纵轴流式小麦收获机滚筒设计与试验

孟凡虎，姜 萌，耿端阳，林连华，徐海港

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049；2.山东时风(集团)有限责任公司，山东 高唐 252800)

0 引言

我国是一个农业大国，“三农”一直是国家重点扶持和发展的对象。随着我国农业机械化水平的不断提高，小麦机械化收获技术也在不断进步和发展。截止到2016年，我国小麦机收率达到84%以上，主产区甚至达到96%以上[1-3]。但是，随着我国土地集约化的发展及农作物产量的不断提高，传统切流(横流)式小麦收获机难以满足大喂入量小麦收获的矛盾逐渐显现，国内许多小麦收获机骨干企业和学者都加强了对轴流滚筒式小麦收获机的研究，特别是作为收获机核心技术的纵轴流脱粒系统，成为当前谷物收获机的重点研究内容[4-9]。

目前，市场上小麦收获机多采用切流式脱粒和横轴流两种脱粒方式。切流脱粒方式由于脱粒时间短很难满足大喂入量作业的脱净率要求；同时，由于脱粒强度过大容易导致籽粒破碎率上升，所以这种方式难以满足大喂入量小麦收获的性能要求[10-12]。横轴流脱粒分离方式由于受到空间位置的限制，脱粒滚筒不能太长，因此脱粒和分离能力受到极大限制，在喂入量较大时会出现脱粒、分离不彻底及夹带损失较大等问题[13]。

纵轴流脱粒技术具有横向尺寸小，脱粒、分离时间长等优点[14]。纵轴流又分为单纵轴流和双纵轴流两种，双纵轴流因为横向距离太宽、成本较高、加工工序复杂等原因受到各种限制，因此本文主要对单纵轴流滚筒进行试验研究[15]。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构

单纵轴流脱粒滚筒主要由喂入螺旋、辐盘、纹杆座及排草板等组成，如图1所示。脱粒滚筒按照功能分为前后两大部分：前半部分将待脱谷物顺畅导入脱粒滚筒与凹板之间，后半部分将谷物脱粒及将籽粒从脱出物中分离。对于前半部分，其结构由3个成一定角度的叶片和导料月牙组成：导料月牙通过旋转对谷物产生离心力，使其导向喂入螺旋的作用范围；喂入螺旋作用于范围内的谷物导向脱粒滚筒与凹板间隙，这里的凹板间隙分为入口间隙和出口间隙，为了使得小麦顺畅进入脱粒区入口间隙常大于出口间隙，出口间隙采用偏心结构进行调整(一端用螺栓固定，另一端采用螺纹杆调节结构)。后半部分为滚筒壳体、纹杆座及排草板等组成：纹杆座以螺旋线结构安装于滚筒壳体，实现谷物沿脱粒滚筒轴线方向以螺旋形前进，并在该运动过程中不断受到凹板栅条的阻挡和纹杆座的反复冲击、揉搓来完成脱粒和籽粒的分离。其主要参数如表1所示。

1.前半轴 2.导料月牙 3.喂入螺旋 4.脱粒凹板 5.分离凹板 6.排草板 7.后半轴 8.滚筒盖 9.纹杆座组合 10.滚筒壳体 11.凹板调节机构 12.喂入锥体图1 稻麦联合收获机纵轴流脱粒装置Fig.1 Vertical flow drum of rice wheat combine harvester表1 纵轴流滚筒主要参数Table 1 Main parameters of longitudinal flow drum

