付建偉，張國忠，謝 干，王 洋，高 原，周 勇

雙通道喂入式再生稻收獲機研制

付建偉，張國忠※，謝 干，王 洋，高 原，周 勇

（1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院，武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

針對再生稻的頭季稻機械化收獲和低碾壓率收獲需要，該文設(shè)計了一種雙通道喂入式再生稻收割機，主要由履帶式底盤、割臺、2套左右對稱布置的脫粒清選裝置和秸稈粉碎器、糧箱及動力與傳動系統(tǒng)等組成?；谠偕绢^季稻機械收獲稻茬碾壓模型確定其割幅為3 000 mm，底盤軌距1 500 mm，履帶寬度400 mm，履帶接地長度1 800 mm。對雙通道割臺、秸稈粉碎器等關(guān)鍵部件進行設(shè)計分析，確定攪龍中部2個螺旋葉片起始位置的周向夾角為180°、秸稈粉碎器排草尾板外側(cè)板傾角為8.2°、內(nèi)側(cè)板傾角為6°、上蓋板與垂直方向夾角為63°。田間試驗結(jié)果表明：該機作業(yè)速度可達0.8 m/s，喂入量4.6 kg/s，總損失率2.1%，含雜率0.4%，破碎率0.2%。直行碾壓率26.7%，作業(yè)性能穩(wěn)定，作業(yè)過程順暢，尾部秸稈粉碎器可將碎秸導入履帶碾壓區(qū)。與現(xiàn)有常規(guī)收割機相比，該機可使再生稻頭季稻的直行碾壓率降低16.2%，可使再生季每公頃增產(chǎn)23.9%。該研究可為長江中下游地區(qū)再生稻機械化收獲技術(shù)與裝備研究及推廣提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；設(shè)計；收割機；再生稻；碾壓率

0 引 言

再生稻是通過特有栽培管理措施使割過的稻茬繼續(xù)萌發(fā)生長成穗而再次收獲的水稻，具有一種兩收、省工省種、能充分利用光溫資源、實現(xiàn)增糧增收且稻米品質(zhì)好等優(yōu)點，近年來在長江中下游適宜種植地區(qū)得到迅速推廣[1-4]。為促進再生季穗頭萌發(fā)，再生稻頭季機械收割時地塊較濕軟，要求留茬較高且需保證碾壓率低、碾壓程度輕[5-6]。已有研究將收割機履帶碾壓面積與收割面積的比值定義為碾壓率[7]，部分資料顯示普通收割機碾壓率高達40%～50%，嚴重影響再生稻的再生季產(chǎn)量，致使再生稻生產(chǎn)經(jīng)濟效益顯著降低[8-9]。

再生稻種植區(qū)域主要分布在亞洲東部及南部、非洲部分國家和美國南部等地[4]。美國的農(nóng)田規(guī)模大、機械化程度高，常采用超大割幅收割機作業(yè)，其割幅及整機外形過于龐大，難以滿足國內(nèi)生產(chǎn)條件及需求。越南、孟加拉等南亞、東南亞國家及非洲部分國家機械化水平落后，目前尚未開展再生稻機械化收獲技術(shù)的研究。國內(nèi)適宜再生稻種植的長江中下游地區(qū)由于田塊面積小且多濕軟地，對再生稻頭季稻的專用收獲機械的需求十分迫切。

研究者減少再生稻頭季機械收獲碾壓率的思路主要從路徑選擇和收割方式展開。如易齊圣等[10-11]從農(nóng)機農(nóng)藝相結(jié)合的角度提出了收割機優(yōu)化改進方案及與之相匹配的最優(yōu)機插秧路徑，以減少頭季稻收獲過程中的碾壓損失。雷志強等[7]基于履帶式車輛設(shè)計理論，建立了全履帶式收割機田間直行及轉(zhuǎn)彎碾壓作業(yè)模型，分析獲取了全履帶式再生稻收割機結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)要求。何水清等[12]提出收割時按照方便就近原則到田邊卸糧，減少機器在田間碾壓次數(shù)的技術(shù)方案，并提出利用重復碾壓行的方式來減少碾壓面積。

作者所在研究團隊前期以高地隙乘坐式插秧機為動力底盤，拆除其插植裝置并匹配割臺、輸送槽及集穗箱等工作部件，設(shè)計了一種專用于再生稻穗頭收獲的高地隙割穗機。該機碾壓面積少，但不具備脫粒清選、秸稈粉碎等工作流程，功能單一、質(zhì)量偏大、水田通過性低[13]。2016年課題組又開展了雙割臺雙滾筒全履帶式再生稻收割機研究，采用1個行走底盤、2個同步割臺、2套橫軸流脫粒滾筒及氣流式清選筒，將直行碾壓率降低到28%，但2個割臺之間分禾不徹底，易產(chǎn)生漏割區(qū)，且喂入量小，作業(yè)效率偏低[14]。

基于團隊已有研究結(jié)果和提出的理論方法，以提高作業(yè)效率和質(zhì)量為目標，本文設(shè)計了一種新穎的雙通道喂入式再生稻收割機，并進行了田間性能試驗，以期為長江中下游地區(qū)再生稻的機械化收獲技術(shù)與裝備研究及推廣提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

