謝方平，王修善，任述光*，劉大為，李旭，陳立永

(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.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128；4.湖南農(nóng)廣農(nóng)業(yè)裝備有限公司，湖南 婁底 417700)

南方稻田多為山地丘陵田塊，面積小、連片少，泥腳深爛，田塊之間落差較大，聯(lián)合收割機(jī)難以廣泛使用[1]，傳統(tǒng)的人工收獲，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，這些因素制約了水稻生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。為推進(jìn)水稻收獲機(jī)械化進(jìn)程，農(nóng)機(jī)工作者和相關(guān)企業(yè)對小型聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行了大量研究：顧峰瑋等[2]研制了適用于丘陵山區(qū)的輕簡型4LZ–1.0Q 稻麥聯(lián)合收割機(jī)，整機(jī)作業(yè)順暢，作業(yè)效果較好，但由于配備了風(fēng)篩式清選裝置，整機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸偏大，因而轉(zhuǎn)彎半徑偏大，對小田塊的適應(yīng)能力有限；賀炳松等[3]研發(fā)出一種可拆式輕便微型水稻聯(lián)合收割機(jī)，整機(jī)質(zhì)量290 kg，采用履帶行走方式作業(yè)，但履帶底盤短小，尾部需用托盤支撐，影響了整機(jī)在水田的穩(wěn)定性；徐錦大等[4]研制的4L–90 型聯(lián)合收割機(jī)，以工農(nóng)–8 型手扶拖拉機(jī)為底盤，設(shè)計(jì)了側(cè)置輸送風(fēng)機(jī)取代割臺輸送槽，結(jié)構(gòu)輕簡，但由于沒有配置清選裝置，使得含雜率和損失率不能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；周益君等[5]設(shè)計(jì)的4L–110 型谷物聯(lián)合收割機(jī)，配置于工農(nóng)–12 型手扶拖拉機(jī)上，結(jié)構(gòu)簡單，但因?yàn)橥瑯記]有配備清選裝置，含雜率和損失率不能滿足生產(chǎn)要求，且手扶拖拉機(jī)在爛泥田里的通過性能不佳。這些都說明，適應(yīng)于南方丘陵田塊特性的微小型聯(lián)合收割機(jī)的自重受到限制，因而結(jié)構(gòu)尺寸和動(dòng)力都會受到限制。由于功率不足，微小型收割機(jī)不宜配置大中型聯(lián)合收割機(jī)常用的風(fēng)篩組合式清選裝置，造成清選質(zhì)量較差。近年來，利用旋風(fēng)分離器作為微小型聯(lián)合收割機(jī)的清選裝置的研究[6–12]取得了一些進(jìn)展，其清選效果有了很大提高，但仍存在對風(fēng)機(jī)和揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速要求較高，物料潮濕或輕雜質(zhì)較多時(shí)清選質(zhì)量和作業(yè)穩(wěn)定性降低的問題。

為解決小型收割機(jī)因配套功率與體積等因素的限制而造成的收獲效率低、清選質(zhì)量不高、通過性不好等方面的問題[13]，在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了4LZ–0.8 型水稻聯(lián)合收割機(jī)。該機(jī)以小型履帶底盤作為行走裝置，釘齒作為脫粒元件，并配置了體積和功率較小的新型清選系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)輕巧，操作簡便。性能檢測試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)脫粒清選質(zhì)量好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能較好地滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

