谷子联合收割机的主要结构及参数探讨

    张奋飞 藉俊杰

    

    

    

    摘? ?要? ?近几年谷子的种植面积逐年增加，但谷子收获机械的缺乏影响了谷子的发展。对谷子与水稻、小麦、油菜的果实籽粒和生长结构进行了分析和比较，据此确定谷子收割时需要满足的要求。对谷子联合收割机的主要结构割台、脱粒机结构、行走机构等进行了详细的分析和探讨，确定了收割机主要结构形式和主要参数。通过对常规履带式和轮式稻麦联合收割机、油菜联合收割机和谷子联合收割机的结构及参数对比，分析了现有的水稻、小麦、油菜联合收割机不适应收获谷子的原因。

    关键词? ?谷子;收割机;割台;脱粒

    中图分类号：S51? ?文献标志码：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.25.021

    谷子（Setaria italica）为禾本科狗尾草属一年生草本植物，属杂粮作物，被称为“五谷杂粮之首”，我国是世界上谷子种植面积与需求量最大的国家。近几年，随着国产优质杂交谷子的推广和市场对杂粮消费需求的大幅增加，谷子生产开始得以重视和扩大，农民的生产收益和种植积极性也大大提高[1-2]。但由于没有合适的谷子收获机械，谷子的进一步发展受到了严重阻碍[3-5]。例如，谷子种植大省山西2013年共种植谷子超240万公顷，但使用谷子联合收获机收获的几乎为零[6-7]。前几年虽也有几家企业正在尝试进行谷子机械联合收获的探索，比如采用将传统用于收获稻麦或油菜的全喂入联合收割机稍加改进后收获谷子，但都因割台掉穗严重、脱粒清选损失大、含杂率及破碎率高等问题无法根本解决而不能被广大农民所接受。这也是至今尚未有成熟的谷子联合收获机批量投放市场的主要原因。

    国内外对作物收获各环节都有系统的理论与实践研究，包括对作物特性的研究，切割器、脱粒分离等关键部件的机理研究等[8-10]。而谷子在国外种植面积相对较少，并且多数发达国家种植谷子主要用作家畜的草料，因此，这些地区谷子收获常用牧草收获机械[11]。谷子在我国是重要口粮品种，需要完成脱粒、清选等生产环节，作业要求相对较高，需要针对谷子特点设计其配套的收获机械[12-13]。康栋等设计谷子脱粒装置，对谷子脱粒元件、滚筒转速、脱粒间隙、凹板栅格尺寸对脱分效果影响展开研究，得到谷子脱粒最优参数组合[14];王升升等设计谷子半喂入式试验台，并对装置进行试验研究验证了装置性能[15];张东明等研制了谷子脱粒分离试验台，实现试验台参数控制和数据采集[16]。综上所述，国外对稻麦脱粒分离装置研究相对成熟，而对于谷子等杂粮作物的脱粒分离研究相对较少;我国研究人员依据现有收获机械结构与原理，研制了谷子收获机械，但许多机型不具有针对性，与稻麦收获机械相比仍有很大提升空间。

    1 谷子的籽粒特征及生长特性

    1.1 籽粒特征

    常见作物的籽粒通常可以通过千粒重分为小、中、大3种尺寸规格（见图1）。当千粒重小于10 g的籽粒为小籽粒，千粒重在18～60 g的籽粒为中籽粒，千粒重大于80 g的籽粒为大籽粒。常见作物的千粒重如表1所示。

    1.2 生长特性

    1）谷子为单根单穗头中高秆作物，谷穗中间有条主茎，其上面产生一级分支，在一级分支上又产生二级分支、三级分支，每一级分支是一个小码，上面有很多籽粒，有的多达二三百粒，成熟后谷穗下垂，植株弯曲，头重脚轻，穗幅差大。

    2）稻麦为单根单穗头中低秆作物，相对于谷子虽籽粒大，但穗头小，分级少，枝干直立，穗幅差小。

    3）油菜为树枝状多穗头中高秆作物，从上到下都有果实，且成熟度不一致，底部果实尚未成熟，顶部果实已自然开裂或一碰就炸，很容易落粒。

    2 谷子收获时对联合收割机的基本要求

    2.1 割台

    谷子收割机的割台要能够适应中高秆作物，保障喂入时顺畅无阻挡，喂入时茎秆在割台无缠挂、穗头无外甩现象，而且要能够适应倒伏收获。

    2.2 脱粒结构

    谷子收获时要求能将谷码从主茎上脱下来，又不能太碎;籽粒从谷码上分离干净，又不能破皮;排出的茎秆不能太碎;排出的空/瘪谷码中无籽粒;吹出的杂余中无籽粒;粮箱内无短/碎秸秆、碎谷码、碎叶片。

