4HBL-2型花生聯合收獲機復收裝置設計與試驗

楊然兵　范玉濱　尚書旗　劉立輝　崔功佩

(青島農業大學機電工程學院， 青島 266109)

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4HBL-2型花生聯合收獲機復收裝置設計與試驗

楊然兵范玉濱尚書旗劉立輝崔功佩

(青島農業大學機電工程學院， 青島 266109)

針對4HBL-2型花生聯合收獲機果土分離及輸送中花生果實的漏果、掉果問題，設計了花生聯合收獲機復收裝置。在花生聯合收獲時，對土壤中遺漏的果實和夾持輸送過程中掉落的果實進行復收、清選、集果等作業。并對復收裝置進行了設計與試驗研究，確定了該裝置的最優結構參數和工作參數：復收裝置安裝角度為20°，復收鏈輸送速度1.2 m/s，復收鏈桿條間隙10 mm。在機組前進速度為0.6 m/s時，實現收獲花生平均凈果率為90.16%，平均漏果率為0.12%，提高了花生的收獲質量，減少了花生二次復收的勞動強度和作業成本。

花生聯合收獲機； 復收裝置； 設計； 試驗

引言

我國花生機械化聯合收獲水平近年得到了大幅提高，典型的花生聯合收獲機機型有：4HB-2A型、4HBL-2型、4HL-2型等，這些機型可實現花生機械化挖掘、去土、摘果、清選、集果等聯合作業[1]，但都沒有解決收獲過程中花生漏果、掉果等問題，平均損失率在5%～8%之間，其中漏果、掉果損失為2%～4%，人工復收成本較高，4HF-1100等小型花生復收機復收效果較好，但提高了收獲作業成本，綜合效益不顯著。國外采用分段式收獲，不適應中國花生機械化收獲作業要求，且未對帶有復收功能的花生聯合收獲機進行研究。

我國現有花生聯合收獲機漏果、掉果主要原因有：花生成熟度過高，造成花生根莖與果實結點的連接力不能滿足挖拔式聯合收獲要求；花生在夾持輸送過程中的擺拍式去土環節造成部分花生被擊打掉落[2]。

為減少花生機械化聯合收獲損失、提高收凈率，本文對4HBL-2型花生聯合收獲機加以改進，增設花生復收裝置，對漏掉在土壤中的花生和掉落在地面上的花生進行復收、清選、集果等作業，以提高我國花生機械化聯合收獲的技術水平，減少二次復收的勞動強度和作業成本。

1　結構與工作原理

1.1結構組成

圖1　復收式聯合收獲機結構簡圖Fig.1　Sketch map of twice-receiving device of peanut combine1.扶禾器　2.挖掘裝置　3.夾持輸送裝置　4.擺拍去土裝置　5.復收裝置　6.駕駛室　7.摘果裝置　8.集果箱　9.L型輸送鏈　10.振動篩　11.底盤機架　12.行走系統

根據花生機械化聯合收獲作業時花生漏果、掉果形成機理，結合現有4HBL-2型花生聯合收獲機的結構對復收裝置結構加以設計。為實現對聯合收獲后埋在土壤和掉落到地面上的花生進行復收、清選、集果等功能，該復收裝置主要由復收鏟、復收鏈、固定架和傳動鏈等組成，復收式花生聯合收獲機結構簡圖如圖1所示。

1.2工作原理

在花生聯合收獲機組作業過程中，挖掘鏟將花生主根系鏟斷后由夾持輸送鏈夾持花生植株將花生拔出，隨著機組前進，復收裝置的復收鏟進入土壤，對埋在土壤里面的花生進行復收，然后傳送到復收輸送鏈上，進行輸送清土工作；夾持鏈上的花生植株到達擺拍式去土裝置時，擺拍去土裝置的拍土桿擊打花生的果實以抖動掉根系和果實上面土壤，在此過程中，被擊打掉落的花生果實掉落到下方的復收鏈上，隨復收鏈向后輸送到振動篩內，經過振動清選和風機清選后，通過L型輸送鏈輸送進集果箱，完成整個復收工作。

2　花生機械化收獲掉果機理分析

2.1挖拔收獲環節花生漏果、掉果分析

在進行花生機械化聯合收獲作業時，花生植株在挖掘鏟和夾持輸送鏈的綜合作用下，從土壤中被挖拔出來，在以前進方向為X軸、垂直地面方向為Y軸的坐標系中其受力關系如圖2所示。

