油葵联合收获机脱粒装置的设计

马少腾，张学军，朱兴亮，于蒙杰，刘宇，张云赫，张海涛

(1.新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业工程装备创新设计重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；3.新疆工程学院机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830091)

油葵(Helianthusannuus)，菊科(Composite)，向日葵属(Helianthus)，是我国重要的油料作物之一[1-3].油葵在我国种植面积达到80万hm2，占我国向日葵种植面积的60%，并且油葵的种植面积还在逐年递增[4-6].因此，油葵机械化收获将会成为油葵产业发展的必然趋势.油葵的生产中，收获是生产作业中的重要组成部分，而脱粒工序则是收获的关键，不仅直接影响葵籽的脱净率、破损率等，同时影响后续清选机械的效果[7-10].

目前，国内外有许多企业和学者对油葵脱粒脱粒装置开展了系统的研究，包括脱粒装置的结构、能耗以及物料运动规律等问题.德国克拉斯公司研制的lexion700系列谷物联合收割机可以收获向日葵，其中脱粒系统可以针对物料的特性自动调节脱粒间隙，降低装备能耗和提高收获率[11]；美国约翰迪尔研制的S系列谷物收获机通过液压系统控制滚筒挡板实现脱粒间隙调节，提高谷物收获率[12]；李耀明等[13]研制了一种联合收获机脱粒滚筒凹版间隙调节装置，通过液压缸调节脱粒间隙，提高谷物脱净率；赵武云等[14]研制了一种变径变间距螺旋板齿式脱粒装置，通过改变脱粒滚筒上脱粒元件的高度进而改变脱粒间隙，提高谷物脱净率；韩长杰等[2]研制了一种专用于油葵脱粒的横轴流脱粒清选装置，提高了油葵的机械化水平，但是上述大部分机型非直接针对油葵作物进行设计使用，应用于油葵作物还存在油葵脱净不彻底、籽粒损伤严重等问题，因此现在迫切需要设计一种针对油葵作物且基于油葵联合收获机的脱粒装置，提高油葵的脱净率、降低籽粒的破损率，提高油葵联合收获机的工作性能.

1 整机结构与工作原理

油葵联合收获机主要包括油葵割台、脱粒系统、清选系统、传动系统、驱动系统、粮仓、操作台以及履带式自走系统等，整机图如图1所示，主要技术参数如表1所示.

表1 油葵联合收获机主要参数

图1 油葵联合收获机整机图

作业时，油葵植株通过拨禾轮拨向切割器，将油葵盘割下，然后通过绞龙与链耙输送器送至脱粒系统进行脱粒.在脱粒滚筒的作用下对油葵盘进行搓擦打击，籽粒从油葵盘上分离，脱落的籽粒与杂余从凹板筛的筛孔下落入清选系统，脱落后的葵盘与短茎秆从桶里滚筒的尾部排除机外.在清选系统内，大部分油葵籽粒通过振动筛前部送入粮仓，含有杂余与少量的籽粒在下层筛进行二次分选，由于比重不同，籽粒在下，杂余在上，分选后的籽粒通过绞龙输入至粮仓，杂余在振动筛的作用下通过尾筛排除机外，完成油葵籽粒的联合收获作业.

2 脱粒装置的设计

2.1 脱粒滚筒的设计

2.1.1 喂入头的设计 喂入头作为联合收获机中将籽粒从链耙输送器送入脱粒系统的第一步，根据参考文献[15]的研究结果，采用圆锥形滚筒作为喂入头.螺旋叶片与圆锥滚筒焊接，且圆锥头的锥角为33°，后端直径与脱粒滚筒一致，即D2=450 mm.

螺旋叶片的升角是螺旋喂入头的一个重要参数.对于油葵盘的轴向运输有着重要影响.因此建立油葵盘与螺旋叶片之间的受力分析，如图2所示.

1.锥形头；2.螺旋叶片；3.脱粒滚筒.

图2中O点为坐标原点，x、y为坐标轴；Ff为油葵与脱粒螺旋叶片的摩擦力，N；T为法向推力，N；F为摩擦力与推力的合力，N；Dz为脱粒滚筒直径，mm；α1为油葵盘与螺旋叶片的摩擦角，(°)；β1为螺旋叶片的升角，(°)；θ为圆锥头的锥角，(°).

为了保证油葵的运输，需要满足轴向输送力大于轴向阻力的要求，即：

(1)

根据油葵前期试验，测定油葵与金属之间存在的摩擦角α1为28°.因此，根据式(1)油葵在螺旋叶片的输送下最终需要满足：

β1<90°-α1=62°

(2)

螺旋叶片的升角对油葵的输送能力和功率消耗有重要影响.因此，在满足油葵的输送能力下，减小螺旋叶片的升角可以有效的降低装置的功劳消耗.根据螺旋喂入头的长度L1和螺旋升角β1的转换公式可以求解出螺旋升角，即：

2.3 过表达B7-H3对细胞周期的影响 在肿瘤细胞中分别瞬转空载体和B7-H3真核表达载体，于转染48 h及72 h后收集细胞，用流式细胞仪检测细胞周期变化。结果如图3所示，过表达B7-H3之后，与对照相比，处于G1期的细胞增多，S期细胞减少，提示细胞发生了G1/S期阻滞。

(3)

式中：S为螺旋导程，mm；K为螺旋头数.

