史瑞杰，戴 飛，劉小龍，趙武云，瞿江飛，張鋒偉，秦大國(guó)

履帶式丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

史瑞杰1，戴 飛1，劉小龍1，趙武云1※，瞿江飛1，張鋒偉1，秦大國(guó)2

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070； 2. 重慶鑫源農(nóng)機(jī)股份有限公司，重慶 401329）

針對(duì)丘陵山區(qū)地塊面積小、道路狹窄，大型聯(lián)合收割機(jī)運(yùn)輸難、進(jìn)地難、轉(zhuǎn)場(chǎng)難、操作難等現(xiàn)狀，解決胡麻莖稈易纏繞、易堵塞、難喂入等問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了一種履帶式丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)。該機(jī)采用防纏繞低損割臺(tái)、紋桿+桿齒組合式小錐度橫軸流脫粒滾筒、組合式窄柵格凹板等結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)胡麻莖稈的防纏繞快速喂入、分段式脫粒與分離、清選等作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：胡麻籽粒含水率為5.42%時(shí)，脫凈率為98.76%、含雜率3.61%、破損率0.18%、割臺(tái)損失率1.07%、夾帶損失率0.25%，清選損失率0.81%、飛濺損失率0.26%、總損失率2.36%。作業(yè)期間整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，作業(yè)指標(biāo)符合胡麻機(jī)械化收獲標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足胡麻機(jī)械化收獲要求，可以作為丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)使用。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；聯(lián)合收割機(jī)；試驗(yàn)；胡麻；丘陵山地；脫粒滾筒；凹板

0 引 言

胡麻（.），即油用亞麻，具有耐瘠薄、喜陰涼、耐旱、耐寒等特點(diǎn)，適宜在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)生長(zhǎng)，是中國(guó)西北和華北黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)重要的油料作物[1-3]。胡麻籽為扁平狀，營(yíng)養(yǎng)豐富，富含油脂、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、木酚素、不飽和脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)成分，還具有抗炎、抗癌、調(diào)節(jié)血脂等多種有益作用[4-6]。

目前，國(guó)內(nèi)胡麻收獲主要以分段收獲為主，依靠割曬機(jī)、小麥脫粒機(jī)、人工揚(yáng)場(chǎng)、手動(dòng)篩分等作業(yè)完成胡麻的割曬、脫粒、清選等工作；而偏遠(yuǎn)山區(qū)仍然采用原始的手工拔麻、小圓垛保存、人工打擊脫粒的作業(yè)方式。胡麻收獲勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，嚴(yán)重制約了胡麻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)胡麻全程機(jī)械化是其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[7-8]。近年來(lái)，宋航[9]根據(jù)山西省小雜糧的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式需求，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)胡麻、谷黍的簡(jiǎn)易小型喂入滾筒脫粒機(jī)械；王建政等[10-12]對(duì)半復(fù)式小麥脫粒機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化，研制出5TS-50型半復(fù)式多用雜糧脫粒機(jī)并進(jìn)行性能分析；趙文才等[13]在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)自走式亞麻脫粒翻鋪機(jī)脫粒機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化；劉元祥等[8,14]根據(jù)胡麻種植地形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適用于胡麻收獲的割曬機(jī)；戴飛等[15-18]對(duì)胡麻莖稈生物力學(xué)特性、籽粒漂浮試驗(yàn)、籽粒離散元參數(shù)標(biāo)定、脫粒物料風(fēng)選機(jī)理等進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，研發(fā)的脫粒機(jī)、脫粒物料清選機(jī)完善了胡麻分段收獲的機(jī)械化作業(yè)過(guò)程[7,15-16]，并成功研發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型胡麻聯(lián)合收割機(jī)[19-20]。

針對(duì)黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)丘陵山地的胡麻聯(lián)合收割技術(shù)及設(shè)備研發(fā)還處于空白階段，該研究針對(duì)丘陵山區(qū)地塊面積小、道路狹窄，大型聯(lián)合收割機(jī)運(yùn)輸難、進(jìn)地難、轉(zhuǎn)場(chǎng)難、操作難等現(xiàn)狀，同時(shí)結(jié)合胡麻莖稈生物力學(xué)特性和空間布局有限等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種履帶式丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)，可一次性完成胡麻分禾、切割、脫粒、分離、清選等工作，并對(duì)該機(jī)作業(yè)性能進(jìn)行了田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 胡麻機(jī)械化種植農(nóng)藝與植株特性

