王升升，師清翔，劉春亞，楊 芳

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

我國(guó)丘陵山區(qū)地域廣大，耕地面積占我國(guó)耕地總面積的1/3左右，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地[1-2]。由于丘陵山區(qū)耕地地塊小且分散，道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，機(jī)器通過(guò)性較差，已成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化快速發(fā)展的瓶頸[3]。因此，實(shí)現(xiàn)谷物收獲機(jī)械的小型化、輕便化是提高丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的重要途徑[4-5]。

脫粒裝置是谷物聯(lián)合收獲機(jī)的核心工作部分,不僅在很大程度上決定了機(jī)器的脫粒質(zhì)量和生產(chǎn)率,而且對(duì)后續(xù)的分離清選等作業(yè)也有很大影響[6]。現(xiàn)有的聯(lián)合收獲機(jī)多采用橫向或縱向軸流脫粒滾筒，在滿足收獲性能的前提下，受丘陵山區(qū)地形制約，脫粒滾筒橫向或縱向布置在整機(jī)寬帶和長(zhǎng)度尺寸方面均會(huì)影響整機(jī)的通過(guò)性和操作靈活性[7-8]。因此，研制適于丘陵山區(qū)的微型谷物聯(lián)合收獲機(jī)，不是簡(jiǎn)單地對(duì)整機(jī)尺寸的縮小，而是要研究新型收獲部件及裝置，在結(jié)構(gòu)上做出創(chuàng)新性的改變。

為了有效解決我國(guó)丘陵山區(qū)谷物機(jī)械化收獲所面臨的難題，設(shè)計(jì)了一種適于丘陵山區(qū)微型谷物聯(lián)合收獲機(jī)的立式軸流脫粒裝置，以期在保證脫粒性能的前提下，減小整機(jī)尺寸，增加谷物收獲機(jī)的適應(yīng)性。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度對(duì)谷物在立式軸流脫?？臻g內(nèi)的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，給出了物料在立式軸流脫粒裝置各段需要滿足的力學(xué)關(guān)系，推導(dǎo)得出谷物在脫粒裝置內(nèi)的軸向運(yùn)動(dòng)速度公式，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)脫粒裝置的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

本文所設(shè)計(jì)的立式軸流脫粒裝置是在認(rèn)真分析河南科技大學(xué)自主設(shè)計(jì)的便攜式微型谷物聯(lián)合收割機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如圖1所示。

1.下錐形攪龍 2.上錐形攪龍 3.滾筒殼體 4.脫粒滾筒 5.吸雜風(fēng)機(jī) 6.吸雜管道 7.鏈輪 8.上揚(yáng)谷器管道 9.皮帶輪 10.旋風(fēng)分離筒 11.皮帶輪 12.發(fā)動(dòng)機(jī) 13.機(jī)架 14.撥禾輪 15.割刀軸 16.圓盤刀 17.變速箱 18.履帶 19.下?lián)P谷器管道 20.下?lián)P谷器 21.上圓柱攪龍 22.下圓柱攪龍圖1 微型谷物聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of miniature grain combine harvester

該機(jī)采用割前脫粒原理，依靠雙螺旋攪龍將谷物穗頭喂入到脫粒滾筒中，導(dǎo)致滾筒在整機(jī)配置時(shí)離地高度過(guò)低，影響了整機(jī)在地塊狹小且存在高度落差的丘陵山區(qū)的適應(yīng)性和通過(guò)性；另外，由于該聯(lián)合收獲機(jī)只能對(duì)行收獲，需要谷物穗頭沿滾筒軸向完全通過(guò)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)脫粒，且機(jī)器受丘陵山區(qū)地形的限制，在地頭邊緣不能繼續(xù)前進(jìn)而出現(xiàn)無(wú)法收割整行的現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)和討論，本研究將立式軸流脫粒裝置應(yīng)用于微型雙行谷物聯(lián)合收獲機(jī)上。整機(jī)采用上下雙割刀完成谷物的切割作業(yè)，由喂入輪將谷物喂入立式軸流脫粒裝置。與全喂入脫粒滾筒相比，其功耗小，凹板分離物中的短莖稈較少；與半喂入脫粒裝置相比，其割臺(tái)不必安裝精度要求較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的夾持輸送裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。與橫軸流或縱軸流式脫粒裝置相比，在保證脫粒性能的前提下，可有效減小整機(jī)寬度和長(zhǎng)度尺寸，增加機(jī)器在丘陵山區(qū)的通過(guò)性。

