李鳳鳴， 李 偉， 王 強(qiáng)， 劉 偉， 高曉宏， 蘇佳佳

（中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

世界上草業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、加拿大、丹麥、新西蘭和澳大利亞等都已經(jīng)形成了完善的草種收獲機(jī)械化、規(guī)模化產(chǎn)業(yè)體系，草種采集和收獲機(jī)械方面的技術(shù)相當(dāng)成熟，且一直在向全程機(jī)械化、采集收割聯(lián)合化、智能自動化的方向迅速發(fā)展[1-2]。近年來，國內(nèi)外收獲牧草種子使用較多的是經(jīng)過改裝的谷物聯(lián)合收割機(jī)，是在傳統(tǒng)的谷物聯(lián)合收割機(jī)基礎(chǔ)上更換部分零部件、改變一些工作參數(shù)完成的，其基本結(jié)構(gòu)原理不變，即同樣需完成牧草切割、輸送、脫粒、分離和清選等工序[3]。

1 研究背景

目前，國內(nèi)普遍使用的、經(jīng)改裝后的谷物聯(lián)合收割機(jī)有JOHN DEERE 的W80 型（圖1）和LOVOL 的GM80 型（圖2）。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，牧草的種子及草穗成熟、適宜收獲時(shí)，其莖稈的含水率依然較高，切割收獲后會導(dǎo)致牧草干燥不到位而發(fā)霉變質(zhì)?，F(xiàn)有谷物聯(lián)合收割機(jī)全喂入收獲方式不適用于牧草種子的收獲，產(chǎn)量和質(zhì)量均不高，抽檢種子質(zhì)量合格率只有50%[4-5]。2020 年，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司基于割前梳脫收獲機(jī)械化作業(yè)工序，采用氣吸式割前梳刷脫粒工藝，研制出9ZZ-2.4 型自走式牧草種子收獲機(jī)，如圖3 所示[6-7]。

圖1 W80 型谷物聯(lián)合收割機(jī)Fig. 1 W80 grain combine harvester

圖2 GM80 型谷物聯(lián)合收割機(jī)Fig. 2 GM80 grain combine harvester

圖3 9ZZ-2.4 型自走式牧草種子收獲機(jī)Fig. 3 9ZZ-2.4 self-propelled grass seed harvester

該機(jī)主要用于對站立苜蓿植株上的種子和種莢進(jìn)行割前梳刷脫粒，種子、種莢和斷裂莖稈由于風(fēng)機(jī)負(fù)壓吸附而沿著風(fēng)管進(jìn)入沉降箱，質(zhì)量密度較大的種子、種莢和莖稈等靠重力沉降到箱體底部，干草葉及塵土等輕雜隨風(fēng)由風(fēng)機(jī)出風(fēng)口排出，沉降在箱體內(nèi)部的物料經(jīng)排料部件排出至運(yùn)輸車內(nèi)。由于豆科牧草種子和禾本科牧草種子的物理特性不同，禾本科牧草作物的行距不明顯，且在收獲時(shí)植株會有倒伏現(xiàn)象，而該機(jī)對于禾本科牧草種子的收獲質(zhì)量較差，損失率較高。在9ZZ-2.4 型自走式牧草種子收獲機(jī)的基礎(chǔ)上，研制一種新型的可與豆科采集臺互換的禾本科牧草種子采集裝置。

2 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

采集裝置與9ZZ-2.4 型自走式牧草種子收獲機(jī)配套使用，通過自走式底盤上的連接點(diǎn)可與原豆科采集臺互換使用。主要由安裝架、上支撐吊架、采集裝置殼體、帶傳動部件、刷輥、扶禾器、分禾器、保持臂、鏈輪、液壓油缸和傳動軸組成，整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 整體結(jié)構(gòu)Fig. 4 Overall structure

采集裝置對不同行距、倒伏的牧草植株進(jìn)行采集收獲，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)采集高度的上下平移，以適應(yīng)不同高度牧草種子的采收。

2.2 工作原理

自走式牧草種子收獲機(jī)的動力通過鏈輪、傳動軸及右側(cè)的帶傳動部件傳遞給刷輥，尼龍刷輥順時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)，從下至上梳刷、沖擊牧草的穗部，牧草草種及草穗等物料被刷輥上面的尼龍絲梳刷脫粒后，由于自走式牧草種子收獲機(jī)離心風(fēng)機(jī)的吸附，物料隨風(fēng)從4 個(gè)出口沿波紋風(fēng)管輸送至物料沉降箱。工作過程中，可根據(jù)禾本科牧草作物植株的高低隨時(shí)調(diào)整液壓油缸的伸出長度，使采集裝置處于最合適的收獲高度。同時(shí)，均勻布置在采集裝置殼體喂入口下方的扶禾器可將倒伏的牧草植株扶起，利用刷輥將植株上的種子及草穗梳刷脫粒采集。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要參數(shù)

