银河文明3汉化补丁:梳脱式收获机设计理论的研究

农业机械学报TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY OF
AGRICULTURAL MACHINERY
1998年 第29卷 第2期科技期刊
梳脱式收获机设计理论的研究
袁建宁　李显旺　张晓文　石　磊　陈南云
【摘要】　通过将梳脱式收获机工作原理逐步展开，对其部分理论问题进行了探讨，分析了梳脱工艺流程结构方案及使用过程中几个关键技术因素对性能的影响，并通过试验加以对照和验证，得出梳脱滚筒离地高度、机器前进速度以及气体流场效应等因素对梳脱损失具有重要影响。
叙词： 谷物收获机具　脱粒装置　设计
1　工作原理

图1　梳脱式收获工作原理
1.压禾鼻　2.梳齿　3.上罩壳　4.梳脱滚筒　5.分流挡板
6.输送搅龙　7.网式出风口　8.输送槽
稻麦梳脱(或称摘穗收获)为割前脱粒的形式之一。其工作原理是：作物在压禾鼻的引导下进入梳脱滚筒的作用区域，利用高速旋转的梳脱元件对作物穗头进行梳刷，使穗头及籽粒根蒂被拉断，获得初速度后，在惯性力和由梳脱滚筒旋转所产生的气体流场的作用下，沿上罩壳的内壁向后飞行并落入输送搅龙中，如图1所示。其主要特征是大部分作物茎秆不进入机器中。
客观地说，在完成上述这一工作过程中，存在着或多或少的损失，其中有压禾鼻入口处的飞溅损失、梳脱滚筒回带损失及未脱净损失等。造成这些损失的因素，归纳起来主要有：机器前进速度、梳脱滚筒的转速、梳齿的倾角、梳脱滚筒的离地高度、上罩壳的引导方向、压禾鼻入口处的水平开度和垂直高度、分流挡板的形状和位置、输送搅龙的运动特性和结构形状及气体流场的形成和流场效应等等。
2　谷粒梳脱后的飞行方向——梳脱滚筒的运动学分析
2.1　梳齿的运动轨迹
当机器前进速度为vｍ，梳脱滚筒以转速n旋转时，梳齿圆周速度为vs，其上任意一点(在此以尖端为例)的运动轨迹为一余摆线，如图2所示。显然，该轨迹的形状取决于梳齿的圆周速度vs与机器前进速度v\-m的比值λ，即梳脱速度比λ＝vｓ／vｍ。图2中，EE′为余摆线扣环的最长横弦，且E、E′点处的绝对速度为垂直方向。在EE′以上部分，梳齿具有向后的水平分速度，将会把梳脱下来的作物籽粒向后抛送，而在EE′以下的部分，则只有向前的水平分速度，无法使籽粒向后抛送。因而，梳齿梳刷作物穗头的理想起始点应在E点处。
由图3可以看出，当λ＜1和λ＝1时，在轨迹曲线上的任何一点均不具有向后的水平分速度。因此，梳脱滚筒正常工作的必要条件是梳脱速度比λ＞1，即轨迹应为短余摆线，这反映出滚筒转速是一项重要的参数。目前，国内机型的设计λ远大于1，一般vs为15 m/s～17 m/s。

图2　梳脱齿的运动轨迹　　图3　不同λ值时梳齿运动的轨迹
2.2　梳脱滚筒的工作过程
为了减少梳脱滚筒在工作过程中的损失，仅仅保证λ＞1是不够的，还必须在设计和使用中保证一定的结构、运动参数。因此，梳脱滚筒的工作过程是我们首先需要了解、分析的问题。

