趙 菁

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

0 引言

谷子是我國(guó)丘陵山區(qū)，干旱、半干旱地區(qū)和農(nóng)牧交錯(cuò)帶的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)雜糧作物，也是我國(guó)原產(chǎn)的糧飼兼用作物和營(yíng)養(yǎng)保健作物，在穩(wěn)定糧食生產(chǎn)和維持膳食結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮重要作用[1]。但是谷子的機(jī)械化生產(chǎn)水平不高，尤其是收獲環(huán)節(jié)，基礎(chǔ)研究不足，缺乏可靠有效的聯(lián)合收獲機(jī)械[2]。在山西、河北、內(nèi)蒙古等谷子主要產(chǎn)區(qū)的部分地區(qū)，人工收獲谷子的費(fèi)用甚至占總體種植成本的60%，因此對(duì)谷子收獲機(jī)械化需求非常迫切[3]。目前國(guó)內(nèi)谷子收獲機(jī)械化發(fā)展尚處于起步階段，還未形成成熟的產(chǎn)品系列，主要是谷子種植面積較小，機(jī)具需求量少，而研究開(kāi)發(fā)機(jī)具投入大、回報(bào)率低，農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)積極性不高。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加快，農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)入了推進(jìn)全程全面機(jī)械化發(fā)展的新階段，谷子的機(jī)械化聯(lián)合收獲和分段收獲已是必然趨勢(shì)[4]。在生產(chǎn)需求拉動(dòng)下，谷子主產(chǎn)區(qū)陸續(xù)開(kāi)展谷子收獲機(jī)具的研究，但還處在科研和試驗(yàn)階段，成熟的專業(yè)谷子收獲機(jī)械非常少。根據(jù)我國(guó)谷子種植分布情況、地形地貌特點(diǎn)，平原大面積種植區(qū)需要大中型自走式聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)，并進(jìn)行秸稈收集打捆；山區(qū)、丘陵、平原中小規(guī)模種植區(qū)需要研發(fā)適合的小型自走式聯(lián)合收獲機(jī)；收獲機(jī)難以下地作業(yè)的較為分散的小地塊，宜采用分段收獲，先用割曬機(jī)收割、再用脫粒機(jī)脫粒。

針對(duì)我國(guó)丘陵山區(qū)及平原小地塊谷子機(jī)械化收獲需求，研發(fā)設(shè)計(jì)了4LZG-1.5 型小型自走式谷子收獲機(jī)。該機(jī)行走系統(tǒng)采用四輪驅(qū)動(dòng)、后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，田間通過(guò)性好，轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)移地塊靈活快速，適應(yīng)田間作業(yè)環(huán)境，在硬化道路遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移地塊中也具有明顯優(yōu)勢(shì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)的專用谷子收獲割臺(tái)及脫粒分離清選機(jī)構(gòu)，大幅降低了收獲損失及破損率。在山西、河北等不同谷子種植區(qū)進(jìn)行的田間試驗(yàn)表明，該機(jī)性能可靠、作業(yè)效率高，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求及當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求，滿足北方丘陵坡地、淺山區(qū)及干旱地區(qū)中小地塊谷子種植的機(jī)械化聯(lián)合收獲需求。

1 總體結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4LZG-1.5 型自走式谷子收獲機(jī)主要由輪式底盤(pán)、割臺(tái)、輸送裝置、脫粒分離裝置、清選裝置、集糧系統(tǒng)和卸糧裝置等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。谷子主要在我國(guó)北方干旱和半干旱地區(qū)的丘陵山區(qū)種植，作業(yè)條件具有地塊小、道路窄、坡度大和轉(zhuǎn)彎多等特點(diǎn)，為了適應(yīng)作業(yè)環(huán)境，確定4LZG-1.5 型小型自走式谷子收獲機(jī)割幅為2.0 m、喂入量≥1.5 kg/s，選用四輪驅(qū)動(dòng)輪式底盤(pán)，設(shè)計(jì)谷子專用割臺(tái)，專用脫粒、清選裝置，配套動(dòng)力為45～65 kW 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。動(dòng)力設(shè)計(jì)主要是滿足行走系統(tǒng)及各工作部件的功率需求，保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)效率，滿足谷子聯(lián)合收獲的要求[5]。