根据油葵前期试验，设计喂入头的螺旋头数为2头，螺旋导程为700 mm.因此，得出螺旋喂入头的长度L1为350 mm，螺旋叶片的升角β1为13.9°.

2.1.2 滚筒的设计 联合收获机中脱粒滚筒的直径能直接影响到脱粒装置的脱粒效果.若滚筒直径过小，油葵茎秆会发生缠绕；若滚筒过大，所需要的功率能耗也将增加[16].因此，滚筒的径向周长大于茎秆的长度即可，根据割台高度，进入脱粒系统内的茎秆长度最大值为450 mm，设计脱粒滚筒幅盘直径D2为450 mm，脱粒元件选择纹杆，其高度h为95 mm，因此，脱粒滚筒直径DZ为640 mm.设计时基于开放纵轴流脱粒滚筒设计，即主要结构包括喂入头、幅盘、齿杆、滚筒轴、脱粒元件(纹杆)、脱粒元件连接座 排杂钉齿等组成，总体结构如图3所示.

1.喂入头；2.纹杆；3.脱粒元件连接座；4.幅盘；5.排杂钉齿.

对于开放轴流式脱粒滚筒，其长度也与脱粒性能有着密切的关系.脱粒滚筒越长，脱粒效果越佳，但长度过长也会导致功率消耗越大、油葵盘的破损程度越大，给后续清选作业带来了一定负担.因此，选择联合收获机的常用长度2～3 m，根据喂入段长度L1为350 mm；排杂段的长度L3需要大于收获时茎秆位置到葵盘的长度，即L3=340 mm；根据纹杆脱粒滚筒的设计手册，脱粒滚筒的脱粒段L2以及脱粒滚用的总长度L可由下式确定：

(4)

式中：L2为脱粒纹杆的长度，mm；β为草谷比，取0.319；q为喂入量，取2.5 kg/s；qz为每根纹杆单位长度承担的喂入量，一般取值范围为0.7～1.1 kg/(s·m)，本试验取qz为0.7 kg/(s·m)；n为纹杆根数，取n为3.

由式(4)可知脱粒段长度即脱粒纹杆的长度L2=1 351 mm，取1 350 mm；脱粒滚筒总长度L=2 041 mm.

由于前期试验测得油葵的脱粒速度vz为6.5～9.5 m/s，为了保证油葵籽粒全部脱出，取vz=9.5 m/s，根据式(5)得出脱粒滚筒转速nZ为284 r/min.

(5)

凹板筛作为脱粒装置的重要组成部分.安装时与脱粒滚筒保持同轴度安装.该装置基于栅格式凹板筛进行设计，如图4所示.结构上主要包括凹板安装板、横条筛条、纵格筛条以及侧弧板.凹板筛的分离取决于凹板筛的包角，包角越大脱粒作业的空间越大，脱粒效果越佳，但包角过大也会增加安装的困难，并根据前期试验发现当包角大于180°时，脱粒效果增加的并不明显，因此本研究设计凹板筛包角为180°.

1.凹板安装板；2.横格筛条；3.纵格筛条；4.侧弧板.

在设计中考虑凹板筛安装方便性，以及零部件替换方便、制造成本等方面，凹板筛采用分块制造与设计，每块凹板筛的轴向长度为450 mm，安装在油葵联合收获机当中为3块，合计凹板筛总长为1 350 mm.根据前期市场调研以及预试验[17]，设计凹板筛纵格筛条的间隙为30 mm、横格筛条每18°焊接一根.

在脱粒过程中，油葵籽粒在凹板筛与脱粒滚筒的作用下发生碰撞接触，如图5所示，此时油葵盘在竖直方向上受力平衡.

图5 油葵与横格筛条碰撞接触示意图

图5中O点为坐标原点，x、y为坐标轴；δ为脱粒滚筒与凹板筛产生的脱粒间隙，mm；F为横格筛条对油葵的剪切力，N；T为脱粒元件对油葵籽粒的打击作用力，N；G为油葵的重力，N；d为横格筛条的直径，mm；b为油葵盘的厚度，mm；δ为脱粒间隙，mm；θ为纹杆对油葵的打击作用力T与竖直方向的夹角，(°)；β为横格筛条对油葵的剪切力F与竖直方向的夹角，(°).

