Get 20M+ Full-Text Papers For Less Than $1.50/day. Start a 14-Day Trial for You or Your Team.

Learn More →

Optimal Design and Testing of a Crawler-Type Flax Combine Harvester

Optimal Design and Testing of a Crawler-Type Flax Combine Harvester Article  Optimal Design and Testing of a Crawler‐Type Flax   Combine Harvester  Ruijie Shi, Fei Dai, Wuyun Zhao *, Xiaolong Liu, Tianfu Wang and Yiming Zhao  College of Mechanical and Electrical Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China  *  Correspondence: zhaowy@gsau.edu.cn  Abstract: China is a large flax‐growing country, with planting area and production ranking among  the top three in the world. However, the cultivation range of flax in China is very broad, complex,  and diverse, resulting in different planting scales and patterns, making it difficult to apply foreign  large combine harvesters, and China lacks a dedicated flax combine harvester. This research im‐ proved the design of the 4LZ‐4.0 crawler‐type flax combine harvester for the regional features and  flax cropping patterns in China. First, the structure, technical parameters, and working principles  of the machine were introduced; second, the theoretical analysis and optimization of key compo‐ nents were performed; and finally, with the advancing speed of the machine, the speed of the thresh‐ ing drum, and the speed of the suction fan as independent variables and the rate of removal and the  total loss rate as response values, a three‐factor, three‐level response surface analysis method was  used. For each component and response value, a mathematical model was created, and the factors  and their interactions were evaluated and confirmed. The results demonstrated that the three pa‐ rameters impact the threshing drum speed, advancing speed, and centrifugal fan speed in that order  of priority, as well as the total loss rate in that order of priority. The machine’s optimal operating  −1 −1 −1 settings were 1.5 m∙s  advancing speed, 788.49 r∙min  threshing drum speed, and 885.34 r∙min   centrifugal fan speed, and the validation test results indicated that under the typical dryland dense  flax cultivation mode, it had a 97.46% threshing rate and 2.99% total loss rate after the test. This  demonstrated that optimizing operational parameters may decrease losses in the process of me‐ chanical flax harvesting, enhance harvesting efficiency, and satisfy the marketable flax harvesting  Citation: Shi, R.; Dai, F.; Zhao, W.;  standards.  Liu, X.; Wang, T.; Zhao, Y.   Optimal Design and Testing of a  Crawler‐Type Flax Combine   Keywords: combine harvester; crawler‐type; flax; optimized design; experimental verification  Harvester. Agriculture 2023, 13, 229.    https://doi.org/10.3390/  agriculture13020229  1. Introduction  Academic Editors: Emanuele   Radicetti, Roberto Mancinelli and  Flax is farmed and utilized in over fifty nations worldwide because of its drought  Ghulam Haider  tolerance, adaptability, and high value [1–3]. At the moment, Asia and Europe have the  most flax planting area, followed by the Americas, and the world’s average yearly flax  Received: 31 December 2022  6 2 planting area is essentially maintained at 2.58 × 10  hm . Canada’s planting area accounts  Revised: 12 January 2023  for approximately 34.95% of the world’s total planting area. China accounts for roughly  Accepted: 13 January 2023  19.70% of the world’s total planting area, the United States accounts for approximately  Published: 17 January 2023  12.72% of the world’s total planting area, and India accounts for approximately 8.70% of  the world’s total planting area. In recent years, the average area of flax planting in my  4 2 country has stabilized at 2.92 × 10  hm , and the average yield of flax has reached 1275  Copyright: © 2023 by the authors. Li‐ −2 kg∙hm . It is mainly distributed in Gansu, Neimongu, Shanxi, and other provinces. Gansu  censee  MDPI,  Basel,  Switzerland.  Province is one of the main flax‐producing areas in China. In 2020, the planting area of  This article  is an open access article  flax took up about 30.50% of the total planting area of the country, and the total output  distributed under the terms and con‐ ditions of the Creative Commons At‐ accounts for 38.67% of the country, both the sown area and the output rank first in China  tribution (CC BY) license (https://cre‐ [4–6]. Due to the linen planting model, variety, and other factors, foreign grain combined  ativecommons.org/licenses/by/4.0/).  harvesters cannot fully meet the needs of domestic linen mechanized harvest. There are  Agriculture 2023, 13, 229. https://doi.org/10.3390/agriculture13020229  www.mdpi.com/journal/agriculture  Agriculture 2023, 13, 229  2  of  23  problems  such  as  cutting  table  entanglement,  bridge  blocking,  difficulty  in  removing  granules, losses, and other problems [4–6].  Agricultural  machinery  manufacturers  in  Europe  and  the  United  States  have  de‐ signed numerous models for flax characteristics, mostly with two‐stage harvesting and  combined  harvesting  technologies, such  as  Case  flax  cutting  and  spreading  operators,  John Deere traction flax picking combine harvesters, John Deere self‐propelled flax pick‐ ing combines harvesters, and so on [6,7]. Jerzy Makowski et al. [7] tested the effect of  choosing combined harvesting after flax tilling and found that combined harvesting after  tilling did not influence flaxseed yield or weight; however, the height of the cut stubble  determined the production of homogenous fiber. The existing grain combine harvester  had a wide range of working parameter adjustments in combined harvesting, including  the rotation speed of the paddle wheel, the speed of the cutter blade, the advancing speed  of the operator, the speed of the threshing drum, the speed of the cleaning fan, and the  shaking line speed of the cleaning double layer sieve, which can be steplessly adjusted to  achieve the modular parameters of the flax combine harvester according to the different  types of flax [6,8]. The level of combined harvesting technology in Europe and the United  States is higher than in China, and combine harvesters are large and expensive. Such large  machines are not adapted to China’s flax‐growing environment, limiting the machine’s  role and benefits. The high selling price also reduces farmers’ desire to buy. In China, Song  et al. [9] built a basic small‐scale feed drum threshing machine for flax and grain millet  based on the demands of the production and operation mode of tiny grains in Shanxi  Province, which was inefficient and inappropriate for threshing operations in vast flax  cultivation regions. Wang et al. [10,11] refined the structure and features of a semi‐re‐ peated  wheat  thresher  and  designed  and  tested  a  5TS‐50  semi‐repeated  mixed  grain  thresher. This type of machinery can only minimize the work intensity of the decision,  and cutting and transporting were also labor‐intensive tasks. Zhao et al. [12] carried out  structural design and parameter optimization of the threshing mechanism of a self‐pro‐ pelled flax threshing tiller based on the existing mechanism, which is only one of the two  harvesting modes and does not have high operational efficiency. Liu et al. [13,14] designed  a cut‐and‐sun machine for flax harvesting according to the topographical characteristics  of flax cultivation. Qu et al. [15,16] designed a full‐feed flax thresher based on the traits of  the flax plant. Dai et al. [17–19] conducted basic research on the biomechanical character‐ istics of flax stalks, seed floating tests, seed discrete element parameter calibration, and  the wind sorting mechanism of the threshing material, and developed a threshing mate‐ rial scavenger to improve the mechanized operation process of flax sectional harvesting.  