吳羅發(fā) ,董獻華 ,張文毅 ,陳立才 ,舒時富
(1.江西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)工程研究所,江西 南昌 330200;2.江西良田農(nóng)業(yè)機械有限公司,江西 余江 335200 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,江蘇 南京 210014;4.江西省智能農(nóng)機裝備工程研究中心,江西 南昌 330200)
江西省是國家水稻主產(chǎn)區(qū)之一,水稻種植面積為343.62 萬公頃,產(chǎn)量2 092.2 萬噸,占我省糧食作物總產(chǎn)量的95.5%。江西省又是典型的丘陵山區(qū),田塊面積小,形狀不規(guī)則,分散度高,高差相對較大,農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對較差,水稻生產(chǎn)勞動強度大、效率低[1]?,F(xiàn)代水稻生產(chǎn)具有單產(chǎn)高、長勢密、莖稈粗、草谷比大、莖稈含水率高等特性[2-4],這些特性對聯(lián)合收割機作業(yè)性能提出了更高的要求[5-6]。隨著農(nóng)村勞動力向二、三產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)移,勞動力短缺矛盾不斷突出,水稻種植生產(chǎn)全程機械化成為必然趨勢[7],水稻機械化收獲是提高水稻全程機械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。
國內(nèi)外許多學者和相關(guān)企業(yè)針對南方丘陵區(qū)水田水稻機械化收獲開展了大量研究,并取得了一些成果。ALIZADEH等[7-10]研究了脫粒滾筒對脫粒性能的影響;高愛民等[11-12]設(shè)計了可適應(yīng)于丘陵山區(qū)作業(yè)的小型水稻聯(lián)合收割機,但存在收獲效率低的問題;張敏等[13-14]設(shè)計了稻麥聯(lián)合收割機,但在南方丘陵山區(qū)的適應(yīng)性差。目前市場上的聯(lián)合收割機品牌多且機型雜,農(nóng)民面對如此多的機型,難以選擇適合本地地理特點與土壤類型的收割機。由于丘陵山區(qū)水田地塊條件制約,聯(lián)合收割機結(jié)構(gòu)尺寸和動力受到限制,國內(nèi)現(xiàn)有小型水稻聯(lián)合收割機往往存在收獲效率低、夾帶損失較大等不足[15-17]。同時,現(xiàn)有的機具作業(yè)時,容易造成農(nóng)田耕作層破壞,泥腳越來越深,不利于南方水田保護性作業(yè)的發(fā)展。因此,研發(fā)適用于南方丘陵雙季稻區(qū)作業(yè)的履帶式谷物聯(lián)合收割機十分必要,這對解決南方丘陵水田機械化收獲問題,提升水稻種植全程機械化水平和保障糧食安全具有重要意義。
履帶式高效聯(lián)合收割機采用全喂入收獲方式,機具總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整機主要由割臺裝置、脫粒裝置、清選裝置、輸送裝置、糧箱裝置、行走裝置等組成。機器可完成稻麥的分禾、扶禾、切割、喂入、脫粒、清選、儲糧等工序。工作過程中,分禾器將幅寬內(nèi)的稻麥植株分開扶起,同時在撥禾輪的扶持推送下,稻麥植株被切割,經(jīng)割臺輸送裝置和喂入裝置,谷穗、莖稈及掉落的籽粒被一起喂入脫粒清選裝置,由縱軸流式脫粒滾筒完成脫粒后,經(jīng)清選裝置實現(xiàn)谷草分離,稻麥秸稈、穗芒被排出,谷粒落入下層清選輸送帶上被傳送到糧箱裝置完成集收。
圖1 整機示意圖
依據(jù)江西省雙季稻區(qū)特點,水稻產(chǎn)量水平一般在7 500~11 250(kg/hm2)之間,以留茬高度15 cm 收割,割下作物谷粒率(籽粒質(zhì)量與總質(zhì)量之比)為0.5。割幅按照式(1)進行計算。
式中:B—收割機的割幅(mm);
q—脫粒滾筒喂入量(kg/s);
β0—割下作物谷粒率(籽粒質(zhì)量與總質(zhì)量之比),取0.5;