目前，胡麻的機(jī)械化種植方式有2種：條播和穴播。條播播種量為30～37.5 kg/hm2，一般行距為190～220 mm，株距120～150 mm，覆土30～50 mm[21]；穴播播種深度為30～50 mm，穴粒數(shù)8～12個(gè)，播種行距130～250 mm[22]。以甘肅條山農(nóng)工商（集團(tuán)）有限公司水澆地試驗(yàn)種植的隴亞14號(hào)胡麻莖稈為例，測(cè)得割曬機(jī)割茬高度為100～150 mm時(shí)，切割后莖稈平均長(zhǎng)度為451.87 mm，平均每株胡麻含蒴果17.57個(gè)[18]。經(jīng)實(shí)地測(cè)量丘陵山地旱地胡麻莖稈長(zhǎng)度可達(dá)400～500 mm，胡麻籽粒平均寬度為2.53 mm，平均高度4.58 mm，水平放置時(shí)胡麻蒴果平均高度為9.18 mm，圓周平均直徑7.29 mm。成熟期的胡麻蒴果相互交纏，聯(lián)合收獲時(shí)莖稈極易纏繞割臺(tái)、堵塞輸送鏈耙，且胡麻莖稈含有大量的纖維素[23]，柔韌性較強(qiáng)，脫粒時(shí)對(duì)脫粒滾筒和凹板的強(qiáng)度要求較高。受環(huán)境及病蟲(chóng)害等因素影響，胡麻出苗率只有60%左右，所以丘陵山地胡麻播種時(shí)要求每公頃保苗至少450萬(wàn)株才能保證胡麻的產(chǎn)出效益[24-25]。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)針對(duì)種植環(huán)境復(fù)雜、地塊道路狹窄、轉(zhuǎn)場(chǎng)困難等而設(shè)計(jì)，整機(jī)體型不易過(guò)大，能在有限空間里完成胡麻的切割、輸送、脫粒、分離、清選等工作。該機(jī)采用全喂入方式，由風(fēng)冷式汽油機(jī)提供動(dòng)力。整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 履帶式丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)技術(shù)參數(shù)

整機(jī)由履帶行走系統(tǒng)、防纏繞低損割臺(tái)、紋桿+桿齒組合式小錐度橫軸流脫粒滾筒、窄柵格凹板、二級(jí)清選系統(tǒng)等組成。履帶行走系統(tǒng)采用液壓轉(zhuǎn)向，有級(jí)變速，可實(shí)現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑為700 mm；防纏繞低損割臺(tái)采用在攪輪喂入段設(shè)置防纏繞板[26]和減少伸縮扒齒的方法實(shí)現(xiàn)胡麻莖稈的防纏繞；脫粒滾筒采用紋桿+桿齒組合式小錐度橫軸流結(jié)構(gòu)，匹配窄柵格凹板實(shí)現(xiàn)胡麻莖稈的順暢流動(dòng)和蒴果完全脫粒與分離；二級(jí)清選系統(tǒng)由位于整機(jī)下方的風(fēng)機(jī)和后方的離心風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)分離器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)胡麻脫粒物料的2次清選過(guò)程。

2.2 工作原理

胡麻莖稈在撥禾輪的扶持下被往復(fù)式割刀切割，并被防纏繞攪輪輸送到喂入輸送鏈耙處，再由鏈趴將胡麻莖稈和蒴果一起送進(jìn)脫粒滾筒。同時(shí)紋桿+桿齒式小錐度橫軸流脫粒滾筒對(duì)胡麻莖稈和蒴果進(jìn)行擠壓、揉搓和分離[27]。胡麻莖稈被揉搓成團(tuán)，在導(dǎo)草板的作用下排出機(jī)外。脫粒后的胡麻籽粒、短莖稈和穎殼由窄柵格凹板落下，質(zhì)量較輕的短莖稈和雜質(zhì)被風(fēng)機(jī)吹出機(jī)外，質(zhì)量較大的胡麻籽粒和其余物料被螺旋輸送器輸送至旋風(fēng)分離器，在離心風(fēng)機(jī)作用下由旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離清選。最終含雜較低的胡麻籽粒進(jìn)入編織袋，其余雜物由離心風(fēng)機(jī)排出機(jī)外。

3 關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

履帶式丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)工作時(shí)由風(fēng)冷式柴油機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等將動(dòng)力傳遞至行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、割臺(tái)、脫粒滾筒和清選裝置等。KD192FB風(fēng)冷式柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，攪輪轉(zhuǎn)速200 r/min，撥禾輪轉(zhuǎn)速40 r/min，滾筒轉(zhuǎn)速1 000 r/min，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 100 r/min。傳動(dòng)路線(xiàn)圖如圖2所示。

3.2 割 臺(tái)

3.2.1 防纏繞攪輪

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)莖稈纏繞割臺(tái)主要發(fā)生在輸送攪輪喂入段，因此，本文對(duì)原有的輸送攪輪喂入段結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在輸送攪輪喂入段加裝2塊高度為55 mm的防纏繞板，防纏繞板設(shè)計(jì)為活動(dòng)式，高度可通過(guò)螺栓調(diào)節(jié)（圖3）。未加裝防纏繞板的攪輪長(zhǎng)度=1 000 mm，直徑1=210 mm，攪輪周長(zhǎng)1=659.73 mm，加裝防纏繞板后攪輪截面為橢圓形，橢圓短軸與攪輪直徑1相等，長(zhǎng)軸2=320 mm，加裝防纏繞板后的攪輪周長(zhǎng)2=859.73 mm，較未加裝時(shí)增大0.3倍。同時(shí)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)伸縮扒齒存在掛草現(xiàn)象，且防纏繞板與伸縮扒齒功能相近，為減少掛草現(xiàn)象，減少喂入段伸縮扒齒數(shù)量，其他位置伸縮扒齒不變。避免攪輪轉(zhuǎn)動(dòng)引發(fā)割臺(tái)振動(dòng)和掉粒損失，攪輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為200 r/min，攪輪螺旋葉片采用光面葉片，不銹鋼材質(zhì)，厚度為3 mm。

