劉 巍 黃小毛,2 馬麗娜,2 宗望遠(yuǎn),2 朱云飛

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070；3.星光農(nóng)機(jī)股份有限公司， 湖州 313017)

0 引言

油葵是我國四大油料作物之一[1]，在我國的種植面積達(dá)到50萬hm2，主要分布在東北、華北和西北部地區(qū)。目前，國內(nèi)尚未有完全成熟的油葵聯(lián)合收獲機(jī)，現(xiàn)有機(jī)型普遍在稻麥?zhǔn)斋@機(jī)基礎(chǔ)上改裝而成[2]。由于缺乏對(duì)油葵植株生物特性的研究，改裝后的油葵聯(lián)合收獲機(jī)收獲適應(yīng)性差、割臺(tái)損失率高，主要存在以下問題：撥禾輪回帶導(dǎo)致被割后的葵盤飛濺到割臺(tái)以外，增大了收獲損失；分禾器左右兩側(cè)面易產(chǎn)生油葵物料堆積；分禾器間隙易產(chǎn)生油葵莖稈堵塞；割下的油葵植株纏繞于輸送器上，無法順利進(jìn)入升運(yùn)裝置。割臺(tái)是聯(lián)合收獲機(jī)的入口和核心部件，根據(jù)收獲對(duì)象的生物性狀進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能獲得理想的收割效果。因此，研發(fā)低損、高效的油葵聯(lián)合收獲機(jī)專用割臺(tái)，對(duì)于提升油葵收獲機(jī)械化水平、促進(jìn)我國油葵產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

國外學(xué)者于20世紀(jì)80年代開始研究油葵聯(lián)合收獲技術(shù)，對(duì)油葵聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)撥禾輪、分禾器、螺旋輸送器和切割器等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。如JACOB[3]在板式撥禾輪的基礎(chǔ)上采用異形撥禾輪增強(qiáng)對(duì)油葵植株的喂入效果；SAMUEL[4]在切割器上方通過設(shè)置壓莖輥降低撥禾輪對(duì)葵盤擊打造成的籽粒損失；DANIEL[5]對(duì)剛性撥禾鏈撥指進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強(qiáng)撥指對(duì)油葵植株的夾持作用，減少喂入過程割臺(tái)損失。但是，國內(nèi)外油葵的種植模式差異較大，國外油葵專用割臺(tái)并不能完全適應(yīng)我國油葵的收獲作業(yè)。近年來，國內(nèi)學(xué)者主要在水稻、小麥、玉米等糧食作物收獲機(jī)的聯(lián)合收獲割臺(tái)降損[6]和整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7-10]等方面進(jìn)行了研究。李毅念等[11]利用氣吹式裝置產(chǎn)生的均勻氣流將小麥喂入割臺(tái)，有效降低了割臺(tái)損失和割臺(tái)殘留；黃小毛等[12]在傳統(tǒng)油菜割臺(tái)上利用橫流氣壓裝置對(duì)割臺(tái)收獲作業(yè)時(shí)掉落的油菜籽粒進(jìn)行回收，從而降低了割臺(tái)損失。目前，針對(duì)油葵聯(lián)合收獲割臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化卻鮮有報(bào)道。

本文在研究國內(nèi)油葵種植農(nóng)藝和生物性狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種撥禾輪式油葵聯(lián)合收獲機(jī)專用割臺(tái)，通過理論分析對(duì)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過田間試驗(yàn)對(duì)樣機(jī)作業(yè)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 割臺(tái)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

為提高油葵收獲作業(yè)質(zhì)量，設(shè)計(jì)如圖1所示的撥禾輪式油葵專用割臺(tái)，主要由內(nèi)分禾器、外分禾器、撥禾輪、往復(fù)式切割器、割臺(tái)輸送器、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成?？梢淮瓮瓿捎涂魑锏姆趾獭⒎龊?、撥禾、切割、導(dǎo)攏及輸送作業(yè)。與傳統(tǒng)稻麥?zhǔn)斋@機(jī)割臺(tái)相比，該割臺(tái)采用直徑較大的三幅式撥禾輪，減少撥禾輪對(duì)作物的擊打；由于油葵種植模式相較于稻麥作物較為稀疏，因此在割臺(tái)幅寬內(nèi)增加內(nèi)分禾器，保證油葵植株喂入和切斷作業(yè)順暢進(jìn)行。

