切縱流脫粒清選裝置傳動系統優化設計

伍銅言，李耀明，徐立章，黃 錦

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

水稻在我國所有農作物當中生產總量最多，種植面積最廣。近幾年，水稻農業機械化程度得到大幅提高，推廣了水稻聯合收獲機的使用。其中，切縱流聯合收獲機具有脫粒性能好、籽粒破碎率低、喂入能力強等優點，得到大家的高度認可。但是，田間試驗表明其也存在一些問題：切流滾筒和縱軸流滾筒呈T字形布置，受空間位置和機架機構影響，傳動系統很難布置；現有聯合收獲機一般采用傳動箱側邊傳動的方式實現切流滾筒和縱軸流滾筒的運轉，這種傳動形式可靠性較差，傳動部件轉速不能調節，當喂入量、草谷比和作物含水率等發生變化時，脫粒滾筒易產生堵塞現象；在結構布局上它比傳統的單縱流脫粒清選裝置復雜，對機架強度要求較高[1-2]。

國外對大型切縱流聯合收獲機脫粒清選傳動系統的優化采用液壓馬達傳動形式，通過這種傳動形式直接將動力輸送到負荷大的主傳動軸，并對其進行無級變速調節；但受我國小田塊、收獲機功率小等各種因素制約，該傳動形式實際運用性低。為此，從降低制造生產成本、提高優化設計工作效率等實際情況出發，針對現有切縱流聯合收獲機脫粒清選裝置傳動系統傳動效率較低、傳動可靠性差及脫粒滾筒轉速不可調等問題，對其傳動系統進行優化設計。

本文以太湖TH988型切縱流聯合收割機為研究對象，總結分析現有切縱流脫粒清選傳動系統存在的問題，根據切縱流脫粒清選裝置工作部件的作業流程和相互位置關系，結合傳動系統設計原理制定新的傳動方案，參考課題組前期對切縱流聯合收獲機田間試驗獲得的脫粒清選裝置傳動部件工作參數設定傳動系統最優工作參數，并對關鍵參數進行驗證。在脫粒分離裝置動力布局上，設計一種兩擋換向傳動箱裝置，提高脫粒滾筒之間動力傳遞的平穩性和可靠性，縮短傳動路徑，兩擋變速傳動可提高滾筒作業適應性，解決滾筒堵塞、脫粒不干凈等現象；最后，通過試驗驗證了這套傳動系統的可行性。

1 切縱流脫粒清選裝置作業流程

切縱流脫粒清選裝置結構組成如圖1所示。切流滾筒和縱軸流滾筒安裝在脫粒清選機架的頂部，兩者一前一后呈T字形布置，往下依次是回程板、抖動板和清選篩；脫粒清選機架底部從前往后依次是中間軸、風機、籽粒攪龍和雜余攪龍[3]。

工作時，切流滾筒對作物進行初步的脫粒分離，未脫凈的作物往后經過縱軸流滾筒再次脫粒分離，透過縱軸流滾筒凹板篩的作物落在回程板上，經回程板拋灑在清選篩前端，切流滾筒脫出的作物落在抖動板上；在抖動板尾部下落的過程中，經風機上出風口的清選作用，將雜余和籽粒分層落在清選篩上，堆積在清選篩上的作物通過風機下出風口和清選篩共同進行清選，大部分雜余被吹出裝置外面，干凈的籽粒被籽粒攪龍運走，少部分雜余被雜余攪龍輸送到回程板上進行再次清選。

作業收獲流程在一定程度上決定了各個工作部件的位置關系，也為傳動系統的布局提供依據。

1.中間軸 2.切流滾筒 3.兩擋換向傳動箱 4.縱軸流滾筒 5.回程板 6.清選篩 7.雜余攪龍 8.籽粒攪龍 9.風機

2 切縱流脫粒清選裝置傳動系統設計

2.1 傳動系統研究現狀

現有切縱流脫粒分離裝置傳動系統在脫粒分離動力傳遞布局上分為動力前端輸入和動力后端輸入兩種傳動形式，如圖2和圖3所示。

1)動力前端輸入形式：傳動箱安裝在切流滾筒的右側方，切流滾筒軸直接將動力傳輸到傳動箱內；傳動箱經過多級齒輪傳動將動力輸出位置提高，然后通過鏈傳動形式將動力傳遞到縱軸流滾筒軸前端。由于鏈傳動存在較大的振動和噪聲，容易出現跳齒和脫鏈現象，所以這種傳動可靠性較差、傳動效率較低[4-6]。

