王升升，师清翔，刘春亚，杨 芳

(河南科技大学 农业装备工程学院，河南 洛阳 471003)

0 引言

我国丘陵山区地域广大，耕地面积占我国耕地总面积的1/3左右，是我国重要的粮食生产基地[1-2]。由于丘陵山区耕地地块小且分散，道路等基础设施建设滞后，机器通过性较差，已成为制约我国农业机械化快速发展的瓶颈[3]。因此，实现谷物收获机械的小型化、轻便化是提高丘陵山区农业机械化水平的重要途径[4-5]。

脱粒装置是谷物联合收获机的核心工作部分,不仅在很大程度上决定了机器的脱粒质量和生产率,而且对后续的分离清选等作业也有很大影响[6]。现有的联合收获机多采用横向或纵向轴流脱粒滚筒，在满足收获性能的前提下，受丘陵山区地形制约，脱粒滚筒横向或纵向布置在整机宽带和长度尺寸方面均会影响整机的通过性和操作灵活性[7-8]。因此，研制适于丘陵山区的微型谷物联合收获机，不是简单地对整机尺寸的缩小，而是要研究新型收获部件及装置，在结构上做出创新性的改变。

为了有效解决我国丘陵山区谷物机械化收获所面临的难题，设计了一种适于丘陵山区微型谷物联合收获机的立式轴流脱粒装置，以期在保证脱粒性能的前提下，减小整机尺寸，增加谷物收获机的适应性。在理论计算的基础上，从运动学角度对谷物在立式轴流脱粒空间内的受力和运动状态进行分析，给出了物料在立式轴流脱粒装置各段需要满足的力学关系，推导得出谷物在脱粒装置内的轴向运动速度公式，并通过室内试验对脱粒装置的结构运动参数进行了优化。

1 设计原理及结构

1.1 设计原理

本文所设计的立式轴流脱粒装置是在认真分析河南科技大学自主设计的便携式微型谷物联合收割机的基础上进行的，如图1所示。

1.下锥形搅龙 2.上锥形搅龙 3.滚筒壳体 4.脱粒滚筒 5.吸杂风机 6.吸杂管道 7.链轮 8.上扬谷器管道 9.皮带轮 10.旋风分离筒 11.皮带轮 12.发动机 13.机架 14.拨禾轮 15.割刀轴 16.圆盘刀 17.变速箱 18.履带 19.下扬谷器管道 20.下扬谷器 21.上圆柱搅龙 22.下圆柱搅龙图1 微型谷物联合收割机结构简图Fig.1 Structure of miniature grain combine harvester

该机采用割前脱粒原理，依靠双螺旋搅龙将谷物穗头喂入到脱粒滚筒中，导致滚筒在整机配置时离地高度过低，影响了整机在地块狭小且存在高度落差的丘陵山区的适应性和通过性；另外，由于该联合收获机只能对行收获，需要谷物穗头沿滚筒轴向完全通过时才能实现脱粒，且机器受丘陵山区地形的限制，在地头边缘不能继续前进而出现无法收割整行的现象。

经过查阅文献和讨论，本研究将立式轴流脱粒装置应用于微型双行谷物联合收获机上。整机采用上下双割刀完成谷物的切割作业，由喂入轮将谷物喂入立式轴流脱粒装置。与全喂入脱粒滚筒相比，其功耗小，凹板分离物中的短茎秆较少；与半喂入脱粒装置相比，其割台不必安装精度要求较高且结构复杂的夹持输送装置，结构简单紧凑。与横轴流或纵轴流式脱粒装置相比，在保证脱粒性能的前提下，可有效减小整机宽度和长度尺寸，增加机器在丘陵山区的通过性。

1.2 总体设计

根据整机配置，设计立式轴流脱粒装置并进行室内性能试验。试验台主要由输送带和立式轴流脱粒装置两部分组成，如图2所示。输送带实现物料的铺放和输送，立式轴流脱粒装置由喂入轮、脱粒滚筒、分离凹板、罩壳及机架等组成。脱粒滚筒分喂入提升段和脱粒分离段，喂入提升段实现物料抓取和喂入，脱粒分离段实现物料脱粒和分离，并保证脱粒过程中物料的螺旋上升运动。

