自走式藜麦联合收割机设计及试验

Design and experiments of self-propelled quinoa combine harvester

摘要

为提高藜麦机械化收获水平，解决普通谷物联合收割机收获时损失大、含杂高、喂入不畅等问题，针对收获期藜麦植株特性设计了一种大型自走式藜麦联合收割机。该机采用扩口式小行距链齿喂入割台、组合式纵轴流脱粒滚筒、专用编织筛凹板、双层往复式异向振动筛等装置，配合宽体过桥、脱粒滚筒无级变速和大脱分空间等设计实现了藜麦的顺畅喂入和高效脱粒分离，对关键部件进行了设计分析，并进行了田间试验。田间试验结果表明：当藜麦籽粒含水率为14.42%时，脱净率为96.83%、含杂率为4.41%、破损率为0.2%、割台损失率为1.14%、夹带损失率为1.73%，清选损失率为1.09%、飞溅损失率为0.16%、总损失率为4.13%；作业期间机具运行平稳，满足藜麦机械化收获要求。本文研究成果可为藜麦联合收割机设计及试验提供一定参考。

关键词

农业机械 / 联合收割机 / 藜麦 / 割台 / 脱粒滚筒

Key words

agricultural machinery / combine harvester / quinoa / header / threshing cylinder

0 引言

藜麦（Chenopodium quinoa Willd.），又称南美藜、印第安麦、奎藜、奎奴亚藜等，一年生苋科藜亚科藜属双子叶草本植物，原产南美洲，距今已有5000~7000多年的历史，具有良好的抗寒、抗旱、耐盐碱等特性^［1-4］。藜麦含有人体必需的18种氨基酸和婴儿必需的组氨酸，富含高蛋白、胆固醇、多种维生素和矿物质，具有低脂、低热量、低糖的特点，已成为三高人群、糖尿病患者、孕婴的理想食品^［2-7］。

中国藜麦主要种植在甘肃、青海、内蒙古和云南等地，藜麦种植面积呈逐年递增趋势^［2-4］。欧美国家藜麦种植面积较大，现有的联合收割机拨禾轮转速、切割器切割速度、机具前进速度、脱粒滚筒转速、离心风机转速等均可实现无级变速，能够根据藜麦品种、成熟状态等实现模块化参数动态调整，进而实现藜麦联合收获^［8-10］。近年来，海梅等^{［11，12］}针对普通谷物联合收割机收获藜麦清洁效果不理想、含杂率高等现象，对藜麦脱出物空气动力学特性进行了测试和分析；赵子龙等^［13］对浸水藜谷的机械特性进行了研究。目前，国内市场没有藜麦专用联合收割机，普通谷物联合收割机收获藜麦时表现出损失大、含杂高等问题。而国内大部分地区扔依靠人工种植和收获，劳动强大度，效率低，成熟期藜麦暴露于潮湿的空气中24 h会发芽，错过收获时间，将严重影响其产量，藜麦机械化收获水平严重影响了该产业的发展^［14-16］，研发高效低损的藜麦联合收割机至关重要^［17］。

为提高藜麦机械化收获水平，解决藜麦联合收获难题，本文拟设计一种大型自走式藜麦联合收割机。该机拟采用扩口式小行距链齿喂入割台、组合式纵轴流脱粒滚筒、专用编织筛凹板和双层往复式异向振动筛等装置，配合宽体过桥、双段式离心风机、杂余回滚筒二次复脱、脱粒滚筒无级变速调节和大脱分空间设计，实现藜麦的顺畅喂入和高效脱粒分离，减少割台损失，降低籽粒含杂率，并进行田间试验。本文以期为藜麦联合收割机的设计和试验提供一定参考。

