任嘉宇
(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154000)
在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,谷物聯(lián)合收獲機(jī)的普及率實(shí)現(xiàn)了快速提升,其對小麥、水稻、大豆、油菜等糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物具有良好的收獲效率,并能在作業(yè)過程中完成切割、收集、脫粒、分離、清糧、集糧等多道工序,有效優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程。尤其在我國糧食產(chǎn)量明顯提高、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的前提下,糧食收獲質(zhì)量成為社會關(guān)注的熱點(diǎn)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要點(diǎn)。谷物聯(lián)合收獲機(jī)脫粒與清糧裝置性能是關(guān)乎糧食收獲品質(zhì)的關(guān)鍵,其能夠有效獲取糧食并清除收獲過程混雜的穎殼、碎葉等雜物,進(jìn)而獲得潔凈的籽粒,脫粒與清糧質(zhì)量已經(jīng)成為評判谷物聯(lián)合收獲機(jī)的重要指標(biāo),提升脫粒與清糧品質(zhì)是現(xiàn)階段農(nóng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵,對于谷物聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。
隨著聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)的發(fā)展,近年來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣的谷物聯(lián)合收獲機(jī)以自走型設(shè)備為主,其集成了傳統(tǒng)收割機(jī)結(jié)構(gòu)和脫粒清選機(jī)械,并利用中間輸送裝置進(jìn)行連接,形成功能全面的復(fù)合型設(shè)備。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機(jī)械化理念的影響下和國家惠農(nóng)購機(jī)補(bǔ)貼的政策支持下,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的谷物聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)品種類多樣,普及較廣的設(shè)備包括約翰迪爾、紐荷蘭、阿格科等國際企業(yè)生產(chǎn)的中大型產(chǎn)品,以及中收集團(tuán)、中聯(lián)集團(tuán)、沃得農(nóng)機(jī)、雷沃集團(tuán)等國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,有效保證了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收獲工作的順利實(shí)施。脫粒與清糧裝置是谷物聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu),用于糧食的籽粒脫離與獲取,該技術(shù)一直以來都是谷物聯(lián)合收獲機(jī)的研究重點(diǎn)。從國際范圍看,谷物脫粒與清糧裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)日趨合理,研究與優(yōu)化的重點(diǎn)集中于脫粒與清糧過程中谷粒脫出規(guī)律、破損情況優(yōu)化、參數(shù)與節(jié)能、潔凈率與損失率關(guān)系等方面。目前,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的谷物聯(lián)合收獲機(jī)以軸流式聯(lián)合收獲機(jī)最為典型,橫軸流與縱軸流谷物聯(lián)合收獲均有較高普及率。我國農(nóng)機(jī)企業(yè)和科研院所在針對脫粒與清糧技術(shù)的研究中重點(diǎn)集中于通過機(jī)械結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化匹配脫粒與清糧的效率和糧食損失、破損等問題。