圖2　挖拔環節受力分析圖Fig.2　Force analysis of dig-pulling1.扶禾器　2.挖掘鏟　3.夾持輸送鏈

由圖2可看出，要想成功完成花生植株挖拔工作，其力學關系應滿足

(1)

式中FL——夾持輸送鏈對花生植株的夾持拔力

Fn——土壤對花生莢果及其根系的黏結力

Ff——土壤對花生果實及其根系的摩擦力

G——夾持輸送鏈以下部分花生植株的重力

FW——花生莢果與根系分離時最大承受力

FZ——花生根系被拉斷時所承受最大拉力

在此過程中，花生成熟度過高、土壤板結或壓實等因素會造成部分花生莢果與根系結點之間的連接力或花生根系拉斷力小于挖拔力FL與土壤對果實的黏結力Fn等的合力[3-4]，即

FL+Fn+Ff+G>FW

(2)

或

FL+Fn+Ff+G>FZ

(3)

當上述方程其中一個成立時，花生莢果便不能順利從土壤中挖掘出來，造成漏果、掉果現象。

2.2擺拍式去土環節花生掉果分析

如圖3所示，在拍土裝置試驗臺上(主要由電動機、傳動系統、擺拍式去土裝置和固定機架等組成)，擺拍式去土裝置偏心輪轉速為300 r/min，當花生植株隨夾持輸送鏈沿方向A以1.2 m/s運動到左右擺拍式去土裝置時，擺拍式去土裝置的拍土桿將沿垂直于方向A的BC方向往復式擊打花生植株的根系和莢果部位，帶動根系及莢果沿垂直于花生植株運動方向A的BC方向往復式抖動去土。

圖3　拍土環節受力分析圖Fig.3　Force analysis of soil linking1.擺拍式去土裝置　2.夾持輸送鏈　3.花生植株

在此過程中，部分花生莢果會被擊打或抖落到地面上，造成機械落果損失。在平行于輸送槽垂直于夾持鏈運動方向上花生莢果與根系運動的位移隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4　位移-時間關系曲線Fig.4　Relationship of displacement and time

3　主要參數設計

3.1復收裝置整體方案確定

埋在土壤中的花生經花生復收鏟挖掘后，由復收鏈對花生和土壤進行分離。復收裝置一方面對埋在土壤中的花生進行收集，另一方面對拍土清選時擊打掉落的花生進行收集輸送。其分離輸送鏈的后端連接到花生聯合收獲機的分離清選裝置上端，花生經分離輸送鏈分離后，輸送到分離輸送鏈的末端，掉落到分離清選裝置中，進行花生及短秧、莖葉等的分離，最后經L型輸送裝置進入到集果箱，完成整個花生的復收聯合收獲工作。復收裝置結構布置示意圖如圖5所示。

圖5　復收裝置結構示意圖Fig.5　Structure of twice-receiving device1.扶禾器　2.挖掘裝置　3.夾持輸送裝置　4.擺拍式去土裝置 5.調節裝置　6.復收鏈　7.復收鏟

3.2安裝角度分析

花生復收裝置安裝在花生聯合收獲機夾持輸送鏈下方，并與地面呈一定的工作角度α，以速度v輸送花生到后方的清選分離裝置中。對復收鏈上的花生進行受力分析，花生受力包括自身重力G、輸送鏈桿對花生的支持力Fn1、Fn2、摩擦力Ff等，受力分析如圖6所示(理想化的花生莢果取值為長40 mm，直徑12 mm，則花生莢果截面中心與兩鏈桿截面中心構成底角為44°的等腰三角形)。

圖6　力學分析圖Fig.6　Mechanics analysis diagram1.輸送鏈桿　2.花生莢果

花生隨復收鏈一起往后輸送，在水平方向上有

Fn2cos(44-α)=

Fn1sin(46-α)+Ffsin(46-α)

(4)

在垂直方向上有

G=Fn1cos(46-α)+Fn2sin(44-α)-

Ffcos(44-α)

(5)

其中

Ff=Fn1ξ

式中ζ——摩擦因數

3.3復收鏟設計

復收鏟具有鏟入土壤、將埋在土壤里面的花生挖掘輸送到復收鏈上的作用，由于在復收鏟工作前，挖掘鏟已經將土壤進行了破碎松散，復收鏟工作時土壤阻力大大減小，故采用平鏟結構，為增加鏟后梳土，避免機前壅土[5-7]，在復收鏟的后面增設梳土柵條，以形成漏土縫隙。設計的復收鏟結構形式如圖7所示。