圖1 4LZG-1.5 型自走式谷子收獲機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of 4LZG-1.5 type self-propelled millet harvester

根據(jù)適合丘陵小塊地、溝壑區(qū)使用的作業(yè)要求，經(jīng)過(guò)充分的田間收獲試驗(yàn)，4LZG-1.5 型自走式谷子收獲機(jī)的作業(yè)流程確定為分禾器分禾→撥禾輪扶持撥送→往復(fù)式割刀切割→攪龍輸送裝置輸送→滾筒脫?！蛛x清選→籽粒集箱→秸稈拋撒。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

收獲機(jī)作業(yè)速度根據(jù)地勢(shì)和作物生長(zhǎng)情況由機(jī)手選擇合適的擋位，設(shè)計(jì)時(shí)將最低和最高速度分別確定為

1.5 和4 km/h。由于地塊條件、產(chǎn)量和作物狀態(tài)等情況的變化，收獲作業(yè)中需及時(shí)改變機(jī)器前進(jìn)速度，而撥禾輪的轉(zhuǎn)速也在一定范圍內(nèi)變化，因此綜合考慮谷子植株的生長(zhǎng)情況，設(shè)計(jì)撥禾輪轉(zhuǎn)速為30 r/min 左右。對(duì)于脫粒分離滾筒，設(shè)計(jì)入口間隙12～18 mm，出口間隙2～4 mm，脫粒滾筒與凹板最低點(diǎn)間隙設(shè)計(jì)為9 mm，滾筒直徑540 mm 左右，滾筒轉(zhuǎn)速700 r/min 左右。根據(jù)作物生長(zhǎng)情況適度調(diào)整轉(zhuǎn)速和間隙。主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 4LZG-1.5 型自走式谷子收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of 4LZG-1.5 type self-propelled millet harvester

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 輪式底盤(pán)設(shè)計(jì)

針對(duì)谷子種植地區(qū)多為丘陵山地、小地塊的特點(diǎn)，為便于快速轉(zhuǎn)移地塊、提高作業(yè)效率，選擇輪式底盤(pán)行走系統(tǒng)，借鑒自走式玉米收獲機(jī)底盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行改造。為適應(yīng)北方山區(qū)及丘陵地區(qū)行走，防止道路左右高低不平造成翻車(chē)，輪距設(shè)計(jì)宜寬不宜窄，第二代樣機(jī)軸距設(shè)計(jì)由1 320 mm 增加到1 600 mm?？紤]到谷子聯(lián)合收獲機(jī)與谷物聯(lián)合收獲機(jī)的通用性及降低成本，選擇45～65 kW 的發(fā)動(dòng)機(jī)為配套動(dòng)力，以確保動(dòng)力充沛。

2.2 專用谷子割臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)谷子收獲時(shí)植株含水率高、高度差別大、倒伏多、谷穗交叉纏繞現(xiàn)象嚴(yán)重等特點(diǎn)，割臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮扶禾器形式、撥禾輪高度和割刀位置參數(shù)[6]。

2.2.1 扶禾器

為解決谷穗交叉纏繞問(wèn)題，在扶禾器設(shè)計(jì)時(shí)，采用兩種設(shè)計(jì)形式：旋轉(zhuǎn)式扶禾器和分禾板式扶禾器?？紤]谷子收獲機(jī)為小型機(jī)，初代樣機(jī)采用了性價(jià)比高的分禾板扶禾器，第3 代樣機(jī)使用了旋轉(zhuǎn)式扶禾器。為了有效分開(kāi)應(yīng)割區(qū)與未割區(qū)纏繞在一起的谷穗，分禾板式扶禾器設(shè)計(jì)為錐尖式，谷子整株高度在0.8～1.2 m，兩側(cè)分禾器最高處離地距離高于谷子高度，長(zhǎng)度>700 mm，尾部寬度>200 mm。谷子收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，專用扶禾器可有效減少割臺(tái)兩側(cè)掛穗及掉穗。試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的割臺(tái)分禾尖比較低，可以收獲倒伏谷子，分禾器高、長(zhǎng)且尾部較寬，解決了谷穗交叉纏繞問(wèn)題。

