履带式丘陵山地胡麻联合收割机设计与试验

针对丘陵山区地块面积小、道路狭窄,大型联合收割机运输难、进地难、转场难、操作难等现状,解决胡麻茎秆易缠绕、易堵塞、难喂入等问题,该研究设计了一种履带式丘陵山地胡麻联合收割机。该机采用防缠绕低损割台、纹杆+杆齿组合式小锥度横轴流脱粒滚筒、组合式窄栅格凹板等结构,可实现胡麻茎秆的防缠绕快速喂入、分段式脱粒与分离、清选等作业。试验结果表明:胡麻籽粒含水率为5.42%时,脱净率为98.76%、含杂率3.61%、破损率0.18%、割台损失率1.07%、夹带损失率0.25%,清选损失率0.81%、飞溅损失率0.26%、总损失率2.36%。作业期间整机运行平稳,作业指标符合胡麻机械化收获标准,满足胡麻机械化收获要求,可以作为丘陵山地胡麻联合收割机使用。     

大豆玉米兼用清选装置的设计与试验

为解决大豆玉米间套作中收获机清选装置小,清选通用性差、清选时间不足导致的作业效果差等问题,该研究以4LZ-3.0Z小型自走式谷物联合收获机清选装置为基础,改进了一种大豆玉米兼用清选装置的试验台,首先使用EDEM建立玉米清选主要脱出物离散元模型,应用EDEM-Fluent耦合仿真对比原筛箱A（直上筛和下筛）、改进筛箱B（上筛分段、下筛凹面）、改进筛箱C（下筛凹面更大）的清选过程,验证设计合理性。然后选取振动频率、上筛倾角、下筛倾角为试验因素,以含杂率和损失率为试验指标,对大豆和玉米分别进行单因素试验和响应面试验,研究所选试验因素对试验指标影响,并分别获得两种作物最佳工作参数组合。仿真试验结果表明：筛箱B中籽粒透筛区域和物料移动趋势相对于A、C更加利于清选。试验结果表明：所选试验因素对试验结果均有显著影响（P＜0.05）,对于两种作物,当振动频率增大,损失率和含杂率均先降低后上升;当上筛和下筛倾角增大,含杂率先下降后上升,损失率持续下降。大豆响应面试验结果表明：当振动频率为5.9 Hz、上筛倾角为10.5°、下筛倾角为6.5°,最优清选效果含杂率均值为0.622%,损失率率均值为0.439%;玉米响应面试验结果表明：当振动频率为4.7 Hz、上筛倾角为10.3°、下筛倾角为8.6°,最优清选效果含杂率均值为0.956%,损失率均值为0.771%,对比原机的清选装置,改进后大豆清选时含杂率降低38.8%,损失率降低45.9%;玉米清选时含杂率降低29.9%,损失率降低30.1%。本文可为大豆玉米通用联合收获机设计提供理论基础。     

稻麦联合收获机分段式脱粒装置设计与优化

针对纵轴流联合收获机在收获稻麦时出现的脱粒不彻底、分离不完全等问题,该研究设计了一种分段式纵轴流脱粒分离装置。该装置主要由锥形脱粒滚筒、脱粒强度可调式凹板筛、360°分离式凹板筛、作业参数电控调节系统等构成。通过单因素试验,分别获得了脱粒强度可调式凹板筛的开关板针对小麦和水稻脱粒的最佳开关状态。为寻求装置作业参数对脱粒效果的影响规律及最优参数组合,进行了多目标优化试验。以滚筒转速、导流板角度、凹板筛脱粒间隙、凹板筛分离间隙及喂入量作为影响因素,以破碎率、损失率、脱出物含杂率为试验指标,建立了破碎率、损失率、脱出物含杂率的数学模型。试验结果表明:各因素对破碎率影响的显著性大小顺序为滚筒转速、凹板筛脱粒间隙、导流板角度、喂入量、凹板筛分离间隙;对脱出物含杂率影响的显著性大小顺序为滚筒转速、导流板角度、凹板筛脱粒间隙、喂入量、凹板筛分离间隙;对损失率影响的显著性大小顺序为滚筒转速、导流板角度、凹板筛脱粒间隙、喂入量、凹板筛分离间隙。通过多目标参数优化分析,确定装置进行小麦脱粒的最优作业参数组合为脱粒滚筒转速905 r/min、导流板角度69°、凹板筛脱粒间隙18 mm、凹板筛分离间隙19 mm、喂入量4 kg/s。在该参数组合条件下进行了田间验证试验,结果表明,与常规纵轴流脱粒装置相比,整机作业破碎率由1.46%降为1.00%,含杂率由1.85%降为1.43%,损失率由1.72%降为1.20%,各指标实测值与模型优化值的相对误差均小于5%,满足国家相关标准要求。该装置有效解决了破碎率高、脱粒不干净、分离不彻底的问题,研究结果可为纵轴流联合收获机脱粒装置的结构改进和作业参数优化提供参考和依据。     

