割前摘脱联合收割机复脱试验装置的设计

盛力伟　金鹍鹏　陈伟旭

摘 要：脱粒装置是联合收割机的核心部件之一，它直接影响整机和其它部件的工作性能。参考国内外各类脱粒分离、清选装置的组成特点及改进思路，分析了现阶段各种梳脱式割前摘脱联合收割机设计过程中存在的问题。结合当前梳脱式联合收割机上复脱分离、清选装置的相关参数及工作环境，考虑到梳脱式联合收割机收获工艺与传统全喂入、半喂入式联合收割机的明显不同，对割前摘脱联合收割机上的复脱分离、清选装置进行了较系统的理论分析和试验研究。对提高我国现阶段联合收割机的工作性能，加速新老产品的更迭，以及新型脱粒装置的研制具有很好的理论意义和实用价值。

关键词：复脱；联合收割机；分离；清洗

中图分类号：S225 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.004

Abstract：Threshing unit is one of the combine core parts， which has direct influence on the combine working performance or other parts. According to home and abroad about the structural characteristics and research directions of combine separation and cleaning devices， analyzes the status quo of design and the problem existing in current various stripping combine harvesters. Combination of relevant parameters and the working environment of the combine separation and cleaning devices in the current stripping combine harvester， taking into account the stripping combine harvester are greatly different from those in the conventional all-feeding and half-feeding combine harvester， the theoretical and experimental research of the rethreshing separation. This study has important academic significance and pragmatic value to improve the combine performance， and promote replace of products and develop the new threshing unit.

Key words： rethreshing；combine harvester；separate；cleaning

0 引言

隨着我国农村产业结构的调整和农村经济的发展，广大农村对中小型稻麦联合收获机械的需求日益迫切。而现有的一些国产联合收割机在收获水稻时，粮食损失大于5% ，谷物破碎的损伤率有的达9%以上，细微损伤达50%，且工作可靠性较差，平均无故障工作时间不到20 h[1， 2]。因此，研究新的收获工艺和方法对丰富、完善现有的收获原理具有较高的理论价值和实用价值[3-5]。

国外最先开始割前脱离的研究，其中研究历史较长的有英国希尔索工程研究所、前苏联农机研究所、菲律宾国际水稻研究所等[6]。前苏联农机研究院自从20世纪80年代初期就开始研究收获新机，他们最先发明了旋转滚筒摘穗装置，其利用向后抛扔的方式将摘穗齿与作物进行分离[7-9]。该机械可扶起倒伏作物，并在两个滚筒间隙中拉摘作物，利用滚筒的旋转气流辅助输送摘脱物。由于前苏联的作物是贴地倒伏的，所以单滚筒梳脱装置不能满足其收获要求。经过多年研究，研制了双滚筒型梳脱装置，这种装置对倒伏作物有一定的扶起作用，试验表明，大多数情况下，割台损失率<2%。

美国希尔索研究所（SRI ）研制的滚筒摘穗装置，可在其滚筒和上罩、压禾鼻之间产生定向的气流，减少摘脱物飞溅损失且利于后向的输送。此V型滚筒直径为450 mm，上面装有8排摘脱元件，生产率高出普通割台40%～100%，但割台损失较高[10-12]。

菲律宾国际水稻研究所长期从事水稻捋穗收获机具的研究工作，先后开发了SG450型、ST600小型捋穗脱粒机[13]。

从目前国外研究情况来看，割前脱粒联合收获机摘脱滚筒还存在以下缺点和不足之处：（1）低速作业时，损失成倍增加；（2）在脱粒过程中谷物损失较大，主要原因是梳刷齿杆对穗秆有一定的梳刷与冲击；（3）摘脱割台存在前伸量过大，操作不够灵活的缺陷；（4）联合收获机无法加装搂集装置，水田作业时不能一次性完成脱粒、割草联合作业；（5）水田的通过性能较差[14]。

基于当前梳脱式联合收割机复脱装置设计上存在的问题，对其复脱装置进行了相关的实验和理论研究，希望本文的研究能为此复脱装置提供更科学且符合实际情况的设计建议，进而提高整个收割机的适用性和可靠性，为我国农业机械的发展贡献一份力量。

1 复脱装置的设计过程

1.1 工作原理

脱粒机械作为一种常用的农业机械，其内部的工作环境复杂。割前脱粒机是一种新式、高效的收割机械，它可将田间站立状态的水稻从穗头部位摘脱下来，然后采用复脱、分离和清选的方法将谷粒从穗头部位脱下来。