3.1 主要參數(shù)確定

3.1.1 刷輥結(jié)構(gòu)尺寸

刷輥結(jié)構(gòu)如圖5 所示，由刷輥軸管、半軸和尼龍絲等組成。刷輥軸設(shè)計(jì)直徑為165 mm 鋼管，左右兩側(cè)為半軸連接。由于國內(nèi)大多數(shù)禾本科牧草草穗高度在500 mm以上，種子產(chǎn)量在450 kg/hm2左右，結(jié)合收獲機(jī)正常工作速度及實(shí)際工作效率，設(shè)計(jì)刷輥工作幅寬為3 m，最低點(diǎn)的離地高度為150 mm，由此計(jì)算得出刷輥直徑為700 mm。

圖5 刷輥結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of brush roll

聚酰胺塑料強(qiáng)度較高且耐磨，所以本結(jié)構(gòu)選用廣泛應(yīng)用的尼龍材料作為刷輥的刷毛[8]。刷輥尼龍絲的排列原則：一是尼龍絲的梳刷性能要好，即尼龍絲易于插入牧草植株之間；二是梳刷損失要小，即草穗被梳刷沖擊的次數(shù)要足夠多。綜合考慮刷輥的加工工藝、制造成本及梳刷次數(shù)的要求，設(shè)計(jì)尼龍絲為螺旋排列，尼龍絲直徑為2 mm，螺距及軸向絲距為8 mm，周向排列為每周35 行。

3.1.2 刷輥轉(zhuǎn)速

參照脫粒機(jī)滾筒的線速度不超過35 m/s 的一般要求，刷輥的線速度設(shè)計(jì)值為34 m/s，轉(zhuǎn)速為

式中n?刷輥轉(zhuǎn)速，r/min

V?刷輥線速度，m/s

R?刷輥半徑，m

經(jīng)計(jì)算并考慮實(shí)際作業(yè)工況，最終選定刷輥轉(zhuǎn)速為950 r/min，可保證順利梳刷脫粒和草種不破碎。

3.1.3 上弧板前伸量及收獲角

采集裝置刷輥的梳刷原理如圖6 所示，其中O點(diǎn)是刷輥的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，其半徑為R，O1點(diǎn)是采集裝置殼體上弧板的圓弧中心點(diǎn)，其半徑為R1。A點(diǎn)是上弧板下端與橫管外表面的切點(diǎn)，B點(diǎn)是刷輥尼龍絲端部形成外圓的象限點(diǎn)，C點(diǎn)是AC連線與刷輥尼龍絲端部形成外圓的切點(diǎn)，稱之為梳刷臨界點(diǎn)，AC垂直于OC。在C點(diǎn)以上位置的草種及草穗能夠完全被梳刷干凈，只有極少數(shù)難于脫落的才在C點(diǎn)以下被脫落。將AB之間的距離稱之為上弧板前伸量，將OA和OC形成的夾角α稱為收獲角。

圖6 梳刷原理Fig. 6 Comb and brush principle

當(dāng)刷輥的結(jié)構(gòu)尺寸確定后，α角增大，前伸量AB則增大，草穗在C點(diǎn)前的梳刷時(shí)間增長，梳刷次數(shù)增多，損失減少。AB過大時(shí)，進(jìn)風(fēng)通道中的風(fēng)速降低，則被梳刷下的草種及草穗有可能不被吸入沉降箱[9]。

按照梳刷脫凈的相關(guān)要求，在A點(diǎn)與C點(diǎn)之間，刷輥轉(zhuǎn)動一圈對草穗的梳刷次數(shù)＞20 次，依據(jù)刷輥工作轉(zhuǎn)速、尼龍絲周向排列行數(shù)及采集裝置殼體喂入口的牧草植株草穗高度幅差，當(dāng)牧草收獲機(jī)以最高工作速度9 km/h 作業(yè)并同時(shí)滿足上述要求時(shí)，刷輥的轉(zhuǎn)動角度為205.7°，轉(zhuǎn)動時(shí)間為3.63×10?2s，以此確定采集裝置的收獲角α最小值為31.5°，綜合考慮安全系數(shù)，最終選擇的收獲角α為36°，由此計(jì)算上弧板前伸量AB為80 mm。