1 藜麦种植农艺要求及植株特性

藜麦播种采用撒播、穴播和条播的方式，根据种植地区降雨量确定覆膜与否。黄土高原雨养农业区一般以覆膜穴播为主，播种时要求均匀排种、播深一致，一般行距为300~600 mm，株距为200~400 mm，播种深度为20~30 mm，最深不超过40 mm^［11］，土壤肥力较好地块单穴播种2~4粒，播种量为3 kg/hm^2［18］；肥力较差地块每穴播种5~8粒，播种量为6~7.5 kg/（hm²）^［19-21］。成熟期藜麦株高500~2500 mm，果穗水平宽度为200~300 mm，种子呈圆形药片状，直径为1.5~2.0 mm，千粒重为1.4~3.5 g^{［21，22］}（见图1）。随着藜麦植株高度的增加、果穗成形，抗倒伏能力逐渐降低^{［23，24］}，外加风力等外部作用会导致高杆藜麦出现大幅倒伏现象，普通谷物联合收割机无法收割倒伏藜麦，给藜麦机械化收获带来困难。

2 整机结构和工作原理

2.1 整机结构

大型自走式藜麦联合收割机由YC4A175-T300型水冷式4缸4冲程柴油机提供动力，整机包括切割喂入系统、脱粒分离系统、清选系统、储粮卸粮系统、行走系统、控制系统等。切割喂入系统包括扩口式小行距链齿喂入装置、输送搅龙、螺旋扶禾器、宽体过桥等；脱粒分离系统包括三段式纵轴流脱粒滚筒、专用编织筛凹板等；储粮卸粮系统包括螺旋输送器、粮仓、卸粮筒等。整机结构如图2所示，技术参数如表1所示。

2.2 工作原理

藜麦植株在扩口式小行距链齿喂入装置拨齿作用下被往复式割刀切割，再由输送搅龙、宽体过桥将藜麦植株送进脱粒滚筒进行脱粒分离。脱粒后藜麦茎秆被揉搓呈段状，在导草板作用下排出机外。藜麦籽粒、未脱净果穗、长茎秆、短茎秆、颖壳和轻杂由专用编织筛凹板落入清选系统，质量较轻的颖壳和轻杂被离心风机吹出机外，藜麦籽粒由上筛落入籽粒输送器后被输送至粮仓，短茎秆和长茎秆被上筛排出机外，未脱净果穗落入下筛由杂余筛输送至杂余搅龙后经复脱器二次复脱，直至完全脱粒为止。

3 关键部件设计

3.1 扩口式小行距链齿喂入割台

3.1.1 结构设计

为解决收割倒伏藜麦、高秆藜麦、不对行收获难题，本文设计了一种扩口式小行距链齿喂入割台，如图3所示。图3中，L为割幅，mm；W为宽体过桥宽度，mm，a为内分禾器间距，mm。该割台主要由外分禾器、内分禾器、链齿喂入装置、割刀、螺旋扶禾器、输送搅龙、后置防护网、宽体过桥等组成。

3.1.2 内分禾器参数设计

藜麦种植区域横跨黄土高原，为保证机具适应性和收割倒伏藜麦，内外分禾器端部应紧贴地面，内分禾器宽度应小于藜麦茎秆最大倾斜距离。不对行收获时藜麦茎秆随内分禾器的分禾作用向两侧倾斜（见图4（a）），当藜麦茎秆达到最大倾斜角度α时发生折断现象（见图4（b）），内分禾器的分禾宽度对割台顺畅喂入起到关键作用^［25］。图4中，b为相邻内分禾器间距，mm；c为内分禾器宽度，mm；l为内分禾器长度，mm；d为藜麦茎秆倾斜最大距离，mm；H为藜麦植株高度，mm；h ₁为倒伏藜麦茎秆根茬高度，mm；h ₂为藜麦茎秆重心高度，mm；h ₃为内分禾器前端高度，mm；α为藜麦茎秆倾斜最大角度，°。

