4LZ-6.5B型纵轴流联合收割机关键部件的设计与试验

廖 禺,王 杰,李 飚,周运成,张 文,吴罗发,潘 松*

(1.江西省农业科学院 农业工程研究所,江西 南昌 330200;2.江西省智能农机装备工程研究中心,江西 南昌 330200;3.浙江柳林农业机械股份有限公司,浙江 台州 318000;4.江西省农业机械化推广监测站,江西 南昌 330000)

0 引言

谷物联合收割机是能一次性完成切割、输送、脱粒分离、清选和集粮等工序的谷物收获机械[1-4]。传统的谷物联合收割机为横轴流结构,其脱粒滚筒横向设置,作物从滚筒一端进入,从另一端排出；由于整机结构的限制,横轴流滚筒不能太长,否则整机宽度太大。横轴流收割机的粮仓一般放置在脱粒滚筒的后方,其宽度不能超过脱粒滚筒的宽度,因而脱粒滚筒的宽度同样限制了粮仓的大小。而纵轴流联合收割机的整机结构紧凑,纵向脱粒滚筒相对较长,脱粒元件对作物作用柔和,从而可以降低谷物的破碎率,适合中小型面积田地农作物的收获,备受市场的青睐[5-9]。随着机械化收获技术的发展,为了提高谷物脱粒和分离的能力、增加粮食的喂入量,现在纵轴流收割机已取代了横轴流收割机[10-15]。

纵轴流收割机的粮仓设置不同于横轴流收割机,如刘永会等[16-18]研究了全喂入纵轴流履带自走联合收割机,其粮仓同样是纵向设置,和脱离机左右并列。这种粮仓设计的不足之处在于:当粮仓空载或满载时,收割机的重心会发生显著偏移,当粮仓空载时,重心偏向脱粒机的一边；当粮仓满载时,重心偏向粮仓的一边,这种重心的不稳定会影响收割机作业时的稳定性,严重时甚至会导致收割机的倾覆。我们针对现有纵轴流收割机粮仓布局不合理、整机重心不稳等缺点,重点设计了一种中置粮仓纵轴流轮式收割机,通过骑跨式的粮仓布局,增大了粮仓的贮存空间,同时使收割机具有稳定的重心,提高了收割效率和安全性能。本文对该收割机的整机结构、工作原理、主要技术参数,以及导草装置、割台装置、动力装置等主要部件进行了设计研究,对该机的主要性能开展了田间试验,并对田间试验结果进行了分析。

1 整机结构与主要技术参数

1.1 整机结构与工作原理

4LZ-6.5B型纵轴流联合收割机的外观如图1所示,它主要由动力装置、行走机构、割台、输送装置、脱粒装置、粉碎装置、粮仓、卸粮装置等组成(如图2)。其中动力装置包括气缸、油缸、气动马达等,液压油缸的缸体与机架相连,活塞杆与上粮仓的前侧面相连,活塞杆伸展时驱动上粮仓翻转。在割台的下游设置有输送装置,在输送装置的下游设置有脱粒装置,脱粒装置纵向设置,其在出秸秆口设置有粉碎装置,在上方设置有上粮仓,在两侧分别设置有侧粮仓,上粮仓与侧粮仓接触连接且相互连通,上粮仓纵向的一侧与侧粮仓纵向的外侧边通过铰接件铰接,且可在动力装置的驱动下翻转。在脱粒机与上粮仓之间设置有输送粮食颗粒的垂直搅龙。在侧粮仓的底部设置有横向贯穿的下搅龙；在纵轴流收割机上方的一侧设置有卸粮搅龙,下搅龙通过斜搅龙与卸粮搅龙相连；斜搅龙与卸粮搅龙通过万向接头相连,卸粮机构可以360°旋转。

图1 4LZ-6.5B型收割机的外观

4LZ-6.5B型纵轴流联合收割机的工作原理如下:割台将待收割的农作物(如小麦、水稻等)扶起,经割刀切割后,由输送装置将作物输送到脱粒机构中；农作物在脱粒机构中脱粒、分离茎秆和粮食颗粒,茎秆由出秆口送到粉碎装置中粉碎,抛洒还田,粮食颗粒由垂直绞龙输送到上粮仓,贮存于上粮仓和侧粮仓中。

1.割台;2.操纵系统;3.输送装置;4.轮式行走机构;5.动力装置;6.后驱传动系统;7.上粮仓;8.侧粮仓;9.脱粒机构;10.360°放粮机构;11.粉碎装置。