圖1 油葵專用割臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of oil sunflower special header1.外分禾器擋板 2.撥禾輪 3.內(nèi)分禾器 4.輸送器 5.外分禾器 6.排禾桿 7.往復(fù)式切割器

收獲作業(yè)時(shí)，外分禾器將作業(yè)幅寬外的油葵植株分開，作業(yè)幅寬內(nèi)的油葵植株進(jìn)入內(nèi)分禾器，內(nèi)分禾器將其扶起并引導(dǎo)至對(duì)應(yīng)的通道，撥禾輪在傳動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油葵植株的扶持和推送，油葵植株通過內(nèi)分禾器間隙運(yùn)動(dòng)至分禾器末端，進(jìn)而被往復(fù)式切割器切斷，在輸送器的推送作用下，被割油葵植株被拋入中間輸送裝置，最后進(jìn)入脫粒清選裝置進(jìn)行脫粒清選作業(yè)。此外，為提升外分禾器的分禾效果，防止油葵植株分禾不徹底，以及在外分禾器內(nèi)側(cè)產(chǎn)生堆積，在外分禾器外側(cè)增加排禾桿，在其內(nèi)側(cè)增加外分禾器擋板。

2 油葵植株主要物理特性參數(shù)

圖2 矮大頭567 DW油葵植株Fig.2 Short head 567 DW oil sunflower plant

選取新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市阜康河南莊子村為試驗(yàn)示范基地，主要種植品種為矮大頭567 DW。2018年9月11日，選取長勢良好的油葵田塊進(jìn)行油葵植株的物理特性參數(shù)測量，該田塊油葵種植時(shí)間為2018年4月26日，采用氣吸式播種機(jī)進(jìn)行播種，油葵植株行距為400 mm，株距為190～210 mm。如圖2所示油葵植株均處于蠟熟期，采用五點(diǎn)法進(jìn)行田間取樣(GB/T 5262—2008)，每個(gè)取樣點(diǎn)選取油葵50株，油葵植株主要物理參數(shù)測量結(jié)果如表1所示。

表1 油葵植株主要物理特性參數(shù)Tab.1 Oil sunflower plants parameters

3 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

3.1 內(nèi)分禾器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

內(nèi)分禾器是割臺(tái)的關(guān)鍵部件之一，單個(gè)內(nèi)分禾器的結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù)以及相鄰兩內(nèi)分禾器之間的間隙直接影響油葵植株能否成功喂入割臺(tái)。

3.1.1內(nèi)分禾器寬度

內(nèi)分禾器寬度主要對(duì)內(nèi)分禾器的分禾、扶禾效果具有顯著影響，內(nèi)分禾器寬度過大時(shí)，不對(duì)行收獲過程中，內(nèi)分禾器會(huì)推倒部分油葵植株，造成莖稈在地面處折斷，油葵植株無法成功喂入割臺(tái)，造成葵盤損失；內(nèi)分禾器寬度過小時(shí)，由于內(nèi)分禾器屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，其末端固定處應(yīng)力增大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，分禾作業(yè)時(shí)容易受力變形，且易產(chǎn)生振動(dòng)。因此，通過分析油葵植株在分禾過程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來確定內(nèi)分禾器寬度。

如圖3所示，考察不對(duì)行收獲時(shí)內(nèi)分禾器導(dǎo)致的油葵植株側(cè)傾情況，圖3a為當(dāng)植株位于內(nèi)分禾器頂點(diǎn)A正前方的極限位置，分禾過程中植株在內(nèi)分禾器前進(jìn)方向推力的作用下油葵植株運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)，此時(shí)油葵植株的狀態(tài)如圖3b所示。

圖3 內(nèi)分禾器結(jié)構(gòu)與植株側(cè)向傾斜示意圖Fig.3 Schematics of inner divider structure and lateral tilt of plant

為保證植株在進(jìn)入分禾器間隙前不會(huì)因內(nèi)分禾器AB段推力的作用出現(xiàn)莖稈近地面處側(cè)傾折斷(即莖稈順利通過B點(diǎn)進(jìn)入內(nèi)分禾器間隙)的現(xiàn)象，最大傾斜角β應(yīng)不大于油葵植株的臨界折斷角θ[13]，即

(1)

