禾本科牧草种子采集装置设计与试验

2022-07-07李凤鸣高晓宏苏佳佳

农业工程 2022年4期

李凤鸣，李伟，王强，刘伟，高晓宏，苏佳佳

（中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司，内蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

世界上草业发达国家，如美国、加拿大、丹麦、新西兰和澳大利亚等都已经形成了完善的草种收获机械化、规模化产业体系，草种采集和收获机械方面的技术相当成熟，且一直在向全程机械化、采集收割联合化、智能自动化的方向迅速发展[1-2]。近年来，国内外收获牧草种子使用较多的是经过改装的谷物联合收割机，是在传统的谷物联合收割机基础上更换部分零部件、改变一些工作参数完成的，其基本结构原理不变，即同样需完成牧草切割、输送、脱粒、分离和清选等工序[3]。

1 研究背景

目前，国内普遍使用的、经改装后的谷物联合收割机有JOHN DEERE 的W80 型（图1）和LOVOL 的GM80 型（图2）。在实际生产过程中，牧草的种子及草穗成熟、适宜收获时，其茎秆的含水率依然较高，切割收获后会导致牧草干燥不到位而发霉变质。现有谷物联合收割机全喂入收获方式不适用于牧草种子的收获，产量和质量均不高，抽检种子质量合格率只有50%[4-5]。2020 年，中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司基于割前梳脱收获机械化作业工序，采用气吸式割前梳刷脱粒工艺，研制出9ZZ-2.4 型自走式牧草种子收获机，如图3 所示[6-7]。

图1 W80 型谷物联合收割机Fig. 1 W80 grain combine harvester

图2 GM80 型谷物联合收割机Fig. 2 GM80 grain combine harvester

图3 9ZZ-2.4 型自走式牧草种子收获机Fig. 3 9ZZ-2.4 self-propelled grass seed harvester

该机主要用于对站立苜蓿植株上的种子和种荚进行割前梳刷脱粒，种子、种荚和断裂茎秆由于风机负压吸附而沿着风管进入沉降箱，质量密度较大的种子、种荚和茎秆等靠重力沉降到箱体底部，干草叶及尘土等轻杂随风由风机出风口排出，沉降在箱体内部的物料经排料部件排出至运输车内。由于豆科牧草种子和禾本科牧草种子的物理特性不同，禾本科牧草作物的行距不明显，且在收获时植株会有倒伏现象，而该机对于禾本科牧草种子的收获质量较差，损失率较高。在9ZZ-2.4 型自走式牧草种子收获机的基础上，研制一种新型的可与豆科采集台互换的禾本科牧草种子采集装置。

2 整体结构与工作原理

2.1 整体结构

采集装置与9ZZ-2.4 型自走式牧草种子收获机配套使用，通过自走式底盘上的连接点可与原豆科采集台互换使用。主要由安装架、上支撑吊架、采集装置壳体、带传动部件、刷辊、扶禾器、分禾器、保持臂、链轮、液压油缸和传动轴组成，整体结构如图4 所示。

图4 整体结构Fig. 4 Overall structure

采集装置对不同行距、倒伏的牧草植株进行采集收获，同时可实现采集高度的上下平移，以适应不同高度牧草种子的采收。

2.2 工作原理

自走式牧草种子收获机的动力通过链轮、传动轴及右侧的带传动部件传递给刷辊，尼龙刷辊顺时针高速旋转，从下至上梳刷、冲击牧草的穗部，牧草草种及草穗等物料被刷辊上面的尼龙丝梳刷脱粒后，由于自走式牧草种子收获机离心风机的吸附，物料随风从4 个出口沿波纹风管输送至物料沉降箱。工作过程中，可根据禾本科牧草作物植株的高低随时调整液压油缸的伸出长度，使采集装置处于最合适的收获高度。同时，均匀布置在采集装置壳体喂入口下方的扶禾器可将倒伏的牧草植株扶起，利用刷辊将植株上的种子及草穗梳刷脱粒采集。

3 结构设计和主要参数

3.1 主要参数确定

3.1.1 刷辊结构尺寸

刷辊结构如图5 所示，由刷辊轴管、半轴和尼龙丝等组成。刷辊轴设计直径为165 mm 钢管，左右两侧为半轴连接。由于国内大多数禾本科牧草草穗高度在500 mm以上，种子产量在450 kg/hm2左右，结合收获机正常工作速度及实际工作效率，设计刷辊工作幅宽为3 m，最低点的离地高度为150 mm，由此计算得出刷辊直径为700 mm。

图5 刷辊结构Fig. 5 Structure of brush roll

聚酰胺塑料强度较高且耐磨，所以本结构选用广泛应用的尼龙材料作为刷辊的刷毛[8]。刷辊尼龙丝的排列原则：一是尼龙丝的梳刷性能要好，即尼龙丝易于插入牧草植株之间；二是梳刷损失要小，即草穗被梳刷冲击的次数要足够多。综合考虑刷辊的加工工艺、制造成本及梳刷次数的要求，设计尼龙丝为螺旋排列，尼龙丝直径为2 mm，螺距及轴向丝距为8 mm，周向排列为每周35 行。

