新型斜置切纵流联合收获机脱粒分离装置

李　磊，李耀明

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江　212013)



新型斜置切纵流联合收获机脱粒分离装置

李磊，李耀明

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江212013)

摘要：为满足我国现阶段高产水稻的高效收获要求，提出了一种喂入量为7～9kg的履带式新型斜置切纵流双滚筒联合收获机的总体配置方案，论述了斜置切纵流双滚筒脱粒分离装置中切流脱粒滚筒、切流凹板筛、锥形螺旋过渡喂入装置、斜置纵轴流滚筒和纵轴流凹板筛的结构设计，确定了各个工作部件的工作参数。田间试验表明：该装置在收获水稻喂入量为8.57kg/s时，脱粒损失率为0.79%，籽粒破碎率为0.1%，各项性能指标均达到设计要求；同时，在喂入量增大时，该装置各工作部件功耗较为平稳，适应性较强。

关键词：联合收获机；斜置切纵流；喂入量；水稻

0引言

水稻种植在我国粮食种植中占有极其重要的地位，年产量达1.6亿t，占世界总产量34%，2012年末我国水稻机械化收获水平达到69.32%[1-2]。随着水稻种植面积的不断扩大、产量的提高及高产水稻的普及，要求联合收获机在保证良好性能的前提下向高效、大喂入量方向发展, 以提高生产效率，这对联合收获机的作业性能和作业效率提出了更高的要求[3-4]。

目前，我国大部分水稻联合收获采用喂入量为3～5kg/s的履带式全喂入水稻联合收获机。传统全喂入式横轴流联合收获机受机器横向空间尺寸的制约，其核心工作部件脱粒分离、清选装置的能力明显受到限制[5-6]，已无法满足我国现阶段农作物联合收获的发展需求。近几年研制出的全喂入式切纵流联合收获机采用切流与水平放置的纵轴流组合式脱粒分离技术，脱粒行程长、分离面积大，可以在不增大机体体积的情况下提高生产率，且脱净率高、破碎率低，对潮湿作物适应性好[7-8]；但当喂入量增大时会出现喂入不顺畅及堵塞现象，且受高度空间的限制，清选空间相对较小，当喂入量增大时清选负荷增大，清选损失率大幅增加，功耗变大，作业效率明显下降。

为此，通过对传统切纵流结构与国外大型轴流脱粒分离结构的进一步分析研究，结合我国现阶段水稻收获需求，设计了一种喂入量为7～9kg的新型斜置切纵流双滚筒脱粒分离装置，并配置相应的高效清选装置、底盘行走装置及粮箱等，进行田间性能试验。

1斜置切纵流联合收获试验车结构与配置

针对南方地区复杂的农作物收获工作环境，将斜置切纵流双滚筒脱粒分离装置安装到履带式斜置切纵流田间联合收获试验车上。该试验车主要由发动机、变速箱、履带式行走底盘、割台、输送槽、脱粒分离装置、清选装置、粮箱及控制操纵系统等组成。整个试验车的布局方式如图1所示。其中，输送槽、脱粒分离清选装置和秸秆粉碎装置依次首尾连接，呈同一中心对称分布，位于底盘行走装置左侧；驾驶室、发动机、粮箱依次安装于底盘行走装置的右侧；另外，在各工作部件上均装有扭矩和转速传感器，对其功耗进行采集。

1.割台　2.输送槽　3.变速箱　4.发动机

2新型斜置切纵流脱粒分离装置设计

新型斜置切纵流双滚筒脱粒分离装置主要由切流脱粒分离装置、锥形螺旋过渡喂入装置和斜置纵轴流脱粒分离装置组成，如图2和图3所示。其结构的特点是：由切流滚筒进行脱粒，负责完成70%以上的易脱、易分离籽粒的脱粒任务，剩余难脱、难分离的部分进入倾斜6°纵向布置的纵轴流分离滚筒；与以往水平放置的纵轴流滚筒不同，斜置6°的纵轴流滚筒复脱分离的行程更长、分离效果更好，同时增大了纵轴流下方的清选体积；在充足的脱粒分离时间和脱粒分离面积下，谷物被完全有效地复脱和分离。过渡喂入口连接结构采用锥形螺旋过渡喂入装置，合理利用锥形螺旋喂入头的结构，解决了物料从切流滚筒到斜置纵轴流滚筒转换时作物物流转向角度大、容易发生堵塞的技术难题，从而保证了作物流的连续性、均匀性，实现了作物平滑、顺畅、低损伤的换向过渡，大大降低了收割机无效功率消耗。