伸縮扒齒和攪輪的2個(gè)半軸固定在一起，攪輪工作時(shí)筒體做圓周運(yùn)動(dòng)，伸縮扒齒跟隨攪輪繞伸縮扒齒軸做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)伸縮扒齒端部在攪輪筒體上的孔內(nèi)做伸縮運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)扒齒轉(zhuǎn)到收割機(jī)前方時(shí)伸出，從而向后方輸送胡麻莖稈；轉(zhuǎn)到后方時(shí)，扒齒縮回螺旋攪輪筒內(nèi)，防止扒齒掛草和攪輪纏繞。當(dāng)扒齒轉(zhuǎn)回螺旋攪輪筒內(nèi)時(shí)，為防止扒齒端部磨損，設(shè)計(jì)扒齒在筒外保留10 mm的安全長(zhǎng)度，即min=10 mm；扒齒轉(zhuǎn)向前方時(shí)，伸出筒外長(zhǎng)度max=40～50 mm，伸縮扒齒運(yùn)動(dòng)軌跡及偏移量如圖4所示。

1.攪輪軸 2.攪輪 3.螺旋葉片 4.伸縮扒齒 5.防纏繞擋板Ⅰ 6.防纏繞擋板Ⅱ

1.Auger axle 2.Auger 3.Screw blade 4.Retractable finger 5.Anti-winding baffle I. 6. Anti-winding baffle II

注：為攪輪長(zhǎng)度，mm；1為原有攪輪直徑，mm；2為防纏繞攪輪長(zhǎng)軸，mm。

Note:is the length of auger, mm;1is the diameter of original auger, mm;2is the long axis of anti-winding auger, mm.

圖3 防纏繞攪輪結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Structure diagram of anti-winding auger

1.伸縮扒齒運(yùn)動(dòng)軌跡 2.攪輪 3.螺旋葉片

1.The retractable finger motion trajectory 2.Auger 3.Screw blade

注：L為伸縮扒齒長(zhǎng)度，mm；min為伸縮扒齒最小工作長(zhǎng)度，mm；max為伸縮扒齒最大工作長(zhǎng)度，mm；為螺旋葉片直徑，mm；為攪輪直徑，mm；為扒齒偏心距，mm。

Note:Lis the length of retractable finger, mm;minis the minimum working length of retractable finger, mm;maxis the maximum working length of retractable finger, mm,is the diameter of screw blade, mm,is the diameter of auger, mm.

圖4 伸縮扒齒運(yùn)動(dòng)軌跡及偏心距離

Fig.4 Retractable finger motion trajectory and the length of eccentric distance

扒齒長(zhǎng)度和偏心距根據(jù)式（1）計(jì)算

將螺旋葉片直徑=2=320 mm，攪輪直徑=1= 210 mm代入上式，計(jì)算得扒齒長(zhǎng)度=157.5～162.5 mm、偏心距=42.5～47.5 mm。根據(jù)整機(jī)喂入量及動(dòng)力配置，最終設(shè)計(jì)時(shí)取=160 mm，=45 mm，扒齒與地板間距為10 mm。

3.2.2 撥禾輪與收割傾角

本研究所設(shè)計(jì)的丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)采用偏心式撥禾輪，在收割未倒伏胡麻時(shí)保證撥禾輪彈齒垂直入禾，收割倒伏胡麻時(shí)將彈齒向后或向前調(diào)節(jié)15°～30°[28]。

撥禾輪的運(yùn)動(dòng)軌跡包括其繞撥禾輪軸的圓周運(yùn)動(dòng)和收割機(jī)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)[28-30]，其運(yùn)動(dòng)方程為

式中為壓桿上任意一點(diǎn)的水平坐標(biāo)；為壓桿上任意一點(diǎn)的垂直坐標(biāo)；為收割機(jī)前進(jìn)速度，m/s；為時(shí)間，s；為撥禾輪半徑，mm；為撥禾輪角速度，rad/s；為撥禾輪軸安裝高度，mm；為割刀離地高度，mm。

將撥禾輪的圓周運(yùn)動(dòng)速度和收割機(jī)的前進(jìn)速度的比值定義為撥禾速比。當(dāng)壓桿具有水平向后的分速度時(shí)，撥禾輪才能完成對(duì)胡麻莖稈的引導(dǎo)、扶禾和推送作用，由式（2）可知撥禾輪運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線(xiàn)型（圖5），只有當(dāng)>1時(shí)，才能形成閉環(huán)運(yùn)動(dòng)軌跡，在閉環(huán)下部，撥禾輪具有向后的水平分速度。

在點(diǎn)1和2處撥禾輪具有豎直向上、向下的分速度，因此在弧長(zhǎng)12內(nèi)撥禾輪具有向后撥禾的分量。如果切割器在1點(diǎn)下方，撥禾輪直接撥禾的前后范圍?為

