油菜聯(lián)合收獲機(jī)切拋組合式縱軸流脫離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

廖慶喜 徐 陽(yáng) 袁佳誠(chéng) 萬(wàn)星宇 蔣亞軍

(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)

0 引言

油菜聯(lián)合收獲即在油菜的角果成熟后期，一次完成對(duì)田間油菜切割、脫粒、清選等聯(lián)合作業(yè)，能有效提高油菜收獲效率，但同時(shí)也存在適收期短、收獲損失率不易控制等缺點(diǎn)。我國(guó)現(xiàn)有的油菜聯(lián)合收獲機(jī)多基于傳統(tǒng)全喂入式稻麥聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)[1-3]，脫粒裝置是油菜聯(lián)合收獲機(jī)的核心部件, 它不僅決定了整機(jī)的脫粒質(zhì)量，且影響后續(xù)清選效果[5-7]。

目前，眾多學(xué)者針對(duì)脫粒裝置開(kāi)展了系統(tǒng)研究，包括探究脫粒分離結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響[8-13]，降低脫粒滾筒總功耗[14-16]，分析脫離裝置內(nèi)的物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律及受力[17-19]等。為解決谷物聯(lián)合收獲過(guò)程中存在對(duì)含水率高的谷物適應(yīng)性差、脫粒損失率大、易堵塞等問(wèn)題，徐立章等[20]研制的4LQZ-6型切縱流聯(lián)合收獲機(jī)在縱軸流脫離裝置前安裝傾斜輸送鏈耙、切流脫粒裝置和強(qiáng)制喂入裝置，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)和性能檢測(cè)。徐立章等[21]研制的切縱流雙滾筒聯(lián)合收獲機(jī)通過(guò)鏈耙輸送物料，切縱脫粒分離裝置采用先易后難、有序脫粒。梁蘇寧等[22]研制的4LZG-3.0型谷子聯(lián)合收獲機(jī)中間輸送裝置采用耙齒式輸送器結(jié)構(gòu)，能及時(shí)將大量的谷物快速送入脫粒滾筒。李耀明等[23]研制的斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置中，前置切流滾筒對(duì)物料進(jìn)行強(qiáng)制喂入并初脫分，斜置縱軸流滾筒完成籽粒的復(fù)脫分離任務(wù)，過(guò)渡口采用螺旋喂入配合導(dǎo)流罩喂入物料。綜上所述，傳統(tǒng)油菜聯(lián)合收獲機(jī)大都采用鏈耙式輸送器輸送物料，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸送距離長(zhǎng)等問(wèn)題，且鏈耙輸送器輸出的物料主要依靠脫粒滾筒前端抓取頭喂入到縱軸流滾筒，收獲莖稈高粗的油菜時(shí)，物料喂入不均勻，易導(dǎo)致脫粒分離負(fù)載不穩(wěn)定。

為簡(jiǎn)化傳統(tǒng)油菜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物料順暢輸送，本文設(shè)計(jì)一種切拋組合式縱軸流脫離裝置，采用橫軸流切拋裝置與縱軸流脫離裝置組合式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)油菜的強(qiáng)制喂入、切斷拋送、脫粒分離的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，為油菜聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 油菜聯(lián)合收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)

自行研制的4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)主要由割臺(tái)、切拋組合式縱軸流脫離裝置、旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)、履帶式行走底盤(pán)及液壓動(dòng)力系統(tǒng)等組成，關(guān)鍵部件均采用液壓驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)如圖1、表1所示。

圖1 4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of 4LYZ-2.0 type rape combine harvester1.割臺(tái) 2.復(fù)切輸送器 3.切拋裝置 4.駕駛室 5.喂入罩殼 6.縱軸流脫離裝置 7.篩下物輸送器 8.頂蓋 9.液壓控制閥塊 10.離心風(fēng)機(jī) 11.旋風(fēng)分離筒 12.拋揚(yáng)機(jī) 13.行走系統(tǒng)

參數(shù)數(shù)值/型式行走系履帶自走式配套動(dòng)力/kW72非行走系驅(qū)動(dòng)方式全液壓長(zhǎng)×寬×高/(mm×mm×mm)5400×2300×2800割臺(tái)寬度/mm2000留茬高度/mm≤350喂入量/(kg·s-1)≥2脫粒裝置切拋組合式縱軸流脫離裝置清選系統(tǒng)旋風(fēng)分離

