廖慶喜 徐 陽 袁佳誠 萬星宇 蔣亞軍

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 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，但同時也存在適收期短、收獲損失率不易控制等缺點。我國現(xiàn)有的油菜聯(lián)合收獲機多基于傳統(tǒng)全喂入式稻麥聯(lián)合收獲機設計[1-3]，脫粒裝置是油菜聯(lián)合收獲機的核心部件, 它不僅決定了整機的脫粒質(zhì)量，且影響后續(xù)清選效果[5-7]。

目前，眾多學者針對脫粒裝置開展了系統(tǒng)研究，包括探究脫粒分離結(jié)構(gòu)對性能的影響[8-13]，降低脫粒滾筒總功耗[14-16]，分析脫離裝置內(nèi)的物料運動規(guī)律及受力[17-19]等。為解決谷物聯(lián)合收獲過程中存在對含水率高的谷物適應性差、脫粒損失率大、易堵塞等問題，徐立章等[20]研制的4LQZ-6型切縱流聯(lián)合收獲機在縱軸流脫離裝置前安裝傾斜輸送鏈耙、切流脫粒裝置和強制喂入裝置，并進行了田間試驗和性能檢測。徐立章等[21]研制的切縱流雙滾筒聯(lián)合收獲機通過鏈耙輸送物料，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)合收獲機中間輸送裝置采用耙齒式輸送器結(jié)構(gòu)，能及時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，前置切流滾筒對物料進行強制喂入并初脫分，斜置縱軸流滾筒完成籽粒的復脫分離任務，過渡口采用螺旋喂入配合導流罩喂入物料。綜上所述，傳統(tǒng)油菜聯(lián)合收獲機大都采用鏈耙式輸送器輸送物料，存在結(jié)構(gòu)復雜、輸送距離長等問題，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，物料喂入不均勻，易導致脫粒分離負載不穩(wěn)定。

為簡化傳統(tǒng)油菜聯(lián)合收獲機結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)物料順暢輸送，本文設計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)，實現(xiàn)油菜的強制喂入、切斷拋送、脫粒分離的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，為油菜聯(lián)合收獲機脫粒裝置結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 油菜聯(lián)合收獲機總體結(jié)構(gòu)

自行研制的4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機主要由割臺、切拋組合式縱軸流脫離裝置、旋風分離清選系統(tǒng)、履帶式行走底盤及液壓動力系統(tǒng)等組成，關鍵部件均采用液壓驅(qū)動，可實現(xiàn)無級調(diào)速。整機結(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)合收獲機總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of 4LYZ-2.0 type rape combine harvester1.割臺 2.復切輸送器 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.離心風機 11.旋風分離筒 12.拋揚機 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力/kW72非行走系驅(qū)動方式全液壓長×寬×高/(mm×mm×mm)5400×2300×2800割臺寬度/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)旋風分離

1.2 切拋組合式縱軸流脫離裝置結(jié)構(gòu)與工作過程

切拋組合式縱軸流脫離裝置主要由切拋裝置、脫粒裝置和機架等組成，橫軸流切拋裝置與縱軸流脫粒裝置通過轉(zhuǎn)軸聯(lián)接；其中切拋裝置包括喂入輥、切碎滾筒、切碎滾筒機架及拋料罩殼等，脫粒裝置包括抓取喂入頭、過渡罩殼、脫粒滾筒、導向頂蓋、凹板篩、篩下物輸送器、下罩殼和機架等，拋料罩殼的拋送通道與過渡罩殼入口對接，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.割臺升降轉(zhuǎn)軸 7.抓取喂入頭 8.喂入罩殼 9.凹板篩 10.導向頂蓋 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)的工作過程可劃分為3個階段：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，喂入輥將割臺輸送過來的油菜抓取壓緊，均勻喂入至切碎滾筒；在階段Ⅱ中，由切碎滾筒對高粗油菜莖稈進行初步切斷，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，螺旋葉片配合導流罩迅速將物料沿脫粒滾筒軸線方向推送，物料在頂蓋導向板和脫粒元件作用下完成脫粒，脫出物透過凹板篩與莖稈分離。整個作業(yè)過程中，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)定脫粒滾筒負荷。

2 關鍵部件設計與分析

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，如圖4所示。壓草齒板的刃口設計成等邊三角形的尖齒，將尖齒葉片交錯排布，使輸送方向上無盲區(qū)，以提高輥子的抓取能力，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hc為60 mm；根據(jù)割臺物料輸送口尺寸設計喂入輥壓草齒板長度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

