毛葉苕子收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

徐朋飛 張厚東 廖結(jié)安 馬雪亭 楊丙輝

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

毛葉苕子是一年生或越年生豆科草本植物，適應(yīng)性強(qiáng)，在我國北方多數(shù)地區(qū)均可種植［1］。在現(xiàn)蕾至初花期階段，毛葉苕子的莖、葉、桿中含有豐富的粗蛋白質(zhì)，具有很高的飼用價值；在果園間作套種毛葉苕子時可起到蓄水保墑、降低主要作物病蟲害的作用；同時刈割粉碎還田后還可增加土壤的有機(jī)質(zhì)，起到改良土壤增強(qiáng)肥力的作用［2-4］，因此毛葉苕子是一種優(yōu)良的牧草兼綠肥作物。

近年來，在國家推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，發(fā)展綠肥符合農(nóng)業(yè)調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式的要求，綠肥種植將進(jìn)入全面恢復(fù)期。綠肥的生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要包括種植、粉碎、翻壓和種子收獲等階段，但是由于綠肥發(fā)展的特殊歷史原因，目前在綠肥各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)均缺乏相應(yīng)的專用機(jī)械［5］，尤其是在種子收獲環(huán)節(jié)，通常更多的研究是考慮將綠肥作物作為牧草收獲，或者作為綠肥直接粉碎、翻壓，客觀上忽略了種子的收獲環(huán)節(jié)，導(dǎo)致綠肥種子收獲的專用作業(yè)機(jī)具研制工作基本是一個空白。

毛葉苕子作為一種典型的綠肥作物，現(xiàn)在種子的收獲環(huán)節(jié)雖然可以借用稻麥、大豆等其它作物的聯(lián)合收獲機(jī)來實(shí)現(xiàn)一定程度機(jī)械化生產(chǎn)，但毛葉苕子是一種匍匐性的作物，有一定的纏繞性，因此借用的臨時機(jī)械針對性差，作業(yè)效率和收獲效果都不好，不適宜對該作物的收獲。因此為了解決毛葉苕子種子收獲時無專用機(jī)械，以及現(xiàn)有借用機(jī)械效率低、收獲效果不好的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種毛葉苕子收獲機(jī)械，從而來解決其種子收獲問題，同時也為其它綠肥作物的種子收獲提供一種參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 毛葉苕子種子特征

毛葉苕子的莢果呈短矩形，兩側(cè)稍扁，長2～3 cm，寬0.6～1 cm，側(cè)扁，先端具喙；花果期為4～10個月，具不明顯的網(wǎng)脈,顏色淡黃，光滑、易爆裂，每莢含種子2～5粒。成熟后的種子呈圓球形，直徑約0.3 cm，表皮黃褐色至黑褐色，種臍長相等于種子圓周1/7，千粒重10～30克［6］，如下圖1和圖2所示。

圖1 毛葉苕子豆莢

圖2 毛葉苕子種子

1.2 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)毛葉苕子的植株和種子特征，設(shè)計(jì)了一種毛葉苕子種子聯(lián)合收獲機(jī)，主要由分禾器、切割器、彈齒撥禾器、螺旋輸送器、輸送滾筒、凹板篩、脫粒滾筒組、脫粒篩網(wǎng)、分離滾筒組、分離篩網(wǎng)、清選風(fēng)扇、振動篩、攪龍、輸送提升機(jī)構(gòu)、集種箱、粉碎裝置和機(jī)架等組成，如圖3所示。

