油菜收割機(jī)脫粒分離裝置的試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：S226.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095-3305（2025）05-0034-03

脫粒分離效果是決定油菜收割機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。脫粒裝置作為油菜收割機(jī)的關(guān)鍵部件，通過(guò)對(duì)油菜籽粒與秸稈連接部位進(jìn)行破壞，實(shí)現(xiàn)油菜脫粒[1]。盡管經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，油菜收割機(jī)的脫粒裝置性能得到顯著提升，相應(yīng)的運(yùn)行效率得到提升，但油菜脫凈率仍難以得到保證，導(dǎo)致油菜籽粒損失率高、破損率高等，使油菜收割效率難以得到提升[2-3]。通過(guò)對(duì)油菜收割機(jī)脫粒分離裝置進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)油菜收割機(jī)脫粒分離裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提升油菜籽粒分離效率提供支持。

1油菜收割機(jī)脫粒分離裝置的參數(shù)優(yōu)化

1.1 試驗(yàn)指標(biāo)

研究將油菜收割機(jī)脫粒分離裝置損失率、含雜率作為試驗(yàn)指標(biāo)，損失率計(jì)算如公式（1）所示，含雜率計(jì)算如公式（2）所示。

式（1）中， a 為損失率 為籽粒損失質(zhì)量（ ｋｇ）；"M₁ 為籽?？傎|(zhì)量 （kg） 。

式（2中， b 為含雜率 （%）;m₂ 為底部秸稈質(zhì)量（ ?_kg） M₂ 為底部混合物總質(zhì)量 （kg） 。

1.2 因素分析

1.2.1 滾筒轉(zhuǎn)速

研究中選用的油菜收割機(jī)脫粒滾筒最大轉(zhuǎn)速為1100r/min 、最小轉(zhuǎn)速為 400r/min ，選擇EDEM作為脫粒滾筒轉(zhuǎn)速損失率仿真分析環(huán)境，將 400r/min 作為收割機(jī)脫粒滾筒啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，仿真試驗(yàn)頻次為 100r/（min? 次，確定喂入量為 1kg/s 、凹板篩振動(dòng)頻率為 6Hz ，隨后逐級(jí)提升收割機(jī)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速，直至達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，對(duì)脫粒滾筒不同轉(zhuǎn)速下尾部籽粒與底部秸稈質(zhì)量進(jìn)行分析。表1為脫粒滾筒不同轉(zhuǎn)速下尾部籽粒與底部秸稈質(zhì)量。

由表1可知，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速 lt;700r/min 的情況下，伴隨滾筒轉(zhuǎn)速的逐漸提升，相應(yīng)的籽粒損失率逐漸降低，而脫粒滾筒轉(zhuǎn)速逐漸下降，相應(yīng)的籽粒損失率隨之上升。脫粒滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到 700r/min 時(shí)，對(duì)應(yīng)的籽粒最小損失率為 5.15% ，當(dāng)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速 gt;900r/min 時(shí)，相應(yīng)的籽粒損失率明顯上升。由此推斷，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速與含雜率成正比，并非油菜收割機(jī)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速越小則含雜率越理想。

1.2.2 振動(dòng)頻率

確定脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為 800r/min 、喂入量 1kg/s ，取最大振動(dòng)頻率 9Hz 、最小振動(dòng)頻率 3Hz ，仿真實(shí)驗(yàn)頻次為 1Hz/ 次，對(duì)不同振動(dòng)頻率下尾部籽粒和底部秸稈質(zhì)量進(jìn)行分析。表2為不同振動(dòng)頻率下尾部籽粒和底部秸稈質(zhì)量。

分析油菜收割機(jī)脫粒滾筒振動(dòng)頻率對(duì)籽粒損失率與含雜率的影響發(fā)現(xiàn)，成功脫粒秸稈的籽粒沿機(jī)殼壁面運(yùn)動(dòng)至凹板篩內(nèi)表面，當(dāng)凹板篩處于低振動(dòng)頻率的狀態(tài)下，籽粒難以通過(guò)凹板篩進(jìn)入底部，增加損失率。當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到 5Hz 后，含雜率伴隨振動(dòng)頻率的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而振動(dòng)頻率 lt;5Hz 的情況下，凹板篩處理能力下降，對(duì)篩選頻率造成影響，由此可見(jiàn)油菜收割機(jī)振動(dòng)頻率不可過(guò)低。

