4LZ-1.0小型收割機設計及脫粒分離裝置優化

馮 偉，龐有倫，李 平，崔晉波，張先鋒，湛小梅

(重慶市農業科學院，重慶 401329)

4LZ-1.0小型收割機設計及脫粒分離裝置優化

馮 偉，龐有倫，李 平，崔晉波，張先鋒，湛小梅

(重慶市農業科學院，重慶 401329)

為了適應西南丘陵山區的作業環境，改善脫粒分離損失較大、含雜較高且容易堵塞的問題，提高水稻機械化收獲水平，設計了可滿足1.0喂入量的小型聯合收割機。通過對比試驗分析雙切流脫粒分離裝置脫粒清選性能，對脫粒滾筒不同釘齒布置形式、滾筒線速度進行了優選。試驗結果表明：雙切流小型聯合收割機收獲水稻的最佳組合方式為：第1滾筒采用弓齒結構、滾筒線速度為19m/s，第2滾筒采用釘齒結構、滾筒線速度為20m/s時，脫粒分離效果較好。優化后的4LZ-1.0小型收割機在水稻收割試驗時，含雜率為1.28%，損失率為1.6%，破碎率為0.17%，生產率為0.12hm2/h，滿足設計要求。

小型收割機；雙切流；脫粒分離；性能試驗

0 引言

我國大部分地區已經實現了水稻機械化收獲，但西南丘陵山區因地形地貌限制田塊較小，主要以傳統手工收獲為主。由于其勞動強度大、作業效率低及農業機械化發展水平相對落后的特點，急需改善落后的水稻生產條件，因此迫切需要研發一款適用于小田塊作業的小型聯合收割機。

國外收獲機械質量和效率受到市場普遍認可，但這些機型體積龐大且大部分為輪式，很難適應我國丘陵地區深泥腳、小田塊的作業環境，且售價高，難以大量引進[1-4]。國內小型聯合收割機還處于起步階段，主要以手扶式小型收割機為主，同時國產機型還存在脫粒分離技術不成熟，以及在水稻收獲時勞動強度大、籽粒損失率較大、收獲效率低等問題[5-6]。隨著我國農業機械化的發展，對脫粒分離的工作性能、作業效率和可靠性等方面提出了更高的要求[7-9]。

為了解決上述問題，筆者研制了4LZ-1.0小型聯合收割機，以履帶作為行走機構，降低接地比壓，提高水田通過性能，并將雙切流脫粒滾筒應用于該機型上。李耀明[10-14]等對橫軸流、單切雙橫流、切縱流、縱軸流滾筒進行了脫粒分離理論與試驗研究，但鮮有對雙切流脫粒滾筒脫粒性能進行試驗分析。本文分析了雙切流脫粒分離裝置不同脫粒結構及脫粒滾筒不同轉速對收割機脫粒性能的影響，并將最終優化后的方案按照農業機械推廣鑒定大綱要求進行了數據檢測。

1 結構設計

1.1 整體結構及工作原理

該小型聯合收割機主要由履帶自走式底盤、動力總成、脫粒清選總成、中間輸送總成、割臺總成、撥禾輪總成、操縱總成及糧倉總成等組成,如圖1所示。

收割機作業過程如下：撥禾輪將水稻撥向割臺，再由割臺上的割刀切斷，切下來的水稻經割臺滾筒螺旋和伸縮扒齒將谷物拋送到中間輸送總成，再將谷物輸送到脫粒滾筒入口；經過第1脫粒滾筒揉搓和第2滾筒梳刷脫粒后，谷草從排草口排出，脫粒總成細小雜草隨水稻一起落下，經過振動篩和風扇清選后由螺旋輸送送入糧倉，其工作流程圖如圖2所示。

1.2 脫粒分離裝置

脫粒分離裝置主要由第1脫粒滾筒、第2脫粒滾筒、第1凹板篩、第2凹板篩、罩殼及排草輪組成，如圖3所示。第1脫粒滾筒以揉搓脫粒為主，主要用于分離70%易脫谷物，入口間隙取30mm，出口間隙取20mm，為了保證滾筒的防纏草作用，滾筒直徑取460mm；第2脫粒滾筒梳刷脫粒以主，主要用于分離30%難脫谷物及谷草分離，入口間隙取25mm，出口間隙取15mm，為了保證滾筒的脫粒分離性能，滾筒直徑取550mm。