图4　无压禾鼻时梳脱滚筒工作过程简图
2.2.1　从速度垂直向上开始梳脱
如图4所示，设作物为直立状态(由于作物倾斜或倒伏时的情况较为复杂，且试验依据不足，故留待今后讨论)。当梳齿从速度垂直向上开始梳脱穗头时，作物与余摆线扣环的最大横弦的端点相切，且切点A1正好与作物穗头的根部重合。若取梳脱滚筒轴o0在地面上的投影点o为坐标原点，x轴沿地面指向前进方向，y轴垂直向上，梳齿在水平位置A0处为初始相位，则梳齿在任意时间t的位移方程为
（1）
式中　R——梳脱滚筒半径　　ω——梳脱滚筒角速度
H——梳脱滚筒轴离地高度
梳齿从速度垂直向上开始梳刷穗部，A1点的水平分速度v1x应等于零，即
（2）
式中　t１——梳齿处于A1点时的时间参数
如图4所示，把式(2)代入式(1)可得
L－l１－Δl＝H＋R／λ
或H＝L－l１－Δl－R／λ　　　（3a）
式中　L——作物高度　　l１——作物穗头长度　　Δl——作物穗幅差
这就是要寻求在作物穗头以下部位垂直向上开始梳脱时，各参数之间的相互关系。换言之，由于A１为起始梳脱点，式(3a)即成为梳脱滚筒轴的最大离地高度
Hmax≤L－l１－Δl－R／λ　　　　（3）
2.2.2　完成梳脱
仍从图4所示的情况来看，A２是梳齿A完成梳脱点，此时，由式(1)可得
L＝H＋Rsinωt２　　　　（4a）
当降低梳脱滚筒轴的离地高度，使梳脱结束点移至A３，即梳脱的极限点时(理论上越过A3点后，梳齿仍具有向后的水平分速度，但实际上由于结构限制已非正常梳脱范围，茎秆将被拉断)，A3点的垂直分速度v3y等于零，即

代入式(1) ，并与式(4a)比较，可得梳脱滚筒轴的最小离地高度
Hmin＞L－R　　　（4）
这样，由式(3)和式(4)得出梳脱滚筒轴应满足的离地高度范围
L－l－R／λ≥H＞L－R　　　（5）
式中　l——广义穗头长，l=l1+Δl
很明显，当运动参数λ和结构参数R一定时，收获不同参数(高度、穗头长、穗幅差)的作物时，梳脱滚筒的高度应作相应的调整。
2.2.3　梳脱滚筒高度与梳脱损失的关系
下表为梳脱滚筒轴离地高度H不同时收获粳稻所测得的梳脱损失率。测试条件：作物平均高度800 mm，穗头平均长度90 mm，平均穗幅差105 mm，作物产量9 750 kg/hm２，梳脱滚筒直径560 mm、转速546 r/min，机器前进速度1.2 m/s。

图5　梳脱滚筒高度与梳脱台损失率的关系
从表中可以看出，按式(5)计算所得的H，其梳脱台损失较小，而当梳脱滚筒高度逐渐升高时，损失也随之增加，这主要是由前端压禾鼻喂入口处的飞溅造成；此外，当H小于式(4)所计算的高度时，梳脱台的损失也略有增加，这是由于梳脱台压得过低，作物被压禾鼻严重压弯而导致籽粒碰落以及梳脱滚筒回带所造成的。按表中数据绘制的曲线图较为直观地反映出H与损失率的关系，见图5。
表　不同收获高度下梳脱台的损失率
梳脱滚筒轴
离地高度H/mm 梳脱台损失率 备　　注
kg/hm２ %
510 92.6 0.95 高度按小于式(4)计算
535 60.5 0.62 高度按大于式(4)计算
584 72.2 0.74 高度按等于式(3)计算
650 99.5 1.02 高按按大于式(3)计算
674 181.4 1.86 按式(3)只考虑穗幅差Δl
690 225.2 2.31 按式(3)只考虑穗头长l１
710 975.0 3.97
2.2.4　梳齿的梳脱量
当梳齿由A1处运动到A2(穗头顶部)位置时，生长在f点到k点范围内的作物将集成一束被梳刷(图4)。由此可以看出，一个梳齿的一次梳脱量可以用线段来表示,f点是那些最靠近前一个梳齿作用区间的作物，其最大值即Δx＝S０，称为有效作用区间。其值的大小反映了一个梳齿的一次梳脱量。设梳脱滚筒有Z排梳齿，则（6）
式(6)表明，梳脱量S０与梳脱滚筒的结构参数有着直接的关系，其中，与梳脱滚筒直径D成正比，而与梳齿排数Z成反比。因此，若要提高单齿梳脱量，可以适当增大梳脱滚筒直径D。试验表明，滚筒直径在450 mm～600 mm，对梳脱质量无显著性影响，但滚筒直径过大则使结构庞大，重量增加；另外，还可适当减少梳齿排数Z，但过分减少Z将使向前倾斜梳脱的作物增多，若欲保证从速度垂直向上开始梳脱，就必须降低梳脱滚筒离地高度H，否则将导致损失增大。式(6)还表明，梳脱量S０与梳脱速度比λ成反比，即提高机器前进速度vm(减小λ)，可使单齿梳脱量S０增加。但过大的前进速度也会使向前倾斜梳脱的作物增多。因此，为提高生产率而增大前进速度时，应在结构设计时适当增加梳齿排数Z，其结果是减少了倾斜梳脱的作物量，但使后一梳齿产生重复梳脱，梳脱后的混合物草谷比相应增大。相反，在前进速度比较低的情况下，其单齿梳脱量S０较小，因而减少梳齿排数Z同样可以使单齿梳脱量S０与高速时相接近。图6所示机器前进速度vm1=3vm2，可以看出，图6b的S０要小得多。