1.2 主要技术参数

4LZ-6.5B型纵轴流联合收割机的主要技术参数见表1。

表1 4LZ-6.5B型收割机的主要技术参数

2 关键部件与配置设计

2.1 粮仓的设计

粮仓作为谷物联合收割机的储粮机构直接影响机具的作业效率。本研究充分利用纵轴流收割机的现有空间,优化设计了收割机的粮仓,采用分体式的上粮仓和侧粮仓,将粮仓骑跨在脱粒机上,既扩大了粮仓的容量,又确保了纵轴流收割机在作业时重心稳定,由于粮仓被安装在收割机中部,无论粮仓是空载还是满载,其重心均处于中线位置,因此不会造成收割机侧翻。同时上粮仓可以翻转,便于纵轴流收割机的维修和清洗。在增加粮仓容量的前提下,与现有技术相比,该机占用空间更小,重心更稳。针对小麦、水稻等不同的粮食作物和不同的田间环境,可以选择合适的轮式行走方式,方便灵活。上粮仓和侧粮仓均为倒梯形,在上粮仓内设置有导板,导板沿上粮仓顶部的纵向中线向两侧底部倾斜,上粮仓的导板与侧粮仓形成骑跨在脱粒机上的结构,使倒梯形为直角倒梯形,与驾驶室相邻的边为直角边，如图3所示。

a.主视图；b.右视图。1.上粮仓;2.放粮搅龙总成;3.左侧粮仓;4.放粮搅龙;5.右侧粮仓。图3 粮仓结构的示意图

2.2 导草装置的设计

谷物脱粒分离装置是收割机的重要组成部分,脱粒及清选的效果直接影响到整个收割机的作业性能。现有的联合收割机通常在脱粒滚筒及上方的脱粒室顶盖安装有引导被脱物向后运动的导草板,导草板的结构型式及倾斜角度对脱粒至关重要。目前的收割机上顶盖有圆弧顶和平顶两个类型。平顶的顶盖易调整但对作物流动的阻力大,导致顶盖磨损快而需另行加固;圆弧形的顶盖导草板是固定的,角度不易调整,导草板调节时需拆除顶盖,工作量大,不能最佳地适应不同品种作物的收获。

针对现有收割机导草板装置的不足,本文设计了一种结构合理、调整方便的导草装置(见图4～图5)。导草机构均匀间隔布置在脱粒室的圆弧顶盖上,一端与拉杆连接,其上固定转轴,在顶盖外部安装旋转调节手柄,针对不同的作物,通过调整导草板的角度达到最佳收获效果,在不打开脱粒室顶盖的情况下,就可以对导草板的角度进行调整,减少顶盖的磨损,操作方便可靠。

图5 导草装置-2

2.3 割台装置的设计

2.3.1 割台的结构形式 全喂入联合收割机普遍采用卧式割台,结构简单,工作可靠。

2.3.2 割台宽度 水稻的平均产量一般在7500～12000 kg/hm2,以割茬高度25 cm收割,割下作物草谷所占的比率为0.5，割幅的计算公式如下:

B=10000q·β/(M·vm)

上式中:B为收割机的割幅(m);q为脱粒滚筒的喂入量(kg/s);β为割下作物草谷所占的比率;M为水稻的产量(kg/hm2);vm为收割机的作业速度(m/s)。

当脱粒滚筒的喂入量为6.5 kg/s左右时,机具的作业速度取1.5 m/s,经计算,割幅在1806～2889 mm,故将割台的宽度定为2400 mm。

2.4 动力装置的设计

全喂入联合收割机的功率消耗主要由拔禾装置、切割装置、输送装置、脱粒装置、分离装置、清选装置、谷粒输送提升装置、液压装置、行走装置、粮仓放粮装置等各部分功率消耗组成。其中脱粒装置和行走装置的消耗功率居前2位,脱粒装置消耗的功率占消耗总功率的28%～42%,行走装置消耗的功率占总消耗功率的20%～40%。

影响脱粒装置功率消耗的因素有很多,其中与脱粒速度、喂入量、凹板筛包角及作物湿度等关系最为密切,联合收割机的设计一般都以喂入量来计算脱粒装置的功率消耗。对于钉齿式脱粒滚筒,1 kg/s喂入量所需要的功率为3.7～4.4 kW。本机型设计考虑水稻产量、作物湿度、操作人员熟练程度等因素,以及滚筒转速的稳定性对脱粒分离效果影响的敏感性,适当给予余量。因此,本机型以6.5 kg/s喂入量时的脱粒装置功率消耗NT=4.4×6.5=28.6 kW；设脱粒装置消耗的功率占总消耗功率的比例为38%,功率储备系数取1.2,则本机型配套功率N=28.6/0.38×1.2=90.3 kW。