4LZ–0.8 型水稻聯(lián)合收割機(jī)主要由行走裝置、割臺與輸送裝置、脫粒分離裝置、機(jī)架、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、清選裝置、液壓裝置、操縱控制裝置組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。行走裝置為履帶式底盤，由變速箱、橡膠履帶組成；脫粒分離裝置由脫粒滾筒、罩殼和凹板篩組成，脫粒滾筒、凹板篩與罩殼形成脫粒室；清選裝置由提升槽、提升刮板鏈、分離筒組件、吸風(fēng)管、吸雜風(fēng)機(jī)組成。田間作業(yè)時(shí)，在割臺分禾器和撥禾輪的作用下，水稻植株被引向割臺，上端被切割器割斷落入割臺，剩下的較長的莖稈被二次切割刀切斷還田。落入割臺的部分通過輸送槽被送進(jìn)脫粒室，脫粒后，大部分雜余從排草口排到稻田中，稻谷同少部分莖稈和帶癟谷的小穗等從提升槽進(jìn)入分離筒組件中，由于稻谷和雜余的懸浮速度不同，在吸雜風(fēng)機(jī)作用下，雜余被吸風(fēng)管吸走并從吸雜風(fēng)機(jī)中排出，凈谷則落入接糧裝置中，從而完成整個(gè)收割過程。

圖1 4LZ–0.8型水稻聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure diagram of 4LZ–0.8 rice combine

1.2 技術(shù)參數(shù)

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14–15]， 4LZ–0.8 型全喂入聯(lián)合收割機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為：外形尺寸2 805 mm×1 700 mm×2 070 mm；自重665 kg；配套功率9.7 kW；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 400 r/min；喂入量2.88 t/h；最小離地間隙180 mm；最小轉(zhuǎn)彎半徑450 mm；生產(chǎn)率≥0.100 hm2/h；割臺寬1 200 mm；脫粒滾筒類型為軸流釘齒。

2 主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 行走裝置

由于履帶式行走裝置具有接地比壓較小、越野能力和松軟泥濘地的通過性較好、轉(zhuǎn)彎靈活、轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點(diǎn)，因而選取履帶底盤為行走裝置，如圖2 所示。履帶底盤主要由底盤機(jī)架、變速箱、驅(qū)動(dòng)輪、支重輪、托鏈輪、導(dǎo)向輪，橡膠履帶組成。

圖2 行走裝置底盤結(jié)構(gòu) Fig.2 Structure diagram of chassis

底盤驅(qū)動(dòng)輪的直徑影響驅(qū)動(dòng)力矩的大小?？紤]變速箱可靠性，減小變速箱受力[16]，結(jié)合本機(jī)作業(yè)速度及作業(yè)環(huán)境，驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑D 設(shè)計(jì)為265 mm，驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)Z 取11個(gè)，計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距t0=73 mm。為使驅(qū)動(dòng)輪和履帶正常嚙合，橡膠履帶的節(jié)距t 取值應(yīng)該和驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距一致，采用節(jié)距t=73 mm，寬度B=250 mm 的橡膠履帶。由于支重輪數(shù)量多時(shí)，履帶的接地壓力會較均勻，在濕軟土壤上的通過性較好，但履帶長度不變時(shí)，支重輪數(shù)量增加，支重輪直徑就會減小，支重輪與履帶內(nèi)壁的滾動(dòng)阻力就會增大，因此，在保證履帶接地壓力均勻性的情況下，要盡量增大支重輪直徑和減少支重輪數(shù)量[16]。結(jié)合支重輪直徑與履帶節(jié)距的相關(guān)比例關(guān)系，設(shè)計(jì)每邊支重輪個(gè)數(shù)為4個(gè)，考慮到履帶接地長寬比對行駛性能的影響，結(jié)合文獻(xiàn)[17–18]的研究，將前后支重輪間距l(xiāng) 設(shè)計(jì)為695 mm。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)配置如圖3 所示，由柴油機(jī)輸出動(dòng)力，一方面通過皮帶輪傳動(dòng)組、行走離合器、行走變速箱傳遞給履帶驅(qū)動(dòng)輪，通過改變行走變速箱檔位來控制驅(qū)動(dòng)履帶的轉(zhuǎn)速，另一方面通過皮帶輪傳動(dòng)組、鏈條傳動(dòng)組、離合器傳遞給工作組件(包括脫粒滾筒、輸送刮板鏈組件、割臺螺旋攪龍裝置、割臺割刀組件、二次切割刀組件、撥禾輪、液壓泵組件、吸雜風(fēng)扇、橫向輸送攪龍和提升刮板鏈組件及拋灑器)，由離合器控制，動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)直接輸出，速度由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速決定，與機(jī)器的行走速度相互獨(dú)立，互不影響。