1.切流顶盖　2.切流滚筒　3.切流凹板筛　4.锥形螺旋喂入头

2.1切流脱粒分离装置设计

切流脱粒分离装置主要由切流顶盖、切流滚筒和切流凹板筛组成，如图3所示。收获时，物料由输送槽喂入到切流滚筒内，在高速旋转的切流滚筒与切流凹板筛的共同作用下，物料受到梳刷、冲击等作用力进行初脱和初分离，易脱和易分离的籽粒通过凹板筛孔落到振动筛上；剩下未脱粒的物料和难脱粒的籽粒在高速旋转的切流滚筒作用下，沿着切流滚筒的切线方向进入到锥形螺旋喂入装置内进行过渡换向，在螺旋叶片的作用下进入斜置纵轴流滚筒。

1.切流顶盖　2.切流滚筒　3.切流凹板筛

根据以往的经验，切流滚筒一般采用钉齿式滚筒，如图4所示。钉齿滚筒特点是抓取能力强、脱粒能力及对不均匀喂入适应能力均较强，对潮湿作物的适应性较好。切流滚筒钉齿的总数量Nq取决于脱粒装置的生产效率[9]，则

(1)

式中δ—试验作物的谷草比，根据实际田间试验作物取δ=0. 65；

q—喂入量，取设计要求喂入量7～9kg/s的80%；

qd—单个钉齿脱粒能力，取qd=0.04kg/s。

由公式(1)进行计算，可以得到钉齿数量应大于等于62。综合考虑输送槽喂入口的宽度和脱粒机架的宽度，取钉齿的数量为69。

计算切流钉齿滚筒的长度Lq[10]，即

(2)

式中aq—切流滚筒钉齿齿迹距，取aq=35mm；

Kq—切流滚筒钉齿螺旋头数，取Kq=3；

Δlq—切流滚筒齿杆端部距最外钉齿的距离，取Δlq=15mm。

将已知参数代入到公式(2)，计算得出切流滚筒长度取整为800mm。同时，综合考虑切流滚筒钉齿数量及切流滚筒长度采取合理的钉齿排列方式，在圆周上分别均匀分布6跟齿杆，在每根齿杆上平均分配11～12个钉齿。

切流滚筒的直径Dq[10]与转速nq[9]为

(3)

式中Dqg—滚筒齿杆根部的直径，一般大于300mm[10]；

h—切流滚筒钉齿的高度，根据试验要求取h=70mm；

Vg—切流脱粒滚筒的线速度，一般易脱水稻取Vg=18～22m/s[9]。

将已知参数代入上述两个公式中，计算得出结果。综合考虑计算结果、脱粒滚筒常用的直径系列及传统机型的滚筒直径，得到切流滚筒直径取550mm，切流滚筒的转速取值范围为726～862r/min，在大喂入量的要求下取862r/min。

切流凹板筛的结构如图5所示。

1.喂入平板　2.栅格凹版　3.冲孔弧形交接板

切流凹板筛采用喂入平板、栅格和冲孔弧形交接板相结合的结构。物料通过喂入平板进入切流滚筒，栅格式的凹板可以起到初脱粒、初分离的作用。工作时，先脱下来易脱的籽粒，并进行初脱分离，以减少籽粒破损率，其余脱出物则由弧形交接板进入到斜置纵轴流滚筒进行复脱。

钉齿式脱粒滚筒凹板筛的最小凹板弧长lm[11]为

(4)

式中k—分离系数，钉齿式滚筒取k=2.81m-1；

u—脱粒系数，钉齿式滚筒取u=2.81m-1。

对于钉齿型滚筒，可以算出最小的切流滚筒凹板弧长为676.67mm。通过最小切流凹板筛凹板弧长、切流滚筒直径和长度可以算出最小的切流滚筒凹板包角为61.3°；再根据切流凹版筛所采用的结构及所处位置关系对切流脱粒滚筒凹板筛包角取为67°；冲孔弧形交接板沿着凹板切线安装，并确定其脱粒间隙为26mm。

2.2锥形螺旋过渡喂入装置设计

锥形螺旋过渡喂入装置由锥形螺旋喂入头及上下锥形导流罩组成，如图6所示。该结构的作用是将由切流滚筒抛出的物料快速换向，并由螺旋叶片推送到斜置纵轴流滚筒，沿着斜置纵轴流滚筒的轴线做螺旋运动，保证物料输送的连续性和均匀性。