2)動力后端輸入形式：傳動箱安裝在切流滾筒的右后側方，切流滾筒通過鏈傳動將動力傳遞到傳動箱內；傳動箱通過一根長軸將動力傳遞到脫粒分離裝置的尾部，再通過鏈傳動傳遞到縱軸流滾筒軸的后端。這種傳動方式傳遞路徑長，傳遞效率較低，并且對機架的強度要求高[4-6]。

這兩種傳動方式的切流滾筒和縱軸流滾筒的轉速都是定值，當谷物的含水率、喂入量和草谷比等變化時，滾筒易出現堵塞的現象，影響整機的作業性能和可靠性。

1.動力輸入端 2.切流滾筒 3.傳動箱 4.鏈傳動 5.縱軸流滾筒動力輸入端 6.縱軸流滾筒

1.動力輸入端 2.切流滾筒 3.傳動箱 4.傳動長軸 5.縱軸流滾筒動力輸入端 6.縱軸流滾筒

2.2 傳動系統設計原理

1)經切縱流聯合收獲機田間脫粒分離性能試驗結果分析，切流滾筒和縱軸流滾筒等載荷比較大的工作部件，容易產生堵塞、斷軸等故障現象，把這些工作部件設置在傳遞回路的尾部，并加上過載保護，預防傳動系統癱瘓，破壞傳動部件。

2)切縱流脫粒清選裝置工作部件不同的作業性能決定了對應的轉速要求。根據切縱流聯合收獲機田間試驗獲得工作部件最佳轉速范圍，并設定傳動系統工作參數。

3)有些工作部件的轉速需要根據作業要求及時調節，有些工作部件的轉速是恒定的。在設計動力傳遞回路時，不能把這兩種傳動部件設計在一個動力傳遞回路當中，以免因為某一工作部件轉速的改變而影響其它工作部件正常工作[7]。

4)在規劃設計傳動路線時，傳動順序一般遵循從大功率工作部件傳遞到小功率工作部件、從高轉速工作部件到低轉速工作部件、從安裝位置靠近的工作部件到安裝位置較遠的工作部件的過程，可顯著減小工作部件的尺寸，提升傳動效率[8]。

5)在設計傳動方式時盡可能采用帶傳動，因為皮帶的結構簡單，質量很小，使用保養方便，工作穩定可靠，傳動效率較高，動力傳輸距離遠。所以，帶傳動方式的運用能夠大大地促進整個傳動系統的傳動穩定性及傳動效率[9]。

6)切縱流脫粒清選裝置工作部件的轉動方向也存在差別，將雜余攪龍、籽粒攪龍、回程板和清選篩轉向不同的工作部件設計在一個傳動回路中，不僅簡化了傳動路徑，也能夠減少回轉部件產生的振動。

2.3 制定傳動系統設計方案

總結現有切縱流脫粒清選傳動系統存在的問題，分析切縱流脫粒清選裝置工作部件的作業流程和相互位置關系，結合傳動系統設計原理制定新的傳動方案，如圖4～圖6所示。

圖4 脫粒分離傳動路徑圖

圖5 清選輸送傳動路徑圖

圖6 脫粒清選裝置傳動路徑側視圖

在脫粒分離傳動系統中，采用動力前端輸入的方式。通過在切流滾筒和縱軸流滾筒之間設計一個兩擋換向傳動箱，且縱軸流滾筒軸通過內外花鍵連接傳動箱的縱向輸出軸，提高了切流滾筒和縱軸流滾筒之間動力傳遞的可靠性、緊湊性和傳動效率。脫粒分離傳動系統傳遞路徑：發動機—中間軸—兩擋換向傳動箱—切流滾筒—縱軸流滾筒。

