李毅念 易應(yīng)武 杜世偉 丁啟朔 丁為民

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機(jī)氣吹式割臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李毅念 易應(yīng)武 杜世偉 丁啟朔 丁為民

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

為解決現(xiàn)有小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)中有殘留、不易清機(jī)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種采用正面氣流將禾吹彎再切割的氣吹式割臺(tái)。根據(jù)力學(xué)原理建立了均勻氣流吹禾模型，以小麥順利進(jìn)入割臺(tái)而不掉落為要求，計(jì)算得氣流支管出口風(fēng)速為47.35 m/s。以能產(chǎn)生均勻氣流為目標(biāo)，通過(guò)理論計(jì)算得到氣流管道的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：氣流總管錐度1∶14.29，氣流支管排列間距100 mm。對(duì)影響割臺(tái)殘留量和損失率的3個(gè)關(guān)鍵工作參數(shù)：氣流支管出口與割刀的垂直和水平距離、氣流支管出口與水平夾角進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)表明：氣流支管出口與割刀的垂直和水平距離在15～27 cm內(nèi)對(duì)割臺(tái)損失率的影響呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，氣流支管與水平夾角對(duì)割臺(tái)損失率和殘留量的影響先緩慢減小，后增加較快。正交試驗(yàn)表明：最優(yōu)組合為氣流支管出口與割刀的水平距離21 cm、氣流支管出口與割刀的垂直距離21 cm、氣流支管出口與水平的夾角10°，此時(shí)總損失率為0.88%，割臺(tái)殘留量為1.21 g。氣吹式割臺(tái)殘留量少，總損失率低，達(dá)到了小區(qū)小麥種子收獲技術(shù)要求。

小麥； 小區(qū)聯(lián)合收獲機(jī)； 氣吹式； 割臺(tái)； 設(shè)計(jì)； 試驗(yàn)

引言

小區(qū)育種的目標(biāo)是選育出具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)等性能的新品種[1]，小區(qū)種子收獲是育種的最終環(huán)節(jié)，要確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提供高純度的親本材料，對(duì)收獲機(jī)械除了控制損失率、清潔率外，還嚴(yán)格要求無(wú)籽粒殘留、損傷小等。同時(shí)小區(qū)育種在農(nóng)藝上與大田種植有較大差異，單個(gè)育種小區(qū)面積小，單位面積內(nèi)的育種小區(qū)多，導(dǎo)致大田收獲機(jī)無(wú)法直接運(yùn)用到小區(qū)收獲上[2,3]。割臺(tái)是小區(qū)聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵工作部件，對(duì)其研究具有重要意義。

國(guó)外小區(qū)收獲主要是將大田谷物聯(lián)合收獲機(jī) 小型化、智能化、模塊化[4-5]。例如奧地利WINTERSTEIGER公司生產(chǎn)的Classic型小區(qū)種子收獲機(jī)利用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)能夠進(jìn)行小區(qū)實(shí)時(shí)測(cè)產(chǎn)、測(cè)含水率等；通過(guò)更換割臺(tái)、脫粒滾筒，能收獲油菜籽、水稻、小麥等作物，顯著提高了機(jī)器的利用率。國(guó)內(nèi)小區(qū)收獲目前以人工收獲，脫粒機(jī)脫粒清選的方式為主，存在間接損失率大、易誤農(nóng)時(shí)等問(wèn)題。胡波等[6]設(shè)計(jì)的小區(qū)聯(lián)合收獲機(jī)，依靠脫粒盤(pán)產(chǎn)生的負(fù)壓將割臺(tái)的物料吸入脫粒滾筒，解決了輸送過(guò)程中籽粒殘留的問(wèn)題，但割臺(tái)僅依靠螺旋輸送器輸送物料，會(huì)有籽粒殘留的缺點(diǎn)。學(xué)者們采用梳脫的方式研制小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機(jī)，大大減小了喂入量，但梳脫割臺(tái)存在飛濺損失、漏脫損失、回帶損失，使其總體損失率過(guò)高[7-9]。

