多功能油菜联合收获机的现状及发展方向

分析了实现我国油菜机械化收获的意义,提出多功能油菜联合收获机是解决我国油菜机械化收获的关键,重点论述了多功能油菜联合收获机的关键技术、现状和发展方向。

多功能油菜联合收获机

4LZ（Y）-105型多功能油菜联合收获机，由上海市农业机械研究所、上海市农机技术推广站和上海向明总公司联合研制生产，是农业部科技跨越计划项目和上海市科技兴农重点攻关项目．已通过农业部专家验收鉴定，并获两项国家专利。

基于联合收获机平台的覆秸式油菜联合播种机研制

针对长江中下游稻油轮作区水稻收获后留茬高、传统旋耕装置秸秆还田能力不足导致油菜成苗率不高等问题,该研究设计了一种基于联合收获机平台的覆秸式油菜联合播种机。为提高机具通过性,结合曲柄滑块机构运动原理,根据运动学分析对悬挂装置结构进行改进,增大后悬挂装置离地间隙;为实现秸秆覆盖还田,基于联合收获机脱粒装置结构特点增设秸秆粉碎侧抛装置,对秸秆粉碎和抛送过程开展动力学和运动学分析,确定了秸秆粉碎和铺放质量的影响因素。以机具前进速度、发动机动力输出转速为试验因素,以碎土率、厢面平整度、秸秆粉碎合格率和秸秆铺放均匀性为试验指标,开展单因素试验与二因素三水平中心复合试验,得到各因素对试验指标的影响规律及响应面模型。试验结果表明,前进速度和发动机动力输出转速对种床质量及秸秆粉碎铺放效果均影响显著(P<0.05),在前进速度2.89 km/h、发动机动力输出转速2210 r/min时碎土率为85.65%,厢面平整度为20.06 mm,秸秆粉碎合格率为90.31%,秸秆铺放均匀性为89.33%,机具作业效果较优。对优化后的作业参数进行圆整并开展验证试验,结果表明,在前进速度3 km/h、发动机动力输出转速2200 r/min时,碎土率为85.69%,厢面平整度为21.32 mm,秸秆粉碎合格率为89.35%,秸秆铺放均匀性为88.07%,与理论值的偏差分别为0.04个百分点、1.26 mm、0.96和1.26个百分点。研究结果可为油菜机械化播种和一机多用提供新思路。

油菜联合收获机凸块扰流式旋风分离清选装置研究

针对油菜联合收获机旋风分离清选气流场分布存在死区,导致油菜脱出物分离不彻底,夹带损失率增加、清洁率降低等问题,提出了一种凸块扰流式旋风分离清选装置,通过旋风分离筒下锥段内壁螺旋间隔排列的圆柱磁块形成柱状凸起,扰动内部气流场。基于运动学与动力学分析开展了旋风分离气流场死区对油菜籽粒迁移的影响,分析表明气流场死区不利于杂余的分离;明确了凸块螺旋间隔排布方式,以旋风分离筒入口风速和吸杂口风速以及凸块排列的螺旋升角、间距、螺旋头数为试验因素,以清选装置清洁率、损失率为评价指标,基于自主研发的油菜联合收获关键部件试验台开展了单因素试验与Box-Behnken试验,建立了清洁率与损失率和影响因素之间的数学关系模型,得出了旋风分离清选装置最佳参数组合并开展了台架和田间验证试验。单因素试验结果表明,增加凸块扰流可提升旋风分离清选装置性能,当凸块采用4头均匀对称螺旋排布时,籽粒损失较少且清洁率较高;Box-Behnken试验结果表明,最佳参数组合为螺旋升角66.2°、凸块间距48.3 mm、入口风速4.9 m/s、吸杂口风速25.4 m/s,在最佳参数组合下,清洁率与损失率的预测值分别为94.71%和3.58%,台架验证试验测得清洁率与损失率的实测值分别为93.87%和4.21%。田间试验表明旋风分离清选装置田间作业顺畅,清洁率与损失率分别为90.03%~92.78%和4.52%~5.07%。该研究可为油菜联合收获清选装置结构优化和改进提供参考。

油菜籽联合收获机作业效果综合测评

我国油菜机收损失率过高,一个重要原因是在实际生产中大多用谷物联合收割机兼收油菜,收获损失难以精准把控,割台损失率、脱粒清选损失率、破碎率都过高,总损失率难以达到行业标准要求,亟待对专用油菜籽联合收获机实际作业性能进行科学准确评价,加大专用油菜籽联合收获机推广应用力度。为此,农业农村部农业机械化总站组织对国内主流的3款专用油菜籽联合收获机开展了包括作业性能和经济性能在内的作业效果综合测评。结果显示,3款机具的含杂率、破碎率、总损失率等作业性能指标均达到行业标准要求,满足生产需要,充分说明油菜籽专用联合收获机的作业性能比兼用收获机更为可靠;3款机具的作业效率均是人工收割油菜的100倍以上,包括人工、机具折旧、燃油在内的作业总成本只有人工的1/10,经济效果显著。通过结果分析,提出以收定种、耕种收一体推进油菜机收,大力发展高效低损油菜收获机具装备,加大机手培训指导减少机收损失等措施建议。

