油莎豆收獲裝備設計與試驗

李 健， 劉文亮， 張 亮， 王新陽， 張煜晗

（吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130022）

0 引言

油莎豆是一種生長在沙地的莎草科一年生塊莖類植物，塊莖呈圓形或橢圓形豆狀，富含油脂和淀粉，單位面積的出油量是大豆的3～4 倍[1]。吉林省擁有適合油莎豆生長的沙土地資源66.7 萬hm2以上，并且地勢平坦，晝夜溫差大，擁有發展油莎豆產業的最佳條件，極具發展潛力。然而，油莎豆收獲期較短，量大、水分高，極易發生霉爛。油莎豆分蘗能力強，根系直徑可達30 cm。收獲時需將10 cm 厚的土壤全部鏟起來，進行根、土、豆、草的分離，篩土量巨大，收獲困難。

現有的油莎豆收獲機多采用傳統的平板振動篩式或滾筒篩式分離裝置。平板振動篩對水分高尤其是根莖帶綠的油莎豆，篩分過程分離困難，成團的籽粒和土、根莖緊實的粘附于篩面，堵塞篩孔甚至被迫停機，篩分出的籽粒雜質較多，儲存容易霉變。滾筒篩的篩網網眼尺寸固定，物料多時，篩網網眼堵塞，篩分不及時，籽粒會隨著根莖一同排出，造成脫凈率低、夾帶損失率大，嚴重影響篩分效果。雖已在田間試驗，但由于問題比較多，大都不滿足推廣條件[2]。

本文結合目前吉林省油莎豆的種植模式和農藝要求，研制一種高效油莎豆收獲機，對該機型的核心部件進行研究設計和對比試驗，分析存在問題并得出結論，為后續研究提供理論依據。

1 整機結構和工作原理

1.1 整機結構

在油莎豆收獲機研制過程中，首先利用SolidWorks三維建模軟件進行樣機模型的建立，確定總體結構。再進行各部件的設計、分析和方案討論。最后形成圖紙，完成樣機的組裝和試制試驗。該機主要由機架、升運網鏈裝置、脫粒分離裝置、橫向輸送裝置、逐稿器、清選風機和驅動電機等組成，可一次性完成油莎豆輸送、脫粒、清選及收集等作業。所述電機均采用變頻電機，其轉速可根據試驗要求隨時調整。其總體結構如圖1 所示。

圖1 油莎豆收獲機結構Fig. 1 Structure of Cyperus bean harvester

1.2 工作原理及參數

工作時，挖掘出的油莎豆籽粒與雜質土、根莖等通過升運網鏈進行初步篩土后，運輸至脫粒滾筒。通過脫粒滾筒軸組件的旋轉擊打，籽粒從根莖上分離，土塊也被擊碎，部分碎土經脫粒滾筒凹板篩的篩孔落到地面。脫粒后的籽粒、根莖和土壤混合物經脫粒滾筒出口拋出落到后方逐稿器上。絕大部分根莖通過逐稿器交替拋送向后運動，至尾部排落地面。而籽粒、土壤和少部分碎根莖在重力及抖動的作用下透過逐稿器上層篩板下落至下層篩板，土壤由下層篩板落回地面，油莎豆籽粒沿下層篩板運動至橫向輸送機進行收集，而混雜的細小碎草等雜余由清選風機吹出機體，從而得到潔凈的油莎豆籽粒。整機參數如表1 所示。

表1 油莎豆收獲機主要設計技術參數Tab. 1 Main design technical parameters of Cyperus bean harvester

2 核心部件設計

2.1 輸送分離裝置

該油莎豆收獲機采用鏈條式升運網鏈作為輸送分離裝置，其作用是將收集的油莎豆作物在輸送過程中進行初步分離，并將未被分離的物料向后上方輸送到脫粒滾筒內。該鏈條式升運網鏈在傾角達到45°時仍具有良好的輸送能力，而且結構簡單、成本低、分離效果明顯、使用壽命長。