为保证藜麦茎秆不被折断，其倾斜最大角度α和最大距离d必须满足以下条件^［26］：

\left\{\begin{array}{l}d\le c/\mathrm{2}\\ \alpha =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\frac{c}{\mathrm{2}h}\le \theta \end{array}\right. （1）

式中：h为内分禾器的离地高度，mm；θ为藜麦临界折断角，°。

经测量θ=15°~37°，h ₁=0~200 mm，则取h ₃=0~250 mm，由式（1）计算可得c'_max≤361.7 mm，考虑到内分禾器安装方式、强度要求，设计c=260 mm。

内分禾器长度和间距决定藜麦植株被切割后能否顺利进入割台。藜麦根部茎秆直径为12.09~19.08 mm，取计算用藜麦中下部茎秆平均直径为16.4 mm，极限尺寸偏差为7 mm，考虑链齿及内分禾器存在加工工艺和安装误差，取内分禾器间隙极限尺寸偏差为6 mm，根据可靠性设计方法^［27］，为保证99%的藜麦茎秆能被链齿送入割台，内分禾器间距b应满足：

\left\{\begin{array}{l}l\ge H-h_{\mathrm{g}}\\ \mathrm{1}-\mu \left(\frac{b-\mathrm{16.4}}{\sqrt[]{{\mathrm{7}}^{\mathrm{2}}+{\mathrm{6}}^{\mathrm{2}}}}\right)\le \mathrm{0.001}\end{array}\right. （2）

式中：h _g为割茬高度，mm；μ为标准正态分布函数。

查询标准正态分布表，由式（2）计算得b≥38.58 mm，则取b≥44.58 mm，长l≥1300 mm。内分禾器间隙影响割台喂入的流畅性。为保证不发生藜麦茎秆堵塞、断裂等现象，同时考虑割台损失和拨齿结构设计，取b=60 mm，l=1300 mm。

3.2 组合式纵轴流脱粒滚筒

针对成熟期藜麦植株含水率大、草谷比大、难分离等现象，本文采用组合式纵轴流脱粒滚筒，由锥形螺旋喂入头、纹杆+板齿组合式脱粒滚筒组成，脱粒段为纹杆式，分离段为板齿式，如图5所示。图5中，L ₁为锥形喂入段长度，mm；L ₂为脱粒段长度，mm；L ₃为分离段长度，mm；L ₄为排草段长度，mm； \varphi为脱粒滚筒直径，mm。

锥形螺旋喂入头由前堵板、倒料月牙、螺旋导草板、锥形筒体和辐盘焊接而成。锥形螺旋喂入头前端直径为400 mm，后端600 mm，后端直径与脱粒滚筒直径相等，取螺旋导草板最大直径为650 mm。藜麦植株在螺旋导草板作用下，以间歇螺旋形式沿脱粒滚筒轴向运动，假设藜麦植株轴向速度恒定，且藜麦植株轴向不可再压缩^［28］，由理论力学可知螺旋导草板与藜麦植株间存在摩擦力F _f和法向推力T，二者合力F ₀与T的夹角φ为植株与螺旋导草板的摩擦角（见图6）。

当最大螺旋升角α _max和螺旋导草板摩擦角λ满足α _max<45°-λ/2=31°时，藜麦植株轴向运输速度达到最大值^［29］，由此可得L ₁满足：

L ₁=π\varphitanα<555 mm（3）

参考整机空间布局设计，取L ₁=300 mm，计算得α=13.43°。

脱粒滚筒转速n _z的计算公式为：

n_{\mathrm{z}} = \mathrm{6} \times {\mathrm{10}}^{\mathrm{4}} \frac{v_{\mathrm{z}}}{\mathrm{\pi }\varphi } （4）

式中：v _z为脱粒滚筒线速度，m/s，藜麦脱粒原件临界线速度鲜见报道，根据前期试验结果，参考大豆、高粱、玉米等作物脱粒参数设计^［30］，同时考虑整机传动部件设置及功率损耗，取v _z=15~25 m/s。