The machine developed by the above researchers was developed for the segmented har‐ vesting mode of flax, which is used in small areas of flax at such times, but the operational  efficiency is lower than combined harvesting when large areas are planted. At the same  time, Zhao et al. [20] developed China’s first large flax combine harvester for the flax cul‐ tivation pattern in the watered land of the Hexi tank area, which used a combined tangen‐ tial flow + cross‐axis flow threshing drum, double‐layer anisotropic reciprocating vibrat‐ ing screen, and a compound stripper to achieve one‐time operations such as flax cutting  and feeding, threshing and separation, grain collection, and transportation [20]. This kind  of machine solves the flax harvesting problem of large‐scale planting linen in the plain  area, which greatly improves the harvest efficiency of linen. However, this machine is for  a large volume. Carrying out the flax harvesting work so that the linen of the hilly areas  also relies on artificial harvesting and transportation, has increased the cost of linseed  planting, which seriously affects the enthusiasm of farmers and the development of the  linen industry.  This study targets the land conditions and planting models planted by the linen hills  in Gansu Province, China, and it suggests whether theoretical analysis, institutional de‐ sign, and improvement can be carried out for the present commercial flax harvesting ma‐ chine. Mixed selection, anti‐entanglement device cutting, high‐efficiency learning devices,  and minor differences were produced in the study effort, and the mixed selection devices    Agriculture 2023, 13, 229  3  of  23  were optimized. If this machine is improved, it can meet the combined harvest of the hilly  areas, and be extremely useful for the automated harvest of hilly mountains.  2. Materials and Methods  2.1. Flax Cultivation Patterns in the Hilly Areas  At the moment, the flax planting method for hilly areas is widely used. The percent‐ age of usable flax out of flax harvesting is only around 60%, which is affected by factors  such as planting environment, soil quality, and pests. The benefits of output and the spac‐ ing and plant spacing are reduced compared with the field planting model. Taking the  Longya No. 9 flax gripped in the dry land dense planting model as an example, the aver‐ age plant height is 472.33 mm, the average number of capsule fruits of a single plant is 8  to 13, and the planting density is 714 per square meter, as shown in Figure 1. The planting  areas in hilly areas are small, the roads are narrow, and the large combine harvesting ma‐ chine is difficult to operate. The space layout and power of small combine harvesting ma‐ chines are limited, and the flax stems contain a large amount of cellulose. At the same  time, the fruits of the capsule are intertwined with each other. When the flax harvest is  harvested, it is easy to cause the roots, the middle stems, and the neck stems to be broken  and fragmented, affecting the difficulty of selecting the system of the harvester.     (a)  (b)  Figure 1. Flax plant structure and cultivation status: (a) flax plant structure; (b) status of flax culti‐ vation, A: Flax capsule; B: Flax stem.  2.2. Crawler‐Type Flax Combine Harvester Structure  The 4LZ‐4.0 flax combine harvester is ideal for combined flax harvesting in river ir‐ rigation areas and hilly areas of the Loess Plateau. The machine has a crawler system, an  anti‐tangle cutting platform, a longitudinal axial flow threshing drum with ribs and teeth,  a  narrow  grating  separating  concave  plate,  and  a  double‐layer  reciprocating  vibrating  screen that can be used for cutting, feeding, conveying, threshing, separating, sorting, and  transporting flax all at the same time. The harvester has hydraulic steering and infinite  variable speed, 360° in situ steering, and a turning radius of 1080 mm. An anti‐tangle cut‐ ting table allows for easy flax plant feeding. The threshing drum is a longitudinal axial  flow structure with ribs and teeth and a narrow grid separator plate for efficient and low‐ loss threshing and flax capsule and seed separation. To achieve small differences in the  flax offcuts mixed cleaning operations, the cleaning system consists of a fan and a double‐ decker reciprocating vibrating screen combined to form a compound wind screening unit.  The schematic structure and physical diagram of the entire machine are depicted in Figure  2, while the technical parameters are depicted in Table 1.    Agriculture 2023, 13, 229  4  of  23     (a)  (b)  Figure 2. The 4LZ‐4.0 flax combine structure schematic and prototype diagram: (a) Schematic dia‐ gram of the structure; (b) prototype drawing. (1) Awning. (2) Operating lever. (3) Driver’s platform.  (4) Over‐bridge. (5) Wheel spreader. (6) Wheel paddle. (7) Splitter. (8) Blade guard. (9) Cutting knife.  (10) Guard. (11) Header. (12) Hydraulic cylinder. (13) Driving wheel. (14) Support wheel. (15) Track.  (16) Tensioning wheel. (17) Chassis. (18) Oil tank. (19) Shredder. (20) Threshing drum. (21) Grain  discharge cylinder.  Table 1. Technical parameters of 4LZ‐4.0 flax combine harvester.  