小区小麦育种收获机锥型脱粒滚筒性能试验

小区小麦育种收获机锥型脱粒滚筒体积小、功耗低,可加快脱粒滚筒轴向物料输送,提高清机效率。为了进一步研究锥型脱粒滚筒作业性能,结合自行研制的纵轴流锥型滚筒脱粒装置,通过改变锥型滚筒主要结构参数进行对比试验,得出滚筒锥角及滚筒脱粒元件是影响滚筒作业性能的主要结构参数。在选取最优参数后研制出一种集钉齿、短纹杆-板齿于一体,锥角为13°的组合齿锥型滚筒,并进行试验。试验结果表明,该滚筒作业时种子破碎率为0.52%,滚筒脱粒损失率及籽粒含杂率分别为0.43%及6.23%,装置内部种子残留率为0,功耗为2.48 kW,符合小区小麦育种收获要求。     

大豆联合收获机作业参数优化

现阶段国内大豆联合收获机收获作业时由于脱粒、清选系统作业参数调整不当而导致大豆机收损失率、破碎率、含杂率较高。为解决这一问题,该文对影响大豆机收作业质量的相关参数开展田间试验研究,探索各参数对大豆机收作业质量的影响规律,探寻最佳作业参数组合。以机收损失率、破碎率、含杂率为目标,选择脱粒清选系统对作业质量影响较大的前进速度、滚筒转速、脱粒段脱粒间隙、分离段脱粒间隙、导流板角度、分风板角度、风机转速、上筛前部开度、上筛后部开度共9个因素,利用Box-Behnken中心组合试验方法,进行九因素三水平响应面试验,使用Design-Expert对试验结果进行响应面分析,探索各因素对试验指标的影响规律,并构建相关数学模型。试验结果表明:对大豆收获损失率影响较为显著的因素为风机转速、脱粒段脱粒间隙、前进速度、脱粒滚筒转速;对破碎率影响较为显著的因素为脱粒滚筒转速、脱粒段脱粒间隙、前进速度、导流板角度;对含杂率影响较为显著的因素为导流板角度、风机转速、分风板角度、上筛后部开度。通过多目标参数优化,确定最佳工作参数组合为前进速度6 km/h、脱粒滚筒转速450 r/min、脱粒段脱粒间隙25 mm、分离段脱粒间隙20 mm、导流板角度26?、风机转速1 260 r/min、分风板角度11.5?、上筛前部开度19 mm、上筛后部开度11 mm,此时损失率为0.24%、破碎率为0.90%、含杂率为0.14%,田间试验实测损失率、破碎率和含杂率平均值分别为0.24%、0.90%和0.14%,与优化值相对误差分别为0、4.7%和7.7%。研究结果可为大豆联合收获机结构改进和作业参数控制提供参考。     

短纹杆-板齿与钉齿脱粒滚筒的脱粒对比试验研究

目前所使用的全喂入式水稻联合收割机的脱粒装置大多采用轴流式钉齿滚筒,其功耗较大,籽粒的破损率较高,脱出的茎秆较碎,脱出混合物中杂余含量高,使得后续的清选负荷增加.为了降低功耗,减轻清选负荷,提高联合收割机的工作效率,试制了一种新型脱粒滚筒——短纹杆-板齿脱粒滚筒,并与钉齿脱粒滚筒进行了脱粒对比台架试验.试验结果表明,相对钉齿脱粒滚筒而言,短纹杆-板齿脱粒滚筒在脱粒水稻时功耗低,脱出混合物杂余含量少,能有效的减轻清选负荷.     

