油葵收获机拨禾板式割台装置研制

2021-04-15丁幼春白圣贺张学军鄢金山周鑫城

农业工程学报 2021年3期

靳伟，丁幼春，白圣贺，张学军，鄢金山，周鑫城

（1. 华中农业大学工学院，武汉430070；2. 新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐830052；3. 中国农业机械化科学研究院土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京100083；4. 新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐830052）

0 引言

油葵又称油用向日葵，属于大型菊科植物。油葵籽粒形状较为饱满、含油量高[1-2]。油葵是中国五大油料作物之一、世界第二大油料作物，油葵籽油含约66%的“亚油酸”，被誉为21世纪“健康营养油”[3-5]。油葵具有耐寒、耐旱、环境适应性较强等特点，可在贫瘠的土壤中生长，利用大面积的干旱地及盐碱地规模化种植油葵，既解决了土地资源浪费问题，还能满足日益增长的市场需求[6-8]。新疆凭借独特的水土和光热等自然环境，生产的油葵具有单产高、出油率高、油质好、不饱和脂肪酸含量高等特点，已成为中国优质油料作物的主产区[9]。

近年来，随着农业产业结构的不断调整，油葵作为新疆特色优质油料产业，种植面积逐年稳步增长[10-13]。截止2019年，新疆油葵种植面积达16.4万hm2，产量约为45万t[14-15]。随着油葵种植面积的不断扩大，机械化收获水平低已成为阻碍油葵产业快速发展的突出因素[16-17]。目前，新疆油葵联合收获机械是在小麦联合收获机的基础上对割台进行改装，其脱粒装置和割台不适应油葵收获；根据测定油葵收获时籽粒损伤率和损失率共计10%以上，现有机型不能满足油葵高效率、低损伤机械化收获要求[18-20]。同时，油葵品种和种植模式不同，油葵花盘的厚度和直径、油葵茎秆直径和高度等参数均存在较大的差异，现有油葵收获机割台装置不能满足油葵低损伤和低损失收获的要求，导致油葵收获损失率和损伤率均较高。因此实现油葵高效率、低损伤、低损失的机械化收获，促进油葵产业提质增效已成为亟待解决的难题。

国内研发人员经过长期深入研究、田间试验、机构优化，对玉米和小麦收获机进行改装，油葵机械化收获取得了一定的研究成果和经济效益[21-25]，但仍缺少关键核心技术，智能化检测水平较低、损失率较高。山东宁联机械制造有限责任公司设计的4LZ-4KH型油葵收割、脱粒与清选、收集联合作业机，油葵籽粒损失率较高[26]；张学军团队自主研发一种自走式油葵收割机，将油葵收割、输送、脱粒、清选等功能集成为一体，并在新疆吉木萨尔县油葵种植区进行试验，具有良好的适应性；该团队还设计了一种正多杆变隙式油葵脱粒装置，并对油葵割台和脱粒装置作业性能进行仿真分析，但其结构比较复杂[27-28]。国外对油葵收获技术与装备研究较早，已研发出兼用型联合收割机和专用油葵收获割台，籽粒损失率较低、收获效率较高，已实现大型化、专用化、系列化和标准化。但照搬国外技术和装备存在价格高、不适用国内油葵收获要求和种植模式[29-31]。

目前，国内学者对大豆、小麦、玉米等收获机械研究较多[31-32]，但对油葵割台研究较少，亟需研发一种适应性强、籽粒损失率低且效率较高的油葵联合收获机。4LZ-5YK型油葵联合收获机属于典型的自走式油葵联合收获机械，适合于不同品种和种植模式的油葵收获作业，但由于操作水平差异、结构和运动参数不够合理，导致割台收获籽粒损失率较高、螺旋输送器堵塞、油葵花盘脱净率较低等问题。为此，本文提出一种拨禾板式割台结构并通过试验确定油葵收获机前进速度、割台和拨禾板离地高度、拨禾板转速、割台与植株倾角、伸缩扒齿结构与转速等参数，以提高油葵联合收获机的作业性能。

1 拨禾板式割台结构与工作原理

1.1 割台整体结构

课题组通过调研新疆奇台县、吉木萨尔县、农六师103团、乌鲁木齐米东区三道坝镇新庄子村及呼图壁油葵的种植模式，确定了油葵种植的行距、株距、油葵茎秆直径和高度范围、油葵花盘直径及厚度等基础物理特性参数。油葵品种和种植模式存在很大差异，油葵花盘厚度和直径、油葵茎秆的直径和高度、不同品种油葵成熟期和籽粒与花盘的分离力等参数均存在较大差异。新疆种植面积较大的油葵品种为“矮大头”，种植行距250～450 mm、株距200～250 mm、膜距550～700 mm、茎秆直径20～50 mm、株高750～1 200 mm、油葵花盘直径90～180 mm。

