赵 菁

（山西省农业机械发展中心，山西 太原 030002）

0 引言

谷子是我国丘陵山区，干旱、半干旱地区和农牧交错带的传统优势杂粮作物，也是我国原产的粮饲兼用作物和营养保健作物，在稳定粮食生产和维持膳食结构方面发挥重要作用[1]。但是谷子的机械化生产水平不高，尤其是收获环节，基础研究不足，缺乏可靠有效的联合收获机械[2]。在山西、河北、内蒙古等谷子主要产区的部分地区，人工收获谷子的费用甚至占总体种植成本的60%，因此对谷子收获机械化需求非常迫切[3]。目前国内谷子收获机械化发展尚处于起步阶段，还未形成成熟的产品系列，主要是谷子种植面积较小，机具需求量少，而研究开发机具投入大、回报率低，农机生产企业积极性不高。近年来，随着农业现代化进程不断加快，农业机械化进入了推进全程全面机械化发展的新阶段，谷子的机械化联合收获和分段收获已是必然趋势[4]。在生产需求拉动下，谷子主产区陆续开展谷子收获机具的研究，但还处在科研和试验阶段，成熟的专业谷子收获机械非常少。根据我国谷子种植分布情况、地形地貌特点，平原大面积种植区需要大中型自走式联合收获机作业，并进行秸秆收集打捆；山区、丘陵、平原中小规模种植区需要研发适合的小型自走式联合收获机；收获机难以下地作业的较为分散的小地块，宜采用分段收获，先用割晒机收割、再用脱粒机脱粒。

针对我国丘陵山区及平原小地块谷子机械化收获需求，研发设计了4LZG-1.5 型小型自走式谷子收获机。该机行走系统采用四轮驱动、后轮转向机构，田间通过性好，转弯转移地块灵活快速，适应田间作业环境，在硬化道路远距离转移地块中也具有明显优势；优化设计的专用谷子收获割台及脱粒分离清选机构，大幅降低了收获损失及破损率。在山西、河北等不同谷子种植区进行的田间试验表明，该机性能可靠、作业效率高，各项性能指标符合设计要求及当地农艺要求，满足北方丘陵坡地、浅山区及干旱地区中小地块谷子种植的机械化联合收获需求。

1 总体结构及技术参数设计

1.1 总体结构设计

4LZG-1.5 型自走式谷子收获机主要由轮式底盘、割台、输送装置、脱粒分离装置、清选装置、集粮系统和卸粮装置等部件组成，其结构如图1 所示。谷子主要在我国北方干旱和半干旱地区的丘陵山区种植，作业条件具有地块小、道路窄、坡度大和转弯多等特点，为了适应作业环境，确定4LZG-1.5 型小型自走式谷子收获机割幅为2.0 m、喂入量≥1.5 kg/s，选用四轮驱动轮式底盘，设计谷子专用割台，专用脱粒、清选装置，配套动力为45～65 kW 柴油发动机。动力设计主要是满足行走系统及各工作部件的功率需求，保证准确的传动比和较高的传动效率，满足谷子联合收获的要求[5]。

图1 4LZG-1.5 型自走式谷子收获机结构Fig. 1 Structure of 4LZG-1.5 type self-propelled millet harvester

根据适合丘陵小块地、沟壑区使用的作业要求，经过充分的田间收获试验，4LZG-1.5 型自走式谷子收获机的作业流程确定为分禾器分禾→拨禾轮扶持拨送→往复式割刀切割→搅龙输送装置输送→滚筒脱粒→分离清选→籽粒集箱→秸秆抛撒。

1.2 主要技术参数设计

收获机作业速度根据地势和作物生长情况由机手选择合适的挡位，设计时将最低和最高速度分别确定为

1.5 和4 km/h。由于地块条件、产量和作物状态等情况的变化，收获作业中需及时改变机器前进速度，而拨禾轮的转速也在一定范围内变化，因此综合考虑谷子植株的生长情况，设计拨禾轮转速为30 r/min 左右。对于脱粒分离滚筒，设计入口间隙12～18 mm，出口间隙2～4 mm，脱粒滚筒与凹板最低点间隙设计为9 mm，滚筒直径540 mm 左右，滚筒转速700 r/min 左右。根据作物生长情况适度调整转速和间隙。主要设计技术参数如表1 所示。

