求解出的最佳工作狀態(tài)下進行多次驗證試驗，得到的驗證結(jié)果如表12所示，試驗誤差在可接受范圍內(nèi)，表明該回歸方程與實際情況比較吻合，模型可靠[24]。

表12 預測及驗證結(jié)果Tab.12 Prediction and validation results

3 結(jié)論與討論

針對立式割臺割曬機邊行收獲的困難，設計了一款4SW-2.0型臥式割曬機，采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，割臺升降高度為835 mm，中間鋪放通道寬度700 mm，鋪放通道高度為950 mm，可實現(xiàn)中間條鋪和茬上晾曬。

切割器運動學分析表明，機組前進速度和曲柄轉(zhuǎn)速對漏割率和重割率的影響較大，當機組前進速度在0.85～1.00 m/s、曲柄轉(zhuǎn)速在450～500 r/min時，漏割率和重割率將同時低于4%，切割性能較好。利用Design-Exper軟件設計響應面正交試驗，通過分析可知，機組前進速度和主傳動軸轉(zhuǎn)速及其交互作用對鋪放均勻度系數(shù)和割曬損失系數(shù)均有顯著影響。通過建立試驗回歸方程模型，得到最佳工作狀態(tài)為機組前進速度1.07 m/s，主傳動軸轉(zhuǎn)速449 r/min。在最佳工作狀態(tài)下進行試驗驗證，得到的鋪放均勻度系數(shù)平均值為1.08，割曬損失系數(shù)平均值為1.55。試驗值與優(yōu)化模型預測值誤差較小，試驗結(jié)論吻合。

綜上及田間試驗結(jié)果表明，割曬機切割順利，田間鋪放效果良好，燕麥整齊有序地鋪放在割茬上，利于晾曬和后續(xù)撿拾脫粒作業(yè)。該臥式燕麥割曬機能夠滿足割曬鋪放作業(yè)的國家相關(guān)標準要求。但仍存在的一定的不足，如劉銀壘[25]設計了一款寬幅可折疊油菜割曬機，基于寬幅作業(yè)、窄幅運輸兩大技術(shù)要點，通過田間試驗驗證了機具的作業(yè)效果優(yōu)良。樊偉[26]利用Creo、Hyper Works和Recur Dyn等軟件進行了割臺機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計；通過仿真分析與試驗相結(jié)合，對比分析了優(yōu)化前、后割臺機架的結(jié)構(gòu)特性，提高了工作部件的穩(wěn)定性。因此，整機后續(xù)應進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。此外，本機的智能化水平較低，后續(xù)要致力于智能控制系統(tǒng)的研發(fā)。