2.2 脫粒分離裝置

脫粒分離裝置是該試驗臺的核心工作部件，采用脫粒滾筒進行切流式脫粒，主要部件包括支架、上蓋板、導流板、凹板篩和脫粒軸組件等。其優點主要有3 個方面。①脫粒能力強。該脫粒滾筒通過設置較低的轉速和較大的脫粒間隙，采用弓齒切流式擊打方式，在滾筒旋轉3～5 圈后，完成全部脫粒。該結構較好地保持脫粒后根莖的完整，有利于后續逐稿器排出，提高脫凈率。②分離質量好。凹板篩的分離面積大，分離時間長，且脫粒和分離同時完成，幾乎全部籽粒都可以分離。③破碎率低。切流式脫粒滾筒速度低、脫粒間隙大，脫粒元件對油莎豆的沖擊力較小，使得油莎豆不會因機械作用過強而破碎[3]。

2.2.1 脫粒軸組件

脫粒軸組件是實現脫粒功能的核心工作部件，主要包括芯軸、軸輥、軸管及弓齒，如圖2 所示。其直徑越大、長度越長，脫粒分離能力越強，效果越好。脫粒軸組件是在4 根軸管上采用正反螺旋方式等距焊接一定數量弓齒，弓齒與軸管成45°設置。4 根軸管再通過螺栓，交替均布固定連接于軸輥上。此結構可保證一定的沖擊力，抓取能力強，有效防止纏繞，但脫出物含雜率較高。

圖2 脫粒軸組件結構Fig. 2 Structure of threshing shaft assembly

2.2.2 凹板篩

凹板篩除了配合滾筒進行脫粒外，還是主要的分離部件，凹板包角、篩孔型式及間隙是影響分離效果的主要因素。隨著包角的增大，分離面積增大，脫凈率越高，漏土功能越強[4]。該油莎豆收獲機凹板篩弧形面板上等距設置橢圓形篩孔，篩孔短軸長為油莎豆平均直徑的0.45～0.55 倍，長軸長為油莎豆平均直徑的2.5～3.5 倍，可使籽粒快速分離、快速漏土，有效減少篩網堵塞。

2.3 清選裝置

清選裝置是油莎豆脫粒清選試驗臺的重要組成部分，其功能是將脫粒滾筒分離出來的油莎豆中的大量根莖和土壤清理干凈。清選裝置主要由逐稿器和風機組成。

2.3.1 逐稿器

該機采用雙層多階4 箱式逐稿器。逐稿器上下兩層篩板上設置有橢圓孔，其中上層篩板橢圓孔的短軸長為油莎豆平均直徑的1.5 倍左右，長軸長為油莎豆平均直徑的2.5～3.5 倍；下層篩板橢圓孔的短軸長為油莎豆平均直徑的0.5 倍，長軸長為油莎豆平均直徑的2.5～3.5 倍。采用多階4 箱式結構，通過不斷往復交錯的拋送運動，可加快草在上層篩板的運動速度，最后經逐稿器末端排落田間。而下層篩板可將油莎豆中土壤和細小雜草二次篩分，最終達到分離根、葉、莖的作用。該結構分離能力強，效率高，最大程度簡化了結構，有效解決分離困難、易纏繞、堵塞的問題[5]。其結構如圖3 所示。

圖3 逐稿器結構Fig. 3 Structure of manuscript beater

2.3.2 風機

該機采用離心式風機，設有風量、風向調節板。當氣流吹送方向與篩面成20°～25°時，并保證風扇出氣管道吹著篩面在長度方向的范圍應為篩子全長的2/5～3/5，能較好適應雜余根莖的流量情況，有效清除根莖碎屑等雜余，處理能力強，可保障籽粒的清潔度[6]。

3 試驗分析

3.1 試驗準備

該油莎豆收獲機試驗內容主要包括分離試驗和清選試驗，試驗對象為人工挖掘的油莎豆，試驗設備主要包括傳送帶、土壤水分測量儀、數字式高精度轉速儀器、高速攝像機、米尺、秒表、電子秤、油莎豆收獲機樣機。試驗前測定多組油莎豆土壤含水率，結果相近，均值6.9%。

（1）試驗材料準備。預定品種單一、成熟度較一致的油莎豆地塊，成熟后同一時期統一進行挖掘、裝袋、收集和儲藏。采收量共20 袋，稱量、編號記錄。

（2）試驗設備運轉。試驗開始前，將轉速傳感器架擺放到合適位置并進行調試；開啟高速攝像機對準逐稿器出口處；檢查控制臺顯示器與燈光指示是否正常，確認正常后，啟動各電機轉動超過2 min，同時檢查各部分裝置運行情況是否平穩正常。試驗現場如圖4 所示。

