4LZ-4.0谷物聯(lián)合收獲機油菜割臺設(shè)計與試驗*

周玉姣，羅斌，劉定煒，劉丹，邱瑜，周揚

(江西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,南昌市,330044)

0 引言

油菜分枝多,莖稈粗、株型高,單株角果層直徑大,分枝縱橫交錯相互牽扯,莢果成熟不一致,不利于機械化收獲。在油菜、稻麥兼種的地區(qū),油菜聯(lián)合收獲機宜選用兼用機型,通過更換割臺和一些部件、裝置能實現(xiàn)水稻、小麥、油菜等農(nóng)作物的收獲,降低購機及使用成本,提高機械作業(yè)效益,是我國油菜機收的一種可行方案[1]。目前研究較多的是在全喂入式稻麥聯(lián)合收獲機上改進割臺,優(yōu)化脫粒分離滾筒轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu),改進清選裝置的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)等方法實現(xiàn)油菜聯(lián)合收獲作業(yè)[2-7]。

割臺損失在總損失中占比很大,學(xué)者開展了割臺及其切割系統(tǒng)、撥禾輪等部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化研究,柴曉玉等[8]設(shè)計了左右兩個步進電機分別驅(qū)動的油菜雙豎切割隨動調(diào)節(jié)裝置,油菜割臺總損失率下降了36.15%～41.16%,豎割刀分禾損失率下降了40.84%～48.20%;黃小毛等[9]研究了使用氣流在線收集飛濺損失籽粒的方法降低割臺損失。劉征明等[10]設(shè)計了四川丘陵山區(qū)油菜收割機,采用雙動刀、向外后傾7°～8°的雙側(cè)豎割刀、加長割臺長度400～450 mm;張燕青等[11]對谷子莖稈進行不同收獲時間、莖稈部位、切割器組合形式、切割傾角、刀片斜角、平均切割速度和莖稈喂入速度切割試驗研究;吳明亮等[12]對油菜莖稈切割力的主要影響因素研究表明,在油菜莖稈離地高度400 mm處,采用鋸齒形刀片滑切時切割力最小;李海同[13]研制了具有切割、輸送、復(fù)切、間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)等功能的分體組合式割臺;伍文杰[14]、冉軍輝[15]等對油菜切割機構(gòu)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀分析指出,雙動刀具有切割速度快、切割沖擊小、對油菜莖稈擾動小及割刀切割連續(xù)性高等特點,可有效降低落粒損失,更加適合油菜切割需求;陳翠英等[16]研究了從豎側(cè)切割器和撥禾輪等方面進行改進,能有效地提高油菜聯(lián)合收獲機的適應(yīng)性;吳福良[17]研究油菜聯(lián)合收獲機撥禾輪的參數(shù)并通過采取后縮進量來降低割臺損失率;陳霓等[18]指出油菜聯(lián)合收獲機加長割臺工作面、在割臺后方安裝擋板、雙動刀切割器可減少割臺損失。

本文通過加長割臺、安裝豎側(cè)切割器、調(diào)整撥禾輪中心位置、降低撥禾輪轉(zhuǎn)速、加高側(cè)后圍擋等方法,改進設(shè)計了良町4LZ-4.0谷物聯(lián)合收獲機油菜割臺,對樣機進行三種油菜種植模式的田間收獲損失試驗及與原機的對比試驗,對油菜割臺的設(shè)計進行驗證。

1 割臺結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 割臺結(jié)構(gòu)

良町4LZ-4.0谷物聯(lián)合收獲機油菜割臺主要由傳動系統(tǒng)、擋板、撥禾輪、橫割刀、輸送攪龍、加長平臺、豎側(cè)切割器、輸送槽等組成,如圖1所示。通過簡單的拆裝和調(diào)整撥禾輪作業(yè)參數(shù)能夠與原谷物收獲割臺對接,實現(xiàn)油菜的聯(lián)合收割。

圖1 油菜割臺主要結(jié)構(gòu)Fig. 1 Rape cutter main structure1.加長平臺 2.輸送槽 3.擋板 4.撥禾輪 5.傳動系統(tǒng) 6.橫割刀 7.輸送攪龍 8.豎側(cè)切割器

