王修善，謝方平*，吳明亮，劉大為，李旭，侯杰

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.智能農(nóng)機裝備湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128)

油菜是我國國產(chǎn)植物油第一大油源，其產(chǎn)量對保障我國油料的戰(zhàn)略安全意義重大[1]。分段收獲可充分利用油菜后熟特性，保障油品質量，同時可延長收獲期、減小收獲損失率[2-4]，是油菜機械化收獲方式的重要發(fā)展方向[5-7]。割曬為油菜分段收獲的重要環(huán)節(jié)，油菜割曬機配套裝備的性能對油菜后熟與后續(xù)撿拾作業(yè)質量具有重要影響，開發(fā)穩(wěn)定適用的油菜割曬機具對促進油菜分段收獲方式推廣應用具有重要意義。

國外實行分段收獲時，大多采用大型專用自走式割曬機實現(xiàn)油菜割曬作業(yè)，雖然作業(yè)效率高但體積龐大，不適應我國油菜主產(chǎn)區(qū)種植模式與田塊環(huán)境。近年來，國內開始對油菜專用的割曬裝備進行研究。廖宜濤等[8]研發(fā)了適應于南方小田塊油菜分段收獲的4SY-1.8型手扶式油菜割曬機。王修善等[9]研發(fā)了小型履帶自走油菜立式割曬機，對丘陵區(qū)小田塊作業(yè)環(huán)境具有較好適應性。李海同等[10]研發(fā)了與小型履帶拖拉機配套的手扶立式油菜割曬機。金誠謙等[11-13]研發(fā)了與聯(lián)合收割機底盤配套的4SY-2型油菜割曬機，分析了輸送鋪放質量的主要影響因素，試驗驗證了對南方小田塊移栽油菜的適應性。李平等[14-15]設計了與高地隙底盤配套的4SY-1.8型油菜割曬機，分析了影響割曬機田間作業(yè)質量的主要因素。蔣亞軍等[16]在此基礎上，研發(fā)了割幅更大的4SY-2.9型油菜割曬機，并通過振動分析對機架結構進行了優(yōu)化。石增祥等[17-18]設計了與聯(lián)合收割機配套的4SY-2.2型臥式油菜割曬機，分析得出了鋪放角的影響因素。目前，我國油菜割曬機研究在油菜切割、輸送、鋪放等方面已有較大突破，但現(xiàn)有掛接型機具普遍為臥式結構，縱向尺寸大，掛接不便，影響推廣應用。

為此，筆者結合我國南方油菜生產(chǎn)與農(nóng)機使用的實際情況，以本課題組前期研制的油菜割曬機立式割臺為基礎，針對南方地區(qū)保有量較大的幾款水稻聯(lián)合收割機，通過設計割臺掛接裝置、割臺升降與角度調節(jié)裝置，匹配動力與傳動系統(tǒng)，研發(fā)了與水稻聯(lián)合收割機底盤配套使用的4SY-2.1型掛接式油菜割曬機，以期實現(xiàn)農(nóng)戶已有農(nóng)機裝備的“一機多用”，減少農(nóng)戶購機成本，提高油菜割曬機適用性，促進油菜機械化收獲水平提高。

1 總體結構及主要技術指標

1.1 整體結構及工作原理

4SY-2.1型掛接式油菜割曬機適用于南方地區(qū)油菜割曬作業(yè)，與聯(lián)合收割機底盤配套，主要由動力底盤、立式割臺、割臺掛接裝置、割臺升降與角度調節(jié)裝置等部件組成，整體結構如圖1所示。將農(nóng)戶已有的聯(lián)合收割機底盤作為動力底盤，通過割臺掛接裝置將立式割臺掛接于聯(lián)合收割機輸送槽，利用割臺升降與角度調節(jié)裝置進行位姿調整。作業(yè)前，通過割臺掛接裝置掛接于卸去割臺的全喂入聯(lián)合收割機輸送槽。作業(yè)時，機具向前行走，將底盤動力沿輸送槽經(jīng)中間連接與傳動裝置傳入立式割臺，驅動割臺輸送裝置、切割裝置、分禾裝置運動；分禾裝置將機器正前方待割油菜植株與側邊交疊區(qū)域相互纏繞的油菜植株剪斷分開，完成分禾；機具正前方的油菜植株在扶禾裝置作用下進入割臺被切斷；切斷后的油菜植株在輸送裝置的作用下豎直向割臺一側的排禾口輸送，在割臺一側形成條狀攤鋪[9]。