如果切割器在點(diǎn)下方，撥禾輪直接撥禾的前后范圍?為

為充分起到撥禾輪的撥禾作用，待割胡麻蒴果的平均高度應(yīng)與12線(xiàn)保持一致，同時(shí)撥禾輪彈齒應(yīng)垂直入禾，則入禾深度1的計(jì)算公式為

適當(dāng)增大撥禾速比，撥禾輪的撥禾效果會(huì)有所增加，但當(dāng)收割機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，增加撥禾速比，撥禾輪對(duì)胡麻蒴果的沖擊將增大，使得落粒損失劇烈增加。因此，撥禾速比不宜過(guò)大。

撥禾輪直徑主要由胡麻株高、切割后胡麻莖稈重心位置和撥禾速比決定，計(jì)算公式為

式中0為切割后胡麻莖稈重心與蒴果間距，mm；為胡麻莖稈自然高度，mm。

撥禾輪軸的安裝高度只需滿(mǎn)足壓桿和彈齒垂直入禾、壓桿位置在切割后胡麻莖稈重心略偏上即可，計(jì)算公式為

撥禾輪的最大絕對(duì)速度max計(jì)算公式為：

丘陵山地旱地胡麻莖稈長(zhǎng)度可達(dá)400～500 mm，整機(jī)安全工作行駛速度為0.4～0.7 m/s。本研究采用5桿式撥禾輪，取值為1.5～1.6，胡麻莖稈割茬高度=200 mm，取計(jì)算用撥禾速比=1.5，胡麻莖稈自然高度=500 mm，將各參數(shù)代入式（3）～（8），經(jīng)計(jì)算得1≤750 mm。設(shè)計(jì)1=600 mm，計(jì)算得?=52.52 mm，1=200 mm，=450 mm，則撥禾輪最大圓周速度max為0.88 ~1.75 m/s。同時(shí)，為保證胡麻收割時(shí)的低損傷、低損失，將胡麻聯(lián)合收割機(jī)的割臺(tái)設(shè)計(jì)為可前傾式割臺(tái)，前傾角為2°～8°（圖6）。

1.撥禾輪 2.彈齒 3.分禾器 4.割刀 5.輸送攪輪 6.輸送鏈耙調(diào)節(jié)裝置 7.輸送鏈耙

1.Reel 2.Teeth 3.Divider 4.Cutter 5.Conveying auger 6.Adjustment device of conveying chain harrow 7.Conveying chain harrow

注：為割臺(tái)傾角，(°)。

Note:is the dip angle of header, (°).

圖6 割臺(tái)結(jié)構(gòu)與收割傾角示意圖

Fig.6 Diagram of header structure and harvesting angle

3.3 小錐度組合式橫軸流脫粒滾筒

3.3.1 總體結(jié)構(gòu)參數(shù)

胡麻莖稈間容易相互纏繞，導(dǎo)致莖稈在螺旋攪輪、輸送鏈耙輸送過(guò)程中呈團(tuán)狀，隨著輸送時(shí)間的增加，胡麻莖稈間的纏繞越來(lái)越緊實(shí)，在輸送鏈耙喂入口存在莖稈堵塞、難喂入等情況，同時(shí)也增大了脫粒滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷和功率消耗，對(duì)凹板強(qiáng)度提出了更高的要求。為解決這一難題，本文采用組合式小錐度橫軸流脫粒滾筒，由紋桿式和桿齒式配合窄柵格凹板組合而成（圖7）。該脫粒滾筒采用橫軸流設(shè)計(jì)，在喂入段使用紋桿式，在分離段使用桿齒式，喂入段小錐度使得脫粒間隙隨著軸向脫粒進(jìn)程增加由大到小逐漸變化，確保胡麻莖稈喂入流場(chǎng)。其中紋桿、桿齒、幅盤(pán)和脫粒滾筒軸通過(guò)內(nèi)六角螺栓固定，以減少螺栓掛草。組合式脫粒滾筒有6根紋桿、6組釘齒，紋桿和桿齒軸向夾角均為30°。

1.中置幅盤(pán) 2.釘齒 3.橫桿 4.連接件 5.左側(cè)幅盤(pán) 6.左側(cè)凹板 7.中置凹板 8.右側(cè)凹板 9.凹板柵條 10.凹板橫隔板 11.脫粒滾筒軸 12.右側(cè)幅盤(pán) 13.紋桿

1.Middle plate 2.Spike teeth 3.Horizontal bar 4.Adapting piece 5.Left plate 6.Left concave 7.Middle concave 8.Right concave 9.Concave grid 10.Horizontal concave plate 11.Threshing cylinder axle 12.Right plate 13.Rasp bar

注：3為排草段長(zhǎng)度，mm；4為分離段長(zhǎng)度，mm；5為脫粒段長(zhǎng)度，mm；6為喂入段長(zhǎng)度，mm；7為釘齒工作長(zhǎng)度，mm；8為釘齒間距，mm；為釘齒安裝角度，(°)。

Note:3is the length of discharge stem segment, mm;4is the length of the separation, mm;5is the length of threshing segment, mm;6is the length of the feeding segment, mm;7is the working length of spike teeth, mm;8is the distance of spike teeth, mm;is the spike teeth installation angle, (°).