Parameters  Value  Structural forms  Full‐feed crawler  Overall machine dimensions (L × W × H)/mm  4950 × 2150 × 2590  Width of cutting table/mm  1900  −1 Feeding capacity/(kg∙s )  4.0  −1 Operating speed/(m∙s )  0.75–1.5  2 −1 Productivity/(hm ∙h )  0–0.5  Rated power/kW  51.5  −1 Rated speed/(r∙min )  2400  Chain harrow type  Chain rake type  Threshing drum parameters (diameter × length)/mm  550 × 1350  Track pitch × number of knots × width/mm  90 × 44 × 400  Track gauge/mm  1080  Ground clearance/mm  320  The 4LZ‐4.0 flax combine is powered by a 4D2TI01 51.5 kW diesel engine. The header  splitter goes to the flax stalk to split the grain and is supported by the wheel tines to the  reciprocating cutter to cut the flax rootstalk, which is then transported by the spiral churn  to the bridge and then transported by the chain rake to the flax stalk and cob threshing  drum. The flax plant is threshed by the combined threshing drum by striking and rubbing  the stalk, glumes, and seeds, after which the flax material is separated into layers by the  rod and tooth separation section. After threshing the flax seeds, short stalks, and cereals  from the narrow grid concave plate aperture into the cleaning device, stalks come out of  the machine in the role of the grass guide plate. The flax from the material in the quality  of the lighter short stalks, glumes, and light impurities is blown out of the machine by the  fan in the cleaning device, and the flax from the material in the quality of the heavier flax  seeds, long stalks, not of the clean flax capsule, is placed into a double layer of reciprocat‐ ing vibrating sieve, flax seeds after the role of the upper and lower sieve are placed into a  seed screw conveyor and transported into the grain bin. When the grain bin becomes sat‐ urated, the flax seeds are unloaded from the grain unloading cylinder onto the grain truck.  Then all operations of the 4LZ‐4.0 combine harvester are completed.        Agriculture 2023, 13, 229  5  of  23  3. Analysis of the Working Process and Selection of Key Parameters  3.1. Selection of Cutting Table Working and Anti‐Tangle Device Parameters  When the flax is harvested, the header is responsible for cutting the linseed stalks  and then transporting the linseed stalks to the spiral conveyor. The linen stalks are in an  upright state when the cutting is cut. For delivery the stalks are wrapped around the trans‐ portation dragon, causing the flax of the stalks to be blocked, and the subsequent work  cannot be performed. Therefore, this study is carried out to improve the structure of the  conveying churn’s feeding section by adding two 100 mm high anti‐winding plates to the  feeding section, which is designed to be movable and adjustable using bolts (Figure 3).  The churn length is L = 1610 mm without the anti‐wrap plate, the diameter is L1 = 300 mm,  and the churn perimeter is C1 = 942.48 mm. The number of telescopic teeth in the feeding  section was reduced to reduce the hanging phenomenon, while the number of telescopic  teeth in other positions remained unchanged [21]. The churn is designed for a speed of  −1 216 r∙min  to avoid cutting table vibration and grain loss caused by churn rotation, and  the spiral blades of the churn are fabricated of stainless steel with a thickness of 3 mm.  −1 The flax harvester is designed for an engine speed of 2400 r∙min , an advancing speed of  −1 −1 −1 1 m∙s , a paddle wheel speed of 40 r∙min , a cutting deck churn speed of 216 r∙min , a  −1 −1 , a centrifugal fan speed of 894 r∙min , and a vi‐ threshing drum speed of 694–833 r∙min −1 brating screen shaft speed of 477 r∙min  when operating.  (a)  (b)  Figure 3. Diagram of the churn winding and anti‐winding device: (a) Churning dragon wrap. (b)  Diagram of the anti‐tangle device. (1) Churning dragon wrap. (2) Diagram of the anti‐tangle device.  (3) Stirrer. (4) Anti‐winding plate. Note: L is the length of the churn in mm. Lf is the length of the  anti‐winding plate in mm. L1 is the diameter of the churn in mm. L2 is the long shaft of the anti‐ winding churn in mm.  3.2. Analysis of the Working Process and Selection of Parameters of the Combined Threshing  Unit  Existing combine harvesters have two forms of threshing devices: cross‐axis flow and  longitudinal axial flow, and threshing elements such as ribs and spiked teeth. The flax  plant is tough and strong, and the length of the cross‐axis flow threshing drum is limited  by the width of the machine, making it difficult to increase threshing capacity, while the  length of the longitudinal axial flow threshing drum is less affected by the length of the  machine and can significantly increase threshing capacity. The grain threshing drum has  a high threshing capacity but a low separation capacity and a high damage rate, while the  spiked tooth drum has a low threshing capacity but a high separation capacity. For the  flax difficult to thresh, difficult to separate, and easy to damage, the characteristics of the  4LZ‐4.0 flax combine harvester threshing device uses a combination of ribs‐rod teeth and  longitudinal axial flow threshing drum. When the threshing device is working, the flax  material enters the threshing chamber and is threshed under the action of the threshing  element and the narrow grating common concave plate, the broken flax straw moves axi‐ ally with the threshing drum and is discharged from the machine under the action of the    Agriculture 2023, 13, 229  6  of  23  deflector plate, the flax seeds fall into the cleaning device through the concave plate aper‐ ture. The structure of the threshing device is shown in Figure 4.  Figure 4. Switching diagram of a combination of decide granular device structure: (1) Enter the  gearbox of the drum power in the drum. (2) Removing the barrel with the barrel. (3) Persia roller  lid. (4) Combined moldy granular drum. (5) Grass guide. (6) Narrow grille concave board. (7) Weld‐ ing in a departure drum.  3.2.1. Screw Feed Head  The spiral feed head uses rotating blades to push the flax plant into the threshing  chamber, and its design parameters affect operational efficiency. An analysis of the forces  on the flax plant and the spiral blades is shown in Figure 5.  Figure 5. Force analysis of screw feed head and flax stem: Note: f is the frictional force between the  flax plant and the spiral blade, N; T is the normal thrust, N; F is the combined frictional and thrust  −1 force, N; ω is the angular speed of the threshing drum in rad∙s ; D is the diameter of the threshing  drum in mm; d1 is the diameter of the small end of the spiral feeding head in mm; d2 is the diameter  of the large end of the spiral feeding head in mm; L3 is the length of the spiral feeding head in mm;  β is the angle of friction between the threshing material and the spiral blade, (°); α is the angle of lift  of the spiral blade, (°).  In flax plants and spiral blades, there is a frictional force f and normal thrust T, the  combined force of the F and T deviates from an angle β, that is the frictional angle between  the flax plant and the spiral blades, the conveying capacity of the spiral blades determines  the smoothness of the transport of materials from the over‐bridge to the threshing drum.  