1.物料输送带 2.立式轴流滚筒 3.分离凹板 4.螺旋导向板 5.罩壳 6.螺旋推运叶片 7.喂入轮 8.机架 9.籽粒收集装置图2 立式轴流脱粒装置试验台结构示意图Fig.2 The Structure of vertical axial threshing mechanism test beach

为确保物料均匀进入立式轴流脱粒装置并能够充分脱粒，喂入口设计在脱粒装置的下方，喂入轮与滚筒保持相切的位置关系；出草口位于脱粒装置的顶部。工作时，谷物经由喂入轮从立式轴流滚筒的切向进入到脱粒装置内，在滚筒和螺旋导向板的共同作用下，物料做自下而上的螺旋上升运动，在此过程中，物料受到脱粒元件的冲击作用完成脱粒，在滚筒离心力和自身惯性的作用下，籽粒经栅格间隙被分离到凹板外并下落至籽粒收集装置内，秸秆经上方的出草口排出机外。

2 关键部件设计

2.1 喂入轮

喂入轮的作用是辅助谷物顺利地进入到脱粒装置内，主要由叶片、幅盘和喂入轮轴等组成。为了防止喂入到滚筒内的物料被回带出来，喂入轮的叶片采用后倾角安装，且喂入轮与脱粒滚筒相切安装，以确保物料顺利流畅地进入脱粒滚筒中。

2.2 立式轴流滚筒

立式轴流滚筒是脱粒装置的重要组成部分，主要由板齿、滚筒端盖、防缠挡圈、滚筒轴及螺旋推运叶片等组成，如图3所示。参考现有中小型谷物联合收获机整机结构及尺寸，该滚筒采用闭式圆柱滚筒，滚筒直径为360mm，长度为700mm，凹板与罩壳之间的间隙为50mm，被凹板分离出的籽粒、颖槺、断穗，以及短茎秆均从此间隙落进接料装置。

1.滚筒下端盖 2.下防缠挡圈 3.螺旋推运叶片 4.滚筒体 5.板齿 6.滚筒上端盖 7.滚筒轴 8.带轮 9.上防缠挡圈图3 立式轴流滚筒结构简图Fig.3 Schematic of vertical axial threshing cylinder

要使立式轴流脱粒装置正常工作，需要保证物料在不堵塞的情况下做螺旋上升运动。设计滚筒时，选择在滚筒下方0～210mm处安装螺旋推运叶片的方式，以便能够确保经喂入轮进入滚筒的物料先由螺旋推运叶片向上输送，然后再由按双头螺旋线排列且倾斜安装的板齿与导向板相配合向上输送物料，从而实现对物料在滚筒内运动状态的控制。

2.3 分离凹板

对于立式轴流脱粒装置，为防止物料在滚筒下方发生拥堵，影响脱粒装置的脱粒性能，分离凹板必须具有较强的分离能力。本脱粒装置分离凹板采用栅格筛形式，具有分离能力强、脱粒损失小及刚性好等优点。

凹板面积是决定脱粒装置生产率的重要决定因素。立式轴流脱粒装置的分离凹板包角理论上可以达到360°，但为了保证物料能顺畅地沿轴向螺旋上升运动，在脱粒滚筒罩壳上布置有螺旋导向板，辅助物料沿轴向运动，因此将立式轴流脱粒装置的凹板包角设计为270°。

3 谷物在脱粒过程中的运动分析

由立式轴流脱粒滚筒工作原理可知：谷物在喂入提升段和脱粒分离段的受力与运动状况不同，在导向板侧和凹板侧受力也不完全相同[9-10]。因此，需要分别对喂入提升段和脱粒分离段的受力情况进行分析。