1.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)整機(jī)配置，設(shè)計(jì)立式軸流脫粒裝置并進(jìn)行室內(nèi)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)主要由輸送帶和立式軸流脫粒裝置兩部分組成，如圖2所示。輸送帶實(shí)現(xiàn)物料的鋪放和輸送，立式軸流脫粒裝置由喂入輪、脫粒滾筒、分離凹板、罩殼及機(jī)架等組成。脫粒滾筒分喂入提升段和脫粒分離段，喂入提升段實(shí)現(xiàn)物料抓取和喂入，脫粒分離段實(shí)現(xiàn)物料脫粒和分離，并保證脫粒過(guò)程中物料的螺旋上升運(yùn)動(dòng)。

1.物料輸送帶 2.立式軸流滾筒 3.分離凹板 4.螺旋導(dǎo)向板 5.罩殼 6.螺旋推運(yùn)葉片 7.喂入輪 8.機(jī)架 9.籽粒收集裝置圖2 立式軸流脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The Structure of vertical axial threshing mechanism test beach

為確保物料均勻進(jìn)入立式軸流脫粒裝置并能夠充分脫粒，喂入口設(shè)計(jì)在脫粒裝置的下方，喂入輪與滾筒保持相切的位置關(guān)系；出草口位于脫粒裝置的頂部。工作時(shí)，谷物經(jīng)由喂入輪從立式軸流滾筒的切向進(jìn)入到脫粒裝置內(nèi)，在滾筒和螺旋導(dǎo)向板的共同作用下，物料做自下而上的螺旋上升運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，物料受到脫粒元件的沖擊作用完成脫粒，在滾筒離心力和自身慣性的作用下，籽粒經(jīng)柵格間隙被分離到凹板外并下落至籽粒收集裝置內(nèi)，秸稈經(jīng)上方的出草口排出機(jī)外。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 喂入輪

喂入輪的作用是輔助谷物順利地進(jìn)入到脫粒裝置內(nèi)，主要由葉片、幅盤和喂入輪軸等組成。為了防止喂入到滾筒內(nèi)的物料被回帶出來(lái)，喂入輪的葉片采用后傾角安裝，且喂入輪與脫粒滾筒相切安裝，以確保物料順利流暢地進(jìn)入脫粒滾筒中。

2.2 立式軸流滾筒

立式軸流滾筒是脫粒裝置的重要組成部分，主要由板齒、滾筒端蓋、防纏擋圈、滾筒軸及螺旋推運(yùn)葉片等組成，如圖3所示。參考現(xiàn)有中小型谷物聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)及尺寸，該滾筒采用閉式圓柱滾筒，滾筒直徑為360mm，長(zhǎng)度為700mm，凹板與罩殼之間的間隙為50mm，被凹板分離出的籽粒、穎槺、斷穗，以及短莖稈均從此間隙落進(jìn)接料裝置。

1.滾筒下端蓋 2.下防纏擋圈 3.螺旋推運(yùn)葉片 4.滾筒體 5.板齒 6.滾筒上端蓋 7.滾筒軸 8.帶輪 9.上防纏擋圈圖3 立式軸流滾筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic of vertical axial threshing cylinder

要使立式軸流脫粒裝置正常工作，需要保證物料在不堵塞的情況下做螺旋上升運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)滾筒時(shí)，選擇在滾筒下方0～210mm處安裝螺旋推運(yùn)葉片的方式，以便能夠確保經(jīng)喂入輪進(jìn)入滾筒的物料先由螺旋推運(yùn)葉片向上輸送，然后再由按雙頭螺旋線排列且傾斜安裝的板齒與導(dǎo)向板相配合向上輸送物料，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料在滾筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。

2.3 分離凹板

對(duì)于立式軸流脫粒裝置，為防止物料在滾筒下方發(fā)生擁堵，影響脫粒裝置的脫粒性能，分離凹板必須具有較強(qiáng)的分離能力。本脫粒裝置分離凹板采用柵格篩形式，具有分離能力強(qiáng)、脫粒損失小及剛性好等優(yōu)點(diǎn)。

凹板面積是決定脫粒裝置生產(chǎn)率的重要決定因素。立式軸流脫粒裝置的分離凹板包角理論上可以達(dá)到360°，但為了保證物料能順暢地沿軸向螺旋上升運(yùn)動(dòng)，在脫粒滾筒罩殼上布置有螺旋導(dǎo)向板，輔助物料沿軸向運(yùn)動(dòng)，因此將立式軸流脫粒裝置的凹板包角設(shè)計(jì)為270°。

3 谷物在脫粒過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)分析

由立式軸流脫粒滾筒工作原理可知：谷物在喂入提升段和脫粒分離段的受力與運(yùn)動(dòng)狀況不同，在導(dǎo)向板側(cè)和凹板側(cè)受力也不完全相同[9-10]。因此，需要分別對(duì)喂入提升段和脫粒分離段的受力情況進(jìn)行分析。