4LZ-4.0谷物联合收获机油菜割台设计与试验

油菜收获期植株高大、分枝牵连、易炸荚,机械化收获损失大。为减少联合收割机油菜收获损失,通过加长450 mm割台、安装1150 mm双动刀半刀距行程竖侧切割器、调整拨禾轮中心位置、降低拨禾轮转速至12~21 r/min、加高400 mm侧后围挡等方法,改进设计4LZ-4.0谷物联合收获机油菜割台。对样机进行三种油菜种植模式的田间收获损失试验,试验结果表明,油菜割台损失率为4.44%,总损失率为6.60%(<8.00%),分别较改进前降低45%和36%。本设计对油菜割台收获损失降低有一定的生产实践参考价值。

油菜联合收获机脱出物清选试验台

设计了一种离心气流清选和回转筛选组合式的风筛式清选试验台,论述了该试验台的基本结构和工作原理,分析确定了主要结构和运行参数。试验研究了离心风机转速、清选筛转速、筛面型式和提升螺旋输送器转速等主要影响因素与清选性能指标的关系,结果表明影响清选性能的因素主次顺序为清选筛转速、离心风机转速、筛面型式、提升螺旋输送器转速,且在离心风机转速为2 200 r/min,清选筛转速为60 r/min,筛面体采用长对角线6.7 mm、短对角线4.0 mm的菱形孔网眼筛,提升螺旋输送器转速为1 150 r/min时,清选性能指标达到最优。

油菜联合收获机脱出物空气动力学特性测定

油菜收获脱粒装置脱出物包含油菜籽粒、茎秆、荚壳和轻杂物4种成分,采用PS-20型物料悬浮速度试验台对脱出物悬浮速度进行了测定。结果显示籽粒悬浮速度随粒径呈线性关系,茎秆悬浮速度随直径呈二次多项式关系。茎秆长度(<100 mm)对其悬浮速度影响不显著;籽粒和茎秆悬浮速度较为接近,在7～10 m/s之间,远大于荚壳和轻杂物悬浮速度(1～3 m/s)。籽粒和荚壳悬浮速度与含水率呈线性增长关系,而茎秆和轻杂物悬浮速度与含水率呈指数增长关系。研究表明,清选时根据不同脱出物悬浮速度差异,采用气流清选可有效分离出悬浮速度较小的荚壳和轻杂物,气流清选流速以4～6 m/s为宜。

油菜联合收获机旋风分离清选系统设计与试验

针对传统油菜联合收获机多采用风筛式清选装置,其整机结构复杂、尺寸庞大,研制了一种适于油菜联合收获的旋风分离清选系统,分析确定了旋风分离筒、输送带式强制喂料装置的结构及其相关参数,采用单因素与二次旋转正交组合试验研究了旋风分离筒吸杂口风速、风量以及强制输送带线速度对油菜籽粒清洁率和损失率的影响,构建了籽粒清洁率、损失率与吸杂口风速、强制输送带线速度之间的回归方程,优化得出了最佳运行参数组合.试验结果表明：吸杂口风速为12~16 m/s,风量为0.375~0.501 m3/s,强制输送带线速度为1.570~1.884 m/s时,清选性能较好.选择吸杂口风速15.3 m/s、风量0.479 m3/s、强制输送带线速度1.570 m/s优化组合时,分析计算得出籽粒清洁率为96.98%.田间试验表明：采用取消链耙输送设计的油菜联合收获机能够保证物料喂入顺畅,旋风分离清选系统清洁率为90.21%,损失率为6.54%.该研究结果为旋风分离清选系统的结构优化和油菜联合收获机整机结构的改进提供了参考.