李文斌等[2]為優(yōu)化聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置設(shè)計(jì)過程,研究開發(fā)了一款基于Server2012知識庫和Visual Studio 2012的設(shè)計(jì)平臺,能夠以脫粒滾筒實(shí)例結(jié)合CAE軟件進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn),有效提升脫粒裝置設(shè)計(jì)質(zhì)量,并縮短產(chǎn)品研發(fā)改進(jìn)的周期。劉宏新等[3]研究了一種交互式脫粒裝置工程分析系統(tǒng),能夠利用CATIA實(shí)現(xiàn)對脫粒裝置的二次開發(fā)接口,能實(shí)現(xiàn)對脫粒裝置的精準(zhǔn)測試,有利于解決脫粒裝置現(xiàn)有典型技術(shù)問題。唐小涵等[4]設(shè)計(jì)了一臺風(fēng)篩式清選裝置清選作業(yè)參數(shù)可調(diào)式清選損失物料分布規(guī)律檢測試驗(yàn)臺,能實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩曲柄轉(zhuǎn)速、魚鱗篩篩片開度的調(diào)控優(yōu)化調(diào)整清選參數(shù),有效提高谷物聯(lián)合收獲機(jī)性能與自動(dòng)化程度。
脫粒與清糧裝置的主要功能是獲得潔凈的谷粒,主體工作流程如圖1所示,作物進(jìn)入脫粒結(jié)構(gòu)后絕大部分籽粒被脫粒結(jié)構(gòu)脫下后進(jìn)入清糧裝置,全喂入式谷物聯(lián)合收獲機(jī)脫粒結(jié)構(gòu)通常脫粒后僅有70%~75%的谷粒進(jìn)入清糧結(jié)構(gòu),剩余的谷粒與秸稈一同進(jìn)入分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離,實(shí)現(xiàn)谷粒進(jìn)一步脫粒獲取后將谷物送入清糧結(jié)構(gòu),清糧結(jié)構(gòu)將谷物中的雜余去除,提取潔凈籽粒,分離出的雜余被排出機(jī)外,灑落田間。
圖1 脫粒與清糧工藝流程
根據(jù)技術(shù)類型的不同,脫粒與清糧裝置的種類也存在一定差異,脫粒裝置根據(jù)脫粒原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的差異可分為紋桿滾筒式(切流式、軸流式)、釘齒滾筒式(切流式、軸流式)、弓齒滾筒式三大類型;分離裝置以鍵式逐稿器為最常用類型,分離輪式逐稿器、平臺式逐稿器相對應(yīng)用較少;清糧裝置根據(jù)布置形式的不同可分為氣流式、篩子式、氣流篩子組合式三類。
谷物進(jìn)入脫粒結(jié)構(gòu)后,會受到脫粒結(jié)構(gòu)的反復(fù)沖擊和揉搓作用,以弓齒滾筒式脫粒技術(shù)為例(圖2),谷物進(jìn)入脫粒裝置的初期,主要受到有規(guī)律的間歇沖擊作用,并在滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)下將谷物向后方輸送,后方的結(jié)構(gòu)主要對谷物和秸稈進(jìn)行揉搓,在沖擊和揉搓的共同作用下,約70%~80%的籽粒與秸稈實(shí)現(xiàn)分離,剩余籽粒夾雜在莖稈中,在向出口輸送過程中可能被高頻振動(dòng)影響而脫落,其余籽粒與莖稈一同進(jìn)入分離結(jié)構(gòu)。
圖2 弓齒滾筒式脫粒結(jié)構(gòu)
脫粒性能的主要驗(yàn)證因素包括脫粒效率和脫粒損失率兩項(xiàng),其計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示
(1)
(2)
式中:η—脫粒結(jié)構(gòu)脫粒效率;kg·h-1;
W喂—谷物喂入量;kg;
t—作業(yè)時(shí)間;h;
St—脫粒損失率;%;
Ws—脫粒損失量;kg;
W—理論谷物籽粒收獲量;kg。
脫粒性能的影響因素較多,常規(guī)性能驗(yàn)證時(shí)主要驗(yàn)證單位面積的糧食實(shí)際收獲情況,脫粒質(zhì)量常受到脫粒技術(shù)、喂入均勻度、谷物濕度等影響,理論最佳脫粒質(zhì)量在籽粒含水率22%~24%,莖稈含水率28%~31%時(shí)具有較好的收獲與脫粒性能。