1.2 工作原理

收割時,先由豎側(cè)切割器將未收割區(qū)互相纏繞的油菜枝條切開,減少莢果的牽扯炸莢,后在撥禾輪的扶持推送作用下,橫切割刀完成對主莖稈的切割,植株倒伏在割臺內(nèi),經(jīng)橫向輸送攪龍集中送入輸送槽口向后運動,經(jīng)脫粒清選后,籽粒進入料倉,莖葉由排草口排出。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 豎側(cè)切割器

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

豎側(cè)切割器刀片作業(yè)時切割力大小、莖稈橫移量、機架振動對割臺損失有影響,一般采用單動刀或雙動刀往復(fù)式切割器。雙動刀切割時相對于作物的切割速度比單動刀快1倍,切割力更小,莖稈在切割時橫向位移量減小一半,產(chǎn)生拉扯炸莢落粒作用更低。相同運動參數(shù)下,小刀片、小行程的慣性力會更小一些。考慮到工作對象是直徑較細的分枝莖稈切割力較小,本設(shè)計選用小刀片、小行程的國標Ⅱ型雙動刀半刀距行程(s=0.5t=25 mm)往復(fù)式切割器,切割面積10.5 cm2,刀片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 刀片結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Blade structure diagram

豎側(cè)切割器設(shè)計目的是能夠?qū)⒋蟛糠钟筒藸窟B區(qū)域切開,減少牽扯炸莢損失,切割器長度的合理設(shè)計非常重要。切割器作業(yè)示意圖如圖3所示。

圖3 豎切割刀作業(yè)示意圖Fig. 3 Vertical cutter operation schematic diagram1.橫切割刀 2.加長平臺 3.機架 4.豎切割刀

圖3中h為留茬高度,根據(jù)農(nóng)藝要求,油菜收割一般為200～400 mm;h1為切割器下刀尖與橫切割刀尖的垂直高度;h2為切割器下切割線高度,應(yīng)低于600 mm(油菜最低角果層的平均高度);h3為切割器上切割線高度,應(yīng)大于油菜枝條牽連區(qū),植株一般高度1.5～1.7 m,少數(shù)可達1.8～2 m,植株的上部有200 mm一般不會產(chǎn)生牽連,則h3≥1 500 mm;α為切割器的后傾角,即刀尖線與垂線的夾角;Ed為切割器相對于橫割刀的前伸量;L為切割器的長度;R為割臺回轉(zhuǎn)半徑;O為割臺的回轉(zhuǎn)中心點。

當(dāng)留茬高度最大時,切割器下刀尖應(yīng)低于切割器下切割線高度h2,保證莢果全部收獲。h1應(yīng)滿足式(1)。

hmax+h1≤h2

(1)

將hmax=400 mm,h2=600 mm,代入式(1),得h1≤200 mm。

切割器前伸量越大,橫割刀前的牽連枝條切斷越多,撥禾時枝條牽扯越小,莢果炸裂越少,但切割后的枝條容易落地,對割臺強度要求越高,一般取值50～300 mm[17],考慮到割臺強度和落地損失,本設(shè)計取Ed=150 mm。

在留茬高度為最小值時,切割器上刀尖應(yīng)高于上切割線高度h3,盡量將牽扯的全部枝條切開,L應(yīng)滿足式(2)要求。

hmin+h1+Lcosα≥h3

(2)

切割器適當(dāng)后傾有利于切后莖稈落入割臺,減少落枝損失,切割器的后傾角一般取值0°～10°。當(dāng)留茬高度為最小值時,α為最小,本設(shè)計取值α=4°。將h3=1 500 mm,hmin=200 mm,h1=190 mm,α=4°,代入式(2)計算得,L≥1 121 mm,取L=1 150 mm,為本設(shè)計豎側(cè)切割器長度。