圖7 紋桿+桿齒組合式小錐度橫軸流脫粒滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.7 Structure diagram of horizontal axial flow threshing cylinder composed of rasp bar and spike teeth with small taper

脫粒滾筒的參數(shù)設(shè)計(jì)需要考慮胡麻的種植農(nóng)藝要求、胡麻生長(zhǎng)地塊的環(huán)境及聯(lián)合收割機(jī)的配置參數(shù)等因素。根據(jù)該機(jī)安全工作行駛速度及胡麻種植實(shí)際情況，單位時(shí)間內(nèi)喂入胡麻植株為160～200株，每株含蒴果17～24個(gè)，單位時(shí)間內(nèi)喂入蒴果2 720～4 800個(gè)，質(zhì)量為244.8～432 g。實(shí)測(cè)成熟期胡麻蒴果平均單個(gè)重量為0.09 g，二次切割草谷比為0.4～1.0，結(jié)合胡麻收割狀態(tài)及生長(zhǎng)情況，最終設(shè)計(jì)最大喂入量為0.9 kg/s，功率為13.4 kW。

紋桿滾筒長(zhǎng)度L的計(jì)算公式為

式中為脫粒裝置的喂入量，kg/s；0為脫粒滾筒單位長(zhǎng)度允許承擔(dān)的喂入量，kg/(m·s)。

一般取0=1.5～2.0 kg/(m·s)，本文取0=2.0 kg/(m·s)、喂入量取0.9 kg/s，由式（9）計(jì)算得紋桿滾筒最小長(zhǎng)度L=450 mm。

脫粒滾筒總長(zhǎng)度為950 mm，輸送鏈耙寬度必須小于紋桿脫粒段長(zhǎng)度，將脫粒滾筒前部5=450 mm設(shè)置為紋桿式，為脫粒段，0為脫粒段錐度；后部4=300 mm為桿齒式，為分離段。喂入段長(zhǎng)度6=200 mm，排草段長(zhǎng)度3=100 mm，釘齒工作長(zhǎng)度7=50 mm，釘齒間距8=25 mm，桿齒調(diào)節(jié)間距10 mm，釘齒端部沿脫粒滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向向后傾斜4°，以減少掛草。

胡麻脫粒間隙一般取16～20 mm，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)脫粒間隙為20 mm時(shí)，仍存在喂入口堵塞等現(xiàn)象。為保證胡麻莖稈的順利喂入，喂入口初始段脫粒間隙設(shè)計(jì)為25 mm，脫粒段后期為18 mm，分離段18 mm。故脫粒段滾筒小端直徑為416 mm，大端滾筒直徑430 mm，錐度0=0.891°；分離段直徑為430 mm。紋桿滾筒與導(dǎo)草板間隙設(shè)計(jì)為20 mm，喂入段導(dǎo)草板角度為45°，其余導(dǎo)草板角度為22°，脫粒間隙在15～30 mm間可調(diào)整。

紋桿根數(shù)和脫粒速度的計(jì)算公式為

目前對(duì)于胡麻脫粒元件臨界線(xiàn)速度的研究未見(jiàn)報(bào)道，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，參考大豆、高粱、玉米等作物的脫粒參數(shù)設(shè)計(jì)[28]，取胡麻脫粒滾筒線(xiàn)速度為15～25 m/s，同時(shí)考慮整機(jī)傳動(dòng)部件的設(shè)置及功率損耗，為保證胡麻蒴果的充分脫粒，設(shè)計(jì)滾筒轉(zhuǎn)速=1 000 r/min。由式（10）計(jì)算得≈6根，=22.51 m/s。

3.3.2 窄柵格凹板

為保證胡麻蒴果完全被擠壓破裂和籽粒正常通過(guò)，凹板采用窄柵格凹板，總長(zhǎng)為845 mm，包角為180°。為便于更換和維修，窄柵格凹板設(shè)計(jì)為組合式，由左側(cè)凹板、中置凹板、右側(cè)凹板3部分組成，左側(cè)凹板和中置凹板設(shè)計(jì)參數(shù)相同，分為上下2片，右側(cè)凹板為1片，凹板安裝采用扣件式（圖8）。

1.左側(cè)凹板 2.下掛鉤 3.凹板橫隔板 4.凹板柵條 5.中置凹板 6.上掛鉤 7.右側(cè)凹板

1.Left concave 2.Lower hook 3.Horizontal concave plate 4.Concave grid 5.Middle concave 6.Top hook 7.Right concave

注：為柵條間距，mm；為橫隔板間距，mm；1為橫隔板與篩條的高度，mm；1為凹板的寬度，mm；s為柵條直徑，mm。

Note:is the gap of grid bars, mm;is the distance of horizontal concave plate, mm;1is the height of horizontal concave plate and concave grid, mm;1is the width of concave, mm;sis grid bar diameter, mm.