圖1 4SY-2.1型掛接式油菜割曬機

1.2 主要技術參數(shù)

割曬機工作時與南方常用履帶式全喂入聯(lián)合收割機配套，整機結構形式為掛接立式，采用往復式切割器，割后油菜植株的鋪放形式為側向攤鋪。主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術參數(shù)

2 關鍵部件設計

2.1 立式割臺

基于課題組前期研制的自走式油菜割曬機[9]，設計的立式割臺如圖2所示，主要由割臺機架、扶禾器組件、切割裝置、輸送鏈組件、分禾裝置構成。配置有半圓形掛接抱箍，作業(yè)時將割臺機架鉸接于割臺掛接裝置，使其能在一定角度范圍內轉動以調節(jié)割臺角度。

圖2 立式割臺結構圖

將扶禾器組件配置在割臺正前方，作業(yè)過程中可將輕微倒伏的油菜植株扶正并引導植株進入割臺后進行切割，根據(jù)幅寬，本機共配置7組。輸送鏈組由三條帶撥指的輸送鏈構成，按上、中、下三個方位水平布置。中間輸送鏈可帶動扶禾器組件中的撥禾星輪轉動[9]。由割臺機架、扶禾器組件、輸送鏈共同組成植株輸送通道，可保證被切割后的油菜植株沿割臺向一側直立輸送。將分禾裝置安裝在割臺一側，該裝置由被動分禾器與豎割刀組成。作業(yè)時先由被動分禾器從下往上將大部分纏繞的油菜擠壓分開，少量纏繞嚴重難以擠壓分開的油菜植株則被豎割刀割斷，從而最大程度減少因分禾造成的“掉枝”損失。

2.2 傳動方案設計

作業(yè)時，4SY-2.1型掛接式油菜割曬機由配套的聯(lián)合收割機原有割臺動力驅動。動力由聯(lián)合收割機輸送槽通過V帶或傳動鏈輸出，通過中間傳動軸輸入立式割臺減速換向箱。減速換向箱輸出動力后，一方面通過曲柄驅動主切割器做往復運動，另一方面驅動上、中、下三條輸送鏈和豎割刀運動。傳動系統(tǒng)根據(jù)配套聯(lián)合收割機傳動布置方式分為兩種形式，傳動方案如圖3所示。

圖3 4SY-2.1型掛接式油菜割曬機傳動方案

2.3 割臺升降裝置

通過前期調研，選取市場保有量較大的幾款履帶式水稻聯(lián)合收割機為配套機型，包括久保田688Q/758Q，沃得銳龍4LZ-4.0/5.0E，雷沃谷神RG50/60，星光4LZ-4.0S。根據(jù)各機型輸送槽與傳動特點設計的割臺掛接裝置結構如圖4所示。

圖4 割臺掛接裝置結構示意圖

掛接裝置主要包括掛接架、割臺抱箍軸、中間傳動軸，其中掛接架因考慮穩(wěn)定性而被設計為三面體結構，各桿件尺寸及配套的螺栓孔與所匹配的聯(lián)合收割機輸送槽一致。抱箍軸組件如圖5所示。割臺抱箍軸為空心軸，與掛接架固定，中間傳動軸同心安裝于割臺抱箍軸內。根據(jù)匹配的聯(lián)合收割機割臺動力輸入方式不同，分為a、b兩種類型割臺抱箍軸。a型匹配割臺動力輸入為鏈傳動的聯(lián)合收割機，b型匹配割臺動力輸入為帶傳動的聯(lián)合收割機。掛接裝置通過螺栓與拆卸割臺的聯(lián)合收割機輸送槽連接，割曬機割臺通過抱箍掛接于抱箍軸。割臺底部與掛接架間配有角度調節(jié)油缸，用于調節(jié)割臺角度。

