4LZ-4.0 型 履带式联合收割机设计与试验*

吴罗发 ，董献华 ，张文毅 ，陈立才 ，舒时富

（1.江西省农业科学院农业工程研究所，江西 南昌 330200；2.江西良田农业机械有限公司，江西 余江 335200 3.农业农村部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014；4.江西省智能农机装备工程研究中心，江西 南昌 330200）

江西省是国家水稻主产区之一，水稻种植面积为343.62 万公顷，产量2 092.2 万吨，占我省粮食作物总产量的95.5%。江西省又是典型的丘陵山区，田块面积小，形状不规则，分散度高，高差相对较大，农田基础设施建设相对较差，水稻生产劳动强度大、效率低[1]。现代水稻生产具有单产高、长势密、茎秆粗、草谷比大、茎秆含水率高等特性[2-4]，这些特性对联合收割机作业性能提出了更高的要求[5-6]。随着农村劳动力向二、三产业不断转移，劳动力短缺矛盾不断突出，水稻种植生产全程机械化成为必然趋势[7]，水稻机械化收获是提高水稻全程机械化生产的重要环节。

国内外许多学者和相关企业针对南方丘陵区水田水稻机械化收获开展了大量研究，并取得了一些成果。ALIZADEH等[7-10]研究了脱粒滚筒对脱粒性能的影响；高爱民等[11-12]设计了可适应于丘陵山区作业的小型水稻联合收割机，但存在收获效率低的问题；张敏等[13-14]设计了稻麦联合收割机，但在南方丘陵山区的适应性差。目前市场上的联合收割机品牌多且机型杂，农民面对如此多的机型，难以选择适合本地地理特点与土壤类型的收割机。由于丘陵山区水田地块条件制约，联合收割机结构尺寸和动力受到限制，国内现有小型水稻联合收割机往往存在收获效率低、夹带损失较大等不足[15-17]。同时，现有的机具作业时，容易造成农田耕作层破坏，泥脚越来越深，不利于南方水田保护性作业的发展。因此，研发适用于南方丘陵双季稻区作业的履带式谷物联合收割机十分必要，这对解决南方丘陵水田机械化收获问题，提升水稻种植全程机械化水平和保障粮食安全具有重要意义。

1 总体结构与工作原理

履带式高效联合收割机采用全喂入收获方式，机具总体结构如图1所示。整机主要由割台装置、脱粒装置、清选装置、输送装置、粮箱装置、行走装置等组成。机器可完成稻麦的分禾、扶禾、切割、喂入、脱粒、清选、储粮等工序。工作过程中，分禾器将幅宽内的稻麦植株分开扶起，同时在拨禾轮的扶持推送下，稻麦植株被切割，经割台输送装置和喂入装置，谷穗、茎秆及掉落的籽粒被一起喂入脱粒清选装置，由纵轴流式脱粒滚筒完成脱粒后，经清选装置实现谷草分离，稻麦秸秆、穗芒被排出，谷粒落入下层清选输送带上被传送到粮箱装置完成集收。

图1 整机示意图

2 关键部件设计

2.1 割幅设计

依据江西省双季稻区特点，水稻产量水平一般在7 500～11 250（kg/hm2）之间，以留茬高度15 cm 收割，割下作物谷粒率（籽粒质量与总质量之比）为0.5。割幅按照式（1）进行计算。

式中：B—收割机的割幅（mm）；

q—脱粒滚筒喂入量（kg/s）；

β0—割下作物谷粒率（籽粒质量与总质量之比），取0.5；

M—水稻产量（kg/hm2）；

vm—收割机的作业速度（m/s）。

在脱粒滚筒喂入量4.0 kg/s左右时，收割机作业速度取1.2 m/s，经计算，割幅可以设计在1 481 mm～2 222 mm之间，该机设计割幅宽度为2 100 mm。

2.2 行 走系统设计

2.2.1 高地隙行走底盘

该机设 计了一种新的高地隙行走底盘机构，主要由底盘下架、底盘上架、变速箱传动机构、支撑轮系和行走履带等装置组成，如图2所示。履带接地长度L影响联合收割机水田通过性和行走的稳定性。接地长度过小，接地压力大，水田通过性和纵向稳定性差，会产生“翘头”或“翘尾”现象，造成割茬时高时低；接地长度过大，转向阻力增大，转向困难。履带的接地长度按照式（2）计算。

式中：G－联合收割机重力，N；

B－履带宽度，m；

q－接地压力，kPa。

联合收割机质量为3 140 kg，接地压力依据相关标准要求，初步定为25 kPa，履带宽度加宽为500 mm。依据式（2）计算，履带接地长度L≥1.256m，该机设计L为1.738 m。

该机构在不改变底盘重心的情况下抬高变速箱，使离地间隙达到340 mm，加长加宽型高花纹履带至500 mm，有效避免机架与履带的干涉，托带轮降低，有利于减少履带的长度，增加驱动轮和导向轮的包角，同时可以使变速箱安装结构牢固、稳定，并使粮箱可以旋转。

图2 高地隙行走底盘

2.2.2 底盘排泥装置

该机设计了一种新的履带式收割机底盘排泥装 置，主要由收割机底盘、驱动轮、驱动杆、滑动套、 固定支架和行走履带等组成，如图3 所示。该装置通过驱动轮带动驱动杆推动活动方管移动，刮板自动排泥；通过开口卡座调节方管摆动角度，将淤泥排入外侧；同时通过弹簧张紧调节卡座结构，改变长度来放置不同数量的刮板，调节整体刮板的宽度，保证排泥效果，极大地提升了机具作业的便利性和稳定性，保证排泥的顺畅性，降低机具水田作业负荷，清理时不需要停机和机器移出田外，大大提高了工作效率。