1.2 切拋組合式縱軸流脫離裝置結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

切拋組合式縱軸流脫離裝置主要由切拋裝置、脫粒裝置和機(jī)架等組成，橫軸流切拋裝置與縱軸流脫粒裝置通過(guò)轉(zhuǎn)軸聯(lián)接；其中切拋裝置包括喂入輥、切碎滾筒、切碎滾筒機(jī)架及拋料罩殼等，脫粒裝置包括抓取喂入頭、過(guò)渡罩殼、脫粒滾筒、導(dǎo)向頂蓋、凹板篩、篩下物輸送器、下罩殼和機(jī)架等，拋料罩殼的拋送通道與過(guò)渡罩殼入口對(duì)接，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 切拋組合式縱軸流脫離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure sketches of combined cutting and throwing longitudinal axial flow threshing and separating device for rape combine harvester1.喂入輥 2.切碎滾筒支架 3.切碎滾筒 4.下罩殼 5.拋料罩殼 6.割臺(tái)升降轉(zhuǎn)軸 7.抓取喂入頭 8.喂入罩殼 9.凹板篩 10.導(dǎo)向頂蓋 11.篩下物輸送器 12.脫粒滾筒 13.脫粒滾筒下罩殼

油菜莖稈在切拋組合式縱軸流脫離裝置內(nèi)的流動(dòng)方向與路徑如圖3所示。根據(jù)物料在切拋組合式縱軸流脫離裝置內(nèi)的工作過(guò)程可劃分為3個(gè)階段：抓取喂入階段Ⅰ、切斷拋送階段Ⅱ、脫粒分離階段Ⅲ。各階段喂入量相同，并大于排草口處的物料流量。

圖3 莖稈流動(dòng)示意圖Fig.3 Stem flow diagram1.喂入輥 2.切碎滾筒 3.脫粒滾筒

在階段Ⅰ中，喂入輥將割臺(tái)輸送過(guò)來(lái)的油菜抓取壓緊，均勻喂入至切碎滾筒；在階段Ⅱ中，由切碎滾筒對(duì)高粗油菜莖稈進(jìn)行初步切斷，利用離心力和高速氣流的綜合作用將切碎的莖稈進(jìn)行拋送，物料沿拋料罩殼切線拋送至脫粒裝置；在階段Ⅲ中，螺旋葉片配合導(dǎo)流罩迅速將物料沿脫粒滾筒軸線方向推送，物料在頂蓋導(dǎo)向板和脫粒元件作用下完成脫粒，脫出物透過(guò)凹板篩與莖稈分離。整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，物料輸送路程縮短，切拋裝置將高粗的油菜莖稈層初步切斷、均勻拋送，有利于穩(wěn)定脫粒滾筒負(fù)荷。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 喂入輥

抓取喂入階段中抓取、壓緊和喂送物料的主要部件是喂入輥，由喂入輥軸、壓草齒板和軸承座構(gòu)成，其喂入性能與喂入輥的直徑和形狀有關(guān)，如圖4所示。壓草齒板的刃口設(shè)計(jì)成等邊三角形的尖齒，將尖齒葉片交錯(cuò)排布，使輸送方向上無(wú)盲區(qū)，以提高輥?zhàn)拥淖ト∧芰?，考慮到相鄰兩齒間距大于油菜莖稈直徑，取齒板上相鄰兩齒間距c為35 mm，齒高h(yuǎn)c為60 mm；根據(jù)割臺(tái)物料輸送口尺寸設(shè)計(jì)喂入輥壓草齒板長(zhǎng)度lc為580 mm。

圖4 喂入輥及齒形分布Fig.4 Feeding roll and tooth profile distribution1.喂入輥軸 2.壓草齒板

對(duì)經(jīng)過(guò)喂入輥的油菜莖稈進(jìn)行受力分析，如圖5所示，油菜莖稈在輸送通道內(nèi)連續(xù)流動(dòng)且莖稈之間存在摩擦力，將其視為莖稈流進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)莖稈層主要受兩個(gè)力，分別為喂入輥對(duì)莖稈層的正壓力N以及莖稈層與喂入輥之間的摩擦力μN(yùn)。其中正壓力N為阻止莖稈喂入的力，摩擦力μN(yùn)是拉入莖稈的力。

圖5 油菜莖稈受力分析Fig.5 Force analysis diagram of feed roller

若在喂入過(guò)程中物料沒(méi)有推力，僅靠喂入輥的摩擦力，為了使莖稈正常喂入須滿足

μN(yùn)cosθ>Nsinθ

(1)

即

φ>θ

(2)

式中φ——油菜莖稈與喂入輥齒面的摩擦角，取27°

θ——N的方向角，(° )

喂入輥中心到輸送通道下罩殼距離為

lOB=rwcosα+h1=rw+h2

(3)

將φ=θ和α=2θ代入式(3)，令莖稈層經(jīng)過(guò)喂入輥的壓縮程度τ=h2/h1，即喂入輥直徑為

(4)

