油莎豆收获装备设计与试验

李 健， 刘文亮， 张 亮， 王新阳， 张煜晗

（吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022）

0 引言

油莎豆是一种生长在沙地的莎草科一年生块茎类植物，块茎呈圆形或椭圆形豆状，富含油脂和淀粉，单位面积的出油量是大豆的3～4 倍[1]。吉林省拥有适合油莎豆生长的沙土地资源66.7 万hm2以上，并且地势平坦，昼夜温差大，拥有发展油莎豆产业的最佳条件，极具发展潜力。然而，油莎豆收获期较短，量大、水分高，极易发生霉烂。油莎豆分蘖能力强，根系直径可达30 cm。收获时需将10 cm 厚的土壤全部铲起来，进行根、土、豆、草的分离，筛土量巨大，收获困难。

现有的油莎豆收获机多采用传统的平板振动筛式或滚筒筛式分离装置。平板振动筛对水分高尤其是根茎带绿的油莎豆，筛分过程分离困难，成团的籽粒和土、根茎紧实的粘附于筛面，堵塞筛孔甚至被迫停机，筛分出的籽粒杂质较多，储存容易霉变。滚筒筛的筛网网眼尺寸固定，物料多时，筛网网眼堵塞，筛分不及时，籽粒会随着根茎一同排出，造成脱净率低、夹带损失率大，严重影响筛分效果。虽已在田间试验，但由于问题比较多，大都不满足推广条件[2]。

本文结合目前吉林省油莎豆的种植模式和农艺要求，研制一种高效油莎豆收获机，对该机型的核心部件进行研究设计和对比试验，分析存在问题并得出结论，为后续研究提供理论依据。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

在油莎豆收获机研制过程中，首先利用SolidWorks三维建模软件进行样机模型的建立，确定总体结构。再进行各部件的设计、分析和方案讨论。最后形成图纸，完成样机的组装和试制试验。该机主要由机架、升运网链装置、脱粒分离装置、横向输送装置、逐稿器、清选风机和驱动电机等组成，可一次性完成油莎豆输送、脱粒、清选及收集等作业。所述电机均采用变频电机，其转速可根据试验要求随时调整。其总体结构如图1 所示。

图1 油莎豆收获机结构Fig. 1 Structure of Cyperus bean harvester

1.2 工作原理及参数

工作时，挖掘出的油莎豆籽粒与杂质土、根茎等通过升运网链进行初步筛土后，运输至脱粒滚筒。通过脱粒滚筒轴组件的旋转击打，籽粒从根茎上分离，土块也被击碎，部分碎土经脱粒滚筒凹板筛的筛孔落到地面。脱粒后的籽粒、根茎和土壤混合物经脱粒滚筒出口抛出落到后方逐稿器上。绝大部分根茎通过逐稿器交替抛送向后运动，至尾部排落地面。而籽粒、土壤和少部分碎根茎在重力及抖动的作用下透过逐稿器上层筛板下落至下层筛板，土壤由下层筛板落回地面，油莎豆籽粒沿下层筛板运动至横向输送机进行收集，而混杂的细小碎草等杂余由清选风机吹出机体，从而得到洁净的油莎豆籽粒。整机参数如表1 所示。

表1 油莎豆收获机主要设计技术参数Tab. 1 Main design technical parameters of Cyperus bean harvester

2 核心部件设计

2.1 输送分离装置

该油莎豆收获机采用链条式升运网链作为输送分离装置，其作用是将收集的油莎豆作物在输送过程中进行初步分离，并将未被分离的物料向后上方输送到脱粒滚筒内。该链条式升运网链在倾角达到45°时仍具有良好的输送能力，而且结构简单、成本低、分离效果明显、使用寿命长。