根据受力分析可知，油葵受到脱粒元件的打击作用力T、油葵自身的重力G、以及横格板对油葵的剪切力F，其中不考虑油葵受到的摩擦力，由于油葵在是竖直方向上的受力平衡，其力学模型为：

(6)

化简式(6)油葵的受力模型：

(7)

根据公式(7)以及分析可知，当横格筛条的直径d增大时，横格筛条对油葵的剪切力增加、油葵籽粒受到的作用力增大、籽粒破损率随之增加；反之，当横格筛条的直径d减小时，横格筛条对油葵的剪切力减小、油葵籽粒受到的作用力减小、籽粒破损率随之降低.因此，在设计凹板筛的时，适当降低横格筛条的直径，有利于减小油葵受到的剪切力，达到适当降低油葵籽粒的破损率的目的.本研究设计的横格筛条的直径d为3 mm，同时根据葵盘厚度设计脱粒间隙δ为24 mm，凹板筛直径694 mm.

2.3 顶盖的设计

在脱粒过程中，油葵籽粒在凹板筛与脱粒滚筒的作用下发生搓擦，脱粒装置中顶盖置于脱粒滚筒的上部，其作用是与脱粒滚筒、凹板筛形成一个脱粒室，防止油葵飞溅.其次，顶盖上部装有螺旋导流片，脱粒时引导油葵盘轴向运动，脱粒后的葵盘从排杂段排除.顶盖的结构主要包括：顶板、螺旋叶片和顶盖安装板，如图6所示.

1.顶板；2.螺旋叶片；3.顶盖安装板.

图6中O点为坐标原点，x、y为坐标轴；βd为螺旋叶片的升角，(°)；Ld为顶盖的长度，mm；δd为螺旋叶片的间距，mm.

顶盖中关键设计参数主要包括导流板的螺旋升角βd、螺旋叶片的间距δd、螺旋叶片的高度hd以及螺旋叶片的个数Nd.螺旋升角越大，油葵脱粒的脱粒过程越长，脱净率也会增加，但螺旋升角过大，导致油葵碎物和茎秆碎物增加，给后续清选带来了一定的工作负荷，反之螺旋升角过小会导致油葵脱粒不充分，夹带损失大；螺旋叶片的间距、高度和数量对脱粒间隙产生影响，主要影响为脱粒滚筒到顶盖的间隙不一致，脱粒间隙过大，脱粒效果不佳，反之油葵碎物增加.因此参考市场上现有脱粒装置中的顶盖设计[18-20]，以及上述中油葵沿着螺旋叶片的输送条件：β1<62°，因此本试验设计螺旋叶片的升角βd为20°、螺旋叶片的高度hd为35 mm、螺旋叶片的间距δd为150 mm以及螺旋叶片的数量Nd为11个.

3 验证试验

根据对油葵联合收获机脱粒装置的分析与设计，对该机进行试验验证，如图7所示.试验对象为新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州阜康市种植的油葵矮大头 DW667，种植时间为2019年4月20日，2019年9月16日成熟，物料的相关特性如表2所示.

图7 试验现场

表2 物料基本参数

试验方法根据GB/T 5982-2008《农业机械试验条件测定方法的一般规定》和GB/T 5982-2005《脱粒机试验方法》的要求进行，试验前调整好机器工作参数，即脱粒滚筒的转速为280 r/min，脱粒间隙为24 mm.试验重复3次，每次行走20 m，立标杆作为标记，脱净率的测定方法是对葵盘上的未脱下的籽粒进行收集、称质量.对于油葵盘上存在干瘪的籽粒，不计算在未脱净的籽粒质量当中.破损率主要测定方法是破损的籽粒收集和称质量，规定将所有籽粒中发生残缺、横断、籽粒破裂(包括果皮破裂但是子叶或胚完整的籽粒)现象的籽粒定义为破损籽粒.试验结果如表3所示.

根据表3试验结果，油葵脱粒装置的平均脱净率为98.56%，籽粒平均破损率为2.12%，因此该油葵收获机脱粒装置的工作性能较佳，符合我国对油葵的脱粒要求.

表3 试验验证值

4 结论

1) 本研究介绍了油葵联合收获机的整机结构、工作原理以及重要参数.根据油葵联合收获机以及油葵的物料学特性设计其脱粒装置，确定脱粒装置中脱粒滚筒转速为280 r/min、滚筒长度为2 041 mm、以及滚筒直径为640 mm；凹板筛工作长度为1 350 mm，脱粒间隙为24 mm；以及顶盖中螺旋叶片的升角为20°、叶片的高度为35 mm、叶片间距为150 mm.

2) 通过对油葵联合收获机脱粒装置的设计，在确定工作参数的条件下进行田间试验验证：即当脱粒滚筒的转速为280 r/min，脱粒间隙为24 mm时，该机的脱净率为98.56%、籽粒破损率为2.12%，满足我国对油葵的脱粒要求.