图6　前进速度不同时单齿梳脱量的比较(vm1=3vm2)
2.2.5　作业速度对梳脱性能的影响
由式(2)还可以得到
（7）
式中　h——余摆线速度垂直向上点至梳脱滚筒轴线的垂直距离(见图6)

图7　前进速度与梳脱台损失率的关系
可见，当作物条件完全相同的情况下，前进速度越高，速度垂直向上点的位置也越高，相应地，梳脱滚筒在使用中的离地高度H也应越低，即应满足式(5)的要求。
图7所示为前进速度与梳脱台损失率之间的关系(测试条件除前进速度外如前所述)，二者大致呈负指数对数曲线关系。其中，当前进速度vm在0.3 m/s～1.2 m/s之间时，随着vm的提高，损失率显著降低。其主要原因是vm在0.3 m/s以及略大于0.3 m/s时，由于该速度比较低，前冲力不够，对作物的作用较“软”，使得梳齿在梳刷作物时，不易集束，呈非压缩状态，即单齿梳脱量S０过小(式(6))，容易产生“让”劲，部分籽粒是处在非正常梳脱状态被打下的，同时梳齿对梳下物的导向性较弱，籽粒的飞行轨迹较乱，缺乏稳定的梳下物运动流层，造成相对较大的梳脱损失；而当前进速度vm逐渐增大时，对作物的作用也随之变“硬”，集束明显，梳齿的导向性增强，损失也相应降低；当vm＞1.5 m/s以后，梳脱台损失率的降低幅度变得极为缓慢。
3　气体流场对梳脱物料的影响——梳脱滚筒气体动力学分析
当梳脱滚筒高速旋转时，在梳齿的扇动下，周围的气体在无障碍物的情况下作无旋环流运动，如图8所示。设某处流线的曲率半径为r，速度为v，而弧微分dn可认为等于dr，因此，可以得到

积分后有　　　　　　lnv＝－lnr＋lnC
即　　　　　　　　　v＝C/r　　　　　　　　　　　　　　（8）
式中　C——积分常数
由此结果可知，气流速度随距中心距离的减小而增加。由Bernoulli定理，压力
（9）
式中　ρ——空气密度　　　　K——常数
式(9)表明，随着远离中心，动压(1)/(2)ρv２迅速减小，而(静)压力增加得相当快［2］。这一流场效应对滚筒周围的物料有向心吸引力。
在梳脱滚筒上方加罩壳后，由于罩壳相对于滚筒的不对称性，使气体流场发生很大变化。在梳脱滚筒运转过程中，机器同时在空地上行走， 由于梳脱滚筒筒体为完全封闭的柱体，因而气流只能由A１口进、A2口出，这时气体流线大致如图9所示，滚筒下部环流气体与迎面而来

