連國(guó)黨 宗望遠(yuǎn),2 封 偉 馬麗娜,2 成玉風(fēng) 魏鑫鑫

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 武漢 430070; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070;3.河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定總站, 石家莊 050031; 4.石家莊金箭機(jī)械設(shè)備制造有限公司, 石家莊 052160)

0 引言

向日葵根據(jù)其用途主要分為食用向日葵(簡(jiǎn)稱食葵,俗稱葵瓜子)和油用向日葵(簡(jiǎn)稱油葵),2020年中國(guó)向日葵種植面積為6.49×105hm2,主要集中在內(nèi)蒙古、新疆、河北、吉林以及甘肅等地,其中食葵種植面積占70%左右[1]。收獲是食葵生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前,歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已實(shí)現(xiàn)了食葵機(jī)械化聯(lián)合收獲[2]。然而我國(guó)各地食葵種植模式具有區(qū)域性特點(diǎn),且國(guó)內(nèi)外氣候特點(diǎn)不同、食葵品種不同,國(guó)外機(jī)型不能適用于國(guó)內(nèi)食葵收獲。國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)依然采用人工分段收獲,食葵機(jī)收率不足30%[3]。割臺(tái)是聯(lián)合收獲機(jī)的入口和核心部件,其工作和傳動(dòng)部件多,目前大部分食葵收獲割臺(tái)還是在原有小麥割臺(tái)或者玉米割臺(tái)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái),割臺(tái)落粒損失嚴(yán)重、籽粒表皮損傷率高[4]。因此,研發(fā)低損、高效、高質(zhì)量食葵聯(lián)合收獲專用割臺(tái),對(duì)于提升食葵收獲機(jī)械化水平、促進(jìn)我國(guó)食葵產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

國(guó)外食葵聯(lián)合收獲機(jī)專用割臺(tái)的研發(fā)技術(shù)已比較成熟,例如意大利FANTINI[5]、德國(guó)ZIEGLER公司SC8S系列[6]食葵聯(lián)合收獲專用割臺(tái),采用撥禾鏈條對(duì)食葵植株進(jìn)行柔性?shī)A持實(shí)現(xiàn)扶禾和撥禾,切割機(jī)構(gòu)采用圓盤式割刀,減少了割臺(tái)對(duì)葵盤的沖擊和振動(dòng),降低了葵盤和籽粒飛濺損失;俄羅斯ROSTSELMASH公司設(shè)計(jì)的Falcon向日葵專用割臺(tái)[7]在夾持輸送撥禾鏈?zhǔn)綋芎谭绞降幕A(chǔ)上,增設(shè)分禾器翼板,用于收集葵盤和落粒,并在分禾器中間增設(shè)輸送帶,可將收集的葵盤和落粒及時(shí)向螺旋輸送器輸送,避免割臺(tái)分禾器處物料堆積;德國(guó)Claas公司[8]研制的Lexion 560/750型向日葵專用割臺(tái),將撥禾輪改為帶有柔性撥板的圓筒并配有弧形護(hù)罩,以減少籽粒飛濺;STARTSEV等[9]在撥禾輪上焊接扒齒,降低割臺(tái)損失;NALOBINA等[10]研制了一種錐形拉莖切割機(jī)構(gòu)的向日葵專用割臺(tái);SHAFOROSTOV等[11]采用錐形螺旋輸送器切割機(jī)構(gòu),借助輸送帶完成物料輸送。國(guó)內(nèi)針對(duì)食葵收獲裝備的研究普遍以分段收獲割臺(tái)為主,例如張雙俠等[12]研制的背負(fù)式葵花收獲機(jī)主要是人工取盤并插盤晾曬一段時(shí)間后,再進(jìn)行撿拾、脫粒及清選作業(yè);韓長(zhǎng)杰等[13]、劉宇[14]設(shè)計(jì)了插盤式食葵收獲裝置,基本能夠?qū)崿F(xiàn)食葵葵盤采收作業(yè),但收獲過(guò)程存在振動(dòng)大、葵盤輸送不暢及落粒嚴(yán)重等問(wèn)題,此外,分段收獲機(jī)需要2次下田,增加了作業(yè)時(shí)長(zhǎng)和作業(yè)復(fù)雜性,且對(duì)陰天多雨天氣的適應(yīng)性差。