正多杆变隙式油葵脱粒装置设计与试验

目前已有的油葵脱粒装置无法适用不同条件下的油葵脱粒需求,该文针对油葵在脱粒过程中油葵脱净率较低、籽粒破损率较高等问题,设计了一种基于多杆机构的变隙式油葵脱粒装置。重点介绍了变隙式油葵脱粒装置的结构及工作原理,并对变隙式凹板筛结构的间隙调节机构与角度调节机构进行运动学分析、通过运动轨迹分析和求解,确定了变隙式凹板筛可变间隙为20～60 mm。试制了变隙式油葵脱粒装置试验台,以滚筒转速、脱粒间隙、喂入量作为试验因素,以脱净率、破损率为指标开展正交试验,确定较优作业参数组合。试验结果表明:在脱粒过程中,影响油葵脱净率和籽粒破损率的因素主次顺序为脱粒间隙、滚筒转速、喂入量,较优作业参数组合为脱粒间隙35 mm、滚筒转速280 r/min、喂入量1.8 kg/s。在较优作业参数组合下进行重复试验验证,结果表明,油葵的平均脱净率为99.01%,籽粒破损率为2.28%,满足油葵脱粒作业需求。该研究的较优作业参数适用于该文试验的物料条件,实际作业中需调整脱粒凹板筛的直径大小,进而改变脱粒间隙等工作参数以适应不同条件下的油葵脱粒需求。研究结果可为后续油葵脱粒装置的设计提供参考。     

变隙式油葵脱粒装置设计与试验

目前已有的油葵脱粒装置无法适用不同条件下的油葵脱粒需求，该文针对油葵在脱粒过程中油葵脱净率较低、籽粒破损率较高等问题，设计了一种基于多杆机构的变隙式油葵脱粒装置。重点介绍了变隙式油葵脱粒装置的结构及工作原理，并对变隙式凹板筛结构的间隙调节机构与角度调节机构进行运动学分析、通过运动轨迹分析和求解，确定了变隙式凹板筛可变间隙为20～60 mm。试制了变隙式油葵脱粒装置试验台，以滚筒转速、脱粒间隙、喂入量作为试验因素，以脱净率、破损率为指标开展正交试验，确定较优作业参数组合。试验结果表明：在脱粒过程中，影响油葵脱净率和籽粒破损率的因素主次顺序为脱粒间隙、滚筒转速、喂入量，较优作业参数组合为脱粒间隙35 mm、滚筒转速280 r/min、喂入量1.8 kg/s。在较优作业参数组合下进行多次重复试验验证，结果表明，油葵的平均脱净率为99.01%，籽粒破损率为2.28%，满足油葵脱粒作业需求。该研究的较优作业参数适用于本文试验的物料条件，实际作业中需调整脱粒凹板筛的直径大小，进而改变脱粒间隙等工作参数以适应不同条件下的油葵脱粒需求。研究结果可为后续油葵脱粒装置的设计提供参考。     

大豆脱粒机气力清选循环装置研制与性能试验

为提高大豆脱粒机的清选效果、降低脱粒损失与含杂率,该文利用农业物料漂浮速度试验台测得了大豆脱出物的漂浮速度:完好豆粒9.18～11.61m/s,瘪粒及豆瓣6.14～7.74m/s,未脱净豆荚3.81～5.48m/s,短硬茎杆2.53～4.04m/s,碎秸秆和荚壳1.95～3.75m/s;并根据漂移速度试验结果研制了气力式清选装置和旋风式杂余分离、循环装置并进行了性能试验。性能试验表明,改进的大豆脱粒机最佳风机转速526～611r/min、振动筛频率276～320Hz时,大豆清选后秸秆含杂率和清选损失率分别为0.70%和0.30%～0.32%。研究结果为优化大豆脱粒机气力清选系统设计、提高大豆脱粒机性能提供参考。     