项目单位参数脱粒滚筒形式单纵轴流纹杆座式脱粒滚筒尺寸mmϕ650×2860脱粒凹板入口间隙mm40脱粒凹板出口间隙mm5～40凹板包角(°)210

1.2 工作原理

工作时，来自过桥的谷物在高速旋转导料月牙的作用下被甩向周边，进而被位于其后的喂入螺旋抓取，并被拖入；在纹杆座配合凹板的冲击、揉搓作用下，谷物完成籽粒与茎秆的分离，凹板间隙的大小直接影响谷物的含杂率。在此过程，由于纹杆座呈螺旋线方式分布，所以在谷物脱粒的同时起到往后推动脱粒混合物的作用。凹板间隙可由凹板调节机构实现大范围调节，以满足不同作物、不同含水率作物收获的脱粒需要；另外，当脱粒过程发生堵塞时也可快速清理。在此过程，为了延长谷物的脱粒时间，该脱粒滚筒采用前低后高的倾斜式放置，让其具有一定倾斜角度，来改善滚筒的脱粒性能。

2 关键部件设计

2.1 喂入螺旋设计

喂入螺旋是喂入系统的主要部件，主要功能是保证谷物由输送过桥持续稳定导入脱粒滚筒与凹板之间，防止谷物在此堆积和堵塞，提高系统工作的可靠性。喂入螺旋的结构如图2所示。

1.三爪 2.叶片 3.加强板图2 喂入螺旋Fig.2 Feed screw structure

滚筒的喂入螺旋由3个沿圆周方向均布的大端高度为310mm叶片组成。为了最大限度地提高叶片的导向作用和旋转产生对谷物的向内吸力，叶片的大端直接固定在三爪上，小端通过加强筋连接在脱粒滚筒前部的锥体上。为了强化旋转带来的风向，以形成稳定的轴向吸引力，从而强化谷物向脱粒滚筒与凹板之间的导向能力，将叶片设计为沿中部向旋转方向的折弯结构，折弯半径约为150mm，叶片的折弯角度为49°。

2.2 脱粒元件设计

为了提高脱粒效果和脱粒过程的工作可靠性，本脱粒元件设计为组合式结构，即该纹杆座组合由脱粒板、纹杆头、纹杆座、平衡块以及螺栓所组成，如图3所示。

为了增强脱粒效果，本滚筒的脱粒元件按照三头螺旋线方式进行布置，设其螺旋角为φ，滚筒直径为D，则螺旋线的导程为

l=πDtanφ

假设轴流脱粒滚筒单位长度脱下籽粒的百分比为脱粒强度系数，用α表示，显然脱粒强度系数与滚筒转速、脱粒元件类型及脱粒间隙等因素有关；谷物初始籽粒含量为y，则任意段单位长度未脱下的籽粒含量为y(1-α)，即

dy/dx=(1-α)y

解之得

lny=(1-α)x+c

根据当前的麦草比一般为1∶1.1，即当x=0时，其秸秆未脱下的籽粒为c，代入上式即可得到

lny=c

y=Ce(1-α)x

由于本纹杆座组合由脱粒板和纹杆头组成，所以该结构既发挥了纹杆脱粒元件揉搓破碎低的优势，又集成了钉齿抓取茎秆和冲击能力强的优势，为适合大喂入量和收获不同作物创造了条件。例如，对于易脱的作物(小麦、大豆、大麦、油菜等)将脱粒板安装在纹杆座左侧的位置，提高对茎秆的抓取能力；对于比较难脱粒的作物(水稻等)就需要将脱粒板由图3位置更换至平衡垫板的左侧，以提高对水稻的梳刷作用；对于特别难脱的作物，可以采取在两个位置同时安装脱粒板的方法进一步提高梳刷作用。

1.脱粒板 2.纹杆头 3.螺栓 4.平衡块 5.纹杆座图3 纹杆座组合Fig.3 Bar assembly

如前文所述，脱粒滚筒分为前后两段结构，前段将大部分籽粒可以脱下并分离，其余未脱下的籽粒在螺旋式脱粒元件作用下，一边沿滚筒轴线方向后移，一边不断翻转秸秆，实现未脱下谷物与脱粒元件的直接接触，大大改善谷物的脱粒效果；随着秸秆层厚度的不断变小，也有利于脱下籽粒与茎秆的分离。当然，由于滚筒后段脱粒物的不断减少，所以有些机型甚至将分离凹板改为分段结构，从而实现脱粒滚筒不同位置脱粒间隙的不断变化，提高对逐渐减少的剩余脱粒物的适应性，不断减少谷物的脱粒损失。