式中Dw——喂入輥直徑，mm

rw——喂入輥半徑，mm

h1——莖稈層喂入前厚度，mm

h2——莖稈層被喂入輥壓縮后厚度，mm

α——莖稈層附著在喂入輥表面的弧長(zhǎng)包角，(° )

已知在莖稈層經(jīng)過(guò)喂入輥的壓縮程度τ一定時(shí)，為了增大喂入輥與物料接觸表面(增大α角)，就要采用較小直徑的喂入輥。由試驗(yàn)可知當(dāng)喂入量在2～3 kg/s時(shí)，喂入輥前油菜莖稈層厚度h1在100～120 mm。取h2/h1=0.7，φ=27°時(shí)，由式(4)可得：喂入輥?zhàn)钚≈睆紻wmin范圍為146～174 mm。由于喂入輥應(yīng)盡量靠近伸縮撥指和切碎滾筒的動(dòng)刀刀刃，所以應(yīng)該盡量取較小的直徑，即喂入輥直徑設(shè)計(jì)為150 mm。

油菜被喂入輥卷向切碎滾筒的速度vw為

(5)

式中vw——喂入輥喂入速度，m/s

nw——喂入輥轉(zhuǎn)速，r/min

為了適應(yīng)物料的輸送，喂入輥輸送的線速度要大于割臺(tái)復(fù)切輸送器的喂入線速度，復(fù)切輸送器轉(zhuǎn)速nf=200 r/min，復(fù)切輸送器半徑rf=0.15 m，則輸送線速度vf=3.14 m/s；為減少油菜籽粒喂入過(guò)程的損失，在滿足抓取和輸送的基礎(chǔ)上，要盡量減少喂入輥對(duì)油菜果莢的打擊，喂入輥的線速度應(yīng)小于油菜果莢脫粒所需的脫粒元件的速度。參考相關(guān)作物的研究結(jié)果取6 m/s[24]，喂入輥速度需滿足vw<6 m/s。完整表達(dá)為

vf

(6)

由式(5)、(6)可知400 r/min

2.2 切碎滾筒

圖6 喂入輥與切碎滾筒示意圖Fig.6 Structure sketch of feeding roller and cutting cylinder1.喂入輥側(cè)板 2.喂入輥上罩殼 3.喂入輥底板 4.喂入輥 5.動(dòng)刀 6.動(dòng)刀護(hù)板 7.動(dòng)刀座 8.動(dòng)刀角度固定座 9.切碎滾筒基座 10.切碎滾筒下罩殼 11.切碎滾筒主軸 12.拋料罩殼

切碎拋送階段主要工作部件為切碎滾筒，平板滾刀式切碎滾筒的動(dòng)刀是直刃刀，具有良好的切碎和拋送性能，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，切碎滾筒主要由動(dòng)刀護(hù)板、動(dòng)刀座、動(dòng)刀、切碎滾筒基座、切碎滾筒主軸、拋料罩殼等組成。

當(dāng)切碎滾筒較小時(shí)，只能通過(guò)提高切碎滾筒轉(zhuǎn)速來(lái)滿足莖稈切段長(zhǎng)度要求，轉(zhuǎn)速提高對(duì)切碎滾筒的剛性、強(qiáng)度和動(dòng)平衡要求較高，在割臺(tái)和收獲機(jī)底盤(pán)空間允許的情況下，應(yīng)盡量加大切碎滾筒直徑。因此，將切碎滾筒直徑設(shè)計(jì)為400 mm。為保證喂入順暢，切碎滾筒工作寬度略大于喂入口寬度20～60 mm，由于受到整機(jī)裝配中橫向尺寸的約束，確定切碎滾筒的工作寬度為600 mm。為避免在切碎過(guò)程中莖稈摩擦動(dòng)刀片的前表面，動(dòng)刀片的刃角γ′與安裝前傾角φ′應(yīng)該滿足γ′+φ′<90°，綜合考慮該動(dòng)刀片應(yīng)具有很強(qiáng)拋送能力和初步切斷莖稈的功能[24]，設(shè)計(jì)動(dòng)刀片的刃角γ′=21°，安裝前傾角φ′=50°。為保證切碎過(guò)程的平穩(wěn)性、連續(xù)性，采用2組共16把動(dòng)刀左右交錯(cuò)安裝在滾筒體動(dòng)刀座上，考慮到降低加工成本和切割功耗，采用削切方式切碎莖稈，并將切段油菜沿拋送罩殼直接拋出。