為了保證谷物有充足的脫粒分離面積，凹板篩在滿足谷物通過順暢的前提下，包角應盡量大。第1凹板篩的包角設計值為92°，第2凹板篩的包角設計值為120°，凹板篩柵條直徑設計為4mm，網孔大小45mm×14mm。

1.撥禾輪 2.割臺總成 3.中間輸送總成 4.履帶自走式底盤 5.脫粒清選總成 6.操縱總成圖1 試驗用聯合收割機Fig.1 The combine harvesters for test

圖2 工作流程圖Fig.2 Workflow diagram

1.第1脫粒滾筒 2.第2脫粒滾筒 3.排草輪 4.第2凹板篩 5.第1凹板篩圖3 脫粒分離裝置Fig.3 the separation part

1.3 主要技術參數

外形尺寸/mm：3 500×1 400×1 650

割幅/mm：1 200

喂入量/kg·s-1：1.0

配套動力/kW：16

生產效率/hm2·h-1：≥0.1

總質量/kg：≤900

接地壓力/kg·cm-2≤0.17

脫粒方式：雙切流

2 試驗方法

2.1 脫粒分離性能試驗2.1.1 試驗水稻特性

試驗采用重慶地區水稻，品種為“渝香203”，其部分特性如表1所示。

表1 水稻基本特性參數

2.1.2 試驗方法

以第1脫粒滾筒、第2脫粒滾筒脫粒方式、脫粒滾筒轉速，按單因素法對聯合收割機脫粒性能進行對比試驗，測試分析收割機的損失率、破碎率、含雜率，最終獲得最佳的切流脫粒滾筒結構參數和運動參數。

試驗時，逐次更換脫粒滾筒，調整滾筒轉速，按照農業部推廣鑒定大綱要求，進行田間收獲試驗。選取株高均勻、田塊平整的田塊，將田塊修理得盡量方正；試驗用水稻長度為25m并做好標記，將接料裝置連接到收割機拍草口，啟動小型聯合收割機使其達到空載最大轉速，等待2～3s，再啟動工作離合，等收割機運行平穩后開始收割試驗。

2.2 整機性能試驗

根據脫粒分離性能試驗優選后的參數，調整脫粒滾筒結構和轉速，并按照脫粒分離性能試驗的方法開展田間收獲試驗，進行3次檢測，并記錄試驗結果。

3 結果與分析

3.1 脫粒分離性能試驗

聯合收割機脫粒裝置要求谷物脫粒干凈，且脫出物雜余少，以減少對清選裝置的負擔。因此，通過脫粒滾筒脫粒元件結構、滾筒線速度等進行對比試驗，

研究其對脫粒損失率、破損率及含雜率的影響。

3.1.1 脫粒元件對谷物損失率和含雜率的影響

常見的脫粒元件有釘齒、弓齒及紋桿等，本文結合收割機的脫粒效果，選用釘齒和弓齒開展脫粒分離性能試驗，結果如圖4和表2所示。

圖4 不同脫粒元件時脫粒分離裝置的損失率和含雜率折線圖Fig.4 The line chart of loss ratio of threshing and separating

device with different threshing elements

表2 不同脫粒元件時脫粒分離裝置的損失率和含雜率

從圖4可以看出：試驗1、2、3測試結果相差不大，試驗2第1滾筒采用弓齒、第2滾筒采用釘齒結構時，損失率較低、含雜率較小。試驗4含雜率最低，但損失率增幅較大，是因為均采用弓齒結構，第2滾筒谷物不能全部分離出去，最后經過排草輪直接排除機外。因此，采用第1滾筒弓齒、第2滾筒釘齒的脫粒滾筒結構，可以使谷物運動更加順暢，損失率、含雜率控制較好。

由表2 可以看出：第1、2滾筒均采用弓齒時，谷物損失率較高。這是因為雙滾筒脫粒各滾筒作用不同，第1滾筒主要作用是揉搓脫粒，第2滾筒主要作用是脫粒分離，采用相同的結構形式，導致脫粒分離不夠徹底；采用釘齒和弓齒混合使用時，損失率較低。

