油菜收获机割台螺旋输送器间隙自适应调节机构研究

李海同 万星宇 徐 阳 蒋亚军 廖庆喜

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.农业部长江中下游农业装备重点实验室， 武汉 430070)

油菜收获机割台螺旋输送器间隙自适应调节机构研究

李海同1,2万星宇1,2徐 阳1,2蒋亚军1,2廖庆喜1,2

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.农业部长江中下游农业装备重点实验室， 武汉 430070)

针对油菜联合收获过程中由于喂入量波动导致割台螺旋输送器堵塞的问题，设计了一种割台螺旋输送器间隙自适应调节机构，实现喂入量变化时实时改变滑块位移以自动调节输送器与底板之间的间隙。输送器动力学与运动学分析确定了调节机构预紧弹簧最大预紧力和调节位移分别为366 N和50 mm。运用扭矩传感器和高速摄像技术分别开展输送器扭矩和调节位移的性能试验，当弹簧预紧力和刚度分别为293 N和12.65 N/mm时，输送器扭矩为8.267 N·m，减少了40.7%，调节位移为10.2 mm，调节机构性能较优。调节机构对输送器性能影响试验结果表明：增设间隙自适应调节机构可明显降低扭矩并增加最大喂入量，螺旋输送器转速为150 r/min时扭矩减小了23%；转速为200 r/min时，最大喂入量增加至3.5 kg/s，提高了16.7%。喂入量在不大于3.0 kg/s范围内波动时，试验组最大扭矩小于对照组，说明调节机构可较好适应喂入量的波动。田间试验表明间隙自适应调节机构可提高输送器对喂入量的适应性，避免割台堵塞，后续的脱粒装置、清选装置等工作部件未发生堵塞，油菜联合收获机可正常工作。

油菜联合收获机； 割台螺旋输送器； 间隙调节机构； 自适应

引言

割台是联合收获机的主要工作部件之一，作物被切割系统切断后由拨禾轮推送至割台螺旋输送器[1](简称输送器)，再由输送器将物料输送至中间输送装置。喂入量过大时引起输送器堵塞，为提高输送器对喂入量的适应性，相关学者设计了割茬调节机构提高割茬的稳定性和喂入量的均匀性[2]，设计二次切割机构以减小整机喂入量[3]，研发了水稻和小麦半喂入收获机[4-5]和梳脱式收获机[6-9]，在捡拾机[10]、打捆机[11]、牧草收获机上也设计有调节或仿形机构以提高其对作物的适应性[12-16]。脱粒和输送装置转动部件与罩壳之间的间隙对其工作性能影响较大[17-23]。联合收获过程中由于油菜种植密度与植株个体差异较大、作业速度不稳定等原因，喂入量往往处于不均匀的波动状态，喂入量较大时油菜对输送器的阻力增加导致输送器堵塞停止运行。因此油菜联合收获机作业时存在喂入量不均匀导致输送器堵塞的问题，影响作业效率。

本课题组针对油菜联合收获机链耙式输送器结构复杂、输送路程长、存在堵塞的问题，设计了4LYZ-1.8型油菜联合收获机，主要由分体组合式割台、集成式纵轴流脱粒分离装置、旋风分离清选系统、行走系统等工作部件组成。

油菜联合收获机田间收获作业时集成式纵轴流脱粒分离装置可实现对油菜的输送、抓取、脱粒分离功能，茎秆流动顺畅未出现堵塞现象[24]，但喂入量波动大于3.0 kg/s的设计喂入量时，割台螺旋输送器转速降低甚至出现堵塞现象。为解决这一实际问题，本文设计一种油菜联合收获机割台螺旋输送器间隙自适应调节机构(简称调节机构)，根据油菜联合收获过程中喂入量的变化，输送器一端可在滑槽内运动一定的位移，从而实时自动调节输送器与底板之间的间隙，以适应不同喂入量的要求和喂入量的波动，避免因喂入量过大造成输送器堵塞，提高割台对喂入量的适应性。