基于上述問(wèn)題，本文借鑒氣吹式收獲裝置在苜蓿、茶葉上的應(yīng)用[10-11]，設(shè)計(jì)一種沒(méi)有撥禾輪的氣吹式割臺(tái)，采用正面吹禾氣流將禾吹彎再切割以及在割臺(tái)側(cè)面加裝鴨嘴噴頭的方式，以實(shí)現(xiàn)割臺(tái)損失小、無(wú)殘留、易清機(jī)的目的。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機(jī)氣吹式割臺(tái)裝置包括正面氣流吹禾機(jī)構(gòu)、側(cè)面氣流清理機(jī)構(gòu)、吹禾氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、螺旋揚(yáng)谷輸送器、擋板、風(fēng)機(jī)等。其中：正面氣流吹禾機(jī)構(gòu)用于將禾吹彎以便割刀割斷莖稈并將物料吹送到螺旋揚(yáng)谷輸送器下方,包括氣流總管、氣流支管、軟管、風(fēng)量調(diào)節(jié)器，氣流總管位于割臺(tái)的正前方，氣流支管出口朝向割臺(tái)；側(cè)面氣流清理機(jī)構(gòu)用于將割臺(tái)兩側(cè)殘留的物料吹送到喂料口附近,包括側(cè)面氣流管、鴨嘴噴頭、閥門(mén)，鴨嘴噴頭位于割臺(tái)兩側(cè)底部；吹禾氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于割臺(tái)架左右兩側(cè)上方，用于調(diào)節(jié)氣流支管出口與割刀的水平和垂直距離，以及出口方向；螺旋揚(yáng)谷輸送器上有揚(yáng)谷器式葉片，葉片正對(duì)著喂料口。L型擋板位于螺旋揚(yáng)谷輸送器正上方，用于擋住由揚(yáng)谷葉片和正面氣流作用引起的飛濺籽粒。

圖1 小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機(jī)氣吹式割臺(tái)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of air blowing header device of plot combine harvester for grain1.鴨嘴噴頭 2.割臺(tái)架 3.割刀 4.氣流總管 5.氣流支管 6.吹禾氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 7.L型擋板 8.螺旋揚(yáng)谷輸送器 9.揚(yáng)谷葉片 10.喂料口 11.軟管 12.風(fēng)量調(diào)節(jié)器 13.閥門(mén)14.側(cè)面氣流管 15.風(fēng)機(jī)

收獲機(jī)工作時(shí)，關(guān)閉側(cè)面氣流清理機(jī)構(gòu)閥門(mén)，打開(kāi)正面氣流吹禾機(jī)構(gòu)風(fēng)量調(diào)節(jié)器。田間直立的小麥在從氣流支管射出的正面吹禾氣流作用下向割臺(tái)內(nèi)部彎曲，然后再被割刀切斷，在收獲的同時(shí)將割刀與螺旋揚(yáng)谷輸送器之間的全部籽粒、穗頭等物料吹送至螺旋揚(yáng)谷輸送器下方，起到清理割臺(tái)的作用；切割下來(lái)的物料在螺旋揚(yáng)谷輸送器的作用下向中間移動(dòng)，在揚(yáng)谷葉片的刮撥作用下經(jīng)喂料口進(jìn)入脫粒裝置。在收獲完一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)后，打開(kāi)閥門(mén)，側(cè)面氣流清理機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，從鴨嘴噴頭射出的氣流將割臺(tái)兩側(cè)殘留的籽粒、穗頭吹送至揚(yáng)谷葉片下方，從而保證工作過(guò)程中割臺(tái)損失小、無(wú)殘留、易清機(jī)。

2 氣吹式割臺(tái)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 正面吹禾氣流設(shè)計(jì)

2.1.1 氣流速度與小麥莖稈撓度關(guān)系的計(jì)算

氣流速度越大，小麥莖稈的撓度越大，為確保割下來(lái)的穗頭部分能順利進(jìn)入割臺(tái)而不掉落，小麥莖稈的最小撓度應(yīng)不小于撥禾輪壓板的作用區(qū)域，本文所用收獲機(jī)原撥禾輪壓板的作用區(qū)域根據(jù)文獻(xiàn)[12]計(jì)算為188.33 mm。