圖8 窄柵格凹板結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.8 Structure diagram of narrow grid concave

橫格板間距=40 mm，篩條間孔寬=10 mm，凹板錐度為0°，篩條直徑s=5 mm，橫隔板與篩條的高度1=3 mm，喂入口尺寸為250 mm×140 mm。凹板總面積和凹板弧長(zhǎng)對(duì)脫粒裝置的脫粒和分離能力有顯著影響，與喂入量有關(guān)，其關(guān)系式為

式中為凹板總面積，m2；1為凹板的寬度，m，1= 845 mm；為凹板的弧長(zhǎng)，m，=740.41 mm；為脫粒裝置的喂入量，kg/s；為喂入作物中谷粒所占重量的比率，%；為當(dāng)=0.4時(shí)單位凹板面積的允許喂入量，對(duì)脫粒機(jī)取2.5～3 kg/s，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)取5～8 kg/s。由式（11）計(jì)算得凹板總面積為0.92 m2。

3.4 清選裝置

在胡麻脫粒物料的清選過(guò)程中，由于各組分懸浮速度差異性小且易混雜，容易產(chǎn)生籽粒夾帶損失[7,28]。為保證胡麻脫粒物料的充分清選，降低夾帶損失，該機(jī)采用二級(jí)清選系統(tǒng)。一級(jí)清選系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流板組成；二級(jí)清選系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)、螺旋輸送器、旋風(fēng)分離器、軟管等組成。

3.4.1 一級(jí)清選系統(tǒng)

一級(jí)清選系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流板等組成（圖9）。胡麻脫粒物料包括短莖稈、籽粒、穎殼、灰塵等，一級(jí)清選完成脫粒物料初次分離，超短莖稈、灰塵以及部分穎殼被吹出機(jī)外，其余混合物進(jìn)入二級(jí)清選系統(tǒng)。

1.外殼 2.出雜口 3.皮帶輪 4.螺旋輸送器 5.螺旋輸送器殼體 6.齒輪 7.葉片固定板 8.軸承座 9.皮帶輪 10.脫粒滾筒 11.導(dǎo)流板 12.葉片

1.Shell 2.Impurity discharging port 3.Belt pulley 4.Auger conveyor 5.Shell of auger conveyor 6.Gear 7.Blade fixing plate 8.Bearing 9.Belt pulley 10.Threshing cylinder 11.Guide plate 12.Blade

注：為出雜口長(zhǎng)度，mm；為出雜口寬度，mm；為風(fēng)機(jī)線(xiàn)速度，m·s-1。

Note:is the length of impurity discharging port, mm;is the width of impurity discharging port, mm;is linear speed of fan，m·s-1.

圖9 一級(jí)清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.9 Structure diagram of the first level cleaning system

脫粒物料在下落過(guò)程中受到氣流作用，出雜口的截面大小是一級(jí)清選的關(guān)鍵參數(shù)，并對(duì)氣流分布產(chǎn)生影響[7]。一級(jí)清選系統(tǒng)所需風(fēng)量為

式中0為分離裝置所需風(fēng)量，m3/s；為雜余占胡麻脫粒物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，本文取=63.4%[7]；為胡麻脫粒裝置喂入量，kg/s，本文取=0.9 kg/s；為攜帶雜質(zhì)氣流混合濃度比，為0.2～0.3，本文取=0.25；空氣密度，kg/m3，本文取=1.2 kg/m3[29]。

由式（12）計(jì)算得出一級(jí)清選系統(tǒng)所需風(fēng)量0= 0.119 m3/s。為保證胡麻籽粒不被吹出，一級(jí)清選系統(tǒng)最大風(fēng)速不應(yīng)高于胡麻籽粒的懸浮速度，則有

式中V為胡麻籽粒的懸浮速度，為6.50～8.60 m/s[16]，本文取7.75 m/s[7]。

由式（13）計(jì)算得出

≥0.015 m2（14）

一級(jí)清選系統(tǒng)出雜口尺寸需要滿(mǎn)足式（14）的要求，考慮風(fēng)量大小、雜質(zhì)流動(dòng)性能、整機(jī)空間等因素，本文設(shè)計(jì)出雜口長(zhǎng)度=180 mm，寬度=80 mm。

3.4.2 二級(jí)清選系統(tǒng)

二級(jí)清選系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)、螺旋輸送器、旋風(fēng)分離器、軟管等組成（圖10）。螺旋輸送器將混合物輸送至旋風(fēng)分離器內(nèi)，懸浮速度低于胡麻籽粒的雜質(zhì)隨氣流產(chǎn)生的離心力分離并吸出，實(shí)現(xiàn)二次清選，達(dá)到胡麻籽粒和雜余的精確分離。

二級(jí)清選系統(tǒng)風(fēng)機(jī)采用吸入型通用離心式風(fēng)機(jī)，旋風(fēng)分離器、軟管內(nèi)氣流速度不能超過(guò)胡麻籽粒的最大懸浮速度。離心風(fēng)機(jī)風(fēng)壓全壓計(jì)算公式為