食葵為頂生類經(jīng)濟(jì)作物,收獲期籽粒極易掉落,收獲時(shí)留茬高度大于等于400 mm,上述兩種因素均利于割脫一體式割臺(tái)的設(shè)計(jì)。因此,本文針對(duì)食葵機(jī)械化收獲存在割臺(tái)損失率高、物料輸送過(guò)程籽粒表皮易損傷及脫粒過(guò)程籽粒破損嚴(yán)重等問(wèn)題,根據(jù)食葵生物力學(xué)特性、種植模式及機(jī)械化收獲要求,研制適用于食葵聯(lián)合收獲的割脫一體式割臺(tái)裝置,即在傳統(tǒng)割臺(tái)的基礎(chǔ)上增設(shè)脫粒裝置,集分禾、撥禾、扶禾、切割、輸送及脫粒等功能于一體,葵盤在割臺(tái)上脫粒,可有效縮短物料輸送路徑,且為后續(xù)清選降低含雜率奠定基礎(chǔ)。

1 食葵機(jī)械化種植農(nóng)藝與植株特性

食葵種植主要有人工不鋪膜點(diǎn)播和機(jī)械化鋪膜穴播兩種方式,都采用寬窄行種植模式,寬行距為800 mm,窄行距為400 mm,株距為500 mm,種植密度為15 000～18 000株/hm2[15]。以內(nèi)蒙古自治區(qū)主要種植的食葵363為例,其物料主要特性參數(shù)如表1所示。

適收期食葵[16](圖1)的特點(diǎn)為:莖稈變黃,葉片干枯,葵盤背面變黃,葵盤下垂,背面朝上,籽粒變硬且表皮多為黑底白紋附有短毛,較細(xì)嫰且易劃傷,籽粒含水率為15%～25%,收獲過(guò)程易脫粒。

圖1 適收期食葵Fig.1 Mature sunflower

2 割臺(tái)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

食葵聯(lián)合收獲割脫一體式割臺(tái)主要由分禾器、撥禾輪、螺旋輸送器、喂入機(jī)構(gòu)、脫粒裝置及籽粒輸送裝置等組成,如圖2所示。

圖2 食葵收獲割脫一體式割臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure of cutting and threshing integrated header for combined harvesting of edible sunflowers1.往復(fù)式切割器 2.喂入機(jī)構(gòu) 3.螺旋籽粒輸送器 4.左傳動(dòng)系統(tǒng) 5.脫粒滾筒 6.脫粒喂入口 7.機(jī)架 8.螺旋輸送器 9.撥禾輪 10.右傳動(dòng)系統(tǒng) 11.分禾器

田間收獲作業(yè)時(shí),割臺(tái)在液壓缸的提升作用下,升降至適合食葵收獲的高度,隨著整機(jī)前進(jìn),經(jīng)分禾器的分禾作用,作業(yè)幅寬內(nèi)的食葵沿分禾器間隙進(jìn)入割臺(tái),實(shí)現(xiàn)割臺(tái)分禾;在撥禾輪撥禾和扶禾作用下,將食葵撥至往復(fù)式切割器處,往復(fù)式切割器切斷食葵莖稈;切割后的物料(即帶有一段莖稈的食葵葵盤)由螺旋輸送器輸送至割臺(tái)左側(cè),并在螺旋輸送器撥板的作用下將物料拋送至喂入機(jī)構(gòu);進(jìn)而通過(guò)喂入機(jī)構(gòu)將物料拋送至脫?？臻g,在螺旋脫粒滾筒與柵格式凹板篩的共同作用下實(shí)現(xiàn)葵盤脫粒,脫粒后的籽粒經(jīng)凹板柵格落至籽粒輸送空間,由籽粒輸送裝置輸送至出料口,脫粒后的葵盤則被排出機(jī)外。整個(gè)過(guò)程葵盤在割臺(tái)上實(shí)現(xiàn)脫粒,有效縮短了物料輸送路徑,為后續(xù)提高清選質(zhì)量奠定了基礎(chǔ),其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 割脫一體式割臺(tái)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)Tab.2 Structure and performance parameters of integrated harvesting and cutting header

3 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

3.1 分禾器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

分禾器是聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)的一個(gè)重要工作部件,具有把其兩側(cè)的食葵植株分離并將兩分禾器之間的食葵植株聚攏、引導(dǎo)并順利導(dǎo)入至切割器位置的作用,工作時(shí)最先接觸食葵植株,位于割臺(tái)最前端[17]。由于食葵在收獲過(guò)程中與撥禾輪高速碰撞易導(dǎo)致籽粒掉落并飛濺,造成割臺(tái)損失較大,因此設(shè)計(jì)一種側(cè)邊具有傾斜角度的分禾器,如圖3所示。

圖3 分禾器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of crop divider

圖中,F0為食葵莖稈沿著分禾器運(yùn)動(dòng)反方向的作用力,N;f0為分禾器對(duì)食葵莖稈的摩擦力,N;α為分禾器前錐角,(°);FN為分禾器對(duì)食葵莖稈的法向支持力,N;φ為分禾器側(cè)邊傾角,(°);θ為兩毛刷安裝夾角,(°);v為聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度,m/s;d為相鄰兩分禾器之間的安裝距離,mm。