對經(jīng)過喂入輥的油菜莖稈進行受力分析，如圖5所示，油菜莖稈在輸送通道內(nèi)連續(xù)流動且莖稈之間存在摩擦力，將其視為莖稈流進行計算。此時莖稈層主要受兩個力，分別為喂入輥對莖稈層的正壓力N以及莖稈層與喂入輥之間的摩擦力μN。其中正壓力N為阻止莖稈喂入的力，摩擦力μN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

若在喂入過程中物料沒有推力，僅靠喂入輥的摩擦力，為了使莖稈正常喂入須滿足

μNcosθ>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包角，(° )

已知在莖稈層經(jīng)過喂入輥的壓縮程度τ一定時，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。由試驗可知當喂入量在2～3 kg/s時，喂入輥前油菜莖稈層厚度h1在100～120 mm。取h2/h1=0.7，φ=27°時，由式(4)可得：喂入輥最小直徑Dwmin范圍為146～174 mm。由于喂入輥應盡量靠近伸縮撥指和切碎滾筒的動刀刀刃，所以應該盡量取較小的直徑，即喂入輥直徑設計為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

為了適應物料的輸送，喂入輥輸送的線速度要大于割臺復切輸送器的喂入線速度，復切輸送器轉(zhuǎn)速nf=200 r/min，復切輸送器半徑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程的損失，在滿足抓取和輸送的基礎上，要盡量減少喂入輥對油菜果莢的打擊，喂入輥的線速度應小于油菜果莢脫粒所需的脫粒元件的速度。參考相關作物的研究結(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.動刀 6.動刀護板 7.動刀座 8.動刀角度固定座 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，切碎滾筒主要由動刀護板、動刀座、動刀、切碎滾筒基座、切碎滾筒主軸、拋料罩殼等組成。

當切碎滾筒較小時，只能通過提高切碎滾筒轉(zhuǎn)速來滿足莖稈切段長度要求，轉(zhuǎn)速提高對切碎滾筒的剛性、強度和動平衡要求較高，在割臺和收獲機底盤空間允許的情況下，應盡量加大切碎滾筒直徑。因此，將切碎滾筒直徑設計為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。為避免在切碎過程中莖稈摩擦動刀片的前表面，動刀片的刃角γ′與安裝前傾角φ′應該滿足γ′+φ′<90°，綜合考慮該動刀片應具有很強拋送能力和初步切斷莖稈的功能[24]，設計動刀片的刃角γ′=21°，安裝前傾角φ′=50°。為保證切碎過程的平穩(wěn)性、連續(xù)性，采用2組共16把動刀左右交錯安裝在滾筒體動刀座上，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。

莖稈理論切碎長度為相鄰動刀片兩次切斷動作之間莖稈的進給量，考慮到油菜莖稈輸送與切割過程中非垂直喂入以及打滑因素的影響，實際切碎長度為

(7)

式中nq——切碎滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

zq——切碎滾筒上單排動刀片數(shù)，為8

ε——莖稈輸送切割過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，莖稈切碎長度與切碎滾筒轉(zhuǎn)速成反比，依據(jù)GB/T 24675.6—2009《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》，油菜莖稈切碎長度小于150 mm，由此可計算得切碎滾筒轉(zhuǎn)速大于437 r/min。

油菜莖稈切段進入切碎滾筒后，將在繞定軸轉(zhuǎn)動的動刀片上運動，設莖稈切段與動刀片為非彈性碰撞，莖稈切段沿刀片方向運動無初速度，忽略其重力和空氣阻力，可計算出莖稈切段在動刀片上t時刻M點的位移及運動速度，切碎滾筒拋送物料質(zhì)點受力如圖7所示。

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

轉(zhuǎn)軸O水平配置，動坐標軸O′L沿葉片方向向外為正并與葉片一起旋轉(zhuǎn)，當時間t=0時，l=l0，dl/dt=0。質(zhì)點沿刀片運動的微分方程式為

(8)

式中ω2——切碎滾筒角速度，rad/s

m——物料質(zhì)點M的質(zhì)量

r——物料質(zhì)心位置與葉輪軸心O距離，mm

δ——動刀片與點M處徑向夾角，(° )

l——物料質(zhì)點M動坐標，mm

μ——摩擦因數(shù)

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

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

(9)

(10)

式中l(wèi)0——物料質(zhì)點在動刀上的初始位置，mm

r0——動刀片工作面與回轉(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間的關系，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°，過低或過高則會導致物料與罩殼碰撞、摩擦，增加功耗[25]。考慮后面脫粒滾筒空間布局，取動刀轉(zhuǎn)角α1=90°，即設計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計算式為

(11)

