肖 龍，尹 健，孔朵朵，張 奎，王澤宇

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

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小型半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)簡(jiǎn)易割臺(tái)的設(shè)計(jì)

肖 龍，尹 健▲，孔朵朵，張 奎，王澤宇

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

割臺(tái)作為收割機(jī)最重要的部件之一，是關(guān)系著收割機(jī)性能能否滿足需求的關(guān)鍵模塊。本次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易割臺(tái)通過單撥禾星輪完成對(duì)收割水稻的導(dǎo)入，并使用平行四邊形機(jī)構(gòu)保證割臺(tái)高度調(diào)節(jié)前后始終與地面保持平行。文章主要研究了撥禾星輪的尺寸參數(shù)，輪廓曲線以及傾斜角度等內(nèi)容。

割臺(tái)，撥禾星輪，水稻，收割機(jī)

0 引言

水稻收割機(jī)的割臺(tái)按扶禾方式來區(qū)別，主要可分為偏心輪式，鏈?zhǔn)胶蛽芎绦禽喪降?。其中偏心輪式由兩個(gè)偏心輪和梳齒組成一個(gè)大滾筒，這種割臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)一般倒伏水稻具有扶正作用，但體型也大，因此常用于全喂入收割機(jī)；鏈?zhǔn)椒龊桃话阋枣湕l和撥指構(gòu)成，體積較小，對(duì)倒伏具有較強(qiáng)扶正作用，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且成本高；撥禾星輪式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)一般情況可以滿足要求。

我國南方丘陵地區(qū)，特別是西南部分山地區(qū)域，由于其地形，交通，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等的局限，要求水稻收割機(jī)必須體型小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且價(jià)格較低。因此，撥禾星輪式扶禾的割臺(tái)能更好的滿足需求。

1 割臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 割臺(tái)主要組成部件

經(jīng)過多次試驗(yàn)和改進(jìn)，本次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易割臺(tái)由撥禾星輪完成扶禾功能，并對(duì)其他部件進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)[1]。割臺(tái)(圖1)主要由撥禾星輪、分禾器、禾桿輸送裝置、高度調(diào)節(jié)裝置和割刀5個(gè)主要部分組成。

1-撥禾星輪；2-分禾器；3-禾桿輸送裝置；4-高度調(diào)節(jié)裝置；5-割刀

1.2 撥禾星輪

1.2.1 星輪分度圓半徑R分計(jì)算

如圖2所示，工作時(shí)扶禾星輪由橫向傳送鏈條帶動(dòng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在作物被割斷后沿著AE線從左至右經(jīng)撥禾指和導(dǎo)禾桿輸送。收割機(jī)前方收割區(qū)域可分為一、二、三區(qū)(如圖中L1，L2，L3)，其中二區(qū)的水稻收割時(shí)被帶動(dòng)傾斜量最小，一、三區(qū)較大，所以為保證跨距S內(nèi)切割傾斜角盡量小，需要使一、三區(qū)寬度相等，從而使兩區(qū)域最大傾斜角相等。

1-分禾器；2-撥禾星輪；3-切割

因?yàn)?/p>

L3=R分

(1)

L1=L3=R分

(2)

L2=R分+Δ

(3)

S=L1+L2+L3=3R分+Δ

(4)

所以

R分=(S-Δ)/ 3

(5)

式中：S—撥禾星輪總跨距；

L1，L2，L3— 一，二，三區(qū)寬度；

Δ—左分禾器最右端B點(diǎn)與撥禾星輪最左端C點(diǎn)距離；

R分—撥禾星輪分度圓半徑。

總跨度S距離約為600 mm，Δ一般取10 mm左右，代入式(5)得R分=197 mm，由于星輪由橫向輸送鏈條帶動(dòng)，所以半徑還需根據(jù)鏈條節(jié)距略微調(diào)整，以確定最后的撥禾星輪直徑。

1.2.2 撥禾輪齒數(shù)Z的確定

在鏈條節(jié)距已定的情況下，齒數(shù)計(jì)算公式如式(6)：

(6)

式中：t節(jié)—橫向輸送鏈條節(jié)距；

Z—撥禾星輪齒數(shù)。

由于t節(jié)=25.4 mm，R分=197 mm

代入t節(jié)和R分，得：Z=48.6，由于齒數(shù)需為整數(shù)，所以取Z=48，齒數(shù)太多，使六個(gè)橫向鏈節(jié)嚙合一個(gè)撥禾輪指，得Z=8。