由式（4）计算得n _z=477.46~795.77 r/min。脱粒滚筒纹杆脱粒块总数Z计算公式^［28］为：

Z \ge \frac{\left(\mathrm{1}-\lambda \right)q_{\mathrm{1}}}{\mathrm{0.6}{q}_{\mathrm{0}}} （5）

式中：λ为喂入作物中籽粒质量所占比例，取0.25；q ₁为整机喂入量，取10 kg/s；q ₀为单个纹杆脱粒块允许承担的喂入量，取0.085 kg/s。

脱粒滚筒脱粒段长度L ₂和总长度L _g计算公式^［29］为：

\left\{\begin{array}{l}{L}_{\mathrm{2}}=e\left(Z/K-\mathrm{1}\right)\\ L_{\mathrm{g}}=L_{\mathrm{1}}+L_{\mathrm{2}}+L_{\mathrm{3}}+L_{\mathrm{4}}\end{array}\right. （6）

式中：e为纹杆顶端齿迹距，常用25~50 mm，取50 mm；K为板齿螺旋头数，一般为2~5，取5。

由式（5）得Z≥147.06，为保证藜麦籽粒充分脱粒，取Z=148。本文取L ₁=300 mm，L ₃=775 mm，L ₄=220 mm， \varphi=600 mm，由式（6）得L ₂=1850 mm，L _g=3145 mm。脱粒间隙通过改变纹杆、板齿安装位置可在15~30 mm调整，脱粒滚筒转速在530~800 r/min由无级变速调节，喂入段导草板角度为45°，其余为22°。

为保证藜麦果穗完全脱粒，减少籽粒损伤，提高通过性，凹板采用专用编织筛凹板，总长为2845 mm，包角为180°（见图7）。图7中，i为筛条直径，mm；j为筛条间距，mm；L _a为编织筛长度，mm；Φ ₁为凹板宽度，mm。

栅条间距j=8 mm，筛条直径i=5 mm，凹板锥度为0°。凹板总面积S和凹板弧长L _a对脱粒装置的脱粒分离能力有显著影响，其关系式为：

S = {\Phi }_{\mathrm{1}} L_{\mathrm{a}} （7）

由式（7）计算得S=2.58 m²。

3.3 双层往复异向振动筛

3.3.1 结构设计

藜麦收获时茎秆含水率较高，脱出物流动性差、分离难，普通谷物联合收割机收获时损失率高达30%。为减少藜麦分离清选损失率和含杂率，同时最大程度实现藜麦茎秆饲料化，本文设计了双层往复式异向振动筛（见图8），可实现藜麦茎秆与籽粒的高效分离。

根据双层往复式异向振动筛工作原理，设定上筛物料质量为藜麦脱出物中藜麦籽粒、未脱净果穗、长茎秆和短茎秆的总质量，下筛物料质量为藜麦籽粒和未脱净果穗的总质量。为保证藜麦脱出物充分分离清选，上、下筛长度设计相等，振动筛尺寸取决于其表面积，喂入量和振动筛长度的计算公式^［30］为：

\left\{\begin{array}{l}{q}_{\mathrm{2}}=p/\mathrm{3600}{Y}_{\mathrm{1}}\\ L_{\mathrm{s}}=q_{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}-\epsilon k\right)/\left(B{q}_{\mathrm{s}}\right)\end{array}\right. （8）

式中：q ₂为上筛喂入量，kg/s；p为双层异向振动筛生产率，取1500 kg/h；L _s为上筛长度，m；ε为上筛上茎秆、果穗杂余占藜麦脱出物总质量比，取0.268；k为分离清选装置特性参数，取0.60；B为上筛宽度，取0.95 m；q _s为上筛单位面积允许承担藜麦脱出物喂入量，取0.75 kg/（s·m²）； Y_{\mathrm{1}}为藜麦联合收获时脱粒物料中籽粒质量所占比例。