2.2 脱粒分离装置

脱粒分离装置是该试验台的核心工作部件，采用脱粒滚筒进行切流式脱粒，主要部件包括支架、上盖板、导流板、凹板筛和脱粒轴组件等。其优点主要有3 个方面。①脱粒能力强。该脱粒滚筒通过设置较低的转速和较大的脱粒间隙，采用弓齿切流式击打方式，在滚筒旋转3～5 圈后，完成全部脱粒。该结构较好地保持脱粒后根茎的完整，有利于后续逐稿器排出，提高脱净率。②分离质量好。凹板筛的分离面积大，分离时间长，且脱粒和分离同时完成，几乎全部籽粒都可以分离。③破碎率低。切流式脱粒滚筒速度低、脱粒间隙大，脱粒元件对油莎豆的冲击力较小，使得油莎豆不会因机械作用过强而破碎[3]。

2.2.1 脱粒轴组件

脱粒轴组件是实现脱粒功能的核心工作部件，主要包括芯轴、轴辊、轴管及弓齿，如图2 所示。其直径越大、长度越长，脱粒分离能力越强，效果越好。脱粒轴组件是在4 根轴管上采用正反螺旋方式等距焊接一定数量弓齿，弓齿与轴管成45°设置。4 根轴管再通过螺栓，交替均布固定连接于轴辊上。此结构可保证一定的冲击力，抓取能力强，有效防止缠绕，但脱出物含杂率较高。

图2 脱粒轴组件结构Fig. 2 Structure of threshing shaft assembly

2.2.2 凹板筛

凹板筛除了配合滚筒进行脱粒外，还是主要的分离部件，凹板包角、筛孔型式及间隙是影响分离效果的主要因素。随着包角的增大，分离面积增大，脱净率越高，漏土功能越强[4]。该油莎豆收获机凹板筛弧形面板上等距设置椭圆形筛孔，筛孔短轴长为油莎豆平均直径的0.45～0.55 倍，长轴长为油莎豆平均直径的2.5～3.5 倍，可使籽粒快速分离、快速漏土，有效减少筛网堵塞。

2.3 清选装置

清选装置是油莎豆脱粒清选试验台的重要组成部分，其功能是将脱粒滚筒分离出来的油莎豆中的大量根茎和土壤清理干净。清选装置主要由逐稿器和风机组成。

2.3.1 逐稿器

该机采用双层多阶4 箱式逐稿器。逐稿器上下两层筛板上设置有椭圆孔，其中上层筛板椭圆孔的短轴长为油莎豆平均直径的1.5 倍左右，长轴长为油莎豆平均直径的2.5～3.5 倍；下层筛板椭圆孔的短轴长为油莎豆平均直径的0.5 倍，长轴长为油莎豆平均直径的2.5～3.5 倍。采用多阶4 箱式结构，通过不断往复交错的抛送运动，可加快草在上层筛板的运动速度，最后经逐稿器末端排落田间。而下层筛板可将油莎豆中土壤和细小杂草二次筛分，最终达到分离根、叶、茎的作用。该结构分离能力强，效率高，最大程度简化了结构，有效解决分离困难、易缠绕、堵塞的问题[5]。其结构如图3 所示。

图3 逐稿器结构Fig. 3 Structure of manuscript beater

2.3.2 风机

该机采用离心式风机，设有风量、风向调节板。当气流吹送方向与筛面成20°～25°时，并保证风扇出气管道吹着筛面在长度方向的范围应为筛子全长的2/5～3/5，能较好适应杂余根茎的流量情况，有效清除根茎碎屑等杂余，处理能力强，可保障籽粒的清洁度[6]。

3 试验分析

3.1 试验准备

该油莎豆收获机试验内容主要包括分离试验和清选试验，试验对象为人工挖掘的油莎豆，试验设备主要包括传送带、土壤水分测量仪、数字式高精度转速仪器、高速摄像机、米尺、秒表、电子秤、油莎豆收获机样机。试验前测定多组油莎豆土壤含水率，结果相近，均值6.9%。

（1）试验材料准备。预定品种单一、成熟度较一致的油莎豆地块，成熟后同一时期统一进行挖掘、装袋、收集和储藏。采收量共20 袋，称量、编号记录。

（2）试验设备运转。试验开始前，将转速传感器架摆放到合适位置并进行调试；开启高速摄像机对准逐稿器出口处；检查控制台显示器与灯光指示是否正常，确认正常后，启动各电机转动超过2 min，同时检查各部分装置运行情况是否平稳正常。试验现场如图4 所示。

