4SY-2.1型挂接式油菜割晒机设计与试验

王修善，谢方平*，吴明亮，刘大为，李旭，侯杰

(1.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128；2.智能农机装备湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128)

油菜是我国国产植物油第一大油源，其产量对保障我国油料的战略安全意义重大[1]。分段收获可充分利用油菜后熟特性，保障油品质量，同时可延长收获期、减小收获损失率[2-4]，是油菜机械化收获方式的重要发展方向[5-7]。割晒为油菜分段收获的重要环节，油菜割晒机配套装备的性能对油菜后熟与后续捡拾作业质量具有重要影响，开发稳定适用的油菜割晒机具对促进油菜分段收获方式推广应用具有重要意义。

国外实行分段收获时，大多采用大型专用自走式割晒机实现油菜割晒作业，虽然作业效率高但体积庞大，不适应我国油菜主产区种植模式与田块环境。近年来，国内开始对油菜专用的割晒装备进行研究。廖宜涛等[8]研发了适应于南方小田块油菜分段收获的4SY-1.8型手扶式油菜割晒机。王修善等[9]研发了小型履带自走油菜立式割晒机，对丘陵区小田块作业环境具有较好适应性。李海同等[10]研发了与小型履带拖拉机配套的手扶立式油菜割晒机。金诚谦等[11-13]研发了与联合收割机底盘配套的4SY-2型油菜割晒机，分析了输送铺放质量的主要影响因素，试验验证了对南方小田块移栽油菜的适应性。李平等[14-15]设计了与高地隙底盘配套的4SY-1.8型油菜割晒机，分析了影响割晒机田间作业质量的主要因素。蒋亚军等[16]在此基础上，研发了割幅更大的4SY-2.9型油菜割晒机，并通过振动分析对机架结构进行了优化。石增祥等[17-18]设计了与联合收割机配套的4SY-2.2型卧式油菜割晒机，分析得出了铺放角的影响因素。目前，我国油菜割晒机研究在油菜切割、输送、铺放等方面已有较大突破，但现有挂接型机具普遍为卧式结构，纵向尺寸大，挂接不便，影响推广应用。

为此，笔者结合我国南方油菜生产与农机使用的实际情况，以本课题组前期研制的油菜割晒机立式割台为基础，针对南方地区保有量较大的几款水稻联合收割机，通过设计割台挂接装置、割台升降与角度调节装置，匹配动力与传动系统，研发了与水稻联合收割机底盘配套使用的4SY-2.1型挂接式油菜割晒机，以期实现农户已有农机装备的“一机多用”，减少农户购机成本，提高油菜割晒机适用性，促进油菜机械化收获水平提高。

1 总体结构及主要技术指标

1.1 整体结构及工作原理

4SY-2.1型挂接式油菜割晒机适用于南方地区油菜割晒作业，与联合收割机底盘配套，主要由动力底盘、立式割台、割台挂接装置、割台升降与角度调节装置等部件组成，整体结构如图1所示。将农户已有的联合收割机底盘作为动力底盘，通过割台挂接装置将立式割台挂接于联合收割机输送槽，利用割台升降与角度调节装置进行位姿调整。作业前，通过割台挂接装置挂接于卸去割台的全喂入联合收割机输送槽。作业时，机具向前行走，将底盘动力沿输送槽经中间连接与传动装置传入立式割台，驱动割台输送装置、切割装置、分禾装置运动；分禾装置将机器正前方待割油菜植株与侧边交叠区域相互缠绕的油菜植株剪断分开，完成分禾；机具正前方的油菜植株在扶禾装置作用下进入割台被切断；切断后的油菜植株在输送装置的作用下竖直向割台一侧的排禾口输送，在割台一侧形成条状摊铺[9]。

图1 4SY-2.1型挂接式油菜割晒机

1.2 主要技术参数

割晒机工作时与南方常用履带式全喂入联合收割机配套，整机结构形式为挂接立式，采用往复式切割器，割后油菜植株的铺放形式为侧向摊铺。主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 立式割台

基于课题组前期研制的自走式油菜割晒机[9]，设计的立式割台如图2所示，主要由割台机架、扶禾器组件、切割装置、输送链组件、分禾装置构成。配置有半圆形挂接抱箍，作业时将割台机架铰接于割台挂接装置，使其能在一定角度范围内转动以调节割台角度。