1 调节机构组成与工作原理

调节机构安装于输送器非传动端，主要包括滑块、导轨、支撑板、预紧弹簧、预紧螺母、预紧螺杆、缓冲弹簧、缓冲导轨、限位板等部件，如图1所示。固定板、支撑板和限位板固定于滑槽内，滑槽固定于机架上，支撑板固定于滑槽内，滑块位于支撑板上，缓冲导轨固定于滑块上端，缓冲弹簧套置于缓冲导轨外下端与滑块接触，两平行导轨下端固定于支撑板上依次穿过滑块和限位板，预紧弹簧穿过支撑板与滑块底部接触提供一定的预紧力。预紧力大小可通过改变预紧螺母的上下位置进行调节，向上调节预紧螺母，预紧弹簧压缩量增加，预紧力增加；向下调节预紧螺母，预紧弹簧压缩量减小，预紧力减小。

图1 调节机构示意图Fig.1 Structure schematic of clearance adjusting mechanism1.拨禾轮 2.侧板 3.输送器 4.滑槽 5.导轨 6.滑块 7.支撑板 8.预紧螺杆 9.定位螺母 10.固定板 11.预紧螺母 12.预紧弹簧 13.输送器轴 14.伸缩拨指调节板 15.定位螺钉 16.缓冲弹簧 17.限位板 18.缓冲导轨

非工作状态时，输送器在轴承支撑力、支撑板支撑力、重力和预紧弹簧预紧力的作用下处于平衡状态。工作时，输送器在输送物料的过程中对物料产生挤压力则物料对输送器有反作用力，当喂入量增加到一定程度时支撑板的支撑力为零，滑块在预紧力和物料反力作用下向上运动，增加输送器与底板之间的间隙，提高输送器输送能力，油菜及时输出防止堵塞。调节机构可依据作业时喂入量的大小通过调节输送器上下位置实时自动调节输送器与底板之间的输送间隙以优化输送器的工作性能，提高输送器对喂入量的适应性。

2 输送器动力学与运动学分析

输送器可视为一端固定一端移动的简支梁，其平衡包括静平衡和动平衡两方面，静平衡保证输送器所受的合力为零，动平衡保证输送器运行所需的扭矩同时减轻输送器的振动。运动学分析保证输送器运行时与其他工作部件不发生干涉。

2.1 输送器静力学分析

工作状态下输送器处于水平位置，竖直方向的受力情况如图2所示。

图2 输送器受力分析简图Fig.2 Force diagram of conveyor

输送器在竖直方向受力平衡方程组为

(1)

其中

(2)

式中N1——左端轴承支撑力，N

G——输送器重力，N

F——物料对输送器作用力，N

N2——支撑板对输送器支撑力，N

P1——弹簧预紧力，N

P2——缓冲弹簧压缩力，N

l1——滑块与左端轴承水平距离，为1 875 mm

l2——输送器质心与左端轴承水平距离，为958 mm

l3——物料质心与左端轴承水平距离，mm

m——输送器质量，为73 kg

k1——预紧弹簧刚度，N/mm

k2——缓冲弹簧刚度，N/mm

Δx1——预紧弹簧压缩量，mm

Δx2——缓冲弹簧压缩量，mm

输送器静止时，物料对其作用力F和缓冲弹簧压缩力P2为零，当支撑板支撑力N2为零时，由式(1)、(2)可得弹簧预紧力P1的最大值P1max=366 N。油菜堆积特性试验[25]表明:油菜对输送器的压强随喂入量的增加而增加，喂入量越大则物料对输送器的作用力F越大。

影响输送器平衡的主要作用力为物料对输送器的作用力F和预紧弹簧的预紧力P1，其中物料对输送器的作用力主要由喂入量和输送间隙决定，预紧力P1由预紧弹簧的刚度系数和初始压缩量确定。

2.2 输送器动力学分析

输送器处于工作状态时的受力分析如图3a所示。物料在输送器挤压力作用下沿轴线方向轴向运动，同时在摩擦力作用下绕输送器切向运动。输送器与物料的摩擦因数很小因此物料的切向运动速度很小，可设油菜在输送器与底板之间的空间内运动的切向速度vt=λωr。由动力学普遍方程[26]可知

M(O)=0

(3)