图8　梳脱滚筒无罩壳转动时的气体环流
图9　空地上行走时气流的运动
图10　梳脱滚筒工作时的气体流场示意图
的气流交汇而产生压力差，使气流在喂入口A１的外部形成涡旋。
在工作过程中，来自前部的气流被作物“墙”挡住，这时的气体流场示意图如图10所示。根据物质守恒定律，气体流动应具有连续性，因此有 A１v１≈A２v２＝常数　　　　(10)
式中　A１、v１——喂入口处的截面积及该截面上的气流平均速度
A２、v２——出口处的截面积及该截面上的气流平均速度
为了减少梳脱过程中前部的籽粒飞溅损失，应适当增大喂入口处的气流平均速度v１，即应使v１＞v2，或使A１＜A2，由Bernoulli定理，则p１＜p２。速度头的增大和压力头的减小便使得喂入口处对物料产生抽吸作用，从而使梳齿在速度垂直向上点以下梳脱的籽粒能够被吸入罩壳腔内。根据试验测量，此处的气流速度通常应达到5 m/s～8 m/s。但该流速也不宜过高，否则，为使气流的出口速度降低，势必要增大上罩壳和出风口的尺寸，造成结构庞大。总之，适当提高喂入口处的风速成为减少梳脱台损失的关键之一，而控制喂入口尺寸尤为重要。国外资料显示［3］，喂入口处压禾鼻(见图1)的内口与梳齿尖的水平距离应不小于90 mm。根据我们的设计及试验，建议压禾鼻内口与梳齿尖的距离(喂入口A１的最小处)不大于100 mm，需要说明的是，该参数的最佳选择尚有待进一步研究、试验。
4　结论
(1) 根据理论分析和试验验证，得出机器前进速度、梳脱滚筒离地高度、滚筒转速以及气体流场效应等诸因素对梳脱损失具有重要影响。
(2) 保证梳脱滚筒正常工作的必要条件是梳脱速度比λ＝vｓ／vｍ＞1，即梳齿的运动轨迹应为短余摆线。
(3) 梳脱滚筒轴的离地高度应满足L－l-R/λ≥H＞L-R，试验证明，滚筒离地过高损失将急剧增加；滚筒过低，草量增多，负荷加重，损失也略有上升。
(4) 机器前进速度与梳脱损失大致呈负指数对数曲线关系，即前进速度高，损失小；反之，损失将会有所增加。
(5) 气体流场的形成对输送籽粒物料、降低损失极为重要，并且应在设计时保证喂入口处的气流速度大于出风口处的气流速度。
收稿日期： 1997-04-24
袁建宁　农业部南京农业机械化研究所　高级工程师， 210014　南京市
李显旺　农业部南京农业机械化研究所　工程师
张晓文　农业部南京农业机械化研究所　工程师
石　磊　农业部南京农业机械化研究所　工程师
陈南云　农业部南京农业机械化研究所　研究员
参考文献
1　镇江农业机械学院 主编. 农业机械学(下册). 北京: 中国农业机械出版社, 1981.
2　Prandtl L. 流体力学概论.郭永怀 等译. 北京: 科学出版社, 1974.
3　Klinner W E, Neale M A, Arnold R E, Geikie A A, Hobson R N. A new concept in combine harvester headers. J.Agric. Engng.Res., 1987, 38: 37～45
RESEARCHES OF THE THEORY FOR STRIPPING HARVESTER DESIGN
Yuan Jianning Li Xianwang Zhang Xiaowen Shi Lei Chen Nanyun
(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization)
Abstract
Some problems in the stripping harvesters have been under development by means of making progressively the principles known on which the machine works. The technological process, the construction of stripping headers and several key technical parameters in use are analysed, which have influences on working performance. And the evaluations are made in experimental form. From this, we obtain the result that some factors, such as the working height of the stripping rotor, the effect of the airflow field, and so on, are very important to stripping header lo农业机械学报TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY OF
AGRICULTURAL MACHINERY
1998年 第29卷 第2期科技期刊
梳脱式收获机设计理论的研究
袁建宁　李显旺　张晓文　石　磊　陈南云
【摘要】　通过将梳脱式收获机工作原理逐步展开，对其部分理论问题进行了探讨，分析了梳脱工艺流程结构方案及使用过程中几个关键技术因素对性能的影响，并通过试验加以对照和验证，得出梳脱滚筒离地高度、机器前进速度以及气体流场效应等因素对梳脱损失具有重要影响。
叙词： 谷物收获机具　脱粒装置　设计
1　工作原理