4LZ-5YK型自走式油葵联合收获机拨禾板式割台装置（简称拨禾板式割台装置）结构如图1，主要由机架、动力输入链轮、摆环机构、往复式切割器、链传动机构、拨禾板高度调节机构、倾斜导板式分禾器、拨禾板支撑杆、进料口、U型拨禾齿、拨禾板、绞龙输送滚筒、伸缩扒齿机构等组成。拨禾板与分禾器之间的高度通过调节机构进行适当调整，割台与地面之间的高度可通过液压升降机构进行调整。

油葵种植模式及物理特性是设计油葵收获机的重要依据。根据调研结果，该装置采用倾斜导板式分禾器收集因碰撞掉落的油葵花盘和籽粒，往复式切割器切断油葵茎秆，主要技术参数如表1所示。

表1 拨禾板式割台装置主要参数Table 1 Main parameters of reel board header

1.2 工作原理

拨禾板式割台装置悬挂于自走式油葵收获机的前端，液压系统可调节割台距离地面的高度，动力由联合收获机的发动机提供，通过动力输入链轮输入到往复式切割器、拨禾板、绞龙输送滚筒。拨禾板式割台装置作业时，倾斜导板式分禾器接触油葵茎秆并将其导入两分禾器的缝隙中；随着分禾器在油葵行距中前进，拨禾板在旋转过程中将油葵向下施加压力的同时并拨向往复式切割器，切割器将油葵茎秆切断，油葵花盘被拨禾板推送至螺旋输送器中、掉落的油葵籽粒在倾斜导板中滚落至螺旋输送器中；在螺旋输送装置的作用下，被切断茎秆的油葵花盘和掉落的籽粒向中间进料口处聚集；螺旋输送器中部为伸缩扒齿机构，当伸缩扒齿转至接近拨禾板时伸出，将油葵和籽粒拨向进料口，随后伸缩扒齿开始回缩，防止回带、碰撞油葵花盘，实现油葵花盘的收割与输送。

2 关键机构设计

2.1 拨禾机构

倾斜导板式分禾器完成扶禾，拨禾机构实现按压油葵茎秆的功能。拨禾板式拨禾机构如图2所示，由机架、拨禾板调节机构、U型拨禾齿、拨禾板、中心轴等组成，其幅宽为5 000 mm、拨禾板宽度均为200 mm、U型拨禾齿均匀焊接在拨禾板下端。3个拨禾板组成正三角形，拨禾板之间的夹角为120°，拨禾板旋转时将油葵向下按压的同时将油葵花盘拨向绞龙，分禾器底部的往复式切割器将油葵茎秆切断。

拨禾板转速较高会增大拨禾板、拨禾齿与油葵花盘、茎秆之间的碰撞力，导致油葵籽粒大量脱落、甚至将油葵花盘撞碎，造成籽粒破损；拨禾板转速较低会影响油葵花盘收集和输送的效果，致使被切割器切断茎秆的油葵花盘掉落在绞龙输送滚筒外，易造成籽粒损失，因此，拨禾板的运动参数对油葵收获效果至关重要，需要对其运动特性进行分析。

2.1.1 拨禾机构运动特性分析

拨禾机构在驱动链轮的带动下周向旋转的同时随联合收获机平移运动，即U型拨禾齿运动为绕中心轴自转和随联合收获机平移运动的合成。根据机构运动分析，U型拨禾齿顶端的运动简图如图3所示。以拨禾板轴心到地面的投影点为坐标原点，沿水平方向为x轴、垂直向上为y轴，建立拨禾齿运动坐标系，U形拨禾齿的端点从最高点顺时针方向旋转，割台行走方向为x轴正方向。A点为拨禾齿端点初始位置，旋转半径为200 mm，运动时间为t，拨禾板转动角度为ωt，割台前进距离为tv0。

建立拨禾齿运动模型，获取拨禾齿端点的运动轨迹，通过对拨禾齿端点绝对运动轨迹方程求一阶导函数得拨禾齿端点速度方程，分析拨禾机构按压、输送油葵花盘的作业特性。在拨禾机构运动参考坐标系中，根据拨禾齿端点运动位移、速度之间的相互关系，推导出拨禾齿端点A绝对运动轨迹、速度方程，即拨禾齿运动模型如式（1）所示。