油菜联合收获机筛面粘附物摩擦特性

针对油菜联合收获机振动筛上的筛面粘附物堵塞筛孔、造成清选损失成倍增加等问题,分析了油菜筛面粘附物的主要成分及结构,得出了油菜筛面粘附物的尺度分布：77%集中在0.3-2.5 mm范围内,且不同尺度范围内筛面粘附物的主体成分明显不同。对油菜角果壳、主茎秆、枝茎秆和筛面粘附物与筛面基体间的摩擦特性进行了测定。结果表明：油菜茎秆、角果摩擦因数普遍随含水率的提高而增大,筛面粘附物与金属间的摩擦因数达到0.71。

油菜联合收获机分体组合式割台的设计

针对油菜联合收获机割台损失大和脱离滚筒因油菜茎秆高粗导致脱离装置出现堵塞的问题,在传统割台具有切割与推送系统的基础上增设了一种对茎秆具有初步切断和脱粒分离功能的油菜联合收获机分体组合式割台,并采用运动学和动力学方法分析确定了割台的复合式推运器和拨禾轮等关键部件参数。试验结果表明:设计的分体组合式割台集成了切割、拨禾、分禾、推送、初步切断茎秆和脱离的功能,可将油菜茎秆切断为长度小于450mm的短茎秆,能有效避免油菜茎秆堵塞脱离滚筒,提高脱离滚筒内部物料流动的通畅性,保证联合收获机的稳定性和适应性。

4LYB1-2.0型油菜联合收获机主要部件的设计

阐述了4LYB1-2.0型油菜联合收获机的总体结构,以及伸缩割台、脱粒分离、清选装置等主要工作部件的设计。田间性能测试表明:该机总损失率为5.7%、破碎率0.3%、含杂率2%,各项技术指标达到了油菜机械化收获的要求。

油菜联合收获机集成式纵轴流脱离装置设计与试验

针对油菜联合收获机链耙式输送器结构复杂、输送路程长、存在堵塞的问题,设计了一种集成式纵轴流脱粒分离装置,将强制喂入装置与纵轴流脱粒分离装置合二为一,二者呈"T"字形垂直排布,取代传统的链耙式输送器,依靠强制喂入装置和纵轴流脱粒分离装置实现油菜输送、抓取、脱粒分离功能。依据集成式纵轴流脱粒分离装置的工作过程,确定了强制喂入轮和纵轴流脱粒滚筒直径和转速等主要参数。试验表明,喂入量为2.0 kg/s,强制喂入轮转速在300~450 r/min时,该装置脱粒油菜的夹带损失率低于1.31%;强制喂入轮转速为400 r/min、喂入量在1.0~2.5 kg/s时,夹带损失率低于1.18%,符合油菜脱粒分离装置的设计指标。田间试验表明集成式纵轴流脱粒分离装置可适应油菜联合收获机的作业要求,实现物料由割台至脱粒分离装置的均匀连续输送和脱粒分离功能。

油菜联合收获机梳脱式割台设计

针对油菜植株生物学特性和成熟期果荚易炸裂的特点,设计一种油菜联合收获机的梳脱式割台。通过建立梳脱滚筒、拨禾轮等部件的运动学模型,确定拨禾轮、梳脱滚筒、切割装置和防飞溅罩壳的结构参数和运动参数,确定合理的参数组合,并开展梳脱滚筒运动仿真分析。结果表明,梳脱弹指间距为70 mm,弹指轴向倾角小于82°时,可以实现梳脱元件地面投影对作物完全覆盖;当机组前进速度为0.4~1.8 m/s时,为达到较好的梳脱效果,对应的拨禾轮转速和梳脱滚筒转速分别为20~30、220~270r/min,且二者的水平距离应大于374mm。仿真和田间试验表明,梳脱式割台可以实现油菜收获的拨禾、梳脱、抛送、切割等功能。

油菜联合收获机串并联组合式液压驱动系统设计与试验

针对传统油菜联合收获机运动部件多、机械传动路线长且结构复杂等问题,设计了1套应用于4LYZ-1.8型油菜联合收获机的串并联组合式双泵多马达液压驱动系统,通过液压系统测试确定了负载敏感系统节流阀开度与转速间关系;采用正交试验研究割台复合推运器转速、脱粒滚筒转速、抛扬机转速、强制喂入轮转速对负载敏感系统总功耗的影响;开展功耗分析试验对主要工作部件所在回路的功耗进行测量。正交试验方差分析表明:脱粒滚筒转速对负载敏感系统总功耗影响极显著,割台复合推运器转速、旋风分离筒入口风速对总功耗影响显著。液压回路功耗分析试验表明:油菜平均喂入量为1.5kg/s时,割台平均功耗为1.68kW,强制喂入轮平均功耗为1.00kW,脱粒滚筒平均功耗为5.11kW,抛扬机及输送装置平均功耗为2.28kW,风机平均功耗为1.80kW。田间试验表明:串并联组合式双泵多马达液压驱动系统可适应油菜联合收获机的作业要求,能根据不同作业工况实现无级调速。