莖稈理論切碎長(zhǎng)度為相鄰動(dòng)刀片兩次切斷動(dòng)作之間莖稈的進(jìn)給量，考慮到油菜莖稈輸送與切割過(guò)程中非垂直喂入以及打滑因素的影響，實(shí)際切碎長(zhǎng)度為

(7)

式中nq——切碎滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

zq——切碎滾筒上單排動(dòng)刀片數(shù)，為8

ε——莖稈輸送切割過(guò)程的打滑與垂直糾正系數(shù)，取0.55

由式(7)知喂入速度一定時(shí)，莖稈切碎長(zhǎng)度與切碎滾筒轉(zhuǎn)速成反比，依據(jù)GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》，油菜莖稈切碎長(zhǎng)度小于150 mm，由此可計(jì)算得切碎滾筒轉(zhuǎn)速大于437 r/min。

油菜莖稈切段進(jìn)入切碎滾筒后，將在繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)刀片上運(yùn)動(dòng)，設(shè)莖稈切段與動(dòng)刀片為非彈性碰撞，莖稈切段沿刀片方向運(yùn)動(dòng)無(wú)初速度，忽略其重力和空氣阻力，可計(jì)算出莖稈切段在動(dòng)刀片上t時(shí)刻M點(diǎn)的位移及運(yùn)動(dòng)速度，切碎滾筒拋送物料質(zhì)點(diǎn)受力如圖7所示。

圖7 物料質(zhì)點(diǎn)在滑移過(guò)程中受力圖Fig.7 Force diagram of material particle in slip process

轉(zhuǎn)軸O水平配置，動(dòng)坐標(biāo)軸O′L沿葉片方向向外為正并與葉片一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)時(shí)間t=0時(shí)，l=l0，dl/dt=0。質(zhì)點(diǎn)沿刀片運(yùn)動(dòng)的微分方程式為

(8)

式中ω2——切碎滾筒角速度，rad/s

m——物料質(zhì)點(diǎn)M的質(zhì)量

r——物料質(zhì)心位置與葉輪軸心O距離，mm

δ——?jiǎng)拥镀c點(diǎn)M處徑向夾角，(° )

l——物料質(zhì)點(diǎn)M動(dòng)坐標(biāo)，mm

μ——摩擦因數(shù)

rcosδ=l，rsinδ=r0，為了簡(jiǎn)化方程式，使μ=1，則質(zhì)點(diǎn)的位移與速度函數(shù)為

l=(l0+r0)(0.85e0.414ω2t+0.15e-2.414ω2t)+r0

(9)

(10)

式中l(wèi)0——物料質(zhì)點(diǎn)在動(dòng)刀上的初始位置，mm

r0——?jiǎng)拥镀ぷ髅媾c回轉(zhuǎn)中心的垂直距離，mm

式(9)、(10)表征莖稈切段位移及速度與時(shí)間的關(guān)系，影響速度的因素有l(wèi)0、ω2和r0。為使靠近刀片末端的莖稈切段能獲得足夠的速度分量，提高切碎滾筒角速度可有效提高拋送速度，也可以適當(dāng)增大刀片工作面與回轉(zhuǎn)中心的垂直距離，即增大刀片傾角δ0。

由于物料的最佳拋出角為60°～130°，過(guò)低或過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致物料與罩殼碰撞、摩擦，增加功耗[25]?？紤]后面脫粒滾筒空間布局，取動(dòng)刀轉(zhuǎn)角α1=90°，即設(shè)計(jì)拋料罩殼與切碎滾筒的水平面角度呈45°向后傾斜。

莖稈切段的拋送高度H及切碎滾筒轉(zhuǎn)速nq計(jì)算式為

(11)

式中vr——莖稈切段離開(kāi)動(dòng)刀片沿拋料罩殼的線速度，m/s

ηH——由于莖稈切段在拋送過(guò)程中受到相互碰撞纏繞并與罩殼摩擦而造成拋送高度降低的系數(shù)，取0.25

Dq——切碎滾筒直徑，0.4 m

ηr——莖稈切段在拋送過(guò)程中拋送角糾正系數(shù)，取0.9

為保證莖稈切段能沿拋送罩殼拋送至脫粒裝置抓取喂入頭上方而不回流，沿拋送罩殼拋送高度H需大于抓取喂入頭前端豎直高度H1，為減小功耗，沿拋送罩殼拋送高度H需小于抓取喂入頭末端豎直高度H2。由三維圖中可測(cè)得H1=0.93 m，H2=1.66 m，將H1