由齒數(shù)和鏈條節(jié)距的數(shù)值，根據(jù)公式(6)逆推得R節(jié)=194.2 mm。

1.2.3 撥指工作輪廓的確定

由于撥指曲面的工作輪廓確定后需滿足以下兩個(gè)條件：

1)切割完成后，禾桿被橫向輸送鏈條往右傳動(dòng)時(shí)，星輪脫離鏈條時(shí)摩擦力足夠小，使星輪順利和禾桿脫離，不出現(xiàn)“帶草”現(xiàn)象。

2)撥禾過程中，保證齒面與禾桿的摩擦力夠大，使禾桿不會(huì)滑動(dòng)脫離拔禾星輪。

如圖3所示。

圖3 星輪工作示意圖

脫離階段為XOY區(qū)域，對(duì)于任意工作點(diǎn)A2，要保證禾桿沿著拔禾星輪的輪廓線滑動(dòng)，順利脫離，則必須摩擦力足夠小，即合力與接觸面法向夾角大于摩擦角φ，經(jīng)換算得角α>2φ，即：

(7)

式中：Ф—A2點(diǎn)齒面切線MN與極徑OA2(ρ)的夾角；

ρ—A2點(diǎn)極徑OA2的長度；

a—A2點(diǎn)極徑OA2在Y軸上投影的長度；

α—A2點(diǎn)處齒面切線與A2點(diǎn)與X軸平行的直線ST的夾角。

我們可以用式(7)來畫出星輪工作面的輪廓線。由式(7)可知，只需確定參數(shù)角α，長度a，就可算出每一個(gè)極徑長度ρi對(duì)應(yīng)的Фi角大小。由于角α>2φ，而稻桿與星輪的摩擦角范圍為φ=17°～35°，為使稻桿能輕松脫出，取∠α=75°。為使齒間容量最大可能擴(kuò)充，長度a應(yīng)盡量靠近齒根圓，所以取a為最小極徑a=ρ0=80 mm。

根據(jù)式(7)和上面的數(shù)據(jù)，得出極徑長度ρi與對(duì)應(yīng)的Фi角數(shù)據(jù)如表1。

表1 ρi ，Фi值對(duì)應(yīng)表

如圖4所示，建立XOY坐標(biāo)系，在Y軸正半軸上取長度為ρa(bǔ)=100得到點(diǎn)A0，以A0為起點(diǎn)作直線A0A1，使∠OA0A1=Фa=21.9°，在A1A0的延長線上取一點(diǎn)B0，使OB0=ρB=120 ，以B0為起點(diǎn)作直線B0B1，使∠OB0B1=ФB=33.2°，用相同方法可得到C0，D0，E0和F0。用圓滑的曲線連接A0到F0，即可得到撥禾星輪的工作曲線。

圖4 撥禾星輪工作曲線

如圖3中拔禾階段為-XO-Y區(qū)域，在拔禾階段任意一點(diǎn)A1，當(dāng)A1為為工作點(diǎn)與禾桿接觸時(shí)，禾桿受到A1C方向由機(jī)器行走帶來的力和A1B方向由拔禾輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的力作用，若要使齒面的摩擦力足夠大，則A1B，A1C兩個(gè)方向形成的合力A1D的方向與A1處的法線AE的夾角β小于摩擦角φ。

所以有：

(8)[2]

式中：Ф—A1點(diǎn)齒面切線MN與A1點(diǎn)極徑OA1(ρ)的夾角；

Vs—A1點(diǎn)線速度；

VM—收割機(jī)行走速度；

R節(jié)—星輪節(jié)圓半徑，標(biāo)準(zhǔn)安裝時(shí)等于分度圓半徑；

τ—A1O與X軸的夾角。

由式(8)可知，β角的大小取決于Vs和Vm的比值，選擇合適的比值，即可保證角β小于摩擦角φ。

1.2.4 撥禾星輪外形確定

根據(jù)已得出的星輪半徑R節(jié)、齒數(shù)Z和確定的工作曲線，保證足夠的齒間容量的前提下，選擇合適的撥指頂部過渡圓弧半徑r和撥指寬度，稍加調(diào)整即可繪制出撥禾星輪的外形輪廓圖，如圖5。

圖5 撥禾星輪外形

1.2.5 能收獲植株傾斜角度計(jì)算

在不影響星輪轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下，將撥禾星輪傾斜一定角度可使收割機(jī)具有收割一定角度內(nèi)的倒伏植株的功能，提升收割性能。