式中xA(t)为拨禾齿端点水平方向位移，mm；yA(t)为拨禾齿端点垂直方向位移，mm；vxA(t)为拨禾齿端点水平分速度，m/s；vyA(t)为拨禾齿端点垂直分速度，m/s。

由式（1）可知，拨禾板实现对油葵的拨送，即支撑油葵茎秆进行切割并将切断的油葵花盘拨入螺旋输送滚

筒中的过程，应当在U形拨禾齿旋转至将油葵下压并拨向绞龙的过程中完成，并有相对于地面的x轴负方向上的水平分速度。通过对拨禾板的运动分析，拨禾板将油葵向下按压、拨入螺旋输送器中的过程中，拨禾板端点A具有相对于地面与割台前进方向相反的水平分速度，由式（1）可得：

对式（2）化简得：

为了满足新疆油葵种植株距100～220 mm、茎秆直径20～50 mm模式下油葵低损收获，需要进一步精确设计拨禾板转速，研究拨禾板转速、机具前进速度与拨禾板结构参数之间的关系。

2.1.2 拨禾齿端点运动轨迹仿真分析

为了探索拨禾板转速、机具前进速度与拨禾板数量之间的关系以及不漏拨油葵花盘、低籽粒碰撞损失条件下拨禾板转速范围，利用MATLAB软件编写程序，求解拨禾齿不漏拨油葵花盘、低籽粒碰撞损失条件下拨禾板转速取值。结合4LZ-5YK型油葵联合收获机拨禾板式割台装置的结构和参数，参考文献[2]确定仿真参数：拨禾板轴心至地面的垂直距离600 mm，油葵茎秆留茬高度400 mm，以拨禾板轴心到地面投影点为坐标原点，沿水平方向为x轴、垂直向上为y轴，机具前进速度1 m/s，拨禾板转速120 r/min，拨禾板旋转半径200 mm，机具运行时间1 s，拨禾板圆周均布3排，拨禾齿的端点处于最高点的位置为运动仿真初始位置。将上述拨禾机构运动参数带入拨禾齿端点绝对运动轨迹方程式（1），利用MATLAB软件获取相邻两拨禾齿端点的运动轨迹曲线，如图4所示。通过对拨禾齿端点运动轨迹仿真，分析拨禾板转速、前进速度与拨禾板圆周均布数量之间的变化关系。在拨禾装置结构参数不变的情况下，拨禾板拨禾间距的大小取决于机具前进速度、转速、拨禾板圆周均布的数量。根据拨禾间距与其他因素水平的变化关系和推导式（3），求解拨禾板不漏拨油葵花盘、降低籽粒碰撞损失的条件下拨禾板转速的取值范围，相邻两拨禾板的拨禾间距按式（4）计算。

式中s为相邻两拨禾板拨禾间距，mm；n为拨禾板转速，r/min；m为拨禾板圆周均布数量，个；v0为机具的前进速度，m/s；smin为油葵最小株距值，mm。

由式（4）化简可得：

由式（5）可知，为了降低籽粒碰撞损失率，拨禾板转速应该取满足不等式关系的最小值。将上述参数即割台前进速度1 m/s、拨禾板均布数量3排、油葵最小株距值100 mm带入式（5）得拨禾板转速n≥200 r/min。拨禾板的转速过高会增大拨禾板和拨禾齿与油葵之间的碰撞，导致油葵籽粒脱落甚至将花盘撞碎，造成籽粒损失较多，还需要进一步分析和优化拨禾板转速等参数与油葵籽粒损失率之间的关系。

2.2 导板式分禾器

分禾器位于割台最前方，具有聚拢、扶禾油葵植株的作用，可使油葵花盘顺利导入割台，两侧分禾器将暂不收割的油葵植株拨向两边，以免杂物卷入割台的传动机构，造成油葵籽粒损失和传动机构堵塞。导板式分禾器由若干分禾器板均匀、横向排列组成，两分禾器之间存在一定间隙，使油葵顺利导入并且防止油葵籽粒掉落地面，其结构如图5所示。

该油葵导板式分禾器形状为楔形且倾斜安装，两分禾器间距由油葵种植行距和分禾器宽度确定，油葵种植行距250～450 mm，花盘直径90～180 mm，两分禾器之间距离大于花盘直径，为适应不同行距的种植环境，两分禾器间距取300 mm。割台工作过程中，油葵籽粒掉落在分禾器导板上，若分禾器较短将导致油葵籽粒掉落地面、造成籽粒损失，所以分禾器长度应大于切断后油葵株高，油葵正常生长株高750～1 200 mm，参考油葵收获割台装置工作性能仿真及试验研究[28]，设计分禾器长和宽分别为1 500和250 mm。