2油菜收割機(jī)脫粒分離裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 螺旋頭設(shè)計(jì)

研究中以脫粒滾筒與油菜相對(duì)位置不同為依據(jù)，設(shè)置喂入方式包括平喂上脫、倒掛側(cè)脫、平喂下脫。

研究中脫粒裝置為夾持式，油菜莖部在夾持裝置的作用下被夾緊，沿著脫粒滾筒軸向進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，在此期間完成脫粒。凹板篩對(duì)籽粒、碎草、殘穗分離，排稿輪向后排出秸稈。脫粒滾筒軸向前端為喂入部分，雜亂的油菜在螺旋喂入頭的作用下被運(yùn)送至疏整段，同時(shí)油菜向螺旋脫粒段方向移動(dòng)。為最大限度增強(qiáng)油菜穗的輸送效果、喂入流暢程度，研究中使用傳統(tǒng)的螺旋喂入頭，分析喂入角 a 對(duì)油菜穗喂入速度的影響。圖1為螺旋喂入頭結(jié)構(gòu)圖示。

分析圖1發(fā)現(xiàn)，當(dāng)喂入螺旋頭旋轉(zhuǎn)角速度為 ω 的情況下，相應(yīng)的O點(diǎn)籽粒速度為 V₀ ，可將其方向進(jìn)一步分解為沿螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)后、沿脫粒滾筒軸向移動(dòng)。任意螺旋半徑r上O點(diǎn)的籽粒，以O(shè)為圓心、 x 軸、y軸為方向構(gòu)建坐標(biāo)系。沿原點(diǎn)O圓周切線的方向即籽粒速度方向，相應(yīng)的喂入螺旋頭運(yùn)動(dòng)速度 V_R 與經(jīng)過(guò)0點(diǎn)的螺旋線處于平行關(guān)系，對(duì) V_n 進(jìn)行分解后得到沿 x 軸方向的輸送速度 V_z? 沿y軸方向的攪動(dòng)速度 V_t?V 計(jì)算公式（3）所示。

V₀=ωr

式（3中， r 為籽粒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)半徑。

2.2 脫粒元件的選擇與布局

此次研究中以脫粒滾筒不同部位的脫粒要求為依據(jù)，將其分為疏整區(qū)、脫粒區(qū)、排稿區(qū)，其中主要脫粒元件包括釘齒式、紋桿式、板齒式、楔形齒式、弓齒式等。

將圓柱釘齒作為梳整齒，使厚度較大的作物層變薄，使籽粒分粒效果得到優(yōu)化提升。圓柱釘齒具有理想的籽粒抓取、擊打能力，可快速分離籽粒，整體脫凈率相對(duì)較高。圓柱釘齒后傾角最大角度為 15^° 、最小角度為 10^° ，能有效避免掛草。沿軸線斜向安裝圓柱釘齒，有助于提升其軸向作物輸送能力水平。選取的收割機(jī)脫粒滾筒中的圓柱釘齒，占據(jù)整個(gè)滾筒長(zhǎng)度的15% 。計(jì)算圓柱釘齒脫粒滾筒長(zhǎng)度如公式（4所示。

式（4中， Δl 為邊齒與脫粒滾筒端的間距，取值15mm ·a 為齒跡距，取值 25mm ；z為滾筒上圓柱釘齒總數(shù)，取值12個(gè)； k 為螺旋頭數(shù)，取值3個(gè)。代入數(shù)值計(jì)算得到 L₁=100mm ○