3.1 喂入提升段

當(dāng)喂入提升段的螺旋推運(yùn)葉片以角速度ω繞滾筒軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生較大的離心力與摩擦力，位于葉片上的谷物一方面受到螺旋葉片的作用繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面與葉片之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)沿軸線向上運(yùn)動(dòng)。

此時(shí)，谷物會(huì)分別受到螺旋推運(yùn)葉片的支反力F1、物料之間的牽扯力F2、物料沿周向運(yùn)動(dòng)的慣性力F3、葉片對(duì)物料的摩擦力F4、凹板對(duì)物料的徑向支撐力F5及自身重力G等力的作用，受力分析如圖4所示。

要使谷物能夠順利地螺旋上升，則位于螺旋推運(yùn)葉片上的谷物質(zhì)點(diǎn)所受到的合力應(yīng)等于0，即需要滿足以下的條件

豎直方向：G+F4sinα=F2sinα+F1cosα

周向：F4cosα+F1sinα=F2cosα

徑向：F3=F5

F3=mrω2,G=mg

式中α—螺旋推運(yùn)葉片升角；

m—物料質(zhì)量；

r—物料到滾筒軸線的距離。

位于葉片上的谷物質(zhì)點(diǎn)的牽連速度v0為葉片上質(zhì)點(diǎn)處的圓周速度，有

又有tanα=S/2πr，則有

(1)

式中n—滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)；

S—螺旋推運(yùn)葉片的螺距。

速度方向沿質(zhì)點(diǎn)回轉(zhuǎn)的切線方向。

圖4 谷物在喂入提升段時(shí)的受力分析Fig.4 Scheme of forces on grain in feeding of threshing roller

假設(shè)谷物與螺旋推運(yùn)葉片的摩擦因數(shù)為μ，則絕對(duì)速度vn的方向相對(duì)于螺旋線的法線后偏一定角度，其大小為φ，并且有

μ=tanφ

由速度三角形可知，牽連速度與絕對(duì)速度滿足如下關(guān)系，即

(2)

將式(1)代入式(2)并進(jìn)行三角變換得

(3)

絕對(duì)速度vn可以分解成沿滾筒軸線的軸向速度vz和沿滾筒切線的切向速度vq。軸向速度使谷物自下而上運(yùn)動(dòng)，切向速度使谷物在上升過(guò)程中翻動(dòng)和攪拌，所以有

(4)

要使谷物能夠自下而上螺旋運(yùn)動(dòng)，則物料沿滾筒軸向的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)大于0，即需要滿足

1-μtanα>0

即α<90°-φ

(5)

3.2 脫粒分離段

當(dāng)谷物被螺旋推運(yùn)葉片提升到脫粒分離段后，其運(yùn)動(dòng)情況將會(huì)變得更加復(fù)雜，谷物不僅會(huì)受到脫粒元件的沖擊作用，而且還會(huì)受到滾筒罩殼上導(dǎo)向板的作用。由于位于板齒上物料的受力情況與螺旋推運(yùn)葉片上的完全相同，故不再分析(見圖4)。

由于谷物在凹板側(cè)受到滾筒的強(qiáng)烈沖擊，高速接觸到罩殼上的導(dǎo)向板，并依靠自身慣性沿導(dǎo)向板做螺旋運(yùn)動(dòng)。在這種狀態(tài)下，處在導(dǎo)向板之間的物料也會(huì)受到來(lái)自導(dǎo)向板的支反力F1、沿周向運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力F2、導(dǎo)向板及罩殼與物料間的摩擦力F3、罩殼對(duì)物料的支撐力F4、周向運(yùn)動(dòng)物料給導(dǎo)向板之間物料的牽扯力F5及其自身重力G等力的作用，其受力分析如圖5所示。同時(shí)，這些力還滿足以下的平衡關(guān)系

豎直方向：G+F3sinβ=F5sinβ+F1cosβ

周向：F3cosβ+F1sinβ=F5cosβ

徑向：F2=F4

F2=mr'ω2,G=mg

式中β—螺旋推運(yùn)葉片升角；

m—物料質(zhì)量；

r′—物料到滾筒軸線的距離。

圖5 谷物在脫粒分離段導(dǎo)向板上的受力分析Fig.5 Scheme of forces on leading lathing of threshing sector

借鑒相關(guān)研究結(jié)論知，谷物在滾筒內(nèi)的平均運(yùn)動(dòng)速度約為滾筒圓周速度的0.2～0.5，設(shè)谷物的平均運(yùn)動(dòng)速度與滾筒的圓周速度的比值為λ，有

vt0=λv0

(6)

在考慮摩擦影響的情況下，假設(shè)谷物與導(dǎo)向板的摩擦因數(shù)為μ′，絕對(duì)速度vtn的方向與螺旋導(dǎo)向板的法向方向后偏一個(gè)摩擦角φ′。與喂入提升段類似，根據(jù)速度三角形可得