圖3 氣流管道圖Fig.3 Sketch of air flow pipe

小麥莖稈在氣流場(chǎng)中受到水平氣流的作用力、重力、小麥之間的相互作用力等，單個(gè)氣流支管射流流場(chǎng)為喇叭狀，氣流中心速度先大后小，從中心到邊界的速度逐漸變小導(dǎo)致小麥莖稈受力情況復(fù)雜。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)氣流為均勻流場(chǎng)，并且忽略重力、小麥之間的相互作用力以及麥芒莖稈和葉子受到的風(fēng)力，只考慮氣流對(duì)橫截面積較大的穗頭的作用力。圖2所示為均勻氣流吹禾模型簡(jiǎn)圖，氣流對(duì)穗頭的作用力始終與莖稈垂直，且為均布載荷q。根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)[13]得AB、BC段的撓曲線近似微分方程分別為

(1)

(2)

式中ω1、ω2——小麥莖稈AB、BC段的撓度，mmE——彈性模量，PaI——慣性矩，mm4L——小麥株高，mma——小麥在氣流場(chǎng)中的受力長(zhǎng)度，mm

求得均布載荷q與C點(diǎn)撓度ωc的關(guān)系為

(3)

根據(jù)空氣阻力公式[14]

(4)

式中C——阻力系數(shù)，取0.44V——?dú)饬魉俣龋琺/sdp——小麥莖稈受力部分的當(dāng)量直徑，mmρ——空氣密度，取1.25 kg/m3抗彎剛度[15]取EI=8 020.77 N·mm2，L=730 mm，受力長(zhǎng)度a=100 mm，當(dāng)量直徑dp=26.09 mm，計(jì)算得氣流速度與撓度的關(guān)系為

ωc=2.1×10-3V2

(5)

圖2 均勻氣流吹禾模型簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of blowing cereal model with uniform air velocity

2.1.2 均勻氣流管道的設(shè)計(jì)

(1)氣流支管出口風(fēng)速與排列間距計(jì)算

相關(guān)參數(shù)初步設(shè)置如下：氣流支管出口與割刀的水平距離為300 mm；氣流支管選用圓柱型，內(nèi)徑為30 mm。對(duì)單根氣流支管的射流進(jìn)行計(jì)算，射流結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)氣體射流動(dòng)力學(xué)原理[16]得

(6)

其中

(7)

式中Vm——軸線方向的速度，m/sVy——截面上y點(diǎn)沿軸線方向的速度(沿垂直軸線方向的速度很小，忽略不計(jì))，m/s

y——截面上任意點(diǎn)到中心軸線的距離，mm

α——湍流系數(shù)，圓柱形均勻分布噴管取0.08

S——?dú)饬髦Ч艹隹谂c小麥莖稈的距離，為300 mm

D——射流噴管的內(nèi)徑，取30 mm

R——同截面上的邊界層厚度

圖4 射流結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of gas jet

由于在計(jì)算小麥莖稈撓度與風(fēng)速的關(guān)系時(shí)，假設(shè)風(fēng)速是均勻的，而實(shí)際射流當(dāng)中，工作界面的風(fēng)速?gòu)闹行耐吔缡侵饾u減小的，以速度最小點(diǎn)y=50 mm時(shí)的Vy為工作面的風(fēng)速，即：V=Vy。

綜合上述得V=0.2V0，由式(5)得小麥莖稈C點(diǎn)撓度與氣流支管出口速度的關(guān)系式為

(8)

當(dāng)小麥莖稈最小撓度ωc=188.33 mm時(shí)，得V0=47.35 m/s。

本文設(shè)計(jì)的割臺(tái)有效割幅為1 000 mm，每根氣流支管的有效工作面長(zhǎng)度為100 mm，所以氣流支管在氣流總管上的排列間距L3=100 mm,一共10根。

(2)氣流總管錐度的設(shè)計(jì)

如圖3所示，氣流總管進(jìn)口風(fēng)量為Q，其末端封閉。從管道末端到進(jìn)口，對(duì)每根支管依次編號(hào)。這種均勻送風(fēng)管道的基本原理是：依靠管道中空氣流速的減小復(fù)得靜壓，以補(bǔ)償管道中由流動(dòng)阻力而引起的靜壓下降，使得靜壓保持不變[17-18]。第i+1個(gè)支管到第i個(gè)支管中心斷面的動(dòng)壓補(bǔ)償?shù)撵o壓Δp1、沿程阻力損失Δp2為

(9)

(10)

其中

式中η——靜壓復(fù)得系數(shù)，取0.75vi——第i根氣流支管中心處氣流總管的氣流速度，m/s

Di——第i根氣流支管中心處的氣流總管直徑，mm

n——?dú)饬髦Ч芸倲?shù)