式中M(O)——作用于输送器上的总力矩，N·m

图3 输送器工作状态受力分析与等效装置图Fig.3 Force analysis and equivalent device diagrams of conveyor

将式(3)应用于图3可得

(4)

其中

ω=nπ/30

式中T1——驱动电动机对输送器带轮紧边拉力，N

T2——驱动电动机对输送器带轮松边拉力，N

r1——输送器传动带轮半径，m

T3——拨禾轮、切割器等其他装置对输送器传动带紧边拉力，N

T4——拨禾轮、切割器等其他装置对输送器传动带松边拉力，N

r2——其他装置过渡带轮半径，m

r——输送器的内半径，m

f——输送器与底板间油菜对输送器的摩擦力，N

q——输送器与底板之间油菜的质量，kg

λ——油菜切向运动速度系数

Mr——输送器运动副摩擦阻力矩与空气阻力矩之和，N·m

JO——输送器转动惯量，kg·m2

ω——输送器角速度，rad/s

n——输送器转速，r/min

力矩分为动力矩和阻力矩两类，驱动轮传动带紧边拉力力矩和其他装置对输送器传动带紧边拉力力矩为动力矩，其余为阻力矩。除物料摩擦阻力矩外，其他力矩均为传动部件扭矩，因此将图3a输送器受力状态等效为图3b中的等效装置，动力学平衡方程为

(5)

式中T5——等效装置带轮紧边拉力，N

T6——等效装置带轮松边拉力，N

rC——等效装置传动带轮半径，m

Mf——输送器与底板间油菜对输送器的摩擦阻力矩，N·m

MC——等效装置运动副摩擦阻力矩与空气阻力矩之和，N·m

JC——输送器等效转动惯量，kg·m2

ωC——输送器等效角速度，rad/s

式(5)中，MC可基本视为常量，Mf、MC及空载扭矩影响输送器扭矩的大小，其中摩擦阻力矩Mf与喂入量有关，空载扭矩与输送器转动惯量、转速有关。

2.3 调节位移分析

当调节位移为零时输送器的位置如图4中PQEF所示，输送器处于水平状态，与两侧板C1、C2的距离Δ0=10 mm。当调节位移为h、输送器右端在滑槽内向上运动至P′Q′E′F′位置时，输送器与水平方向的夹角为θ，为保证输送器工作时不与两侧板发生干涉，需保证Δ大于零。

图4 输送器运动分析Fig.4 Movement analysis of conveyor

图4中由几何关系可知

(6)

式中θ——输送器与水平方向的夹角，(°)

h——调节位移，mm

E、E′两点在水平方向上的距离为

Δ′=Rtanθ

(7)

式中R——输送器外半径，为250 mm

为保证输送器运行时不发生干涉，须满足Δ0-Δ′gt;0，则由式(6)、(7)可得滑块向上运动的最大距离hmax=75 mm。设计中为保证输送器顺利运行，缓冲弹簧上端与限位板的距离设计为50 mm，即最大调节位移为50 mm。

3 试验

由输送器动力学与运动学分析可知，影响调节结构性能的主要因素是预紧弹簧的预紧力和刚度系数；影响输送器扭矩的主要因素是转速和喂入量。为探究调节机构对输送器性能的影响，开展调节机构性能试验，以弹簧预紧力和刚度系数为试验因素确定得出调节结构的较优参数；在此基础上以输送器转速和喂入量为试验因素进行调节机构对输送器性能影响的试验，设置试验组和对照组，试验组增设调节机构，对照组(CK)则未安装。

3.1 试验材料与方法

台架试验在自行研制的调节机构试验台上进行，试验设备如图5所示，主要有割台、间隙自适应调节机构、高速摄影系统(德国PCO公司生产，pco.dimax HD)、扭矩传感器及其记录存储系统(北京天宇恒创传感技术有限公司生产，CYT-302型)等部件。扭矩传感器安装于输送器与驱动电动机之间，高速摄影系统放置于调节机构一侧拍摄滑块在滑槽内的运动状态。试验材料为适收期的机播油菜，人工自田间收割并运送至试验场地。

