履帶自走式青毛豆收獲機研制與試驗

摘要：針對目前我國缺乏青毛豆收獲機械且國外機型整機結構復雜、價格昂貴的問題，為提高青毛豆機械化收獲效率和采凈率，降低破損率和含雜率，設計研制一款履帶自走式青毛豆收獲機。闡述收獲機整機結構和工作原理，采用全液壓驅動，對液壓系統、采摘機構、清選機構等關鍵部件進行分析和設計。田間試驗結果表明：所設計的青毛豆收獲機能夠較好地實現采摘和清選的功能，生產效率為0.17 hm2/h、采凈率為95.1%、破損率為2.4%、含雜率為4.2%，收獲效率高、質量好，各參數滿足設計要求。

關鍵詞：青毛豆收獲機；液壓系統；采摘；清選；田間試驗

中圖分類號：S225.6" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0028?06

Development and test of crawler self?propelled green soybean harvester

Fei Yan， Wang Tao， Lou Tingting， Xu Jinda

（Zhejiang Academy of Agricultural Machinery， Jinhua， 321017， China）

Abstract： In view of the lack of" green soybean harvester in China at present and the complex structure and high price of foreign machines， in order to improve the mechanized harvesting efficiency and picking net rate， reduce the breakage rate and impurity rate， a crawler self?propelled green soybean harvester is designed and developed. This paper describes the structure and working principle of the harvester. The harvester adopts full hydraulic drive. The key components such as hydraulic system， picking mechanism and cleaning mechanism are analyzed and designed. The field test results show that this designed green soybean harvester can finish the functions of picking and cleaning well. The production" efficiency is 0.17 hm2/h， picking net rate is 95.1%， the breakage rate is 2.4% and the impurity rate is 4.2%. This green soybean harvester has high harvesting efficiency and good quality， and all parameters meet the design requirements.

Keywords： green soybean harvester; hydraulic system; picking; cleaning; field test

0 引言

我國是青毛豆生產和出口大國，種植普及全國，主要分布在浙江、江蘇、福建、安徽、上海、廣東、臺灣和山東[1， 2]。青毛豆具備較高的食用價值和營養價值，味道鮮美且富含氨基酸、粗纖維、大豆異黃酮、大豆皂貳等多種營養物質[3?5]。同時經濟價值也十分顯著，青毛豆一般每公頃產10.5～12 t，收入可達（4.5～6）萬元[6]。

由于青毛豆植株低矮、單位面積株數多、豆莢分布不集中且成熟期為夏季的生長習性[7]，導致收獲是一個作業強度大、勞動成本高的環節。目前，我國青毛豆收獲環節仍以人工為主，人工成本約占整個生產環節的40%[8]，國內青毛豆機械化收獲水平低嚴重制約了行業的發展。湖北、浙江、新疆等地從美國、日本及歐洲地區引進的青毛豆收獲機械存在體積龐大、價格昂貴等缺陷[9]，并不適用于我國以丘陵山區小塊分散農田為主的青毛豆種植模式及農機消費水平。國內對青毛豆機械化收獲方面的研究還不多，近年來，國內科研院所和企業加強了對青毛豆收獲機的研究和制造，部分收獲機已經進入推廣應用階段，但仍存在著機型少且適用面窄、收獲效率和采凈率低、破損率和含雜率高等問題。本文針對我國青毛豆收獲機械的迫切需求及研究制造的不足，在研究現有機型和技術的基礎上，結合青毛豆植株的農藝和物理特性，研制一款履帶自走式青毛豆收獲機，實現青毛豆的機械化收獲。

1 整機結構與工作原理

履帶自走式青毛豆收獲機結構如圖1所示，主要由導入機構、采摘機構、輸送機構、清選機構、集料箱及履帶行走底盤組成，整機以36.8 kW柴油機為動力，驅動方式采用全液壓驅動，可一次性完成植株導入、豆莢采摘、豆莢及雜質輸送、雜質清選和豆莢收集等工序，技術參數如表1所示。導入機構由單根導入毛刷及兩根導入輥組成，導入機構可通過調節螺栓調整與采摘機構的相對位置，采摘機構則可通過液壓缸調整與整機的相對位置，以適應不同高度的青毛豆植株與地形。輸送機構由皮帶及驅動滾筒構成。

工作時，柴油機提供動力，由液壓馬達驅動履帶行走底盤向前行走，導入機構中的導入毛刷和導入輥把青毛豆植株導入至采摘機構前下端，采摘滾筒上旋轉的采摘彈齒把植株上的豆莢和莖葉捋下來的同時拋入輸送機構，輸送機構把豆莢混合物輸送至清選機構進行清選，豆葉、雜草、莖稈被排出，豆莢從清選滾軸縫隙掉落至收集箱中，完成收獲作業。

