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国内外单纵轴流脱粒系统喂入技术研究现状刘晓飞，王帅勇，杜鹏，赵子龙，魏志松，段国臣，（智能农业动力装备全国重点实验室，河南 洛阳 ；洛阳拖拉机研究所有限公司，河南 洛阳 ；河北宗申戈梅利农业机械制造有限公司，河北 邯郸 ）摘要：大型高效联合收获机大都采用纵轴流脱粒系统。为了提高我国联合收获机的工作效率和工作质量，推动我国纵轴流联合收获机的发展进程，系统概述了单纵轴流脱粒系统的工作流程及总体布置形式，针对单纵轴流脱粒系统的喂入问题现状及形成原因进行了分析总结，对国内外单纵轴流脱粒系统的喂入技术应用现状进行了归纳梳理，为我国研发高性能、高效率的单纵轴流式联合收获机提供了参考。关键词：联合收获机；脱粒系统；纵轴流；喂入问题中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；近几年，随着亩产提高、土地流转政策实施等因素影响，对联合收获机的生产效率提出了更高要求，脱粒系统的工作能力大小是影响谷物联合收获机工作效率的重要因素之一 。现有市场主流联合收获机采用的脱粒系统主要有横轴流滚筒式：单横轴流滚筒式、切流 横轴流滚筒式；纵轴流滚筒式：单纵轴流滚筒式、双纵轴流滚筒式、切流滚筒（喂入辊）纵轴流滚筒式；切流滚筒 键式逐稿器等。其中纵轴流脱粒系统因具有脱粒分离效率高、柔性脱粒能力强、对多种作物适应性好、脱粒损伤小等诸多优点，因此，国外大型高效联合收获机上主要采用纵轴流脱粒系统。目前纵轴流脱粒系统主要有单纵轴流和双纵轴流两种形式。传统单纵轴流脱粒系统，物料从过桥到脱粒滚筒物料流不顺畅，且需要消耗大量动力，极易在滚筒喂入口处发生堵塞现象，这在过桥宽度与单纵轴流滚筒螺旋喂入装置前端回转直径尺寸相差较大时越发明显，这也是国内外纵轴流联合收获机的共性问题。单纵轴流脱粒系统总体布置及工作流程为了提高联合收获机的工作效率，应对大喂入量、高产地块的收获需求，世纪 年代，以美国 公司为代表的欧美企业推出了纵轴流联合收获机。如图 所示，整机脱粒系统仅有一个脱粒滚筒，呈纵向布置，脱粒滚筒轴线与联合收获机行走方向一致，滚筒长度不受限制。因此，与在整机内呈横向布置的横轴流联合收获机相比具有脱粒滚筒长、分离面积大、柔性脱粒能力强等优点，国内外各企业在大喂入量、大功率、高效能联合收获机设计上大都采用纵轴流式脱粒装置 。收稿日期：第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，图 单纵轴流联合收获机 单纵轴流脱粒滚筒布置形式目前，单纵轴流式联合收获机的脱粒装置布置形式主要有两种：（）纵轴流滚筒水平布置如图 所示，该联合收获机的脱粒滚筒轴线相对于地面平行布置，这种布置形式常用于小型、低重心的联合收获机上。例如，履带式联合收获机需要满足在湿烂田等复杂地块作业，整机重心越低，车辆爬坡过坎越稳定。因此，整机尺寸通常较小，脱粒滚筒离地高度低，从割台到脱粒滚筒之间的过桥输送距离也短，脱粒滚筒平行布置即能保证割台的工作角度。图 纵轴流滚筒水平布置形式 （）纵轴流滚筒倾斜布置如图 所示，该联合收获机的脱粒滚筒轴线相对于地面倾斜布置，这种布置形式常用于大型轮式联合收获机上。大型联合收获机前轮一般采用大直径轮胎，脱粒滚筒离地高度也较高，采用脱粒滚筒倾斜布置形式后，可使脱粒滚筒尽可能靠近割台，缩短过桥输送距离，降低过桥挂接位置过高对割台工作角度影响，同时，脱粒滚筒轴向长度也可相应加长，图 纵轴流滚筒倾斜布置形式 延长谷物脱粒时间，提高对作物的柔性打击能力。此外，脱粒分离后的脱出物有足够的落差，便于在落到清选筛面之前被气流吹散、分层。