式中0為吸雜風(fēng)機(jī)風(fēng)壓全壓，Pa；為靜壓，Pa；為動(dòng)壓，Pa；為氣流摩擦因數(shù)；1為軟管長(zhǎng)度，m；Vmax為胡麻籽粒最大懸浮速度，m/s；為軟管對(duì)氣流阻力系數(shù)；為風(fēng)機(jī)進(jìn)出口對(duì)氣流的阻力系數(shù)；為軟管水力半徑，m；為重力加速度，m/s2。

根據(jù)《全國(guó)通用通軟管道計(jì)算表》和文獻(xiàn)[7,31-32]，取軟管對(duì)氣流的阻力系數(shù)=0.35，1=1 m，Vmax=8.6 m/s[7]，=0.35，=0.6，=0.038 m，=9.80m/s2，由式（15）計(jì)算得出風(fēng)機(jī)風(fēng)壓全壓0=49.99 Pa。

離心風(fēng)機(jī)葉片直徑=300 mm，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為

式中計(jì)算系數(shù)，為0.35～0.40。

取=0.40[32]，由式（16）得=2 033.36 r/min，設(shè)計(jì)時(shí)離心風(fēng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為2 100 r/min。

3.5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

履帶式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓轉(zhuǎn)向離合器、動(dòng)力傳輸齒輪、驅(qū)動(dòng)輪、履帶和支撐輪組成（圖11）。

1.機(jī)架 2.傳動(dòng)齒輪 3.驅(qū)動(dòng)輪 4.履帶 5.轉(zhuǎn)彎軌跡

1.Rack 2.Drive gear 3.Driving wheel 4.Crawler 5.Turning trajectory

注：L為履帶接地長(zhǎng)度，mm；l為履帶行走寬度，mm；W為履帶寬度mm；2為履帶齒長(zhǎng)度，mm。

Note:Lis the ground contact length of crawler, mm;lis the walking width of crawler, mm;Wis the length of crawler, mm;2is crawler tooth length, mm.

圖11 履帶式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.11 Schematic diagram of crawler steering system

機(jī)具行走時(shí)由轉(zhuǎn)向控制桿進(jìn)行操作，轉(zhuǎn)彎半徑為700 mm，驅(qū)動(dòng)輪半徑107 mm，履帶觸地長(zhǎng)度= 1 060 mm，履帶行走寬度l=1 000 mm，履帶寬度=320 mm，履帶齒長(zhǎng)度2=32.75 mm。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

丘陵山地履帶式胡麻聯(lián)合收割機(jī)田間試驗(yàn)于2020年8月15－20日在甘肅省蘭州市榆中縣小康營(yíng)鄉(xiāng)進(jìn)行。試驗(yàn)地面積為0.13 hm2，胡麻品種為隴亞9號(hào)，平均株高472.33 mm，平均單株胡麻蒴果數(shù)為8～13個(gè)，種植密度714 株/m2，籽粒含水率5.42%，屬于典型旱地密植胡麻種植模式。試驗(yàn)按照丘陵山地履帶式胡麻聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行，分別對(duì)機(jī)具切割、脫粒、分離、清選、排草等作業(yè)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[33-37]進(jìn)行。期間記錄試驗(yàn)場(chǎng)地形狀、割茬高度、作物品種、狀況、雜草、產(chǎn)量、作業(yè)時(shí)間、收獲面積等；觀察機(jī)具作業(yè)情況；測(cè)定脫凈率、含雜率、破損率、割臺(tái)損失率、夾帶損失率、清選損失率、飛濺損失率和總損失率。將試驗(yàn)場(chǎng)地按照割幅1 m劃分為6個(gè)區(qū)域，以滿(mǎn)幅收割工況依次前進(jìn)25 m試驗(yàn)，使用清潔編織袋進(jìn)行取樣并編號(hào)。作業(yè)完成后使用精度0.001 g電子秤進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12。

各指標(biāo)參數(shù)計(jì)算公式如下：

式中為脫粒總質(zhì)量，g；為破碎籽粒質(zhì)量，g；為雜質(zhì)質(zhì)量，g；為未脫凈籽粒質(zhì)量，g；為夾帶損失籽粒質(zhì)量，g；為清選損失質(zhì)量，g；為飛濺損失籽粒質(zhì)量，g；為割臺(tái)損失籽粒質(zhì)量，g；為籽粒破損率，%；為含雜率，%；為未脫凈損失率，%；為夾帶損失率，%；為清選損失率，%；為飛濺損失率，%；為割臺(tái)損失率，%；為總損失率，%。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合甘肅省胡麻種植特點(diǎn)，要求胡麻脫粒機(jī)脫凈率不小于95%，含雜率、總損失率均不超過(guò)5%，破損率、割臺(tái)損失、夾帶損失率、清選損失率和飛濺損失率均不超過(guò)3%。按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，作業(yè)后割茬高度為200 mm，雜草較少，無(wú)堵塞、功率不足等現(xiàn)象。人工測(cè)量后由式（17）計(jì)算得出各指標(biāo)值，結(jié)果見(jiàn)表2。使用ADSM301數(shù)碼顯微鏡觀察接糧口的胡麻籽粒，發(fā)現(xiàn)其外形完整，無(wú)破損現(xiàn)象。試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)具工作平穩(wěn)，脫粒效果較好，含雜率低，破碎率極低、總損失率較小，符合胡麻聯(lián)合收獲標(biāo)準(zhǔn)要求，可以進(jìn)行丘陵山地胡麻聯(lián)合收獲作業(yè)。