在清選輸送傳動系統中，本方案設計的動力傳遞路徑：發動機-中間軸-風機-籽粒攪龍-雜余攪龍-清選篩-回程板。依據傳動順序，一般遵循從大功率工作部件傳遞到小功率工作部件、從高轉速工作部件到低轉速工作部件、從安裝位置靠近的工作部件到安裝位置較遠的工作部件的設計原理，將中間傳動軸、風機和籽粒攪龍設計成一個傳遞回路。該傳遞回路采用帶傳動的形式，能夠有效預防雜余攪龍堵塞的問題。籽粒攪龍、雜余攪龍、清選篩和回程板轉向不同且位置相近，將這些工作部件設計在一個傳動回路中。

根據課題組前期對切縱流聯合收獲機田間脫粒清選性能試驗結果分析，得出脫粒清選裝置主要傳動部件最優工作參數。結合上述制定的傳動方案及太湖TH988型切縱流聯合收獲機發動機工作參數，設定了傳動系統各個工作部件的參數，如表1所示。

表1 傳動部件工作參數

續表1

2.4 關鍵工作部件參數驗證

切縱流脫粒清選傳動系統的優化設計是以太湖TH988型切縱流聯合收獲機6kg/s喂入量為研究基礎，由此驗證工作部件參數。

1)風機轉速。根據表1得出風機轉速為1 208r/min,為了保證清選質量，清選篩面必須有足夠的空氣流量把雜質吹起帶走，則清選所需空氣流量[10-11]為

(1)

式中Q—設計喂入量，取Q按6kg/s計算；

β—待清除雜質占喂入量的比例，查表取β=0.2；

ρ—空氣密度，取ρ=1.2kg/m3；

μ—雜質與空氣流量的濃度比，查表取μ=0.2。

代入相關數據則V=5m3/s。

風機的空氣流量與其結構參數和運動參數都有關系，可按下式估算[10-11]，即

(2)

式中df—風機葉輪的內徑，取df=0.4m；

nf—風機轉速，按最大轉速取nf=1 208r/min；

bf—風機葉片長度，取bf=0.96m；

δ—葉輪寬帶比系數，取δ=0.55；

φ—經驗數據，取φ=0.47；

ξ—葉片進氣系數，取ξ=0.95。

代入相關數據，則V′=5.96m3/s>V，校核確定風機設計轉速滿足工作要求。

2)籽粒攪龍轉速。籽粒攪龍、雜余攪龍、清選篩和回程板構成一個傳動回路，該傳動回路采用鏈傳動的形式。根據表1得出籽粒攪龍轉速為820r/min，以籽粒攪龍推運量為性能指標驗證籽粒攪龍轉速。籽粒攪龍推運量Q的計算公式[10-11]為

(3)

式中D—攪龍葉片外直徑，取D=120mm；

d—攪龍葉片內直徑，取d=21mm；

t—攪龍葉片螺距，取t=110mm；

λ—攪龍葉片與外殼間隙，取λ=11mm；

n—攪龍轉速，取n=820r/min；

φ—輸送谷物時的充滿系數，取φ=0.4；

γ—谷粒單位容積的質量，取γ=750kg/m3。

計算得出Q=3.24kg/s，則攪龍轉速滿足工作要求。

2.5 兩擋換向傳動箱的設計

兩擋換向傳動箱安裝在切流滾筒和縱軸流滾筒之間，且縱軸流滾筒軸的前端通過內外花鍵裝配在傳動箱輸出縱軸上，傳動箱輸出橫軸通過帶傳動將動力傳遞到切流滾筒。

兩擋換向傳動箱實現了切流滾筒和縱軸流滾筒之間動力傳遞，縮短了傳遞路徑，并且兩擋變速傳動提高了脫粒滾筒作業適應性。傳動箱的具體安裝位置如圖7所示。

1.切流滾筒 2.兩擋換向傳動箱動力輸入端 3.兩擋換向傳動箱 4.縱軸流滾筒

兩擋換向傳動箱內部設有換擋撥叉機構、兩對換擋直齒輪、一對換向錐齒輪、輸入橫軸、輸出橫軸和輸出縱軸等。換擋撥叉起到兩擋換速作用，兩對換擋直齒輪實現換擋之后動力傳遞，一對換向錐齒輪實現動力換向和傳遞，并將動力傳遞到縱軸流滾筒。傳動箱的內部結構如圖8和圖9所示。