单纵轴流脱粒系统工作流程上述两种布置形式的单纵轴流脱粒系统，其工作流程基本相同：主要由脱粒滚筒、凹板、滚筒盖等组成。如图 所示 ，在单纵轴流滚筒端部设有螺旋喂入装置，由环绕在筒体上的若干个螺旋叶片组成，在喂入底板配合下负责抓取过桥输送的物料并沿轴向螺旋推送至滚筒盖和凹板组成的脱粒空间。在螺旋叶片后方安装有脱粒元件，在凹板与脱粒元件的冲击、揉搓作用下，籽粒从秸秆上脱落，在重力和离心力作用下透过凹板落入清选室。由于滚筒盖内设有若干螺旋导向条，在脱粒滚筒高速旋转过程中，物料受到螺旋导向条的强制推送作用向脱粒滚筒尾部做螺旋线运动。脱粒分离后的物料经排草口排出机外或输送到粉碎抛洒装置。图 单纵轴流脱粒分离装置 单纵轴流脱粒系统喂入问题现状及成因 喂入问题现状虽然单纵轴流脱粒系统在应对高产地块、大喂入量等情况时优势明显，但是也存在喂入不畅等问题，主要体现在：（）喂入口堵塞收获潮湿长秸秆物料时，因秸秆之间摩擦力大，滚筒前端螺旋叶片较难拉取两侧堆积物料并向后输送，物料进入滚筒后移动性变差，易发生喂入口堵塞现象，喂入口左侧堵塞尤为严重。发生堵塞后，长秸秆物料堆积在喂入口左侧并逐渐缠绕在脱粒滚筒轴上，如图 所示即为某机型发生喂入口堵塞后的现状。如图 所示，在过桥上方充满了作物秸秆。当脱粒滚筒喂入口产生拥堵时，若停车不及时，过桥输送的作物无法进入滚筒，将通过过桥上方再次返回割台进一步造成搅龙筒堵塞，严重的会引起相关工作装置损坏。（）喂入不连续收获干燥且茎秆较短、表面光滑等作物时，因茎刘晓飞等：国内外单纵轴流脱粒系统喂入技术研究现状秆短，滚筒前端螺旋叶片也难连续抓取，只能待成堆后方可推进入脱粒滚筒。作物喂入不连续，就会造成脱粒载荷交变、排草断续、清选筛面物料分布不均等现象。如图 所示，物料喂入呈断续状态导致收获机排草不连续。长期脱粒载荷交变会引起传动、机架等的过早疲劳损坏等严重故障。图 喂入口堵塞现象 图 作物返回割台现象 图 排草断续现象 （）喂入口左侧堆积籽粒作物在输送过程及喂入口滞留过程中预脱下的籽粒堆积在喂入口左侧。如图 所示，某机型在收获作业一段时间后喂入口左侧出现籽粒堆积现象。在收获作业过程中，过桥需要随地面起伏、作物高低等经常转动以控制割茬高度，此处籽粒易在过桥转动的过程中被挤出机外造成损失。喂入问题形成原因（）物料由过桥进入脱粒滚筒时，空间急剧变小，物料流动速度降低。喂入过程实质是压缩推送的过程，大量物料涌入时在喂入口处存在滞留现象。如图 所示，过桥将物料输送至喂入口，经螺旋叶片抓取后向脱粒空间推送，当过桥宽度与脱粒滚筒直径相差较大，即收缩比较大时，此时物料从比较宽敞的喂入口处快速向比较狭窄的脱粒空间转向涌入，物料将受到较大的运动阻力，物料的运动速度显著降低，而过桥处仍源源不断地输送过来大量物料，导致喂入口处的物料向脱粒空间无法及时推送而产生拥堵。图 喂入口左侧籽粒堆积现象 图 单纵轴流脱粒系统谷物流动示意图 （）螺旋喂入装置设计形状与直径不能将喂入口两侧作物抓取。如图 所示，脱粒滚筒的螺旋喂入装置回转直径与脱粒段回转直径相同，当过桥宽度与单纵轴流滚筒前端螺旋喂入装置回转直径尺寸相差较大时，在喂入口两侧存在螺旋喂入装置无法有效抓取的喂入死区，该区域的物料因不能被及时向后推送而形成堆积，造成喂入时出现堵塞或者喂入不连续。通常是左侧较为严重，这主要是脱粒滚筒旋转方向造成的。图 喂入口结构 （）预脱下的籽粒因脱粒滚筒旋转被卷带入左拖拉机与农用运输车第 期 年 月侧喂入死区形成籽粒堆积。如图 所示，由于脱粒滚筒顺时针旋转（站在联合收获机尾部向前看），带动物料向左后方运动。因此，从过桥输送过来的物料在喂入口处存在转向滞留的过程，而预脱下的籽粒在这一过程中被相互拉扯牵连的秸秆带动至喂入口左侧形成堆积。