3.1 喂入提升段

当喂入提升段的螺旋推运叶片以角速度ω绕滚筒轴旋转时，产生较大的离心力与摩擦力，位于叶片上的谷物一方面受到螺旋叶片的作用绕轴线转动，另一方面与叶片之间发生相对滑动沿轴线向上运动。

此时，谷物会分别受到螺旋推运叶片的支反力F1、物料之间的牵扯力F2、物料沿周向运动的惯性力F3、叶片对物料的摩擦力F4、凹板对物料的径向支撑力F5及自身重力G等力的作用，受力分析如图4所示。

要使谷物能够顺利地螺旋上升，则位于螺旋推运叶片上的谷物质点所受到的合力应等于0，即需要满足以下的条件

竖直方向：G+F4sinα=F2sinα+F1cosα

周向：F4cosα+F1sinα=F2cosα

径向：F3=F5

F3=mrω2,G=mg

式中α—螺旋推运叶片升角；

m—物料质量；

r—物料到滚筒轴线的距离。

位于叶片上的谷物质点的牵连速度v0为叶片上质点处的圆周速度，有

又有tanα=S/2πr，则有

(1)

式中n—滚筒转速(r/min)；

S—螺旋推运叶片的螺距。

速度方向沿质点回转的切线方向。

图4 谷物在喂入提升段时的受力分析Fig.4 Scheme of forces on grain in feeding of threshing roller

假设谷物与螺旋推运叶片的摩擦因数为μ，则绝对速度vn的方向相对于螺旋线的法线后偏一定角度，其大小为φ，并且有

μ=tanφ

由速度三角形可知，牵连速度与绝对速度满足如下关系，即

(2)

将式(1)代入式(2)并进行三角变换得

(3)

绝对速度vn可以分解成沿滚筒轴线的轴向速度vz和沿滚筒切线的切向速度vq。轴向速度使谷物自下而上运动，切向速度使谷物在上升过程中翻动和搅拌，所以有

(4)

要使谷物能够自下而上螺旋运动，则物料沿滚筒轴向的运动速度应大于0，即需要满足

1-μtanα>0

即α<90°-φ

(5)

3.2 脱粒分离段

当谷物被螺旋推运叶片提升到脱粒分离段后，其运动情况将会变得更加复杂，谷物不仅会受到脱粒元件的冲击作用，而且还会受到滚筒罩壳上导向板的作用。由于位于板齿上物料的受力情况与螺旋推运叶片上的完全相同，故不再分析(见图4)。

由于谷物在凹板侧受到滚筒的强烈冲击，高速接触到罩壳上的导向板，并依靠自身惯性沿导向板做螺旋运动。在这种状态下，处在导向板之间的物料也会受到来自导向板的支反力F1、沿周向运动时的惯性力F2、导向板及罩壳与物料间的摩擦力F3、罩壳对物料的支撑力F4、周向运动物料给导向板之间物料的牵扯力F5及其自身重力G等力的作用，其受力分析如图5所示。同时，这些力还满足以下的平衡关系

竖直方向：G+F3sinβ=F5sinβ+F1cosβ

周向：F3cosβ+F1sinβ=F5cosβ

径向：F2=F4

F2=mr'ω2,G=mg

式中β—螺旋推运叶片升角；

m—物料质量；

r′—物料到滚筒轴线的距离。

图5 谷物在脱粒分离段导向板上的受力分析Fig.5 Scheme of forces on leading lathing of threshing sector

借鉴相关研究结论知，谷物在滚筒内的平均运动速度约为滚筒圆周速度的0.2～0.5，设谷物的平均运动速度与滚筒的圆周速度的比值为λ，有

vt0=λv0

(6)

在考虑摩擦影响的情况下，假设谷物与导向板的摩擦因数为μ′，绝对速度vtn的方向与螺旋导向板的法向方向后偏一个摩擦角φ′。与喂入提升段类似，根据速度三角形可得

(7)

(8)