该机配置立式直列水冷四冲程柴油机,标定功率92 kW,标定转速2400 r/min。

3 试验结果与分析

3.1 试验条件

2019年6月7日在安徽省泗县泗城镇胡陈村进行小麦收割试验,小麦品种为华城3366,平均自然高度81.1 cm,籽粒含水率15.7%,环境温度35.1～35.7 ℃,环境湿度44.2%～43.5%。2019年12月7日在浙江省台州市温岭西岸村进行水稻收割试验,水稻品种为甬优9号,平均自然高度99.5 cm,籽粒含水率24.4%,环境温度22.7～23.5 ℃,环境湿度67.1%～66.6%。试验选择在切割线以上无杂草、作物直立的地块内进行。试验田块不陷脚、无积水,长度不少于40 m,宽度不少于3个作业行程,要求测区长度为20 m。

3.2 试验方法

按照GB/T 8097─2008《收获机械联合收割机试验方法》、GB/T 5667─2008《农业机械生产试验方法》等标准对收割水稻和小麦的总损失率、破碎率、含杂率等进行试验验证。

3.2.1 总损失率 从茎秆和清选排出物样品中分别清出未脱净损失、分离损失和清选损失的籽粒质量。按下式计算:

St=Sw+Sf+Sq

Wz=Wc×(1-Z)+Ww+Wf+Wq

上式中：St为脱粒机体损失率；Sw为未脱净损失率，Sw=Ww/Wz×100%；Sf为分离损失率，Sf=Wf/Wz×100%；Sq为清选损失率，Sq=Wq/Wz×100%；Wc为出粮口籽粒质量(g)；Ww为未脱净损失的籽粒质量(g)；Wf为分离(夹带)损失的籽粒质量(g)；Wq为清选损失的籽粒质量(g)；Wz为总籽粒质量(g)。

3.2.2 割台损失率 在宽度为实际割幅、长度为1 m(当割幅大于2 m时,长度为0.5 m)的面积内拣起落粒、掉穗和漏割穗,脱粒清净后称籽粒质量,换算成每平方米损失的质量,测量3次，取平均值；从中减去每平方米的自然落粒量,即为割台每平方米的实际损失量。按下式计算:

Sg=Wgs(B×L)/Wz×100%

上式中：Sg为割台损失率(%)；B为平均实际割幅(m)；Wgs为每平方米实际损失量(g/m2)。S为收割机总损失率，S=St+Sg。

3.2.3 破碎率 从出粮口排出物中选取样品，再从样品中取出不少于100 g的小样，从中挑选出破碎的籽粒,分别称重,测量3次，取平均值,按下式计算:

Zp=Wp/W×100%

上式中：Zp为籽粒破碎率(%)；Wp为小样中破碎的籽粒质量(g)；W为小样籽粒总质量(g)。

3.2.4 含杂率 从出粮口排出物中选取样品，再从样品中取出不少于100 g的小样，从中选出杂质,分别称重,测量3次，取平均值,按下式计算:

Z=Wg/W×100%

上式中：Wg为小样中杂质质量(g)；W为小样籽粒总质量(g)。

3.3 试验结果与分析

样机在田间收割试验中的各性能测试指标如表2所示。试验结果表明：该样机在田间收获性能稳定,安全性能高,各项性能指标均能满足设计要求；与小麦收获相比,该机水稻收获的总损失率降低了0.48个百分点,破碎率降低了0.08个百分点,含杂率降低了0.35个百分点,因而该机更适用于水稻收获。

表2 4LZ-6.5B型收割机田间收割试验结果

4 小结

中置骑跨式粮仓布局的设计,增大了粮仓的贮存空间,同时使收割机具有稳定的重心,提高了谷物收割效率和安全性能。合理设计了导草装置,通过调整导草板的角度可以使收割的作物秸秆快速从脱粒机体排出。割台的结构型式和割台宽度设计合理。整机动力配置可以满足使用要求。田间试验结果表明:该样机在田间收获性能稳定,安全性能高,各项性能指标均能满足设计要求,但该机更适合于水稻的收获。