图1　梳脱式收获工作原理
1.压禾鼻　2.梳齿　3.上罩壳　4.梳脱滚筒　5.分流挡板
6.输送搅龙　7.网式出风口　8.输送槽
稻麦梳脱(或称摘穗收获)为割前脱粒的形式之一。其工作原理是：作物在压禾鼻的引导下进入梳脱滚筒的作用区域，利用高速旋转的梳脱元件对作物穗头进行梳刷，使穗头及籽粒根蒂被拉断，获得初速度后，在惯性力和由梳脱滚筒旋转所产生的气体流场的作用下，沿上罩壳的内壁向后飞行并落入输送搅龙中，如图1所示。其主要特征是大部分作物茎秆不进入机器中。
客观地说，在完成上述这一工作过程中，存在着或多或少的损失，其中有压禾鼻入口处的飞溅损失、梳脱滚筒回带损失及未脱净损失等。造成这些损失的因素，归纳起来主要有：机器前进速度、梳脱滚筒的转速、梳齿的倾角、梳脱滚筒的离地高度、上罩壳的引导方向、压禾鼻入口处的水平开度和垂直高度、分流挡板的形状和位置、输送搅龙的运动特性和结构形状及气体流场的形成和流场效应等等。
2　谷粒梳脱后的飞行方向——梳脱滚筒的运动学分析
2.1　梳齿的运动轨迹
当机器前进速度为vｍ，梳脱滚筒以转速n旋转时，梳齿圆周速度为vs，其上任意一点(在此以尖端为例)的运动轨迹为一余摆线，如图2所示。显然，该轨迹的形状取决于梳齿的圆周速度vs与机器前进速度v\-m的比值λ，即梳脱速度比λ＝vｓ／vｍ。图2中，EE′为余摆线扣环的最长横弦，且E、E′点处的绝对速度为垂直方向。在EE′以上部分，梳齿具有向后的水平分速度，将会把梳脱下来的作物籽粒向后抛送，而在EE′以下的部分，则只有向前的水平分速度，无法使籽粒向后抛送。因而，梳齿梳刷作物穗头的理想起始点应在E点处。
由图3可以看出，当λ＜1和λ＝1时，在轨迹曲线上的任何一点均不具有向后的水平分速度。因此，梳脱滚筒正常工作的必要条件是梳脱速度比λ＞1，即轨迹应为短余摆线，这反映出滚筒转速是一项重要的参数。目前，国内机型的设计λ远大于1，一般vs为15 m/s～17 m/s。

图2　梳脱齿的运动轨迹　　图3　不同λ值时梳齿运动的轨迹
2.2　梳脱滚筒的工作过程
为了减少梳脱滚筒在工作过程中的损失，仅仅保证λ＞1是不够的，还必须在设计和使用中保证一定的结构、运动参数。因此，梳脱滚筒的工作过程是我们首先需要了解、分析的问题。