To enhance the conveying capacity of the screw blade, this study used a conical screw  feeding head while the axial conveying capacity of the screw blade needs to be greater  than the combined feed [22], the mass of flax transported per unit time of the screw feed‐ ing head Q and the threshing drum speed n is calculated as:    Agriculture 2023, 13, 229  7  of  23   2 21 0  Qd21 d d jSnCp0  23 1 h   24 (1) 61  0 v n=  πD where d3 is the spiral blade and shell clearance in mm; S is the spiral blade pitch in mm; j  −1 is the material filling factor, taken 0.6–0.8; n is the threshing drum speed in r∙min ; ρh is  −3 the density of flax in kg∙m ; C is the threshing drum tilt conveying coefficient, taken 0.3;  p is the spiral blade hood shell wrap angle coefficient, spiral feeding head part of the shell  −1 wrap angle of 180°, taken as 0.5 [23]. v is the linear speed of the threshing drum in m∙s ,  −1 concerning grain, wheat, etc., taken as 20 to 24 m∙s  [5,21].  To ensure the smooth transport of flax for feeding, the conveying force needs to be  greater than the resistance, with:  Tf cos  sin fT  cos (2) ﹤90 68 The spiral lift angle affects the efficiency of the crop transport and the power con‐ sumption of the threshing device; therefore, the power consumption should be reduced  as much as possible under the premise of ensuring smooth transport.  LP  /Z (3)  Ld  tan 32 where P is the spiral feed head lead in mm; Z0 is the number of spiral feed heads, taken as  2.  Through the spiral blade on the flax plant force analysis and Equations (1)–(3) it can  be seen that when the spiral feed head structural parameters are certain, flax in the spiral  feed head convey capacity mainly through the threshing drum speed and spiral feed head  unit volume operation to determine the quality of flax. In this study, the outer diameter  of the spiral blade is 550 mm, the inner diameter of the spiral blade is 292 mm, the spiral  feeding taper angle is 28°, the clearance between the spiral blade and the shell is 10–80  −3 mm, the spiral blade pitch is 480 mm, the flax density is 480 kg∙m , the speed range of the  −1 threshing drum is 694–833 r∙min  as calculated by Equations (1)–(3), the maximum feed‐ −1 ing volume Q = 4 kg∙s , spiral feed head length L3 = 240 mm, spiral blade lift angle α = 7.9°.  3.2.2. Threshing Drum  The threshing drum is the core part of the combine, determining threshing quality  and productivity and affecting the cleaning effect [24]. Based on the biomechanical char‐ acteristics of the flax plant, the 4LZ‐4.0 flax combine uses a combined longitudinal axial  flow threshing drum. The threshing element is laid out in a striker‐tooth space, with the  striker section responsible for the separation of the flax capsule from the seeds and the  tooth section responsible for the separation of the flax seeds from the stalk impurities. The  combined threshing element enhances the rubbing and squeezing of the flax capsules, and  reduces impact and damage, while the narrow grid concave plate increases the cleaning  efficiency and makes threshing and separation more efficient. The combined longitudinal  axial  flow  threshing  drum  with  rib  teeth  consists  of  a  ribs‐threshing  element,  a  teeth‐ threshing element, spokes, and a crossbar, etc. The structure is shown in Figure 6.    Agriculture 2023, 13, 229  8  of  23  Figure 6. Schematic diagrams of the combined longitudinal axial flow threshing drum with ribs‐rod  teeth: (1) Screw feed head. (2) Striker threshing element. (3) Spoke disc. (4) Crossbar. (5) Rod tooth  threshing element. Note: L4 is the length of the striker section in mm; L5 is the length of the separating  section in mm; L6 is the length of the grass discharge section in mm; L7 is the working length of the  rod teeth in mm; L8 is the distance between the rod teeth in mm.  The threshing effect of the threshing drum is inextricably linked to the diameter and  length of the drum, which directly determines the threshing and damage rates. The for‐ mulae for calculating the length of the threshing drum are:  LQ  q t0 (4)  LL =  L LL  t 345 where q0 is the feeding volume that the threshing drum is allowed to bear per unit length  −1 −1 −1 −1 in kg∙s ∙m , generally the axial threshing drum q0 is taken as 1.5–2 kg∙s ∙m , and the  −1 −1 combined harvester q0 is taken as 3–4 kg∙s ∙m  [25].  −1 −1 In this study, q0 = 3 kg∙s ∙m  and the threshing drum length Lt = 1350 mm, were cal‐ culated from the structural dimensions of the machine and Equation (4).  The  diameter  of  the  threshing  drum  affects  the  threshing  and  separation  perfor‐ mance. The drum diameter of commonly used combine harvesters is 450–600 mm, and in  this study, the diameter of the threshing drum was designed to be D = 550 mm.  The formulae for calculating the number of ribs Z are  πD Z  (5)  1 is the striker spacing in mm according to the diameter of the threshing drum and  where S the striker arrangement, S1 = 280 mm.  The number of ribs Z = 6 is calculated from Equation (5). Different striker lengths and  roller speeds of flax materials are kneaded and extruded, striking different layering ef‐ fects, which in turn affects the rate of linen removal, impurity rate, damage rate, and loss  rate. The working length of the striker L4 is calculated as  ZnL t0 L  (6)  where Lt is the length of the threshing drum in mm; μ0 is the threshing capacity of the  −1 −1 −1 −1 striker per unit length in kg∙s ∙m , 0.018 to 0.024 kg∙s ∙m  is often used.  From Equation (6) it is calculated that L4 = 450 mm, from which it can be obtained that  the feeding section L3 = 240 mm, the striker threshing section L4 = 450 mm, the rod and  tooth separation section L5 = 550 mm, and the grass discharge section L6 = 110 mm. To make    Agriculture 2023, 13, 229  9  of  23  the threshing sufficient, the rod and tooth are installed symmetrically, the spacing be‐ tween the nail teeth L7 = 70 mm, the working height of the nail teeth L8 = 66 mm, and the  actual speed of the threshing drum is set according to the maturity of the crop.  The threshing drum cover is set above the threshing drum and combined with the  threshing drum to form a closed threshing chamber, the role is to guide the broken flax  stalk with the threshing drum axial movement out of the machine. The larger the angle,  the less contact between the flax and the threshing element, and the more entrainment  losses; the smaller the angle, the longer the flax plant stays in the threshing chamber, the  higher the rate of seed impurities, and the increased threshing power loss. To make the  flax threshing process smooth and reduce flax threshing entrainment losses, this study  took the angle of the deflector at 45°.  3.2.3. Narrow Grille Recesses  After the flax plant passes through the threshing drum and the concave plates, the  stalk, the threshing material, and the seeds are initially separated, and the light and fine  residues in the threshing material and the seeds are cleaned and re‐screened by the clean‐ ing device. Therefore, the combination and arrangement of the concave plates play a de‐ cisive role in the separation effect of threshing and determine the loss rate, trash content,  and other indicators [26]. The narrow‐grid concave plate (Figure 7) is used in conjunction  with the combined threshing drum to complete the threshing and separation of flax dur‐ ing the operation of the threshing unit. Due to the flexibility and strength of the flax stalk  and the flattened shape of the flax seeds, the concave plate is designed as a narrow grid  concave plate for efficient threshing and fast separation [14,27].  (a)  (b)  Figure 7. Schematic diagram of the structure of the narrow grid recess: (a) Concave plate size. (b)  Concave  plate‐clad  corners.  (1)  Narrow  grating  concave  sieve.  (2)  Grating  bars.  (3)  Horizontal  spacer. Note: ds is the spacing between the grating bars in mm; dh is the spacing between the hori‐ zontal dividers in mm; dt is the gap between the concave plates in mm.  The design was based on the physical properties of flax capsules and seeds with a  grating spacing of ds = 10 mm and a spacing of dh = 40 mm between the cross partitions.  the area of the concave plate determines the threshing performance and the size of the  screen apertures affects the rate of removal, the rate of damage to the threshing, the dura‐ bility of the concave plate, and the reliability of the work. A larger concave plate area  makes the separation of threshing more efficient [28]. The arc length l of the concave plate  and the area A of the concave plate are calculated as:   (1 )q l 0.6q (7)   a AB  l   Agriculture 2023, 13, 229  10  of  23  −1 −1 where q1 is the threshing device feeding volume in kg∙s , taken 4 kg∙s ; β is the proportion  of flax seeds in the feed material, taken 0.35; qa is the unit concave plate area can withstand  −1 −1 the feeding volume in kg∙s , taken 5 kg∙s ; B is the concave plate width in mm; and l is  the concave plate arc length in mm.  The width of the concave plate is equal to the length of the threshing and separation  section, i.e., B = 1150 mm, and the arc length of the concave plate is one‐half of the circum‐ ference of the plate, which is calculated to be l = 860 mm.  The angle of the concave plate affects the threshing operation, the appropriate angle  of the concave plate can ensure smooth threshing of flax and no blockage. While the sep‐ aration is more complete, the entrapment loss is lower. Full‐feed longitudinal axial flow  threshing device concave plate sieve wrap angle is mostly 120° to 240°. Concave plate  angle τ is calculated as:  360l   (8)  πD From the Equation (8) calculation can be obtained, the concave plate wrap angle τ is  179°, and the actual design uses 180°. Considering the high toughness and strength of the  flax stalk, the large feeding volume of the concave plate, the threshing drum load and  impact, easily damage the concave plate, so the concave plate gap is set to adjustable, the  adjustment range of 8–15 mm.  3.3. Analysis of the Working Process and Selection of Parameters of the Combined Cleaning  Device  3.3.1. Structural Design  The performance of the cleaning device, as a key component of the combine, has a  direct impact on harvesting efficiency [29]. Flax seeds and glumes in flax off‐cuts do not  differ significantly in terms of suspension rate and mixing, and it is difficult to separate  them using a single cleaning system. The cleaning unit in this study consists of a centrif‐ ugal fan double‐decker reciprocating vibrating screen with a primary seed spiral conveyor  and a secondary trash spiral conveyor below the cleaning unit (Figure 8). The centrifugal  fan, powered by the engine, is responsible for blowing out the light debris and glumes  produced by threshing; the vibrating screen, powered by the eccentric wheel in a recipro‐ cating motion, is responsible for sieving short stalks, unthreshed cobs, and flaxseed grains  [30]. In the clearing process of flax‐stripped material, the clearing device is set according  to the physical characteristics of the stripped and aerodynamic differences to complete the  clearing operation. Due to the physical characteristics of the components being closer, and  small differences in suspension speed, it is easy to mix and easy to produce clearing losses.  To reduce the rate of impurities and loss of flax seeds, a double‐decker reciprocating vi‐ brating sieve using a fish scale sieve is used to separate the material in the unpurified ears  and long stalks, etc., the lower sieve used a woven sieve, the purpose is to separate the  impurities of the flax seeds, the unpurified ears, into the threshing drum for refreshing  operations.    Agriculture 2023, 13, 229  11  of  23  Figure 8. Schematic diagrams of the structure of the combined cleaning unit: (1) Centrifugal wind  machine power input belt. (2) Centrifugal divider. (3) Wind guide. (4) Primary seed screw conveyor.  (5) Woven sieve. (6) Seed skid. (7) Secondary miscellaneous residual screw conveyor. (8) Eccentric  bearing. (9) Vibrating screen power input pulley. (10) Tail sieve. (11) Fish scale sieve. (12) Fish scale  sieve fixed plate. (13) Fish scale sieve opening adjustment device. (14) Shaking plate. (15) Vibrating  screen housing.  3.3.2. Determination of Structural Parameters  The double‐decker reciprocating vibrating screen consists of a shaking plate, a fish  scale screen, a tail screen, a woven screen, an eccentric bearing, and a fish scale screen  opening adjustment device. To ensure that the offcuts conveyed to the double‐decker re‐ ciprocating  vibrating  screen  can  be  adequately  separated,  the  following  relationship  should be fulfilled between the screening effect and the size of the screen surface, and the  feeding volume [31].  WQ (1 K ) Bq (9) 1 s where W is the length of the vibrating screen in mm; Q is the harvester feeding volume in  −1 −1 kg∙s , taken 4 kg∙s ; ψ is the ratio of the stalk to the total weight of the flax offcuts, taken  0.6; K is the working characteristics of the threshing and cleaning device coefficient, taken  0.75; B1 is the width of the vibrating screen in mm, based on the size of the harvester clean‐ ing chamber, taken 650 mm; qs is the unit area of the vibrating screen can bear the flax  −1 −2 −1 −2 offcuts feeding volume in kg∙s ∙m , taken 2.8 kg∙s ∙m .  The length of the vibrating sieve is calculated from Equation (9) as W = 1200 mm. The  flax is a mixture of short stalks and trash, the size of the upper sieve fish scale sieve is 380  × 650 mm, the size of the lower sieve weaved sieve is 580 × 650 mm, the size of the sieve  hole is 8 mm × 8 mm.  3.3.3. Determination of Movement Parameters  The vibrating screen has a certain horizontal and vertical motion driven by the ec‐ centric bearing,  which causes the material to slip and stratify on the  screen surface to  achieve the screening purpose. The main parameters that determine the movement of the  debris on the screen surface are eccentric bearing speed n1, eccentric bearing eccentric dis‐ tance r, screen surface inclination angle ε, screen surface swing direction angle ζ, and de‐ bris and screen surface friction angle η. To analyze the vibrating screen movement, the  vibrating screen movement mechanism is simplified for kinematic analysis, the vibrating  screen mechanism and kinematic analysis are shown in Figure 9.    