沈宇峰，吳明亮,2*，吳梓高，李小聰，張利峰

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128；3.湖南省農(nóng)業(yè)機械鑒定站，湖南 長沙 410004)

水稻是一種主要的糧食作物，種植面積大，產(chǎn)量高，品種多。而在中國，一次完成收割、脫粒、分離莖稈、清選谷粒的聯(lián)合收割的機械化程度相對較低。聯(lián)合收割機按其脫離滾筒的擺放方式可分為橫軸流式和縱軸流式兩大類。橫軸流滾筒因長度受限，一般均用于小、中型收割機上。橫軸流式聯(lián)合收割機高茬收割時脫粒與分離性較好，效率也得以提高，但影響旋耕和稻草的回收利用；低茬收割時喂入量大，脫粒與分離性能下降，必須放慢行駛速度，生產(chǎn)效率下降；作物潮濕時易堵塞滾筒。滾筒縱置，其長度不受限制，清選篩面上物料的橫向分布比橫置型較均勻，故適合大生產(chǎn)率的機型?？v軸流式聯(lián)合收割機在不增大機體的情況下加大了脫粒滾筒的長度和分離面積，使脫粒作用柔和，分離過程長，對谷粒損傷小，提高了生產(chǎn)率、脫凈率，減少了破損率，尤其對難脫和易破碎的作物有較好的適應(yīng)性。清選裝置是縱軸流式聯(lián)合收割機的重要組成部分，它直接影響到整機的工作性能。清選性能中的籽粒含雜率，清選損失率是衡量聯(lián)合收割機產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標之一；因此，設(shè)計出合理的谷物清選裝置也就顯得尤為重要。

常用的清選原理大致可以分為兩類：一類是按照谷粒的空氣動力學(xué)特性(懸浮速度)進行清選；另一類是利用氣流和篩子配合進行清選。氣流式清選裝置是靠風扇產(chǎn)生的氣流清除谷粒中的雜質(zhì)。這種清選裝置結(jié)構(gòu)簡單，但清潔度較差，多用于簡式脫粒機。本研究中采用風扇篩子式清選裝置(主要由風扇和篩子組成)，在原有的基礎(chǔ)上加以改進，使其簡單、高效，以滿足縱軸流式聯(lián)合收割機的清選要求[1–4]。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié) 構(gòu)

縱軸流式水稻聯(lián)合收割機的部分結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主要由脫粒系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、機架、動力等組成。筆者主要探討清選系統(tǒng)的構(gòu)成。清選系統(tǒng)由清選風機、振動篩等組成[3]。

圖1 部分結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

脫粒后的物料經(jīng)凹板篩落入清選系統(tǒng)，進入清選系統(tǒng)中的籽粒及細碎雜余物在振動篩和清選風機的配合作用下，使籽?；旌衔锾幱谑杷蔂顟B(tài)，碎秸稈被吹出機外，落入振動篩網(wǎng)上面的雜余物靠風力和慣性的作用經(jīng)振動篩被拋出機體，經(jīng)振動篩清選出來的干凈籽?？孔灾芈淙氲撞枯斔蛿圐堉衃5]。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

由于該縱軸流式聯(lián)合收割機要一次性完成脫粒、分離、清選等作業(yè)，同時要求結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，機具運行平穩(wěn)。因此，根據(jù)各部件的工作原理和特點，設(shè)計如圖2 所示的傳動方案。

圖2 傳動系統(tǒng)簡圖

由圖2 可知，從輸入軸輸進的動力分為2 部分：一部分是經(jīng)錐齒輪傳遞給脫粒滾筒軸；另一部分經(jīng)各鏈輪傳遞給風機軸和振篩軸，以此來滿足所有清選裝置動力的要求。

2.2 清選篩的設(shè)計

清選篩由篩架、上篩、下篩、支桿、吊桿等組成[6]。篩架用支桿支撐，用偏心輪驅(qū)動往復(fù)式抖動。為了能有較好的清選效果，采用二層篩子，即上篩與下篩兩層，上下距離約為50~100 mm[7]。上篩主要把碎秸稈，殘碎等分離出來，起粗篩選作用。下篩主要選出干凈谷粒，把細碎雜質(zhì)排出，起到精篩選作用。

上篩采用編織篩。編織篩是用鐵絲編制而成。它制造簡單，對氣流阻力小，有效面積大，生產(chǎn)率高，主要用于清理脫出物中較大的混合物。篩的邊長約為20~30 mm[7]，選取該編織篩的邊長為20 mm。下篩采用沖孔圓孔篩。運用沖孔篩分離作物，比較精確，原因是篩孔在工作中不易變形。但有效部分面積小，生產(chǎn)效率較低，不宜用于負荷大的分離工作，用于下篩比較合適。篩孔的直徑一般為8~10 mm[7]，選取該沖孔圓篩的直徑為10 mm。

