小區小麥育種聯合收獲機試驗研究

魏麗娟，戴 飛，韓正晟，李興凱，高愛民

(甘肅農業大學 工學院，甘肅 蘭州 730070)

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小區小麥育種聯合收獲機試驗研究

魏麗娟，戴 飛，韓正晟*，李興凱，高愛民

(甘肅農業大學 工學院，甘肅 蘭州 730070)

根據小麥育種試驗種子收獲方法和農業技術要求，通過理論分析和田間試驗，研制出小區小麥育種聯合收獲機。該機可一次完成切割、脫粒、分離、清選、集糧等全部作業。以喂入量、滾筒轉速、吸雜風機轉速為因素，以脫粒總損失率、脫粒破碎率、分離含雜率為評價指標進行作業性能試驗。結合正交試驗，應用綜合平衡法得出了該機作業時各參數的最優方案為：喂入量0.3 kg·s-1，滾筒轉速1 350 r·min-1，吸雜風機轉速1 000 r·min-1。以該最優組合作業參數進行田間試驗，結果表明，該機平均脫粒總損失率為0.43%，平均分離含雜率為15.03%，平均脫粒破碎率為0.48%，裝置罩殼殘留率為0，符合小區小麥育種收獲要求。

農業機械；小區育種；聯合收獲機

田間育種是保障人類糧食安全的必要手段，同時也是一個耗費巨大勞力和財力的農業系統工程。育種機械化可以成百倍地提高育種工作效率，節省投資，縮短育種周期。我國作物育種試驗區機械的研制工作雖然取得了一定的成績，但與國際先進水平相比，育種試驗區管理機械化的發展水平還只是處于發展階段。其中，田間育種小區種子的收獲仍是一個難題[1-4]。

小區收獲與大田收獲不同，單個小區面積小，而整個試驗地內又包含很多的試驗小區和試驗品種，收獲的種子量少，種子不能混雜。其中，脫粒清選這一工序的目的是為田間試驗提供準確的數據、純度很高的原種及親本材料。這就要求小區小麥育種聯合收獲機作業質量好，效率高，使用安全、舒適，保證不混雜，脫粒干凈，破碎少，損失少，種粒清潔度高，易清機，且操作安全簡便，耐用以及移動輕便[5]。為此，根據小麥育種試驗種子收獲方法和農業技術要求[6]，在對市場已有樣機調研、改進的基礎上，對小區小麥育種聯合收獲機關鍵作業部件進行了設計計算，并對樣機進行了田間試驗研究。該機可一次完成切割、脫粒、分離、清選、集糧等全部作業，具有高脫凈、低損傷、防混種、便清機的特點，可實現小區田間育種機械化，能夠極大地提高小麥育種工作效率、降低育種作業的勞動強度，解放勞動力。

1 整體結構及主要技術參數

1.1 整機結構及工作原理

小區小麥育種聯合收獲機主要由撥禾裝置、切割裝置、中間輸送裝置、脫粒裝置、分離清選裝置、行走裝置、機架、動力傳動系統等部分組成。其結構如圖1所示。

1，行走裝置；2，雙層割臺；3，分禾器；4，撥禾輪；5，脫粒裝置；6，動力機；7，機架；8，糧箱；9，分離清選裝置圖1 小區小麥育種聯合收獲機Fig.1 Schematic diagram of the designed plot wheat breeding combine harvester

該機采用柴油機做動力，且直接安裝在機架上，使傳動較平穩。作業時，在割臺分禾器和撥禾輪的作用下，小麥莖稈被撥向割臺，上端被切割器上割刀切斷落入割臺，剩下的較長的莖稈被下割刀切斷還田。落入割臺的部分通過輸送攪龍被送進脫粒滾筒，脫粒滾筒紋桿上的斜紋向后傾斜一定的角度，它在轉動過程中對谷物既有脫粒作用，又有向后輸送的作用。脫粒后，大部分雜余從排草口排到麥田中，麥粒同少部分莖稈和帶癟谷的小穗等從提升槽進入分離筒組件中，由于麥粒和雜余的懸浮速度不同，在吸雜風機作用下，雜余被吸風管吸走并從吸雜風機中排出，凈谷則落入接糧裝置中，從而完成整個收割過程。