2.1.2 切割器傳動

切割器的傳動方式有利用割臺附近的運動件間接傳動,往復(fù)頻率固定,制造成本低,有采用動力元件通過傳動機構(gòu)直接驅(qū)動,傳動線路短、往復(fù)頻率可調(diào)整,但制造成本高,本設(shè)計采用橫割刀驅(qū)動切割器,往復(fù)頻率與橫割刀同步。傳動結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 豎側(cè)切割器傳動結(jié)構(gòu)Fig. 4 Side vertical cutter transmission structure1.橫擺桿 2.豎切刀 3.豎連桿 4.豎擺桿 5.橫連桿 6.橫割刀

橫割刀帶動橫連桿往復(fù)運動,推動豎擺桿與橫擺桿作往復(fù)擺動,橫擺桿推動兩個豎連桿驅(qū)動雙動切刀往復(fù)運動。傳動原理如圖5所示。

圖5 側(cè)豎切割器傳動原理Fig. 5 Side vertical cutter transmission principle

切刀行程

(3)

將橫割刀行程S1=76.2 mm、橫連桿L1=350 mm、豎擺桿L2=114 mm、橫擺桿L3=40 mm、豎連桿L4=300 mm代入式(3),得S2=26.7 mm,大于S=0.5t=25 mm,符合雙動刀半刀距行程設(shè)計要求。

2.2 撥禾輪

撥禾輪工作參數(shù)有撥禾輪半徑R、撥禾稈數(shù)Z、撥禾輪轉(zhuǎn)速nb及軸心高Hb、水平距離Bb。考慮到多種作物的兼用性,某些結(jié)構(gòu)參數(shù)不宜改動,便于改變的參數(shù)是轉(zhuǎn)速nb和軸心高Hb、水平距離Bb[16]。工作參數(shù)簡圖如圖6所示(拆除豎側(cè)切割器)。

圖6 撥禾輪工作參數(shù)簡圖Fig. 6 Reel wheel working parameter abbreviated drawing1.割臺 2.擋板 3.拔禾輪 4.橫割刀 5.加長割臺

1) 轉(zhuǎn)速nb。轉(zhuǎn)速對油菜植株受撥禾輪打擊和扶禾推送作用影響較大,從減少損失的角度須考慮降低撥禾稈對植株的沖擊速度和減少作用次數(shù)。為減少落粒損失,撥禾輪的圓周速度,小麥一般不宜超過3 m/s,秈稻一般不宜超過1.5 m/s。由于油菜比秈稻更容易落粒,因此,收獲油菜時撥禾輪的最大圓周速度vmax應(yīng)小于1.5 m/s,收獲油菜適宜工作速度vm=0.45～1.0 m/s。撥禾輪轉(zhuǎn)速nb可適用范圍,應(yīng)滿足式(4)要求[2]。

30vm/(πR)≤nb≤30vmax/(πR)

(4)

式中:R——撥禾輪半徑,R=0.45 m。

將vm=0.45 m/s代入式(4),得9.5 r/min≤nb≤31 r/min;將vm=1.0 m/s代入式(4),得21 r/min≤nb≤31 r/min。按油菜損失最小原則,nb的最小值即為本設(shè)計的最優(yōu)值,因此,本機的最優(yōu)撥禾輪轉(zhuǎn)速為9.5～21 r/min。原機收獲谷物時撥禾輪轉(zhuǎn)速范圍為21～36 r/min,轉(zhuǎn)速太高,不適合油菜收割,因此,設(shè)計了雙聯(lián)皮帶輪和張緊機構(gòu),在收獲油菜時能較快地調(diào)整撥禾輪傳動比,降低撥禾輪轉(zhuǎn)速范圍至12～21 r/min,因結(jié)構(gòu)限制,轉(zhuǎn)速范圍下限大于最優(yōu)值。

2) 軸心高Hb。油菜莖稈粗壯,剛度大于稻麥莖稈,撥禾輪的扶持作用對油菜的切割影響不大,應(yīng)主要考慮拔禾輪的推送作用。隨著撥禾輪軸心位置的升高,對油菜植株的打擊作用降低,為保證良好的推送效果,要求撥禾稈對植株的最低作用應(yīng)大于割后油菜植株質(zhì)心S的平均高度h0。Hb應(yīng)滿足式(5)要求。

