縱軸流聯合收獲機關鍵部件改進設計與試驗

王金雙，熊永森，徐中偉，馬 廣，王志明，陳德俊

（1. 金華職業技術學院機電工程學院，金華 321017；2. 浙江四方集團公司，永康 322000）

縱軸流聯合收獲機關鍵部件改進設計與試驗

王金雙1，熊永森1，徐中偉2，馬 廣1，王志明1，陳德俊1

（1. 金華職業技術學院機電工程學院，金華 321017；2. 浙江四方集團公司，永康 322000）

針對當前履帶式縱軸流聯合收獲機中存在的工作狀態無法在收獲不同作物間快速轉換，割臺損失率較高、脫粒分離能力較差以及功耗高等不足，對割臺、脫粒、清選、行走等主要工作部件進行了改進設計與試驗研究。將割臺設計為無級調速可伸縮式結構，脫粒裝置改為縱軸同徑差速滾筒脫粒裝置，采用單HST（hydro static transmission）原地轉向行走裝置及防粘附清選裝置，并經室內試驗和田間試驗表明：可伸縮割臺能實現稻麥收割狀態與油菜收割狀態的快速轉換，擴大了割臺的使用功能，收獲油菜損失顯著減少，與常規相比較，油菜損失率降低 2.8個百分點；差速軸流滾筒提高了脫粒效果和分離能力，與等長度單轉速軸流滾筒相比，夾帶與脫不凈損失率分別減少了0.02個百分點與0.09個百分點，破碎率減少了 0.017個百分點；原地轉向行走機構減少了地表土壤的破壞并降低了轉向功耗，以原地轉向替代單邊制動轉向時，節約功耗 37.0%；清選機構抖動板和清選篩面經不沾水處理，改善了潮濕谷物的清選性能，清選損失率降低0.9個百分點，含雜率降低0.4個百分點；這些聯合收獲機主要工作部件的改進設計提高了整機工作性能，以期為聯合收獲機主要工作部件改進，提高聯合收獲機工作性能提供參考。

作物；收獲機；設計；縱軸流；改進結構；性能；試驗

王金雙，熊永森，徐中偉，馬 廣，王志明，陳德俊. 縱軸流聯合收獲機關鍵部件改進設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(10)：25－31. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.004 http://www.tcsae.org

Wang Jinshuang, Xiong Yongsen, Xu Zhongwei, Ma Guang, Wang Zhiming, Chen Dejun. Improved design and test of key components for longitudianl axial flow combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 25－31. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.004 http://www.tcsae.org

0 引 言

國內于20世紀90年代中研發成功具有橡膠履帶行走裝置和桿齒式軸流滾筒（橫置軸流）、適用于南方水稻收獲的全喂入聯合收獲機并獲得了大面積推廣應用。但伴隨水稻產量提高和綜合利用的需要，要求聯合收獲機增大喂入量并能收獲多種作物（如油菜）。但全喂入聯合收獲機滾筒增長受限、輸送槽較窄，不能適應收獲需求。在21世紀初，軸流滾筒縱置增長、輸送槽增寬、喂入量為2.5 kg/s的縱軸流全喂入聯合收獲機被引入國內市場，與原有喂入量為1.8 kg/s的橫軸流聯合收獲機相比較，脫粒滾筒長度和輸送槽寬度分別增大了1.6～1.8倍，目前在國內市場占有率較高。該機型由國外引進、技術較先進，但與國內超級水稻收獲和精準農業對土壤環境的要求間存在一些不適應之處[1]。國內超級水稻大面積單產已達到10 000 kg/hm2左右，縱軸流聯合收獲機存在脫粒不凈、總損失率極易超標的現象[2-6]；履帶行走機構采用非原地轉向，容易破壞土壤表層；用于稻麥收獲的收割臺不適應油菜收獲，需臨時更換或加裝油菜收割臺，收獲機工作狀態轉換耗時長且增大成本。此外，收獲含水率較高的潮濕作物時，還存在粘附篩面，影響谷物清選等問題[7-15]。國外20世紀90年代，研發縱軸流聯合收獲機，軸流滾筒為封閉式螺旋葉片結構，筒體表面焊有節距150 mm、高60 mm的螺旋葉片，螺旋葉片上安裝釘齒或筒體表面安裝弓齒[16]。后續研制的“奇跡桿”脫粒滾筒取代了前 2種結構[17-18]。對于同軸差速脫粒裝置研究國內外已有報導[19-21]，但縱軸流同徑差速脫粒裝置研究未見報導；聯合收獲機伸縮收割臺國內也已開展相關研究[22]，但縱軸流無級伸縮收割臺研究未見報導；利用雙HST（hydro static transmission）實現原地轉向行走裝置已有相關產品和研究[23-24]，但應用于縱軸流聯合收獲機的結構簡單成本又低的單HST原地轉向行走裝置的研究未見報。