    2.3 行走结构

    谷子收割机要求重心低、轮/轨距宽，不易翻车;最高时速≥15 km，地头转移快;最小离地间隙≥300 mm，道路通过性好。

    3 谷子联合收割机的主要结构形式及参数

    3.1 收割臺

    3.1.1 割台深度（割台输送搅龙中心至切割器的距离）

    稻麦属中低秆作物，常见自然高度50～130 mm;油菜和谷子均属中高秆作物，常见自然高度90～180 mm，故常规稻麦联合收割机直接收谷子会因割台深度不够，一部分禾秆连同穗头易直接从切割器前方滑落而造成滑落损失。故谷子收获机的通常解决办法是：在稻麦机基础上将割台深度增加200～300 mm。油菜收获机为减少拨禾轮碰撞落粒其解决办法是：在稻麦机基础上将割台深度增加350～600 mm。

    3.1.2 分禾器

    谷子与稻麦不同，谷穗粗壮但颗粒细小，成熟后谷穗下垂，植株弯曲，特别在华北夏谷区，谷穗与茎秆相互交缠且头重脚轻，履带式稻麦机型的分禾器相对轮式机又偏短小，当联合收割机强行通过时，穗头受碰撞、拉扯而折断，或被分禾器拖带而倒地，即易造成割台两侧的掉穗或拖带损失。

    油菜与谷子虽都属中高秆作物，但油菜为树枝状作物，从上到下都有果实，且枝丫互相交缠。当联合收割机强行通过时，枝头顶部最成熟的果夹受振动自然炸开而造成落粒损失。

    为减少分禾损失，油菜机和谷子机均需考虑强化分禾，但侧重点又有所不同，油菜的重点是减少落粒损失，故在未割边（或两侧）应增设侧切割器以减少因拉拽振动而引起的果夹炸开落粒。谷子机的重点则是减少分禾过程中穗头因拉拽、缠挂而造成的缠绕及拖带损失。解决的办法有两个：1）增加割台两侧分禾器尖至切割器的距离，即提前分禾;2）将分禾板向后延伸至拨禾轮升降油缸后面，以减少粗壮的谷穗在进入时不易被油缸挡住而减少缠绕损失。

    3.1.3 拨禾轮

    稻麦属中低秆作物，谷子属中高秆作物。谷子穗长、穗层位置受穗头下垂幅度、植株弯曲程度的不同也相差很大，无论是轮式机还是履带机，都会因拨禾轮的转动，受拨禾齿本身结构或与拨禾杆之间所留有的缝隙往往会挂住少量的穗头，且在离心力的作用下沿重心向前面甩，从而造成一定的掉穗损失。为减少谷穗外甩，谷子收获机的拨禾轮在拨禾杆上需增加防缠挂的外套（星光采用外套PVC管）。

    谷子收获后期一旦碰到刮风下雨很容易发生倒伏，谷子倒伏后大量穗头直接触地，粗壮且高含水率的穗头在被扶起的过程中下垂的非常厉害，其扶起难度将大大高于稻麦倒伏的扶起难度。此时，拨禾轮若没有很强的扶倒能力，其漏穗及断穗所造成的损失也必然会很严重。为增加扶倒伏能力，拨禾轮的直径应适当加大，且增加拨禾齿的密度和长度，除可增加扶倒伏能力外，还能减少触地穗头的漏切或碎切损失，和将已经掉落在割台上的穗头拨向割台搅龙而减少滑落损失。

    3.1.4 技术参数

    除结构形式外，割台的技术参数也需作一定的调整。

    3.1.4.1割台输送搅龙直径

    稻麦机型的割台输送搅龙筒体（不含叶片高度）直径普遍为300 mm，但用于收获高秆谷子时，特别在倒伏、茎秆细软、低割茬情况下，易发生搅龙筒体的缠绕而造成输送（过桥）喂入口堵塞（谷穗+茎秆的长度≥割台输送搅龙筒体的周长）。故增加割台输送搅龙筒体直径是减少该现象的有效方法（星光谷子机330 mm）。

    3.1.4.2割台输送搅龙转速

    稻麦机型的割台输送搅龙转速普遍在180～220 r·min-1，但对于谷子来说，因谷穗比稻穗或麦穗大而长且重好多，一些断谷穗易在喂入口处会因搅龙速度过高而在伸缩拨齿的高速旋转下向外甩出的概率增加，为防范该现象的发生，通常的方法是降低割台输送搅龙转速在170 r·min-1左右。