(7)

(8)

若要使物料沿滾筒軸向作螺旋上升運(yùn)動(dòng)，則vtz>0，即cotβ-μ'>0，所以脫粒分離段導(dǎo)向板的螺旋角β應(yīng)滿足

β<φ'

(9)

綜上所述，要實(shí)現(xiàn)物料能夠自下而上的螺旋運(yùn)動(dòng)需要滿足如下條件，即喂入提升段螺旋推運(yùn)葉片的螺旋角應(yīng)小于谷物與螺旋推運(yùn)葉片的摩擦角的余角；脫粒分離段導(dǎo)向板的螺旋角應(yīng)小于谷物與導(dǎo)向板的摩擦角，并且板齒的排列螺旋角也應(yīng)小于谷物與板齒的摩擦角的余角。

4 室內(nèi)試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件及方法

室內(nèi)試驗(yàn)選用河南省孟津縣城關(guān)鎮(zhèn)九泉村試驗(yàn)田小麥，通過(guò)田間檢測(cè)得知，其產(chǎn)量為7 500kg/hm2，小麥株高為700mm，谷草質(zhì)量比為1∶1.5，籽粒含水率為8.67%，秸稈含水率21.83%。

試驗(yàn)時(shí)，使用輸送帶模擬脫粒裝置的物料實(shí)際喂入，將輸送帶的速度固定在一定值，同時(shí)為了能使物料喂入流暢，要保證喂入輪的喂入速度要不小于輸送帶速度。然后，稱取試驗(yàn)所需的物料并均勻地鋪放在物料輸送帶上，啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，待其工作穩(wěn)定后啟動(dòng)輸送帶；同時(shí)，收集試驗(yàn)臺(tái)的凹板分離物和出草口排出物，對(duì)它們進(jìn)行處理并稱重，可以得到出草口排出的籽粒重w1、凹板分離物中的籽粒重w2以及凹板分離物的總重w3，通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以計(jì)算出立式軸流脫粒裝置的試驗(yàn)性能參數(shù)：

脫粒損失率為

Y1=w1/(w1+w2)

含雜率為

Y2=(w3-w2)/w3

4.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果可知：影響立式軸流脫粒裝置性能的主要因素有滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、板齒傾角及柵條間隙等。故選取滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、柵條間隙、板齒傾角為試驗(yàn)因素按L9(34)進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)，分別測(cè)定脫粒損失率Y1和含雜率Y2作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)如表1所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table 1 Experimental factors and levels

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Experimental program and results

對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析可知：影響脫粒損失率的因素主次順序是D>B>A>C，最優(yōu)參數(shù)組合為A3B2C1D1；影響含雜率的因素主次順序是A>B>C>D，最優(yōu)參數(shù)組合為A3B2C2D3。由于各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)兩個(gè)指標(biāo)的影響次序和較優(yōu)參數(shù)組合不一致，所以將含雜率和清選損失率的權(quán)重分別取為0.6、0.4，用綜合評(píng)分法確定綜合指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)分析，可得到各個(gè)因素對(duì)綜合指標(biāo)的影響主次為B>A>C>D,最優(yōu)參數(shù)組合為A2B2C1D1。

由于得到的最優(yōu)參數(shù)組合并未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)方案中，所以需要對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證。將立式軸流脫粒裝置的各參數(shù)調(diào)至最優(yōu)組合，重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值得到脫粒損失率為2.16%，含雜率為23.25%。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)的立式軸流脫粒裝置由喂入輪和脫粒滾筒組成，裝置通過(guò)螺旋推運(yùn)葉片、螺旋排列的板齒及罩殼上的導(dǎo)向板共同實(shí)現(xiàn)對(duì)物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制，確保谷物自下而上螺旋上升。

2) 通過(guò)對(duì)谷物在立式軸流脫粒滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，給出了谷物分別在喂入提升段和脫粒分離段的受力情況，并推導(dǎo)出了谷物在滾筒內(nèi)的軸向速度計(jì)算公式。

3) 分析得出，若使谷物自下而上螺旋運(yùn)動(dòng)，則螺旋推運(yùn)葉片、螺旋排列的板齒的螺旋角應(yīng)小于谷物與螺旋推運(yùn)葉片、板齒摩擦角的余角；導(dǎo)向板的螺旋角應(yīng)小于谷物和導(dǎo)向板的摩擦角。

4) 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)脫粒間隙為13mm、滾筒轉(zhuǎn)速為900r/min、凹板柵條間隙為9mm、板齒傾角為8°時(shí)，立式軸流脫粒裝置的脫粒損失率為2.16%，含雜率為23.25%，利于后續(xù)清選作業(yè)。