圖3 毛葉苕子收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 工作原理

毛葉苕子收獲機(jī)配套動力為功率為50 kw的柴油機(jī)，工作時動力經(jīng)過傳動系統(tǒng)傳送給各個運(yùn)動部件，當(dāng)該收獲機(jī)前進(jìn)作業(yè)時分禾器會把作物分割為收割區(qū)和待收割區(qū)，從而避免側(cè)邊纏繞；同時利用彈齒撥禾器的彈齒將匍匐在地面的毛葉苕子挑起來，然后利用切割器進(jìn)行切割，切斷后的毛葉苕子植株會沿著弧形板向后輸送，由螺旋輸送器把割斷后的毛葉苕子向中間集攏，并撥喂至輸送滾筒，經(jīng)輸送滾筒的整理和提升傳送到脫粒滾筒組，在脫粒滾筒組和凹板篩的搓揉作用下，毛葉苕子植株和種子被分離完成脫粒流程，此時種子和較小的輕雜質(zhì)會漏到清選振動篩上；同時脫粒后的秸稈雜物會進(jìn)一步經(jīng)過多級的分離滾筒篩，將裹藏在秸稈雜物中的殘存的種子也分離到清選振動篩上，然后在風(fēng)力和振動的聯(lián)合作用下完成毛葉苕子種子和輕雜質(zhì)分離開，最后干凈的種子經(jīng)輸送提升機(jī)構(gòu)送至集種箱中，產(chǎn)生的秸稈則有分離滾筒組送至粉碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行粉碎并最終排出機(jī)具外部，其基本工作流程如圖4所示。

圖4 毛葉苕子收獲機(jī)作業(yè)流程圖

1.4 基本參數(shù)

毛葉苕子收獲機(jī)工作時為聯(lián)合自走收獲的方式，收割時采用全喂入方式，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 毛葉苕子收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 收割裝置

毛葉苕子收獲機(jī)的收割裝置主要由分禾器、彈齒撥禾器、切割刀具、螺旋輸送器、割臺架等組成，主要完成對毛葉苕子全喂入式的收割和集攏任務(wù)。該裝置的設(shè)計(jì)充分考慮了毛葉苕子匍匐生長且有一定纏繞性的物理特性，設(shè)計(jì)時對傳統(tǒng)的割臺裝置進(jìn)行了改進(jìn)，在割臺兩個側(cè)面安裝了分禾刀，從而避免割幅內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間毛葉苕子的相互纏繞；對于可能會出現(xiàn)的纏繞問題，在彈齒撥禾器的撥禾齒上配套相應(yīng)的防纏繞梳刀，借助彈齒結(jié)構(gòu)把匍匐在地面的毛葉苕子挑起來再進(jìn)行切割，如果出現(xiàn)纏繞的情況則由于防纏繞梳刀的存在將纏繞物切斷，同時將彈齒頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三角錐形結(jié)構(gòu)，便于擺脫纏繞，切割完成后的毛苕子通過螺旋輸送器輸送到脫粒分選裝置進(jìn)行毛葉苕子的脫粒作業(yè)。

由于毛葉苕子的特殊性，因此在設(shè)計(jì)時需要考慮作業(yè)速度、彈齒撥禾器轉(zhuǎn)速、割幅等多種因素，從而來實(shí)現(xiàn)對毛葉苕子最佳的收獲效果，收割裝置的具體結(jié)構(gòu)如下圖5所示。

圖5 毛葉苕子收割臺

2.2 篩網(wǎng)

為保證毛葉苕子脫粒和分離的清潔度，同時為了進(jìn)一步降低未脫粒干凈造成的損失，設(shè)計(jì)了多組脫粒滾筒和分離輸送滾筒，可以較好的將毛葉苕子種子分離出來。在毛葉苕子脫粒和篩選過程中，根據(jù)種子直徑大小、密度和其它混雜物的差異，利用振動的篩面和吹風(fēng)的方式對物料進(jìn)行分離篩選。

由于脫粒和分離過程中，篩網(wǎng)篩孔的尺寸對效率和分離質(zhì)量影響比較大，因此重點(diǎn)對脫粒篩網(wǎng)、分離篩網(wǎng)和振動篩網(wǎng)的篩孔進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)對100粒毛葉苕子種子直徑的測量，毛葉苕子種子直徑是2.5～3.8 mm，因此在脫粒篩網(wǎng)和分離篩網(wǎng)篩孔設(shè)計(jì)的時候，考慮脫粒過程中的雜碎物較多，種子下落受其它因素的影響較大，設(shè)計(jì)的脫粒篩網(wǎng)和分離篩網(wǎng)篩孔形狀為長方形截面結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔寬8 mm，網(wǎng)孔長15 mm；而對于振動篩網(wǎng)網(wǎng)孔則設(shè)計(jì)為圓形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔直徑為6 mm，從而能更好的保證種子顆粒的分離與收集，如下圖為分離篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。