再生稻联合收获机清选装置内部气流场分析与试验

为了高效完成再生稻脱出物的清选工作，有效利用气流对物料进行吹散分层，并提高水稻籽粒透筛效率，该研究对沃得旋龙4LZ-3.0E型水稻联合收获机清选装置进行了改进，改进的清选装置采用六叶片离心风机作为清选风机，振动筛上筛使用百叶窗筛，其筛片为平整未经冲压的平板状结构。首先运用CFD软件对风机转速1050 r/min、筛片开度分别为20、25和30 mm工作参数下的清选装置内部气流场进行了数值模拟和对比分析，数值模拟结果表明筛片开度为20 mm时筛面上方气流速度的分布均匀，筛片开度越大，筛片之间越容易产生小型涡流，从而造成气流混乱；使用热线式风速仪在试验样机上进行了气流速度测量，对比实测气流速度和仿真的气流波动规律一致，验证了数值模拟结果的准确性；进一步通过田间试验对静态的模拟试验结果进行了补充，分别选取清选筛振动频率为6、7、8 Hz，得出清选筛振动频率6 Hz配合筛片最佳开度20 mm时清选效果最好的结论，其籽粒含杂率为1.52%，损失率为1.11%；且由结果分析可知，百叶窗筛筛片开度大小对清选损失率的影响无主效应。该研究表明百叶窗筛适用于针对再生稻的清选工作，提出了针对再生稻物料的风筛清选装置的设计思路，为进一步研究打下了基础。     

秸秆类生物质原料筛分除杂试验及滚筒筛改进

为解决秸秆收获后小杂质去除问题,针对粒度在10 mm以下的玉米秸秆原料,利用样品分析筛,将原料分为9个粒度等级,之后进行热工特性测定、沉降试验。通过对不同粒度的玉米秸秆原料进行热工特性对比试验,分析灰尘等细颗粒物杂质在不同粒度原料中的比例及影响,发现粒度级别为0.2~0.33、0.2 mm这2个物料尘土质量分数超过50%,而占总质量的百分含量仅为3.39%,故提出原料的最佳筛分粒度范围为0.33 mm。优化改造筛分除杂装置,其最佳工况下的技术参数为:筛筒长1 000 mm,筛筒直径500 mm,筛筒倾斜角10°,转速34 r/min,筛网孔径0.33 mm。利用该装置,进行筛分工况确定试验、验证对比试验及经济分析,发现:使用筛网后的物料压块成型后,挥发分及热值有大幅度提升,灰分减少25.21%,大大降低了秸秆物料对成型机关键部件造成的磨损及对燃烧设备的结渣风险。其过筛后的压块成型燃料经济价值提高到563.5元/t,可提高收益6.91%。该文提出了一种适合中国生物质成型燃料大规模生产的筛分技术及配套装置,为生物质燃料清选工艺提供技术支撑,为秸秆的能源化利用提供重要参数依据。     

玉米果穗离散元模型构建与脱粒仿真验证

针对玉米脱粒离散元仿真中果穗模型难以表征籽粒分离和芯轴破碎的问题，该研究构建了玉米果穗聚合体离散元模型并进行脱粒仿真验证。基于玉米芯轴3层结构采用分层建模与网格划分方法建立玉米芯轴离散元模型，结合Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验、Box-Behnken试验和仿真弯曲试验标定粘结参数；以马齿型玉米籽粒为原型，采用五球粘结的籽粒-芯轴连接方式建立玉米果穗聚合体离散元模型，仿真标定籽粒与芯轴的连接力；最后模拟梯形杆齿、圆头钉齿和纹杆块3种脱粒分离机构的玉米脱粒进程。结果表明：玉米芯轴弯曲破坏力和弯曲刚度仿真结果与实测平均值的相对误差分别为-0.12%和-0.14%，籽粒果柄轴向压缩力和径向压缩力仿真结果与实测平均值的偏差分别为-1.8和2.46 N，3种脱粒分离机构脱粒段仿真区域内籽粒平均法向接触力依次为12.50、12.32和8.03 N，3种脱粒元件对籽粒平均法向接触力的递减趋势与台架试验的籽粒破碎率变化一致，根据籽粒与脱粒元件接触合力的累积频率曲线确定籽粒破碎率的临界接触合力为550 N，仿真未脱净率依次为0.15%、0.37%、0.35%，较台架试验结果分别偏小0.07、偏高0.04和偏小0.25个百分点，沿滚筒轴向籽粒质量分布百分比曲线均表现为正偏态单峰分布，脱粒仿真试验的曲线峰值分别比台架试验高1.03、1.86和0.85个百分点，两者脱粒质量相近。该玉米果穗聚合体离散元模型参数标定准确，能够准确反映籽粒和芯轴的力学特性差异，可还原玉米脱粒分离过程，为后续脱粒分离机构的优化提供参考依据。     