雙通道喂入式再生稻收割機由履帶式底盤、割臺、2套左右對稱布置的脫粒清選裝置和秸稈粉碎器、糧箱及動力與傳動系統(tǒng)組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.秸稈粉碎器 2.糧箱 3.脫粒清選裝置 4.履帶式底盤 5.發(fā)動機 6.遮陽棚 7.操作臺 8.輸送槽 9.卸糧裝置 10.雙通道割臺

收割機工作時，隨著撥禾輪的撥動，水稻植株被引入螺旋葉片左右分布的割臺，留茬高度以上的稻株被割刀切斷落入割臺并由攪龍分別推送到左右2個喂入口，在伸縮撥指的撥動下進入左右輸送槽，再由2套鏈耙式輸送器推送喂入后續(xù)脫粒清選裝置。在脫粒清選室中經(jīng)脫粒、分離、除雜后的凈谷由鏈耙式輸送器集中導入糧箱，秸稈由尾部秸稈粉碎器粉碎后拋撒到2條履帶碾壓區(qū)，最后由高位卸糧裝置將糧箱內(nèi)谷物卸出，完成收獲作業(yè)。

雙通道喂入式再生稻收割機采取2套工作部件共用1個行走底盤的結(jié)構(gòu)，與普通收割機相比，其整機質(zhì)量輕，減少了對稻樁的碾壓傷害，同時由于割幅顯著增加，其碾壓率明顯降低，除用于再生稻頭季稻收獲外，也適用于再生季水稻及其他常規(guī)水稻的收獲，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 再生稻頭季稻機械收獲稻茬碾壓模型

再生稻頭季稻收獲過程中對稻茬的碾壓包括直行及轉(zhuǎn)向碾壓[7]。已有研究顯示，減少碾壓率的途徑主要有2種：一是直接減少碾壓率，主要依靠增大收割機割幅與碾壓寬度比；二是合理規(guī)劃行走路徑及卸糧方式等，減少額外碾壓面積和次數(shù)[5-6,10-12]。此外也可通過減輕機器質(zhì)量來減輕碾壓程度，從而減少對稻樁的損傷。

為此，本研究團隊建立了全履帶式收割機結(jié)構(gòu)模型[7]，各結(jié)構(gòu)參數(shù)及含義如圖2所示。依托該結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合現(xiàn)有再生稻種植農(nóng)藝及收割機田間行走方式，以減少碾壓率為目標，分析得到全履帶式再生稻收割機結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：割幅與軌距之差及軌距均取行距和株距的公倍數(shù)；在相同接地比壓下割幅越大越好，履帶寬度和接地長度越小越好；此外，水稻株行距間有整數(shù)倍關(guān)系時，沿種植行方向收割碾壓更少，收割時應(yīng)沿著種植行方向采用大轉(zhuǎn)向半徑進行回轉(zhuǎn)式路徑行走作業(yè)[7]。本文設(shè)計的雙通道喂入式再生稻收割機主要技術(shù)參數(shù)均參照上述研究結(jié)論確定。

表1 雙通道喂入式再生稻收割機主要設(shè)計參數(shù)

注：b為履帶寬度，mm；L為履帶接地長度，mm；Z為割幅，mm；B為底盤軌距，mm；X為履帶橫向中心線到割刀距離，mm。

3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

3.1 割幅與軌距

目前長江中下游地區(qū)常用的水稻收割機主要參數(shù)如表2所示，直行碾壓率在40%～50%之間。農(nóng)藝研究顯示，碾壓區(qū)對機收再生稻再生季總產(chǎn)僅能提供7.6%～17.2%的貢獻，減少碾壓率對于提高再生季產(chǎn)量至關(guān)重要，同時減少接地比壓并減輕對留茬的碾壓程度也對再生季產(chǎn)量影響顯著[9]，因此需考慮整機輕量化設(shè)計并優(yōu)化底盤接地面積以減小接地比壓。

表2 部分常規(guī)收割機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

考慮長江中下游地區(qū)再生稻種植區(qū)田塊面積較小、水田土壤含水率較高以及存在丘陵等實際情況，基于前期研究結(jié)果[7]，雙通道喂入式再生稻收割機的喂入量設(shè)定為4.0 kg/s，割幅為2 000～3 000 mm。預期直行碾壓率不超過30%，即：

由于現(xiàn)有收割機常用履帶寬度為400、450 mm，基于前文對行碾壓模型以及減輕碾壓率的分析，初步確定割幅為3 000 mm。

軌距決定底盤寬度，直接影響整機穩(wěn)定性，依據(jù)文獻[7]并考慮整機左右平衡性及提高抗側(cè)翻能力，確定軌距為1 500 mm。

3.2 履帶接地長度與寬度

依據(jù)文獻[7]，當割幅為3 000 mm、軌距為1 500 mm時，收割機沿種植行方向行走，收割10行僅碾壓2行；沿垂直種植行方向行走，收割20株僅碾壓6株，且不對鄰旁稻樁造成傷害。由于雙通道喂入式再生稻收割機的首要目標是降低碾壓率，履帶寬度400 mm時的碾壓率比450 mm時低3.3%，因此優(yōu)先確定履帶寬為400 mm。