λ——沿程阻力系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[19]計(jì)算得λ=0.023

由于靜壓保持不變，所以

Δp1=Δp2

(11)

取D10=110 mm，由上文支管出口速度計(jì)算得氣流總管入口速度V10=35.22 m/s，計(jì)算得D9=105.14 mm,D8=99.92 mm,D7=94.26 mm,D6=88.06 mm,D5=81.18 mm,D4=73.4 mm,D3=64.34 mm,D2=53.3 mm,D1=38.46 mm。為方便制造，將氣流總管設(shè)計(jì)為圓錐形，取D10=110 mm，D1=40 mm，即錐度為1∶14.29。

2.1.3 正面吹禾氣流系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)計(jì)算得到的氣流總管入口速度，計(jì)算得所需風(fēng)機(jī)功率為2.3 kW，選擇風(fēng)機(jī)功率為2.7 kW的科賽KS865型風(fēng)機(jī)。小麥莖稈與氣流支管出口距離為300 mm，用TSI9565-P型多功能通風(fēng)表測(cè)得各氣流支管的出口速度在44.72～49.65 m/s之間，標(biāo)準(zhǔn)差為1.61，小麥莖稈的撓度為198～221 mm。試驗(yàn)表明理論計(jì)算的總管錐度為1∶14.29是比較合理的。理論計(jì)算時(shí)忽略重力以及麥芒、莖稈和葉子受到的風(fēng)力，只考慮氣流吹橫截面積較大的穗頭的作用力，因此比實(shí)際受力要小，導(dǎo)致試驗(yàn)撓度比理論計(jì)算撓度稍大。

2.2 割臺(tái)側(cè)面氣流清理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5所示割臺(tái)底部為圓弧形，有利于集中殘留的物料。圖6所示為鴨嘴噴頭，扁口為出氣口，長(zhǎng)30 mm，寬5 mm。喂料口和割臺(tái)左右兩側(cè)的距離分別為45 cm和35 cm。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)物料在氣流的作用下被吹起堆積，然后被螺旋揚(yáng)谷輸送器往喂料口輸送，理論計(jì)算中只考慮喂料口5 cm之內(nèi)的物料做整體移動(dòng)，移動(dòng)的條件是受到的風(fēng)力大于摩擦力，即

(12)

式中μ——物料摩擦因數(shù)，取0.4m——?dú)埩袅?，?4.45 gg——重力加速度，取9.8 m/s2V1——?dú)饬魉俣?，m/sS1——?dú)埩粑锪系臋M截面積，為1 010 mm2

計(jì)算得V1=14.28 m/s。由平面自由射流原理[16]得左側(cè)鴨嘴噴頭出口速度為54.09 m/s，右側(cè)為47.75 m/s。清機(jī)試驗(yàn)表明右側(cè)面氣流為37.54 m/s、左側(cè)面氣流為49.38 m/s時(shí)清機(jī)效果較好。由于實(shí)際當(dāng)中割臺(tái)底部有導(dǎo)流作用，且鴨嘴噴頭射出的氣流并不是自由射流，所以理論計(jì)算的氣流速度大于實(shí)際值。

圖5 割臺(tái)物料殘留圖Fig.5 Header residues

圖6 鴨嘴噴頭 Fig.6 Duckbill nozzle

2.3 螺旋揚(yáng)谷輸送器設(shè)計(jì)

如圖7所示，螺旋揚(yáng)谷輸送器由螺旋輸送器、撥指、揚(yáng)谷葉片組成，兩塊揚(yáng)谷葉片對(duì)稱(chēng)分布在螺旋輸送器上。揚(yáng)谷葉片正對(duì)著喂料口，由葉片底座、軟葉片、硬葉片通過(guò)螺栓連接而成。軟葉片材質(zhì)為橡膠[20]，在對(duì)籽粒、穗頭等物料的刮撥過(guò)程中能減少對(duì)籽粒的損傷。

圖7 螺旋揚(yáng)谷輸送器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Sketch of screw auger with winnower1.螺旋輸送器 2.撥指 3.揚(yáng)谷葉片 4.葉片底座 5.軟葉片6.硬葉片