綜上所述，現有縱軸流聯合收獲機（久保田、時風、萊恩、星光等2.5Z型）存在不能實現長稈作物與短作物收獲工作狀態快速轉換、小半徑轉向易引起表層土壤破壞、非差速脫粒滾筒不適應高產作物脫粒收獲以及未經防沾水振動篩面不適應含水率較高作物清選處理等不足。為此對現有縱軸流聯合收獲機的收割臺、非差速脫粒裝置、單邊制動轉向裝置及清選裝置，改進設計為縱軸流同徑差速脫粒裝置、無級可伸縮收割臺、單HST原地轉向行走裝置和防粘附清選裝置等，并進行相應試驗研究。

1 縱軸流同徑差速脫粒裝置設計

目前國內現有縱軸流脫粒分離裝置的履帶式全喂入稻麥聯合收獲機，其軸流滾筒軸向采用單一轉速，設計時采用較高轉速，以減少脫不盡損失而造成籽粒破碎率提高，碎莖稈增多；而采用同徑軸向差速（即軸向有高低2種轉速）可解決以上問題。

1.1 高低速滾筒結構設計

在原單一轉速脫粒滾筒基礎上，增設差速驅動裝置與同徑差速滾筒。同徑差速桿齒脫粒分離裝置由主、從動錐齒輪、差速桿齒脫粒滾筒、柵格凹板等組成，由三角帶驅動，其裝置示意如圖1所示。脫粒滾筒脫粒段（不含喂入段與排草段，見圖1所示）總長度為1 372 mm，滾筒前段為低速滾筒，占脫粒滾筒脫粒段總長度的4/5即1 050 mm，后段為高速滾筒，占1/5即280 mm[19]。若計入排草段，高速滾筒長度為430 mm。工作時，作物由前段低速滾筒低速脫下易脫籽粒；后段高速滾筒脫下難脫籽粒，以降低脫粒不凈造成損失。而且后段高速脫粒作業，加速籽粒分離，減少夾帶損失。

圖1 同徑差速桿齒脫粒裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of threshing device with same diameter roller at low and high speed

1.2 高低速滾筒轉速計算

根據水稻籽粒連接力與脫粒線速度數學模型，桿齒軸流滾筒水稻脫粒線速度為18～26 m/s，縱軸流脫粒滾筒直徑為620 mm[25]。若不考慮三角帶滑轉脫粒滾筒轉速下降，確定低速段滾筒齒頂線速度v1為18 m/s，高速滾筒齒頂線速度v2為26 m/s。經計算，差速脫粒滾筒轉速

式中n2為高速滾筒轉速，r/min；n1為低速滾筒轉速，r/min；K為圓柱形桿齒式軸流滾筒水稻脫粒最高和最低線速度之比，K=26/18=1.44；v1為水稻脫粒最低滾筒線速度，取v1=18 m/s；R為軸流滾筒半徑，取R=0.31 m。