梳脱式联合收获机的复脱分离装置性能直接影响到谷物复脱时的脱净率、破碎率、分离均匀性等。梳脱式联合收获机收获时， 经梳脱割台梳摘下来的混合物（自由籽粒、断穗头、穗枝杈、杂余和短茎秆）与传统的先切割茎秆后脱粒的收获工艺（全喂入式或半喂入式） 所得到的待脱物料相比有明显的不同，因此建立复脱分离装置的数学模型对于研究梳脱式联合收获机的复脱分离性能至关重要。

1.2 复脱装置性能特点及相应参数

在梳脱式联合收割机中，被高速旋转的板齿梳脱下来的混合物（大部分是籽粒，小部分是断穗头、杂余和少量的短茎秆等）经梳脱割台搅龙由输送槽喂入到复脱分离装置进行二次脱粒，然后从凹板筛中分离出籽粒，实现分离。梳脱混合物进入复脱分离装置进行脱粒分离的过程大致可分为两个部分。一部分是未被脱粒的断穗头在脱粒元件、凹板、顶盖等的联合作用下被二次脱粒；另一部分是己经被脱下来的籽粒在绕复脱滚筒的螺旋运动中，随机地从凹板筛中分离出来。

经过20多年的发展，梳脱式联合收割机制造技术上已趋成熟。但梳脱式联合收割机复脱分离装置的设计基本是从全喂入式联合收割机的轴流脱粒分离装置改装而来的。实际上，梳脱式联合收割机的自身收获机理与传统型联合收割机有很大差别，进入其内部的梳脱混合物（主要成分为短茎秆、未脱净断穗头、已脱籽粒和杂余等）与全喂入式收割机的带有长茎秆的谷物有着明显区别。这就决定了梳脱式联合收割机的复脱分离装置与全喂入式联合收割机的传统型脱粒分离装置应采用不同的结构和运动参数。

梳脱式联合收割机如采用传统型轴流脱粒分离装置，其整机的复脱分离结构会变得较大，水稻带柄率、断穗率、破碎率及含杂率等轴向分离不均匀，损失率和夹带损失率也会变得较高。影响梳脱式联合收割机复脱分离工作性能的主要因素有：复脱滚筒的转速、凹板的类型与筛孔的尺寸、复脱滚筒的结构类型及尺寸、复脱（凹板）间隙、顶距（滚筒外缘到滚筒顶盖间的距离）的大小、顶盖导向板的高度和角度。

2 复脱装置主要部件设计

2.1 复脱滚筒的设计

复脱过程中的轴流滚筒式脱粒装置，主要包含滚筒、凹板（包括分离筛）、导板和盖（或罩）。

复脱滚筒内部采用轴流钉齿、弓齿混合结构。为了使梳脱混合物轴向分离均匀，在复脱滚筒的入口端可专门加入一段螺旋叶片。可减少其结构尺寸，同时保证复脱过程的线速度，复脱滚筒的直径可适当调小一些，转速可适当提高一些。

脱粒装置是脱粒机与谷物联合收获机的核心部件，复脱装置属于脱粒装置。它不仅在很大程度上决定了机器的脱粒质量和生产率，而且对分离清选等有很大的影响。

轴流滚筒式脱粒装置在不添加其它装置的情况下即可满足作物脱粒奇偶分离的技术要求。因此，同级别联合收割机的通过能力比传统脱粒装置加键式逐稿器要高。轴流滚筒式脱粒装置配以无级变速驱动装置可适应脱水稻、小麦、玉米和大豆等多种作物。结构设计如图1。

2.2 凹板筛的设计

凹板筛选定为栅格型。为使物料沿轴向方向分离更均匀，应当选择合适的栅格轴向与径向间距，以减少夹带损失和未脱净损失，在凹板筛上添加挡草圈。凹板可同时配合滚筒起脱粒和分离脱出物的作用。为使谷粒能快速分离，可避免和减少谷粒破碎，也能减轻分离装置的负担。想提高凹板的通过性，必须加大凹板的筛孔率。

纹杆滚筒式脱粒装置一般搭载栅格式与冲孔式的凹板结构。钢板冲孔式凹板的优点主要是工艺相对简单，但筛孔率仅为25%～30%，分离率一般小于50%，而格栅式凹板的筛孔率在40%～70%之间，凹板的分离率能达到75%以上，所以在此选用栅格式凹板筛。