图4　无压禾鼻时梳脱滚筒工作过程简图
2.2.1　从速度垂直向上开始梳脱
如图4所示，设作物为直立状态(由于作物倾斜或倒伏时的情况较为复杂，且试验依据不足，故留待今后讨论)。当梳齿从速度垂直向上开始梳脱穗头时，作物与余摆线扣环的最大横弦的端点相切，且切点A1正好与作物穗头的根部重合。若取梳脱滚筒轴o0在地面上的投影点o为坐标原点，x轴沿地面指向前进方向，y轴垂直向上，梳齿在水平位置A0处为初始相位，则梳齿在任意时间t的位移方程为
（1）
式中　R——梳脱滚筒半径　　ω——梳脱滚筒角速度
H——梳脱滚筒轴离地高度
梳齿从速度垂直向上开始梳刷穗部，A1点的水平分速度v1x应等于零，即
（2）
式中　t１——梳齿处于A1点时的时间参数
如图4所示，把式(2)代入式(1)可得
L－l１－Δl＝H＋R／λ
或H＝L－l１－Δl－R／λ　　　（3a）
式中　L——作物高度　　l１——作物穗头长度　　Δl——作物穗幅差
这就是要寻求在作物穗头以下部位垂直向上开始梳脱时，各参数之间的相互关系。换言之，由于A１为起始梳脱点，式(3a)即成为梳脱滚筒轴的最大离地高度
Hmax≤L－l１－Δl－R／λ　　　　（3）
2.2.2　完成梳脱
仍从图4所示的情况来看，A２是梳齿A完成梳脱点，此时，由式(1)可得
L＝H＋Rsinωt２　　　　（4a）
当降低梳脱滚筒轴的离地高度，使梳脱结束点移至A３，即梳脱的极限点时(理论上越过A3点后，梳齿仍具有向后的水平分速度，但实际上由于结构限制已非正常梳脱范围，茎秆将被拉断)，A3点的垂直分速度v3y等于零，即

代入式(1) ，并与式(4a)比较，可得梳脱滚筒轴的最小离地高度
Hmin＞L－R　　　（4）
这样，由式(3)和式(4)得出梳脱滚筒轴应满足的离地高度范围
L－l－R／λ≥H＞L－R　　　（5）
式中　l——广义穗头长，l=l1+Δl
很明显，当运动参数λ和结构参数R一定时，收获不同参数(高度、穗头长、穗幅差)的作物时，梳脱滚筒的高度应作相应的调整。
2.2.3　梳脱滚筒高度与梳脱损失的关系
下表为梳脱滚筒轴离地高度H不同时收获粳稻所测得的梳脱损失率。测试条件：作物平均高度800 mm，穗头平均长度90 mm，平均穗幅差105 mm，作物产量9 750 kg/hm２，梳脱滚筒直径560 mm、转速546 r/min，机器前进速度1.2 m/s。

图5　梳脱滚筒高度与梳脱台损失率的关系
从表中可以看出，按式(5)计算所得的H，其梳脱台损失较小，而当梳脱滚筒高度逐渐升高时，损失也随之增加，这主要是由前端压禾鼻喂入口处的飞溅造成；此外，当H小于式(4)所计算的高度时，梳脱台的损失也略有增加，这是由于梳脱台压得过低，作物被压禾鼻严重压弯而导致籽粒碰落以及梳脱滚筒回带所造成的。按表中数据绘制的曲线图较为直观地反映出H与损失率的关系，见图5。
表　不同收获高度下梳脱台的损失率
梳脱滚筒轴
离地高度H/mm 梳脱台损失率 备　　注
kg/hm２ %
510 92.6 0.95 高度按小于式(4)计算
535 60.5 0.62 高度按大于式(4)计算
584 72.2 0.74 高度按等于式(3)计算
650 99.5 1.02 高按按大于式(3)计算
674 181.4 1.86 按式(3)只考虑穗幅差Δl
690 225.2 2.31 按式(3)只考虑穗头长l１
710 975.0 3.97
2.2.4　梳齿的梳脱量
当梳齿由A1处运动到A2(穗头顶部)位置时，生长在f点到k点范围内的作物将集成一束被梳刷(图4)。由此可以看出，一个梳齿的一次梳脱量可以用线段来表示,f点是那些最靠近前一个梳齿作用区间的作物，其最大值即Δx＝S０，称为有效作用区间。其值的大小反映了一个梳齿的一次梳脱量。设梳脱滚筒有Z排梳齿，则（6）
式(6)表明，梳脱量S０与梳脱滚筒的结构参数有着直接的关系，其中，与梳脱滚筒直径D成正比，而与梳齿排数Z成反比。因此，若要提高单齿梳脱量，可以适当增大梳脱滚筒直径D。试验表明，滚筒直径在450 mm～600 mm，对梳脱质量无显著性影响，但滚筒直径过大则使结构庞大，重量增加；另外，还可适当减少梳齿排数Z，但过分减少Z将使向前倾斜梳脱的作物增多，若欲保证从速度垂直向上开始梳脱，就必须降低梳脱滚筒离地高度H，否则将导致损失增大。式(6)还表明，梳脱量S０与梳脱速度比λ成反比，即提高机器前进速度vm(减小λ)，可使单齿梳脱量S０增加。但过大的前进速度也会使向前倾斜梳脱的作物增多。因此，为提高生产率而增大前进速度时，应在结构设计时适当增加梳齿排数Z，其结果是减少了倾斜梳脱的作物量，但使后一梳齿产生重复梳脱，梳脱后的混合物草谷比相应增大。相反，在前进速度比较低的情况下，其单齿梳脱量S０较小，因而减少梳齿排数Z同样可以使单齿梳脱量S０与高速时相接近。图6所示机器前进速度vm1=3vm2，可以看出，图6b的S０要小得多。