當(dāng)分禾器側(cè)邊傾角φ大于食葵籽粒的滑動(dòng)摩擦角時(shí),掉落于割臺(tái)分禾器上的籽粒能夠落至分禾器底面,前期測(cè)試食葵籽粒與普通鋼材料的滑動(dòng)摩擦角為23°,因此本文將分禾器側(cè)邊傾角φ設(shè)計(jì)為30°。

由于分禾器要配合切割器作業(yè),為防止護(hù)刃器對(duì)食葵植株進(jìn)行二次分禾,分禾器寬度應(yīng)為所匹配割刀行程的整數(shù)倍[18],即

Lw=kS0

(1)

式中Lw——分禾器寬度,mm

k——系數(shù),取1,2,3,…

S0——割刀行程,取90 mm

結(jié)合食葵種植模式及割臺(tái)工作幅寬,取k=3,因此確定分禾器寬度Lw=270 mm。

為確保割斷的葵盤落在分禾器可收集的范圍內(nèi),在食葵植株前傾的極限情況下,分禾器長(zhǎng)度應(yīng)滿足

LD≥L-h0

(2)

式中LD——分禾器長(zhǎng)度,mm

L——食葵植株平均高度,mm

h0——割茬高度,mm

已知食葵植株平均高度為1 500.5 mm,食葵聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程割茬平均高度為700 mm,由式(2)可知分禾器長(zhǎng)度LD≥800 mm,分禾器越長(zhǎng),其與機(jī)架連接處受力越大,因此設(shè)計(jì)分禾器收集籽粒段長(zhǎng)度為850 mm。

要使食葵植株順利進(jìn)入分禾器,兩分禾器安裝距離應(yīng)大于最大葵稈直徑,根據(jù)割臺(tái)工作幅寬、食葵種植模式及分禾器寬度,確定相鄰分禾器間距d=80 mm,在相鄰分禾器收集籽粒段安裝防漏軟毛刷,兩毛刷安裝夾角θ=120°,用于收集在切割過(guò)程中由振動(dòng)及碰撞而掉落的食葵籽粒,降低割臺(tái)損失。

分禾器在工作時(shí),為使食葵植株不被推倒,則食葵植株的受力關(guān)系應(yīng)滿足

(3)

式中fs——分禾器與食葵莖稈之間的摩擦因數(shù)

分禾器前錐角在滿足式(3)的條件下,參考玉米聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)分禾器[17],其前錐角應(yīng)小于食葵莖稈與分禾器的摩擦角。前期測(cè)試食葵莖稈與鋼材料的滑動(dòng)摩擦角為30°,分禾器前錐角不宜過(guò)小,否則易插傷食葵莖稈,本文設(shè)計(jì)α=28°。

3.2 撥禾輪結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

適收期食葵植株姿態(tài)都是葵盤沿著莖稈豎直方向下垂,使用傳統(tǒng)的對(duì)行撥禾輪將會(huì)導(dǎo)致葵盤被切割后落在分禾器上,不能被快速輸送至螺旋輸送器,導(dǎo)致纏繞撥禾輪,嚴(yán)重影響聯(lián)合收獲機(jī)的整體工作性能。因此設(shè)計(jì)一種不對(duì)行撥桿式食葵專用撥禾輪,主要由支架、撥禾桿、中心軸、橡膠板等組成,如圖4所示,3根撥禾桿組成一個(gè)撥禾機(jī)構(gòu),3根撥禾桿相互之間夾角為120°,相鄰兩撥禾桿沿著中心軸截面錯(cuò)位40°安裝,每個(gè)撥禾機(jī)構(gòu)與分禾器對(duì)行,不僅起到撥葵盤的作用,而且將碰撞掉落在分禾器的籽粒撥至螺旋輸送器。

圖4 撥禾輪結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of reel1.中心軸 2.動(dòng)力輸入軸 3.支架 4.撥禾桿 5.橡膠板

撥禾輪的運(yùn)動(dòng)為其繞中心軸的圓周運(yùn)動(dòng)和隨聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)組成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。工作時(shí),當(dāng)撥禾輪向后回轉(zhuǎn)的圓周速度大于機(jī)器前進(jìn)速度,即撥禾輪繞其中心軸的圓周運(yùn)動(dòng)速度v0和聯(lián)合收獲機(jī)的前進(jìn)速度v之比λ>1,才能起到撥禾作用。