表2 丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

1）針對(duì)丘陵山區(qū)地形和胡麻收獲特點(diǎn)，該研究設(shè)計(jì)了一種履帶式丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)。該機(jī)采用防纏繞低損割臺(tái)、紋桿+桿齒組合式小錐度橫軸流脫粒滾筒、組合式窄柵格凹板等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了胡麻莖稈的防纏繞快速喂入、分段式脫粒與分離、清選等作業(yè)，并進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明：胡麻籽粒含水率為5.42%時(shí)，脫凈率為98.76%、含雜率3.61%、破損率0.18%、割臺(tái)損失率1.07%、夾帶損失率0.25%，清選損失率0.81%、飛濺損失率0.26%、總損失率2.36%。

試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)具工作平穩(wěn)，作業(yè)指標(biāo)符合胡麻機(jī)械化收獲標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足胡麻機(jī)械化收獲要求。同時(shí)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)胡麻蒴果的成熟度不同，對(duì)胡麻收獲損失及籽粒損傷有較大影響，主要表現(xiàn)為割臺(tái)損失、清選損失和籽粒尖角損傷，割臺(tái)、清選和脫粒裝置還需進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，并結(jié)合不同地區(qū)的胡麻物理特性進(jìn)行深入研究。本研究可為丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)提供一定參考。

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Design and experiments of crawler-type hilly and mountaineous flax combine harvester

Shi Ruijie1, Dai Fei1, Liu Xiaolong1, Zhao Wuyun1※, Qu Jiangfei1, Zhang Fengwei1, Qin Daguo2

(1.,,730070,; 2.,.,401329,)

Flax is an important oil crop that is widely cultivated in the dry farming areas of Loess Plateau in Northwest and North China. The seed of flax is rich in high nutrition with many beneficial effects, such as anti-inflammatory, anti-cancer, and regulating blood lipid. A staged harvest is generally used to collect the flax seed in previous manual operations in remote mountainous areas. However, high labor intensity and low operating efficiency have seriously restricted mechanized harvesting in the sustainable development of the flax industry. Since Gansu Province is one of the main hilly planting areas of flax, large combine harvesters cannot run smoothly in the operation of transportation, field entry, and transfer, due mainly to the small blocks and narrow roads. In this study, a track combine harvester was designed for hilly mountain flax, combining with easy winding, high strength, and low mobility of flax stem. This machine included a crawler-type walking system, a low damage header to prevent winding, a transverse-flow beater with the grain rod and rod teeth with small taper, narrow-grid concave plates, and secondary cleaning. The whole feeding realized the joint harvest of flax in hilly areas, including dividing, cutting, conveying, threshing, separating, and cleaning. The crawler walking system adopted hydraulic steering and variable speed, showing the 360° in-situ steering with a turning radius of only 700 mm. In the anti-winding low damage header, an anti-winding plate was set in the feed section of the agitator wheel, while the number of telescopic teeth was reduced. As such, the rotational speeds of the threshing and agitator wheel were adjusted to realize the anti-winding of the flax stem. The threshing roller included the transverse-flow beater with the grain rod and rod teeth with small taper, thereby realizing the complete threshing and separation of the flax capsule. The secondary cleaning was composed of a large air-duct fan, a centrifugal fan, and a cyclone separator to implement two cleaning for flax threshing materials. A field experiment was carried out to evaluate the performance of the combine harvester. The results showed that when the water content of flax seeds was 5.42%, an optimal combination of parameters was achieved, where the threshing rate was 98.76%, the impurity rate was 3.61%, the damage rate was 0.18%, the header loss rate was 1.07%, the entrainment loss rate was 0.25%, the cleaning loss rate was 0.81%, the splash loss rate was 0.26%, and the total loss rate was 2.36%. The whole machine ran smoothly during the operation. The operation indexes fully reached the mechanized harvest requirements of flax to serve as a hilly flax combine harvester.

agricultural machinery; combine harvester; experiments; flax; hilly and mountainous; threshing cylinder; concave

史瑞杰，戴飛，劉小龍，等. 履帶式丘陵山地胡麻聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：59-67.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.007 http://www.tcsae.org

Shi Ruijie, Dai Fei, Liu Xiaolong, et al. Design and experiments of crawler-type hilly and mountaineous flax combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 59-67. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.007 http://www.tcsae.org

2020-10-25

2020-12-27

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（CARS-14-1-28）；甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20YF3WA019）；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)伏羲青年英才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（Gaufx-03Y01）

史瑞杰，博士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備。Email：aete_fcb@163.com

趙武云，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楸狈胶祬^(qū)作物生產(chǎn)裝備工程。Email：zhaowy@gsau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.007

S225.31

A

1002-6819(2021)-05-0059-09