將v1、R代入式（1），可求得n1為555 r/min，n2為799 r/min。

2 無級可伸縮式收割臺設計

在原有收割臺基礎上，設計了一種可無級伸縮式收割臺[26]，主要增設花鍵伸縮傳動桿 6與伸縮卷板3及二只液壓缸11等，如圖2所示。

圖2 無級伸縮式收割臺示意圖Fig.2 Scalable cutting-platform schematic diagram

圖2b為割臺及花鍵伸縮傳動桿呈收縮狀態，用于收獲稻麥等短稈作物；圖2c為割臺及驅動切割器花鍵伸縮傳動桿呈伸開狀態，用于收割油菜等長稈作物。

2.1 無級伸縮收割臺結構和工作原理

無級調節伸縮收割臺包括：割臺機架7，導向定位套管1，割刀2，伸縮卷板3，割刀擺臂4，帶座外球面軸承5，花鍵伸縮傳動桿6，前、后銷軸8、10，保護座9，雙向液壓油缸11，擺環13等組成。伸縮機構主要由安裝于割臺底板下面的二組雙向液壓油缸、二組左、右導向定位套管，雙向液壓缸一端與割臺機架鉸接，另一端與刀架鉸接。雙向液壓缸后縮時，帶動刀架向后移動，伸縮卷板卷縮，花鍵伸縮傳動桿縮短，割臺后縮狀態如圖 2b所示；雙向液壓缸前伸時，帶動切割器向前移動，卷簾板展開，花鍵伸縮連桿拉長，使水平切割器和垂直切割器位置向前，割臺前伸狀態如圖2c所示，從而實現稻麥收割和油菜收割對收割臺的快速轉換。切割器前伸/后縮之間的位置可以通過雙向液壓缸控制實現無級調節，以適應稻麥、油菜等不同作物收獲。

2.2 收獲機收割臺三角區設計

全喂入聯合收獲機割臺三角區是割臺 3個主要工作部件撥禾輪、切割器和割臺螺旋輸送器構成的特殊空間。三角區是收割臺“死區”，如圖3所示，對收割臺工作質量影響很大。圖中l是螺旋輸送器中心到護刃梁的距離。l值大適應長莖稈作物收獲。而收獲短莖稈作物時，作物容易堆積在螺旋扒齒輸送器和切割器之間，待堆積到一定數量時能被螺旋葉片抓取，造成喂入量的不均，嚴重時會造成堵塞。l值較小時，適應莖稈短的作物收獲，而收獲長莖稈作物時，容易從收割臺滑下來造成損失，根據文獻可知[27]

式中La為收獲作物高度，m。

根據經驗數據，收獲稻麥時，取La為800～1 150 mm，得l為350～500 mm。收獲油菜時，考慮到油菜作物自然高度與作物高度幾乎不變（沒有下垂），同時成熟油菜單株體積很大， 取La為1 450～1 500 mm，得l為700～850 mm，因此取l=700～850 mm。同時要保證撥禾齒與螺旋輸送器扒齒之間的最小距離δ3= 40～50 mm(δ1=10～20 mm，δ2=20～30 mm)[27]。

圖3 全喂入聯合收獲機收割臺三角區示意圖Fig.3 Triangular area diagram of full feed combine harvester

3 單HST原地轉向行走裝置設計

因現有履帶小轉向半徑對土壤破壞嚴重及功耗較大，為此對其行走裝置的變速器進行改進設計，以使驅動輪一正一反旋轉，來實現機器原地轉向。本設計液壓馬達動力輸入變速箱后將其分為A、B兩路正反轉動力流（如圖4所示），A路正轉動力流由驅動齒輪經中央傳動齒輪39及兩側牙嵌離合器齒輪38與40、向兩側（或一側）傳送正轉動力；B路反轉動力流由與驅動齒輪位于同一軸上的右或左反轉驅動齒輪（31或35）驅動，經右或左換向齒輪（42或36）和右或左離合器齒輪（41或37），向右或左側傳送反轉動力。當向右（左）原地轉向時，只需操縱撥叉向右（左）扳動到位即可[28-30]。