3.2 平行4 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7 所示，由于牧草植株的高低不同，在工作時(shí)，采集裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對不同高度植株的種子及草穗進(jìn)行采集收獲，而且在調(diào)整高度的同時(shí)還必須保證采集收獲角不變，也即采集裝置喂入口的對地角度不變。所以，設(shè)計(jì)了安裝架、上支撐吊架、刷輥和保持臂4 者相互的鉸接點(diǎn)形成平行4 連桿機(jī)構(gòu)，通過液壓油缸的伸縮可實(shí)現(xiàn)采集裝置的平行升降，升降高度幅差為500 mm。

圖7 平行4 連桿機(jī)構(gòu)Fig. 7 Parallel four-bar linkage

3.3 扶禾器設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對倒伏牧草植株上的種子及草穗進(jìn)行扶起后梳刷脫粒采集，在禾本科牧草種子采集裝置殼體喂入口下方的橫梁上設(shè)計(jì)了前伸式扶禾器，由扁鋼和彈性斜桿焊合而成，如圖8 所示。工作時(shí)深入禾叢，由其彈性斜桿將倒伏禾株扶起。扶禾器后端由螺栓固定在小支座上，小支座為間距100 mm 均勻布置。扶禾器伸出長度約350 mm，但不超出分禾器尖[10]。

圖8 扶禾器結(jié)構(gòu)Fig. 8 Structure of grain lifter

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

裝置試制完成后，將其安裝在原有自走式牧草種子收獲機(jī)的頭部，在試制廠牧草種植基地進(jìn)行了功能性試驗(yàn)，試驗(yàn)作物為披堿草。試驗(yàn)前對收獲機(jī)及采集裝置的外觀進(jìn)行了檢查，對全部關(guān)鍵部位進(jìn)行了再次緊固，之后對設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)試和不帶負(fù)荷試運(yùn)轉(zhuǎn)，最后將收獲機(jī)及采集裝置調(diào)整至最佳工作狀態(tài)。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9 所示。

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig. 9 Testing site

試驗(yàn)時(shí)收獲機(jī)的正常工作速度為5.8～8.2 km/h，試驗(yàn)中分別對采集裝置的技術(shù)參數(shù)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、刷輥轉(zhuǎn)速、收獲效果及采集裝置4 個(gè)出口風(fēng)速進(jìn)行了測定，各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值均在設(shè)計(jì)允許誤差范圍內(nèi)。測定值如表1～表3 所示。

表1 技術(shù)參數(shù)測定結(jié)果Tab. 1 Measurement results of technical parameters

表2 轉(zhuǎn)速與收獲效果的關(guān)系Tab. 2 Relationship between rotation speed and harvest effect

表3 出口風(fēng)速測定結(jié)果Tab. 3 Measurement results of outlet wind speed單位：m/s

對上述數(shù)據(jù)及現(xiàn)場試驗(yàn)效果的分析表明：當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 550～1 600 r/min、刷輥轉(zhuǎn)速為950～980 r/min 時(shí)，采集裝置的梳刷采集效果較好，植株上殘留的草穗較少且收獲到的物料莖稈等雜質(zhì)較少。另外，披肩草種子的懸浮速度為2.2～3.5 m/s，而對采集裝置4 個(gè)出口平均風(fēng)速的測定值均為其懸浮速度的3 倍以上，完全能夠保證種子的可靠收獲，說明采集裝置的結(jié)構(gòu)及參數(shù)選擇合理。

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)圖紙，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，功能達(dá)到了預(yù)期效果，也為下一步優(yōu)化改進(jìn)奠定了良好基礎(chǔ)。

（2）采集裝置實(shí)現(xiàn)了對禾本科牧草種子的不對行收獲，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對于倒伏的植株進(jìn)行扶起后梳刷采集。

（3）采集裝置平行4 連桿的升降結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了采集高度的適時(shí)調(diào)整，提高了收獲適應(yīng)性。

（4）為我國自走式牧草種子收獲機(jī)提供了一種新型的禾本科牧草種子采集裝置，結(jié)構(gòu)簡單、操控方便，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)與原有收獲機(jī)匹配良好，成果值得轉(zhuǎn)化和示范推廣。