圖7　復收鏟結構Fig.7　Structure of twice-receiving shovel1.入土平鏟　2.梳土柵條　3.固定板

4HBL-2型花生聯合收獲機為一壟兩行收獲機，根據一壟兩行花生種植壟寬和花生果實在地下的分布范圍，確定該復收鏟的工作幅寬為400 mm。

3.4復收分離輸送鏈設計

復收分離輸送鏈采用鏈桿結構形式，通過鏈輪帶動鏈條驅動其運動工作，其中復收鏈的輸送速度、復收鏈兩相鄰鏈桿之間的桿條間隙是影響花生莢果與土壤分離效果的關鍵[8-11]。復收鏈輸送速度過快，會將沒有來得及下漏的土壤一起進行輸送，使果土分離不清；而工作轉速過慢又會使果土不能及時輸送，造成機前壅土問題。

而桿條間隙過小，不利于土壤下漏；桿條間隙過大，容易造成花生莢果卡在兩桿條之間，阻礙與土壤的分離和下漏，并造成花生漏果。

因此為確定復收鏈的最佳傳動速度和最佳桿條間隙，以達到最佳復收效果，進行田間試驗。

3.5試驗方案與結果

試驗地為青島農業大學花生機械化收獲萊西示范基地，土壤硬度為115 kPa，土壤含水率13.7%，花生品種為萊農26號，單壟雙行種植模式，花生秧高平均40.3 cm，單株結果數平均為21個，花生平均行距為240 mm，花生莢果平均長40 mm，寬12 mm[12-13]。

試驗時以復收裝置復收得到的凈果率y1(%)和漏果率y2(%)為指標，試驗因素選為復收鏈輸送速度x1、桿條間隙x2、機器前進速度x3。試驗因素及其編碼如表1所示，試驗方案及性能指標如表2所示。其中凈果率

(6)

式中m——試驗樣本中純花生莢果的總質量

M——試驗樣本中花生莢果與土的總質量

采用三因素二次旋轉正交組合設計進行試驗研究，每次試驗重復3次求平均值作為試驗結果[14]，試驗結果見表2，表中X1、X2、X3為因素編碼值。

表1　試驗因素編碼Tab.1　Factors and level codes

表2　試驗方案與結果Tab.2　Experimental project and results

試驗結果采用 DPS v 7.05數據處理系統進行回歸分析，以確定各試驗指標在不同試驗因素水平組合下的變化規律[15]。通過分析知，凈果率試驗指標回歸方程與試驗數據擬合較好，得到的凈果率無量綱的因素編碼回歸方程為

y1=90.969 26+0.549 87X1+0.840 13X2-

0.051 25X2X3

(7)

y1=90.969 26+0.549 87X1+0.840 13X2-

(8)

采用消元法，利用Matlab軟件繪制空間影響模型圖，分析桿條間隙和復收鏈輸送速度對凈果率試驗指標的影響，如圖8所示。

圖8　因素對凈果率的影響效應Fig.8　Influence of factors on fruit rate

通過圖8可知，凈果率隨著桿條間隙的增大，呈先增大后減小的趨勢；隨著輸送速度的增大，呈先增大后減小的趨勢，并且在桿條間隙和輸送速度水平都為零時，即復收鏈工作輸送速度為1.2 m/s、桿條間隙為10 mm，凈果率最高。

通過分析知，漏果率試驗指標回歸方程與試驗數據擬合較好，得到的漏果率無量綱的因素編碼回歸方程為

y2=0.124 75+0.036 18X1+0.002 26X2-

0.021 25X1X2-0.008 75X1X3+0.011 25X2X3

(9)

0.021 25X1X2

(10)

采用消元法，利用Matlab軟件繪制空間影響模型圖，分析桿條間隙和復收鏈輸送速度對漏果率試驗指標的影響，如圖9所示。

通過圖9可知，漏果率隨著桿條間隙的增大，呈先減小后增大的趨勢；隨著輸送速度的增大，呈先減小后增大的趨勢，并且在桿條間隙和輸送速度水平都為零時，即桿條間隙為10 mm，復收鏈工作輸送速度為1.2 m/s，漏果率最低，復收效果最好。