1.2 主要技術參數

參照相關標準[7]，小區小麥育種聯合收獲機的主要技術參數為：外形尺寸(長×寬×高)2 130 mm×1 070 mm×1 160 mm；整機質量115 kg；割幅600 mm；收割作業功率0.05～0.08 hm2·h-1；總損失量≤1.5 kg；配套動力4.8 kW；喂入量0.8～1.2 t·h-1；脫粒滾筒類型為短紋桿—板齒；行走形式為輪式自走式。

2 主要機構及部件設計

2.1 撥禾裝置

小區小麥育種聯合收獲機的撥禾裝置如圖2所示。該機采用偏心撥齒式撥禾輪，安裝在切割器上方。它由撥禾輪軸、輻盤和輻條組成主框架，并在撥禾輪輪軸一端裝有與撥禾輪軸成偏心的圓環和與撥禾輪輻條長度相等的平行輻條，以調節扶禾彈齒及其撥禾板的前后傾角(傾角調節范圍為由豎直向下到向后或向前傾斜30°)。收獲機作業時撥禾輪旋轉，撥禾桿及彈齒把小麥莖稈扶起并向后撥，切割前把小麥導向切割器，切割時扶持小麥，切割后把割下的小麥鋪放在割臺上。偏心撥禾輪有利于扶起倒伏作物，減少對穗頭的打擊并減少撥禾桿上提時的挑草現象。與手扶氣吸梳脫清選式種子聯合收獲機的梳脫裝置相比，該機的偏心撥禾輪可大大減少籽粒的飛濺損失[8]。

1，偏心輻條；2，輪軸；3，偏心環；4，加強筋；5，撥禾桿；6，彈齒圖2 偏心撥禾輪Fig.2 Schematic diagram of eccentric reel

本機撥禾輪設計有4排彈齒，撥禾輪半徑為260 mm，撥禾輪彈齒長度為220 mm，偏心距為60 mm。為減小撥禾輪對作物的打擊，以減少落粒損失，要求撥禾輪彈齒開始接觸作物時，其絕對速度垂直向下，即彈齒只向下行，而在前后方向則不動。為保證撥禾輪的輸送作用，還應保證彈齒轉到最低位置時，其向后推動禾桿的作用位置應在割下作物高度的2/3，以利于撥禾輪將割下作物向割臺鋪放，防止彈齒將莖稈挑起，增加割臺損失[9]。要滿足上述要求，撥禾輪的安裝高度應符合下式：

(1)

式(1)中：H，撥禾輪安裝高度(輪軸到割刀距離)，mm；L，作物高度，mm；R，撥禾輪半徑，mm；λ，撥禾輪速比，即撥禾輪彈齒圓周速度與收割前進速度之比；I，撥禾輪彈齒的長度，mm；h，收割時作物留茬高度，mm。

經計算得出該機撥禾輪的安裝高度設定為870mm。

撥禾輪工作時的運動為其繞撥禾輪軸的圓周運動與機器的前進運動兩者所合成的運動軌跡，其運動軌跡如圖3所示。撥禾輪的運動方程為：

(2)

式(2)中：x，水平坐標；y，垂直坐標；vm，機器前進速度，m·s-1；t，時間，s；R，撥禾輪半徑，mm；ω，撥禾輪角速度，rad·s-1；H，撥禾輪軸安裝高度，mm；h，割刀離地高度，mm。