4LL-1.5Y型履带式油菜联合收获机割台振动分析

针对油菜联合收获机振动剧烈,整机稳定性、工作可靠性和驾驶舒适性较差等问题,以4LL-1.5Y型履带式油菜联合收获机的割台为研究对象,在道路运输(仅发动机工作)、道路运输(发动机与工作部件同时工作)以及田间收获作业3种典型工况下,在割台上选择3个测点,利用DHDAS动态信号采集分析系统对油菜联合收获机割台振动进行了测试,并基于时域分析、小波分析和频域分析对试验数据进行了处理。研究表明:发动机、拨禾轮、割刀的振动是整机主要激振源,但作物喂入割台后,吸收了部分振动,使得拨禾轮和割刀的振动总量分别下降了23.5%和68.7%;振动信号主要集中在0~125 Hz内,油菜联合收获机割台上各激振力的激振频率以低频为主;油菜联合收获机工作时发动机引起的一阶惯性振动频率为29.18Hz;研究结果对提高油菜联合收获机工作的可靠性、降低收获损失、减轻驾驶员的疲劳具有重要意义。

油菜联合收获机割台振动对田间收获落粒影响分析

油菜联合收获机田间作业过程中,割台碰撞和振动引起油菜角果和籽粒脱落,导致割台落粒损失约占收获总损失(8%~10%)的50%,为研究割台振动对田间收获落粒的影响,以4LL1.5Y型履带式油菜联合收获机为研究对象,基于振源分析和在田间收获工况下对割台开展振动测试,确定引起割台振动的关键激振源是发动机(27.53 Hz)和割刀(7.93~8.53 Hz),然后基于Default Shaker液压振动台以0~40 Hz扫频方式确定出影响适收期“华油杂62”油菜角果籽粒脱落的最大频率段为5~10 Hz,在该频率段内开展激振频率对油菜角果和籽粒脱落影响的单因素试验。结果表明,Default Shaker液压振动台激振频率为7 Hz时,油菜植株在横向固定和纵向固定时,其油菜角果和籽粒脱落率均为最大,横向固定时油菜角果和籽粒脱落率最高达3.42%,而传统往复式割刀激振频率在8.0 Hz左右,位于5~10 Hz油菜角果和籽粒落粒最大的频率范围内,割刀的往复运动会引起油菜角果和油菜籽粒大幅落粒,因此割台振动也是造成油菜联合收获机割台落粒损失的重要原因之一。

油菜联合收获机切抛组合式纵轴流脱离装置设计与试验

针对传统油菜联合收获机链耙式输送器输送距离长、且易引起油菜高粗茎秆堵塞的问题,设计了一种切抛组合式纵轴流脱离装置,实现油菜的强制喂入、切断抛送、脱粒分离功能于一体,整机关键部件全部采用液压驱动,可保证其无级调速和运转平稳。通过对茎秆的运动学与动力学分析,确定了喂入辊、切碎滚筒和脱粒滚筒的结构参数与工作参数,以夹带损失率和功耗等为评价指标,开展了切碎滚筒转速、脱粒滚筒转速和脱粒间隙的正交试验。正交试验结果表明:较优参数组合为切碎滚筒转速450r/min、脱粒滚筒转速450r/min、脱粒间隙30mm,此时夹带损失率为0.415%,脱出物短茎秆质量分数为10.43%,切碎滚筒和脱粒滚筒总功耗为4.16kW,排草口茎秆平均长度134.8mm,对应的旋风分离清选系统籽粒总损失率为6.13%、清洁率为91.97%。田间试验表明,切抛组合式纵轴流脱离装置能实现物料由割台至脱离装置的均匀连续输送和脱粒分离功能,可满足油菜联合收获机的作业要求。

小型油菜联合收获机双风道气流清选装置的设计与试验

针对油菜收获脱粒清选中损失率与含杂率较高的现状,设计了一种配套小型油菜联合收获机的双风道气流清选装置,主要由圆盘分选筛、斜面集料器、清选筒、离心风机等组成。利用圆盘筛旋转产生的离心力作用对油菜脱出物进行初次筛分,分选得到的籽粒与小杂余的混合物,由斜面集料器收集滑入清选筒内,离心风机的运转使清选筒内产生负压气流,形成双向风道气流,对籽粒进行二次清选。基于流体动力学基本方程进行了双风道气流清选参数设计,利用ANSYS进行清选流场数值仿真分析,在自制试验台架进行了多因素正交试验。将油菜脱出物含杂率、清选筛转速和离心风机转速作为主要因素,通过单因素试验与正交试验,用清洁率与损失率对选定因素进行分析,得到最优清选方案。理论分析、数值模拟与试验结果基本吻合。结果表明:在喂入量为0.1 kg/s时,对于含杂率为15%的油菜脱出物,清选筛转速为50~80 r/min、离心风机转速为1 700~1 900 r/min时,清洁率为95.0%~98.5%,清选性能较好;含杂率为5%、清选筛转速为60 r/min、离心风机转速为1 800 r/min时,清选性能最优,清洁率达98.2%,含杂率小于4.2%。