M—水稻產(chǎn)量(kg/hm2);
vm—收割機的作業(yè)速度(m/s)。
在脫粒滾筒喂入量4.0 kg/s左右時,收割機作業(yè)速度取1.2 m/s,經(jīng)計算,割幅可以設(shè)計在1 481 mm~2 222 mm之間,該機設(shè)計割幅寬度為2 100 mm。
2.2.1 高地隙行走底盤
該機設(shè) 計了一種新的高地隙行走底盤機構(gòu),主要由底盤下架、底盤上架、變速箱傳動機構(gòu)、支撐輪系和行走履帶等裝置組成,如圖2所示。履帶接地長度L影響聯(lián)合收割機水田通過性和行走的穩(wěn)定性。接地長度過小,接地壓力大,水田通過性和縱向穩(wěn)定性差,會產(chǎn)生“翹頭”或“翹尾”現(xiàn)象,造成割茬時高時低;接地長度過大,轉(zhuǎn)向阻力增大,轉(zhuǎn)向困難。履帶的接地長度按照式(2)計算。
式中:G-聯(lián)合收割機重力,N;
B-履帶寬度,m;
q-接地壓力,kPa。
聯(lián)合收割機質(zhì)量為3 140 kg,接地壓力依據(jù)相關(guān)標準要求,初步定為25 kPa,履帶寬度加寬為500 mm。依據(jù)式(2)計算,履帶接地長度L≥1.256m,該機設(shè)計L為1.738 m。
該機構(gòu)在不改變底盤重心的情況下抬高變速箱,使離地間隙達到340 mm,加長加寬型高花紋履帶至500 mm,有效避免機架與履帶的干涉,托帶輪降低,有利于減少履帶的長度,增加驅(qū)動輪和導向輪的包角,同時可以使變速箱安裝結(jié)構(gòu)牢固、穩(wěn)定,并使糧箱可以旋轉(zhuǎn)。
圖2 高地隙行走底盤
2.2.2 底盤排泥裝置
該機設(shè)計了一種新的履帶式收割機底盤排泥裝 置,主要由收割機底盤、驅(qū)動輪、驅(qū)動桿、滑動套、 固定支架和行走履帶等組成,如圖3 所示。該裝置通過驅(qū)動輪帶動驅(qū)動桿推動活動方管移動,刮板自動排泥;通過開口卡座調(diào)節(jié)方管擺動角度,將淤泥排入外側(cè);同時通過彈簧張緊調(diào)節(jié)卡座結(jié)構(gòu),改變長度來放置不同數(shù)量的刮板,調(diào)節(jié)整體刮板的寬度,保證排泥效果,極大地提升了機具作業(yè)的便利性和穩(wěn)定性,保證排泥的順暢性,降低機具水田作業(yè)負荷,清理時不需要停機和機器移出田外,大大提高了工作效率。
圖3 底盤排泥裝置
該機設(shè)計了一種 喂入通暢、 結(jié)構(gòu)強度高、易調(diào)整的收割機脫粒滾筒,主要由若干喂入葉片、喂入錐、主軸、若干第一齒桿、若干第二齒桿、左端蓋和右端蓋組成,如圖4 所示,喂入錐固定于左端蓋上,喂入葉片呈螺旋狀間隔設(shè)置于喂入錐上,第一齒桿和第二齒桿一端固定于喂入錐上,另一端固定于右端蓋上,第一齒桿和第二齒桿交錯間隔分布于喂入錐和右端蓋之間,第一齒桿和第二齒桿中部連接有中間固定盤。該裝置的齒桿交錯裝配,連接中間固定盤,結(jié)構(gòu)強度高,齒桿相對主軸的位置可調(diào)整,適用于不同的作物,方便拆卸便于維護,喂入部位采用螺旋狀的葉片以及加強板和加強立板,喂入通暢,結(jié)構(gòu)強度高。滾筒長度為2 360 mm,直徑為700 mm,脫粒分離面積加大,脫粒更干凈,夾帶損失少。
圖4 傾斜縱軸式脫粒滾筒
該機設(shè)計了一種新型振動篩,如圖5所示,設(shè)計兩段式篩片,前后篩片開度可分別調(diào)節(jié),適應(yīng)不同作物品種;加長階梯狀指型篩,經(jīng)過多層過篩,使脫出物料更加有效分離,提高脫粒清選能力;加長加厚尾篩,并優(yōu)化篩片間距與輸送角,使籽粒與雜余充分分離,減少籽粒損失;新型振動篩清選面積加大,清選更干凈,減少籽粒的含雜率。
圖5 新型振動篩