Agriculture 2023, 13, 229  12  of  23     (a)  (b)  Figure 9. Kinematic model of a vibrating screen: (a) Slip‐on detachment. (b) Slippage of debris. (1)  limit slider. (2) Flaxseed grain. (3) Sieve surface. (4) Eccentric wheel. Note: G is the gravity of the  flaxseed grain, N; N is the support force on the flaxseed grain, N; Fn is the friction force on the sieve  −1 surface on the flaxseed grain, N; ω is the angular speed of the eccentric bearing in rad∙s .  The acceleration of the vibrating screen determines the form and direction of move‐ ment of the screen surface release, the acceleration of the vibrating screen should satisfy  the following relationship:  23  (10) ar  cos( t ) 10 −2 ; ω is the angular velocity of the  where a is the acceleration of the vibrating screen in m∙s −1 eccentric bearing in rad∙s ; t is the eccentric bearing rotation time in s.  When the flax of the material along the screen surface slides (Figure 9a), when cosωt  = 1, the eccentric bearing angular velocity reaches the limit value of the material upward  sliding. The limit speed of the eccentric bearing for material sliding upwards is:  30 g sin( ) n  (11)  r cos( ) sin( ) Similarly, when  , the flax of the material slides along the screen sur‐ a> g cos( ) face (Figure 9b), when cosωt = 1, the angular velocity of the eccentric bearing reaches the  limit value of the material sliding upwards. The limit speed of the eccentric bearing for  material sliding downwards is:  30 g sin(  ) n  (12)  r cos( ) When the flax of the material was thrown up, cosωt = 1, to obtain the material thrown  up the eccentric bearing pole speed for:  30 g cos n  (13)  r sin(  ) To ensure that the material slides upwards and downwards in the vibrating screen,  and the downward sliding distance is greater than the upward sliding distance, there is a  certain throwing up to meet the delamination of the offcuts, taking the acceleration ratio  r of the vibratory motion, i.e., the constant vibration index  , the design screen  K 2.5 inclination angle ε = 4°, the vibration direction angle ζ = 12°, and the friction angle η = 22°  between the seeds and the screen surface. The best range of the eccentric bearing speed n  of the vibrating screen is ns < n1 < np, and the lower the speed the worse the screening effect,  and the higher the water content is the easier it is to cause blockage of the cleaning parts;  the higher the speed, the more the machine vibrates and affects the operation of the ma‐ chine. According to the actual working demand, we obtain the eccentric bearing speed    Agriculture 2023, 13, 229  13  of  23  223 < n1 < 569, take the eccentric bearing eccentric distance r = 10 mm, and obtain the crank  −1 speed 477 r∙min .  3.3.4. Determination of Wind Turbine Parameters  To ensure that the upper and lower sieve surfaces produce a uniform, stable airflow  and reduce the rate of cleaning loss and the rate of impurities, the centrifugal fan is chosen  to blow out the type of agricultural centrifugal fan (Figure 10). When the fan is working,  the airflow is drawn in from both ends and blown out in the direction of the duct under  the action of the blades.  Figure 10. Schematic diagrams of the centrifugal fan structure: (1) Centrifugal fan power input pul‐ ley. (2) Fan blade. (3) Centrifugal fan power output pulley. Note: D0 is the diameter of the centrifugal  fan in mm; A0 is the width of the centrifugal fan blade in mm; W0 is the height of the centrifugal fan  blade in mm.  The inclination and height of the fan outlet determine the windward area and influ‐ ence the degree of separation of the debris [32], both of which satisfy the condition accord‐ ing to the geometric relationship [20]  (14) Hk  W sin where H is the height of the air outlet in mm; k is the coefficient taken as 0.4; θ is the angle  between the airflow and the screen surface, (°), taken as 30°.  To fully separate the offcuts and achieve the purpose of cleaning, the centrifugal fan  air volume needs to meet:  Q Q  (15)  where Qs is the required air volume in m /s; γ is the proportion of cleaned impurities to  the fed volume, taken as 0.2; η is the mixing concentration ratio of the impurity airflow,  −3 −3 taken as 0.25; ρ is the air density in kg∙m , taken as 1.29 kg∙m .  From Equations (14)–(15), the air outlet height is H = 240 mm, the outlet direction is  3 −1 adjustable and the air volume is Qs = 2.5 m ∙s . When working, the full pressure of the  centrifugal fan air pressure is calculated by the formula:  hhh jd (16) hV  2g  d 1 where h is the full fan wind pressure in Pa; hj is the static pressure, overcoming the re‐ sistance of the air in the flow in Pa; hd is the dynamic pressure in Pa; V1 is the fan exit  −1 −2 −2 velocity in m∙s ; g is the acceleration of gravity in m∙s , 9.8 m∙s .    Agriculture 2023, 13, 229  14  of  23  The required static pressure hj needs to be determined according to the working con‐ ditions, the fan in this study is a blow‐out centrifugal fan, then the fan static pressure  calculation formula is:  22 2 lV V V 11 1 1 h  (17) 2g R 2g 2g where κ is the airflow friction factor, take 0.35; l1 is the duct length in mm, 200 mm; RL is  the duct hydraulic radius, take 0.1; λ is the duct resistance coefficient to airflow, take 0.35;  μ is the fan inlet and outlet force coefficient to airflow, take 0.6.  To avoid seed loss, the airflow velocity in the wind screening area should be less than  −1 the maximum suspension velocity of flax 6.5 m∙s , the airflow from the fan mouth out of  the open area, the cleaning area gradually expanded, so the airflow velocity decreased, the  screen area airflow velocity is about 60% to 70% of the airflow velocity at the outlet, so the  −1 airflow velocity at the outlet V1 = 9 m∙s . Calculated by the Equations (16)–(17) Fan air pres‐ sure full pressure h = 14.13 Pa.  Centrifugal fan speed affects the quality of cleaning, the design of the fan impeller  outside diameter D0 = 350 mm, and the number of blades for 4. The fan speed calculation  formula is:  60 hg n  (18) πD  where ν is the calculation coefficient, which is 0.35–0.40 and is taken as 0.4.  −1 The calculation from Equation (18) provides the centrifugal fan speed n0 = 894 r∙min .  