毛叶苕子收获机的设计

徐朋飞 张厚东 廖结安 马雪亭 杨丙辉

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300）

毛叶苕子是一年生或越年生豆科草本植物，适应性强，在我国北方多数地区均可种植［1］。在现蕾至初花期阶段，毛叶苕子的茎、叶、杆中含有丰富的粗蛋白质，具有很高的饲用价值；在果园间作套种毛叶苕子时可起到蓄水保墒、降低主要作物病虫害的作用；同时刈割粉碎还田后还可增加土壤的有机质，起到改良土壤增强肥力的作用［2-4］，因此毛叶苕子是一种优良的牧草兼绿肥作物。

近年来，在国家推进生态文明建设的大背景下，发展绿肥符合农业调结构、转方式的要求，绿肥种植将进入全面恢复期。绿肥的生产环节主要包括种植、粉碎、翻压和种子收获等阶段，但是由于绿肥发展的特殊历史原因，目前在绿肥各个生产环节均缺乏相应的专用机械［5］，尤其是在种子收获环节，通常更多的研究是考虑将绿肥作物作为牧草收获，或者作为绿肥直接粉碎、翻压，客观上忽略了种子的收获环节，导致绿肥种子收获的专用作业机具研制工作基本是一个空白。

毛叶苕子作为一种典型的绿肥作物，现在种子的收获环节虽然可以借用稻麦、大豆等其它作物的联合收获机来实现一定程度机械化生产，但毛叶苕子是一种匍匐性的作物，有一定的缠绕性，因此借用的临时机械针对性差，作业效率和收获效果都不好，不适宜对该作物的收获。因此为了解决毛叶苕子种子收获时无专用机械，以及现有借用机械效率低、收获效果不好的现状，设计了一种毛叶苕子收获机械，从而来解决其种子收获问题，同时也为其它绿肥作物的种子收获提供一种参考。

1 整机结构及工作原理

1.1 毛叶苕子种子特征

毛叶苕子的荚果呈短矩形，两侧稍扁，长2～3 cm，宽0.6～1 cm，侧扁，先端具喙；花果期为4～10个月，具不明显的网脉,颜色淡黄，光滑、易爆裂，每荚含种子2～5粒。成熟后的种子呈圆球形，直径约0.3 cm，表皮黄褐色至黑褐色，种脐长相等于种子圆周1/7，千粒重10～30克［6］，如下图1和图2所示。

图1 毛叶苕子豆荚

图2 毛叶苕子种子

1.2 整体结构

根据毛叶苕子的植株和种子特征，设计了一种毛叶苕子种子联合收获机，主要由分禾器、切割器、弹齿拨禾器、螺旋输送器、输送滚筒、凹板筛、脱粒滚筒组、脱粒筛网、分离滚筒组、分离筛网、清选风扇、振动筛、搅龙、输送提升机构、集种箱、粉碎装置和机架等组成，如图3所示。

图3 毛叶苕子收获机整体结构示意图

1.3 工作原理

毛叶苕子收获机配套动力为功率为50 kw的柴油机，工作时动力经过传动系统传送给各个运动部件，当该收获机前进作业时分禾器会把作物分割为收割区和待收割区，从而避免侧边缠绕；同时利用弹齿拨禾器的弹齿将匍匐在地面的毛叶苕子挑起来，然后利用切割器进行切割，切断后的毛叶苕子植株会沿着弧形板向后输送，由螺旋输送器把割断后的毛叶苕子向中间集拢，并拨喂至输送滚筒，经输送滚筒的整理和提升传送到脱粒滚筒组，在脱粒滚筒组和凹板筛的搓揉作用下，毛叶苕子植株和种子被分离完成脱粒流程，此时种子和较小的轻杂质会漏到清选振动筛上；同时脱粒后的秸秆杂物会进一步经过多级的分离滚筒筛，将裹藏在秸秆杂物中的残存的种子也分离到清选振动筛上，然后在风力和振动的联合作用下完成毛叶苕子种子和轻杂质分离开，最后干净的种子经输送提升机构送至集种箱中，产生的秸秆则有分离滚筒组送至粉碎机构进行粉碎并最终排出机具外部，其基本工作流程如图4所示。