圖6 分離篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 粉碎裝置

為了更好的體現(xiàn)毛葉苕子的綠肥價值，因此在莖稈排出機(jī)外時需要將毛葉苕子的莖稈粉碎為長度大小統(tǒng)一的切斷物，這樣可更好的粉碎還田，并經(jīng)腐爛分解后為土壤提供營養(yǎng)，因此需要在毛葉苕子收獲機(jī)尾部設(shè)計(jì)一個粉碎裝置。對于粉碎后長度的控制問題，據(jù)統(tǒng)計(jì)還田莖稈切碎長度小于100 mm時比較好［7］，便于來年分解為土壤的有機(jī)質(zhì)，因此莖稈理論切碎長度，根據(jù)相關(guān)公式［8］：

式中：l—切碎長度（mm）；

z—動刀片數(shù)量（片）；

n—粉碎轉(zhuǎn)刀轉(zhuǎn)速（r/min）；

v—作物喂入速度（m/s）。

本設(shè)計(jì)的應(yīng)用參數(shù)，根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果，喂入速度設(shè)計(jì)為3 m/s，滾刀轉(zhuǎn)速為750 r/min，動刀片數(shù)量設(shè)計(jì)為4片，計(jì)算的切碎長度為60 mm，符合設(shè)計(jì)的基本要求。

2.4 脫粒裝置

在收獲毛葉苕子中，脫粒部件是必不可少的部分，目前收獲機(jī)械大多數(shù)圓柱形的脫粒滾筒，因?yàn)榭紤]到設(shè)計(jì)方便，構(gòu)造簡單，因此在該機(jī)械中也設(shè)計(jì)為圓柱形的脫粒滾筒［9］。脫粒滾筒的設(shè)計(jì)考慮到滾筒直徑的大小可影響毛葉苕子種子分離能力和生產(chǎn)效率，目前常用的收獲機(jī)械滾筒直徑在550-660 mm之間，根據(jù)該機(jī)械的設(shè)計(jì)要求，因此該機(jī)械的滾筒直徑為600 mm左右，如下圖是脫粒滾筒的三維圖。

圖7 脫粒滾筒三維結(jié)構(gòu)圖

3 作業(yè)參數(shù)確定

毛葉苕子收獲機(jī)的作業(yè)性能主要通過損失率、含雜率、作業(yè)效率等指標(biāo)來體現(xiàn)衡量的，而這些指標(biāo)則通常受到毛葉苕子收獲作業(yè)時的作業(yè)行進(jìn)速度、彈齒撥禾器轉(zhuǎn)速、割幅寬度等參數(shù)的影響，因此在設(shè)計(jì)時需要考慮以上的因素。

3.1 作業(yè)行進(jìn)速度

毛葉苕子收獲機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中，為了保證作業(yè)效果，通常需要考慮切割速度和作業(yè)行進(jìn)速度之間的關(guān)系，即切割速比（割刀切割速度與收獲機(jī)作業(yè)行進(jìn)速度之比）的大小。如果切割速比過小，則割茬不整齊，切割質(zhì)量不穩(wěn)定，造成莖稈折斷、拉斷；而切割速比過大則可能發(fā)生重割，或造成割臺振動加劇等異常情況［10］。

由于目前沒有專用的毛葉苕子收獲機(jī)作參考，因此統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)一些常見型號的聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)行進(jìn)速度和切割速比進(jìn)行參考，如下表2所示是統(tǒng)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2 部分聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)行進(jìn)速度和切割速比

由表2可知，目前國內(nèi)的小型聯(lián)合收獲機(jī)的切割速比為0.8-1.85 m/s，根據(jù)如下的計(jì)算公式［11］：

式中：i—切割速比；

v—割刀切割速度（m/s）；

vm—作業(yè)行進(jìn)速度（m/s）。

根據(jù)研制小型毛葉苕子收獲機(jī)械的要求，其割刀的切割速度一般設(shè)計(jì)為1-2 m/s［12］，本機(jī)具將v設(shè)計(jì)為1.8 m/s，取i=1.5，則收獲機(jī)的作業(yè)行進(jìn)速度vm為1.2 m/s左右。