該機設(shè)計了一種收割機的行走轉(zhuǎn)向操控裝置,主要由支座、轉(zhuǎn)動塊、擺動塊、操作桿、調(diào)節(jié)桿伺服旋柄等組成,如圖6 所示,支座的內(nèi)側(cè)表面通過第一轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動連接轉(zhuǎn)動塊,轉(zhuǎn)動塊的內(nèi)部設(shè)擺動槽,擺動槽的內(nèi)部中心處通過第二轉(zhuǎn)動軸擺動連接擺動塊,擺動塊的上表面和下表面均固定連接操作桿;操作桿的外表面下端固定安裝直角桿,直角桿的后側(cè)表面通過鉸接軸鉸接第一調(diào)節(jié)桿;第一調(diào)節(jié)桿的后側(cè)表面通過鉸接座鉸接三角板,三角板的兩端表面鉸接第二調(diào)節(jié)桿,第二調(diào)節(jié)桿的后側(cè)表面鉸接伺服旋柄,伺服旋柄的內(nèi)部通過安裝孔固定安裝于柱塞泵的控制桿上??梢酝ㄟ^一個操作桿進行控制,比較方便穩(wěn)定,同時通過內(nèi)部螺紋連接的加長桿來安裝手柄,結(jié)合彈簧張緊的限位桿結(jié)構(gòu),可以調(diào)節(jié)高度,適應(yīng)不同的駕駛員使用,這樣能夠大大提高使用的便利性和穩(wěn)定性,保證操控的安全穩(wěn)定性。
圖6 行走轉(zhuǎn)向操縱裝置
試驗于2020 年7 月在江西省農(nóng)業(yè)科學院高安基地進行,供試材料為早稻品種中嘉早17,試驗面積10 畝,試驗田泥腳深度15cm 左右,試驗選取同類型沃得谷物聯(lián)合收割機進行對比試驗,試驗方法依照企業(yè)標準《4LZ-4.0 型全喂入履帶式高效聯(lián)合收割機》和機械行業(yè)標準《谷物聯(lián)合收割機 質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》(NY/T 2090—2011)規(guī)定分別測試生產(chǎn)率、含雜率、破碎率、損失率等性能指標。
① 生產(chǎn)率
式中:E—純小時生產(chǎn)率,%;
S—機具作業(yè)面積,hm2;
t—機具作業(yè)時間,h。
② 含雜率
式中:Zz—含雜率,%;
Wxz—出糧口取小樣中雜質(zhì)質(zhì)量,g;
Wxi—出糧口取小樣質(zhì)量,g。
③ 破碎率
式中:Zp—破碎率,%;
Wp—出糧口取小樣中破碎籽粒質(zhì)量,g;
Wx—出糧口取小樣籽粒質(zhì)量,g。
④ 損失率
式中:St—脫粒機體損失率,%;
Sw—未脫凈損失率,%;
Sf—分離損失率,%;
Sq—清選損失率,%。
樣機田間作業(yè)性能穩(wěn)定,與同類機型的谷物聯(lián)合收割機主要性能試驗結(jié)果,如表1所示。
表1 不同機型聯(lián)合收割機性能對比試驗
田間試驗表明:研制的4LZ-4.0 型履帶式聯(lián)合收割機,整機作業(yè)性能穩(wěn)定,操作方便,適應(yīng)性強,該機的生產(chǎn)率為0.59 hm2/h,同類機型生產(chǎn)率為0.48 hm2/h,提高了22.9%;試驗機型含雜率為0.9%,同類機型含雜率為1.47%,降低了38.8%;試驗機型破碎率為0.5%,同類機型破碎率為1%,降低了50%;試驗機型損失率為0.9%,同類機型損失率為1.69%,降低了46.7%。
1)改進設(shè)計了一種適宜南方水田水稻收獲的履帶式聯(lián)合收割機,重新設(shè)計了聯(lián)合收割機的割幅,提高了喂入量;改進設(shè)計了行走系統(tǒng),采用高地隙行走底盤和排泥裝置,提高了水田適應(yīng)性和通過性;設(shè)計了脫粒滾筒,加大了脫粒分離面積,提高了脫粒性能,降低損失率;設(shè)計了可調(diào)式清選篩,加大了清選面積,清選更干凈,降低含雜率;采用一桿式操作控制,提高了使用的便利性、穩(wěn)定性和安全性。
2)田間試驗結(jié)果表明,4LZ-4.0 型履帶式聯(lián)合收割機的承載能力強,可靠性高,通過性好,轉(zhuǎn)彎半徑小;其生產(chǎn)率、含雜率、破碎率、損失率等作業(yè)性能完全符合設(shè)計要求,與同類機型相比較,生產(chǎn)率提高了22.9%,含雜率降低了38.8%,破碎率降低了50%,損失率降低了46.7%。
3)履帶式聯(lián)合收割機的研制,解決了南方丘陵區(qū)水田水稻機械化收獲效率低、損失率大等問題,為提高江西省水稻全程機械化生產(chǎn)提供了新裝備和技術(shù)支撐。