履帶式底盤的履帶接地長度與軌距的比值在1.2～1.8之間，大于1.8時轉(zhuǎn)向困難，小于1.2時其直線行駛性差[15-16]，即：

接地長度越長轉(zhuǎn)向時碾壓率越大[15-16]，故取小值1.2，最終確定履帶接地長度為1 800 mm，此時理論直行碾壓率為26.7%。

考慮收割機田間作業(yè)通過性，設(shè)計接地比壓≤24 kPa[16]，按照整機質(zhì)量與履帶寬度、接地長度之間需滿足關(guān)系式≥/2，整機設(shè)計質(zhì)量應(yīng)不超過3 456 kg。

3.3 傳動與液壓系統(tǒng)

本機采用1臺65 kW新柴498BZT發(fā)動機提供動力，分成2路輸出，一路由帶傳動直接傳遞給左側(cè)工作部件，另一路先傳遞至中間主傳動軸，再分別傳遞給底盤變速箱和右側(cè)工作部件。左右側(cè)工作部件的主動力均分別由脫粒滾筒換向變速箱輸入，通過帶傳動傳遞至風機后分配給輸送槽、清選裝置及秸稈粉碎器。其中左輸送槽主動輪由鏈傳動傳遞動力至割刀，右輸送槽主動輪由鏈傳動傳遞動力至撥禾輪及割臺攪龍。2路傳遞到工作部件的主動力均單獨安裝皮帶張緊離合，實現(xiàn)單獨控制，便于性能調(diào)試及故障排除。

液壓系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：驅(qū)動底盤行走及轉(zhuǎn)向、割臺及撥禾輪升降、糧箱出糧攪龍轉(zhuǎn)動、高位卸糧筒旋轉(zhuǎn)及升降等。包括底盤液壓無極變速箱行走驅(qū)動回路；底盤轉(zhuǎn)向、割臺及撥禾輪升降、高位卸糧筒旋轉(zhuǎn)及升降回路和糧箱出糧攪龍轉(zhuǎn)動回路，3條回路并聯(lián)，如圖3所示。

行走驅(qū)動回路由發(fā)動機通過帶傳動驅(qū)動液壓無極變速箱變量泵；轉(zhuǎn)向、升降回路采用CBN-F310液壓泵直連發(fā)動機獲取動力；出糧攪龍由于轉(zhuǎn)動扭矩較大，采用CBN-F325液壓泵。割臺幅寬較大，為保證同步性，避免割臺單個支點穩(wěn)定性不足，采用2個液壓油缸分別支撐左右2套輸送槽控制割臺升降。

4 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 雙通道割臺

雙通道割臺由割臺底板、雙向螺旋喂入攪龍、割刀總成、撥禾輪、左右分禾器等組成。割臺底板設(shè)有2個喂入口，分別對應(yīng)螺旋攪龍的2套伸縮撥指，2個喂入口均勻分配進入割臺的物料，縮短了秸稈輸送距離，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

割臺運行主要包括螺旋攪龍轉(zhuǎn)動、割刀簡諧運動及撥禾輪轉(zhuǎn)動。普通收割機通過輸送槽主動輪傳遞動力給割臺過橋，再由過橋通過帶傳動或鏈傳動分別帶動以上工作部件[17-19]。雙通道喂入式再生稻收割機由于設(shè)有左右對稱布置的2套脫粒清選裝置，與普通收割機不同，為此對割臺動力傳動系統(tǒng)進行了改進設(shè)計?；诠钠胶夂捅苊鈫蝹?cè)動力不足，考慮割刀切割消耗最大[19]，由割臺左側(cè)供給撥禾輪及攪龍動力，右側(cè)傳遞割刀所需動力。

4.2 雙向螺旋攪龍

雙向螺旋攪龍主要由攪龍筒體、圍繞在筒體外側(cè)的左右旋長短螺旋葉片、布置在攪龍筒體內(nèi)部的左右2套伸縮撥指機構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。位于中間的長螺旋葉片將物料向兩側(cè)輸送，位于兩端的短螺旋葉片將物料向中間輸送。整個割幅內(nèi)割下的谷物由雙向螺旋葉片分別推送至左右物料喂入口，并由伸縮撥指撥送喂入輸送槽。

1.傳動過橋A 2.定軸固定爪板 3.撥禾輪支架 4.左分禾器 5.雙向螺旋攪龍 6.割刀 7.撥禾輪 8.傳動過橋B 9.割臺底板 10.右分禾器

1.固定座A 2.傳動鏈輪 3.左旋短葉片 4.左伸縮撥指機構(gòu) 5.右旋長葉片 6.攪龍筒體 7.左旋長葉片 8.右伸縮撥指機構(gòu) 9.右旋短葉片 10.固定座B

1. Fixed base A 2. Drive sprocket 3. Short levotorsion blade 4. Left telescopic finger mechanism 5. Long dextrorotation blade 6. Cylinder of the conveyor 7. Long levotorsion blade 8. Right telescopic finger mechanism 9. Short dextrorotation blade 10. Fixed base B

注：為攪龍中部2個螺旋葉片起始位置的周向夾角，(°)。

Note:is the initial circumferential angle of the two spiral blades in the middle of the conveyor, (°).