式中θ——植株臨界折斷角，油葵植株一般為15°

b——內(nèi)分禾器寬度，mm

h——內(nèi)分禾器離地高度，mm

測量當(dāng)?shù)赜涂仓甑母叨确秶鸀?38.0～1 389.6 mm，正常收獲時(shí)分禾器的離地高度在400～850 mm之間。由此可得b≤214 mm，即可保證植株不被分禾器折斷。

考慮到內(nèi)分禾器要配合切割器的作業(yè)要求，并防止護(hù)刃器對(duì)油葵植株進(jìn)行二次分禾，選取的分禾器寬度應(yīng)為本文所選割刀行程(S=76.2 mm)的整數(shù)倍，即

b=kS

(2)

式中k——倍數(shù)

由上文可知b≤214 mm，因此k取1或2。當(dāng)k取1時(shí)，內(nèi)分禾器寬度為76.2 mm，內(nèi)分禾器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，且內(nèi)分禾器尾部不易安裝固定。故k取2，此時(shí)分禾器寬度為152.4 mm。

3.1.2內(nèi)分禾器長度

為保證油葵植株被切割器割斷后，植株上部尤其是葵盤仍在內(nèi)分禾器縱向收集范圍內(nèi)，即割下的油葵植株能夠順利進(jìn)入割臺(tái)，分析油葵植株分離部分絕對(duì)前傾時(shí)的極限情況，分禾器長度應(yīng)滿足

l≥L-a

(3)

式中L——油葵植株總長度，mm

a——油葵割茬高度，mm

l——內(nèi)分禾器長度，mm

割臺(tái)試驗(yàn)時(shí)配套機(jī)型為星光4LZ-5.0Z型收獲機(jī)，其收獲作業(yè)時(shí)的最佳留茬高度為450 mm，由公式(3)可知，內(nèi)分禾器的長度應(yīng)大于等于950 mm，而內(nèi)分禾器通過螺栓與割臺(tái)機(jī)架相連，分禾器越長其尾部螺栓連接處的應(yīng)力越大，故本文選取分禾器的長度為1 000 mm。

3.1.3內(nèi)分禾器間隙

新疆昌吉試驗(yàn)區(qū)油葵植株莖稈中部直徑為(18.2±8.3) mm，考慮加工和安裝誤差，取內(nèi)分禾器間隙的極限尺寸偏差為6 mm?；诳煽啃栽O(shè)計(jì)方法[14]，為保證99%的油葵植株通過性，內(nèi)分禾器間隙應(yīng)滿足

(4)

式中φ——標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)

x——內(nèi)分禾器間隙,mm

查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表計(jì)算得x≥49.7 mm。故內(nèi)分禾器間隙應(yīng)大于等于(49.7+6) mm，內(nèi)分禾器間隙越小，其發(fā)生油葵莖稈堵塞的概率越大，內(nèi)分禾器間隙大于55.7 mm時(shí)，才能保證油葵植株順暢喂入割臺(tái)，綜合考慮油葵植株通過性與割臺(tái)損失的影響，取內(nèi)分禾器間隙為60 mm。

3.2 撥禾輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定

撥禾輪是輔助導(dǎo)向、收集和輸送葵盤的重要部件。收獲作業(yè)時(shí)既要保證快速平穩(wěn)地向輸送器喂入葵盤及相連的部分莖稈，又要保證在撥禾過程中不產(chǎn)生回帶現(xiàn)象。

傳統(tǒng)稻麥?zhǔn)斋@機(jī)割臺(tái)撥禾輪采用偏心五桿機(jī)構(gòu)，由于油葵植株葵盤碩大，且油葵莖稈上部呈倒鉤狀，因此傳統(tǒng)撥禾輪在收獲油葵過程中彈齒容易造成葵盤穿透性破碎及物料回帶。為了解決上述問題，本文采用圖4所示的三幅板式撥禾輪。撥禾輪由撥禾板、支撐架、撥禾輪軸組成，由于撥禾板受力較小，因此撥禾板的材料選用普通冷軋板SPCC，由于撥禾板較寬，故撥禾輪在進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，其撥禾運(yùn)動(dòng)對(duì)油葵葵盤沖擊較小，減少了籽粒損失，且可防止產(chǎn)生物料回帶。

圖4 撥禾輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of reel1.撥禾板 2.支撐架 3.撥禾輪軸