2.2.2 撥禾輪

為避免谷穗和莖稈被撥禾輪板挑起、帶起向前拋出，造成割臺(tái)損失，撥禾輪的高度設(shè)計(jì)對(duì)谷子莖稈的作用非常重要。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算，確定撥禾輪對(duì)谷子植株的打擊點(diǎn)在谷子植株高度的2/3 處，并使撥禾輪對(duì)割倒的谷子莖稈有穩(wěn)定推送作用，將谷子送入絞龍。

有些谷子莖稈較長(zhǎng)，在1.3 m 以上，為防止纏繞，選取較大撥禾輪，取撥禾輪半徑500 mm，撥禾輪中心高度1 100 mm。同時(shí)為適應(yīng)倒伏谷子的收獲，撥禾輪可以降低安裝高度并可前移。在極端情況下，可以調(diào)整撥禾輪位置，使撥禾彈齒在割刀斜前上方，齒尖距離割刀3 cm，方便收獲倒伏谷子。設(shè)計(jì)撥禾輪轉(zhuǎn)速為30 r/min 左右。

2.2.3 割刀位置

谷子莖稈長(zhǎng)度平均比小麥、水稻長(zhǎng) 200～400 mm，因此需加長(zhǎng)割臺(tái)范圍。在谷子收獲機(jī)設(shè)計(jì)中，谷子專用割臺(tái)底板加長(zhǎng)，割刀位置前移250 mm，結(jié)構(gòu)采用可組裝式，便于小麥與谷子割臺(tái)通用。

2.3 專用脫粒清選機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 脫粒、分離機(jī)構(gòu)

脫粒裝置由全紋桿前脫粒滾筒、前凹板、前脫粒滾筒蓋板、紋桿加板齒后脫粒滾筒、后凹板、后脫粒滾筒蓋板組成?？紤]到谷子籽粒小、谷碼易掉，收獲時(shí)莖葉偏綠等因素，并考慮小型化因素，采用切流式雙滾筒，紋桿脫粒、板齒分離機(jī)構(gòu)[7]。脫粒凹板選用柵格式，設(shè)計(jì)凹板篩條間距為前小后大。使通過(guò)脫粒滾筒充分揉搓后的谷碼到達(dá)滾筒后部時(shí)能快速落到振動(dòng)篩上，減少被大莖稈帶走造成的夾帶損失。

2.3.2 清選裝置

清選裝置選用氣流清選加振動(dòng)篩組合結(jié)構(gòu)，主要由離心清選風(fēng)機(jī)、偏心振動(dòng)臂、上篩片、下篩片、出風(fēng)口風(fēng)向調(diào)整板和振動(dòng)篩體等組成。上篩選用魚(yú)鱗篩，氣流清選主要分離有籽谷碼和無(wú)籽谷碼，采用農(nóng)用離心式風(fēng)扇將混合物吹散[8]。谷子品種不同、收獲時(shí)間不同，其質(zhì)量也不同，通過(guò)智能調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和出風(fēng)角度，對(duì)風(fēng)量、風(fēng)速和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)清選[9]。

2.4 智能電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

借鑒成熟的谷物收獲機(jī)智能電控系統(tǒng)，根據(jù)谷子機(jī)械化收獲作業(yè)的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，形成谷子收獲機(jī)專用的智能電控系統(tǒng)。撥禾輪轉(zhuǎn)速、撥禾高度能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)精確調(diào)整；可根據(jù)待收獲谷子的高度、秸稈含水量、倒伏程度和作物產(chǎn)量等狀況，對(duì)收獲機(jī)的割臺(tái)收割速度、前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速和割臺(tái)離地間隙等參數(shù)進(jìn)行快速調(diào)整。

3 樣機(jī)試驗(yàn)及推廣前景

3.1 第1 代樣機(jī)試驗(yàn)

2018 年9 月23-28 日，第1 代谷子收獲機(jī)在河北省石家莊市藁城區(qū)某村進(jìn)行機(jī)械化收獲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于倒伏嚴(yán)重的谷子無(wú)法收獲。經(jīng)調(diào)試改進(jìn)，2018 年10月10 日，在河北省石家莊市藁城區(qū)另一村繼續(xù)進(jìn)行收獲試驗(yàn)。谷子品種為潤(rùn)谷2 號(hào)，種植密度63 萬(wàn)株/hm2，估算產(chǎn)量4 500 kg/hm2，籽粒含水率25.6%，基本無(wú)倒伏現(xiàn)象。收獲總損失率4.63%、破碎率2.1%，符合技術(shù)要求；含雜率4.3%，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 第2 代樣機(jī)試驗(yàn)