3.1.2 滾筒線速度對谷物損失率、破損率和含雜率的影響

滾筒線速度對谷物損失率、破損率和含雜率的影響如表3和圖5所示。由表3可以看出：第1滾筒線速度越大，破碎率越高。這是因為釘齒高速梳刷，谷物來不及分離出去被擠壓破碎。

由表3、圖5可以看出：滾筒線速度越低時，谷物破碎率越小，損失率、含雜率呈現先小后大的趨勢。這是因為較小的脫粒線速度會使水稻脫粒不干凈，同時脫下的稻谷也難以從谷草中分離出來，導致損失率增加。觀察試驗數據發現：試驗2損失率2.3%，含雜率1.78%最小，破碎率0.61%滿足設計要求，說明該方案脫粒分離效果最好。

表3 不同滾筒線速度時脫粒分離裝置的損失率、破損率和含雜率

3.2 整機性能測試

2016年10月18日至2016年10月20日，在重慶市萬州區馬頭村，對4LZ-1.0小型聯合收割機進行了水稻收割試驗。試驗過程中的數據采集和處理均按照GB/T 8892—2008《收獲機械聯合收割機 試驗方法》和DG/T 014—2009《谷物聯合收割機》執行[15-16]。

試驗田選取1hm2，未倒伏，平均株高78cm，千粒質量25.6g，籽粒含水率 13.1%，平均產量 8335 kg/hm2，作業參數和田間狀態符合實驗要求。收割機采用Ⅱ檔作業，試驗過程檢測含雜率、損失率、破碎率、作業生產率及燃油消耗等性能參數。試驗過程中，收割機各工作部件運行順暢，主要性能指標和執行標準如表4所示。

由表4可以看出：各項指標均優于執行標準的要求，經過優化調整后的小型聯合收割機能夠滿足設計要求。

表4 主要性能指標對比

4 結論

1)第1滾筒的主要作用是完成易脫部分揉搓脫粒，第2滾筒的主要作用是難脫部分脫粒和谷草分離。第1滾筒和第2滾筒均采用弓齒結構時，谷物損失率較高。

2)對于雙切流脫粒方式，第1滾筒采用弓齒、第2滾筒采用釘齒的結構時，谷物運動更加順暢，損失率、含雜率控制較好。

3)第1滾筒線速度越大，由于釘齒的高速梳刷，谷物來不及分離出去被擠壓，破碎率越高。

4)當第1滾筒線速度為19m/s、第2滾筒線速度為20m/s時，脫粒效果最好，其損失率為2.3%，含雜率為1.78%，破碎率為0.61%。

5)優化后的4LZ-1.0小型收割機在水稻收割試驗時，含雜率為1.28%，損失率為1.6%，破碎率為0.17%，生產率為0.12hm2/h，滿足設計要求。

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Experimental Research on Threshing and Separating Performance of Double - stream Cut Threshing Device

Feng Wei, Pang Youlun, Li Ping, Cui Jinbo, Zhang Xianfeng, Zhan Xiaomei

(Chongqing Academy of Agricultural Sciences, Chongqing 401329, China)

In order to solve the problem that threshing and separating of small combine harvester has high inclusions and easy to jam, a double-stream threshing and separating device can be designed for 1.0 combined feeding amount. Through comparative test, Different nail tooth arrangement forms, roller linear velocity is optimized. The results showed that the optimal combination of double - cut - flow small combine harvester was that the first drum used arch structure, the line drum speed was 20m/s, the second drum used the nail structure, the drum speed was 20m/s, threshing separation is better.the yield of the 4LZ-1.0 small harvester was 1.28%,the loss rate was 1.6%, the crushing ratio was 0.17% and the productivity was 0.12hm2/h, which met the design requirements.

small combine harvester; double tangential flow; threshing separation; performance test

2016-12-06

重慶市科技服務平臺專項(cstc2015ptfw-ggfw70001)

馮 偉(1988-),男，重慶人，工程師，碩士研究生，(E-mail)fengwei0205@126.com。

龐有倫(1966-)，男，重慶人，正高級工程師，(E-mail)pyl_cq@163.com。

S225.3

A

1003-188X(2017)12-0180-05