2 關鍵部件設計

2.1 采摘機構設計

2.1.1 結構參數設計

采摘機構是青毛豆收獲機的核心部分，其工作效率和質量直接影響整機的采凈率及破損率。考慮到青豆莢鮮嫩，受重力打擊易受損，單位面積植株數多且密集的特點，選用滾筒彈齒式采摘機構，其工作原理通常是用滾筒彈齒將豆莢從植株上捋下分離[10?12]。滾筒彈齒式采摘機構主要由滾筒、側板、罩殼、液壓馬達、驅動軸、彈齒、彈齒軸組成，如圖2所示。

青毛豆豆莢主要聚集在植株中間，為確保采摘區域能夠覆蓋所有結莢區域，滾筒上彈齒端點到軸心的半徑R應適應植株物理特性。青毛豆植株株高25～65 cm，底莢高度5～20 cm，結莢寬度7.3～8.5 cm[13]，為使彈齒能夠采摘到所有高度上的豆莢，取彈齒最外側旋轉半徑R為360 mm，根據整機結構尺寸選取滾筒直徑為320 mm。青毛豆植株行距根據品種及種植模式的異同，一般分布在30～55 cm之間[14]，選取滾筒寬度（采摘幅寬）為1 200 mm，采用不對行收獲。彈齒是采摘的直接執行部件，其分布將較大影響采摘效果，相鄰彈齒間距過小將會捋下較多的枝葉，甚至將植株連根拔起，導致豆莢中雜質含量過多并引起堵塞，間距過大則會引起豆莢的漏采及掉落[15]。結合青毛豆豆莢外形尺寸及日常工作經驗，取同一排彈齒個數為16個，相鄰彈齒間的中心距為75 mm。設每株豆莢經過彈齒n次捋打能夠采摘干凈，則滾筒上彈齒總排數N和捋打次數n之間關系可表示為

豆莢寬度S平均值為8 cm，機器前進速度參考一般收獲機械選為3 km/h，滾筒轉速選擇較小值200 r/min，計算可得N=3n。由于青毛豆豆莢分布密集，為了較好的采摘效果，此處選取較大值n為5，則彈齒總排數定為15排，以3排為周期，呈螺旋狀排列，彈齒排列方式如圖3所示。

2.1.2 運動參數設計

青毛豆收獲機工作過程中，采摘機構除了自身的旋轉運動，還復合有底盤的平移運動，因此彈齒的實際運動應為旋轉和平移的復合運動[16]，根據采摘機構運動示意圖（圖4），建立在時間t2時，彈齒端點A的運動軌跡方程。

由式（4）、式（5）可知彈齒端點A的運動軌跡為擺線，為能夠順利將采摘下的豆莢拋至傳送帶，彈齒在拋料階段需具備向后的水平分速度，即要求運動軌跡為余擺線，如圖5所示。

為使彈齒運動軌跡為余擺線，要求彈齒圓周速度ωR大于行走速度v。彈齒圓周速度ω直接影響采收效率，速度過大易將多余枝葉捋下，造成采摘機構及輸送機構堵塞；速度過小易造成豆莢的漏采及掉落[17]。綜合考慮，收獲機作業行走速度v≤3.5 km/h，采摘機構滾筒轉速ω≥150 r/min。

2.1.3 升降液壓缸設計

由受力分析可知，單個液壓缸所受的阻力

2.2 清選機構設計

采摘得到的豆莢含有豆葉、莖稈、雜草等多種混合物，利用傳統且單一的清選結構，清選效果并不理想[18]。故所設計的清選機構采用復合清選結構，即滾軸清選和負壓清選復合作業。清選機構主要由機架、負壓清選裝置、滾軸清選裝置、匯集絞龍、撥桿組成，如圖6所示。

2.2.1 滾軸清選裝置設計

滾軸清選裝置如圖7、圖8所示，由一排清選滾軸組合而成，每個清選滾軸的兩端端部均轉動設置在軸承座內，一端端部固定連接有鏈輪，軸承座固定在機架上。工作時，液壓馬達通過驅動軸和鏈輪帶動清選滾軸轉動，從而推動豆莢和莖稈向前運動。由于篩料擋板的作用，清選滾軸間周期性的形成間隙，豆莢在前進過程掉落至集料箱，莖稈則被推送至收獲機尾部，并在撥稈的強制推動作用下掉至田間。

2.2.2 負壓清選裝置設計

負壓清選裝置根據青毛豆豆莢、豆葉等輕雜質的懸浮速度差距較大的原理[19]，通過負壓風扇控制負壓氣流速度把豆葉等輕雜質清選出去。負壓清選裝置結構如圖9所示，由外殼、液壓馬達及風扇組成。工作時，液壓馬達驅動風扇旋轉形成負壓，將豆葉等輕雜質排出。

2.3 液壓系統

考慮到液壓傳動具有布置靈活方便、功率大、可無極調速等優勢，較適用于工作環境惡劣且多變的農業機械，整機采用全液壓驅動。收獲機液壓系統主要包括油箱、過濾器、雙聯泵、升降部分子系統、行走部分子系統、采摘部分子系統和輸送清選部分子系統，原理圖如圖10所示。柴油機通過分動箱驅動兩個雙聯泵，進而實現行走、升降、采摘、輸送和清選作業。