2.2.1 清選篩結(jié)構(gòu)尺寸和需用功率的確定

清選篩尺寸主要是篩子面積(長度×寬度)。篩子面積可由進入清選裝置的谷?；旌衔颭s確定，而谷粒混合物又與機器的喂入量有關(guān)。篩子的寬度B在傳統(tǒng)型脫粒機和聯(lián)合收割機上一般為逐稿器寬度的0.9~0.95. 本機中篩子的寬度為0.62 m.篩子的長度L 可由下式求得：

式中：Qs為單位時間進入清選裝置的谷粒混合物質(zhì)量(kg/s)；B 為篩子的寬度(m)；qs為單位篩面積可以承擔的谷?；旌衔锏奈谷肓縦g/(m2·s)。

該機取Qs為1.35 kg/s，qs=2.5 kg/(m2·s)，則由(1)式算得篩子的長度L=0.87 m

篩子運動所需的功率由(2)式確定：

式中：Qs為進入清選裝置的谷?；旌衔?kg/s)；Np 為單位生產(chǎn)率清選篩所需功率kW/(kg·s–1)，上篩取0.4~0.55. 本機取0.4；η 為系數(shù)，取0.9。

則N=1.35×0.4/0.9=0.6 kW。

2.2.2 清選篩主要運動參數(shù)的確定

篩架的運動方式如圖3 所示。

圖3 篩架的運動方式簡圖

脫出物落于篩面上并相對于篩子運動。就篩子本身而言，對脫出物發(fā)生作用的主要有篩子的加速度ω2r、脫出物與篩面的夾角(α+ε)等4 個因素。為滿足清選篩的工作條件，則應(yīng)有：

其中

經(jīng)試驗，在雙篩架上ω2r 的值，上篩為(2~2.5)g,本機取2.5g，下篩為(1~1.5)g,本機取1.5g。

曲柄半徑r 為23~30 mm，取r=30 mm ；

轉(zhuǎn)速n 為200~350 r/min，n=240 r/min=4 r/s;

篩子的傾角α 為–10~10°，上篩篩面負荷大，α取正值，下篩取負值，擺動方向與篩面的夾角ε+α；其中上篩為5~15°,下篩為3~4°；

對于本機上篩α 取5°，ε+α 取10°，可得：

滿足其一般要求。

對于本機下篩α 取–5°，ε+α 取4°，可得：

滿足條件Kp＞ω2r＞Kx＞Ks，說明該設(shè)計合理。

2.3 風扇的設(shè)計

清選裝置中主要采用農(nóng)用型離心風扇和通用型離心風扇2 種：吹出型清選裝置的風扇大多采用農(nóng)用型；吸入型清選裝置的風扇則為通用型。該清選裝置為吹出型清選裝置，故采用農(nóng)用型風扇。

風扇主要由葉輪和殼體組成。農(nóng)用型都為雙面進風，其葉輪上的葉片長度一般與脫粒滾筒長度相當。為了使風扇全部寬度內(nèi)風速均勻，通常將葉片兩端內(nèi)部削去一角，以減弱兩端氣流速度[7]。風扇的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示。

在該清選風機中，風扇的尺寸一般由葉輪外徑D2決定。吹出型風扇葉輪直徑D2大多在300~500 mm，該機選取為400 mm。由此可得出風扇的基本尺寸(表1)。

圖4 風扇的結(jié)構(gòu)簡圖

表1 風扇的基本尺寸

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)主要利用氣流吹浮作用并輔以篩子抖動作用，將混雜在谷粒中的大小雜質(zhì)清除排走。具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)效率高、操作簡便等特點。

[1]楊立東．趙曉丹，付威．我國水稻聯(lián)合收割機的類型與分析[J]．農(nóng)機市場，2005(5)：23–25．

[2]王金雙，熊永森，陳德?。谷肟v軸流聯(lián)合收獲機參 數(shù)選取與驗算[J]．農(nóng)機化研究，2013(1)：53–54．

[3]李寶筏，區(qū)穎剛，宋建農(nóng)，等．農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003．

[4]湯楚宙．水稻聯(lián)合收割機原理與設(shè)計[M]．長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2002．

[5]李耀明，喬明光，徐立章等．縱軸流復(fù)脫分離裝置設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40(11)：50–54．

[6]北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)．農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1999．

[7]中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院．農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊(下冊)[K]．北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007．