图6　前进速度不同时单齿梳脱量的比较(vm1=3vm2)
2.2.5　作业速度对梳脱性能的影响
由式(2)还可以得到
（7）
式中　h——余摆线速度垂直向上点至梳脱滚筒轴线的垂直距离(见图6)

图7　前进速度与梳脱台损失率的关系
可见，当作物条件完全相同的情况下，前进速度越高，速度垂直向上点的位置也越高，相应地，梳脱滚筒在使用中的离地高度H也应越低，即应满足式(5)的要求。
图7所示为前进速度与梳脱台损失率之间的关系(测试条件除前进速度外如前所述)，二者大致呈负指数对数曲线关系。其中，当前进速度vm在0.3 m/s～1.2 m/s之间时，随着vm的提高，损失率显著降低。其主要原因是vm在0.3 m/s以及略大于0.3 m/s时，由于该速度比较低，前冲力不够，对作物的作用较“软”，使得梳齿在梳刷作物时，不易集束，呈非压缩状态，即单齿梳脱量S０过小(式(6))，容易产生“让”劲，部分籽粒是处在非正常梳脱状态被打下的，同时梳齿对梳下物的导向性较弱，籽粒的飞行轨迹较乱，缺乏稳定的梳下物运动流层，造成相对较大的梳脱损失；而当前进速度vm逐渐增大时，对作物的作用也随之变“硬”，集束明显，梳齿的导向性增强，损失也相应降低；当vm＞1.5 m/s以后，梳脱台损失率的降低幅度变得极为缓慢。
3　气体流场对梳脱物料的影响——梳脱滚筒气体动力学分析
当梳脱滚筒高速旋转时，在梳齿的扇动下，周围的气体在无障碍物的情况下作无旋环流运动，如图8所示。设某处流线的曲率半径为r，速度为v，而弧微分dn可认为等于dr，因此，可以得到

积分后有　　　　　　lnv＝－lnr＋lnC
即　　　　　　　　　v＝C/r　　　　　　　　　　　　　　（8）
式中　C——积分常数
由此结果可知，气流速度随距中心距离的减小而增加。由Bernoulli定理，压力
（9）
式中　ρ——空气密度　　　　K——常数
式(9)表明，随着远离中心，动压(1)/(2)ρv２迅速减小，而(静)压力增加得相当快［2］。这一流场效应对滚筒周围的物料有向心吸引力。
在梳脱滚筒上方加罩壳后，由于罩壳相对于滚筒的不对称性，使气体流场发生很大变化。在梳脱滚筒运转过程中，机器同时在空地上行走， 由于梳脱滚筒筒体为完全封闭的柱体，因而气流只能由A１口进、A2口出，这时气体流线大致如图9所示，滚筒下部环流气体与迎面而来