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)地點(diǎn)為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)江浦農(nóng)場(chǎng)，試驗(yàn)時(shí)間為2016年6月10日，當(dāng)天氣溫21～31℃，多云，自然風(fēng)速0.3～3.4 m/s。試驗(yàn)田小麥為揚(yáng)麥13號(hào)，麥田光照充足，長(zhǎng)勢(shì)較好，產(chǎn)量約9 000 kg/hm2。小麥自然株高(地上部位)751 mm，穗幅差為210 mm，種植密度509株/m2，籽粒千粒質(zhì)量 40.3 g。供試材料籽粒含水率 18.73%，莖稈含水率 18.99%。

圖8所示為氣吹式割臺(tái)小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機(jī)，其具體參數(shù)為：配套動(dòng)力6.3 kW，其中割臺(tái)、脫粒、清選、行走所消耗的功率分別為1.2、2.3、1.3、1.5 kW；割幅為1 000 mm，喂入量為0.6 kg/s，行駛速度為0.5 m/s，風(fēng)機(jī)功率為2.7 kW，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

圖8 氣吹式割臺(tái)小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)物圖Fig.8 Plot grain combine harvester with air blowing header1.風(fēng)機(jī) 2.L型擋板 3.氣流支管 4.氣流總管 5.側(cè)面氣流管

3.2 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 8097—2008 《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定在田間進(jìn)行試驗(yàn)，為消除排雜時(shí)的籽粒損失影響，在收獲作業(yè)時(shí)用紗網(wǎng)袋接住清選排雜口。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次收獲3 m，每次撿起1 m2內(nèi)的落粒、掉穗、漏割，收獲完后打開(kāi)割臺(tái)側(cè)面氣流清理機(jī)構(gòu)，并空轉(zhuǎn)1 min后拾起割臺(tái)內(nèi)殘留的籽粒、斷穗。田間試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 田間試驗(yàn)Fig.9 Field experiment of combine harvester

經(jīng)過(guò)前期初步試驗(yàn)，割刀離地面高度為450 mm，氣流支管出口風(fēng)速在44.64～49.48 m/s時(shí)收獲效果較好，在此條件下對(duì)影響空間氣流分布的主要3個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)：氣流支管出口與割刀的水平和垂直距離、氣流支管出口與水平的夾角。并與撥禾輪式割臺(tái)做對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)性能指標(biāo)有落粒損失率、掉穗損失率、漏割損失率、總損失率、割臺(tái)殘留量。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 單因素試驗(yàn)

(1)氣流支管出口與割刀的水平距離

氣流支管出口與割刀的垂直距離為21 cm，氣流支管出口與水平夾角為10°，氣流支管與割刀水平距離設(shè)置5個(gè)水平，分別為15、18、21、24、27 cm。損失率和殘留量如圖10所示。

圖10 氣流支管出口與割刀的水平距離對(duì)割臺(tái)損失率和殘留量的影響Fig.10 Effect of horizontal distances between outlet of air flow branch pipe and cutting knife on total loss rate of header and residual amount

從圖10a中可見(jiàn)，氣流支管與割刀水平距離對(duì)總損失率的影響呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，21 cm時(shí)總損失率最小，為0.74%。在15～21 cm時(shí)，氣流支管之間氣流開(kāi)始逐漸融和，氣流速度變大對(duì)小麥莖稈作用力大，漏割和掉穗損失隨之減小。而在21～27 cm時(shí)，距離變遠(yuǎn)氣流速度變小，小麥莖稈彎曲不夠，漏割和掉穗損失增大。而落粒損失與氣流支管離割刀的水平距離關(guān)系不明顯，損失率在0.12%～0.16%之間。從圖10b中可知，氣流支管離割刀的水平距離對(duì)割臺(tái)殘留量的影響較小且緩和，總體在0.83～1.31 g之間。

(2)氣流支管出口與割刀的垂直距離

氣流支管出口與割刀水平距離21 cm，氣流支管出口與水平夾角10°，氣流支管與割刀垂直距離設(shè)置5個(gè)水平，分別為15、18、21、24、27 cm。損失率和殘留量如圖11所示。

圖11 氣流支管出口與割刀的垂直距離對(duì)割臺(tái)損失率和殘留量的影響Fig.11 Effect of vertical distances between outlet of air flow branch pipe and cutting knife on total loss rate of header and residual amount