表1 4LZG-1.5 型自走式谷子收获机主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters of 4LZG-1.5 type self-propelled millet harvester

2 关键部件设计

2.1 轮式底盘设计

针对谷子种植地区多为丘陵山地、小地块的特点，为便于快速转移地块、提高作业效率，选择轮式底盘行走系统，借鉴自走式玉米收获机底盘系统进行改造。为适应北方山区及丘陵地区行走，防止道路左右高低不平造成翻车，轮距设计宜宽不宜窄，第二代样机轴距设计由1 320 mm 增加到1 600 mm。考虑到谷子联合收获机与谷物联合收获机的通用性及降低成本，选择45～65 kW 的发动机为配套动力，以确保动力充沛。

2.2 专用谷子割台设计

针对谷子收获时植株含水率高、高度差别大、倒伏多、谷穗交叉缠绕现象严重等特点，割台设计时主要考虑扶禾器形式、拨禾轮高度和割刀位置参数[6]。

2.2.1 扶禾器

为解决谷穗交叉缠绕问题，在扶禾器设计时，采用两种设计形式：旋转式扶禾器和分禾板式扶禾器。考虑谷子收获机为小型机，初代样机采用了性价比高的分禾板扶禾器，第3 代样机使用了旋转式扶禾器。为了有效分开应割区与未割区缠绕在一起的谷穗，分禾板式扶禾器设计为锥尖式，谷子整株高度在0.8～1.2 m，两侧分禾器最高处离地距离高于谷子高度，长度>700 mm，尾部宽度>200 mm。谷子收获机作业时，专用扶禾器可有效减少割台两侧挂穗及掉穗。试验证明，设计的割台分禾尖比较低，可以收获倒伏谷子，分禾器高、长且尾部较宽，解决了谷穗交叉缠绕问题。

2.2.2 拨禾轮

为避免谷穗和茎秆被拨禾轮板挑起、带起向前抛出，造成割台损失，拨禾轮的高度设计对谷子茎秆的作用非常重要。根据行业经验和计算，确定拨禾轮对谷子植株的打击点在谷子植株高度的2/3 处，并使拨禾轮对割倒的谷子茎秆有稳定推送作用，将谷子送入绞龙。

有些谷子茎秆较长，在1.3 m 以上，为防止缠绕，选取较大拨禾轮，取拨禾轮半径500 mm，拨禾轮中心高度1 100 mm。同时为适应倒伏谷子的收获，拨禾轮可以降低安装高度并可前移。在极端情况下，可以调整拨禾轮位置，使拨禾弹齿在割刀斜前上方，齿尖距离割刀3 cm，方便收获倒伏谷子。设计拨禾轮转速为30 r/min 左右。

2.2.3 割刀位置

谷子茎秆长度平均比小麦、水稻长 200～400 mm，因此需加长割台范围。在谷子收获机设计中，谷子专用割台底板加长，割刀位置前移250 mm，结构采用可组装式，便于小麦与谷子割台通用。

2.3 专用脱粒清选机构设计

2.3.1 脱粒、分离机构

脱粒装置由全纹杆前脱粒滚筒、前凹板、前脱粒滚筒盖板、纹杆加板齿后脱粒滚筒、后凹板、后脱粒滚筒盖板组成。考虑到谷子籽粒小、谷码易掉，收获时茎叶偏绿等因素，并考虑小型化因素，采用切流式双滚筒，纹杆脱粒、板齿分离机构[7]。脱粒凹板选用栅格式，设计凹板筛条间距为前小后大。使通过脱粒滚筒充分揉搓后的谷码到达滚筒后部时能快速落到振动筛上，减少被大茎秆带走造成的夹带损失。