圖5 雙向螺旋攪龍結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.5 Structure diagram of two-way spiral conveyor

由于割臺幅寬長達3 000 mm，為縮短偏心軸長度，避免偏心軸變形，將2套伸縮撥指機構(gòu)分開布置，非傳動側(cè)伸縮撥指機構(gòu)與普通收割機一致，傳動側(cè)采用管軸結(jié)合方式。傳動側(cè)伸縮撥指機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6所示，傳動鏈輪經(jīng)管套帶動輻盤1轉(zhuǎn)動，管套內(nèi)安裝定軸1用于固定偏心軸，偏心軸另一側(cè)只需用定軸2連接輻盤3。

1.固定座 2.管套 3.定軸1 4.輻盤2 5.曲柄1 6.伸縮撥指 7.伸縮撥指套 8.輻盤3 9.定軸2 10.曲柄2 11.伸縮撥指隔套 12.偏心軸 13.輻盤1 14.法蘭盤 15.傳動鏈輪 16.定軸固定爪板

雙向螺旋攪龍由4段螺距、直徑、螺旋升角一致的葉片組成，水稻莖稈在撥禾輪和割刀作用下被其抓取進而輸送到喂入口，對此過程中的水稻莖稈速度與受力狀態(tài)進行分析以確定攪龍結(jié)構(gòu)參數(shù)。水稻莖稈受力簡化為一集中于螺旋葉面點處的作用力，該點距離回轉(zhuǎn)中心，如圖7所示。力與螺旋葉面法線方向偏離角，即為葉面與水稻莖稈間摩擦角。在作用下莖稈沿螺旋葉面作復合運動，設(shè)1為點軸向速度，m/s，2為點圓周速度，m/s，則點合速度為，m/s，則1、2分別為：

式中為葉面與物料間摩擦系數(shù)，=tan；為對應(yīng)摩擦角；為螺旋葉片升角，=arctan(/2p)；為螺距，mm；為該點到回轉(zhuǎn)中心的距離，mm；為螺旋攪龍的轉(zhuǎn)速，r/min。

為避免秸稈纏繞，攪龍筒體的周長需大于進入割臺秸稈的長度[19]，因此攪龍筒體直徑應(yīng)滿足：

經(jīng)調(diào)查成熟期典型再生稻品種頭季收割時株高1 100 mm左右，留茬高度350～500 mm，則進入割臺的莖稈長度為600～750 mm?；谳p量化設(shè)計思想，為減小割臺尺寸并減輕割臺自身質(zhì)量，由式（5）可知筒體直徑應(yīng)≥239 mm，由此設(shè)定筒體直徑為250 mm，螺旋葉片高度65 mm，則攪龍外徑為380 mm。

由螺旋輸送特性可知，當1>2時螺旋葉片最大外徑處秸稈可順利輸送，則由式（3）、式（4）可得：

前期試驗測得水稻植株與鋼板的摩擦角為31.5°，故其摩擦系數(shù)為0.61[18-19]，帶入式（6）可得到≤291 mm。參照現(xiàn)有機型標準并考慮減小割臺體積，選取=260 mm。

為確定攪龍中部2個螺旋葉片起始位置的周向夾角，對水稻秸稈在雙向螺旋攪龍中部輸送情況進行分析。

注：Fa為左側(cè)螺旋葉片對稻株的拉力，N；Fb為右側(cè)螺旋葉片對稻株的拉力，N；S為螺距，mm；D為螺旋葉片外徑，mm；d為攪龍筒體直徑，mm；O為莖稈與螺旋葉面接觸點；r為莖稈到回轉(zhuǎn)中心的距離，mm；P為螺旋葉面作用在O點的力，N；P1為P的法向分力，N；P2為P的徑向分力，N；α為螺旋葉片升角，(°)；β為P與葉面法線方向偏離角，(°)；θ為葉面與物料間摩擦角，(°)；γ為攪龍中部2個螺旋葉片起始位置周向夾角，(°)；v1為O點軸向速度，m·s-1；v2為O點圓周速度，m·s-1；v為v1和v2的合速度，m·s-1；v0為O點線速度，m·s-1；vn為O點絕對速度，m·s-1。

如圖7所示，假設(shè)一根稻株縱向與攪龍軸向平行喂入割臺，隨后被螺旋攪龍抓取，如其中心位于2個螺旋長葉片交接處，此時2條反向螺旋會各抓取一部分莖稈，稻株分別受到左右螺旋葉片的拉力F和F。如莖稈中心對稱于左右螺旋中心，當=0°時，兩螺旋葉片完全對稱，稻株受力中心也恰好位于攪龍對稱中心處，此時F=F，該狀態(tài)為理想平衡輸送狀態(tài)，此時稻株在兩側(cè)螺旋牽引作用下拉伸，暫時不會向左右兩側(cè)移動?？梢姡瑸楸ＷC左右兩側(cè)攪龍喂入量保持平衡，盡量減少上述情況出現(xiàn)的概率，夾角為180°最適宜。