假設(shè)撥禾輪轉(zhuǎn)速和聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度是恒定的,以莖稈切割位置到地面投影點(diǎn)C0為坐標(biāo)原點(diǎn),沿水平方向?yàn)閤軸,豎直方向?yàn)閥軸,建立撥禾輪運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系xC0y,如圖5所示。圖中,x0為撥禾輪中心至切割器的水平安裝距離,mm;ω0為撥禾輪旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;R0為撥禾輪半徑,mm;H0為撥禾輪垂直安裝高度,mm。

圖5 撥禾輪運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.5 Motion diagram of reel mechanism

根據(jù)撥禾輪運(yùn)動(dòng)特性,可得撥禾輪端點(diǎn)P的位移方程為

(4)

式中xP——撥禾輪端點(diǎn)P水平位移,mm

yP——撥禾輪端點(diǎn)P垂直位移,mm

t——時(shí)間,s

其運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線,撥禾輪向下按壓食葵撥送的過(guò)程,其軌跡為余擺線的一段,此時(shí),其水平分速度相對(duì)于地面與割臺(tái)前進(jìn)方向相反。

為滿足食葵低損收獲,需要進(jìn)一步確定撥禾輪轉(zhuǎn)速及聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度,對(duì)撥禾輪端點(diǎn)P位移方程求導(dǎo)得撥禾齒端點(diǎn)速度方程為

(5)

其中

vPx=v+ω0R0cos(ω0t)<0

(6)

式中vPx——撥禾輪端點(diǎn)P水平速度,m/s

vPy——撥禾輪端點(diǎn)P垂直速度,m/s

由式(6)得

(7)

撥禾輪直徑主要由食葵株高、切斷后食葵莖稈重心位置和撥禾速比決定[19],計(jì)算公式為

(8)

其中

式中D——撥禾輪直徑,mm

e——割斷食葵莖稈重心與葵盤間的距離,mm

為防止撥禾輪打落籽粒,撥板應(yīng)垂直入禾,最低位置應(yīng)撥壓在切斷食葵莖稈重心略偏上即可,撥禾輪的垂直安裝高度根據(jù)作物生長(zhǎng)狀況及籽粒掉落難易程度而確定[20],可得

(9)

撥禾輪轉(zhuǎn)速nb為

(10)

由于撥禾輪為3桿結(jié)構(gòu),查閱《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[20],λ取1.5～2.0,本文取λ=1.8,食葵莖稈割茬平均高度為700 mm,食葵莖稈平均高度為1 500.5 mm,將各參數(shù)代入式(6)～(9),經(jīng)計(jì)算確定撥禾輪直徑D=1 100 mm,撥禾輪垂直安裝高度H0=950 mm。食葵聯(lián)合收獲機(jī)一般工作速度為0.8～ 2.5 m/s[21],代入式(10)得撥禾輪轉(zhuǎn)速應(yīng)為25～78 r/min, 田間作業(yè)過(guò)程中,其轉(zhuǎn)速隨著聯(lián)合收獲機(jī)行走速度的變化而改變。

3.3 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

螺旋輸送器是割臺(tái)的關(guān)鍵部件之一,其作用是將切割的物料導(dǎo)向、輸送及拋送。小麥、稻谷聯(lián)合收獲機(jī)通常采用伸縮扒指式螺旋輸送器,但葵盤形態(tài)近似為圓餅狀,伸縮扒指式螺旋輸送器的扒指容易插爛葵盤,導(dǎo)致回帶及喂料口堵塞等問(wèn)題,因此選用撥板式螺旋輸送器,如圖6所示。圖中,Sp為螺旋葉片螺距,mm;D0為滾筒外徑,mm;Ds為螺旋葉片外徑,mm。

圖6 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Structural diagram of spiral conveyor1.加強(qiáng)筋 2.撥板 3.滾筒 4.螺旋葉片

參照螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)理論[22-23],螺旋葉片結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)為

(11)

Sp=(0.5～2.2)Ds

(12)

D0=(0.2～0.4)Ds

(13)

式中K——物料特性系數(shù),取0.06

Q——輸送效率,t/h

ψ——填充系數(shù),取0.25

ρ——堆積密度,t/m3

C——傾角系數(shù),水平軸時(shí)取1.0

由于割脫一體式割臺(tái)單次最多收割6行食葵,則輸送能力Q=3.6 t/h (根據(jù)食葵種植模式、切割長(zhǎng)度及作業(yè)速度計(jì)算);堆積密度ρ與物料的類別、含水率及外形尺寸等因素有關(guān)[22],本文根據(jù)收獲期食葵物料特性測(cè)試取ρ=0.15 t/m3;通過(guò)式(11)～(13)計(jì)算可得:Ds≥372 mm,190 mm