1.上锥形导流罩　2.锥形螺旋喂入头　3.下锥形导流罩

锥形螺旋头是由两片锥形螺旋叶片180°均布焊接在锥形头上，并合理利用锥形螺旋喂入头，配置倒锥形的导流罩形成封闭的喂入空间。装置工作时，高速旋转的螺旋叶片与倒锥形的导流罩配合形成较强的气流，增强了作物的低损伤输送能力，提高了整机的输送能力。

2.3斜置纵轴流脱粒分离装置设计

斜置纵轴流脱粒分离装置由纵轴流顶盖、锥形螺旋喂入头、斜置钉齿式纵轴流滚筒和纵轴流凹板筛组成，如图7所示。作物由斜置纵轴流滚筒的锥形螺旋喂入头推送到斜置纵轴流滚筒内，受到纵轴流滚筒和纵轴流凹板筛的作用进行复脱分离，并且在顶盖导向板的作用下向排草口作螺旋运动；最后，剩余的茎秆、杂余及夹带的少量的籽粒由排草口排到机外。

1.锥形螺旋喂入头　2.下锥形导流罩

纵轴流滚筒脱粒元件同样采用钉齿(见图8)，需要对剩余40%～60%的籽粒进行复脱分离。根据轴流脱粒分离装置的分离模型[7]来确定纵轴流滚筒长度，则有

(5)

式中α—在凹板筛内沿着滚筒轴向取任意一段距离内发生脱粒的概率，与其中未被脱籽粒量的比例关系；

β—在凹板筛内沿着滚筒轴向取任意一段距离内籽粒从凹板筛分离的概率，与未分离籽粒量的比例关系；

x—滚筒轴向位置(m)；

Lz—纵轴流滚筒的长度(m)。

试验证明[8]：当x=Lz时，籽粒脱粒分离率最高；通过计算得到滚筒长度1 806.4mm时，籽粒分离率为98%左右；再结合脱粒机架的长度要求，对纵轴流滚筒的长度取值为1 800mm。

纵轴流钉齿滚筒的直径Dq[10]与转速nq[9]为

(6)

式中Dqg—滚筒齿杆根部的直径，一般大于300mm[10]；

h—纵轴流滚筒钉齿的高度，根据试验要求取h=75mm；

Vg—纵轴流脱粒滚筒的线速度，一般难脱水稻取Vg=22～26m/s[9]。

将已知参数代入上述两个公式中，计算得出结果。考虑到纵轴流滚筒采用倾斜6°的纵向布置，在宽度方向不受限制，同时为了增大分离面积，将纵轴流滚筒直径取值为650mm，并得出纵轴流滚筒的转速取值范围为679～806r/min，在大喂入量的要求下取806r/min，凹板间隙取14mm。

1.锥形喂入头　2.纵轴流滚筒

2.4过渡交接口结构

通过切流凹版筛的冲孔弧形交接板与下锥形导流罩相结合(见图9)，合理地解决物料从切流到斜置纵轴流换向时物流转向角度大、容易发生堵塞的难题；同时，在螺旋叶片形成的负压吸运作用下保证了作物低损伤输送，实现作物平滑、顺畅地换向过渡。

图9　过渡喂入交接口三维结构图

3田间试验

2014年11月，在江苏靖江对履带式斜置切纵流联合收获试验车进行田间性能检测。为减少田间收获环境带来的误差影响，尽量选择土地平整、水稻长势较均匀的田块。测定试验水稻的基本特性参数如表1所示。

表1　试验水稻基本特性参数

该田间试验的方案为：通过调节试验车的前进速度来调整喂入量，并对脱粒损失率及功耗进行试验分析，得出在该参数配置下该装置在满足脱粒分离性能下的喂入量。试验前,量取宽为2.5m、长为25m的水稻田块，并用4根标杆(中间两个标杆距离为10m)做好标记；联合收获试验车停在距离测量好的田块后方5m处(留有一定的启动距离)。试验车收获时，割茬为20mm，记录速度较平稳的中间10m段的时间；跑完试验距离后，清空粮箱里的粮食并称重得到籽粒质量，同时收集试验车后方油布上试验距离段滚筒排草口的脱出物并称重得出脱出物总质量。通过这两个质量之和及行驶速度，计算出该试验车的实际田间喂入量q。计算公式为

(7)

式中W—田间实际割幅，W=2.5m；

m—收获后粮箱里粮食的质量(kg)；

n—收获后滚筒排草口脱出物总质量(kg)；

t—收获中速度平稳段10m所用的时间(s)。

通过人工对所接的粮箱籽粒和脱出物进行清选，得到破碎率、含杂率和脱粒损失率。通过分析扭矩和转速传感器的信号，得到在不同前进速度收获时各工作部件的功耗情况。为了减少偶然因素对试验结果的影响，每一种参数重复做3次，结果取其平均值。试验结果如表2所示。