由式（8）计算可得，L _s=708 mm，q ₂=0.6 kg/s，L ₂=708 mm，q ₃=0.12 kg/s。

根据藜麦脱出物尺寸，上、下筛鳞片宽度分别设计为10 mm、6 mm，相邻鳞片间距分别为4 mm、2 mm；鳞片开口角度可在0°~45°任意调节。

3.3.2 运动分析

双层往复式异向振动筛筛面上脱出物受力分析如图9所示。图9中，F为脱出物质点所受摩擦力，N；N为脱出物质点所受支持力，N；G为脱出物质点重力，N；P为脱出物质点所受气流作用力，N；β为风力方向与水平面的夹角，°；G ^*为脱粒物料质点所受系统惯性力，N；γ为筛面倾角，°；δ为筛面振动方向与水平面所夹锐角，°。

振动筛筛面运动可近似等效为往复直线运动，脱出物随筛面运动时同样受到气流作用，筛面位移S _s和气流作用力P的表达式为：

\left\{\begin{array}{l}{S}_{\mathrm{s}}=A\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\omega t\\ P=m{k}_{\mathrm{p}}{\xi }^{\mathrm{2}}=mg{\xi }^{\mathrm{2}}/v_{\mathrm{p}}^{\mathrm{2}}\end{array}\right. （9）

式中：A为筛面沿振动方向的单振幅，mm；ω为振动圆频率，rad/s；t为时间，s；P为气流对脱出物质点的作用力，N；m为脱出物质量，kg；k _p为脱出物漂浮系数；ξ为气流相对于质点的相对速度，m/s；v _p为脱出物漂浮速度，m/s。

在振动筛和气流的共同作用下，脱出物在筛面的运动形式与单颗粒定常运动有所不同。系统惯性力是脱出物在筛面产生相对运动的动力源，其力的方向决定了物料上滑、下滑的趋势。物料的上滑指数、下滑指数、脱离指数分别为：

（10）

式中：K ₀为振动式运动加速度比，即定常振动指数；K ₁为脱出物上滑指数；K ₂为脱出物下滑指数；K ₃为脱出物脱离指数； B_i、 C_i分别为计算用常数。

由式（9）（10）可知，藜麦脱出物应具有向上、向下滑动的趋势，且不被抛离筛面，同时向下滑动距离应大于向上滑动距离，则振动筛正常工作条件为K ₀>K ₃>K ₁>K ₂ ^{［31，32］}。经试验，藜麦籽粒悬浮速度为5.28~5.88 m/s，长茎秆速度为2.92~3.15 m/s，短茎秆速度为2.49~2.89 m/s，颖壳和轻杂速度为1.56~2.1 m/s^［15］，一般上筛Aω ²取值为（1.5~2）g，下筛为（1~1.5）g，曲轴半径r=23~30 mm，转速n=200~350 r/min^［29］。为保证藜麦籽粒及脱出物充分分离，本文取A=30 mm、ω=26.38 rad/s、β=27.5°、γ=3.8°、δ=26°、φ=19.4°、ξ=2.2~2.3 m/s、v _p=2.89 m/s^{［15，31，32］}，由式（10）得K ₀=2.12，K ₁=0.12、K ₂=0.93、K ₃=2.02，满足振动筛正常工作条件，同理可得下筛各参数值，同样满足振动筛正常工作条件。

随着鱼鳞筛开口角度的增大，藜麦籽粒、长茎秆、短茎秆在上、下筛筛面的运动范围逐渐缩小，脱出物向后运动的趋势逐渐增大，透筛性能逐渐增强。按照振动筛正常工作时定常指数K与K ₁、K ₂、K ₃间的关系，鱼鳞筛开口角度应为0°~22.5°。