图4 毛叶苕子收获机作业流程图

1.4 基本参数

毛叶苕子收获机工作时为联合自走收获的方式，收割时采用全喂入方式，其主要技术参数如表1所示。

表1 毛叶苕子收获机的主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 收割装置

毛叶苕子收获机的收割装置主要由分禾器、弹齿拨禾器、切割刀具、螺旋输送器、割台架等组成，主要完成对毛叶苕子全喂入式的收割和集拢任务。该装置的设计充分考虑了毛叶苕子匍匐生长且有一定缠绕性的物理特性，设计时对传统的割台装置进行了改进，在割台两个侧面安装了分禾刀，从而避免割幅内侧和外侧之间毛叶苕子的相互缠绕；对于可能会出现的缠绕问题，在弹齿拨禾器的拨禾齿上配套相应的防缠绕梳刀，借助弹齿结构把匍匐在地面的毛叶苕子挑起来再进行切割，如果出现缠绕的情况则由于防缠绕梳刀的存在将缠绕物切断，同时将弹齿头部结构设计为三角锥形结构，便于摆脱缠绕，切割完成后的毛苕子通过螺旋输送器输送到脱粒分选装置进行毛叶苕子的脱粒作业。

由于毛叶苕子的特殊性，因此在设计时需要考虑作业速度、弹齿拨禾器转速、割幅等多种因素，从而来实现对毛叶苕子最佳的收获效果，收割装置的具体结构如下图5所示。

图5 毛叶苕子收割台

2.2 筛网

为保证毛叶苕子脱粒和分离的清洁度，同时为了进一步降低未脱粒干净造成的损失，设计了多组脱粒滚筒和分离输送滚筒，可以较好的将毛叶苕子种子分离出来。在毛叶苕子脱粒和筛选过程中，根据种子直径大小、密度和其它混杂物的差异，利用振动的筛面和吹风的方式对物料进行分离筛选。

由于脱粒和分离过程中，筛网筛孔的尺寸对效率和分离质量影响比较大，因此重点对脱粒筛网、分离筛网和振动筛网的筛孔进行设计。根据对100粒毛叶苕子种子直径的测量，毛叶苕子种子直径是2.5～3.8 mm，因此在脱粒筛网和分离筛网筛孔设计的时候，考虑脱粒过程中的杂碎物较多，种子下落受其它因素的影响较大，设计的脱粒筛网和分离筛网筛孔形状为长方形截面结构，网孔宽8 mm，网孔长15 mm；而对于振动筛网网孔则设计为圆形结构，网孔直径为6 mm，从而能更好的保证种子颗粒的分离与收集，如下图为分离筛网的结构。

图6 分离筛网结构示意图

2.3 粉碎装置

为了更好的体现毛叶苕子的绿肥价值，因此在茎秆排出机外时需要将毛叶苕子的茎秆粉碎为长度大小统一的切断物，这样可更好的粉碎还田，并经腐烂分解后为土壤提供营养，因此需要在毛叶苕子收获机尾部设计一个粉碎装置。对于粉碎后长度的控制问题，据统计还田茎秆切碎长度小于100 mm时比较好［7］，便于来年分解为土壤的有机质，因此茎秆理论切碎长度，根据相关公式［8］：

式中：l—切碎长度（mm）；

z—动刀片数量（片）；

n—粉碎转刀转速（r/min）；

v—作物喂入速度（m/s）。

本设计的应用参数，根据初步试验结果，喂入速度设计为3 m/s，滚刀转速为750 r/min，动刀片数量设计为4片，计算的切碎长度为60 mm，符合设计的基本要求。

2.4 脱粒装置

在收获毛叶苕子中，脱粒部件是必不可少的部分，目前收获机械大多数圆柱形的脱粒滚筒，因为考虑到设计方便，构造简单，因此在该机械中也设计为圆柱形的脱粒滚筒［9］。脱粒滚筒的设计考虑到滚筒直径的大小可影响毛叶苕子种子分离能力和生产效率，目前常用的收获机械滚筒直径在550-660 mm之间，根据该机械的设计要求，因此该机械的滚筒直径为600 mm左右，如下图是脱粒滚筒的三维图。