為進一步確定桿條間隙單一因素對凈果率的影響，采用機組常規最佳收獲速度0.6 m/s，在其他工作參數為最優的條件下針對桿條間隙做單一因素驗證性試驗。試驗結果如表3所示。

圖9　因素對漏果率的影響效應Fig.9　Influence of factors on losing rate

%

對表中數據進行可視化處理，形成直觀折線圖如圖10所示。

圖10　桿條間隙對凈果率的影響Fig.10　Impact of peanut bar clearance on net rate

由表3中數據和圖10可知，當桿條間隙為10 mm時凈果率最高，與三因素二次旋轉正交組合設計試驗結果一致，故最終確定桿條間隙為10 mm。

4　田間對比試驗

為進一步確定該花生復收裝置的復收效果，針對漏果率、凈果率等試驗指標，對改進后的復收式花生聯合收獲機和4HBL-2型花生聯合收獲機進行對比性田間試驗[16]。試驗結果如表4所示。

表4　對比試驗結果　Tab.4　Experimental results of comparative test　%

由上述試驗結果可以看出：復收式花生聯合收獲機凈果率為90.16%，和4HBL-2型花生聯合收獲機的凈果率90.14%相比差別不大，但在降低漏果率方面效果明顯，因此該復收裝置具有良好的復收減漏效果。

復收比例z為

(11)

5　結束語

花生機械化聯合收獲過程中的漏果、掉果現象是當前花生聯合收獲機普遍存在的技術難題，本文通過對4HBL-2型花生聯合收獲機進行改進，設計了花生復收裝置。該花生聯合收獲機復收裝置可實現花生機械化聯合收獲過程中的復收、清選、集果等作業，與4HBL-2型花生聯合收獲機相比，減少了收獲損失，漏果率由2.13%減少至0.12%。

針對山東花生主產區花生品種和種植模式設計的4HBL-2型花生聯合收獲機復收裝置，復收鏈工作輸送速度1.2 m/s，桿條間隙10 mm，凈果率最高，漏果率最低，復收效果最佳。

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Design and Experiment of Twice-receiving Device on 4HBL-2 Peanut Combine

Yang RanbingFan YubinShang ShuqiLiu LihuiCui Gongpei

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao266109,China)

In order to solve the existing problems of the leakage and dropping of fruit in the process of peanut harvest using machine, this paper designed the twice-receiving device on 4HBL-2 peanut combine. The device is mainly composed of twice-receiving shovel, conveying device, fixed frame and transmission chain, etc. It can finish the process of twice-receiving, cleaning and gripping fruit when harvesting. Besides, this paper designed and did analysis on twice-receiving device and determined the optimal structural parameters and working parameters: the twice-receiving installation angle was 20°, the twice-receiving chain conveyor speed was 1.2 m/s, the bar was 10 mm. When the unit speed was 0.6 m/s, the peanuts average net fruit rate was 90.16%, the average leakage rate was 0.12%, improving the quality of peanut harvester, reducing the labor intensity of the peanut twice-receiving and operating costs. This equipment will give theory and technical support for the design of twice-receiving multi-function peanut combine. Others, the technical level of peanut combine in China has been greatly improved, and has developed many machines, such as: 4HB-2A, 4HBL-2 and 4HL-2, etc. Those machines can complete the work of mining, picking, soil-clearing, fruit-picking, cleaning, and collecting, etc. But the problems of leakage off of peanut fruit in the process of peanut harvesting, there is an average of 5%～8% of the losing. Besides, the cost of twice-receiving of artificial is high and there is no research of twice-receiving on peanut combine in China or at abroad. The main reasons of the existing peanut combine on leakage and off are: first, because of the high maturity of peanuts, the peanut roots and fruit node relay can’t meet the requirements of harvesting; second, some peanuts in the process of soil-clearing fell-off on the ground. So the research of this twice-receiving device of peanut combine has important significance.

peanut combine; twice-receiving device; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.017

2015-12-28

2016-03-25

山東省農機裝備研發創新計劃項目(2015TS202-1)和山東省協同創新中心資金項目(6682215005)

楊然兵(1979—)，男，副教授，博士，主要從事新型農業機械設計與性能試驗研究，E-mail: yangranbing@163.com

尚書旗(1958—)，男，教授，博士，主要從事農業機械裝備研究，E-mail: sqshang@qau.edu.cn

S223.2

A

1000-1298(2016)09-0115-06