    3.1.4.3拨禾轮转速

    为减少拨禾轮的甩出损失，除拨禾轮直径适当加大、拨禾杆增加防缠外套、增加拨禾齿的密度和长度等措施外，适当减少拨禾轮的转速（降低线速度），也能有效减少拨禾轮的甩出损失。但过低的转速会降低扶倒伏能力，故拨禾轮转速应设计可调，星光谷子机拨禾轮转速：收直立状态时低速（35～40 r·min-1），收倒伏状态时高速（40～48 r·min-1）。

    3.1.4.4极限割茬

    为增加收倒伏谷子适应性，除拨禾轮转速设置可调、增加拨禾齿的密度和长度等措施外，产品的极限割茬也很重要。常规稻麦联合收割机的最小割茬在4～7 cm，谷子机应取下限，若由于结构原因或工作幅宽较宽（≥2.5 m）不能满足时，可通过增加扶倒伏装置来解决。因扶倒伏装置的前端基本贴地，作物茎秆在顺着装置上杆向后移动过程中被拨禾轮强行扶起。

    3.2 脱粒系统

    3.2.1 脱粒型式

    传统稻麦联合收割机的脱粒型式主要有切流、轴流、切轴复合。切流脱粒在中国很少见，常用于工作幅宽小于3 m的轮式机，主要收获小麦。切流也有单切流、双切流、多切流，幅宽越大，滚筒越多。轴流脱粒按滚筒数分单轴流、双轴流，按滚筒布置分横轴流、纵轴流。国内履带自走联合收割机主流有单纵轴流，双横轴流两种。国外大型联合收割机则普遍采用切流+双纵轴流。

    3.2.2 滚筒结构

    联合收割机分半喂入、全喂入，半喂入联合收割机是专为收获水稻而设计，属单向冠军机;全喂入联合收割机什么都能收，也称全能冠军机。半喂入联合收割机的脱粒滚筒为闭式弓齿（梳刷，最适宜收水稻）;目前市场上能看到的全喂入联合收割机的脱粒滚筒主要有开（闭）式纹杆（小麦专用）、开式齿杆（稻麦兼用）和开式复合滚筒（揉搓、击打，适宜绝大部分秆茎类作物）。纹杆与齿杆均有揉搓和击打的功能，但纹杆以揉搓为主，击打为辅，齿杆以击打为主，揉搓为辅。

    考虑到谷子脱粒时首先要把谷码从主茎上脱下来，且不能太碎，否则大量的碎谷码穿过凹板不仅会大幅增加清选筛的负荷，还会大幅增加含杂率。脱粒滚筒结构可采用纹杆而不是齿杆。

    3.2.3 凹板结构及包角

    联合收割机常用凹板主要有：栅格筛、钢板冲孔筛、栅格冲孔复合筛。栅格筛结合高速运转的滚筒因有很强的揉搓能力故最被常用。谷子收割機因在脱粒过程中需要将谷码从主茎上揉搓下来，故选择栅格筛凹板。

    栅格筛的钢丝密度视籽粒大小设置。籽粒大，间距宽，一般为籽粒大小的2.5～4.0倍。稻麦联合收割机最常见的钢丝净间隙为11～22 mm。而谷子收获机应设计在谷码直径的2/3左右，这是因为太大的间距会让一些直径较小的谷码，大块碎谷码在离心力的作用下穿过凹板落入清选筛，不仅会大幅增加清选负荷，还会大幅增加含杂率。故谷子机凹板钢丝净间距可设为6～8 mm。

    凹板包角的大小决定了轴流滚筒的揉搓距离。包角越大，揉搓距离越长。常用轴流式联合收割机的凹板包角为180°～220°。

    3.2.4 凹板间隙（脱粒齿尖至凹板间的最小距离）

    全喂入轴流脱粒型联合收割机的凹板间隙视收获的作物籽粒大小而定，一般为籽粒大小的2.2～3.5倍，常用稻麦联合收割机的凹板间隙为12～20 mm。（切流轮式小麦机进口22～28 mm以利喂入，中8～15 mm以利脱净（籽粒大小的1.2～2.5倍），出口20～25 mm以利向后抛送）。

    考虑到谷子在收获时，成熟度相差较大，含水率高低不同;特别是品种的不同，会严重影响收获效果。低海拔地区的杂交谷子，收获时黄穗绿叶，带绿茎秆及叶片的糊筛会时常发生。为防止糊筛，凹板间隙不宜太大，应设计为谷码直径的2/3左右。一般品种谷子的谷码直径在10～15 mm，故谷子收获机的凹板间隙应在7～9 mm为宜。当然，太小会产生大量破碎，且制作精度也得提高。