4.3 輸送槽

采用鏈耙式輸送器，輸送速度3～5 m/s，中間帶隔板將輸送槽分為上下2室，可減少秸稈回落，減輕塵土飛揚[19]。2套輸送槽沿收割機縱向左右對稱布置，2個主動鏈輪帶動鏈耙轉(zhuǎn)動并把動力分別傳遞至割臺左右過橋。輸送槽寬度390 mm，長度1 800 mm，底板最大傾角35.7°，滿足農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊要求，利于鏈耙對作物的抓取和輸送[19]。

4.4 脫粒清選裝置

脫粒裝置主要由喂入螺旋、輻盤、輻條、旋轉(zhuǎn)主軸、脫粒桿齒等組成，采用縱軸流脫粒滾筒，便于整機結(jié)構(gòu)布置且脫粒效果好。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1.喂入螺旋 2.輻條A 3.輻盤 4.脫粒桿齒 5.輻條B 6.旋轉(zhuǎn)主軸

再生稻頭季稻收割時莖稈粗壯、含水率高、秸稈量大，脫粒滾筒需具備較強濕脫能力，故選取脫粒能力強的桿齒作為脫粒元件，其更易抓取作物，且青濕作物不均勻喂入對其影響較小[20]。

考慮到再生稻脫粒要求，采用直徑為8 mm的圓柱形桿齒，其工作高度為58 mm，脫粒間隙30 mm；尾部排草段采用2排68 mm高度桿齒，因桿齒高度增加，脫粒間隙為20 mm[20-21]。

滾筒輻條數(shù)一般取6～8，輻條數(shù)越多脫粒元件越多、籽粒破碎率越高、質(zhì)量越大，故輻條數(shù)取6。

脫粒齒數(shù)由式（7）確定：

式中為脫粒裝置喂入量，根據(jù)前述設(shè)計要求，整機喂入量為4.0 kg/s，因此單側(cè)喂入量取2 kg/s；β為喂入作物中谷粒所占質(zhì)量比，根據(jù)前期研究測量取0.44；q為每個桿齒的脫粒能力，一般取0.025 kg/s。帶入式（7）可得總齒數(shù)≥74.7，增加脫粒齒數(shù)可提高滾筒搓擦青濕秸稈的能力，因此脫粒桿齒數(shù)取80。

脫粒滾筒長度由式（8）確定：

式中為齒間距，一般為25～50 mm，取30 mm；為螺旋頭數(shù)，一般為2～5頭。螺旋頭數(shù)越多，莖稈越易折斷，清選裝置負荷越大，故選取雙頭螺旋排布；D為端部桿齒距輻條端部的距離，一般為15～20，根據(jù)質(zhì)量最小原則，取15，代入式（8）得=1 200 mm。

與割臺螺旋攪龍參數(shù)選取方式相同，為避免滾筒纏草，脫粒滾筒周長應(yīng)大于喂入作物的長度，故其直徑d≥239 mm。

滾筒齒頂圓直徑D由式（9）確定：

選取滾筒線速度為21 m/s，轉(zhuǎn)速為1 100 r/min[19]，代入式（9）得D為364.6 mm，減小滾筒尺寸可有效減輕整機質(zhì)量，故設(shè)定為370 mm。

清選篩由上篩和下篩共2層篩面構(gòu)成，2個篩面間距100 mm。上篩為間隙可調(diào)式魚鱗篩，用于分離滾筒甩出的碎秸稈、殘穗等，下篩二次篩選得到干凈谷粒，排走細碎雜余。上篩尾部另設(shè)有16片魚鱗片組成的尾篩，用于篩漏殘穗，尾篩漏下的殘余落入復脫攪龍并輸送至上篩完成二次復脫[19,22-23]。

清選風機采用由4塊平直葉片組成的外徑300 mm農(nóng)用離心式風扇結(jié)構(gòu)，氣流與篩面夾角38°，風扇出口對向篩面前部，高度135 mm。

4.5 秸稈粉碎器

秸稈粉碎器將脫粒清選后的長莖稈粉碎并拋撒至已收割區(qū)。收割機工作時，未經(jīng)粉碎且無序鋪撒的秸稈會留在稻茬上部，后期降雨易造成稻稈腐爛進而影響再生穗頭萌發(fā)[13]。因碾壓區(qū)稻樁恢復生長慢，再生苗萌發(fā)遲，且再生蘗數(shù)量遠少于非碾壓區(qū)域，對再生季產(chǎn)量貢獻率低，因此設(shè)計將粉碎后的秸稈排到碾壓區(qū)。秸稈粉碎器主要由主箱體、上罩殼、排草尾板、動刀輥、定刀組、動力輸入皮帶輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1.主箱體 2.動刀輥 3.防纏草擋圈 4.皮帶輪 5.定刀組 6.導草板 7.排草尾板 8.上罩殼