2.2 雙層割臺切割裝置

圖3 撥禾輪運動軌跡Fig.3 Schematic diagram of moving track of the reel

小區小麥育種聯合收獲機的切割裝置設計為雙層割臺切割裝置，可以減小喂入脫粒裝置的物料量，減輕脫粒系統和清選系統的負荷，降低機器整體功率，提高清選質量[10]。本機設計的高茬二次切割裝置，二次切割的殘茬平鋪還田。切割器設計為標準Ⅱ型往復式切割器，刀具行程為76.2 mm，二次切割裝置寬度與機器割臺寬度一致，殘茬還田后長50～100 mm。小區小麥育種聯合收獲機的雙層割臺切割裝置如圖4所示。

該機雙層割臺的驅動機構為曲柄滑塊機構，如圖5所示。作業時，由柴油機輸出的動力經多級減速輸入到小帶輪上，小帶輪帶動大帶輪的轉動，大帶輪驅動撥禾輪的轉動；同時，通過曲柄滑塊機構驅動上層切割器運動，切割小麥穗頭。在上割刀運動的同時，通過與上割刀連桿相連的擺桿同步驅動下層切割器的運動，對小麥莖稈底部進行切割。

1，上割刀護刃器；2，上割刀動刀片；3，下割刀動刀片；4，下割刀定刀片；5，割臺機架；6，割臺罩殼；7，小帶輪；8，V型帶；9，大帶輪圖4 雙層割臺切割裝置Fig.4 Schematic diagram of double cutting device

1，曲柄；2，連桿；3，軸承座；4，下擺桿；5，下割刀；6，上割刀；7，上擺桿圖5 雙層割臺的驅動機構Fig.5 Schematic diagram of the drive mechanism of double cutting device

切割器在切割時，定刀片對莖稈起支撐作用，動刀由曲柄滑塊機構驅動，作往復運動，使動刀片和定刀片構成穩定的剪切副。切割器動刀片主刃的切割圖如圖6所示。動刀運動的絕對路線由機器的前進速度(速度為vm)和動刀片相對于機器的簡諧運動組成，為一余弦曲線c0c和a0a，其方程式為：

(3)

式(3)中：H1，割刀的進距，mm；r，曲柄半徑，mm。

從切割圖中得出我國標準Ⅱ型切割器在進距面積OABO1中，動刀片主刃剪切的作物面積很大，而漏割和留待回行程切斷的作物面積很小。動刀片在一個行程內，其主刃的劃切面積a0c0ca必須等于或略大于收割機的進距面積OABO1，才不致造成收割工作的浪費。為了滿足這一要求，進距H1為：

圖6 切割圖Fig.6 Schematic diagram of cutting

H1=2rh/(2r-htgσ)。

(4)

式(4)中：σ，刃口的斜角，°；r，曲柄半徑，mm；h，刀片刃口的高度，mm。

實際上小麥聯合收獲機的H1為70～120 mm。

2.3 脫粒裝置

脫粒裝置如圖7所示。由脫粒滾筒、柵格式凹板篩、罩殼以及橫向輸送攪龍組成。脫粒滾筒、柵格式凹板篩和罩殼組成脫粒室，脫粒裝置一端開有喂入口與輸送槽對接，另一端為排草口。

為減小脫粒時脫粒元件對育種小麥籽粒的碰撞損傷[11-12]，該機采用短紋桿—板齒作為脫粒元件，配以柵格式凹板篩，增強脫分能力。脫粒滾筒紋桿上的斜紋向后傾斜一定的角度，它在轉動過程中對谷物既有脫粒作用，又有向后的輸送作用。脫粒滾筒的長度設計為550 mm，滾筒的齒頂圓直徑設計為280 mm，板齒高為50 mm，脫粒滾筒上有6組短紋桿—板齒。

2.4 分離清選裝置

分離清選裝置主要由分離清選筒、吸雜風機、吸風管道組成，如圖8所示。旋風分離筒分為上錐段、中間圓柱段和下錐段3部分，上錐段出口為吸雜口，與吸雜管道相連，中間圓柱段與強制輸送帶相連，下錐段出口為出糧口。吸雜管道連接旋風分離筒與吸雜風機。