栅格式凹板由横格板、侧弧板、筛条等结构组成（如图2），其凹板的整体结构分成两段或三段制造，凹板与滚筒的间隙可通过随意调节和改变。

2.3 顶盖的设计

顶盖的设计主要在于导向板的角度和高度。为减少复脱损失，提高复脱性能，应根据复脱区段的不同来选择导向板的角度。

滚筒盖板中的螺旋导向板与谷物在脱粒装置中旋转的圈数有关。谷粒旋转圈数随着导向板数量的增加而变大，同时谷粒的分离也更充分，但是碎茎秆的消耗功率也会增加。机器长度不同时，导向板数目也会随之变化，但一般数量为2～5块。为使谷物起到良好的导向作用，导向板应有一定的高度，对大中型机器为30～50 mm，小型机器为13～25 mm，导向板与齿顶间隙为10～20 mm。

导向板升角（即螺旋角）的大小和谷物在脱粒装置中轴向移动速度有关。螺旋角过小，谷物轴向移动速度小，脱粒時间长，因而生产率低，而且容易堵塞。螺旋角过大，谷物轴向移动速度过大，影响脱粒和分离质量。在图3中为导向板的配置。

导向板应作如下配置：在入口处用导向板横跨整个喂入口，这可以防止谷物返回。出口处只配置最后一条导向板的1/3，以使茎秆通畅地排出。各条导向板之间有一定的重叠量，以保证谷物受到连续的导向作用。

2.4 脱粒间隙的设计

脱粒间隙为滚筒与凹板组成的空隙（或称凹板间隙）。脱粒间隙可根据作物的大小来进行调节。通常情况下可按照一定规律来进行变化，间隙比在2与4之间。间隙比大而入口间隙小的脱粒分离能力比间隙比小而入口间隙大的强。主要原理是利用作物进入凹板内被滚筒抓取、打击后得到加速，而后随着脱粒间隙的减小，作物层逐渐拉开而变薄，于是谷粒就很快分离下来。试验证明如果采用的入口间隙较小，作物能很好地被抓取，并在入口处很快被拉开，可以使凹板前段的脱粒分离性能大为改善，采用小的脱粒间隙会使碎秸秆增多，而谷粒的破碎率则由于凹板前段能很快地分离而并不增加多少。入口间隙的减小会使作物堆成堆后进入滚筒，谷粒被压紧后很难从秸秆里面脱离或者分离出来，以至于脱粒装置的功率消耗增加。如入口间隙大于30 mm，凹版前面的分离的能力会减弱。总之，入口间隙要尽可能的调小以便作物能顺利进入下一入口，可有利于提高脱粒装置的工作效率。

脱粒间隙随着作物种类和脱粒分离质量来调节。现有的脱粒机上脱稻、麦的间隙一般为20～30 mm，脱大豆、玉米、高粱等为60～70 mm。喂入口与排出口布置在径向位置的轴流滚筒脱粒装置上，脱粒间隙在凹板入口处最大，出口处次之，凹板底部最小，一般比入口、出口处小10 mm左右。对纹杆式轴流滚筒入口处的间隙不宜超过30 mm，以免降低抓取能力。沿轴线方向的脱粒间隙可设计成由大（喂入处）逐渐减小（排出口处），以提高脱粒和分离能力。采用螺栓连接式半纹杆滚筒活动叶片与滚筒叶片连接，可以随时调节滚筒脱粒间隙。如下图4。

3 总结

本文中的复脱装置复脱滚筒由皮带轮带动，脱粒间隙采用调节活动叶片来实现可调整，提升了割前摘脱联合收割机复脱分离的工作性能，考虑不同混合物的物理特性，有针对性地设计出了工作性能更好、结构更合理的复脱分离装置。此新装置提高了各参数沿轴向分离的均匀性，包括断穗率、破碎率、水稻带柄率及含杂率等，而且最大程度降低了其脱净率和夹带损失率，真正发挥出梳脱式联合收割机高效、节能、可靠的特点。

复脱装置的工作过程如下：贴近凹板与导向板组成的圆通内弧面随着滚筒的单向旋转作螺旋运动，并且沿滚筒轴线方向流过此装置。谷粒混合物借助滚筒的离心力由凹板筛孔落下，而秸草则由滚筒的排草轮排出。不同情况的谷粒分阶段进行分离，生长成熟、饱满的谷粒在前半段则脱下，而一些不太成熟的谷粒到后半段才逐渐脱离。本脱粒装置可保证作物在其内部的停留时间超过2 s，能更好地保证分离效果，所以其脱净率比传统使用的切流式脱粒装置更高，同时还可保证工作过程的柔和性，减小受伤的谷粒数，增加脱粒效率。

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