玉米秸秆揉丝破碎过程力学特性仿真与试验

由于玉米秸秆揉丝破碎过程缺乏有效数值模拟方法,在一定程度上降低了加工设备结构改进效率。该文基于离散元法(discrete element method,DEM)建立了玉米秸秆离散元模型,并通过物理试验和虚拟试验相结合对玉米秸秆粘结接触模型(bonded particle model,BPM)进行了参数校核。最后针对玉米秸秆离散元模型进行了破碎仿真以及试验验证。结果表明:以5 mm/min为加载速度进行秸秆压缩和剪切试验时,最大临界载荷分别为2 260和110 N;对BPM粘结模型进行参数校核后,得到法向刚度系数、切向刚度系数、临界法向应力、临界切向应力及粘结半径分别为9.60×10~6 N/m、6.80×10~6 N/m、8.72 MPa、7.5 MPa、2 mm,此时离散元模型力学特性与含水率为87.8%的收获期玉米秸秆相接近;仿真结束后,物料可分为短型、标准型、长型及未完全破碎型4种,与试验结果相一致,不同类型物料质量与试验结果数据偏差保持在10%以内。研究结果表明离散元法应用于玉米秸秆揉丝破碎过程仿真是可行的。     

基于EDEM的振动筛分数值模拟与分析

为了寻找振动筛的最佳运动学参数（振幅、频率、振动方向角）,达到提高透筛效率并减少清选损失的目的,利用EDEM软件,对振动筛分过程进行数值模拟,得出在其他条件一定的情况下,随着振幅和频率的增加,物料沿筛面后移的速度增加,同时透筛效率增高,在振幅40 mm时和频率6 Hz时出现筛分损失;随着振动方向角的增大,在25°到45°范围内,物料沿筛面后移的速度增加,在45°时达到最大,超过45°之后,物料沿筛面后移的速度逐渐降低,而透筛效率在35°时最高,超过35°,透筛效率逐渐降低。模拟结果与试验测量结果总体趋势基本吻合,这表明了利用EDEM进行数值模拟的正确性和可行性。     

联合收获油菜脱出物离散元仿真参数标定与试验

针对油菜联合收获清选装置气固耦合仿真分析中缺乏准确可靠的离散元仿真参数的问题,该研究以宜收获时的联合收获油菜脱出物为对象,基于颗粒离散元法的EDEM仿真软件对主要组分接触参数进行标定。开展了油菜茎秆径向单轴平板全压缩试验,测量分析了油菜茎秆泊松比、弹性模量等特征参数;通过斜面法和自由跌落试验测定了籽粒、茎秆、荚壳和钢板间静摩擦系数及碰撞恢复系数,确定了颗粒模型接触参数取值范围。以茎秆堆积角为试验指标,通过基于EDEM 的Plackett-Burman试验筛选出对茎秆堆积角有显著影响的参数,开展了最陡爬坡试验确定了显著性参数最优取值范围,进一步通过Box-Behnken试验建立了显著性参数与茎秆堆积角的二阶回归模型,优化得出了茎秆接触参数最佳组合。标定结果表明：显著性参数最优组合为茎秆-茎秆静摩擦系数0.707、茎秆-茎秆动摩擦系数0.015和茎秆-钢板动摩擦系数0.012,在接触参数最优组合条件下,茎秆仿真堆积角与实际堆积角相对误差为0.54%。在标定参数组合下,基于DEM-CFD开展了油菜联合收获旋风分离清选装置气固耦合分析,并进行了台架验证试验,仿真试验结果表明：旋风分离清选清洁率为94.42%,损失率为3.96%,与台架试验相对误差分别为2.81%和7.48%,验证了标定参数的可靠性,可为油菜联合收获离散元仿真分析提供基础接触参数。     