分離清選裝置作業時，吸雜風機高速運轉，通過吸風管道在氣流清選筒內產生一個氣流速度。由于脫粒后麥粒和雜余的懸浮速度不同，這個氣流速度小于麥粒漂浮速度，而大于雜質漂浮速度，則雜質所受的氣流作用力大于自身重力，雜質有豎直向上的加速度，會向上運動從物料中分離出來，通過吸風管從吸雜風機排出；而麥粒所受的氣流作用力小于自身重力，麥粒會有豎直向下的加速度，向下掉入糧箱中[13]。

1，罩殼；2，脫粒滾筒；3，柵格式凹板；4，橫向輸送攪龍；5，喂入口；6，排草口圖7 脫粒裝置Fig.7 Schematic diagram of threshing separation unit

1，旋風分離筒；2，進料口；3，吸雜風機；4，吸雜管道圖8 清選裝置Fig.8 Schematic diagram of cleaning unit

為保證小麥脫出物雜余能夠由旋風分離筒吸雜口排出，吸雜口最小風速不能低于雜余懸浮速度，計算得出分離筒吸雜口的直徑為110 mm。為保證籽粒由出糧口順利落下，出糧口風速需低于籽粒懸浮速度，經計算得出分離筒出糧口的直徑為140 mm。

3 田間試驗

3.1 試驗條件與材料

2014年7月在甘肅省榆中縣進行了樣機的田間收獲試驗。試驗面積為300 m2的小區育種試驗田，收割小麥為臘熟期可收獲小麥，品種為隴春23號，籽粒千粒重為41.2 g，籽粒含水率21.6%。

3.2 試驗因素與指標

試驗過程中，選取物料喂入量、滾筒轉速和吸雜風機轉速作為試驗因素[14-16]，采用綜合平衡法正交試驗設計，得到小區小麥育種聯合收獲機的各組成部件作業參數的最優方案。為符合小區小麥育種聯合收獲機高脫凈、低損傷、防混種的作業要求，參照《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》(GB/T 5262—2008)和《脫粒機試驗方法》(GB/T 5982—2005)的測定指標[17]，試驗選取脫粒總損失率(未脫損失率和夾帶損失率)、分離物料含雜率及脫粒破碎率為作業性能評價指標。試驗的因素及水平見表1。

表1 試驗設計因素及水平

Table 1 Factors and levels of testing

水平因素A喂入量/(kg·s-1)B滾筒轉速/(r·min-1)C吸雜風機轉速/(r·min-1)10.3135090020.4140095030.514501000

3.3 試驗結果與分析

選用L9(34)的正交表安排試驗。試驗結果見表2。

由表2分析可知，當對小區小麥育種聯合收獲機作業性能指標的3個主要因素進行改變時，該機的脫粒總損失率在0.35%～0.61%之間，分離含雜率在13.67%～17.35%之間，脫粒破碎率在0.34%～0.65%之間。當喂入量為0.3 kg·s-1、滾筒轉速為1 350 r·min-1，其余作業參數變化時，脫粒總損失率、脫粒破碎率和分離含雜率均處在較低范圍內。吸雜風機轉速的選取與裝置分離含雜率密切相關， 當風機轉速由900 r·min-1增加至1 000 r·min-1時，分離含雜率有所降低。

通過應用綜合平衡法，由表2中極差大小得出，影響該機作業性能的因素依次為喂入量>滾筒轉速>吸雜風機轉速。該機作業時各參數的最優方案為A1B1C3，即喂入量為0.3 kg·s-1，滾筒轉速為1 350 r·min-1，吸雜風機轉速為1 000 r·min-1。

應用上述正交試驗研究得出的該機作業時的最優方案，結合該作業參數進行小區小麥育種聯合收獲機的作業效果試驗驗證。試驗結果表明，該機的小麥種子破碎率為0.48%，脫粒總損失率與分離物料含雜率分別為0.43%和15.03%，裝置罩殼殘留率為0，整機作業性能良好，符合小區小麥育種聯合收獲機脫凈率高、破碎率低的要求，脫粒裝置內部無種子滯留，無須人工清機，保證了育種試驗數據的可靠性。