3 割台性能测定与油葵收获试验

3.1 割台性能测定试验

2018年8月19日，在新疆乌鲁木齐市米东区三道坝镇新庄子村进行拨禾板式油葵割台性能田间试验，油葵品种为新疆种植面积最大的“矮大头”，此品种种植密度6万株/hm2、行距440 mm、株距200 mm、膜距650 mm，株高750～1 200 mm、花盘直径90～180 mm、花盘厚度16～23 mm、籽粒含水率约20%～30%、茎秆直径20～50 mm、茎秆含水率65%～75%。根据前期对油葵植株和籽粒物理特性试验结果，结合割台运动特性仿真分析结果，确定割台性能试验因素和水平，如表2所示。

表2 试验因素水平Table 2 Factor level table of experiment

当油葵籽粒和植株性状参数满足上述割台性能试验条件后，开始试验，依据GB/T8097-2008《联合收获机试验方法》，随机选取5个区域，其长为10 m、宽为5 m，每个区域按照表3进行9次试验。拨禾板式割台装置挂接于油葵联合收获机前端，收集每个测试区域内所有掉落和未收获的油葵花盘，称质量并记为W1，每个测试区域收获的油葵花盘的质量记为W2，油葵花盘损失率SU按式（6）计算，平均损失率为5次试验结果的平均值，按式（7）计算。

根据割台拨禾机构运动特性仿真结果，设置油葵收获机前进速度1 m/s、拨禾板转速240 r/min、留茬高度400 mm，油葵花盘损失率试验结果如表3所示。由试验结果可知，不同因素组合对割台性能有一定的影响，油葵花盘损失率为2.04%～3.24%；当割台倾角25°、绞龙转速150 r/min、拨禾板与导板距离170 mm时，割台性能最佳，油葵花盘损失率为2.04%，满足油葵生产机械化作业技术标准。

表3 割台性能试验结果Table 3 Experimental results of header performance

3.2 油葵田间收获作业参数优化

3.2.1 试验因素与水平

田间收获试验的环境和割台性能试验相同，割台作业参数为表3中花盘损失率最优参数组合，即割台倾斜角度25°、绞龙转速150 r/min、拨禾板与导板距离170 mm。选用4LZ-5YK型油葵联合收获机拨禾板式割台装置进行试验，油葵收获机动力118 kW。根据拨禾齿运动特性仿真分析与油葵花盘损失率试验结果设计试验因素水平表，如表4所示。

表4 试验因素水平Table 4 Factor level table of experiment

3.2.2 油葵籽粒损失率及破损率试验方法

参考DB65/T3541-2013《葵花生产机械化技术》，设计油葵花盘收割正交试验。试验条件和地点同油葵割台性能测定试验，在油葵试验地随机选取5个区域，其长10 m、宽5 m，按照表5进行多因素正交试验，试验次数同前文即每个区域进行试验17次，油葵籽粒损失率和破损率取平均值。

拨禾板式割台装置分别收获每个区域内的油葵花盘，人工对每个区域收获的花盘进行脱粒、去除杂质并称质量，分别记为Ma1、Ma2、Ma3、Ma4、Ma5，每个试验区域收获的籽粒中破损籽粒质量分别记为Na1、Na2、Na3、Na4、Na5；收集油葵花盘收获作业后5个区域地面上以及未收获的油葵花盘中的籽粒，去除杂质并称质量，分别记为Mb1、Mb2、Mb3、Mb4、Mb5，每个试验区域损失籽粒中破损籽粒的质量分别记为Nb1、Nb2、Nb3、Nb4、Nb5。油葵收获机拨禾板式割台籽粒损失率η与破损率γ计算方法如式（8）所示。

式中Mai为每个试验区域割台收获油葵籽粒的质量，g；Mbi为每个试验区域割台漏收获油葵籽粒的质量，g；Nai为每个试验区域收获的籽粒中破损籽粒的质量，g；Nbi为每个试验区域损失籽粒中破损籽粒的质量，g；为试验区域割台收获油葵籽粒质量的均值，g；试验区域割台漏收获油葵籽粒质量的均值，g；试验区域收获的籽粒中破损籽粒质量的均值，g；试验区域损失籽粒中破损籽粒质量的均值，g。