物料以不同姿態(tài)被撥板拋送至喂入機(jī)構(gòu),在撥板拋出物料的瞬間,保證所有物料均被拋出,撥板距螺旋輸送器底板的間隙應(yīng)小于物料厚度(葵盤最小厚度),因此撥板旋轉(zhuǎn)半徑應(yīng)大于螺旋葉片半徑。在滿足割臺(tái)正常工作的條件下,螺旋輸送器轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高,轉(zhuǎn)速過(guò)高不僅造成食葵籽粒的飛濺,而且增大割臺(tái)振動(dòng),縮短機(jī)器使用壽命,根據(jù)課題組前期臺(tái)架試驗(yàn)[24],對(duì)螺旋輸送器工作參數(shù)優(yōu)化,確定較優(yōu)轉(zhuǎn)速為150 r/min。螺旋輸送器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Structure parameters of plate type screw conveyor

3.4 脫粒裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為減小食葵聯(lián)合收獲機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑,縮短整機(jī)縱向尺寸,使割脫一體式割臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊,割脫一體式割臺(tái)脫粒工藝選擇切向喂入、軸向脫粒、切向排出方式,脫粒裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示,主要由脫粒滾筒、凹板篩、喂入機(jī)構(gòu)及籽粒輸送裝置等部件組成。

圖7 軸流脫粒裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of axial flow threshing device1.脫粒滾筒 2.脫粒間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 3.凹板篩 4.脫粒支架 5.喂入機(jī)構(gòu) 6.籽粒輸送裝置

3.4.1脫粒滾筒結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系到脫粒裝置的工作性能,由于螺旋管無(wú)棱角且與物料碰撞力度較小,對(duì)葵盤及籽粒損傷較小,因此脫粒元件使用外徑為32 mm的螺旋管且在滾筒上面按4頭布置[25],脫粒滾筒工作區(qū)域主要由喂入段、脫粒段及排雜段組成,如圖8所示。圖中,Dt為脫粒滾筒直徑,mm;Df為螺旋葉片外徑,mm;Sf為葉片螺距,mm;ω1為脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)角速度, rad/s。

圖8 螺旋管式脫粒滾筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Sketch of structure of spiral tube type threshing drum1.左軸頭 2.排雜撥板 3.螺旋管 4.滾筒體 5.螺旋葉片 6.右軸頭

結(jié)合NJ 105-75《紋桿式脫粒滾筒型式尺寸和技術(shù)要求》和割臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸,確定脫粒滾筒直徑Dt=400 mm,其長(zhǎng)度根據(jù)割臺(tái)工作幅寬確定為2 900 mm。脫粒滾筒有效工作長(zhǎng)度Ls為[25]

(14)

式中q——喂入量,取1.4 kg/s

q0——脫粒滾筒單位長(zhǎng)度的脫粒效率,取0.7～1.0 kg/(s·m)

由式(14)計(jì)算出脫粒滾筒有效工作長(zhǎng)度范圍為1 400～2 000 mm, 課題組前期開(kāi)展了食葵脫粒臺(tái)架試驗(yàn)并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)優(yōu)化,得出脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)[25],脫粒效果較好,在滿足食葵割脫一體式割臺(tái)正常工作情況下,脫粒滾筒脫粒段不小于1 800 mm。為使物料順暢進(jìn)入和排出脫?？臻g,喂入段與排雜段尺寸至少應(yīng)大于最大葵盤直徑,且喂入段應(yīng)大于排雜段,因此結(jié)合割臺(tái)工作幅寬脫粒段尺寸取1 850 mm,喂入段尺寸取550 mm,排雜段尺寸取500 mm。

為提高物料進(jìn)入脫?？臻g的順暢性,防止喂入段食葵物料發(fā)生堵塞,喂入段采用螺旋輸送葉片,假設(shè)脫粒滾筒以角速度ω1旋轉(zhuǎn),喂入段食葵物料的運(yùn)動(dòng)主要是由隨脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)的牽連運(yùn)動(dòng)和沿著螺旋葉片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)組成的復(fù)合運(yùn)動(dòng),如圖9所示,食葵物料與螺旋葉片在任一點(diǎn)M接觸,并與其產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),采用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論對(duì)物料在螺旋葉片作用下的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析。圖9中,vr1為食葵物料的運(yùn)動(dòng)合速度,m/s;vr2為食葵物料的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,m/s;vc1為食葵物料的牽連速度,m/s;vn1為食葵物料在摩擦力條件下相對(duì)螺旋葉片的滑動(dòng)速度,m/s;vn2為食葵物料在無(wú)摩擦力條件下相對(duì)螺旋葉片的滑動(dòng)速度,m/s;va1為vr1的軸向分速度,m/s;vb1為vr1的徑向分速度,m/s;φa為螺旋葉片升角,(°);φf(shuō)為食葵物料與螺旋葉片之間的摩擦角, 試驗(yàn)測(cè)得31.8°。