图5 调节机构试验台Fig.5 Test bench of adjusting mechanism1.扭矩传感器 2.试验油菜 3.输送带 4.拨禾轮 5.割台 6.计算机 7.高速摄像机 8.自适应间隙调节机构

试验时将一定质量的试验油菜铺放于输送带上，驱动电动机带动输送器匀速运转，输送带以恒定速度将试验油菜喂入割台以提供所需的喂入量，使用扭矩传感器记录试验过程中输送器的扭矩和转速，同时利用高速摄影机拍摄滑块在滑槽内的运动状态。

3.2 试验设计

弹簧的最大预紧力已确定为366 N，试验水平为0、73、146、220、293、366 N。设计中预紧螺杆直径为12 mm，选取内径为12 mm、刚度分别为2.03、3.3、5.76、12.65、26.33 N/mm共5种弹簧。调节机构性能试验时，首先固定预紧弹簧的刚度，通过调节预紧螺母的位置得到扭矩和调节位移随预紧力变化而变化的规律。然后固定弹簧预紧力，通过更换不同弹簧得到扭矩和调节位移随刚度变化而变化的规律。

试验中没有物料喂入情况下，输送器转速不大于300 r/min时，预紧力P1保持不变；当转速达到350 r/min时，预紧力P1随输送器转动呈周期性波动规律。没有物料喂入情况下，为保证预紧力P1保持不变，输送器转速不应大于300 r/min。因此，试验中输送器转速选取150、200、250、300 r/min共4个试验水平。自行设计的4LYZ-1.8型油菜联合收获机割幅为1 800 mm，设计喂入量3.0 kg/s，试验中喂入量选取1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 kg/s共5个水平。调节机构对输送器性能影响试验时，首先固定喂入量，通过调速器改变输送器转速得到扭矩和调节位移随输送器转速变化而变化的规律。然后固定输送器转速，改变喂入量得到扭矩和调节位移随喂入量变化而变化的规律。

3.3 输送器性能试验结果与分析

每组试验结束后将存储的扭矩数据导出，获取输送器扭矩T随时间变化的曲线，如图6所示，将高速摄像机拍摄的照片进行处理获取调节位移h，图7所示为调节位移h的变化过程，表明输送器与底板之间油菜增加时，调节位移由0逐步增加至14 mm以增加输送能力，防止堵塞，油菜减少时调节位移减小以优化输送器的输送性能。

3.3.1预紧力与输送器性能关系试验结果与分析

试验中预紧弹簧的刚度为12.65 N/mm，通过调节预紧螺母的位置得到最大扭矩和调节位移随预紧力变化而变化的曲线，如图8所示。最大扭矩随预紧力的增加而减小，由预紧力为0时的13.94 N·m降低为预紧力为366 N时的7.268 N·m，降低了47.86%。预紧力在146～220 N范围内扭矩减小较为明显，在220～336 N范围内扭矩有所降低但较为平缓。扭矩的斜率即扭矩减小量与预紧力增加量的比值，反映扭矩随预紧力变化的速率。预紧力在0～220 N范围内时，斜率随预紧力的增加而减小，预紧力继续增加时斜率先增加后减小，在293 N时最大。

图6 扭矩变化曲线Fig.6 Torque variation curve

图7 调节位移变化过程Fig.7 Adjusted displacement processes

图8 不同预紧力时的最大扭矩与斜率Fig.8 Maximum torque and slope at different pretensions

如图9所示，预紧力为0时调节位移为22 mm，同时输送器扭矩达到最大，预紧力在73～220 N范围内，调节位移随预紧力的增加先减小后增大，预紧力大于293 N时调节位移有所减小。此外，预紧力为最大值336 N时输送器在空载状态下已有2.5 mm的位移，割台振动较大。

图9 不同预紧力时的调节位移与斜率Fig.9 Displacement and slope at different pretensions

调节位移的斜率即调节位移与预紧力增加量的比值反映位移随预紧力变化的速率。预紧力为293 N时扭矩较小、斜率最大且调节位移较小，为降低扭矩同时减轻振动，预紧力取为293 N。