圖3 傳動(dòng)配置 Fig.3 Schematic of the layout of transmission system

2.3 脫粒分離裝置

脫粒分離裝置如圖4 所示，由脫粒滾筒、柵格式凹板篩、罩殼以及凹板篩下的橫向輸送攪龍組成。脫粒滾筒、柵格式凹板篩和罩殼組成脫粒室，脫粒室一端開有喂入口與輸送槽對接，另一端為排草口。

圖4 脫粒分離裝置的結(jié)構(gòu) Fig.4 Structure diagram of threshing and separating installation

為增加對潮濕作物的打擊脫粒，采用釘齒作為脫粒元件，配以柵格式凹板篩，增強(qiáng)脫分能力。脫粒滾筒的長度設(shè)計(jì)為780 mm，滾筒的齒頂圓直徑設(shè)計(jì)為390 mm，脫粒滾筒上的釘齒采用雙頭螺線排列布置，釘齒長度65 mm。經(jīng)計(jì)算，滾筒圓周長為1.22 m，長于進(jìn)入脫粒室水稻莖稈長度，不會造成谷草多圈纏繞滾筒。

為保證釘齒能及時(shí)有效抓取進(jìn)入脫粒室的谷草，凹板篩的包角設(shè)計(jì)值大于180°，結(jié)構(gòu)上為確保脫粒滾筒順利安裝進(jìn)脫粒室，超過180o包角的部分設(shè)計(jì)成垂直向上與篩體半圓相切。設(shè)計(jì)的凹板篩的柵條直徑為4 mm，網(wǎng)孔大小38 mm×14 mm。

為提高脫粒輸送順暢性，脫粒滾筒上部罩殼內(nèi)設(shè)計(jì)有4 塊導(dǎo)向板；考慮到脫粒元件與凹板篩間的脫粒間隙大小影響脫粒元件的沖擊梳刷強(qiáng)度，作物種類及喂入量不同，對應(yīng)的脫粒間隙也應(yīng)不同[19]，水稻喂入量較小，故設(shè)計(jì)脫粒間隙為30 mm。

2.4 清選裝置及工作原理

清選系統(tǒng)主要由提升槽、提升刮板鏈總成、拋灑器、分離筒組件、吸氣管、接谷斗組成，如圖5所示。提升槽下端與脫粒室下的橫向輸送攪龍連接，上端與分離筒組件相連，吸風(fēng)管道一頭連接分離筒組件上端，另一頭連接吸雜風(fēng)扇，接谷斗掛接在分離筒組件下端。

圖5 清選裝置的結(jié)構(gòu) Fig.5 Structural schematic of cleaning system

分離筒組件由氣流分離筒、氣固分離體、固定板以及風(fēng)量調(diào)節(jié)器組成，如圖6 所示。氣流分離筒中部開有脫粒后混合物入口，連接在提升槽上端，氣流分離筒上端裝有風(fēng)量調(diào)節(jié)器，氣流分離筒內(nèi)部通過固定板安裝有半球形的氣固分離體。作業(yè)時(shí)，吸雜風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過吸風(fēng)管道在氣流清選筒內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，設(shè)計(jì)的氣固分離體可避免筒體中心氣流速度與靠近筒壁四周的氣流速度差異過大，從而使氣流分離筒內(nèi)氣固分離體以下各處氣流速度和壓力處于比較均勻的狀態(tài)。

脫粒后混合物料經(jīng)提升刮板輸送到拋灑器處，被徑向拋射進(jìn)氣流分離筒內(nèi)，與分離筒內(nèi)的氣流近似于垂直相交，其受力情況如圖6 所示。物料在豎直方向上受到重力mg、氣流阻力P 和壓強(qiáng)梯度力F的作用[20]。

由于物料在豎直向上方向的初速度為0，低于氣流速度，所以氣流阻力P 實(shí)際為動(dòng)力，且壓強(qiáng)梯度力F 較小，可以忽略不計(jì)。物料運(yùn)動(dòng)的方程可由(1)式表示。