图 喂入口处物料流动示意图 单纵轴流脱粒系统的喂入技术应用现状单纵轴流脱粒系统的喂入问题引起了国内外企业的重视。目前，国内外企业一般采用改进单纵轴流脱粒系统自身结构以及增设辅助喂入装置等技术，从而提高单纵轴流脱粒系统的喂入能力，使物料能够快速通过喂入口，减少在喂入口的滞留时间，改善或者解决喂入口堵塞、堆积问题。具有高喂入能力的单纵轴式流脱粒系统 改进螺旋喂入装置缩小喂入死区范围 作为最早开发推广纵轴流式谷物联合收割机的著名企业，其在纵轴流脱粒系统的研究开发上耕耘多年，所设计的产品以简单、高效著称，对单纵轴流脱粒系统的喂入问题亦有独到见解。如图 所示即为 纵轴流联合收获机的脱粒系统示意图，脱粒滚筒前端的螺旋喂入装置上设有回转外轮廓呈倒锥形的双螺旋叶片环绕于筒体上且在脱粒滚筒最前端处的回转直径最大，这样在喂入口处可加大螺旋喂入装置的抓取范围，减小喂入死区；与其配合的封闭式喂入口呈倒锥形，两侧喂入死区小，在倒锥形喂入口内壁圆周上设有螺旋导流条，物料进入喂入口后可以快速被脱粒滚筒抓取，并在 范围的螺旋导流条的强制推送下加速送入脱粒空间，减小在喂入口的滞留时间，喂入更加均匀。缩小过桥宽度以减小物料喂入时的收缩比当收缩比较大时，在喂入口两侧不可避免的存在较大的喂入死区。因此，为了提高喂入通过性，通过缩窄喂入口宽度，减小与脱粒滚筒直径差值的方式缩小喂入口死区范围，但这也意味着缩窄了过桥宽度。如图 所示，过桥宽度（喂入口宽度）明显窄于脱粒室宽度。过桥宽度缩窄后，其与脱粒滚筒直径相差不大，这样喂入口两侧死区范围明显减小，物料运动到喂入口后能及时被脱粒滚筒抓取、推送，有效解决在喂入口两侧的拥堵、滞留问题。图 纵向单轴流脱粒系统示意图 图 窄喂入口结构示意图 优化物料流动方向减少喂入口堆积 公司在对单纵轴流脱粒系统进行创新设计后，为了进一步提高其喂入能力，为全新开发的 系列收割机配套了新型过桥。如图 所示，该过桥不仅包括输送链耙装置，在过桥出口处还设置了抛送轮，抛送轮上均布设置了螺旋叶片用于调整物料的抛送方向。图 系列过桥示意图 刘晓飞等：国内外单纵轴流脱粒系统喂入技术研究现状如图 即为搭配该新型过桥后的脱粒系统示意图。设置在过桥内的抛送轮不仅可以调整物料流动方向，防止物料往喂入口死区范围抛送，进一步降低堵塞滞留概率，还可以提供稳定、均匀的物料流。同时，输送链耙与抛送轮集成设计的过桥也方便拆卸，当喂入口出现拥堵时，拆卸下过桥便能直接处理喂入口处堆积物料，结构更加简单，维修保养更加方便。图 系列脱粒系统示意图 具有单纵轴流脱粒滚筒的组合式脱粒系统 设置辅助喂入装置的单纵轴流脱粒系统为了提高纵轴流脱粒滚筒的喂入能力，在单纵轴流脱粒滚筒前部设置专用加速辊成为国内外各企业解决单纵轴流脱粒系统喂入问题时的常用方式。系列联合收割机采用了单纵轴流脱粒系统。如图 所示，在脱粒滚筒前端设有加速辊，物料在加速辊和喂入口配合作用下，分散为均匀稳定的三作物流抛向脱粒滚筒，脱粒滚筒的螺旋喂入装置具有 个螺旋叶片，保证物料能快速高效被抓取推送，防止滞留。图 约翰迪尔 系列脱粒系统示意图 系列谷物联合收割机有 、等型号，其中 和 等机型为双纵轴流滚筒机型 ，为单纵轴流滚筒机型。如图 所示为 联合收割机的脱粒系统，设置的加速辊不仅可对物料加速抛送，其加速辊两端设有旋向不同的螺旋叶片，可以在工作时将两端的物料向中部收集，进一步减少喂入口两侧物料聚集。图 脱粒系统示意图 采用切流与单纵轴流组合式脱粒系统单切流式脱粒装置喂入顺畅，但由于有效脱粒时间短，需要在高转速、小脱粒间隙等条件下快速完成脱粒，因此在脱粒过程中对籽粒损伤较大，破碎率较高，在收割低茬潮湿作物时还易出现堵塞、夹带损失大等现象。单纵轴流脱粒装置柔性脱粒能力强，分离面积大，但易出现喂入不畅、脱粒载荷交变等问题。