图2 立式割台结构图

将扶禾器组件配置在割台正前方，作业过程中可将轻微倒伏的油菜植株扶正并引导植株进入割台后进行切割，根据幅宽，本机共配置7组。输送链组由三条带拨指的输送链构成，按上、中、下三个方位水平布置。中间输送链可带动扶禾器组件中的拨禾星轮转动[9]。由割台机架、扶禾器组件、输送链共同组成植株输送通道，可保证被切割后的油菜植株沿割台向一侧直立输送。将分禾装置安装在割台一侧，该装置由被动分禾器与竖割刀组成。作业时先由被动分禾器从下往上将大部分缠绕的油菜挤压分开，少量缠绕严重难以挤压分开的油菜植株则被竖割刀割断，从而最大程度减少因分禾造成的“掉枝”损失。

2.2 传动方案设计

作业时，4SY-2.1型挂接式油菜割晒机由配套的联合收割机原有割台动力驱动。动力由联合收割机输送槽通过V带或传动链输出，通过中间传动轴输入立式割台减速换向箱。减速换向箱输出动力后，一方面通过曲柄驱动主切割器做往复运动，另一方面驱动上、中、下三条输送链和竖割刀运动。传动系统根据配套联合收割机传动布置方式分为两种形式，传动方案如图3所示。

图3 4SY-2.1型挂接式油菜割晒机传动方案

2.3 割台升降装置

通过前期调研，选取市场保有量较大的几款履带式水稻联合收割机为配套机型，包括久保田688Q/758Q，沃得锐龙4LZ-4.0/5.0E，雷沃谷神RG50/60，星光4LZ-4.0S。根据各机型输送槽与传动特点设计的割台挂接装置结构如图4所示。

图4 割台挂接装置结构示意图

挂接装置主要包括挂接架、割台抱箍轴、中间传动轴，其中挂接架因考虑稳定性而被设计为三面体结构，各杆件尺寸及配套的螺栓孔与所匹配的联合收割机输送槽一致。抱箍轴组件如图5所示。割台抱箍轴为空心轴，与挂接架固定，中间传动轴同心安装于割台抱箍轴内。根据匹配的联合收割机割台动力输入方式不同，分为a、b两种类型割台抱箍轴。a型匹配割台动力输入为链传动的联合收割机，b型匹配割台动力输入为带传动的联合收割机。挂接装置通过螺栓与拆卸割台的联合收割机输送槽连接，割晒机割台通过抱箍挂接于抱箍轴。割台底部与挂接架间配有角度调节油缸，用于调节割台角度。

图5 抱箍轴组件

作业过程中，为适应地形与油菜植株高度变化，需在一定范围内调整割台高度；为保证切割输送效果，割台需保持竖直状态。4SY-2.1型挂接式油菜割晒机工作时，先通过高度调节油缸提升或降低联合收割机输送槽，整体调节割台高度，再根据高度调节后割台角度变化情况，调整角度调节油缸长度，使割台绕抱箍轴转动。角度调节油缸由联合收割机原割台拨禾轮升降液压系统驱动，无需另外引出液压管路。割台高度与角度调节液压系统原理如图6所示，其中割台角度控制阀为原联合收割机拨禾轮升降控制阀，卸掉原割台后接割台角度调节油缸。割台高度与角度调节原理如图7所示。

割台高度与角度调节原理：割台初始状态如图7(a)，此时割台处于竖直状态，图6中割台高度控制阀与角度控制阀均处于中位；如遇地形与油菜植株高度变化需升高割台高度时，先操作图6中割台高度控制阀手柄，使其移至左位，割台高度油缸伸长，割台随输送槽的转动升高，直至到达所需高度，再松开高度控制阀手柄使其恢复中位，割台此时处于向后倾斜状态，如图7(b)所示，然后操作图6中割台角度控制阀手柄，使其移至右位，在割台重力作用下，角度调节油缸缩短，割台以抱箍轴为中心转动，直至割台恢复与地面竖直状态，最后松开角度控制阀手柄使其恢复中位，使割台恢复竖直状态，如图7(c)所示；降低割台高度的操作顺序与升高割台一致，各阀的操作方向与升高割台时相反。