3.2.3 试验结果与分析

根据Design-Expert软件Box-Benhnken中心组合设计理论，选定油葵收获机前进速度、拨禾板转速、茎秆留茬高度为影响因子进行响应面试验研究，以油葵籽粒损失率和破损率为响应值，采用三因素三水平二次回归正交试验方案进行参数优化。拨禾板式油葵割台装置田间试验如图6a所示，油葵籽粒损失率正交试验结果如表5所示，根据表5可知，油葵籽粒损失率为2.00%～5.28%，破损率为0.67%～1.89%。

图6b为割台收获油葵花盘田间试验效果，茎秆留茬高度500 mm左右，收获后的漏切割茎秆很少，除植株长势较矮且处于割台下部的油葵花盘未被收获，98%以上的花盘均能被有效收获，茎秆割茬整齐，满足葵花生产技术要求。

表5 油葵收获试验方案与结果Table 5 Harvesting experiment scheme and results of oil sunflower

3.2.4 回归模型建立与显著性检验

根据表5的试验方案和结果，通过Design-Expert 10.0.3.1软件展开多元回归拟合分析，建立油葵籽粒损失率与破损率对油葵收获机前进速度、留茬高度和拨禾板转速的响应面回归模型并进行方差分析，结果如表6所示。

由表6可知，影响油葵籽粒损失率的试验因素显著性由大到小顺序为拨禾板转速、留茬高度、油葵收获机前进速度；影响油葵籽粒破损率的试验因素显著性由大到小顺序为拨禾板转速、留茬高度、油葵收获机前进速度；响应面模型P均为0.000 1（P＜0.01），表明回归模型高度显著；失拟项P分别为0.557 8、0.553 3，表明回归模型拟合程度高，油葵收获割台的工作参数可由回归模型优化。中V、H、N、VH、V2对油葵籽粒损失率和籽粒破损率模型回归模型影响极显著（P＜0.01）。

利用Design-Expert软件对油葵籽粒损失率和破损率进行参数最优化，获取各试验因素及相互作用对试验结果的响应关系。图7a为留茬高度选取中心水平400 mm时，油葵收获机前进速度与拨禾板转速对油葵籽粒损失率的交互响应曲面图。由图7a可知，油葵籽粒损失率响应曲面随拨禾板转速的变化较快，拨禾板转速对油葵籽粒损失率的作用比油葵收获机前进速度的作用显著。图7b为拨禾板转速选取中心水平200 r/min时，油葵收获机前进速度与留茬高度对油葵籽粒破损率的交互响应曲面图。由图7b可知，油葵籽粒破损率的响应曲面随留茬高度的变化较快，留茬高度对油葵籽粒破损率的作用比油葵收获机前进速度的作用显著。

表6 油葵籽粒损失率与破损率方差分析Table 6 Variance analysis of oil sunflower grain loss rate and damage rate

3.3 参数优化与田间试验验证

为了使油葵收获机拨禾板式割台装置的工作性能达到最佳状态，利用Design-expert数据优化软件对油葵籽粒损失率和破损率进行多目标优化。依据油葵收获机拨禾板割台的作业条件、油葵籽粒损失率与破损率的回归模型的相关分析，并设置约束条件即油葵收获机前进速度1～3 m/s、茎秆留茬高度200～600 mm、拨禾板转速150～250 r/min；优化指标为油葵籽粒损失率η和破损率γ，取目标函数的极小值，如式（9）所示。

优化结果为收获机前进速度1.23 m/s、留茬高度571.52 mm、拨禾板转速239.75 r/min，此时油葵籽粒损失率与破损率的预测值分别为2.10%和0.62%。

2018年8月26日，项目组在新疆乌鲁木齐市米东区三道坝镇新庄子村油葵试验田进行验证试验，试验条件和方法与上述油葵田间收获试验参数优化相同，参考DB65/T3541-2013《葵花生产机械化作业技术》，计算籽粒损失率及破损率。依据田间实际试验条件，重复试验3次，圆整油葵收获机前进速度为1.2 m/s、拨禾板转速为240 r/min、茎秆留茬高度为570 mm。

试验结果如表7所示，油葵籽粒损失率与破损率的理论优化值和田间试验值之间的相对误差分别为0.20和0.03个百分点，参数优化模型较准确。当收获机前进速度1.2 m/s、拨禾板转速240 r/min、茎秆留茬高度570 mm时，油葵籽粒损失率与破损率分别为1.90%、0.65%。