主箱體通過鉸鏈與收割機脫粒清選室排草口相連，秸稈從排草口落下，動刀輥高速旋轉(zhuǎn)過程中刀片抓住秸稈進入粉碎器箱體內(nèi)，通過多組動刀與定刀間的滑切作用粉碎秸稈。碎秸在刀輥高速旋轉(zhuǎn)離心力作用下沿切線方向甩出，最后在尾板及導草板作用下分別拋撒至兩條履帶碾壓區(qū)。

排草尾板及安裝在尾板下的導草板對碎秸進行導向使其到達理想拋撒處，圖10為粉碎器安裝位置及碎秸拋撒示意圖。圖中為排草尾板上蓋板與垂直方向夾角，決定碎秸拋撒距離；為排草尾板外側(cè)板傾角，決定碎秸最外橫向拋撒邊界；為排草尾板內(nèi)側(cè)板傾角，決定碎秸最內(nèi)橫向拋撒邊界；L為碎秸拋撒距離，H為粉碎器排草口離地高度。

1.履帶 2.車架 3.秸稈粉碎器

1.Track 2.Frame 3. Straw crusher

注：為履帶外側(cè)秸稈粉碎器碎秸拋撒區(qū)域；為履帶正上方秸稈粉碎器碎秸拋撒區(qū)域；1為履帶正上方秸稈粉碎器寬度，mm；2為履帶外側(cè)秸稈粉碎器寬度，mm；為排草尾板外側(cè)板傾角，(°)；為排草尾板內(nèi)側(cè)板傾角，(°)；為排草尾板上蓋板與垂直方向夾角，(°)；L為碎秸拋撒距離，mm；H為秸稈粉碎器排草口離地高度，mm；為履帶寬度，mm。

Note:is the scattering area of the straw crusher on the outer side of the track;is the scattering area of the straw crusher above the track;1is the width of the straw crusher above the track, mm;2is the width of the straw crusher on the outer side of the track, mm;is the inclination angle of the outer plate of the tail plate, (°);is the inclination angle of the inner plate of the tail plate, (°);is the angle between the upper cover plate of the tail plate and the vertical direction, (°);Lis the throwing distance of the scattered straw, mm;His the height of the straw outlet from the ground, mm;is track width, mm.

圖10 粉碎器安裝及碎秸拋撒示意圖

Fig.10 Schematic diagram of straw crusher installation and straw scattering

由圖10可見，秸稈粉碎器部分位于履帶正上方，為保證碎秸均勻覆蓋碾壓區(qū)，對尾板內(nèi)側(cè)板傾角按照導向要求進行設(shè)計。在實際作業(yè)中面積越小越好，但排草尾板外側(cè)板傾角會隨著面積縮小而增大，進而易造成排草口堵塞。尾板各參數(shù)由式（10）～（12）確定[19]：

結(jié)合實際需求，設(shè)定拋撒距離L為2 000 mm，秸稈粉碎器排草口離地高度H設(shè)計為1 022 mm，碎秸器位于脫粒清選室排草口，寬度為496 mm；位于履帶正上方寬度1為208.5 mm，位于履帶外寬度2為287.5 mm，代入式（10）～（12）得為8.2°，為6°，為63°。

4.6 糧 箱

為減少對再生稻的碾壓，再生稻頭季稻收獲時一般不采取運糧車跟隨機組作業(yè)的方式卸糧，而是采用滿箱卸糧方式，即每收集滿一箱，收割機回到田邊運糧車處進行卸糧。

大容積糧箱對降低碾壓率、減少碾壓程度有顯著優(yōu)勢，均衡考慮整機空間布置、穩(wěn)定性、高度以及再生稻頭季產(chǎn)量與合理生產(chǎn)效率等要求[24-25]，設(shè)定糧箱有效容積為1.5 m3，可容納谷物900 kg，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

1.卸糧筒 2.卸糧筒升降油缸 3.箱體 4.豎直螺旋輸送筒 5.卸糧筒馬達 6.卸糧馬達 7.水平攪龍

5 田間性能試驗與分析

5.1 試驗條件

雙通道喂入式再生稻收割機設(shè)計完成后，在湖南省農(nóng)友機械集團有限公司加工試制，樣機如圖12a所示。2019年8月12日在湖北省洪湖市烏林鎮(zhèn)四屋門村水稻示范基地進行了田間現(xiàn)場作業(yè)試驗和性能檢測，試驗現(xiàn)場如圖12b所示。參照《農(nóng)業(yè)機械試驗條件 測定方法的一般規(guī)定》（GB/T5262-2008）[26]，對再生稻田間生長條件等進行調(diào)查。試驗田長75 m，寬30 m，地表平整，水稻品種為豐兩優(yōu)香1號，生長均勻，無病蟲害、無雜草及其他作物，詳細試驗條件如表3所示。