图3 底盘排泥装置

2.3 脱粒装置设计

该机设计了一种 喂入通畅、 结构强度高、易调整的收割机脱粒滚筒，主要由若干喂入叶片、喂入锥、主轴、若干第一齿杆、若干第二齿杆、左端盖和右端盖组成，如图4 所示，喂入锥固定于左端盖上，喂入叶片呈螺旋状间隔设置于喂入锥上，第一齿杆和第二齿杆一端固定于喂入锥上，另一端固定于右端盖上，第一齿杆和第二齿杆交错间隔分布于喂入锥和右端盖之间，第一齿杆和第二齿杆中部连接有中间固定盘。该装置的齿杆交错装配，连接中间固定盘，结构强度高，齿杆相对主轴的位置可调整，适用于不同的作物，方便拆卸便于维护，喂入部位采用螺旋状的叶片以及加强板和加强立板，喂入通畅，结构强度高。滚筒长度为2 360 mm，直径为700 mm，脱粒分离面积加大，脱粒更干净，夹带损失少。

图4 倾斜纵轴式脱粒滚筒

2.4 清选装置设计

该机设计了一种新型振动筛，如图5所示，设计两段式筛片，前后筛片开度可分别调节，适应不同作物品种；加长阶梯状指型筛，经过多层过筛，使脱出物料更加有效分离，提高脱粒清选能力；加长加厚尾筛，并优化筛片间距与输送角，使籽粒与杂余充分分离，减少籽粒损失；新型振动筛清选面积加大，清选更干净，减少籽粒的含杂率。

图5 新型振动筛

2.5 行走转向操纵装置设计

该机设计了一种收割机的行走转向操控装置，主要由支座、转动块、摆动块、操作杆、调节杆伺服旋柄等组成，如图6 所示，支座的内侧表面通过第一转动轴转动连接转动块，转动块的内部设摆动槽，摆动槽的内部中心处通过第二转动轴摆动连接摆动块，摆动块的上表面和下表面均固定连接操作杆；操作杆的外表面下端固定安装直角杆，直角杆的后侧表面通过铰接轴铰接第一调节杆；第一调节杆的后侧表面通过铰接座铰接三角板，三角板的两端表面铰接第二调节杆，第二调节杆的后侧表面铰接伺服旋柄，伺服旋柄的内部通过安装孔固定安装于柱塞泵的控制杆上。可以通过一个操作杆进行控制，比较方便稳定，同时通过内部螺纹连接的加长杆来安装手柄，结合弹簧张紧的限位杆结构，可以调节高度，适应不同的驾驶员使用，这样能够大大提高使用的便利性和稳定性，保证操控的安全稳定性。

图6 行走转向操纵装置

3 性能试验

3.1 试验设计

试验于2020 年7 月在江西省农业科学院高安基地进行，供试材料为早稻品种中嘉早17，试验面积10 亩，试验田泥脚深度15cm 左右，试验选取同类型沃得谷物联合收割机进行对比试验，试验方法依照企业标准《4LZ-4.0 型全喂入履带式高效联合收割机》和机械行业标准《谷物联合收割机 质量评价技术规范》（NY/T 2090—2011）规定分别测试生产率、含杂率、破碎率、损失率等性能指标。

① 生产率

式中：E—纯小时生产率，%；

S—机具作业面积，hm2；

t—机具作业时间，h。

② 含杂率

式中：Zz—含杂率，%；

Wxz—出粮口取小样中杂质质量，g；

Wxi—出粮口取小样质量，g。

③ 破碎率

式中：Zp—破碎率，%；

Wp—出粮口取小样中破碎籽粒质量，g；

Wx—出粮口取小样籽粒质量，g。

④ 损失率

式中：St—脱粒机体损失率，%；

Sw—未脱净损失率，%；

Sf—分离损失率，%；

Sq—清选损失率，%。

3.2 结果与分析

样机田间作业性能稳定，与同类机型的谷物联合收割机主要性能试验结果，如表1所示。

表1 不同机型联合收割机性能对比试验

田间试验表明：研制的4LZ-4.0 型履带式联合收割机，整机作业性能稳定，操作方便，适应性强，该机的生产率为0.59 hm2/h，同类机型生产率为0.48 hm2/h，提高了22.9%；试验机型含杂率为0.9%，同类机型含杂率为1.47%，降低了38.8%；试验机型破碎率为0.5%，同类机型破碎率为1%，降低了50%；试验机型损失率为0.9%，同类机型损失率为1.69%，降低了46.7%。

4 结论

1）改进设计了一种适宜南方水田水稻收获的履带式联合收割机，重新设计了联合收割机的割幅，提高了喂入量；改进设计了行走系统，采用高地隙行走底盘和排泥装置，提高了水田适应性和通过性；设计了脱粒滚筒，加大了脱粒分离面积，提高了脱粒性能，降低损失率；设计了可调式清选筛，加大了清选面积，清选更干净，降低含杂率；采用一杆式操作控制，提高了使用的便利性、稳定性和安全性。

2）田间试验结果表明，4LZ-4.0 型履带式联合收割机的承载能力强，可靠性高，通过性好，转弯半径小；其生产率、含杂率、破碎率、损失率等作业性能完全符合设计要求，与同类机型相比较，生产率提高了22.9%，含杂率降低了38.8%，破碎率降低了50%，损失率降低了46.7%。

3）履带式联合收割机的研制，解决了南方丘陵区水田水稻机械化收获效率低、损失率大等问题，为提高江西省水稻全程机械化生产提供了新装备和技术支撑。