切纵流组合式脱粒系统相较于单一的切流脱粒分离装置，切流滚筒处的脱粒间隙可以放大，运转速度降低，脱粒作用柔和，可减小对籽粒的损伤；易脱籽粒可在切流滚筒作用下完成初脱分离，未脱净分离物料则快速抛向纵轴流滚筒进一步脱粒分离。切流滚筒不仅具有脱粒分离能力，还承担纵轴流滚筒的辅助喂入功能。因此，柔性脱粒及分离空间更加充足，并且有效避免脱粒分离损失大、喂入堵塞等问题。如图 所示，李磊等 设计了一种切纵流脱粒系统，切流滚筒下部设有脱粒凹板，纵轴流滚筒倾斜放置，封闭式倒锥配合纵轴流滚筒的螺旋喂入装置，可使切流滚筒高速抛出的物料流加速进入脱粒空间，避免喂入不畅。这种设计结构紧凑，可应用于中小型联合收获机。采用切流、喂入装置与单纵轴流组合式脱粒系统以德国 为代表的企业在大喂入量、高效率谷物联合收割机上开发设计了高效低损切纵流脱粒系统。鉴于切流滚筒主要完成脱粒功能，其结构设计限制了切流滚筒的抛送能力，对纵轴流滚筒的辅助喂入功能较弱，难以满足大喂入量下的辅助喂入需求。因此，其在切流滚筒与纵轴流滚筒之间再次设置加速辊提高辅助喂入能力。这种脱粒系统中，切流滚筒主要承担脱粒功能，纵轴流滚筒主要承担分离功能。为了进一步提高分离面积，纵轴流滚筒拖拉机与农用运输车第 期 年 月可采用双滚筒并排纵向布置，形成切流 双纵轴流组合脱粒系统 ，但这种设计结构庞大，传动复杂，不适用中小机型。图 切纵流脱粒系统示意图 如图 所示，联合收割机的脱粒系统，采用两个切流滚筒进行脱粒，在切流滚筒与纵轴流滚筒之间设置有喂入辊，经切流滚筒脱粒后的物料被加速辊加速抛向纵轴流滚筒，未完成脱粒分离的物料在较长的纵轴流滚筒作用下进一步脱粒分离。因此，这种脱粒系统脱粒更加彻底、夹带损失小，但结构比较复杂，常应用在大型联合收割机上。需要指出的是，其设计的喂入辊两端也设有旋向相反的螺旋叶片，加速辊工作时可将两端物料向中部收拢，可以避免物料向喂入死区直接抛送，从而提高喂入效率。图 脱粒系统示意图 针对中国中小地块收获需求，公司在中国开 发了春雨品牌谷物联合收割机。图 为春雨 系列联合收割机脱粒系统，其脱粒分离技术与 产品一脉相承，主要区别在于其只有 个切流滚筒，可以缩小整个脱粒系统尺寸，整机尺寸也可减小，以适应国内中小地块收获需求。图 春雨 系列脱粒系统示意图 结束语脱粒分离装置作为联合收获机的核心工作装置，对整机工作能力有决定性影响，同时对于联合收获机的收获性能比如经济性、收获损失率等方面也存在影响。纵轴流脱粒系统因具有脱粒分离效率高、柔性脱粒能力强、对多种作物适应性好等优点常应用于大型高效或多功能联合收获机。但是，对于单纵轴流脱粒系统，也存在喂入不畅、排草不连续、脱粒载荷交变等固有问题，引起国内外相关企业的重视。本文针对单纵轴流脱粒系统的喂入问题进行了系统的梳理总结，并介绍了国内外各企业、院所有效解决单纵轴流脱粒系统的喂入问题的典型结构，为我国低损高效单纵轴流联合收获机的开发提供借鉴。参考文献：唐怀壮，陈秀生，薛志原，等 谷物收获机脱粒系统的发展 中国农业信息，（）：陈艳普，藤悦江，郭飞扬，等 联合收割机纵轴流脱粒系统研究进展 中国农机化学报，（）：唐小涵，金诚谦，张国海，等 我国联合收获机脱粒分离装置的研究现状 农机化研究，（）：，张正中，谢方平，田立权，等 国外谷物联合收割机脱粒分离系统发展现状与展望 中国农机化学报，（）：李磊，李耀明 新型斜置切纵流联合收获机脱粒分离装置 农机化研究，（）：游海，韩小坤，赵研科，等 轮式小麦收割机脱粒分离系统技术路线浅析 拖拉机与农用运输车，（）：（编辑张晓超）作者简介：刘晓飞（），男，河南濮阳人，硕士，工程师，主要从事现代农业机械设计及制造工作。刘晓飞等：国内外单纵轴流脱粒系统喂入技术研究现状