图4 试验现场Fig. 4 Test site

3.2 收获作业指标及计算方法

3.2.1 损失率

损失率是衡量油莎豆收获机重要技术指标之一，是所有未收集到完整籽粒之和占籽粒总质量的百分比。在测定区内，捡起全部落地籽粒，分为振动筛风机排出籽粒和逐稿器排出籽粒，分别称其质量。按照式（1）计算损失率SL。

式中WL−收获籽粒质量，g

Wf−振动筛风机排出籽粒质量，g

Wz−逐稿器排出籽粒质量，g

3.2.2 含杂率

含杂率是收获物所含杂质（主要是茎秆、根、土、石块等）质量占其总质量的百分比。将收集到的一定质量（约2 000 g）的混合籽粒，从中分离出杂质，并称其质量，按式（2）计算籽粒含杂率ZZ。

式中Wzm−杂质质量，g

Wb− 混合籽粒质量，g

3.2.3 破碎率

破碎率是因机械损伤而造成油莎豆收获过程中破裂、裂纹、破皮，其籽粒质量占总质量的百分比。经观察，此油莎豆收获机试验过程中破碎籽粒数几乎为零，故在正交试验中此因素不考虑[7]。

3.3 正交试验

在试验中，以脱粒滚筒频率、风机频率、逐稿器频率为3 个因素，通过前期单因素试验观察和理论分析，确定试验因素水平如表2 所示。

表2 试验因素与水平Tab. 2 Experimental factors and levels

根据油莎豆收获的实际技术要求，进行了3 因素3水平正交试验，分别称量并计算每组油莎豆的损失率η1和含杂率η2，并用极差法计算出综合指标η的R值。试验分离的土、油莎豆和茎秆如图5 所示。

图5 试验分离的土、油莎豆和茎秆Fig. 5 Soil，Cyperus bean and stem separated from the test

试验方案与结果如表3 所示。不考虑各因素的交互作用，通过分析表中试验结果判断各个因素对性能指标的影响主次，最终确定最优参数组合。

表3 试验方案与结果Tab. 3 Test plan and results

此试验为多指标正交试验，将油莎豆的损失率η1和含杂率η2两指标综合加权评分计算出综合指标η，最终确定最优组合为A2B2C1，即脱粒滚筒频率40 Hz、风机频率28 Hz、逐稿器频率40 Hz，为后期样机的改进和优化提供了重要的理论依据。

3.4 试验验证

为消除随机误差，确保试验结果可靠性，选取上述较优参数组合进行3 次重复试验，并取平均值为试验验证值。试验测得结果分别为损失率5.8%和含杂率0.497%。通过对比分析可知，优选后的油莎豆收获装置的综合作业质量优于其他参数组合下的作业性能。因此，机构设计时推荐采用该较优组合：脱粒滚筒频率40 Hz、风机频率28 Hz、逐稿器频率40 Hz。

4 结论

（1）根据北方地区油莎豆收获相关农艺要求，针对油莎豆收获困难、人工收获率低等问题，研究设计的油莎豆收获机结构简单、收获效率高，可一次完成幅宽1.3 m 的油莎豆收获作业，实现低损脱粒清选。

（2）通过3 因素3 水平正交试验，确定了油莎豆收获机的最优参数组合，当脱粒滚筒频率40 Hz、风机频率28 Hz、逐稿器频率40 Hz 时，油莎豆损失率和含杂率均最低。

（3）采用振动式输送技术，创新设计了脱粒滚筒和逐稿器式分离技术，符合油莎豆生产农艺要求。该油莎豆收获机的研究设计可解决油莎豆机收难的瓶颈问题，将对油莎豆机械化生产模式的建立和发展起到积极的推动和示范作用，并将进一步带动油莎豆产业向规模化、规范化方向发展。