2.3 脫離裝置

脫粒分離階段作業(yè)部件是縱軸流脫離裝置，如圖8所示，主要包括抓取喂入頭、脫粒滾筒、凹板篩和導(dǎo)向頂蓋等部件。

圖8 縱軸流脫離裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Sketch of longitudinal axial flow threshing and separating device1.抓取喂入頭 2.輻盤(pán) 3.螺旋葉片 4.脫粒齒桿 5.脫粒滾筒軸 6.脫粒釘齒 7.排草板 8.喂入罩殼 9.導(dǎo)向板 10.導(dǎo)向頂蓋

2.3.1抓取喂入頭

抓取喂入頭由螺旋葉片、錐形筒體和連接輻盤(pán)焊合組成。錐形筒體前端直徑D1=200 mm，以提高脫粒裝置的適應(yīng)性和物料的輸送，后端與脫離滾筒齒桿處的圓周面大小相當(dāng)，取錐形筒體后端直徑D2=300 mm。螺旋葉片外徑應(yīng)比脫粒滾筒齒頂圓直徑略大，以便作物能螺旋進(jìn)入脫粒室，故設(shè)計(jì)取螺旋葉片外直徑DT=460 mm。

圖9 物料受力分析 Fig.9 Force analysis of material

油菜莖稈切段從抓取喂入頭上方喂入，在螺旋葉片的作用下，以間歇螺旋形式向脫粒滾筒排草口運(yùn)動(dòng)，假設(shè)莖稈切段已不可再壓縮且在螺旋葉片作用下軸向速度vz恒定。由圖9可知，螺旋葉片與莖稈存在摩擦力Ff和法向推力T，兩者合力F與T偏離一個(gè)角度φ，為莖稈與螺旋葉片的摩擦角。參考文獻(xiàn)[26]，欲使莖稈軸向運(yùn)動(dòng)速度最大，最大螺旋升角βmax和螺旋葉片摩擦角φ應(yīng)滿足：βmax<45°-φ/2=31°。

可確定螺旋葉片螺距S的范圍為

S=πD2tanβ<566 mm

(12)

單頭螺旋的抓取喂入頭長(zhǎng)度l1=S<566 mm，參考現(xiàn)有機(jī)型的標(biāo)準(zhǔn)，考慮到脫粒滾筒縱向空間選取S=300 mm，計(jì)算得螺旋升角β為18°。

為提高油菜切段物料層的輸送能力，在螺旋喂入頭后端延伸一段螺旋葉片，螺旋葉片的軸向輸送能力需要大于脫粒滾筒的喂入量，即

(13)

式中Q——螺旋葉片連續(xù)輸送的輸送量，kg/s

d——螺旋葉片內(nèi)直徑，為300 mm

λ——螺旋葉片與外殼間隙，為10 mm

nz——脫粒滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

ψ——輸送物料的充滿系數(shù)，油菜取0.3

γ——油菜單位容積的質(zhì)量，取80 kg/m3

C——脫粒滾筒傾斜輸送系數(shù)，取0.88

ρ——螺旋葉片罩殼包角系數(shù)，抓取喂入段罩殼包角為180°，取0.5

由式(13)計(jì)算得nz>386 r/min。

2.3.2脫粒滾筒

為適應(yīng)潮濕不均勻大喂入量作物，采用釘齒式脫粒元件。脫粒滾筒的釘齒總數(shù)Z按脫粒裝置的生產(chǎn)效率確定，即

(14)

式中q——脫粒裝置喂入量，取2 kg/s

β′——喂入作物中籽粒所占質(zhì)量比例，取0.25

qd——每個(gè)釘齒的脫粒能力，取0.025 kg/s

由式(14)計(jì)算得Z≥100，考慮到增加齒數(shù)會(huì)造成對(duì)油菜的脫粒打擊作用增強(qiáng)，增強(qiáng)莖稈破碎程度，故取Z=102。

脫粒滾筒齒頂圓直徑Dz計(jì)算式[24]為

Dz=MSz/π+2h

(15)

式中M——滾筒齒桿數(shù)，常用6～12，取6

Sz——齒桿間距，常用120～200 mm，為降低對(duì)油菜莖稈切段打擊次數(shù)，取160 mm

h——釘齒高度，取70 mm

由式(15)可得Dz=445.6 mm，取450 mm。釘齒螺旋頭數(shù)K等于每個(gè)齒跡上的釘齒數(shù)量，一般為2～5，考慮到負(fù)載均勻、提高脫粒能力，采用3頭螺旋排列方式安裝在脫粒齒板上，釘齒排列方式展開(kāi)如圖10所示。

圖10 脫粒滾筒釘齒排列方式Fig.10 Arrangement of nail-tooth on axial threshing cylinder

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[24]，縱軸流脫粒滾筒的脫粒分離段長(zhǎng)度Lt和總長(zhǎng)度L計(jì)算式為

(16)