通常情況下,全喂入式谷物收獲機(jī)配備有分離結(jié)構(gòu),其主要功能是將脫粒后的長脫出物中夾帶的籽粒及斷穗頭分離出來,減少脫粒過程的糧食損失。分離結(jié)構(gòu)主要包括兩種技術(shù)原理,一是拋揚(yáng)原理,是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)對谷物莖稈層施加拋送力,使莖稈做拋物運(yùn)動(dòng),利用谷物籽粒的密度大、莖稈碎葉等雜質(zhì)密度小的特征實(shí)現(xiàn)籽粒與較大雜余的分離;二是離心原理,利用分離滾筒的高轉(zhuǎn)速,由于籽粒密度大,將籽粒從莖稈中分離并在分離筒周邊的小孔處落出。
分離性能的主要驗(yàn)證因素為分離損失率,其計(jì)算公式如式(3)所示
(3)
式中:Sf—分離損失率;%;
Wf—分離損失量;kg。
分離性能的驗(yàn)證結(jié)果受到多種因素的影響,主要包括:1)谷物外徑與分離孔徑或篩條間距的匹配程度,通常情況下,分離孔徑或篩條間距應(yīng)為谷物平均外徑的1.1~1.3倍,當(dāng)孔徑或篩條間距過小,會造成糧食損失率增加,當(dāng)孔徑或篩條間距偏大,糧食中雜質(zhì)增多,清糧工作難度增加;2)分離滾筒轉(zhuǎn)速越高,分離損失率越低,但糧食破損率隨之升高,反之則反。
清糧裝置的主要功能是將經(jīng)脫粒裝置和分離裝置脫粒分離后的含雜谷物進(jìn)行清選提純的過程,清糧過程的主要目的是去除谷粒中混雜的莖稈、穎殼和灰塵等細(xì)小夾雜物,以獲得清潔的谷物籽粒。
清糧性能的主要驗(yàn)證因素為清糧損失率和含雜率,其計(jì)算公式如式(4)、式(5)所示
(4)
式中:Sq—清糧損失率;%;
Wq—清糧損失量;kg。
(5)
式中:N—含雜率;%;
Ws—谷物實(shí)際收獲量;kg;
Z—雜余重量;kg。
清糧性能主要受到以下幾方面影響,1)篩體布局,篩體布局包括單層篩、多層篩兩類,其中多層布局更有利于細(xì)化篩分,提高糧食清潔性,并降低糧食損失;2)風(fēng)機(jī)技術(shù),風(fēng)機(jī)的匹配性對清糧質(zhì)量影響較大,風(fēng)力過小雜余去除不徹底,導(dǎo)致含雜率升高;風(fēng)力過大糧食損失率相應(yīng)增加。
不同的脫粒裝置結(jié)構(gòu)與技術(shù)對于不同谷物存在適用性差異,例如應(yīng)用較多的紋桿滾筒式脫粒技術(shù),脫粒過程以搓擦脫粒方式為主,對于小粒種子脫粒能力強(qiáng),較適合含水率較低的小麥、水稻等作物脫粒,當(dāng)谷物含水率偏高或喂入不均勻時(shí),脫粒質(zhì)量會明顯下降;相對而言,釘齒滾筒式脫粒技術(shù)采用沖擊與搓擦相配合的形式,對于喂入不均勻、含水率偏高的谷物適用性更好,但因斷稈率較高,對分離技術(shù)的要求更高。
清糧裝置的適用性選擇主要從兩方面著手,一是篩子技術(shù)選擇,通常情況下編織篩適合初步篩分,布置于多層篩的上層;沖孔篩篩分精度更高,但效率相應(yīng)降低,適合應(yīng)用于下篩;魚眼篩具有良好的推送能力,但篩分效率偏低,適用于雜余輸出性能強(qiáng)的下篩使用。二是風(fēng)機(jī)技術(shù),離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單,但送風(fēng)存在定向特征,均勻性不良,為提升性能,通常需在上下篩面分別配置離心風(fēng)機(jī),應(yīng)用較為廣泛;軸流風(fēng)機(jī)雖然氣流分布均勻但送風(fēng)面積小,適合清糧難度較低的場合;橫流風(fēng)機(jī)氣流分布均勻且風(fēng)力較大,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高,適合先進(jìn)的大型收獲機(jī)。
綜上所述,谷物聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒與清糧性能對糧食收獲質(zhì)量影響很大,從我國自主農(nóng)機(jī)技術(shù)角度出發(fā),未來脫粒與清糧技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)性能研究,優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù),提高技術(shù)適用性和合理性,同時(shí),從研發(fā)與應(yīng)用角度加強(qiáng)谷物聯(lián)合收獲機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證,確保優(yōu)勢機(jī)型得到普及與應(yīng)用。
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