表2 試驗結果

Table 2 Test results

試驗號因素ABC試驗結果脫粒總損失率/%脫粒破碎率/%分離含雜率/%11110.350.3414.2121220.410.4214.5631330.380.5413.6742120.450.4615.7452230.470.5616.1362310.580.4816.4573130.560.5816.5283210.520.6215.9893320.610.6517.35脫粒總k10.380.450.48損失率k20.500.470.49k30.560.520.47極差0.180.070.02脫粒破k10.430.460.48碎率k20.500.530.51k30.620.560.56極差0.190.100.08分離含k114.1515.4915.55雜率k216.1115.5615.88k316.6215.8215.44極差2.470.330.44

4 小結

(1)研制的小區小麥育種聯合收獲機主要由偏心撥禾輪、短紋桿—板齒脫粒滾筒、雙層割臺的切割裝置及氣流分離清選系統組成，可一次完成切割、脫粒、分離、清選、集糧等全部作業，實現了高脫凈、低損傷、防混種、便清機的作業要求，提高了小麥育種工作效率、降低育種作業的勞動強度。

(2)小區小麥育種聯合收獲機的工作性能指標是脫粒總損失率、脫粒破碎率和分離含雜率，而影響這些指標的主要因素為喂入量、滾筒轉速、吸雜風機轉速。同時，這些因素也是影響該機作業性能的重要參數。

(3)通過正交試驗研究，應用綜合平衡法得出了該機作業時各參數的最優方案：喂入量為0.3 kg·s-1，滾筒轉速為1 350 r·min-1，吸雜風機轉速為1 000 r·min-1。以該最優組合作業參數進行田間試驗，試驗結果表明，平均脫粒總損失率為0.43%，平均分離物料含雜率為15.03%，平均脫粒破碎率為0.48%，裝置罩殼殘留率為0，無須人工清機，各項試驗評價指標符合該機作業性能要求，可滿足小區小麥育種收獲要求。

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(責任編輯 高 峻)

Experiment on plot wheat breeding combine harvester

WEI Li-juan， DAI Fei， HAN Zheng-sheng*， LI Xing-kai， GAO Ai-min

(CollegeofEngineering，GansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070，China)

According to the method of seed harvest and agricultural technical requirements of wheat breeding experiment， a wheat breeding combine harvester was developed through theoretical analysis and field experiment. The machine could complete cutting， threshing， separating， cleaning， collecting grain in one time. Operating performance test was conducted with feed quantity， rotate speed of cylinder， rotate speed of gettering fan as testing factors， and the threshing total loss rate， threshing broken rate and trash content of cleaning rate as evaluating indicators. Comprehensive balance method and orthogonal experiments were applied to obtain the optimum scheme of the whole parameters when operating， in which the feed quantity was 0.3 kg·s-1， the rotate speed of cylinder was 1 350 r·min-1and the rotate speed of gettering fan was 1 000 r·min-1. Field test with the optimum combination of operational parameters showed that the average threshing total loss rate was 0.43%， the average trash content of cleaning rate was 15.03%， the average threshing broken rate was 0.48%， and the remaining rate of seed was 0， which could meet the demand of plot wheat breeding harvest.

agricultural machinery; plot breeding; combine harvester

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.06.28

2015-11-09

國家自然科學基金資助項目(51365003)；甘肅省農業科技成果轉化資金計劃項目(1305NCNA142)

魏麗娟(1988—)，女，甘肅白銀人，碩士研究生，從事農業工程技術與裝備研究。E-mail：1079486572@qq.com

*通信作者，韓正晟，E-mail：hanzhengsheng@gsau.edu.cn

S225.3

A

1004-1524(2016)06-1082-07

魏麗娟，戴飛，韓正晟，等. 小區小麥育種聯合收獲機試驗研究[J].浙江農業學報，2016，28(6)： 1082-1088.