式中a——釘齒齒跡距，常用25～50 mm，取50 mm

l1——抓取喂入頭長(zhǎng)度，取300 mm

b1——脫粒滾筒前端輻盤(pán)與最始端釘齒的距離，取50 mm

b2——排草段長(zhǎng)度，取220 mm

由式(16)可知縱軸流脫粒滾筒脫粒分離段長(zhǎng)度Lt=1 650 mm，總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2 220 mm。

脫粒滾筒轉(zhuǎn)速nz為

(17)

式中vz——縱軸流脫粒滾筒齒頂圓的線速度，m/s

參考大豆的脫粒速度為7～9 m/s，玉米脫粒速度為17～20 m/s[24]，在保證油菜果莢脫凈率的前提下，為避免因速度過(guò)大導(dǎo)致油菜碎莖稈比例和功耗增大，取vz為10～16 m/s。

由式(17)可求得nz為424～679 r/min，綜合式(13)得脫粒滾筒轉(zhuǎn)速nz為424～679 r/min。

脫粒滾筒下方的凹板篩要與滾筒配合增加對(duì)籽粒的分離能力，針對(duì)已被初步切斷油菜經(jīng)脫粒后混合物中含有短莖稈、油菜籽粒、果莢殼和輕雜余成分，為增加籽粒分離率采用編織篩式凹板篩網(wǎng)，設(shè)計(jì)凹板包角為180°，篩孔尺寸為5 mm×5 mm。脫粒間隙為滾筒齒頂圓與下方凹板篩之間的距離，可通過(guò)調(diào)節(jié)脫粒桿齒兩頭的螺栓使脫粒間隙在20～30 mm可調(diào)。

為保證排草口莖稈排放順暢，在滾筒圓周齒桿末端各焊合3塊150 mm×40 mm×2 mm的排草板(見(jiàn)圖8中部件7)。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，排草板類(lèi)似于風(fēng)機(jī)葉片，增大排草口氣流量，對(duì)切碎莖稈具有助浮、促排的作用。

3 正交試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)油菜品種為華油雜62，種植方式為機(jī)直播，人工收獲后運(yùn)送至試驗(yàn)場(chǎng)地。試驗(yàn)以自行研制的4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)為平臺(tái)，主要試驗(yàn)設(shè)備包括：雷諾CHPM480-05-0C型八通道液壓測(cè)試儀、SR-PTT400-05-OC型壓力傳感器、GFM3143-03-035.00型齒輪式流量傳感器、SR-CT60-B-B-6型渦輪式流量傳感器、轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x及配套的霍爾元件接頭。將霍爾元件接頭安裝在各馬達(dá)與部件聯(lián)接的聯(lián)軸器處，并通過(guò)數(shù)據(jù)線與轉(zhuǎn)速顯示儀連接，實(shí)時(shí)顯示各馬達(dá)轉(zhuǎn)速。將雷諾壓力傳感器和流量傳感器分別串聯(lián)到切碎滾筒及脫粒滾筒回路中，通過(guò)數(shù)據(jù)線將壓力、流量傳感器與雷諾八通道液壓測(cè)試儀連接，液壓測(cè)試儀采集記錄來(lái)自傳感器的壓力、流量等相關(guān)液壓數(shù)據(jù)，試驗(yàn)臺(tái)如圖11所示。

圖11 切拋組合式縱軸流脫離裝置試驗(yàn)臺(tái)Fig.11 Test bed of combined cutting and throwing longitudinal axial flow threshing and separating device1.輸送帶 2.割臺(tái) 3.切拋組合式縱軸流脫離裝置 4.轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x 5.八通道液壓測(cè)試儀 6.壓力和流量傳感器

3.2 試驗(yàn)方法

每次試驗(yàn)開(kāi)始前將2 kg試驗(yàn)油菜均勻平鋪在喂入輸送帶上，輸送帶由變頻器帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由變頻器調(diào)速來(lái)控制喂入量為2 kg/s。將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至2 000 r/min，啟動(dòng)關(guān)鍵部件液壓系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)被測(cè)回路節(jié)流閥開(kāi)度，改變各回路上復(fù)切輸送器、喂入輥、切碎滾筒和脫粒滾筒的馬達(dá)轉(zhuǎn)速至要求數(shù)值，待各裝置運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，啟動(dòng)輸送裝置，完成輸送、喂入、脫粒分離和接料過(guò)程。

每次試驗(yàn)結(jié)束后，收集縱軸流脫粒裝置篩下物出料口和排草口處的物料，分別篩分出其中的油菜籽粒并稱(chēng)量。喂入物料總質(zhì)量為M0，透過(guò)凹板篩的物料總質(zhì)量為M1，其中籽粒質(zhì)量為m1，短莖稈的質(zhì)量為m2；排草口排出的物料質(zhì)量為M2，其中夾帶的籽粒質(zhì)量為m3。則夾帶損失率β1、篩下脫出物中籽粒所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)η1、篩下脫出物短莖稈所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)η2為