從圖11a中可見(jiàn)，氣流支管出口與割刀垂直距離對(duì)總損失率的影響呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，在21 cm時(shí)最小，為1.01%。高度在15～21 cm時(shí)，氣流軸心逐漸靠近橫截面積較大的穗頭中心，氣流對(duì)小麥莖稈作用力變大，漏割和掉穗損失減小。而在21～27 cm時(shí)，氣流逐漸作用在小麥頂端，作用力變小，導(dǎo)致漏割、掉穗損失增大。由圖11b可見(jiàn)，氣流支管出口離割刀的垂直距離在15～21 cm時(shí)，氣流作用在割臺(tái)底部，能順利將殘留的籽粒和麥穗吹向螺旋揚(yáng)谷輸送器底部，清機(jī)較為干凈；而在21～27 cm時(shí)，氣流支管出口位置較高，氣流沒(méi)有吹向割臺(tái)底部，導(dǎo)致殘留量大大增加，甚至有麥穗殘留。

(3)氣流支管出口與水平夾角

氣流支管出口與割刀水平和垂直距離均為21 cm，氣流支管與水平夾角設(shè)置3個(gè)水平，分別為0°、10°、20°。損失率和割臺(tái)殘留量如圖12所示。

圖12 氣流支管出口與水平夾角對(duì)割臺(tái)損失率和殘留量的影響Fig.12 Effect of angle between outlet of air flow branch pipe and level on total loss rate of header and residual amount

由圖12可知，氣流支管與水平的夾角對(duì)割臺(tái)損失率和殘留量的影響在0°～10°內(nèi)緩慢減小，在10°～20°內(nèi)增加較快。夾角為20°時(shí)，氣流吹在割刀前，不能及時(shí)的將麥穗吹進(jìn)螺旋揚(yáng)谷輸送器底部，導(dǎo)致掉穗和漏割損失增大，同時(shí)割臺(tái)不易清理，殘留量較大。

3.3.2 正交試驗(yàn)

依據(jù)上述單因素試驗(yàn)與分析，制定多因素正交試驗(yàn)因素水平如表1所示，選用L9(34)正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)，需要進(jìn)行9次試驗(yàn)。表2為試驗(yàn)方案和結(jié)果，表3、4分別為極差分析和方差分析。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平

由表3對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的極差分析可得：總損失率優(yōu)化組合為A2B2C2，殘留量?jī)?yōu)化組合為A1B2C1。試驗(yàn)方案中沒(méi)有包括這兩個(gè)組合。通過(guò)試驗(yàn)得到這兩個(gè)組合的總損失率分別為0.88%、1.22%，殘留量分別為1.21 g、1.04 g。兩者的殘留量相差非常小，而損失率差別較大，所以最優(yōu)組合為A2B2C2,即：氣流支管出口與割刀的水平距離21 cm， 氣流支管出口與割刀的垂直距離21 cm， 氣流支管出口與水平的夾角10°。

由表4的方差分析可知，氣流支管出口與割刀水平距離對(duì)漏割損失率影響顯著，氣流支管出口與割刀垂直距離對(duì)損失率和殘留量影響都不顯著，氣 流支管出口與水平夾角對(duì)掉穗損失率有一定影響，

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表3 極差分析

表4 方差分析

注：F0.05(2,2)=19.00，F(xiàn)0.05(2, 4)=6.94，F(xiàn)0.05(2, 6)=5.14，F(xiàn)0.10(2,2)=9.00，F(xiàn)0.10(2, 4)=4.32，F(xiàn)0.10(2, 6)=3.46。F0.05(2,2)

對(duì)漏割損失率、總損失率和殘留量有顯著影響。氣流支管出口與水平的夾角決定了整個(gè)空間氣流是吹在割刀之前還是之后，所以氣流支管與水平夾角直接影響割臺(tái)的損失率和殘留量。

3.3.3 撥禾輪式割臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)

與撥禾輪式割臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。與A2B2C2相比可以看出，氣吹式割臺(tái)與撥禾輪式割臺(tái)總損失率相近，而殘留量是其0.39%。撥禾輪對(duì)小麥莖稈的強(qiáng)制撥禾過(guò)程中對(duì)莖稈的打擊作用導(dǎo)致落粒損失率比氣吹式割臺(tái)高，而掉穗、漏割損失率低，總損失率也略低，但沒(méi)有清機(jī)的作用，割臺(tái)殘留量很大。