圖5 抱箍軸組件

作業(yè)過程中，為適應地形與油菜植株高度變化，需在一定范圍內調整割臺高度；為保證切割輸送效果，割臺需保持豎直狀態(tài)。4SY-2.1型掛接式油菜割曬機工作時，先通過高度調節(jié)油缸提升或降低聯(lián)合收割機輸送槽，整體調節(jié)割臺高度，再根據(jù)高度調節(jié)后割臺角度變化情況，調整角度調節(jié)油缸長度，使割臺繞抱箍軸轉動。角度調節(jié)油缸由聯(lián)合收割機原割臺撥禾輪升降液壓系統(tǒng)驅動，無需另外引出液壓管路。割臺高度與角度調節(jié)液壓系統(tǒng)原理如圖6所示，其中割臺角度控制閥為原聯(lián)合收割機撥禾輪升降控制閥，卸掉原割臺后接割臺角度調節(jié)油缸。割臺高度與角度調節(jié)原理如圖7所示。

割臺高度與角度調節(jié)原理：割臺初始狀態(tài)如圖7(a)，此時割臺處于豎直狀態(tài)，圖6中割臺高度控制閥與角度控制閥均處于中位；如遇地形與油菜植株高度變化需升高割臺高度時，先操作圖6中割臺高度控制閥手柄，使其移至左位，割臺高度油缸伸長，割臺隨輸送槽的轉動升高，直至到達所需高度，再松開高度控制閥手柄使其恢復中位，割臺此時處于向后傾斜狀態(tài)，如圖7(b)所示，然后操作圖6中割臺角度控制閥手柄，使其移至右位，在割臺重力作用下，角度調節(jié)油缸縮短，割臺以抱箍軸為中心轉動，直至割臺恢復與地面豎直狀態(tài)，最后松開角度控制閥手柄使其恢復中位，使割臺恢復豎直狀態(tài)，如圖7(c)所示；降低割臺高度的操作順序與升高割臺一致，各閥的操作方向與升高割臺時相反。

圖6 割臺高度與角度調節(jié)液壓系統(tǒng)原理圖

圖7 割臺高度與角度調節(jié)原理圖

割臺升降后，割臺角度調節(jié)油缸長度與割臺高度調節(jié)油缸長度所對應的關系可通過幾何關系求出，如圖8所示。

圖8 割臺在任意高度時的位置簡圖

l和L分別為割臺角度調節(jié)油缸長度與高度調節(jié)油缸長度，l1—l10分別為聯(lián)合收割機與立式割臺到各鉸接點的尺寸，為固定值，根據(jù)幾何關系，在△EGD中，有：

因割臺保持豎直狀態(tài)，有：

聯(lián)立式(1)(2)(3)(4)(5)可得割臺角度調節(jié)油缸長度l與割臺高度調節(jié)油缸長度L所對應的關系：

3 割臺更換拆裝試驗

割曬機設計試制完成后，為驗證配套不同型號聯(lián)合收割機底盤使用時割臺更換的便捷性，進行了割臺更換拆裝試驗。試驗時將配套聯(lián)合收割機?？坑谕豢諘缙秸貕K，準備所需的工具與輔助割臺移動的推車，采用相同的操作人員，將割曬割臺與割臺拆卸后的各型號聯(lián)合收割機進行掛接，并記錄各型號聯(lián)合收割機原有割臺拆卸及割曬機割臺掛接各工序所需的人員以及時間，試驗結果如表2。

表2 割臺更換拆裝試驗結果

割臺更換拆裝試驗結果表明：不同型號的聯(lián)合收割機因原割臺掛接結構方式、傳動方式不同，更換割臺所需的時間稍有區(qū)別，采用帶傳動輸入割臺動力的機型所需時間相對要長；割臺更換拆裝所需的工序中，原割臺拆卸和新割臺掛接兩個工序所需時間相對要長；試驗所用的機型均可在2名工作人員操作下，1小時內完成割臺拆卸更換過程，操作性和便捷性良好，符合研發(fā)要求與農(nóng)戶實際需求，割臺拆裝試驗現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 割臺拆裝試驗現(xiàn)場