表2　不同喂入量的脱粒分离试验结果

由表2得出：随着前进速度的增加，喂入量同时增大，收获效率随之提高，切流滚筒和斜置纵轴流滚筒功耗逐渐增大，脱粒损失率同时增大；当喂入量达到8.57kg/s时，脱粒损失率为0.79%，籽粒破碎率为0.3%，含杂率为0.8%，满足了喂入量为7～9kg/s的设计要求；当喂入量继续增大时，工作部件功耗较为平稳，并未发生堵塞情况，说明装置的适应性较好；当前进速度达到1.36m/s时，切割器跟不上前进速度，漏割较为严重，收割损失增大，脱粒损失较大。

4结论

1)提出了一种喂入量为7～9kg/s的履带式斜置切纵流联合收获机的结构及其工作参数配置方案，可以满足我国现阶段高产水稻大喂入量、高效率的收获要求。

2)对斜置切纵流双滚筒脱粒分离装置的结构进行设计计算，在过渡交接段采用锥形螺旋喂入装置，增强输送喂入能力，并确定了其工作部件的运动参数和工作参数：切流滚筒转速862r/min、切流脱粒凹版间隙26mm、斜置纵轴流滚筒转速806r/min、纵轴流凹板间隙15mm。

3)田间试验结果表明：当喂入量达到8.57kg/s时，脱粒损失率为0.79%，籽粒破碎率为0.3%，含杂率为0.8%，满足设计要求；当喂入量继续增大时，工作部件功耗较为平稳，并未发生堵塞情况，说明装置的适应性较好。

参考文献：

[1]王玉霞，秦洪彬.水稻收获机械化的现状及发展趋势[J].中国新技术新产品，2009(18)： 231.

[2]李海同，黄鹏，舒彩霞.我国稻麦油机械化收获技术研究现状与趋势[J]. 农业工程，2013，3(5)：1-6.

[3]张桃林. 转变方式 提升质量 努力推动农业机械化科学发展—在全国农业机械化工作会议上的讲话(摘要) [J].中国农机化，2010(1):3-7，19．

[4]高焕文，李问盈，李洪文. 我国农业机械化的跨世纪展望[J] . 农业工程学报，2003，16(2) : 9-12.

[5]王岳,曹扬,夏晓东,等.双季稻区收获农艺及先进适用联合收割机型谱[J].农业工程学报,2002(2):68-71.

[6]唐忠,李耀明,徐立章,等. 切纵流联合收获机小麦脱粒分离性能评价与试验[J]. 农业工程学报,2012(3):14-19.

[7]Petre I Miu, Heinz-Dieter Kutzbach. Mathematical model of material kinematics in an axial threshing unit [J].Computers and Electronics in Agriculture,2007,58：93-99.

[8]李杰，阎楚良，杨方飞. 纵向轴流脱粒装置的理论模型与仿真[J]. 江苏大学学报:自然科学版，2006，27(4)：299-302.

[9]吴守一.农业机械学(下)[M].北京:中国农业机械出版社,1992.

[10]中国农业机械化科学研究院. 农业机械设计手册[K]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2007.

[11]唐忠. 切纵流结构谷物脱粒分离理论与试验研究[D].镇江:江苏大学，2013.

A Combinational Threshing and Separating Unit of ObliqueTangential-longitudinal Combine

Li Lei, Li Yaoming

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：With the development of rice harvesting with large scale in China，high-efficiency of combine is more and more important. In order to satisfy the urgent demand of high-efficiency combine，the overall structure of a new crawler-type combine with a feed rate of 7～9kg/s was proposed and the combinational threshing and separating unit of oblique tangential-longitudinal combine was designed. The design focused on the designing process of structural and operational parameters of tansverse tangential cylinder tangential concave,conical spiral transition device,axial rotor and concave. And determine the working parameters.Field test showed that the total loss was 0.79% , the damage rate was 0.3% and the impurity content was 0.8% ,when the feed rate was 8.57kg/s，which met the demands of the design．

Key words：combine harvester; oblique tangential-longitudinal; feeding rate; rice

文章编号：1003-188X(2016)04-0084-06

中图分类号：S225.4；S220.3

文献标识码：A

作者简介：李磊(1991-)，男，江苏盐城人，硕士研究生，(E-mail)shuaileo3071101011@126.com。通讯作者：李耀明(1959-)，男，江苏张家港人，教授，博士生导师，(E-mail)ymli@ujs.edu.cn。

基金项目：国家“863计划”项目(2012AA10A502)

收稿日期：2015-03-30