3油菜收割機(jī)脫粒分離裝置的性能對(duì)比

3.1滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫粒性能影響分析

采用EDEM分析滾筒轉(zhuǎn)速不同的情況下，油菜損失率、含雜率，得到尾部籽粒與底部秸稈質(zhì)量。表3為不同滾筒轉(zhuǎn)速下尾部籽粒和底部秸稈質(zhì)量。分析滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)損失率的影響發(fā)現(xiàn)，滾筒轉(zhuǎn)速為 700r/min 的情況下，夾帶損失率最小值為 4.5% ，伴隨轉(zhuǎn)速的逐漸增加，相應(yīng)的滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)損失率的影響不明顯、含雜率增加。滾筒處于低速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下，對(duì)秸稈的打擊力度相對(duì)較小，秸稈破損、從凹板篩上掉落的難度較大，含雜率明顯下降；隨著轉(zhuǎn)速的增大，相應(yīng)的秸稈破碎程度也在增加，底部秸稈質(zhì)量增大，導(dǎo)致含雜率上升。

盡管優(yōu)化后脫粒滾筒脫粒性能相比弓齒式脫粒滾筒有所下降、損失率下降，在 700r/min 下旋轉(zhuǎn)時(shí)的損失率為 0.62% 、含雜率下降最大幅度為 3.43% 、最小值為 0.27% ，但伴隨轉(zhuǎn)速的逐漸增大，優(yōu)化后脫粒滾筒脫粒性能未發(fā)生顯著變化，而弓齒式脫粒滾筒性能變化相對(duì)顯著，充分說(shuō)明優(yōu)化后脫粒滾筒脫粒性能相比弓齒式脫粒滾筒更加理想。

3.2 喂入量對(duì)脫粒性能影響分析

將不同喂入量下尾部籽粒與底部秸稈質(zhì)量的尾部籽粒數(shù)量、尾部籽粒重量、損失率、底部秸稈數(shù)量、底部秸稈重量、含雜率進(jìn)行對(duì)比，具體見(jiàn)表4。

優(yōu)化后脫粒滾筒在轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率一致的情況下，伴隨喂入量的增加，相應(yīng)的脫粒性能損失率、含雜率上升，弓齒式脫粒滾筒喂食量在 0.8～1.2kg/s 的情況下無(wú)大幅度變化，且優(yōu)化后脫粒滾筒整體性能增加幅度穩(wěn)定，最大脫粒性能損失幅度 2.54% 、最小脫粒性能損失幅度 0.06% ，含雜率下降最大幅度 2.77% 、最小幅度 0.06% ，進(jìn)一步說(shuō)明優(yōu)化后脫粒滾筒性能相比弓齒式脫粒滾筒性能更加理想。

3.3振動(dòng)頻率對(duì)脫粒性能影響分析

將不同凹板篩振動(dòng)頻率下的尾部籽粒數(shù)量、尾部籽粒重量、底部秸稈數(shù)量、損失率、底部秸稈重量、含雜率進(jìn)行對(duì)比，具體見(jiàn)表5。

當(dāng)脫粒滾筒與喂入量一致的情況下，優(yōu)化后脫粒滾筒與弓齒式脫粒滾筒性能變化趨勢(shì)一致，而優(yōu)化后脫粒滾筒脫粒性能相比弓齒式滾筒更低，損失率最大

變化幅度 0.58% 、含雜率最大變化幅度 0.36% ，損失率最大下降幅度 1.51% 、最小下降幅度 0.14% ，含雜率最大下降幅度 1.44% 、最小下降幅度 0.27% ，進(jìn)一步說(shuō)明優(yōu)化后脫粒滾筒性能相比弓齒式脫粒滾筒更加理想。

4結(jié)束語(yǔ)

脫粒分離裝置作為油菜收割機(jī)的重要組成部分，其性能與油菜脫離損失率、含雜率密切相關(guān)。對(duì)油菜收割機(jī)脫粒分離裝置開(kāi)展試驗(yàn)的過(guò)程中，在明確試驗(yàn)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)脫粒分離裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此降低了油菜損失率、含雜率。未來(lái)，可進(jìn)一步探索如智能化、自適應(yīng)調(diào)控等先進(jìn)技術(shù)在脫粒分離裝置中的應(yīng)用，推動(dòng)油菜收割工作向高效、低損、智能化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2]李子康，張璠，滕桂法，等.基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的收割機(jī)省內(nèi)協(xié)同調(diào)度優(yōu)化策略[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2024，40（14）：23-32.

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