(18)

將液壓測(cè)試儀中切碎滾筒和脫粒滾筒液壓回路的流量、壓差等數(shù)據(jù)導(dǎo)入配套軟件中，液壓測(cè)試儀可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果自動(dòng)生成流量與壓力關(guān)于時(shí)間的數(shù)據(jù)曲線圖，計(jì)算出切碎滾筒電動(dòng)機(jī)回路和脫粒滾筒電動(dòng)機(jī)回路的流量qv(L/min)及功耗P(kW)

(19)

(20)

其中

ηt=ηMmηMv

(21)

式中Vg——電動(dòng)機(jī)排量，切碎滾筒和脫粒滾筒電動(dòng)機(jī)排量為51.7 mL/r

n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

Δp——電動(dòng)機(jī)工作壓差，MPa

qv——電動(dòng)機(jī)工作流量，L/min

ηMv——電動(dòng)機(jī)容積效率，取0.95

ηMm——電動(dòng)機(jī)機(jī)械效率，取0.92

ηt——電動(dòng)機(jī)總效率，為0.874

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)機(jī)器的設(shè)計(jì)要求，喂入量為2 kg/s，按L9(34)正交表安排因素的3個(gè)不同水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，選擇脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、切碎滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙為影響因素，以脫粒夾帶損失率、切碎滾筒和脫粒滾筒總功耗、脫出物短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)和排草口莖稈平均長(zhǎng)度為試驗(yàn)指標(biāo)。切碎滾筒轉(zhuǎn)速為437～552 r/min，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速424～679 r/min，脫粒間隙為20～30 mm，以降低功耗為原則確定試驗(yàn)因素水平范圍，如表2所示。

通過(guò)對(duì)油菜聯(lián)合收獲機(jī)切拋組合式縱軸流脫離裝置進(jìn)行脫粒分離試驗(yàn)，得到脫粒夾帶損失率、脫出物短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)、總功耗(包括切碎滾筒功耗和脫粒滾筒功耗)和排草口莖稈平均長(zhǎng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，A、B、C分別為脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、切碎滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙的因素水平值。

由表3可知，通過(guò)極差分析得，影響總功耗和排草口莖稈平均長(zhǎng)度的主次因素分別為：脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、切碎滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙。對(duì)于總功耗和排草口莖稈平均長(zhǎng)度的最優(yōu)方案分別為A1B1C2和A3B3C1，說(shuō)明適當(dāng)減小脫粒間隙有助于縮短排草口莖稈平均長(zhǎng)度，脫粒滾筒和切碎滾筒轉(zhuǎn)速增加造成功耗上升、排草口莖稈平均長(zhǎng)度減小，由于在各因素不同水平下排草口莖稈平均長(zhǎng)度都滿足設(shè)計(jì)要求，考慮到降低功耗選擇脫粒滾筒和切碎滾筒轉(zhuǎn)速較低的水平。切碎滾筒轉(zhuǎn)速增加使得單位時(shí)間莖稈被切碎程度越大，造成透過(guò)凹板篩的脫出物中短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，不利于后續(xù)清選作業(yè)，結(jié)合降低功耗和夾帶損失率的原則，本文選擇切碎滾筒轉(zhuǎn)速為450 r/min，同時(shí)其它試驗(yàn)指標(biāo)下脫粒滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min為出現(xiàn)次數(shù)較多的優(yōu)水平，所以取脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為450 r/min；為降低夾帶損失率和脫出物短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取脫粒間隙為30 mm。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Factors and levels of experiment

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析Tab.3 Results of orthogonal test and range analysis

由表4的方差分析可知，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒夾帶損失率、脫出物短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)、功耗、排草口莖稈平均長(zhǎng)度影響達(dá)顯著或極顯著水平，切碎滾筒轉(zhuǎn)速顯著影響脫出物短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)和排草口莖稈平均長(zhǎng)度，脫粒間隙對(duì)脫出物短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis result

注：** 表示因素影響極顯著，*表示因素影響顯著。

綜上分析，較優(yōu)參數(shù)組合方案為A1B1C3，即切碎滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min，脫粒間隙30 mm。由于較優(yōu)參數(shù)未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)中，在較優(yōu)參數(shù)下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，油菜聯(lián)合收獲機(jī)切拋組合式縱軸流脫離裝置的性能指標(biāo)為：夾帶損失率0.415%，脫出物短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.43%，總功耗4.16 kW，排草口莖稈平均長(zhǎng)度134.8 mm。