如圖6所示，撥禾星輪與傾斜植株都處于極限位置，此時(shí)收割機(jī)對(duì)植株扶正能力最強(qiáng)，待收獲植株傾斜角度θ最大。在已知鏈條寬度d=18 mm，高度B1=8 mm和撥禾星輪撥指厚度B2=3 mm，傾斜角θ計(jì)算過程如下：

(9)

1-鏈條；2-撥禾星輪；3-割刀；4-傾斜植株；5-撥正后植株

式中：α— 撥指與鏈條的夾角；

d—鏈條寬度；

B1—鏈條高度；

B2—撥指厚度。

代入d，B1，B2，求出α=28°，如圖5，因?yàn)棣?γ=α=28°，所以能收獲植株傾斜角為0°～28°。

1.3 分禾器

如圖1中標(biāo)號(hào)2部件所示，分禾器以薄板制作，割臺(tái)左右各一個(gè)，分禾器把收割機(jī)正前方即將收割的水稻與暫不收割的部分隔開，并將收割部分聚集起來導(dǎo)入撥禾星輪與輸送裝置之間，使割刀能夠順利把秸稈從合適位置割斷。

1.4 禾桿輸送裝置

這里的禾桿輸送裝置(圖1標(biāo)號(hào)3)[3]由鏈條和固定在鏈條上的撥指完成其功能，不斷運(yùn)轉(zhuǎn)的禾桿輸送裝置，帶動(dòng)撥禾星輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將被割斷的水稻植株傳輸給脫粒部件。

1.5 高度調(diào)節(jié)裝置

割臺(tái)(圖1標(biāo)號(hào)4)的高度能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，就可以收割不同高度的水稻，如圖7所示，改進(jìn)后的高度調(diào)節(jié)裝置使用電動(dòng)推桿作為調(diào)節(jié)動(dòng)力，以平行四邊形機(jī)構(gòu)保證割臺(tái)的與地面的平行，這樣能保證割臺(tái)與脫粒部件的交接，不影響秸稈向脫粒滾筒的輸送。

1-割臺(tái)；2-電動(dòng)推桿

1.6 割刀

這里使用往復(fù)式切割的割刀(圖1標(biāo)號(hào)5)，即動(dòng)刀片相對(duì)于定刀片快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以切斷秸稈。這里使割刀正常收割時(shí)切割速率為1.3 m/s左右，經(jīng)試驗(yàn)，切割效果良好。

2 總結(jié)

在經(jīng)過數(shù)次的設(shè)計(jì)研究和樣機(jī)試制[4]后，改進(jìn)后的割臺(tái)不僅結(jié)構(gòu)更精簡(jiǎn)、體型更小、重量更輕，也將使收割機(jī)擁有更優(yōu)秀的收割性能，這將使小型半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)向市場(chǎng)化邁進(jìn)新的一步。

【REFERENCES】

[1] 肖龍祥，尹健，潘遠(yuǎn)香，等.輪距可調(diào)電驅(qū)式半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)驅(qū)動(dòng)底盤的靜動(dòng)態(tài)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016(3)：182-185.

XIAO L X，YIN J，PAN Y X，et al.The static and dynamic analysis of driver chassis of electric drive semi-feeding rice combine harvester with adjustable wheel distance[J].Machinery Design & Manufacture，2016(3)：182-185.

[2] 華南農(nóng)學(xué)院農(nóng)機(jī)教研室.水稻聯(lián)合收割機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出社，1981：52-57.

[3] 朱秉蘭.簡(jiǎn)明農(nóng)機(jī)手冊(cè)：第二版[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2001：594-605.

[4] 尹健，陳蘭，黃年月，等.輪距可調(diào)的電驅(qū)式小型半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016(3)：129-133.

YIN J，CHEN L，HUANG N Y，et al.Design of an electrical driven semi-feeding rice combine harvester with adjustable wheel distance device[J].Journal of Agricultural Mechanization Research，2016(3)：129-133.

Design of a simple header for the small semi-feed combine harvester

XIAO Long，YIN Jian▲，KONG Duoduo，ZHANG Kui，WANG Zeyu

(SchoolofMechanicalEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)

The header is one of the most important components of a harvester，and it is the key to the performance of the harvester.We designed a simple header with a single star wheel to draw in the rice，and a parallelogram structure to ensure the header parallel to the ground before and after the height adjustment.In this paper，we elaborated on the size parameters，the contour curve and the slant angle of the star wheel.

header，star wheel，rice，harvester

S

A

2016-08-25；

2016-09-05

肖 龍(1989-)，男，在讀碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

▲通訊作者：尹 健(1962-)，男，教授，研究方向：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。