Hb>h0+R

(5)

式中:h0——油菜割后植株質(zhì)心的平均高度。

將h0=600 mm代入式(5),得Hb>1 050 mm,本設(shè)計取值1 100 mm。

3) 水平距離Bb。橫割刀前移或撥禾輪后移,可以減小扶起角、增大推送角,以減少撥禾輪在切割前對莢果的碰撞、打擊。撥禾輪軸離橫割刀水平位置過近,撥禾稈對油菜的向上帶起作用明顯,撥禾輪纏草嚴重,攪龍輸送困難、炸莢增加,過遠,撥禾稈的推送作用過度,增加了植株滑落,因此,Bb值過小或過大割臺損失率均有所增加。Bb值選取范圍應(yīng)滿足式(6)要求。

(6)

式中:λ——撥禾輪速比,收割油菜一般取值1.2。

將λ=1.2,代入式(6),得0≤Bb≤248 mm。設(shè)計取值Bb=200 mm。

2.3 加長平臺

在原橫割刀與喂入攪龍之間增設(shè)具有上傾角的加長平臺,一是將撥禾輪撞擊、梳刷和攪龍擠壓而炸裂的油菜籽粒盡量落在割臺內(nèi);二是提高了割臺推送鋪放性能和攪龍的喂入能力,減少滑落損失;三是上傾的割臺防止臺面的菜籽倒流。適宜的上傾角β取值3°～5°。油菜收獲割臺如圖7所示。

圖7 油菜收獲割臺Fig. 7 Rape harvest cutter1.喂入攪龍 2.原橫割刀 3.加長平臺 4.油菜橫割刀

為了減少損失,割后莖稈應(yīng)盡量落入割臺內(nèi),加長平臺長度Pp應(yīng)滿足式(7)要求。

Pp+L1>L0

(7)

式中:L0——割后油菜平均長度;

L1——原橫割刀到割臺后壁距離。

將L0=1 300 mm,L1=880 mm代入式(7),得Pp>420 mm,設(shè)計加長平臺長度Pp=450 mm。

2.4 割臺圍板

割臺增設(shè)后側(cè)圍板,能夠減少各種原因造成的油菜籽粒飛濺,方法簡單、效果明顯,在不影響觀察割臺作業(yè)下,盡量增加圍板高度和面積,可采用輕質(zhì)材料制作以減輕割臺負荷和方便拆卸。本設(shè)計采用2 mm透明塑膠板,設(shè)計圍板高度Hd=400 mm。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗條件

試驗田長度大于50 m,寬度大于30 m,地勢平坦,油菜長勢均勻,油菜品種為贛油雜8號,播種時間為2020年10月28—29日,2021年5月15—16日,在都昌縣土塘鎮(zhèn)劉家村現(xiàn)場測試。良町4LZ-4.0谷物聯(lián)合收獲機改進前后樣機各一臺,下篩為Ф9 mm的沖孔篩。

試驗按油菜聯(lián)合收獲機鑒定大綱(DG/T 057—2019)[19]和油菜聯(lián)合收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(NY/T 1231—2006)[20]標準進行測試。

試驗田油菜種植模式及生物特性如表1所示,田塊1的模式為人工撒播、機溝,田塊2的模式為旋耕、飛播、機溝,田塊3的模式為聯(lián)合直播。

表1 種植模式及生物特性Tab. 1 Planting patterns and biological characteristics

3.2 試驗方案

試驗方案簡圖如圖8所示,測區(qū)長度20 m、寬度大于15 m,收割機低速大油門勻速行駛(0.9～1.2 m/s),留茬高度400 mm,保持恒定。

圖8 試驗方案簡圖Fig. 8 Test scheme abbreviated drawing

1) 割臺損失。試驗前按大綱要求制作3個相同的接樣槽,槽內(nèi)口寬10 cm,槽內(nèi)口長為試驗樣機割幅寬度210 cm加30 cm,槽深6 cm,試驗時槽中襯墊絨布。在測區(qū)內(nèi)等間距5 m取3個測點,垂直于作業(yè)方向鏟出與接樣槽相應(yīng)的平底溝槽,將接樣槽臥入其中,槽口與地面基本平齊。放置接樣槽時,接樣槽的一端與邊界平齊,另一端置于豎側(cè)切割刀一側(cè)。槽內(nèi)收入的角果籽粒和散落籽粒之和除實際割幅的槽口面積換算為每平方米實際損失量Wgs。分析時取3測點平均值,割臺損失率按式(8)計算。