行走部分子系統原理圖如圖11所示。其中先導式電磁溢流閥和二位二通換向閥I起到急停開關的作用，二位二通換向閥I左位為急停狀態，右位為正常工作狀態。三位四通換向閥控制行走馬達的正轉、停止及反轉，從而控制履帶行走底盤的前進、停止及后退，分流集流閥保證兩個行走馬達同步動作，兩個二位二通換向閥控制履帶行走底盤左轉及右轉。二位三通換向閥控制行走馬達的高、低速檔，左位為高速擋，右位為低速擋，從而滿足收獲機作業和轉移兩種工況行走速度的要求。

2.3.2 升降部分子系統設計

升降部分子系統液壓原理如圖12所示。直動溢流閥起到保護整個油路的作用；三位四通換向閥左、中、右3個位置分別控制升降油缸的縮短、停止和伸長，從而實現采摘機構的提升、停止及下降；分流集流閥保證2個升降油缸同步動作；液控單向閥起到升降油缸停止時的保壓作用；可調節流閥可以根據作業要求調節升降油缸的動作速度。

2.3.3 采摘部分子系統設計

采摘部分子系統液壓原理如圖13所示，驅動采摘滾筒馬達和導入輥馬達作業。直動溢流閥保護油路安全，三位四通換向閥控制導入輥馬達和采摘滾筒馬達的作業和停止，導入輥馬達和采摘滾筒馬達串聯，并各自并聯調速閥以方便調速，滿足不同作業工況下對馬達轉速的需求。

2.3.4 輸送清選部分子系統設計

輸送清選部分子系統液壓原理如圖14所示。直動溢流閥保護油路安全，分流集流閥起到流量分配的作用，三位四通換向閥控制輸送馬達、負壓風扇馬達、撥稈馬達、絞龍馬達的作業和停止，并均并聯調速閥以方便調速，滿足不同作業工況下對馬達轉速的需求。

3 田間試驗

3.1 試驗目的

本試驗主要以浙鮮86青毛豆品種為試驗對象進行青毛豆收獲機田間性能試驗，測定本文所設計的履帶自走式青毛豆收獲機的生產效率、采凈率、破損率及含雜率等相關技術參數，并評估其工作性能。

3.2 試驗條件

試驗地點為蘭溪市陳洪勇家庭農場的青毛豆種植基地，青毛豆品種為浙鮮86，壟寬1.15 m，單壟雙行種植，株距20 cm，平均株高約68 cm，種植密度約18萬株/hm2。青毛豆收獲機行走速度設定為低速擋，采摘滾筒轉速為220 r/min。

3.3 試驗方法

劃定試驗區，試驗區由穩定區、測試區和停車區組成，測試區長度為20 m，穩定區和停車區長度各為10 m且不應有青毛豆植株。測試前應清除測試區內死亡或個體異常等導致無法收獲的青毛豆植株，測試時應一次性完成青毛豆機械化收獲的采摘、輸送、清選和收集的作業流程。共選取3塊試驗區，重復3次試驗，取平均值測定履帶自走式青毛豆收獲機的生產效率、采凈率、破損率及含雜率。

3.4 試驗結果

在田間試驗過程中，履帶自走式青毛豆收獲機導入機構、采摘機構、輸送機構、清選機構和液壓系統運行良好，性能穩定，能夠較好完成采摘、輸送、清選和收集的作業流程。田間試驗結果如表2所示。

試驗結果表明所設計的液壓自走式青毛豆收獲機生產效率為0.17 hm2/h、采凈率為95.1%、破損率為2.4%、含雜率為4.2%，滿足使用要求，能夠較好地替代人工實現青毛豆收獲。

4 結論

針對目前青毛豆收獲機無好機可用及相關研究不多的現實問題，設計一種履帶自走式青毛豆收獲機樣機，并進行田間試驗。

1） 確定整機結構和工作原理，青毛豆收獲機主要由履帶底盤、導入機構、采摘機構、輸送機構、清選機構等組成，由36.8 kW柴油機提供動力，全液壓驅動，可以一次性完成采摘—輸送—清選作業。

2） 確定采摘方式為滾筒彈齒式，采摘幅寬1 200 mm，滾筒直徑320 mm，彈齒端點到軸心的半徑360 mm。彈齒排數為15排，同一排彈齒個數為16個，以3排為周期，呈螺旋狀排列。分析得出彈齒上點的運動軌跡為余擺線，確定收獲機作業行走速度≤3.5 km/h，采摘機構旋轉速度≥150 r/min。計算得到升降液壓缸參數，缸徑為50 mm，桿徑為30 mm，行程為400 mm。為提升清選效果，設計由滾軸清選和負壓清選組成的復合清選結構。

3） 進行田間試驗，結果表明：生產效率為0.17 hm2/h，采凈率為95.1%、破損率為2.4%、含雜率為4.2%，液壓系統、采摘機構、清選機構等運行良好，符合設計要求。

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