正交試驗(yàn)主要研究切拋組合式縱軸流脫離裝置的脫離性能，以期尋求較優(yōu)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)組合，為綜合考慮整機(jī)性能，需分析聯(lián)合收獲機(jī)的清選性能；在切拋組合式脫離裝置較優(yōu)參數(shù)組合下收集脫粒滾筒篩下脫出物，并喂入整機(jī)上旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)進(jìn)行清選性能試驗(yàn)，得出旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)籽?？倱p失率與清潔率分別為6.13%與91.97%，滿足整機(jī)旋風(fēng)分離清選性能要求。

4 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)于2018年5月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地，依據(jù)GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》進(jìn)行。以4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)材料為華油雜62，種植方式為機(jī)直播，種植密度為40株/m2，油菜平均株高為1 456 mm，平均籽粒含水率為18.47%，平均莖稈含水率為26.38%；聯(lián)合收獲機(jī)割幅2 m，試驗(yàn)時(shí)割茬高度為350 mm，機(jī)組前進(jìn)速度3.24～4.68 km/h，喂入量為2.0～2.9 kg/s，作業(yè)效率為0.65～0.94 hm2/h。工作后收集脫粒滾筒排草口、旋風(fēng)分離筒出糧口和離心風(fēng)機(jī)出口處物料并稱(chēng)量, 計(jì)算脫粒滾筒夾帶損失率和旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)清潔率及損失率。油菜成熟度不一致,田間溝壑較多、行走速度不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致整機(jī)喂入量波動(dòng), 脫粒滾筒夾帶損失率平均值為2.41%，清選系統(tǒng)損失率平均值為7.83%，清潔率平均值為87.65%。

油菜聯(lián)合收獲機(jī)田間收獲作業(yè)時(shí)整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，物料流動(dòng)順暢未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，田間試驗(yàn)效果如圖12所示。試驗(yàn)表明切拋組合式縱軸流脫離裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)油菜的抓取喂入、切斷拋送、脫粒分離功能，提高了整機(jī)在田間的適應(yīng)性，可滿足油菜聯(lián)合收獲機(jī)的工作要求。

圖12 田間試驗(yàn)Fig.12 Field experiment

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種切拋組合式縱軸流脫離裝置，切拋裝置在強(qiáng)制喂入的基礎(chǔ)上，同時(shí)具有初步切斷和拋送功能，切斷后莖稈被快速拋送至脫離裝置內(nèi)進(jìn)行脫粒分離，減少了油菜高粗莖稈輸送過(guò)程的纏繞堵塞現(xiàn)象，通過(guò)將兩者組合實(shí)現(xiàn)油菜的強(qiáng)制喂入、切斷拋送、脫粒分離功能，滿足油菜聯(lián)合收獲機(jī)脫粒要求。整機(jī)關(guān)鍵部件采用液壓驅(qū)動(dòng)，保證其無(wú)級(jí)調(diào)速和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

(2)試驗(yàn)分析得出：影響總功耗(包括切碎滾筒功耗和脫粒滾筒功耗)和排草口莖稈平均長(zhǎng)度的因素主次順序?yàn)椋好摿L筒轉(zhuǎn)速、切碎滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙；影響夾帶損失率的因素主次順序?yàn)椋好摿L筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、切碎滾筒轉(zhuǎn)速；影響脫出物短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的因素主次順序?yàn)椋呵兴闈L筒轉(zhuǎn)速、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙。

(3)通過(guò)正交試驗(yàn)，優(yōu)化確定切拋組合式縱軸流脫離裝置的影響因素較優(yōu)組合為：切碎滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、脫粒間隙30 mm。較優(yōu)參數(shù)組合下脫粒性能指標(biāo)為：籽粒夾帶損失率0.415%、脫出物短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.43%、總功耗4.16 kW、排草口莖稈平均長(zhǎng)度134.8 mm；對(duì)應(yīng)的旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)籽粒總損失率與清潔率分別為6.13%與91.97%。

(4)田間試驗(yàn)表明：脫粒滾筒夾帶損失率平均值為2.41%，清選系統(tǒng)損失率平均值為7.83%，油菜籽粒清潔率平均值為87.65%。4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)收獲油菜時(shí)物料流動(dòng)順暢，罩殼內(nèi)未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，切拋組合式縱軸流脫離裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)油菜的抓取喂入、切斷拋送、脫粒分離功能。本研究可為縮短油菜在聯(lián)合收獲機(jī)內(nèi)的流動(dòng)路徑、穩(wěn)定脫粒滾筒負(fù)載提供參考。