3.2.1撥禾輪轉(zhuǎn)速

撥禾輪相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)軌跡取決于撥禾輪的圓周速度vb與整機(jī)前進(jìn)速度v的比值λ(撥禾速比)。不同λ取值的撥禾輪運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

圖5 不同λ的撥禾輪運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Reel trajectory with different λ values

要使撥禾輪對(duì)油葵莖稈產(chǎn)生扶持切割、輸送等作用，就必須使撥禾輪具有水平向后的分速度，從圖5中3個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出只有λ>1時(shí)撥禾輪有向后的水平分速度，油葵收獲作業(yè)速度v=0.8 m/s，根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，三幅板式撥禾輪撥禾速比λ為1.5～1.6，為了達(dá)到較好的撥禾效果，油葵聯(lián)合收獲機(jī)可選取稍大的λ值，即1.6。

由于油葵收獲機(jī)作業(yè)速度為0.8 m/s，撥禾速比為1.6，故vb=1.28 m/s。此時(shí)可得撥禾輪轉(zhuǎn)速

(5)

式中r——撥禾輪半徑，mm

由公式(5)計(jì)算得出撥禾輪轉(zhuǎn)速為24.4 r/min。

3.2.2撥禾輪直徑

在撥禾過程中，為避免撥禾板將割斷的油葵拋出割臺(tái)，應(yīng)使撥禾輪上最低點(diǎn)撥壓在油葵植株割斷部分的重心G點(diǎn)偏上(圖6)。按照油葵一般植株高度及留茬高度范圍，預(yù)估G點(diǎn)與葵盤頂部的距離e=200 mm。

圖6 撥禾過程示意圖Fig.6 Schematic of reel work process

撥禾輪的直徑主要由作物植株的平均株高、被割油葵植株的重心位置和撥禾輪速比λ決定[14]，即

D=2λe/(λ-1)

(6)

式中D——撥禾輪直徑，mm

經(jīng)計(jì)算得D≤1 067 mm，由于撥禾輪直徑越大其撥禾范圍越大[15]，因此在滿足其安裝條件的基礎(chǔ)上，要盡可能的增加其撥禾范圍保證撥禾質(zhì)量，本文選取撥禾輪的直徑為1 000 mm。

3.3 輸送器刮板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

輸送器將割斷后的油葵導(dǎo)攏集中并拋送至升運(yùn)器。傳統(tǒng)稻麥?zhǔn)斋@機(jī)割臺(tái)輸送器在拋送段采用伸縮撥指形式，割后葵盤的形狀與稻麥有很大差異，圓柱形細(xì)長撥指和圓餅狀葵盤為線接觸，不能很好地推送葵盤而造成纏繞和堆積，且易將葵盤擊碎，使后續(xù)脫粒清選困難。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了刮板式輸送裝置，其結(jié)構(gòu)如圖7，采用刮板結(jié)構(gòu)進(jìn)行物料輸送時(shí)，刮板與葵盤之間為面面接觸，能夠有效減少葵盤所受的擊打，刮板結(jié)構(gòu)和油葵莖稈不易產(chǎn)生纏繞，同時(shí)刮板結(jié)構(gòu)能夠有效減少割臺(tái)殘留。查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取輸送器相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，輸送器具體參數(shù)如表2所示。

圖7 輸送器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic of auger structure

表2 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of spiral auger

3.4 往復(fù)式切割器選型

目前國內(nèi)的往復(fù)式切割器根據(jù)其切割行程S、動(dòng)刀片間距t、定刀片間距t0可分為普通型(S=t=t0=76.2 mm)、雙刀距行程型(S=2t=2t0=152.4 mm)、低割型(S=t=2t0=101.6 mm)3種型式。由上文中分禾器間隙取60 mm，切割行程大于內(nèi)分禾器間隙即可，因此選取普通型往復(fù)式切割器。

往復(fù)式切割器的切割速度vp對(duì)切割效果有顯著影響，切割器切割速度較慢時(shí)，作物莖稈會(huì)出現(xiàn)壓扁和撕破現(xiàn)象[16]，而較快又會(huì)導(dǎo)致割臺(tái)振動(dòng)較大，一般切割器的切割速度vp需要根據(jù)機(jī)器前進(jìn)速度v確定[17]，其關(guān)系式為

vp=γv

(7)