圖9 物料在脫粒滾筒喂入段的運(yùn)動(dòng)速度分析Fig.9 Speed analysis of material movement on threshing drum of feeding section

由于食葵物料與螺旋葉片之間存在摩擦力,故物料的絕對(duì)速度vr2偏離運(yùn)動(dòng)合速度vr1一定角度φf(shuō),其軸向速度va1可表示為

(15)

式中nt——脫粒滾筒轉(zhuǎn)速,取300 r/min

在螺旋葉片進(jìn)行物料輸送時(shí),為提高其輸送效率,應(yīng)實(shí)現(xiàn)較大的軸向運(yùn)動(dòng)速度,即

(16)

求解式(16)可得螺旋升角φa滿足

(17)

綜上分析,為使食葵物料快速進(jìn)入脫?？臻g,防止在喂入口滯留,脫粒滾筒喂入段螺旋葉片螺距Sf應(yīng)小于割臺(tái)螺旋輸送器葉片的螺距且大于最大葵盤直徑,其外徑Df大于脫粒滾筒螺旋管外徑,因此設(shè)計(jì)喂入段螺旋葉片螺距Sf=360 mm,螺旋葉片外徑Df=480 mm,螺旋升角φa=29.1°。

3.4.2喂入機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

由于割脫一體式割臺(tái)整體結(jié)構(gòu)螺旋輸送器撥板與脫粒滾筒的距離遠(yuǎn)大于葵盤的外徑,單靠撥板作用將物料拋送至脫粒空間,在脫?？臻g喂入口會(huì)存在物料滯留現(xiàn)象,因此在物料喂入口處附加喂入機(jī)構(gòu),強(qiáng)制物料喂入脫?？臻g。由于葵盤近似圓餅狀,如圖10所示,將喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為撥齒結(jié)構(gòu)。根據(jù)物料輸送口與脫?？臻g喂入口過(guò)渡區(qū)域結(jié)構(gòu)尺寸確定撥齒旋轉(zhuǎn)半徑Rs=80 mm。

圖10 喂入機(jī)構(gòu)及撥齒分布Fig.10 Feed mechanism and switch tooth distribution1.軸 2.撥齒 3.間隔套

為減小喂入機(jī)構(gòu)對(duì)食葵物料的撞擊,其轉(zhuǎn)速要大于螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速且小于脫粒滾筒轉(zhuǎn)速[26]。因此喂入機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足

ns

(18)

式中ns——螺旋輸送器轉(zhuǎn)速,取150 r/min

nf——喂入機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速, r/min

綜上分析,喂入機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速過(guò)小,不能及時(shí)將物料喂入脫?？臻g,易造成脫粒裝置喂入口堵塞,喂入機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速過(guò)大,對(duì)物料撞擊力大,造成食葵物料破損嚴(yán)重,因此在滿足物料不堆積的情況下,喂入機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量低,由式(18)初步確定喂入機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速nf=200 r/min。

4 物料拋送過(guò)程分析

食葵植株被切割后在螺旋輸送器的作用下運(yùn)移至單側(cè),然后通過(guò)螺旋輸送器撥板拋送進(jìn)入脫粒裝置,為確定螺旋輸送器撥板安裝傾角,使物料更加順暢喂入脫粒裝置,對(duì)物料拋送過(guò)程進(jìn)行分析。物料流動(dòng)過(guò)程如圖11所示。

圖11 物料流動(dòng)示意圖Fig.11 Schematic of flow of materials1.螺旋輸送器 2.喂入機(jī)構(gòu) 3.脫粒滾筒 4.凹板篩 5.籽粒輸送器

物料與撥板接觸碰撞后,假設(shè)物料與撥板之間的碰撞為非彈性碰撞,物料以徑向初速度vr0沿?fù)馨暹\(yùn)動(dòng),在整個(gè)過(guò)程中忽略空氣阻力[27-28]。以螺旋輸送器截面軸心O為靜坐標(biāo)原點(diǎn),自點(diǎn)O向撥板作垂線,以垂足O1為動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系, 動(dòng)坐標(biāo)軸O1L沿?fù)馨宸较蛳蛲鉃檎㈦S撥板一起旋轉(zhuǎn),物料沿?fù)馨暹\(yùn)動(dòng)受力分析如圖12所示。圖中,G為物料自身重力,N;FL為物料隨螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)所受離心力,N;N為撥板對(duì)物料的支持力,N;FC為物料所受科氏力,N;Ff為物料沿?fù)馨暹\(yùn)動(dòng)所受摩擦力,N;ω為螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;δ為撥板與物料離心力(徑向)夾角,(°);β為撥板與豎直方向的夾角,(°);r為物料質(zhì)心與螺旋輸送器軸心O的距離,mm;l為物料動(dòng)坐標(biāo),mm;ε0為撥板初相位角,(°);ε為撥板轉(zhuǎn)角,(°);δ0為撥板安裝傾角,(°);r0為坐標(biāo)原點(diǎn)O到動(dòng)坐標(biāo)軸的距離,mm;R為撥板旋轉(zhuǎn)半徑,mm;l0為物料初始動(dòng)坐標(biāo),mm。