圖4 原地轉向變速箱結構示意圖Fig.4 In-situ steering gear box structure schematic

3.1 速度和回轉角速度

原地轉向時速度和受力如圖 5所示，假設兩側土壤條件相同，履帶運動時無滑轉和滑移，則有

因轉向時，減油機器降速，履帶速度V1取值一般為0.5～1.0 m/s，B=1 m，故ω取1.0～2.0 rad/s。

圖5 履帶原地轉向時速度和受力Fig.5 Speed and force analysis when in-situ steering

3.2 驅動力和阻力矩

原地轉向主要受到3種力的作用[28-29]，正、反轉履帶的驅動力P1（N）和P2（N）；正、反轉履帶所受的滾動阻力F1（N）和F2（N）和轉向阻力矩Mμ（N·m）；ms（kg）為聯合收獲機整機質量，由樣機測定。測得重心偏移C=10.71 mm，e=51.75 mm，ms=2 800 kg，如圖5所示。

設定履帶在割茬地空載原地轉向條件下，計算得F1=1 541 N；F2= 1 479 N；P1= 7 988 N；P2= -7 962 N；Mμ=6 483 N·m。

3.3 轉向功率消耗

原地轉向時，功率消耗Nω主要克服轉向總阻力矩MZ，故有

式中Mμ為轉向阻力矩，N·m；MZ為轉向總阻力矩，N·m；ω為原地轉向角速度，rad/s，ω=2V1/B；

轉向時，設V1=V2=0.5m/s，ω=1 rad/s。

據式（10）求得Nω=8.00 kW

而單邊制動轉向V1=0，V2=1 m/s，全部驅動力作用在轉向側履帶，以克服阻力矩Mμ，若行走與傳動效率不變、無滑轉和滑移，其功率消耗[1]

式中P為機器總驅動力，N。

v為轉向參數。

據式（11）、（12），得單邊制動轉向功耗Nz=12.7 kW，由上可知，以原地轉向替代單邊制動轉向時，與單邊制動比可降低功耗37.0 %。

4 防粘附清選裝置設計

防粘篩篩箱結構如圖6所示。

圖6 防粘篩結構圖Fig.6 Anti-sticking screen structure

傳統的分離機構收獲高含水率稻麥或小籽粒作物（如油菜）時，存在抖動板和振動篩孔堵塞致使籽粒含雜率和清選損失增大問題。為此對篩面進行改進，采用不沾水涂層處理，對抖動板1、上層篩2、逐稿器3，梳齒篩4、沖孔篩5、尾篩等表層按特定工藝進行了涂裝聚四氟乙烯的不沾水處理[31]。

5 改進工作裝置試驗分析

5.1 縱軸流同徑差速脫粒裝置試驗

試驗條件：選用晚稻甬優 9號（較難脫），其千粒質量均值 28.0 g，自然高度1.42 m，穗幅差均值12 cm，單產8 941 kg/hm2，籽粒含水率均值17.2%，莖稈含水率均值53.2%，草谷比均值1.79。

2015年10月15日在浙江永康進行了樣機的田間試驗，測定面積為7.5 m2，額定喂入量2.5 kg/s，試驗重復3次，測定3次夾帶和脫不凈損失均值。

經同徑差速脫粒與非差速脫粒裝置試驗比較，如表1所示。差速脫粒裝置從脫不凈率與夾帶損失率 2項性能指標遠高于非差速脫粒裝置，夾帶損失率低于非差速脫粒裝置0.02個百分點，脫不凈損失率低于非差速脫粒裝置0.09個百分點，破碎率下降了0.017個百分點。

表1 改進前后試驗夾帶和脫不凈損失測定Table 1 Determination of entrainment and not loss before and after improvement