4 田间试验

4.1 试验材料

自走式藜麦联合收割机作业性能试验于2020年10月23~28日在甘肃省武威市天祝藏族自治县松山镇进行。试验场地面积为0.45 hm²，所种藜麦品种为陇藜1号，植株高度为1812~2236 mm，株距为320 mm，行距为400 mm，整株果穗圆周直径为200~300 mm，籽粒直径为1.5~2.2 mm，千粒重为2.4~3.46 g，平均种植密度为1280 株/hm²，籽粒含水率为14.42%，茎秆含水率为18.17%。试验前检查作业机各部件工作状态正常，调整脱粒滚筒转速为720~750 r/min，鱼鳞筛开口角度为12°~16°，分别对机具切割、脱粒、分离、清选、排草等功能及作业效果进行验证。

4.2 试验方法

按照国家标准要求^［33-35］，保持割茬高度一致，作业流畅，试验场地按照割幅3 m划分为6等份区域，逐次进行联合收获试验，使用清洁编织袋进行取样并编号，前进距离为25 m。作业完成后使用精度为0.001 g的电子天平测量样品，各参数取平均值，根据文献［36，37］计算得出脱净率、含杂率、破损率、割台损失率、夹带损失率、清选损失率、飞溅损失率、总损失率。现场试验如图10所示。

4.3 试验结果

结合甘肃省藜麦种植特点，要求藜麦联合收割机脱净率≥95%，含杂率、总损失率均不超过5%，破损率、割台损失率、夹带损失率、清选损失率均不超过3%。按照试验所定标准，作业后割茬高度为400 mm，杂草较少，无堵塞、功率不足等现象。人工测量后计算得出各指标值，结果如表2所示。联合收获后的藜麦籽粒外形完整，破损现象较少，试验指标均达到相关标准要求，试验过程中机具工作平稳、脱粒效果较好、含杂率低、破碎率极低、总损失率较小，符合藜麦联合收获标准要求，可以进行藜麦联合收获作业。

5 结论

（1）为提高藜麦机械化收获水平，解决普通谷物联合收割机收获时损失大、含杂高、喂入不畅等问题，本文针对收获期藜麦植株特性，设计了一种大型自走式藜麦联合收割机。该机采用扩口式小行距链齿喂入割台、组合式纵轴流脱粒滚筒、专用编织筛凹板、双层往复式异向振动筛等结构，配合宽体过桥、脱粒滚筒无级变速调节和大脱分空间设计，实现了藜麦的顺畅喂入和高效脱粒分离。阐述了藜麦联合收割机的结构组成和工作原理，对关键部件进行结构设计并进行田间试验。

（2）脱粒滚筒和双层往复式异向振动筛透筛性能计算分析结果表明：脱粒滚筒转速在530~800 r/min内无级变速调节；双层往复式异向振动筛正常工作条件为K ₀>K ₃>K ₁>K ₂，计算得 K_{\mathrm{0}} = \mathrm{2.12}，K ₁=0.12、K ₂=0.93、K ₃=2.02，满足正常工作条件；鱼鳞筛开口角度应在0°~22.5°内选择。

（3）田间试验结果表明：藜麦籽粒含水率为14.42%时，脱净率为96.83%、含杂率为4.41%、破损率为0.2%、割台损失率为1.14%、夹带损失率为1.73%，清选损失率为1.09%、飞溅损失率为0.16%、总损失率为4.13%。作业期间机具运行平稳，作业指标符合试验标准，满足藜麦机械化收获要求，可以作为藜麦联合收割机使用。本文可为藜麦联合收割机设计和试验提供了一定参考。

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基金资助

中央引导地方科技发展专项项目(ZCYD-2020-6-2)

甘肃省农业农村厅科技项目(NJ2020-07)

国家现代农业产业技术体系建设项目(CARS-14-1-28)

甘肃农业大学伏羲青年英才培养计划项目(Gaufx-03Y01)

甘肃省教育厅优秀研究生“创新之星”项目(2021CXZX-362)