若要使物料沿滚筒轴向作螺旋上升运动，则vtz>0，即cotβ-μ'>0，所以脱粒分离段导向板的螺旋角β应满足

β<φ'

(9)

综上所述，要实现物料能够自下而上的螺旋运动需要满足如下条件，即喂入提升段螺旋推运叶片的螺旋角应小于谷物与螺旋推运叶片的摩擦角的余角；脱粒分离段导向板的螺旋角应小于谷物与导向板的摩擦角，并且板齿的排列螺旋角也应小于谷物与板齿的摩擦角的余角。

4 室内试验与结果分析

4.1 试验条件及方法

室内试验选用河南省孟津县城关镇九泉村试验田小麦，通过田间检测得知，其产量为7 500kg/hm2，小麦株高为700mm，谷草质量比为1∶1.5，籽粒含水率为8.67%，秸秆含水率21.83%。

试验时，使用输送带模拟脱粒装置的物料实际喂入，将输送带的速度固定在一定值，同时为了能使物料喂入流畅，要保证喂入轮的喂入速度要不小于输送带速度。然后，称取试验所需的物料并均匀地铺放在物料输送带上，启动试验台，待其工作稳定后启动输送带；同时，收集试验台的凹板分离物和出草口排出物，对它们进行处理并称重，可以得到出草口排出的籽粒重w1、凹板分离物中的籽粒重w2以及凹板分离物的总重w3，通过上述数据可以计算出立式轴流脱粒装置的试验性能参数：

脱粒损失率为

Y1=w1/(w1+w2)

含杂率为

Y2=(w3-w2)/w3

4.2 试验方案与结果

根据初步试验结果可知：影响立式轴流脱粒装置性能的主要因素有滚筒转速、脱粒间隙、板齿倾角及栅条间隙等。故选取滚筒转速、脱粒间隙、栅条间隙、板齿倾角为试验因素按L9(34)进行四因素三水平正交试验，分别测定脱粒损失率Y1和含杂率Y2作为试验评价指标。试验因素与水平设计如表1所示，试验方案及结果如表2所示。

表1 试验因素与水平Table 1 Experimental factors and levels

表2 试验方案及结果Table 2 Experimental program and results

对上述试验结果进行直观分析可知：影响脱粒损失率的因素主次顺序是D>B>A>C，最优参数组合为A3B2C1D1；影响含杂率的因素主次顺序是A>B>C>D，最优参数组合为A3B2C2D3。由于各个试验因素对两个指标的影响次序和较优参数组合不一致，所以将含杂率和清选损失率的权重分别取为0.6、0.4，用综合评分法确定综合指标，对试验数据进行加权分析，可得到各个因素对综合指标的影响主次为B>A>C>D,最优参数组合为A2B2C1D1。

由于得到的最优参数组合并未出现在正交试验方案中，所以需要对最优参数组合进行验证。将立式轴流脱粒装置的各参数调至最优组合，重复试验3次，取平均值得到脱粒损失率为2.16%，含杂率为23.25%。

5 结论

1) 设计的立式轴流脱粒装置由喂入轮和脱粒滚筒组成，装置通过螺旋推运叶片、螺旋排列的板齿及罩壳上的导向板共同实现对物料运动状态的控制，确保谷物自下而上螺旋上升。

2) 通过对谷物在立式轴流脱粒滚筒内的运动状态分析，给出了谷物分别在喂入提升段和脱粒分离段的受力情况，并推导出了谷物在滚筒内的轴向速度计算公式。

3) 分析得出，若使谷物自下而上螺旋运动，则螺旋推运叶片、螺旋排列的板齿的螺旋角应小于谷物与螺旋推运叶片、板齿摩擦角的余角；导向板的螺旋角应小于谷物和导向板的摩擦角。

4) 通过室内试验研究发现：当脱粒间隙为13mm、滚筒转速为900r/min、凹板栅条间隙为9mm、板齿倾角为8°时，立式轴流脱粒装置的脱粒损失率为2.16%，含杂率为23.25%，利于后续清选作业。