轴流螺旋滚筒式食用向日葵脱粒装置设计与试验

针对食葵脱粒过程中籽粒表皮划伤严重及未脱净率高等问题,该研究设计了一种轴流螺旋滚筒式食葵脱粒装置。脱粒元件为外径32 mm的螺旋管,对物料在脱粒空间的运移过程进行运动学与动力学分析,确定脱粒元件螺旋管螺旋升角为63°,螺距为2 800 mm。以葵花3638为对象进行台架试验,通过单因素试验探索喂入量、滚筒转速及脱粒间隙对籽粒未脱净率和破损率的影响,根据单因素试验结果,以喂入量、滚筒转速、脱粒间隙为影响因素,未脱净率和破损率为响应指标,进行二次回归正交旋转组合试验,利用Design-Expert软件建立响应指标与影响因素之间的数学模型,基于响应面法进行参数优化,获得脱粒装置在喂入量1.4 kg/s,滚筒转速300 r/min,脱粒间隙35 mm的参数组合下脱粒效果较好,此时未脱净率为0.55%,破损率1.76%。以优化参数组合进行验证试验,结果表明,未脱净率为0.59%、破损率为1.77%,与模型预测值的相对误差均小于5%。该装置未脱净率与破损率均低于现有向日葵脱粒机,满足向日葵机械化收获标准。该研究为食葵机械化收获装备的研制提供理论参考。     

稻麦联合收获开沟埋草多功能一体机行走及脱粒性能改进

针对自行研制的稻麦联合收获开沟埋草多功能一体机所存在的行走直线稳定性差、脱粒质量较低等问题。依据横向轴流式滚筒对稻麦秸秆的传递导流作用和二次复脱的原则,通过增设辅助滚筒的方法既改变出草口位置使开沟总成中移,消除整机偏向力,又延长秸秆在滚筒内的作用时间,提高谷物脱粒质量。其中:辅助滚筒总长为855 mm,导流角为18°,滚筒直径为452 mm,转速为1 350 r/min。性能测试表明:改进后自研一体机在0.27、0.58、0.85 m/s 3种不同工况下行走偏移度分别降低了93.9%、94.4%、93.3%,行走直线稳定性显著提高;小麦和水稻总损失率分别降低20.9%和11.8%,含杂率分别降低45.7%和21.4%。尽管水稻破碎率增加了7.4%,但脱粒的综合质量有较大提高。该研究增进了多功能一体机的适用性,为稻麦秸秆机械化集沟还田提供了参考。     

纵轴流联合收获机关键部件改进设计与试验

针对当前履带式纵轴流联合收获机中存在的工作状态无法在收获不同作物间快速转换,割台损失率较高、脱粒分离能力较差以及功耗高等不足,对割台、脱粒、清选、行走等主要工作部件进行了改进设计与试验研究。将割台设计为无级调速可伸缩式结构,脱粒装置改为纵轴同径差速滚筒脱粒装置,采用单HST(hydro static transmission)原地转向行走装置及防粘附清选装置,并经室内试验和田间试验表明:可伸缩割台能实现稻麦收割状态与油菜收割状态的快速转换,扩大了割台的使用功能,收获油菜损失显著减少,与常规相比较,油菜损失率降低2.8个百分点;差速轴流滚筒提高了脱粒效果和分离能力,与等长度单转速轴流滚筒相比,夹带与脱不净损失率分别减少了0.02个百分点与0.09个百分点,破碎率减少了0.017个百分点;原地转向行走机构减少了地表土壤的破坏并降低了转向功耗,以原地转向替代单边制动转向时,节约功耗37.0%;清选机构抖动板和清选筛面经不沾水处理,改善了潮湿谷物的清选性能,清选损失率降低0.9个百分点,含杂率降低0.4个百分点;这些联合收获机主要工作部件的改进设计提高了整机工作性能,以期为联合收获机主要工作部件改进,提高联合收获机工作性能提供参考。