图6 割台高度与角度调节液压系统原理图

图7 割台高度与角度调节原理图

割台升降后，割台角度调节油缸长度与割台高度调节油缸长度所对应的关系可通过几何关系求出，如图8所示。

图8 割台在任意高度时的位置简图

l和L分别为割台角度调节油缸长度与高度调节油缸长度，l1—l10分别为联合收割机与立式割台到各铰接点的尺寸，为固定值，根据几何关系，在△EGD中，有：

因割台保持竖直状态，有：

联立式(1)(2)(3)(4)(5)可得割台角度调节油缸长度l与割台高度调节油缸长度L所对应的关系：

3 割台更换拆装试验

割晒机设计试制完成后，为验证配套不同型号联合收割机底盘使用时割台更换的便捷性，进行了割台更换拆装试验。试验时将配套联合收割机停靠于同一空旷平整地块，准备所需的工具与辅助割台移动的推车，采用相同的操作人员，将割晒割台与割台拆卸后的各型号联合收割机进行挂接，并记录各型号联合收割机原有割台拆卸及割晒机割台挂接各工序所需的人员以及时间，试验结果如表2。

表2 割台更换拆装试验结果

割台更换拆装试验结果表明：不同型号的联合收割机因原割台挂接结构方式、传动方式不同，更换割台所需的时间稍有区别，采用带传动输入割台动力的机型所需时间相对要长；割台更换拆装所需的工序中，原割台拆卸和新割台挂接两个工序所需时间相对要长；试验所用的机型均可在2名工作人员操作下，1小时内完成割台拆卸更换过程，操作性和便捷性良好，符合研发要求与农户实际需求，割台拆装试验现场如图9所示。

图9 割台拆装试验现场

4 田间试验

4.1 试验条件

2020年4月28日至30日在湖南省衡阳县西渡镇进行了田间油菜收割试验。试验油菜品种为湘杂油631，种植方式为机械直播，油菜角果处于黄熟期，无自然落粒，平均种植密度为69株/m2，植株自然高度平均值为1 692mm，平均分枝数为4.5枝，第一分枝高度平均值为1 045mm，角果层最大直径平均值为354mm，主茎秆直径平均值为14 mm。

4.2 油菜割晒作业评价指标

目前尚无专门的油菜割晒作业质量评价标准，考虑南方油菜种植田块环境下机具需频繁转向或掉头，容易碾压田间油菜铺条，且割铺后需晾晒后熟和捡拾脱粒，要求铺条整齐均匀，应以作业后机具对铺条碾压损失小、铺条有利于通风晾晒及后续捡拾脱粒作业为目标。参照相关研究[8,11,14,19]和已有的水稻、小麦割晒机作业质量评价标准[20]，选取铺放角、铺放角度差、铺层高度、铺放宽度为本机作业质量评价指标，其中：铺放角指铺条茎秆与机器前进方向后夹角；铺放角度差指铺条中茎秆铺放角最大差值；铺层高度指植株铺层最高点到地面的距离；铺放宽度指割晒后植株铺条宽度。

4.3 试验结果

试验过程中，根据田间油菜第一分枝高度，设定割茬高度为400 mm。试验过程中割晒机稳速直线行驶。割晒完成后，在整个试验区随机选取10段铺条，每段铺条长度1 m，测取计算每段铺条内油菜植株铺放角、铺层高度平均值，测取每段铺条铺放角度差、铺条宽度并计算平均值。试验结果：铺放角平均值为97.5°，铺放角度差平均值为9.5°，铺层高度平均值为435.5mm，铺放宽度平均值为1265mm。试验现场及田间摊铺效果如图10所示。

图10 割晒作业效果

试验结果表明：设计的挂接式油菜割晒机摊铺整齐有序，摊铺面积大，利于通风晾晒，铺条宽度与铺层高度满足2.0-2.2m幅宽履带联合收割机捡拾 脱粒作业。

5 结论

笔者设计了一种与联合收割机配套使用的挂接式油菜割晒机，主要由立式割台、割台挂接装置、传动系统、割台高度与角度调节系统组成，立式割台通过抱箍铰接于挂接装置，割台挂接装置安装于卸掉原割台的联合收割机输送槽。割台高度可根据要求自由调节且保持竖直方向角度不变。使用联合收割机底盘动力和液压系统，可实现农户已有联合收割机的“一机多用”，减少购机成本。设计了与市场上保有量较大的几款典型联合收割机匹配的挂接装置，进行了割台换拆装试验，试验表明，4SY-2.1型挂接式油菜割晒机与各机型均可在2名工作人员操作下，1小时内实现快速割台换装，挂机方便。田间试验表明：设计的挂接式油菜割晒机与联合收割机配套适用性强，切割顺利，输送顺畅，摊铺角度接近90°，铺条整齐有序，利于通风透气后熟，满足南方地区油菜分段收获要求。