3.2 彈齒撥禾輪轉(zhuǎn)速

彈齒撥禾輪轉(zhuǎn)速n的速度大小影響彈齒速度的大小，彈齒速度大小的不同也會對作物植株彈挑的效果有直接的影響，在通常情況下彈齒撥禾輪的半徑一定時，轉(zhuǎn)速n越小，彈齒的運(yùn)行速度越小，喂入量越少，導(dǎo)致作物種子的掉落損失增加；相反當(dāng)轉(zhuǎn)速過大時，彈齒對作物的沖擊力也會增大，喂入量會較大，增加后續(xù)輸送和脫粒的效果，增大含雜率，因此在設(shè)計(jì)時需要匹配一個適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，本機(jī)具在設(shè)計(jì)時通過試驗(yàn)確定滾筒轉(zhuǎn)速的速度范圍適宜在650-900 r/min之間。

3.3 割幅寬度

割副寬度大小也會影響作物的損失率，在一定的作業(yè)功率下，幅寬較窄時，喂入量過大容易產(chǎn)生滾筒阻塞、割臺作物纏繞從而降低了收獲效率；當(dāng)幅寬較大時候，喂入量較小，行進(jìn)速度、撥禾輪轉(zhuǎn)速比較小，影響作業(yè)效率；同時還需要考慮機(jī)具的使用作業(yè)環(huán)境（傳統(tǒng)果園行距一般為2 m或小面積地塊種植）以及現(xiàn)階段機(jī)具使用率的不高問題，本機(jī)具設(shè)計(jì)的割副寬度為1.5 m。

4 試驗(yàn)與結(jié)果

2018年7月30日和2018年8月20日，在河北省石家莊市工業(yè)園區(qū)試驗(yàn)田開展了田間試驗(yàn)，同時對毛葉苕子（專門作為試驗(yàn)特意種植）和紫花苜蓿兩種作物進(jìn)行收獲作業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)面積各為0.13 hm2，通過試驗(yàn)可知毛葉苕子收獲機(jī)能夠正常完成對種子的收獲作業(yè)，且在割茬高度和粉碎長度方面也符合要求，整體上達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如下表3所示為毛葉苕子收獲機(jī)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，如下圖7所示為毛苕子收割后的割茬高度及作物粉碎后的效果。

表3 毛葉苕子收獲機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

圖8 毛葉苕子粉碎效果及割茬高度

5 結(jié)論與展望

（1）針對毛葉苕子種子收獲時存在的問題，設(shè)計(jì)了一種毛葉苕子收獲機(jī)，闡述了工作原理和基本參數(shù)，并對關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時確定了毛葉苕子收獲機(jī)的基本作業(yè)參數(shù)。

（2）研制了毛葉苕子收獲樣機(jī)，并通過田間試驗(yàn)表明毛葉苕子收獲損失率為15.6%，含雜率為4.5%，作業(yè)效率為0.32 hm2/h，達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求。

（3）該樣機(jī)的研制，為毛葉苕子種子的收獲提供了一個作業(yè)機(jī)具，同時為其它綠肥作物種子的收獲提供了一個參考，但在試驗(yàn)中轉(zhuǎn)彎要求半徑大，由于割茬要求低當(dāng)遇到石塊時對收割機(jī)械損害大，因此在此基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)為全喂入自走式聯(lián)合收獲機(jī)械，并且在收割裝置設(shè)計(jì)安裝超聲波和紅外線傳感器遇到石塊時可警告提醒，可以更好的保護(hù)機(jī)械裝置，該機(jī)械目前的設(shè)計(jì)改進(jìn)也表明當(dāng)前機(jī)械要向著智能化、先進(jìn)性機(jī)械化方向發(fā)展，也為后續(xù)綠肥生產(chǎn)作業(yè)全程機(jī)械化奠定基礎(chǔ)。