圖8 傳動箱內部結構三維圖

兩擋換向傳動箱的工作原理：動力從輸入橫軸傳遞到兩擋換向傳動箱內，通過換擋撥叉機構調節兩對換擋直齒輪實現兩擋變速和動力傳遞的作用；傳遞到輸出橫軸上的動力再經過1對換向錐齒輪將動力傳遞到輸出縱軸，輸出縱軸通過內外花鍵配合將動力輸送到縱軸流滾筒，且同時輸出橫軸上另一部分動力傳遞給切流滾筒。傳動箱內部齒輪設計參數如表2所示。

表2 傳動箱內部齒輪設計參數

續表2

切縱流脫粒清選傳動系統的優化設計是以太湖TH988型切縱流聯合收割機6kg/s喂入量為設計基礎。聯合收獲機發動機功率為70kW，輸出轉速為2 400r/min，動力從發動機傳到中間軸上，再傳遞到兩擋換向傳動箱。根據表1得傳動箱輸入端轉速為1 068r/min。

兩擋換向傳動箱安裝在切流和縱軸流滾筒之間，縱軸流滾筒軸通過內外花鍵連接傳動箱的縱向輸出軸，傳動箱橫向輸出軸通過帶傳動將動力傳輸到切流滾筒上。由表2可知：傳動箱設計的兩擋傳動比分別為1.25和1.4，一對錐齒輪傳動比為1.34。經過計算得出：

1)Ⅰ擋情況下，切流滾筒轉速為790r/min，縱軸流滾筒轉速為643r/min；

2)Ⅱ擋情況下,切流滾筒轉速為687r/min，縱軸流滾筒轉速為559r/min。

縱軸流滾筒在脫粒分離中起主脫粒作用，以其生產率作為校核滾筒轉速的指標，對其轉速進行驗證。計算公式[10-11]為

(4)

式中Z—紋桿根數，取Z=6；

n—滾筒轉速，取n=559r/min；

L—滾筒長度，取L=1.2m；

μ0—紋桿單位長度脫粒能力，取μ0=0.024kg/m。

計算得出q=17.2kg/s。一般作物在縱軸流滾筒內時長2s，按6kg/s喂入量計算得出17.2kg/s>12kg/s。這說明，滾筒設計轉速滿足工作要求,兩擋換向傳動箱傳動比也滿足工作要求。

3 試驗

以太湖TH988型切縱流聯合收獲機為研究對象，將設計的一套新的切縱流脫粒分離裝置傳動系統經過制造加工、裝配到臺架上，對傳動系統進行試驗，檢測傳動系統工作參數，如圖10所示。試驗輸入轉速設定為發動機在額定轉速工作時輸送到中間軸的轉速(由表1可知轉速為1 068r/min)，然后檢測各個傳動部件的轉速，如表3所示。

圖10 脫粒清選裝置傳動系統試驗

工作部件設計轉速/r·min-1實測轉速/r·min-1轉速誤差百分比/%傳動箱輸入軸106810590.84Ⅰ擋切流滾筒7907801.2Ⅱ擋切流滾筒6876781.3Ⅰ擋縱軸流滾筒6436331.5Ⅱ擋縱軸流滾筒5595462.3風機軸120612010.41籽粒水平攪龍軸8208081.4雜余水平攪龍軸126712511.3振動篩4334251.8回程板4334251.8

通過檢測發現：由于傳動級數較多，位于傳動回路末端的工作部件有失速現象；但各個工作部件的實測轉速都符合設計要求，也滿足工作要求，整個傳動系統運行通暢。

4 結論

1)以太湖TH988型切縱流聯合收獲機為研究對象，優化設計了脫粒清選裝置傳動系統。

2)總結分析了現有切縱流脫粒清選傳動系統存在的問題，根據切縱流脫粒清選裝置工作部件的作業流程和相互位置關系，結合傳動系統設計原理，制定了一套新的傳動方案。參考課題組前期對切縱流聯合收獲機田間試驗獲得的脫粒清選裝置傳動部件工作參數設定了傳動系統參數，并對關鍵參數進行了驗證。在脫粒分離裝置局部動力布局上，設計了一種兩擋換向傳動箱，提高了脫粒滾筒之間動力傳遞的平穩性和可靠性，縮短了傳動路徑，提高了脫粒滾筒的作業適應性。