式中vr——莖稈切段離開動刀片沿拋料罩殼的線速度，m/s

ηH——由于莖稈切段在拋送過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、凹板篩和導向頂蓋等部件。

圖8 縱軸流脫離裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.8 Sketch of longitudinal axial flow threshing and separating device1.抓取喂入頭 2.輻盤 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.導向板 10.導向頂蓋

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，取錐形筒體后端直徑D2=300 mm。螺旋葉片外徑應比脫粒滾筒齒頂圓直徑略大，以便作物能螺旋進入脫粒室，故設計取螺旋葉片外直徑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動，假設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偏離一個角度φ，為莖稈與螺旋葉片的摩擦角。參考文獻[26]，欲使莖稈軸向運動速度最大，最大螺旋升角βmax和螺旋葉片摩擦角φ應滿足：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度l1=S<566 mm，參考現(xiàn)有機型的標準，考慮到脫粒滾筒縱向空間選取S=300 mm，計算得螺旋升角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)計算得nz>386 r/min。

2.3.2脫粒滾筒

為適應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——每個釘齒的脫粒能力，取0.025 kg/s

由式(14)計算得Z≥100，考慮到增加齒數(shù)會造成對油菜的脫粒打擊作用增強，增強莖稈破碎程度，故取Z=102。

脫粒滾筒齒頂圓直徑Dz計算式[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等于每個齒跡上的釘齒數(shù)量，一般為2～5，考慮到負載均勻、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)機械設計手冊[24]，縱軸流脫粒滾筒的脫粒分離段長度Lt和總長度L計算式為

(16)

式中a——釘齒齒跡距，常用25～50 mm，取50 mm

l1——抓取喂入頭長度，取300 mm

b1——脫粒滾筒前端輻盤與最始端釘齒的距離，取50 mm

b2——排草段長度，取220 mm

由式(16)可知縱軸流脫粒滾筒脫粒分離段長度Lt=1 650 mm，總長度為L=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，為避免因速度過大導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籽粒的分離能力，針對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)，設計凹板包角為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(見圖8中部件7)。滾筒轉(zhuǎn)動過程中，排草板類似于風機葉片，增大排草口氣流量，對切碎莖稈具有助浮、促排的作用。

3 正交試驗

3.1 試驗材料

試驗在華中農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗基地進行，試驗油菜品種為華油雜62，種植方式為機直播，人工收獲后運送至試驗場地。試驗以自行研制的4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機為平臺，主要試驗設備包括：雷諾CHPM480-05-0C型八通道液壓測試儀、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)速測量儀及配套的霍爾元件接頭。將霍爾元件接頭安裝在各馬達與部件聯(lián)接的聯(lián)軸器處，并通過數(shù)據(jù)線與轉(zhuǎn)速顯示儀連接，實時顯示各馬達轉(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，通過數(shù)據(jù)線將壓力、流量傳感器與雷諾八通道液壓測試儀連接，液壓測試儀采集記錄來自傳感器的壓力、流量等相關液壓數(shù)據(jù)，試驗臺如圖11所示。

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

3.2 試驗方法

每次試驗開始前將2 kg試驗油菜均勻平鋪在喂入輸送帶上，輸送帶由變頻器帶動電機驅(qū)動，由變頻器調(diào)速來控制喂入量為2 kg/s。將發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至2 000 r/min，啟動關鍵部件液壓系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)被測回路節(jié)流閥開度，改變各回路上復切輸送器、喂入輥、切碎滾筒和脫粒滾筒的馬達轉(zhuǎn)速至要求數(shù)值，待各裝置運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，啟動輸送裝置，完成輸送、喂入、脫粒分離和接料過程。

每次試驗結(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量。喂入物料總質(zhì)量為M0，透過凹板篩的物料總質(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)量分數(shù)η1、篩下脫出物短莖稈所占質(zhì)量分數(shù)η2為

(18)

將液壓測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)導入配套軟件中，液壓測試儀可以根據(jù)實際測量結(jié)果自動生成流量與壓力關于時間的數(shù)據(jù)曲線圖，計算出切碎滾筒電動機回路和脫粒滾筒電動機回路的流量qv(L/min)及功耗P(kW)

(19)

(20)

其中

ηt=ηMmηMv

(21)

式中Vg——電動機排量，切碎滾筒和脫粒滾筒電動機排量為51.7 mL/r

n——電動機轉(zhuǎn)速，r/min

Δp——電動機工作壓差，MPa

qv——電動機工作流量，L/min

ηMv——電動機容積效率，取0.95

ηMm——電動機機械效率，取0.92

ηt——電動機總效率，為0.874

3.3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)機器的設計要求，喂入量為2 kg/s，按L9(34)正交表安排因素的3個不同水平進行正交試驗，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)量分數(shù)和排草口莖稈平均長度為試驗指標。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因素水平范圍，如表2所示。