式中γ——刀機(jī)速比，由被割作物的種類和機(jī)器類型決定

試驗(yàn)樣機(jī)的前進(jìn)速度為0.8 m/s,選取γ為0.75～1.0，故切割器切割速度為0.6～0.8 m/s，現(xiàn)有聯(lián)合收獲機(jī)往復(fù)式切割器的切割速度一般大于等于0.8 m/s[16]，因此選取油葵聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)往復(fù)式切割器的切割速度為0.8 m/s。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

2019年9月，在新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市阜康河南莊子村農(nóng)戶自種長勢良好的油葵田開展樣機(jī)田間試驗(yàn)。油葵行距400 mm，籽粒千粒質(zhì)量58.8 g，油葵籽粒含水率21%～30%，莖稈含水率71%～79%，產(chǎn)量6 006 kg/hm2。

圖8為履帶式油葵聯(lián)合收獲機(jī)樣機(jī)，整機(jī)配套動(dòng)力65 kW，額定轉(zhuǎn)速2 400 r/min，收獲作業(yè)速度0.8 m/s，割幅2 400 mm。

圖8 田間試驗(yàn)Fig.8 Field test of combine harvester

4.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

依據(jù)GB/T 8097—2008《收獲機(jī) 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》、GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械 試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》并參考GB/T 21961—2008《玉米收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法》對(duì)履帶式油葵聯(lián)合收獲機(jī)樣機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)性能試驗(yàn)。

單次田間試驗(yàn)時(shí)，整機(jī)穩(wěn)定作業(yè)20 m，在該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取3處1 000 mm×2 400 mm區(qū)域作為測試區(qū)域，如圖9所示，收集所選區(qū)域內(nèi)的落粒與葵盤，取出葵盤上的籽粒與收集的落粒一起稱量，計(jì)算3個(gè)測點(diǎn)割臺(tái)籽粒損失率W1，重復(fù)試驗(yàn)3次，并取割臺(tái)籽粒損失率的平均值。計(jì)算式為

(8)

式中m1——測試區(qū)域內(nèi)收集油葵籽?？傎|(zhì)量，g

m2——測試區(qū)域內(nèi)油葵籽?？傎|(zhì)量，g

圖9 籽粒收集區(qū)域Fig.9 Oil sunflower grain collection area

田間試驗(yàn)整機(jī)的前進(jìn)速度為0.8 m/s時(shí)，整機(jī)作業(yè)效率為0.69 hm2/h。樣機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 樣機(jī)性能指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Prototype performance indicators and test results

整機(jī)收獲效果如圖10所示，收獲后的油葵割茬高度一致，地面無可見油葵葵盤與漏割油葵植株。作業(yè)過程中植株喂入順暢，割臺(tái)內(nèi)外分禾器無油葵植株堵塞、堆積，撥禾輪無回帶，輸送器喂入順暢、無纏繞，該油葵聯(lián)合收獲專用割臺(tái)有效解決了油葵割臺(tái)因葵盤掉落而導(dǎo)致籽粒割臺(tái)損失率高的問題，對(duì)提升我國油葵機(jī)械化收獲水平具有重要意義。此外，針對(duì)高低不同、疏密不同、株行距不同的油葵田塊進(jìn)行收獲作業(yè)，該油葵聯(lián)合收獲機(jī)專用割臺(tái)具備良好的收獲適應(yīng)性。

圖10 整機(jī)收獲效果Fig.10 Harvesting effect of prototype

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種撥禾輪式油葵聯(lián)合收獲機(jī)專用割臺(tái)，包括三幅板式撥禾輪、內(nèi)分禾器、外分禾器、往復(fù)式切割器和刮板式輸送器等部件，能夠?qū)崿F(xiàn)油葵植株順暢喂入，解決了油葵收獲時(shí)割臺(tái)內(nèi)、外分禾器處油葵植株堵塞、堆積，撥禾輪處油葵植株回帶，輸送器喂入不暢、莖稈纏繞等問題，提高了油葵割臺(tái)的輸送能力，有效降低了割臺(tái)損失。

(2)樣機(jī)以0.8 m/s的作業(yè)速度進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)，整機(jī)工作性能穩(wěn)定，油葵喂入順暢，喂入量為3.3 kg/s，割臺(tái)平均損失率僅為1.42%，整機(jī)作業(yè)效率為0.69 hm2/h，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。