式中：a為物料加速度。

當(dāng)P–mg=0 時(shí)，即重力與氣流作用力相等時(shí)，物料在豎直方向的加速度為0，物料在氣流中處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，既沒有向氣流分離筒上部的運(yùn)動(dòng)也不會掉入接谷斗。此時(shí)氣流速度為物料的漂浮速度，物料在空氣中的漂浮速度與物料本身的質(zhì)量、形狀、大小等因素有關(guān)[20]。

圖6 清選原理 Fig.6 Schematic diagram of cleaning

脫粒后混合物料中谷粒和各類雜余的質(zhì)量、形狀等各不相同，所以脫粒后混合物料中谷粒和輕雜質(zhì)及短秸稈的漂浮速度各不相同。只要使吸雜風(fēng)機(jī)在氣流分離筒內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)氣流速度v，使v 小于谷粒漂浮速度v2，而大于雜質(zhì)漂浮速度v1，則雜質(zhì)所受的氣流作用力大于自身重力，即：

式中：m1為雜質(zhì)質(zhì)量；P1為雜質(zhì)所受氣流阻力，此處為動(dòng)力；a1為雜質(zhì)加速度。

雜質(zhì)有豎直向上的加速度，會向上運(yùn)動(dòng)從物料中分離出來，通過吸風(fēng)管從吸雜風(fēng)機(jī)排出，而谷粒所受的氣流作用力小于自身重力，即：

式中：m2為谷粒質(zhì)量；P2為谷粒所受氣流阻力，此處為動(dòng)力；a2為谷粒加速度。

谷粒會有豎直向下的加速度，向下掉入接谷斗下的接糧裝置。

2.5 二次切割裝置

聯(lián)合收割機(jī)加裝二次切割裝置可以減小喂入脫粒室的物料量，減輕脫粒系統(tǒng)和清選系統(tǒng)的負(fù)荷，降低機(jī)器整體功率，提高清選質(zhì)量[21]。本機(jī)設(shè)計(jì)了高茬二次切割裝置，二次切割的殘茬割后還田。切割器設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型切割器，刀具行程為76.2 mm，二次切割裝置寬度與機(jī)器割臺寬度一致，殘茬還田后長240 ～640 mm。

3 檢測試驗(yàn)結(jié)果

2011年7月17日至2011年7月20日，分別在海南省昌江縣石碌鎮(zhèn)片石村和湖南省雙峰縣科技工業(yè)園，對4LZ–0.8 型水稻聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行了水稻收割試驗(yàn)。試驗(yàn)檢測過程中，數(shù)據(jù)的獲取和處理均依據(jù)GB/T 8892—2008《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》及DG/T 014—2009《谷物聯(lián)合收割機(jī)》執(zhí)行。

水稻收割前，選取作業(yè)田2 hm2，水稻處于蠟熟期，未倒伏，稻株平均高度72 cm，千粒重29.2g，籽粒含水率28.9%，莖稈含水率66%～67%，平均產(chǎn)量7 333.8 kg/hm2)，田間狀況與作物參數(shù)符合檢測和試驗(yàn)要求。水稻收割機(jī)采用Ⅲ檔作業(yè)，試驗(yàn)過程測取谷粒含雜率、破碎率、損失率、作業(yè)生產(chǎn)率等性能參數(shù)。

試驗(yàn)和檢測過程中，4LZ–0.8 型水稻聯(lián)合收割機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，各操作機(jī)構(gòu)靈活有效。主要性能指標(biāo)和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)指標(biāo)列于表3。從表3 中可以看出，各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到或優(yōu)于執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的要求。檢測試驗(yàn)過程和結(jié)果表明，本機(jī)在減輕整機(jī)質(zhì)量和簡化部件結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)機(jī)器作業(yè)靈活性的同時(shí)，保證了作業(yè)質(zhì)量。

表1 主要性能指標(biāo)對比 Table1 Comparison of the mainperformance index

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