2019 年9 月20 日 至10 月10 日，第2 代 谷 子 收 獲機(jī)在河北省石家莊市藁城區(qū)進(jìn)行收獲試驗(yàn)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)脫不凈現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)由于秸稈含水率高、拋出的秸稈較碎，不利于籽粒清選，隨后進(jìn)行了脫粒滾筒的間隙調(diào)整和轉(zhuǎn)速調(diào)整。試驗(yàn)期間，河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定總站對(duì)該機(jī)進(jìn)行了性能檢測(cè)，結(jié)果表明，喂入量達(dá)2.3 kg/s，總損失率6.1%，籽粒含雜率2.0%，破碎率2.7%，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.3 第3 代樣機(jī)試驗(yàn)

在進(jìn)行第2 代樣機(jī)試驗(yàn)的同時(shí)，第3 代樣機(jī)的設(shè)計(jì)、試制工作也同步進(jìn)行。

2019 年10 月28 日至11 月18 日，第3 代谷子收獲機(jī)在河北省武安市進(jìn)行收獲試驗(yàn)，并在此期間召開(kāi)了由當(dāng)?shù)剞r(nóng)機(jī)管理部門(mén)、農(nóng)機(jī)手、種糧大戶、生產(chǎn)企業(yè)和農(nóng)機(jī)推廣部門(mén)有關(guān)人員參加的谷子聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)研討會(huì)。試驗(yàn)中對(duì)樣機(jī)性能進(jìn)行了檢測(cè)，由于是晚茬谷子，長(zhǎng)勢(shì)一般，樣機(jī)喂入量1.68 kg/s，總損失率4.5%，籽粒含雜率2.2%，破碎率3.1%，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.4 推廣前景

通過(guò)試驗(yàn)和改進(jìn)，河北省武安市、石家莊市藁城區(qū)等谷子種植戶對(duì)該機(jī)作業(yè)認(rèn)可度較高，收益增長(zhǎng)明顯。經(jīng)測(cè)試，谷子破損率<5%，收獲作業(yè)費(fèi)用1 500 元/hm2，與傳統(tǒng)人工分段式收獲相比，可節(jié)約收割和脫粒用工2 個(gè)，同時(shí)節(jié)約脫粒費(fèi)用，綜合節(jié)本增效3 000 元/hm2。以每臺(tái)收獲機(jī)年收獲谷子53.5 hm2、減損375 kg/hm2、谷子價(jià)格5 元/kg 計(jì)算，一臺(tái)收獲機(jī)每年可以為農(nóng)民增收10 萬(wàn)余元，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)丘陵山區(qū)及平原小地塊谷子機(jī)械化收獲需求，研發(fā)設(shè)計(jì)了4LZG-1.5 型小型自走式谷子收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)了3 大技術(shù)創(chuàng)新。一是采用四驅(qū)輪式動(dòng)力底盤(pán)，行走通過(guò)性好；二是設(shè)計(jì)了谷子專用扶禾器和加長(zhǎng)型仿形割臺(tái)，優(yōu)化撥禾輪空間位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，解決谷子收獲割臺(tái)掉穗嚴(yán)重、倒伏收割難等問(wèn)題；三是采用“紋桿+板齒+釘齒”組合式脫粒滾筒、小孔網(wǎng)篩式分離機(jī)構(gòu)，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)參數(shù)，解決了高濕谷子脫粒、清選難的問(wèn)題。

通過(guò)3 代樣機(jī)的設(shè)計(jì)、研究、試制、田間試驗(yàn)，該機(jī)基本滿足了北方丘陵坡地、淺山區(qū)及干旱地區(qū)中小地塊種植的谷子機(jī)械化聯(lián)合收獲需求，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為我國(guó)谷子等雜糧生產(chǎn)機(jī)械化收獲提供了裝備支撐，推廣應(yīng)用前景廣闊。