4. Analysis of Tests and Results  4.1. Test Site, Materials, Equipment  The field trial of the 4LZ‐4.0 flax combine harvester was held from August 13 to 15,  2021, in Wencha Village, Laojun Town, Huining County, Baiyin City, Gansu Province, to  verify the working performance and reliability of the design parameters. The test material  was mature flax plants, the flax planting density was relatively uniform, with no collapse  phenomenon, the test area was 0.17 hm , the planted flax variety was Longya 14, the av‐ erage plant height was 437.21 mm, the average number of flax capsules in a single plant  −2 was 6–11, the planting density was 689 plants∙m , and the planting pattern was typical  dryland dense flax planting. The test machine’s working parameters were set according  to the working state of the test design, but in practice it was difficult to adjust the param‐ eters precisely, so the parameters closest to the working state were used as the test ma‐ chine’s working parameters during the test [33,34]. An LED stroboscope (SW‐6500, 60– −1 49,999 r∙min , Guangzhou Suwei Electronic Instrument Co., LTD, Guangzhou, China.)  was used to measure the speed of the threshing drum and the centrifugal fan, and a ther‐ −1 mal anemometer (AR866A, 0.3–30 m∙s , Dongguan Wanchuang Electronic Products Co.,  LTD. Dongguan, China.) was used to measure the airspeed at the outlet of the centrifugal  fan. Figure 11 depict field tests.    Agriculture 2023, 13, 229  15  of  23     (a)  (b)  Figure 11. Determination of threshing drum speed and centrifugal fan airspeed on the prototype:  (a) Threshing drum speed determination. (b) Centrifugal fan outlet air velocity determination.  4.2. Test Methods and Evaluation Indicators  The test was conducted by T/CAMA 30‐2020 Full‐feed flax combine harvester, GB/T  8097‐2008 Harvesting machinery combine harvester test method, GB/T 6562‐2008 Agricul‐ tural machinery test conditions, NY 2610‐2014 Grain combine harvester safety operating  procedures relevant standards and refer to GB/T 5982‐2017 Threshing machine test meth‐ ods and GB/T 2828.1‐2012 Counting sampling test procedures. According to previous test  results,  the  factors  affecting  the  machine’s  operating  effectiveness  were  the  advancing  speed, threshing drum speed, and centrifugal fan speed, with the advancing speed being  −1 in  the  range  of  0.5–1.5  m∙s ,  the  threshing  drum  speed  being  in  the  range  of  600–800  −1 −1 r∙min , and the centrifugal fan speed being in the range of 780–990 r∙min . As a result,  with the advancing speed (x1), threshing drum speed (x2), and centrifugal fan speed (x3)  as independent variables and the threshing rate (Y1) and total loss rate (Y2) as response  values, the test site was divided into 17 equal test areas of 25 m × 1.9 m in length × 1.9 m  in width, using a three‐factor, three‐level response surface analysis method based on the  Box–Behnken experimental design principle. An area of no less than 2 m was reserved at  each end of the test area as an adjustment zone, and 17 sets of response surface analysis  tests were implemented (Figure 12) with the fully harvested test area as the end single‐ test signal [35], and each test factor code as shown in Table 2. A small sample of no less  than 1000 g of discharge from the grain outlet within the test trip was picked up at the end  of the single test, and the mass of dropped flax seeds per square of the test area was ran‐ domly determined after the operation per the five‐point sampling method, using clean  sample bags for bagging and numbering for a total of five operations, with five squares  taken each time as a source of test data, and measured using an electronic scale with an  accuracy of 0.001 g after the completion of multiple operations, with the results averaged.  The results of the response surface analysis tests are shown in Table 3.  Each test parameter is calculated as follows:    Agriculture 2023, 13, 229  16  of  23  mmmmmm tw j q f g Z 100%  z Z 100% S 100%  m  j S100% (19)  m S 100%  m S 100%  f S 100%  g SSSS tw j q where mt is the total threshing mass in g; mw is the mass of unthreshed kernels in g; mj is  the mass of entrained loss kernels in g; mq is the mass of scavenging loss in g; mf is the  mass of splash loss kernels in g; mg is the mass of cutter loss kernels in g; mp is the mass of  broken kernels in g; mz is the mass of impurities in kernels in g; Zp is the rate of broken  kernels, %; Zz is the rate of impurities, %; Sw is the rate of unthreshed loss, %; Sj is the rate  of entrained loss, %; Sq is the rate of scavenging loss, %; Sf is the rate of splash loss, %; Sg  is the rate of cutter loss, %; and St is the total loss rate, %.     (a)  (b)  Figure 12. Field test: (a) Field operation of the tester apparatus. (b) Field testing of operational ef‐ fectiveness.  Table 2. Factor‐level coding table.  Test Factors  Levels  Threshing Drum  Centrifugal Fan  −1 Advancing Speed/(m∙s )  −1 −1 Speed/(r∙min )  Speed/(r∙min )  −1  0.5  600  780  0  1  700  885  1  1.5  800  990       Agriculture 2023, 13, 229  17  of  23  Table 3. Test scheme and its results.  Test No.  x1  x2  x3  Y1/%  Y2/%  1  0  0  0  95.03  4.09  2  0  0  0  95.08  4.06  3  −1  −1  0  85.87  6.55  4  1  0  1  97.53  4.5  5  1  1  0  98.23  2.63  6  0  0  0  96.94  4.07  7  0  0  0  95.05  4.02  8  0  −1  −1  86.7  4.88  9  −1  1  0  96.01  9.32  10  0  1  −1  95.51  3.48  11  1  0 −1  92.88  2.43  12  0  0  0  95.02  4.21  13 −1  0 −1  93.18  6.05  14  0 −1  1  86.46  6.1  15 −1  0  1  91.18  7.14  16  1 −1  0  91.39  6.18  17  0  1  1  98.55  6.13  13  0  0  0  95.03  4.09  4.3. Analysis of Results  Design‐Expert 10.0.0 software was applied for data processing and analysis. Accord‐ ing to the experimental results in Table 3, the ANOVA [36,37] of the regression model was  performed for the decontamination rate (Y1) and the loss rate (Y2), the results are shown  in Table 4, and the quadratic regression models for Y1 and Y2 were obtained as follows:  2  2  2 Y1 = 95.42 + 1.72x1 + 4.74x2 + 0.68x3 − 0.82x1x2 + 1.66x1x3 + 0.82x2x3 − 0.33x1 − 2.22x2 − 1.4x3   (20) 2  2  2 Y2 = 4.09 − 1.59x1 − 0.35x2 + 0.88x3 − 1.74x1x2 + 0.24x2x3 + 0.36x1 + 1.06x2 − 0.12x3   (21) Table 4. Variance analysis of the regression coefficients.  Test In‐ Sources of Vari‐ Regression  Variance  Degree of  F  p  dex  ance  Coefficients  Sum  Freedom  Model  254.95  9  28.33  38.46  <0.0001 **  x1  23.77  1  23.77  32.27  0.0007 **  x2  179.36  1  179.36  243.53  <0.0001 **  x3  3.71  1  3.71  5.04  0.0596  x1x2  2.72  1  2.72  3.70  0.0960  x1x3  11.06  1  11.06  15.01  0.0061 **  x2x3  2.69  1  2.69  3.65  0.0976  Thresh‐ ing rate  x1   0.46  1  0.46  0.63  0.4550  x2   20.72  1  20.72  28.13  0.0011 **  x3   8.26  1  8.26  11.22  0.0123 *  Residual error  5.16  7  0.74     Lack‐of‐fit  2.28  3  0.76  1.06  0.4597  Error  2.87  4  0.72     Sum  260.11  16       Model  51.25  9  5.69  455.97  <0.0001 **  x1  20.13  1  20.13  1611.74  <0.0001 **  x2  0.97  1  0.97  77.35  <0.0001 **  Total loss  x3  6.18  1  6.18  494.63  <0.0001 **  rate  x1x2  12.08  1  12.08  966.88  <0.0001 **  x1x3  0.24  1  0.24  19.22  0.0032 **  x2x3  0.51  1  0.51  40.93  0.0004 **    Agriculture 2023, 13, 229  18  of  23  x1   4.73  1  4.73  378.80  <0.0001 **  x2   5.84  1  5.84  467.43  <0.0001 **  x3   0.061  1  0.061  4.85  0.0634  Residual error  0.087  7  0.012     Lack‐of‐fit  0.067  3  0.022  4.33  0.0955  E‐003 to ×  Error  0.021  4     −3 10   Sum  51.34  16       Note: ** means very significant (p < 0.01); * means significant (0.01 < p < 0.05).  