3.3.2刚度与输送器性能关系试验结果与分析

在预紧力与输送器性能关系试验中，弹簧预紧力为293 N/mm，通过更换不同刚度的弹簧得到扭矩和调节位移随刚度变化而变化的曲线，如图10所示。刚度小于12.65 N/m时最大扭矩随刚度的增加而减小，刚度大于12.65 N/mm时最大扭矩有所增加，调节位移先增加后减小再增加，刚度为12.65 N/mm时出现极小值点。调节机构在减小扭矩的同时尽量减小调节位移以减轻振动，因此设计中预紧弹簧的刚度为12.65 N/m，此时最大扭矩为8.267 N·m，减少了40.7%。

图10 不同刚度时的最大扭矩与调节位移Fig.10 Torque and displacement at different stiffness coefficients

3.4 调节机构对输送器性能的影响试验

3.4.1调节机构对转速的影响

依据调节机构性能试验结果，调节机构预紧弹簧预紧力和刚度分别为220 N和12.65 N/mm。转速在150 ～ 300 r/min范围内，试验组与对照组的最大扭矩均随输送器转速增加而减小(图11)，每个试验水平下试验组扭矩均小于对照组，转速越低差值越明显，输送器转速为150 r/min时扭矩减小了23%。调节位移随转速增加呈现先减小后增加的趋势。转速小于200 r/min时调节位移随转速增加而减小，大于200 r/min时调节位移随转速增加而增加。

图11 不同转速时的扭矩对比以及试验组调节位移Fig.11 Torque contrast at different speeds and displacement

综合分析转速与扭矩、调节位移之间的变化规律可知，输送器转速为200 r/min时工作性能较优。

3.4.2调节机构对喂入量的影响

输送器转速为200 r/min，喂入量对扭矩和调节位移影响结果(图12)表明，喂入量在1.5 ～3.5 kg/s范围内变化时，试验组与对照组的最大扭矩均随喂入量增加而增加，每个试验水平下试验组的扭矩均小于对照组，喂入量越大扭矩减小越明显。喂入量为3.0 kg/s 时对照组最大扭矩达到14 N·m，且输送器由于扭矩过大基本停止运行，试验组最大扭矩为10.648 N·m，相比减小了23.94%。试验组喂入量增加至3.5 kg/s，输送器扭矩增加至14.389 N·m。调节位移随喂入量增加而增加，与扭矩变化规律一致。综合来看，喂入量较大时调节机构可显著减小输送器扭矩增加输送器的工作性能，喂入量提高了16.7%，增加了割台对喂入量的适应性。

图12 不同喂入量时的扭矩对比以及试验组调节位移Fig.12 Torque contrast at different feed quantities and displacement

油菜联合收获过程中由于种植密度和植株个体差异较大、作业速度不稳定等因素，喂入量并不均匀，为研究调节机构对喂入量波动的适应性，设置喂入量以1.0-2.0-3.0-2.0-1.0 kg/s规律变化，结果显示试验组扭矩小于对照组扭矩(图13)，表明调节机构可较好适应喂入量的波动。

图13 喂入量波动时的扭矩变化曲线Fig.13 Torque variation curves during fluctuation of feed volume

3.5 田间试验

图14 田间试验Fig.14 Field experiments

根据上述理论分析和台架试验结果，调节机构弹簧预紧力和刚度分别为293 N和12.65 N/mm，将调节机构安装于4LYZ-1.8型油菜联合收获机割台螺旋输送器上，选取油菜密度较为均匀的地块开展田间试验。试验油菜品种为华油杂62，种植方式为机直播，平均植株高度1 564 mm，作业速度为2.8 km/h，喂入量为3.2 kg/s。结果显示对照组输送器已出现堵塞，而试验组输送器、集成式纵轴流脱粒分离装置、清选装置等工作部件均可正常运行，未出现堵塞，如图14所示。表明喂入量在设计值附近波动时，间隙自适应调节机构可依据收获作业时喂入量的变化及时自动调节输送器与底板之间的间隙，提高输送器对喂入量的适应性，减轻割台堵塞，后续的集成式纵轴流脱粒分离装置、清选装置等工作部件均正常工作，可提高油菜联合收获机的适应性。