割臺損失率

(8)

式中:Wgs——割臺每平方米實際損失量,g;

W——接樣區(qū)內(nèi)所接籽粒總重,g;

B——平均實際割幅,m;

L——測區(qū)長度,m。

2) 脫粒損失。在收割機排草口的下方,固定油布卷筒,離地高度500 mm,油布寬度等于割幅,可展開長30 m,試驗時收割機抵近測區(qū),先拉開油布5 m,其前端在地面固定,試驗開始后,隨著機器的前進油布同步拉伸展開,從排草口排出的混合物落在油布上,收集油布的混合物,分離出角果籽粒和散落籽粒為脫粒損失(未脫盡損失Ww、分離損失Wf、清選損失Wq之和)。脫粒損失率按式(9)計算。

脫粒機體損失率

(9)

W=Wc(1-Zz)+(Ww+Wf+Wq)

式中:Wc——出糧口排出籽粒及混合物質(zhì)量,g;

Zz——含雜率,%。

總損失率

∑S=St+Sg

(10)

3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗現(xiàn)場觀察,豎側(cè)切割器切割流暢,機構(gòu)運動平穩(wěn),油菜枝條牽扯減少;加長平臺對籽粒收集效果明顯;撥禾輪對油菜推送平穩(wěn),籽粒飛濺減少,莖稈纏繞較少;輸送攪龍及輸送槽進料順暢;圍板對油菜的防滑落作用明顯。不足之處是,豎側(cè)切割器和加長平臺增加了割臺負載對割臺的剛性強度和可靠性有一定的影響;加長平臺增加了整機的長度,作業(yè)的機動性和效率有所下降。檢測數(shù)據(jù)如表2所示。損失率計算結(jié)果如表3所示。

表2 對比試驗檢測數(shù)據(jù)Tab. 2 Comparison test data

表3 損失率計算結(jié)果Tab. 3 Loss late calculation results

由表3可知,改進前樣機平均割臺損失率8.1%、脫粒損失率2.2%、總損失率10.3%,改進后樣機平均割臺損失率4.44%、脫粒損失率2.16%、總損失率6.60%,改進后割臺損失率降低45%,總損失率降低36%,改進后減損效果明顯。

4 結(jié)論

1) 本文通過加長450 mm割臺、安裝1 150 mm雙動刀半刀距行程豎側(cè)切割器、調(diào)整撥禾輪中心位置、降低撥禾輪轉(zhuǎn)速至12～21 r/min、加高400 mm側(cè)后圍擋等方法,改進設(shè)計4LZ-4.0谷物聯(lián)合收獲機油菜割臺。

2) 試驗數(shù)據(jù)表明,改進后樣機平均割臺損失率4.44%,脫粒損失率2.16%,總損失率6.60%;改進后樣機割臺損失率降低45%,總損失率降低36%,改進后減損效果明顯。本設(shè)計對油菜割臺收獲損失降低有一定的生產(chǎn)實踐參考價值。

3) 割臺損失仍然是油菜收割損失的主要因素,今后還需要對割臺作業(yè)中的切割落枝損失、牽扯炸莢損失、打擊飛濺損失等進行單因素試驗研究,對割臺的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷探索創(chuàng)新以改善不足之處,提高割臺綜合性能,降低割臺對整機性能的影響;在農(nóng)藝上,應(yīng)加強油菜新品種和種植栽培新技術(shù)的應(yīng)用推廣,提高莢果成熟一致性,改善油菜分枝多、株型高、單株角果層直徑大、分枝牽扯等特性,以適應(yīng)機械化收割,通過農(nóng)機農(nóng)藝深度融合,有效解決油菜機械化收割的難題。