    3.3 清选系统

    3.3.1 风机结构

    联合收割机的清选系统少不了风机，半喂入联合收割机普遍采用前吹后吸双风机。全喂入联合收割机普遍采用前吹单风机。

    风机的结构最常见为离心式和贯流式，半喂入联合收割机采用前离心、后贯流，全喂入联合收割机采用前离心（2016—2017年星光纵轴流采用前贯流）。

    考虑到技术成熟性及产业化成本，星光谷子机仍采用稻麦联合收割机常用的单个直板涡壳离心风机，只是由于谷子与稻麦的千粒重相差近10～20倍，对风机的风速及风量有较大的差异，故应设置可改变风速或改变风量的装置。

    由于谷子千粒重小，品种多样，收获季节前后造成的含水率不同，对风机风速风量的差别很大。故风机风速或风量应设计可调，以适应不同品种、不同成熟度谷子收获。调节的方法主要有两种：转速可调、风量可调。含水率高、成熟度低时增加转速或开大风门，反之则减少转速或开大风门。常规稻麦联合收割机由于针对的是中籽粒，其风速不能直接用于收获谷子（吹出损失增加），应适当降低转速或关小风门。

    星光公司采用的方法有两种：1）横轴流机型采用的增加带轮直径（改变风速），且槽宽可调（收窄相当于带来直径增加;放宽，相当于带来直径减小）。2）纵轴流机型及国内主流企业均采用设置风门板（改变风量），风门开大，风量增加;关小风门，风量减少。

    3.3.2 清选筛结构

    常用稻麦联合收割机的清选筛为前后往复运动的双层清选筛（上层片筛，有逐稿功能，下层网筛，起拦截功能），上筛筛片间距为30～45 mm，开量（角度）可调的多筛片结构，下筛钢丝编织筛的筛孔14～20 mm。油菜联合收割机因籽粒小，则采用双编织筛结构，上筛网孔12～14 mm，下筛6～8 mm。

    考虑到谷子与油菜籽粒相近，故星光谷子机所用往复式清选振动筛参考星光系列油菜联合收割机清选机构，即采用双层编织筛+逐稿板结构。为不让整谷码或较大的碎谷码漏下，上编织筛网孔规格为（10 mm×10 mm）～（12 mm×12 mm），为不让97%以上的碎谷码、短秸秆漏下，即尽可能减少含杂率，下编织筛的网孔规格为6 mm×6 mm。

    3.4 底盘

    联合收割机常见的3种行走方式：自走式、悬挂式、牵引式。现有稻麦联合收割机多为自走式，故不考虑悬挂式、牵引式。自走式联合收割机的常见形式为轮式（大型、小型）、履带式。轮式机属旱地机，而谷子属旱地作物，故原则上谷子联合收获机更适宜采用轮式行走。但轮式机的缺陷是不适应山地丘陵地区行走，而谷子属耐旱作物更多的种植在中海拔的山坡上，故选择什么样底盘还需根据当地地理位置及农民习惯。总的来说，1）大型轮式机因作业效率高，路上转移快，但不适合爬坡，单机价格高而适用于低海拔、地势较为平坦的经济条件相对较好的地区。2）小型轮式机因对道路要求低，有一定的爬坡能力，能适应较缓坡度的小面积地块作业，价格也相对低廉，故比较适应经济条件相对贫困的丘陵山区;缺点是重心高，安全性较差。3）履带自走中型机则不仅有较高的作业效率，良好的道路通过性和爬坡能力，适中的购机价格，既可以适应地势较为平坦的经济条件较好平原地区，也能适应较高海拔和一定坡度的相对贫困的丘陵山区，但路上转移慢、非方向盘驾驶（与当地驾驶习惯不符）的弱点也相对阻碍了该类机型的快速发展。也就是说，这三种机型有各自的优势和不足，故需根据当地需求、农艺、习惯等因素来选择适合的产品。

    4 谷子联合收割机与其他收割机的结构及参数对比

    常规履带稻麦机、油菜机，常规轮式稻麦联合收割机与谷子机结构及参数的对比如表2、表3所示。常用稻麦轮式机属于中籽粒收获机，其割台和脱粒部件的参数与谷子收获要求相比，符合率44%，高于履带机。其中筛条间距、凹板间隙、筛片结构等重要技术参数不符合谷子收获要求，但割台符合率50%。故相对而言，至少割台损失要少于履带机。稻麦轮式机直接用于收谷子，虽性能指标不理想，但由于底盘功能（除不能上山外）基本符合用户需求，若两种机型由农民选择，农民选择轮式收获机的偏多，比如W80机型就常被农民用于收获谷子。

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    （责任编辑：敬廷桃）