图7 脱粒滚筒三维结构图

3 作业参数确定

毛叶苕子收获机的作业性能主要通过损失率、含杂率、作业效率等指标来体现衡量的，而这些指标则通常受到毛叶苕子收获作业时的作业行进速度、弹齿拨禾器转速、割幅宽度等参数的影响，因此在设计时需要考虑以上的因素。

3.1 作业行进速度

毛叶苕子收获机在实际作业过程中，为了保证作业效果，通常需要考虑切割速度和作业行进速度之间的关系，即切割速比（割刀切割速度与收获机作业行进速度之比）的大小。如果切割速比过小，则割茬不整齐，切割质量不稳定，造成茎秆折断、拉断；而切割速比过大则可能发生重割，或造成割台振动加剧等异常情况［10］。

由于目前没有专用的毛叶苕子收获机作参考，因此统计了国内一些常见型号的联合收获机的作业行进速度和切割速比进行参考，如下表2所示是统计的相关数据。

表2 部分联合收获机的作业行进速度和切割速比

由表2可知，目前国内的小型联合收获机的切割速比为0.8-1.85 m/s，根据如下的计算公式［11］：

式中：i—切割速比；

v—割刀切割速度（m/s）；

vm—作业行进速度（m/s）。

根据研制小型毛叶苕子收获机械的要求，其割刀的切割速度一般设计为1-2 m/s［12］，本机具将v设计为1.8 m/s，取i=1.5，则收获机的作业行进速度vm为1.2 m/s左右。

3.2 弹齿拨禾轮转速

弹齿拨禾轮转速n的速度大小影响弹齿速度的大小，弹齿速度大小的不同也会对作物植株弹挑的效果有直接的影响，在通常情况下弹齿拨禾轮的半径一定时，转速n越小，弹齿的运行速度越小，喂入量越少，导致作物种子的掉落损失增加；相反当转速过大时，弹齿对作物的冲击力也会增大，喂入量会较大，增加后续输送和脱粒的效果，增大含杂率，因此在设计时需要匹配一个适当的转速，本机具在设计时通过试验确定滚筒转速的速度范围适宜在650-900 r/min之间。

3.3 割幅宽度

割副宽度大小也会影响作物的损失率，在一定的作业功率下，幅宽较窄时，喂入量过大容易产生滚筒阻塞、割台作物缠绕从而降低了收获效率；当幅宽较大时候，喂入量较小，行进速度、拨禾轮转速比较小，影响作业效率；同时还需要考虑机具的使用作业环境（传统果园行距一般为2 m或小面积地块种植）以及现阶段机具使用率的不高问题，本机具设计的割副宽度为1.5 m。

4 试验与结果

2018年7月30日和2018年8月20日，在河北省石家庄市工业园区试验田开展了田间试验，同时对毛叶苕子（专门作为试验特意种植）和紫花苜蓿两种作物进行收获作业试验，试验面积各为0.13 hm2，通过试验可知毛叶苕子收获机能够正常完成对种子的收获作业，且在割茬高度和粉碎长度方面也符合要求，整体上达到了最初的设计目标，如下表3所示为毛叶苕子收获机试验的试验结果，如下图7所示为毛苕子收割后的割茬高度及作物粉碎后的效果。

表3 毛叶苕子收获机试验结果

图8 毛叶苕子粉碎效果及割茬高度

5 结论与展望

（1）针对毛叶苕子种子收获时存在的问题，设计了一种毛叶苕子收获机，阐述了工作原理和基本参数，并对关键零部件进行了设计，同时确定了毛叶苕子收获机的基本作业参数。

（2）研制了毛叶苕子收获样机，并通过田间试验表明毛叶苕子收获损失率为15.6%，含杂率为4.5%，作业效率为0.32 hm2/h，达到了设计的基本要求。

（3）该样机的研制，为毛叶苕子种子的收获提供了一个作业机具，同时为其它绿肥作物种子的收获提供了一个参考，但在试验中转弯要求半径大，由于割茬要求低当遇到石块时对收割机械损害大，因此在此基础上重新设计为全喂入自走式联合收获机械，并且在收割装置设计安装超声波和红外线传感器遇到石块时可警告提醒，可以更好的保护机械装置，该机械目前的设计改进也表明当前机械要向着智能化、先进性机械化方向发展，也为后续绿肥生产作业全程机械化奠定基础。