2.3.2 清选装置

清选装置选用气流清选加振动筛组合结构，主要由离心清选风机、偏心振动臂、上筛片、下筛片、出风口风向调整板和振动筛体等组成。上筛选用鱼鳞筛，气流清选主要分离有籽谷码和无籽谷码，采用农用离心式风扇将混合物吹散[8]。谷子品种不同、收获时间不同，其质量也不同，通过智能调节风扇转速和出风角度，对风量、风速和方向进行调节，实现最优清选[9]。

2.4 智能电控系统设计

借鉴成熟的谷物收获机智能电控系统，根据谷子机械化收获作业的实际特点进行适当改进，形成谷子收获机专用的智能电控系统。拨禾轮转速、拨禾高度能够实现无级精确调整；可根据待收获谷子的高度、秸秆含水量、倒伏程度和作物产量等状况，对收获机的割台收割速度、前进速度、滚筒转速和割台离地间隙等参数进行快速调整。

3 样机试验及推广前景

3.1 第1 代样机试验

2018 年9 月23-28 日，第1 代谷子收获机在河北省石家庄市藁城区某村进行机械化收获试验，发现对于倒伏严重的谷子无法收获。经调试改进，2018 年10月10 日，在河北省石家庄市藁城区另一村继续进行收获试验。谷子品种为润谷2 号，种植密度63 万株/hm2，估算产量4 500 kg/hm2，籽粒含水率25.6%，基本无倒伏现象。收获总损失率4.63%、破碎率2.1%，符合技术要求；含杂率4.3%，未达到设计要求。

3.2 第2 代样机试验

2019 年9 月20 日 至10 月10 日，第2 代 谷 子 收 获机在河北省石家庄市藁城区进行收获试验，试验中发现脱不净现象严重，同时由于秸秆含水率高、抛出的秸秆较碎，不利于籽粒清选，随后进行了脱粒滚筒的间隙调整和转速调整。试验期间，河北省农业机械鉴定总站对该机进行了性能检测，结果表明，喂入量达2.3 kg/s，总损失率6.1%，籽粒含杂率2.0%，破碎率2.7%，基本达到了设计要求。

3.3 第3 代样机试验

在进行第2 代样机试验的同时，第3 代样机的设计、试制工作也同步进行。

2019 年10 月28 日至11 月18 日，第3 代谷子收获机在河北省武安市进行收获试验，并在此期间召开了由当地农机管理部门、农机手、种粮大户、生产企业和农机推广部门有关人员参加的谷子联合收获机技术研讨会。试验中对样机性能进行了检测，由于是晚茬谷子，长势一般，样机喂入量1.68 kg/s，总损失率4.5%，籽粒含杂率2.2%，破碎率3.1%，各项指标均达到了设计要求。

3.4 推广前景

通过试验和改进，河北省武安市、石家庄市藁城区等谷子种植户对该机作业认可度较高，收益增长明显。经测试，谷子破损率<5%，收获作业费用1 500 元/hm2，与传统人工分段式收获相比，可节约收割和脱粒用工2 个，同时节约脱粒费用，综合节本增效3 000 元/hm2。以每台收获机年收获谷子53.5 hm2、减损375 kg/hm2、谷子价格5 元/kg 计算，一台收获机每年可以为农民增收10 万余元，经济效益和社会效益显著。

4 结束语

针对我国丘陵山区及平原小地块谷子机械化收获需求，研发设计了4LZG-1.5 型小型自走式谷子收获机，实现了3 大技术创新。一是采用四驱轮式动力底盘，行走通过性好；二是设计了谷子专用扶禾器和加长型仿形割台，优化拨禾轮空间位置和运动参数，解决谷子收获割台掉穗严重、倒伏收割难等问题；三是采用“纹杆+板齿+钉齿”组合式脱粒滚筒、小孔网筛式分离机构，优化运动参数，解决了高湿谷子脱粒、清选难的问题。

通过3 代样机的设计、研究、试制、田间试验，该机基本满足了北方丘陵坡地、浅山区及干旱地区中小地块种植的谷子机械化联合收获需求，各项性能指标达到了设计要求，为我国谷子等杂粮生产机械化收获提供了装备支撑，推广应用前景广阔。