图8　梳脱滚筒无罩壳转动时的气体环流
图9　空地上行走时气流的运动
图10　梳脱滚筒工作时的气体流场示意图
的气流交汇而产生压力差，使气流在喂入口A１的外部形成涡旋。
在工作过程中，来自前部的气流被作物“墙”挡住，这时的气体流场示意图如图10所示。根据物质守恒定律，气体流动应具有连续性，因此有 A１v１≈A２v２＝常数　　　　(10)
式中　A１、v１——喂入口处的截面积及该截面上的气流平均速度
A２、v２——出口处的截面积及该截面上的气流平均速度
为了减少梳脱过程中前部的籽粒飞溅损失，应适当增大喂入口处的气流平均速度v１，即应使v１＞v2，或使A１＜A2，由Bernoulli定理，则p１＜p２。速度头的增大和压力头的减小便使得喂入口处对物料产生抽吸作用，从而使梳齿在速度垂直向上点以下梳脱的籽粒能够被吸入罩壳腔内。根据试验测量，此处的气流速度通常应达到5 m/s～8 m/s。但该流速也不宜过高，否则，为使气流的出口速度降低，势必要增大上罩壳和出风口的尺寸，造成结构庞大。总之，适当提高喂入口处的风速成为减少梳脱台损失的关键之一，而控制喂入口尺寸尤为重要。国外资料显示［3］，喂入口处压禾鼻(见图1)的内口与梳齿尖的水平距离应不小于90 mm。根据我们的设计及试验，建议压禾鼻内口与梳齿尖的距离(喂入口A１的最小处)不大于100 mm，需要说明的是，该参数的最佳选择尚有待进一步研究、试验。
4　结论
(1) 根据理论分析和试验验证，得出机器前进速度、梳脱滚筒离地高度、滚筒转速以及气体流场效应等诸因素对梳脱损失具有重要影响。
(2) 保证梳脱滚筒正常工作的必要条件是梳脱速度比λ＝vｓ／vｍ＞1，即梳齿的运动轨迹应为短余摆线。
(3) 梳脱滚筒轴的离地高度应满足L－l-R/λ≥H＞L-R，试验证明，滚筒离地过高损失将急剧增加；滚筒过低，草量增多，负荷加重，损失也略有上升。
(4) 机器前进速度与梳脱损失大致呈负指数对数曲线关系，即前进速度高，损失小；反之，损失将会有所增加。
(5) 气体流场的形成对输送籽粒物料、降低损失极为重要，并且应在设计时保证喂入口处的气流速度大于出风口处的气流速度。
收稿日期： 1997-04-24
袁建宁　农业部南京农业机械化研究所　高级工程师， 210014　南京市
李显旺　农业部南京农业机械化研究所　工程师
张晓文　农业部南京农业机械化研究所　工程师
石　磊　农业部南京农业机械化研究所　工程师
陈南云　农业部南京农业机械化研究所　研究员
参考文献
1　镇江农业机械学院 主编. 农业机械学(下册). 北京: 中国农业机械出版社, 1981.
2　Prandtl L. 流体力学概论.郭永怀 等译. 北京: 科学出版社, 1974.
3　Klinner W E, Neale M A, Arnold R E, Geikie A A, Hobson R N. A new concept in combine harvester headers. J.Agric. Engng.Res., 1987, 38: 37～45
RESEARCHES OF THE THEORY FOR STRIPPING HARVESTER DESIGN
Yuan Jianning Li Xianwang Zhang Xiaowen Shi Lei Chen Nanyun
(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization)
Abstract
Some problems in the stripping harvesters have been under development by means of making progressively the principles known on which the machine works. The technological process, the construction of stripping headers and several key technical parameters in use are analysed, which have influences on working performance. And the evaluations are made in experimental form. From this, we obtain the result that some factors, such as the working height of the stripping rotor, the effect of the airflow field, and so on, are very important to stripping header losses.
Key words　Grain harvesting machinery, Threshing mechanisms, Design