通過對油菜聯(lián)合收獲機切拋組合式縱軸流脫離裝置進行脫粒分離試驗，得到脫粒夾帶損失率、脫出物短莖稈質(zhì)量分數(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度，試驗結(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，通過極差分析得，影響總功耗和排草口莖稈平均長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。對于總功耗和排草口莖稈平均長度的最優(yōu)方案分別為A1B1C2和A3B3C1，說明適當減小脫粒間隙有助于縮短排草口莖稈平均長度，脫粒滾筒和切碎滾筒轉(zhuǎn)速增加造成功耗上升、排草口莖稈平均長度減小，由于在各因素不同水平下排草口莖稈平均長度都滿足設計要求，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)速增加使得單位時間莖稈被切碎程度越大，造成透過凹板篩的脫出物中短莖稈質(zhì)量分數(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，同時其它試驗指標下脫粒滾筒轉(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)量分數(shù)，取脫粒間隙為30 mm。

表2 試驗因素水平Tab.2 Factors and levels of experiment

表3 正交試驗結(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)速對籽粒夾帶損失率、脫出物短莖稈質(zhì)量分數(shù)、功耗、排草口莖稈平均長度影響達顯著或極顯著水平，切碎滾筒轉(zhuǎn)速顯著影響脫出物短莖稈質(zhì)量分數(shù)和排草口莖稈平均長度，脫粒間隙對脫出物短莖稈質(zhì)量分數(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)在正交試驗中，在較優(yōu)參數(shù)下進行驗證試驗，油菜聯(lián)合收獲機切拋組合式縱軸流脫離裝置的性能指標為：夾帶損失率0.415%，脫出物短莖稈質(zhì)量分數(shù)10.43%，總功耗4.16 kW，排草口莖稈平均長度134.8 mm。

正交試驗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，為綜合考慮整機性能，需分析聯(lián)合收獲機的清選性能；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，并喂入整機上旋風分離清選系統(tǒng)進行清選性能試驗，得出旋風分離清選系統(tǒng)籽粒總損失率與清潔率分別為6.13%與91.97%，滿足整機旋風分離清選性能要求。

4 田間試驗

田間試驗于2018年5月在華中農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗基地，依據(jù)GB/T 8097—2008《收獲機械 聯(lián)合收割機 試驗方法》進行。以4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機為試驗對象，試驗材料為華油雜62，種植方式為機直播，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)合收獲機割幅2 m，試驗時割茬高度為350 mm，機組前進速度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、旋風分離筒出糧口和離心風機出口處物料并稱量, 計算脫粒滾筒夾帶損失率和旋風分離清選系統(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)定等因素導致整機喂入量波動, 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)合收獲機田間收獲作業(yè)時整機運行平穩(wěn)，物料流動順暢未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，田間試驗效果如圖12所示。試驗表明切拋組合式縱軸流脫離裝置可實現(xiàn)對油菜的抓取喂入、切斷拋送、脫粒分離功能，提高了整機在田間的適應性，可滿足油菜聯(lián)合收獲機的工作要求。

圖12 田間試驗Fig.12 Field experiment

5 結(jié)論

(1)設計了一種切拋組合式縱軸流脫離裝置，切拋裝置在強制喂入的基礎上，同時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)進行脫粒分離，減少了油菜高粗莖稈輸送過程的纏繞堵塞現(xiàn)象，通過將兩者組合實現(xiàn)油菜的強制喂入、切斷拋送、脫粒分離功能，滿足油菜聯(lián)合收獲機脫粒要求。整機關鍵部件采用液壓驅(qū)動，保證其無級調(diào)速和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

(2)試驗分析得出：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度的因素主次順序為：脫粒滾筒轉(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為：脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、切碎滾筒轉(zhuǎn)速；影響脫出物短莖稈質(zhì)量分數(shù)的因素主次順序為：切碎滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙。

(3)通過正交試驗，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為：籽粒夾帶損失率0.415%、脫出物短莖稈質(zhì)量分數(shù)10.43%、總功耗4.16 kW、排草口莖稈平均長度134.8 mm；對應的旋風分離清選系統(tǒng)籽?？倱p失率與清潔率分別為6.13%與91.97%。

(4)田間試驗表明：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)合收獲機收獲油菜時物料流動順暢，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現(xiàn)對油菜的抓取喂入、切斷拋送、脫粒分離功能。本研究可為縮短油菜在聯(lián)合收獲機內(nèi)的流動路徑、穩(wěn)定脫粒滾筒負載提供參考。