5.2 無級可伸縮式收割臺對比試驗

采用無級可伸縮式割臺收獲油菜與水稻（或小麥）不需要更換割臺。一方面不用多增設附加割臺，可節約成本約2 000元/臺（2015年市場價格）；另一方面收獲油菜與水稻間無需換割臺，可節約作業時間（約40 min/臺）。經多次改進設計后，結構簡單也更可靠，制造成本低，改進后實際樣機產品如圖 7所示，通過伸出割臺，便可實現收獲油菜。

圖7 改進后樣機及改進前樣機Fig.7 Improved prototype and prototupe before improvement

試驗條件：油菜產量為2 805 kg/hm2，植株自然高度為1.58 m；2015年5月13日在浙江省永康花街進行田間試驗，采用常規收獲水稻割臺與無級可伸縮割臺的收獲機進行田間收獲油菜，油菜損失對比試驗。在同一田塊，同時進行田間收獲試驗，試驗進行5次，每次收割長度為5 m，前進速度為0.7 m/s，割幅為2 m，測定油菜損失量計算損失率。

從表2知，用收獲水稻割臺（常規割臺）直接進行收獲油菜割臺損失較大，可能因為割臺短而油菜作物高1.5 m左右，出現割臺損失顯著增加現象；而采用可伸縮割臺，可根據作物高度來調節割臺深度，油菜損失顯著減少，油菜損失率降低2.8個百分點，可能是因為割臺深度增大，三角區變長，減少了油菜條向前拋出與爆殼現象。

表2 常規與可伸縮式割臺油菜損失對比試驗Table 2 Comparison of rape losses under on ventional and retractable cutling platforms

5.3 防粘篩分離機構與普通篩對比試驗

2015年10月17日在浙江永康進行了樣機的室內試驗，試驗采用晚稻甬優9號，千粒重為30.6 g，草谷比均值為 2：1，水稻籽粒含水率為 31.2%，莖稈含水率為73.1%，每次試樣總重為12 kg，喂入量為2.5 kg/s，重復試驗5次，試驗結果如表3所示。

從表 3可以看出，清選較高含水率的莖稈或籽粒，經處理的抖動板脫出物沾附減輕，清選損失率降低0.9個百分點，籽粒中含雜質下降了0.4個百分點，效果明顯。可能因為高含水率的禾稈與籽粒，籽粒易粘附小雜質；含水高的莖稈也易粘附籽粒；加之經尾篩進入復脫攪龍，經復脫，莖稈變得碎小增加沾附篩孔等因素加劇了清選損失及含雜提高。

表3 高含水率水稻清選損失與含雜試驗Table 3 Loss and impurity content of rice with high moisture lontent

5.4 單HST原地轉向行走裝置轉向特性

為獲得原地轉向行走裝置轉向特性，2015年 11月02日在浙江省永康市花街晚稻甬優9號割后稻茬地進行了簡易試驗。

1）減少了轉向時對土壤的破壞

常規轉向在濕田進行單邊制動轉向時，制動履帶在田面上拖動、積泥，不但增大了轉向阻力，且破壞了地表土壤；而采用單液壓馬達原地轉向變速器，轉向時則不會出現此類情況。如圖 8所示，A位為原地轉向履帶痕跡，B位為常規（單邊制動）轉向履帶痕跡。

2）降低了單邊制動轉向功率消耗

常規轉向機構以一側履帶制動實現轉向，消耗了制動功耗，而原地轉向無制動，兩側履帶正反轉，從而實現轉向。經上文計算，單邊制動轉向的功耗Nz=12.7 kW，與原地轉向功耗Nω=8.0 kW相比，單邊制動轉向功耗增大約37.0%；并在割后稻茬地上，轉向對比試驗，相關數據如表4，其常規轉向功耗增加37.5%，與計算基本相符。

圖8 單液壓馬達原地轉向變速器履帶轉向痕跡Fig.8 Track tracking mark of single hydraulic motor in situ steering transmission

表4 常規與原地轉向功耗對比試驗Table 4 Comparison of power consumption under on conventional steering and in-situ steering