4 結(jié)論

(1)理論計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)氣流總管錐度為1∶14.29時(shí)氣流支管出口風(fēng)速比較均勻，氣流支管內(nèi)徑為30 mm，間距為100 mm分布在氣流總管上，氣流支管出口風(fēng)速為47.35 m/s、小麥莖稈與氣流支管出口距離300 mm的條件下，能夠達(dá)到順利進(jìn)入割臺(tái)而不掉落的要求。

表5 撥禾輪式割臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

(2)單因素試驗(yàn)表明：氣流支管與割刀的垂直和水平距離在15～27 cm內(nèi)對(duì)割臺(tái)損失率的影響呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，氣流支管與割刀的水平距離對(duì)殘留量影響較小且緩和，而垂直距離為21～27 cm時(shí)氣流沒(méi)有吹向割臺(tái)底部，導(dǎo)致殘留量大大增加。氣流支管與水平的夾角對(duì)割臺(tái)損失率和殘留量的影響在0°～10°內(nèi)緩慢減小，在10°～20°內(nèi)增加較快。

(3)正交試驗(yàn)表明：氣流支管與水平的夾角對(duì)總損失率和割臺(tái)殘留量的影響最大；最優(yōu)組合為氣流支管出口與割刀的水平距離21 cm、氣流支管出口與割刀的垂直距離21 cm、氣流支管與水平的夾角10°，此時(shí)總損失率為0.88%，割臺(tái)殘留量為1.21 g。

(4)對(duì)比試驗(yàn)表明：氣吹式割臺(tái)與撥禾輪式割臺(tái)總損失率相近，而殘留量是其0.39%。

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Design and Experiment on Air Blowing Header of Plot Combine Harvester for Grain

LI Yinian YI Yingwu DU Shiwei DING Qishuo DING Weimin

(CollegeofEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China)

In order to solve some matters on residual seeds on header and clean the header during harvesting grain seed on the plot by using combine harvester of grain, an air blowing header, by that front airflow bent wheat and then cutter knife cut the wheat stalk, was designed. A blowing cereal model with uniform air flow velocity was established according to mechanics principle. The calculated air flow velocity of branch pipe outlet was more than 47.35 m/s under condition of the cut wheat smoothly entering into the harvester header without dropping. According to the theory of static regain design method of multiple-branch duct system, these calculated main structure parameters of airflow pipe which generated uniform air flow in each branch pipe were taper of air flow main pipe of 1∶14.29 and interval distance of air flow branch pipe of 100 mm. Three key parameters, including vertical and horizontal distances between cutting knife and air flow branch pipe outlet, the angle between air flow branch pipe and level, that affected header residual amount and total loss rate, were regarded as experimental factors for conducting single factor and multi-factors orthogonal experiments. The single factor experiments showed that the total loss rate of header with firstly increase and then decrease was made by the vertical and horizontal distances between cutting knife and outlet of air flow branch pipe within a scope of 15～27 cm. The residues on the header were little affected by horizontal distance between cutting knife and outlet of air flow branch pipe causes. But there was larger effect on the residues on the header for the vertical distance between cutting knife and outlet of air flow branch pipe. The higher the vertical distance was, the more residues were, and even wheat ear was left. The residual and total loss rate of header slowly decreased in 0°～10°, but rapidly increased in 10°～20°, which was made by the angle between air flow branch pipe and level. The orthogonal experiments demonstrated that the effect of the angle between air flow branch pipe and level on total loss rate of header and residual amount was the greatest. The vertical distance between cutting knife and outlet of air flow branch pipe was 21 cm, horizontal distance between cutting knife and outlet of air flow branch pipe was 21 cm, and the angle between air flow branch pipe and level of 10° was the optimal orthogonal experiments combination. The total loss rate was 0.88% and the header residue was 1.21 g under the optimal orthogonal experiments combination. The developed air blowing header with small header residual amount and low total loss rate achieved the technical requirements of the plot harvesting wheat seed.

wheat; plot combine harvester; air blowing; header; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.010

2016-09-21

2017-01-04

江蘇省政策引導(dǎo)類(lèi)計(jì)劃(產(chǎn)學(xué)研合作)項(xiàng)目(BY2016060-01)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(KYZ201161)

李毅念(1973—)，男，副教授，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究， E-mail： liyinian@163.com

S225

A

1000-1298(2017)06-0079-09