4 田間試驗

4.1 試驗條件

2020年4月28日至30日在湖南省衡陽縣西渡鎮(zhèn)進行了田間油菜收割試驗。試驗油菜品種為湘雜油631，種植方式為機械直播，油菜角果處于黃熟期，無自然落粒，平均種植密度為69株/m2，植株自然高度平均值為1 692mm，平均分枝數(shù)為4.5枝，第一分枝高度平均值為1 045mm，角果層最大直徑平均值為354mm，主莖稈直徑平均值為14 mm。

4.2 油菜割曬作業(yè)評價指標

目前尚無專門的油菜割曬作業(yè)質量評價標準，考慮南方油菜種植田塊環(huán)境下機具需頻繁轉向或掉頭，容易碾壓田間油菜鋪條，且割鋪后需晾曬后熟和撿拾脫粒，要求鋪條整齊均勻，應以作業(yè)后機具對鋪條碾壓損失小、鋪條有利于通風晾曬及后續(xù)撿拾脫粒作業(yè)為目標。參照相關研究[8,11,14,19]和已有的水稻、小麥割曬機作業(yè)質量評價標準[20]，選取鋪放角、鋪放角度差、鋪層高度、鋪放寬度為本機作業(yè)質量評價指標，其中：鋪放角指鋪條莖稈與機器前進方向后夾角；鋪放角度差指鋪條中莖稈鋪放角最大差值；鋪層高度指植株鋪層最高點到地面的距離；鋪放寬度指割曬后植株鋪條寬度。

4.3 試驗結果

試驗過程中，根據(jù)田間油菜第一分枝高度，設定割茬高度為400 mm。試驗過程中割曬機穩(wěn)速直線行駛。割曬完成后，在整個試驗區(qū)隨機選取10段鋪條，每段鋪條長度1 m，測取計算每段鋪條內油菜植株鋪放角、鋪層高度平均值，測取每段鋪條鋪放角度差、鋪條寬度并計算平均值。試驗結果：鋪放角平均值為97.5°，鋪放角度差平均值為9.5°，鋪層高度平均值為435.5mm，鋪放寬度平均值為1265mm。試驗現(xiàn)場及田間攤鋪效果如圖10所示。

圖10 割曬作業(yè)效果

試驗結果表明：設計的掛接式油菜割曬機攤鋪整齊有序，攤鋪面積大，利于通風晾曬，鋪條寬度與鋪層高度滿足2.0-2.2m幅寬履帶聯(lián)合收割機撿拾 脫粒作業(yè)。

5 結論

筆者設計了一種與聯(lián)合收割機配套使用的掛接式油菜割曬機，主要由立式割臺、割臺掛接裝置、傳動系統(tǒng)、割臺高度與角度調節(jié)系統(tǒng)組成，立式割臺通過抱箍鉸接于掛接裝置，割臺掛接裝置安裝于卸掉原割臺的聯(lián)合收割機輸送槽。割臺高度可根據(jù)要求自由調節(jié)且保持豎直方向角度不變。使用聯(lián)合收割機底盤動力和液壓系統(tǒng)，可實現(xiàn)農(nóng)戶已有聯(lián)合收割機的“一機多用”，減少購機成本。設計了與市場上保有量較大的幾款典型聯(lián)合收割機匹配的掛接裝置，進行了割臺換拆裝試驗，試驗表明，4SY-2.1型掛接式油菜割曬機與各機型均可在2名工作人員操作下，1小時內實現(xiàn)快速割臺換裝，掛機方便。田間試驗表明：設計的掛接式油菜割曬機與聯(lián)合收割機配套適用性強，切割順利，輸送順暢，攤鋪角度接近90°，鋪條整齊有序，利于通風透氣后熟，滿足南方地區(qū)油菜分段收獲要求。