圖4 試驗現場Fig. 4 Test site

3.2 收獲作業指標及計算方法

3.2.1 損失率

損失率是衡量油莎豆收獲機重要技術指標之一，是所有未收集到完整籽粒之和占籽粒總質量的百分比。在測定區內，撿起全部落地籽粒，分為振動篩風機排出籽粒和逐稿器排出籽粒，分別稱其質量。按照式（1）計算損失率SL。

式中WL?收獲籽粒質量，g

Wf?振動篩風機排出籽粒質量，g

Wz?逐稿器排出籽粒質量，g

3.2.2 含雜率

含雜率是收獲物所含雜質（主要是莖稈、根、土、石塊等）質量占其總質量的百分比。將收集到的一定質量（約2 000 g）的混合籽粒，從中分離出雜質，并稱其質量，按式（2）計算籽粒含雜率ZZ。

式中Wzm?雜質質量，g

Wb? 混合籽粒質量，g

3.2.3 破碎率

破碎率是因機械損傷而造成油莎豆收獲過程中破裂、裂紋、破皮，其籽粒質量占總質量的百分比。經觀察，此油莎豆收獲機試驗過程中破碎籽粒數幾乎為零，故在正交試驗中此因素不考慮[7]。

3.3 正交試驗

在試驗中，以脫粒滾筒頻率、風機頻率、逐稿器頻率為3 個因素，通過前期單因素試驗觀察和理論分析，確定試驗因素水平如表2 所示。

表2 試驗因素與水平Tab. 2 Experimental factors and levels

根據油莎豆收獲的實際技術要求，進行了3 因素3水平正交試驗，分別稱量并計算每組油莎豆的損失率η1和含雜率η2，并用極差法計算出綜合指標η的R值。試驗分離的土、油莎豆和莖稈如圖5 所示。

圖5 試驗分離的土、油莎豆和莖稈Fig. 5 Soil，Cyperus bean and stem separated from the test

試驗方案與結果如表3 所示。不考慮各因素的交互作用，通過分析表中試驗結果判斷各個因素對性能指標的影響主次，最終確定最優參數組合。

表3 試驗方案與結果Tab. 3 Test plan and results

此試驗為多指標正交試驗，將油莎豆的損失率η1和含雜率η2兩指標綜合加權評分計算出綜合指標η，最終確定最優組合為A2B2C1，即脫粒滾筒頻率40 Hz、風機頻率28 Hz、逐稿器頻率40 Hz，為后期樣機的改進和優化提供了重要的理論依據。

3.4 試驗驗證

為消除隨機誤差，確保試驗結果可靠性，選取上述較優參數組合進行3 次重復試驗，并取平均值為試驗驗證值。試驗測得結果分別為損失率5.8%和含雜率0.497%。通過對比分析可知，優選后的油莎豆收獲裝置的綜合作業質量優于其他參數組合下的作業性能。因此，機構設計時推薦采用該較優組合：脫粒滾筒頻率40 Hz、風機頻率28 Hz、逐稿器頻率40 Hz。

4 結論

（1）根據北方地區油莎豆收獲相關農藝要求，針對油莎豆收獲困難、人工收獲率低等問題，研究設計的油莎豆收獲機結構簡單、收獲效率高，可一次完成幅寬1.3 m 的油莎豆收獲作業，實現低損脫粒清選。

（2）通過3 因素3 水平正交試驗，確定了油莎豆收獲機的最優參數組合，當脫粒滾筒頻率40 Hz、風機頻率28 Hz、逐稿器頻率40 Hz 時，油莎豆損失率和含雜率均最低。

（3）采用振動式輸送技術，創新設計了脫粒滾筒和逐稿器式分離技術，符合油莎豆生產農藝要求。該油莎豆收獲機的研究設計可解決油莎豆機收難的瓶頸問題，將對油莎豆機械化生產模式的建立和發展起到積極的推動和示范作用，并將進一步帶動油莎豆產業向規模化、規范化方向發展。