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蓖麻收获机的结构设计

摘要：目前我国蓖麻耕种及收获的机械化率较低,大部分工作仍然以人工为主,整体的劳动效率较低,同时造成了环境和资源的极大浪费,针对目前的蓖麻收获机进行结构设计,根据蓖麻的栽培方式与种植模式,同时结合蓖麻于收获阶段相关物理性质的基本特征数据,完成轮锯式切刀、卷入装置、脱粒滚筒机构等结构功能部件的改良设计,经样机试验测试,设计的蓖麻收获机具有切除蓖麻植株主茎、卷断支茎枝叶,脱粒果穗、果穗集放地上、排出茎叶等功能,平均采收率达到67.1%,果穗外壳损坏率最大值仅为11.8%,蓖麻籽损坏率为0%,整机的性能指标处于国内领先水平.

关键词：生质柴油；蓖麻；收获机；结构设计

0 引言

在全球变暖的环境下,世界许多国家都致力于减少二氧化碳排放,努力在未来减少使用石化燃料,逐年提高生物能源的使用比例,并研发各种可替代石化燃料的生物能源.以设备能源取代终将耗竭的石化燃油,是未来各国在能源发展上的主要目标之一[1].蓖麻由于高产油性,被众多研究者关注,蓖麻主要产物是蓖麻籽,目前收获方式皆为人工采收,其程序为：选别—晒干—脱壳—收集,占了极大的生产成本,故有适用的蓖麻专属采收机械,将能减少人工并提高收获速度,除可降低生产成本外,更能进一步地提高产品质[2].

目前国内外学者针对相关或近似类型的作物开发了多种收获机械[3-5],综合目前各类相似植物收割机械的研发现状,本研究对目前蓖麻收获机进行结构设计,研究重点在开发蓖穗利用机械化收获处理技术与设备,并分析关键参数与进行机构研发.

1 蓖麻收获机的结构设计

本试验机为联合某高校所育种蓖麻进行开发,故以某高校试验田所栽种的试验品种为样本,根据蓖麻的栽培方式,确定了蓖麻的种植特征参数.根据给出的蓖麻种植的重要特征参数,研制完成的蓖麻收获机的机构组成如图1及图1中说明符号所示,将含有果穗串的蓖麻植株支茎,用人工方式喂入蓖麻收获机（图2）进行试验,测量脱粒效果与检查残留于果梗上的果穗数量.作业功能与顺序为：切断植株主茎→卷入植株及搅碎支茎与叶片→蓖穗与果梗的分离→蓖穗排放,主要机构及其与蓖麻物性的操作说明如下：

图1 蓖麻收获机机构示意图

图2 研制的蓖麻收获机

1.1 轮锯式切刀

作用在将蓖麻植株的主茎与根部分离.为配合种植位置上的可能差异与主茎粗细差异,单片切刀半径（r）175mm,弧形部切刀半径（rd）采用主茎直径最大值的1.5倍,半径为35mm.以切断主茎为设计,两片切刀总长为650mm,重叠部分距离（d0）为50mm.其他参数包括h：切刀厚度20mm、α：切刀角度,25°、hd：切刀离地高度300mm.

1.2 卷入装置

作用在将蓖麻植株向内拉,配合蓖麻植株的株冠高度,卷入物性防止卷入堵塞,两卷入器相距（w）100mm、丁柱长（ld）50mm,卷筒半径（ri）为100mm,单一卷入器有6排丁柱,两具卷入器的丁柱采交叉方式排放.考虑果穗离地高度的最小值,卷入装置离地高度（hd1）为700mm.其他参数包括d1：左卷入器第一丁柱间格50mm、右卷入器一丁柱间格100mm、w1：所有丁柱间格距离100mm.

1.3 脱粒滚筒

作用在将卷入后的蓖麻植株经拍打方式,将果穗串上果穗与果梗分离.配合卷入装置的卷入角度,脱粒滚筒采倾斜角度（α2）60°,滚筒半径（r2）150mm、滚筒宽度总长（w2）630mm,脱粒滚筒间距（d）200mm.单一滚筒有12片页柱,上下滚筒的页柱采用交叉方式排放,页柱高（h）60mm,页柱缺口长度（d4）50mm、深（d5）25mm.考虑果穗生长范围与果穗离地高度最小值,脱粒滚筒离地高度为：下滚筒（h1）700mm与上滚筒（h2）1 050mm.由于果穗拉断力的最大值仅需0.85kgf,页柱撃打力在减速比1：90的情况下会远大于果穗拉断力（马达额定扭力为0.65kg/m）.

2 蓖麻收获机的试验测试

2.1 蓖麻收获率试验结果

整植株送入本机进行试验,经轮锯式切刀切除主茎,由卷入装置卷入支茎、叶片与果穗,试验次数为30次.其结果如表1所示.滚筒的顺时针（向上）拍打达到脱粒效果,其平均收获率为67.1&plun;6.8%.探讨收获率低下主因为卷入装置与脱粒滚筒相距过远,使卷入后的植株无法受到拍打,若缩短两机构间距,将可增加受拍打面积提高收获率.

表1 完整植株蓖麻收获率试验结果

2.2 排出机构性能试验结果

将植株喂入本机试验,测试收获作业时支茎是否会缠绕运转中的卷入装置或脱粒滚筒,造成排出口阻塞,试验次数为20次.结显示,单株其支茎的缠绕率最高为33.3%,当蓖麻植株支茎数超过3支时,缠绕现象发生率较高,主要缠绕于卷入装置上的丁柱,卷入装置仍可继续进行作业,收获机仍可继续作业并无卡住或停止转动等情况,改进方法为卷入装置后方加装挡版.

2.3 蓖麻籽损坏率结果

蓖穗经过脱粒试验,因脱粒滚筒与其他机构的旋转拍击,造成果穗外壳受力而碎裂,检查碎裂的果壳与蓖麻籽,试验结果表2所示,果穗外壳损坏率最大值为11.8%,而蓖麻籽损坏率为0%.成熟后的蓖麻因外壳与籽壳坚硬,不易受外力而损坏,而外壳的如受力损坏也不影响其内的蓖麻籽.

表2 蓖壳与蓖麻籽损坏率结果

3 结语

本研究对目前蓖麻收获机进行结构设计,研究重点在开发蓖穗利用机械化收获处理技术与设备,并分析关键参数与进行机构研发,通过试验样机测试显示,各机构已达原先设计的功能,但收获设计上需做部分改良.本机平均收获率为67.1%&plun;6.8,果壳损坏率为5.7%,蓖麻籽损坏率为0%.

参考文献

[1] 付玉林,陈远玲,程志青.负载敏感技术在甘蔗联合收割机上的应用[J].农机化研究,2015,42（3）：14-17．

[2] 袁建宁,李显旺,张晓文.梳脱式收获机设计理论的研究[J].农业机械学报,2016,39（7）：12-19.

[3] L e o n h a r d E B e n o l d . S i m u l a t i o n o f n o n s t e a d yconstruction processes[J].ASCE,2015,36（2）：163-178.

[4] 赵华洋,吴晓强.蓖麻收获机负载敏感驱动系统动态特性分析及优化[J].机械设计与制造,2016,38（7）：23-29.

[5] 李焰宏,依马木玉.自走式蓖麻联合收获机研究[J].农业机械,2012,36（4）：12-18.

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