圖12 雙通道喂入式再生稻收割機及田間試驗

5.2 試驗方法

收獲性能測試按照《收獲機械聯(lián)合收割機試驗方法》（GB/T 8097-2008）進行，依據(jù)《全喂入聯(lián)合收割機技術(shù)條件》（JB/T 5117-2017）選取作業(yè)速度、喂入量、損失率、含雜率、破碎率、生產(chǎn)率為主要性能評價指標[27-28]。

表3 田間試驗條件

收割機于上午10:00開始作業(yè)，此時作物狀態(tài)較為穩(wěn)定。接取籽粒和莖稈樣本的作業(yè)長度為25 m，為便于接料布鋪放，預留行走區(qū)長度為30 m，試驗區(qū)寬度約20 m。試驗共測試3個行程，獲取數(shù)據(jù)并求其平均值。

1）作業(yè)速度

式中v為作業(yè)速度，m/s；L為測定區(qū)作業(yè)長度，m；t為通過測定區(qū)的時間，s。

2）喂入量

式中為喂入量，kg/s；W為通過測定區(qū)時接取的籽粒、莖稈和清選排出物的總質(zhì)量，kg。

3）損失率

式中S為損失率，%；B為平均實際割幅，m；W為割臺每平方米實際損失量，g；為接樣區(qū)內(nèi)所接籽粒總質(zhì)量，g；L為測定區(qū)作業(yè)長度，m。

4）含雜率

式中Z為含雜率，%；W為出糧口取小樣中雜質(zhì)質(zhì)量，g；W為出糧口取小樣質(zhì)量，g。

5）破碎率

式中Z為破碎率，%；W為出量口取小樣中破碎籽粒質(zhì)量，g；W為出糧口取小樣籽粒質(zhì)量，g。

6）生產(chǎn)率

式中E為作業(yè)小時生產(chǎn)率，hm2/h；Q為總作業(yè)量，hm2；∑T為排除所有故障時間后的總作業(yè)時間，h。

采用中聯(lián)重科PL60 4LZT-6.0ZC1型履帶式全喂入收割機作為對照組用于比較收割后稻茬碾壓情況，2臺收割機均按照回轉(zhuǎn)式路徑收獲。

5.3 結(jié)果與分析

田間試驗各項性能檢測結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，雙通道喂入式再生稻收割機作業(yè)速度可達0.8 m/s，喂入量檢測值為4.6 kg/s，總損失率2.1%，含雜率0.4%，破碎率0.2%，符合標準規(guī)定指標要求。尾部碎秸十分順暢，未出現(xiàn)堵塞，碎秸能排到履帶碾壓區(qū)。

圖13a為收割機收割碾壓情況對比。經(jīng)測定，對照收割機的直行碾壓率42.9%，本文設(shè)計的雙通道喂入式再生稻收割機的直行碾壓率僅26.7%，降低了16.2%，優(yōu)勢顯著。圖13b為2種機型收割后再生季成熟期生長情況對比。

2019年10月28日進行了雙通道喂入式再生稻收割機機收再生季測產(chǎn)驗收。結(jié)果表明：對于豐兩優(yōu)香1號，雙通道喂入式再生稻收割機示范區(qū)頭季實測每公頃產(chǎn)量10 175.4 kg，再生季每公頃產(chǎn)量6 013.5 kg，頭季和再生季合計每公頃產(chǎn)量16 188.9 kg；對照區(qū)普通收割機收割頭季實測每公頃產(chǎn)量10 175.4 kg，再生季每公頃產(chǎn)量4 854.6 kg，頭季和再生季合計每公頃產(chǎn)量15 030 kg；雙通道喂入式再生稻收割機可比常規(guī)收割機收割后再生季每公頃增產(chǎn)1 158.9 kg，增幅約23.9%。

表4 雙通道再生稻收割機性能檢測結(jié)果

圖13 兩種機型收割效果對比

6 結(jié) 論

1）基于再生稻頭收獲季低碾壓率及高效率作業(yè)要求，本文設(shè)計了一種雙通道喂入式再生稻收割機，依托本研究團隊建立的全履帶式收割機結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合現(xiàn)有再生稻種植農(nóng)藝及收割機田間行走方式，以減少碾壓率為目標，分析確定了其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為割幅3 000 mm，底盤軌距1 500 mm，履帶寬度400 mm，接地長度1 500 mm。

2）設(shè)計了一種雙通道喂入式再生稻收割機割臺，為平衡功耗，避免單側(cè)動力不足，對割臺動力傳遞系統(tǒng)進行改進，由割臺左側(cè)供給撥禾輪及攪龍動力，右側(cè)傳遞割刀所需動力。

3）開展了雙向螺旋攪龍結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于割臺幅寬長達3 000mm，為縮短偏心軸長度，避免偏心軸變形，將2套伸縮撥指機構(gòu)分開布置，確定了攪龍中部兩螺旋長葉片起始位置周向夾角為180°。

4）對履帶式底盤、輸送槽、脫粒清選裝置進行選型設(shè)計，確定了脫粒元件、清選篩及風機形式參數(shù)；分析秸稈粉碎器拋撒范圍，確定了其尾板布置方式；結(jié)合碾壓率及生產(chǎn)率分析確定糧箱容積為1.5 m3。