4 结论

(1)设计了一种油菜联合收获机割台螺旋输送器间隙自适应调节机构，实现喂入量变化实时改变滑块的位移以自动调节输送器与底板之间的间隙。应用动力学与运动学分析确定了最大预紧力和调节位移分别为366 N和50 mm，并建立了输送器扭矩与转速、喂入量等因素的动力学模型。

(2)运用扭矩传感器和高速摄像技术开展的输送器扭矩和调节位移性能试验，确定了预紧力和刚度分别为293 N和12.65 N/mm时，输送器最大扭矩为8.267 N·m，减少了40.7%，调节位移为10.2 mm，调节机构性能较优。

(3)调节机构对输送器性能影响试验表明，增设间隙自适应调节机构可明显降低扭矩和增加最大喂入量，转速为150 r/min时扭矩减小了23%；转速为200 r/min最大喂入量增加了0.5 kg/s，对比提高16.7%。喂入量波动时，试验组最大扭矩小于对照组，表明调节机构可较好适应喂入量的波动。

(4)田间试验结果显示，喂入量为3.2 kg/s时对照组输送器已出现堵塞而试验组可正常作业。表明喂入量在设计值附近波动时，割台螺旋输送器间隙自适应调节机构可依据油菜联合收获机作业过程中喂入量的波动实时自动调节输送器与底板之间的间隙，以优化输送器的工作性能，提高割台对喂入量波动的适应性、减轻堵塞，后续的集成式纵轴流脱粒分离装置、清选装置等工作部件均工作正常，提高了油菜联合收获机的适应性。

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ClearanceAdaptiveAdjustingMechanismforHeaderScrewConveyorofRapeCombineHarvester

LI Haitong1,2WAN Xingyu1,2XU Yang1,2JIANG Yajun1,2LIAO Qingxi1,2

(1.CollegeofEngineering，HuazhongAgriculturalUniversity，Wuhan430070，China2.KeyLaboratoryofAgriculturalEquipmentinMid-lowerYangtzeRiver,MinistryofAgriculture，Wuhan430070，China)

Aiming at solving the blocking of screw conveyor on header of rape combine harvester, an automatic clearance adjusting mechanism was designed. The maximum pretension and displacement were determined to be 366 N and 50 mm, respectively, through statics and kinematics analyses of the screw conveyor. Torque sensor and high-speed camera technique were used respectively to record torque on the shaft of conveyor and displacement，parameters tests of the mechanism were conducted and the results indicated when pretension was 293 N and stiffness was 12.65 N/mm，maximum torque of conveyor was 8.267 N·m，which was decreased by 40.7%，maximum displacement of the slider was 10.2 mm， and parameters of adjusting mechanism were optimal. The influence of the adjusting mechanism on performance of conveyor tests showed that adding the adaptive adjusting mechanism could obviously reduce torque and increase maximum feed quantity，when speed was in range of 150～300 r/min, the feed quantity was 1.5～3.5 kg/s. Torque was decreased by 23% when speed was 150 r/min，feed quantity was increased by 0.5 kg/s in experimental group，which was increased by 17.8%. When feed quantity was fluctuated from 1.0 kg/s to 3.0 kg/s and 1.0 kg/s and from 3 kg/s to 1.0 kg/s and 3.0 kg/s， maximum torque was decreased compared with steady feeding quantity of 3 kg/s. Field experiment showed that the clearance adaptive adjusting mechanism could adjust the clearance between screw conveyor and bottom plate in time according to the change of feed quantity during harvesting operation，therefore，it could improve the adaptability of header to fluctuation of feed quantity and relieve blocking.

rape combine harvester； screw conveyor； clearance adjusting mechanism； self-adaptation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.014

S225.99

A

1000-1298(2017)11-0115-08

2017-08-30

2017-09-20

国家油菜产业技术体系专项(CARS-12)、农业部科研杰出人才及创新团队项目和湖北省技术创新专项重大项目(2016ABA094)

李海同(1987—)，男，博士生，主要从事油菜收获技术与装备研究，E-mail： li1988@webmail.hzau.edu.cn

廖庆喜(1968—)，男，教授，博士生导师，主要从事油菜机械化生产技术与装备研究，E-mail： liaoqx@mail.hzau.edu.cn