6 結 論

1）同徑差速軸流脫粒分離裝置能合理利用脫粒滾筒不同線速度，提高了脫粒效果和分離能力，與等長度非差速軸流滾筒相比，夾帶和脫不凈損失率分別減少 0.02個百分點、0.09個百分點，破碎率下降0.017個百分點。

2）伸縮割臺可實現割臺三角區L值（割臺深度）的無級調節，適應不同高度作物收獲，擴大了割臺功能，實現稻麥收獲狀態和油菜收獲狀態的快速轉換，節約了工時和成本，油菜損失率顯著減少，較使用常規水稻收獲機割臺收獲時降低2.8個百分點。

3）行走裝置實現原地轉向，減少了對地表土壤破壞及轉向功耗；以原地轉向替代單邊制動轉向時，比單邊制動功耗可降低37.0%。

4）清選裝置采用防粘篩表面處理，可適應潮濕作物收獲，清選下降0.9個百分點，含雜率下降0.4個百分點，并更有利于油菜等小顆粒作物收獲。經改進設計的工作裝置的應用，提高了縱軸流聯合收獲機整機技術水平及工作性能。

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Improved design and test of key components for longitudianl axial flow combine harvester

Wang Jinshuang1, Xiong Yongsen1, Xu Zhongwei2, Ma Guang1, Wang Zhiming1, Chen Dejun1
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Jinhua Polytechnic, Jinhua321017,China;2.Zhejiang Sifang Co., Ltd., Yongkang,322000,China)

In view of the current state that the crawler-type vertical axial flow combine harvester can not be quickly converted between different crops, small radius steering is easy to cause surface soil damage, non-differential threshing drum is not suitable for high yield crop threshing, and without anti vibration water treatment the screen surface can not adapt to the cleaning processing of the crop with high water content, the loss rate of the cutting table is high, the threshing separation ability is poor, and the power consumption is high, we have improved the design and experiment of the main working parts such as cutting, threshing, cleaning and walking parts. The cutting table was designed to be a stepless speed adjustable telescopic structure, the threshing device was designed to be a longitudinal-axis roller with the same diameter and different speed, and a single HST (hydro static transmission) in situ steering walking device and an anti adhesion cleaning device were adopted. The results of laboratory tests and field tests showed that: The retractable cutting table could realize the fast conversion between the rice/wheat harvest state and the rape harvest state, and enlarge the use function of the cutting table; the loss of rapeseed was significantly reduced, and compared with the conventional method, the loss rate of rape was reduced by 2.8 percentage point. The threshing and separating device with the same diameter and differential speed could make use of the different speed of the threshing cylinder, and the threshing effect and separation ability were improved at the same time.Compared with the equal length single speed axial flow roller, the net loss rate of entrainment and removal decreased by 0.02 percentage point and 0.09 percentage point respectively, and the crushing rate was reduced by 0.017 percentage point. When the steering wheel was turned to a single side in wet field, the brake track was dragged on the surface of the ground, and the mud was accumulated. However, when a single hydraulic motor was used to steer the transmission, the steering would not occur. The conventional steering mechanism realized the steering with one side of the track brake, and consumed the braking power considerably; the in-situ steering had no braking, and both sides of the track were reversed. In-situ steering mechanism reduced surface soil damage and steering power consumption, and the power consumption was reduced by 37% when the steering was replaced by the single side. Cleaning mechanism and cleaning sieve after water repellent treatment shook board surface, which improved wet grain cleaning performance, and the loss rate was reduced by 0.9 percentage point and the impurity rate was reduced by 0.4 percentage point. The improved design of the main working equipment of the combine harvester improves the working performance of the whole machine.

crops; harvesters; design; longitudianl axis flow; structure improved; performance;experiments

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.004

S225

A

1002-6819(2017)-10-0025-07

2016-08-25

2017-04-21

國家自然基金資助項目（51305182）；浙江省重大科技專項項目（2011C12035）

王金雙，副教授，主要從事收獲機械設計與相關科研及教學。金華 金華職業技術學院機電工程學院，321017。

Email：791228154@qq.com