5）田間試驗結(jié)果表明，該機作業(yè)速度可達0.8 m/s，喂入量檢測值為4.6 kg/s，總損失率2.1%，含雜率0.4%，破碎率0.2%。直行碾壓率僅26.7%，相對現(xiàn)有常規(guī)收割機可減少16.2%。再生季測產(chǎn)結(jié)果表明，雙通道喂入再生稻收割機可比常規(guī)收割機收割后再生季每公頃增產(chǎn)約23.9%。

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Development of double-channel feeding harvester for ratoon rice

Fu Jianwei, Zhang Guozhong※, Xie Gan, Wang Yang, Gao Yuan, Zhou Yong

(1.,,430070,; 2.430070,)

As one of the rice varieties, ratoon rice has the advantages of making full use of temperature and light resources, saving seed, labor, water and pesticide, improving land use efficiency, increasing production and income. The first crop of ratoon rice is often harvested in wet and soft soil and requests high stubble and low rolling rate and degree. However, the rolling rate of common harvester is as high as 40%-50%, which seriously affects the yield of ratoon rice, resulting in significant reduction of economic benefits of ratoon rice production. According to the needs of mechanized harvest and low rolling rate of first crop of ratoon rice, a double-channel feeding harvester for ratoon rice was designed according to the growth characteristics of ratoon rice based on previous researches and theoretical methods proposed by the research group. The machine was mainly composed of a tracked chassis, a header, two sets of threshing and cleaning devices and straw crushers which were bilateral symmetry, a grain bin, an engine and transmission system, and the harvester could realize the process of straw separating, plant-poking, cutting, transporting, threshing, cleaning, straw crushing, grain transporting, grain holding and grain unloading in one time. Compared with the common harvester, by adopting the structure that two sets of working parts share one walking chassis, the weight of the double- channel feeding harvester for ratoon rice was reduce and the damage degree of rolling on the rice stubble was low. According to the harvest rolling model of ratoon rice harvester, the structural parameters were set as the cutting width was 3 000 mm, the track gauge was 1 500 mm, the track width was 400 mm and the grounding length was 1 800 mm. A special header with two channels was designed, which shortened the distance of straw transportation, mitigated the blocking of header, and effectively balanced the power consumption and reduced the vibration by transferring the power separately. Two sets of independent telescopic finger mechanism was adopted which could avoid deformation due to long eccentric shaft, and it was determined that the initial circumferential angle of the two spiral blades in the middle of the two-way spiral conveyor was 180° based on the theoretical analysis. To ensure that the long straw after threshing and cleaning was crushed and scattered to the harvested area, by analyzing the scattering range of straw crusher, it was ascertained that the inclination angle of the outer plate of the tail plate was 8.2°, the inclination angle of the inner plate was 6°, and the angle between the upper cover plate and the vertical direction was 63°. Longitudinal axial threshing cylinder was adopted for threshing. Through analyzing the rolling rate and productivity, it was determined that the available volume of grain bin was 1.5 m3, which could hold 900 kg grain. Harvesting performance was tested according to relevant standards, the major performance evaluation indicators consisted of working speed, feeding rate, loss rate, impurity rate, crushing rate and productivity. The PL60 4LZT-6.0ZC1 harvester of ZOOMLION was used as a contrast. It was suggested from the field test that this machine had stable performance and smooth operation. The tail straw crusher could guide the broken straw into the rolling area, the working speed could reach 0.8 m/s, the feeding rate was 4.6 kg/s, the total loss rate was 2.1%, the impurity rate was 0.4% and the crushing rate was 0.2%. The straight rolling rate was as low as 26.7%, which was 16.2% lower than that of the contrast. The yield of ratoon rice in the first season was 10 175.4 kg/hm2, the yield in the second season was 6 013.5 kg/hm2, and the total yield in the first and second season was 16 188.9 kg/hm2. In control area harvested by the common harvester, the yield of ratoon rice in the first season was 10 175.4 kg/hm2, the yield in the second season was 4 854.6 kg/hm2, and the total yield in the first and second season was 15 030 kg/hm2. Compared with the common harvester, the yield increased by 23.9% (1 158.9 kg/hm2) in the second crop harvested by the double-channel feeding harvester. This research could provide valuable reference for the research and extension of ratoon rice mechanical harvesting technology in the middle and lower reaches of Yangtze River.

agricultural machinery; design; harvester; ratoon rice; rolling rate

付建偉，張國忠，謝 干，王 洋，高 原，周 勇. 雙通道喂入式再生稻收獲機研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(3)：11－20.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.002 http://www.tcsae.org

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2019-10-17

2019-12-01

國家重點研發(fā)計劃子課題長江中下游北部再生稻機械化技術(shù)創(chuàng)新（2017YFD0301404-05）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金資助（2662018PY038）；湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃（T201934）

付建偉，博士生，研究方向為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計與測控。Email：1126461969@qq.com

張國忠，教授，博士生導師，研究方向為農(nóng)業(yè)機械化與自動化。Email：zhanggz@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.002

S225.4

A

1002-6819(2020)-03-0002-10