3 试验设计与数据分析

为了验证上述分析的正确性，笔者选择了影响脱粒强度系数较大的滚筒转速、凹板间隙(脱粒系统的出口间隙)及滚筒倾角为试验参数，以评价脱粒性能的含杂率和损失率为评价指标，采用正交试验设计方法，探寻了影响脱粒性能因素的主次关系，确定所选参数的较优组合。为满足纵轴流滚筒脱粒的要求，参考国内外类似机型的参数确定了选定参数的试验水平，其因素与水平表如表2所示。试验结果如表3所示。

表2 试验因素与水平Table 2 Test factors and levels

表3 试验结果Table 3 Test scheme and result

3.1 试验结果与分析

3.1.1极差分析

滚筒转速、凹板间隙和滚筒倾角各水平对滚筒脱粒性能的影响如图4所示。

图4 各指标对损失率、含杂率的影响Fig.4 The influence of each index on the loss rate and impurity content

各考察因子的极差值越大，说明该因子对试验指标的影响越大，结合图4的试验结果，确定了谷物含杂率和损失率影响因素的主次关系，如表4所示。

表4 试验指标分析Table 4 Analys is of test indexes

3.1.2 方差分析

综合极差分析和方差分析可知：滚筒转速、凹板间隙和滚筒倾角对滚筒的脱粒效果的影响是不同的，如表5所示。

表5 滚筒性能指标方差分析Table 5 Variance analysis of roller performance

续表5

F0.1(3,6)=3.29；F0.05(3,6)=4.76；F0.01(3,6)=9.87。

由方差分析结果可知：滚筒转速、凹板间隙、滚筒倾角对滚筒脱粒性能指标均有显著作用。这表明所选参数正确，是影响该滚筒脱粒性能的主要因素。

在这3个参数中，滚筒转速对滚筒脱粒性能的2个指标均有显著影响，随着滚筒转速的提高谷物含杂率和损失率呈现先降后升的趋势。这是因为滚筒转速提高后，谷物被滚筒上的脱粒元件击打及被凹板撞击强度和次数增强，谷粒更容易从茎秆上脱下，并由凹板分离出来。

凹板间隙对谷物含杂率和损失率具有显著影响，间隙过大，脱粒空间增加，脱粒元件对茎秆的揉搓和冲击作用降低，从而影响了脱粒效果；间隙太小，会对谷物的冲击和揉搓作用加强，从而使茎秆破碎过于严重，影响了籽粒与茎秆的分离。

滚筒倾角对谷物含杂率和损失率有一定影响，当滚筒倾角增大时，由于延长了谷物的脱粒时间，所以滚筒脱粒更加彻底，谷粒的含杂率及损失率就呈现下降的趋势。

通过极差和方差分析，综合各试验因数对滚筒脱粒性能指标的影响及其优化组合，按照以谷物含杂率低、损失率低的原则，确定A3B2C4为较优组合。

4 结论

1)开发了一套纵轴流式滚筒脱粒装置，分析了该脱粒方式的工作原理，建立了脱净率与脱粒强度系数的数学模型，为纵轴流滚筒的改进设计提供了理论依据。

2)确定了滚筒脱粒装置中关键工作部件的工作参数，并验证了相关参数设计的合理性。

3)通过正交试验确定了影响谷物损失率的3个主次因素顺序为：滚筒转速、滚筒倾角、凹板间隙；影响谷物含杂率的3个主次因素顺序为：凹板间隙、滚筒转速、滚筒倾角。较优组合为滚筒转速800r/min、凹板间隙15mm、滚筒倾角8°，在该参数下谷物的含杂率为0.11%、损失率为0.29%，完全满足国家相关技术标准。