3.1.2 刷辊转速

参照脱粒机滚筒的线速度不超过35 m/s 的一般要求，刷辊的线速度设计值为34 m/s，转速为

式中n−刷辊转速，r/min

V−刷辊线速度，m/s

R−刷辊半径，m

经计算并考虑实际作业工况，最终选定刷辊转速为950 r/min，可保证顺利梳刷脱粒和草种不破碎。

3.1.3 上弧板前伸量及收获角

采集装置刷辊的梳刷原理如图6 所示，其中O点是刷辊的旋转中心点，其半径为R，O1点是采集装置壳体上弧板的圆弧中心点，其半径为R1。A点是上弧板下端与横管外表面的切点，B点是刷辊尼龙丝端部形成外圆的象限点，C点是AC连线与刷辊尼龙丝端部形成外圆的切点，称之为梳刷临界点，AC垂直于OC。在C点以上位置的草种及草穗能够完全被梳刷干净，只有极少数难于脱落的才在C点以下被脱落。将AB之间的距离称之为上弧板前伸量，将OA和OC形成的夹角α称为收获角。

图6 梳刷原理Fig. 6 Comb and brush principle

当刷辊的结构尺寸确定后，α角增大，前伸量AB则增大，草穗在C点前的梳刷时间增长，梳刷次数增多，损失减少。AB过大时，进风通道中的风速降低，则被梳刷下的草种及草穗有可能不被吸入沉降箱[9]。

按照梳刷脱净的相关要求，在A点与C点之间，刷辊转动一圈对草穗的梳刷次数＞20 次，依据刷辊工作转速、尼龙丝周向排列行数及采集装置壳体喂入口的牧草植株草穗高度幅差，当牧草收获机以最高工作速度9 km/h 作业并同时满足上述要求时，刷辊的转动角度为205.7°，转动时间为3.63×10−2s，以此确定采集装置的收获角α最小值为31.5°，综合考虑安全系数，最终选择的收获角α为36°，由此计算上弧板前伸量AB为80 mm。

3.2 平行4 连杆机构设计

如图7 所示，由于牧草植株的高低不同，在工作时，采集装置应能实现对不同高度植株的种子及草穗进行采集收获，而且在调整高度的同时还必须保证采集收获角不变，也即采集装置喂入口的对地角度不变。所以，设计了安装架、上支撑吊架、刷辊和保持臂4 者相互的铰接点形成平行4 连杆机构，通过液压油缸的伸缩可实现采集装置的平行升降，升降高度幅差为500 mm。

图7 平行4 连杆机构Fig. 7 Parallel four-bar linkage

3.3 扶禾器设计

为实现对倒伏牧草植株上的种子及草穗进行扶起后梳刷脱粒采集，在禾本科牧草种子采集装置壳体喂入口下方的横梁上设计了前伸式扶禾器，由扁钢和弹性斜杆焊合而成，如图8 所示。工作时深入禾丛，由其弹性斜杆将倒伏禾株扶起。扶禾器后端由螺栓固定在小支座上，小支座为间距100 mm 均匀布置。扶禾器伸出长度约350 mm，但不超出分禾器尖[10]。

图8 扶禾器结构Fig. 8 Structure of grain lifter

4 试验验证

装置试制完成后，将其安装在原有自走式牧草种子收获机的头部，在试制厂牧草种植基地进行了功能性试验，试验作物为披碱草。试验前对收获机及采集装置的外观进行了检查，对全部关键部位进行了再次紧固，之后对设备进行了现场调试和不带负荷试运转，最后将收获机及采集装置调整至最佳工作状态。试验现场如图9 所示。

图9 试验现场Fig. 9 Testing site

试验时收获机的正常工作速度为5.8～8.2 km/h，试验中分别对采集装置的技术参数、发动机转速、刷辊转速、收获效果及采集装置4 个出口风速进行了测定，各项参数数值均在设计允许误差范围内。测定值如表1～表3 所示。

表1 技术参数测定结果Tab. 1 Measurement results of technical parameters

表2 转速与收获效果的关系Tab. 2 Relationship between rotation speed and harvest effect

表3 出口风速测定结果Tab. 3 Measurement results of outlet wind speed单位：m/s

对上述数据及现场试验效果的分析表明：当发动机转速为1 550～1 600 r/min、刷辊转速为950～980 r/min 时，采集装置的梳刷采集效果较好，植株上残留的草穗较少且收获到的物料茎秆等杂质较少。另外，披肩草种子的悬浮速度为2.2～3.5 m/s，而对采集装置4 个出口平均风速的测定值均为其悬浮速度的3 倍以上，完全能够保证种子的可靠收获，说明采集装置的结构及参数选择合理。