圖12 物料在撥板滑移過(guò)程受力圖Fig.12 Force diagram of material in sliding process of switch plate

物料沿?fù)馨暹\(yùn)動(dòng)時(shí),在z軸方向上受力處于平衡狀態(tài),則

N+FLsinδ=FC+Gsinβ

(19)

其中

(20)

式中m——物料質(zhì)量, kg

物料相對(duì)撥板運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力為

(21)

其中μ=tanφ

式中μ——物料與撥板之間的摩擦因數(shù)

φ——物料與撥板之間的摩擦角,取30°

物料沿?fù)馨暹\(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為

(22)

聯(lián)立式(19)～(22)可得出物料沿?fù)馨暹\(yùn)動(dòng)的微分方程為

(23)

由圖12的幾何關(guān)系,可得

(24)

聯(lián)立式(23)、(24),化簡(jiǎn)得

(25)

其中

A=gcosδ0+μgsinδ0
B=gsinδ0-μgcosδ0

物料拋離撥板時(shí)的速度分析如圖13所示,求解物料拋離撥板時(shí)的絕對(duì)速度va為

(26)

(27)

ve=ωR

(28)

式中vr——物料拋離撥板時(shí)的相對(duì)速度,m/s

ve——物料拋離撥板時(shí)的牽連速度,取3.4 m/s

物料拋離撥板的絕對(duì)速度va和水平面之間的夾角γ為

(29)

同理可得ve與va之間的夾角χ為

(30)

通過(guò)對(duì)物料沿?fù)馨暹\(yùn)動(dòng)過(guò)程分析,物料拋離撥板進(jìn)入脫?？臻g與撥板的安裝傾角δ0有關(guān),結(jié)合割臺(tái)喂料口結(jié)構(gòu)及物料拋送方向,確定γ=7°,撥板安裝傾角δ0=18°,撥板初相位角ε0=17°,撥板轉(zhuǎn)角ε=18°,撥板與豎直方向的夾角β=17°。

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)于2021年11月1—5日在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市涼城縣五道咀村食葵田進(jìn)行,圖14為裝配割脫一體式割臺(tái)的食葵收獲樣機(jī),動(dòng)力為110 kW、發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 300 r/min,為降低割臺(tái)損失,收集割臺(tái)掉落籽粒,工作時(shí)通常將割臺(tái)調(diào)節(jié)為上傾狀態(tài),上傾角為2°～8°。

為驗(yàn)證割脫一體割臺(tái)結(jié)構(gòu)的可行性及可靠性,試驗(yàn)樣機(jī)未配置清選裝置,田間作業(yè)過(guò)程中隨著樣機(jī)的前進(jìn),食葵植株進(jìn)入分禾器間隙,在撥禾輪的撥禾作用下被撥至切割器處切割莖稈,切割后的食葵物料在螺旋輸送器的作用下被推送至撥板處,由撥板將源源不斷輸送來(lái)的食葵物料以一定的速度向后拋送至喂入機(jī)構(gòu)處,然后在喂入機(jī)構(gòu)撥齒的作用下拋向脫?？臻g,食葵物料在脫?？臻g沿軸向邊脫粒邊運(yùn)移,籽粒通過(guò)凹板篩落入籽粒輸送裝置,從脫粒裝置脫出的籽粒在柔性刮板式輸送裝置的作用下,進(jìn)入集籽輸送器上,然后經(jīng)過(guò)提升輸送器進(jìn)入籽粒收集箱,隨即裝車或卸載;與此同時(shí),脫粒后的葵盤及莖稈,在脫粒滾筒高速回轉(zhuǎn)的作用下,被排雜撥板拋出機(jī)外。

種植品種為食葵363,平均株高為1 500.5 mm,種植模式為800 mm+400 mm寬窄行,株距為500 mm,葵盤直徑為180.5～330.3 mm,葵盤厚度為40.2～70.6 mm,莖稈直徑為20.2～50.1 mm,莖稈含水率為21.8%～24.3%,葵盤含水率為25.9%～30.4%,籽粒含水率為15.5%～20.6%。

5.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》[29]和T/NJ 1184—2020《自走式葵花籽收獲機(jī)》[21]分別測(cè)定割臺(tái)損失率、未脫凈率和籽粒破損率3個(gè)性能指標(biāo),對(duì)割脫一體式割臺(tái)的切割、脫粒等作業(yè)效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。依據(jù)田間實(shí)際試驗(yàn)條件,在試驗(yàn)田隨機(jī)選取5處20 m×3 m測(cè)試區(qū),割臺(tái)在滿幅收割工況下往返2.5次共5個(gè)行程,20 m長(zhǎng)度為1行程,通過(guò)測(cè)定聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)20 m所用時(shí)間計(jì)算每個(gè)行程的平均速度作為聯(lián)合收獲機(jī)單次作業(yè)速度。收集測(cè)試區(qū)內(nèi)掉落里面的籽粒與葵盤,人工取葵盤籽粒并與掉落籽粒一起稱量。聯(lián)合收獲機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)為

(31)

式中M——測(cè)試區(qū)域內(nèi)食葵籽粒總質(zhì)量,g

Mg——測(cè)試區(qū)域內(nèi)收集的籽粒質(zhì)量,g

Mw——測(cè)試區(qū)域葵盤未脫下的籽粒質(zhì)量,g

Mp——測(cè)試區(qū)域內(nèi)破損(籽粒出現(xiàn)裂紋,表皮被劃傷及破碎)的食葵籽粒質(zhì)量,g

Y1——割臺(tái)損失率,%

Y2——籽粒未脫凈率,%

Y3——籽粒破損率,%

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

食葵聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)后的效果如圖15所示,測(cè)量收集的食葵籽粒質(zhì)量,由式(31)計(jì)算各指標(biāo)數(shù)值取平均值,結(jié)果見(jiàn)表4。

圖15 食葵聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)效果Fig.15 Harvesting effects of sunflower combine harvester

表4 田間試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果Tab.4 Test results of sunflower harvester

田間試驗(yàn)結(jié)果表明:留茬高度平均為700 mm,當(dāng)聯(lián)合收獲機(jī)在5組不同速度條件下進(jìn)行田間作業(yè)時(shí),割臺(tái)損失率、未脫凈率、破損率均滿足T/NJ 1184—2020《自走式葵花籽收獲機(jī)》割臺(tái)損失率小于等于3%、未脫凈率小于等于2%、破損率小于等于3%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)比分析現(xiàn)有產(chǎn)品作業(yè)性能,如表5所示,本文割臺(tái)脫粒效果較好,作業(yè)性能總體優(yōu)于現(xiàn)有食葵收獲機(jī)具,不僅適用于食葵直收,也可適用于插盤式食葵收獲作業(yè)。

表5 作業(yè)性能對(duì)比Tab.5 Comparison of working performance %

6 結(jié)論

(1)基于適收期食葵生物特性及收獲要求,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了割脫一體式割臺(tái),主要由分禾器、撥禾輪、往復(fù)式切割器、螺旋輸送器、喂入機(jī)構(gòu)、脫粒裝置等主要部件組成;為減少脫粒過(guò)程籽粒破損,脫粒裝置采用軸流螺旋滾筒式結(jié)構(gòu)。該割臺(tái)不僅實(shí)現(xiàn)了分禾、扶禾、撥禾、切割、輸送等功能,而且食葵物料在割臺(tái)上脫粒,有效縮短了物料輸送路徑,解決了食葵物料輸送過(guò)程物料破碎及籽粒表皮劃傷等問(wèn)題,為后續(xù)提高清選質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

(2)對(duì)割脫一體割臺(tái)關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析,設(shè)計(jì)了一種不對(duì)行撥桿式撥禾輪和側(cè)邊傾角30°的分禾器,同時(shí)在相鄰分禾器之間增加軟毛刷收集碰撞飛濺籽粒,解決了傳統(tǒng)聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)物料堆積及損失較大的問(wèn)題;通過(guò)物料流動(dòng)過(guò)程分析,建立了物料拋送過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合割臺(tái)整體結(jié)構(gòu)布局,確定螺旋輸送器撥板安裝傾角為18°時(shí),物料可順暢的喂入脫粒裝置。

(3)食葵聯(lián)合收獲樣機(jī)在5組不同速度條件下進(jìn)行田間試驗(yàn),工作過(guò)程中各部件之間運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系平穩(wěn),食葵喂入流暢,效率較高,割臺(tái)損失率不大于3%、籽粒未脫凈率不大于2%、籽粒破損率不大于3%,滿足食葵收獲國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),割脫一體式割臺(tái)不僅適用于食葵直收,也適用于插盤式食葵收獲。