According to the analysis of variance of the regression equation, the quadratic regres‐ sion model of the stripping rate p < 0.0001 indicates that the regression model is extremely  significant; the misfit term p > 0.05 indicates that the misfit is not significant, indicating  that the quadratic regression equation fitted by the model is consistent with reality and  can correctly reflect the relationship between the stripping rate (Y1) and the advancing  speed (x1), drum speed (x2) and centrifugal fan speed (x3). The primary terms x1, x2, and  x1x3 are highly significant, the secondary term x2  is highly significant, the primary term x3  is significant, the secondary term x3  is significant and the other terms are not significant.  Based on the magnitude of the regression coefficients for each factor of the model, the  primary and secondary order of influence of each factor on the threshing rate was ob‐ tained as x2, x1, and x3, i.e., threshing drum speed, advancing speed, and centrifugal fan  speed. Similarly, the total loss rate regression model was highly significant and the misfit  was not significant, indicating that the quadratic regression equation fitted by the model  was consistent with reality. Based on the magnitude of the regression coefficients for each  factor of the model, the main order of influence of each factor on the threshing rate was  obtained as x1, x3, and x2, i.e., advancing speed, centrifugal fan speed, and threshing drum  speed.  4.4. Analysis of Model Interaction Items  According to the quadratic regression model of each response value obtained from  the experiment, the response surface plots of different interaction levels of three factors,  namely advancing speed, threshing drum speed, and centrifugal fan speed, were made  on the rate of threshing and total loss, and the response surface between each factor was  made by the regression model Equations (19) and (20), respectively (Figure 13).     (a)  (b)  Figure 13. Influence of interaction factors on response values: (a) Effect of advancing speed and  centrifugal fan speed on decontamination rate. (b) Effect of advancing speed and threshing drum  speed on total loss rate.    Agriculture 2023, 13, 229  19  of  23  As can be seen from Figure 13, the interaction of advancing speed and centrifugal fan  speed has an extremely significant effect on the threshing rate. The reason for this is that  as the speed of the threshing drum increases so that the caraway capsule is completely  broken, the advancing speed increases so that the feed volume increases, and the speed of  the centrifugal fan directly determines how much of the flax seed is blown out, making  the number of flax seeds that are not removed vary considerably. When the threshing  −1 −1 −1 drum speed is 700 r∙min , the advancing speed increases from 0.5 m∙s  to 1.5 m∙s , and  the net rate increases mainly because the advancing speed increases the feeding volume,  the feeding volume increases so that the threshing gap can be filled with flax plants, the  threshing effect is more adequate, making the net rate increase. When the threshing drum  −1 −1 −1 speed is 700 r∙min , the centrifugal fan speed is from 780 r∙min  to 990 r∙min , and the  threshing rate gradually increases, mainly because the centrifugal fan speed is smaller  when the air volume is smaller, which cannot be flax threshing material for stratification,  resulting in some incomplete threshing capsules and seeds by the vibrating screen out of  the  machine,  making  the  threshing  rate  very  low.  When  the  centrifugal  fan  speed  is  higher,  the  air  volume  is  larger,  so  that  the  flax  off‐growth  begins  to  stratify,  the  off‐ growth is entrained in the discharge of flax seeds and threshing of incomplete capsules,  making the net rate gradually increase.  When the centrifugal fan speed is 885 r∙min‐1, the advancing speed increases from  −1 −1 0.5 m∙s  to 1.5 m∙s , the total loss is reduced first and then increased, mainly because  when the advancing speed is small, the paddle wheel continuously fights the flax cap‐ sules, making the flax cutting table fall causing grain loss, resulting in a larger total loss  rate; when the advancing speed is larger, the speed ratio of the paddle wheel speed and  advancing speed affects the work of the cutting table, causing part of the flax plant to be  cut without being supported by the paddle wheel, resulting in part of the flax plant not  entering the cutting table smoothly, resulting in a large loss of cutting table. At the same  time, when the  advancing speed is higher, the combine feeds more, resulting  in more  threshing material, and the centrifugal fan cannot effectively stratify the threshing mate‐ rial for cleaning, resulting in entrained losses, making the total loss rate larger. When the  −1 −1 centrifugal fan speed is 885 r∙min , the threshing drum speed increases from 600 r∙min   −1 to 800 r∙min , and the total loss rate gradually increases, mainly because the increase in  threshing drum speed makes the threshing material more fully threshed, the centrifugal  fan is subject to increased workload, part of the threshing material cannot be effectively  stratified, making part of the threshing material entrained and discharged, resulting in  scavenging losses, making the total loss rate gradually increase.  4.5. Optimal Working Parameters Determination and Experimental Verification  According to the quadratic regression model results and response surface analysis,  to further improve the operational performance of the flax combine harvester, considering  the boundary conditions of each factor, and according to the flax operational quality re‐ quirements and the actual operation, the full‐factor quadratic regression equation of per‐ formance indicators was established [18,19], and the objective optimization and optimal  working parameters were determined with the objective function and constraints as:  maxGx ( )Y (x ,x ,x ) 11 2 3 (22) minGx ( )Y (x ,x ,x ) 21 2 3 11 x  11 x    (23)   11 x  3   Agriculture 2023, 13, 229  20  of  23  The optimization solver in Design‐Expert 10.0.0 software was used to solve the re‐ gression Equations model (19) and (20) under objective (21), and the final optimization  test indexes were 98.4% threshing rate and 2.65% total loss rate. The optimum operating  −1 parameters  were:  an  advancing  speed  of  1.5  m∙s ,  a  threshing  drum  speed  of  788.49  −1 −1 r∙min , and a centrifugal fan speed of 885.34 r∙min .  To verify the reliability of the regression Equations models (19) and (20), the optimal  working parameters were optimized and the flax combine harvester was subjected to sev‐ eral operational performance tests, and the values of the combined optimized parameters  −1 −1 were rounded to an advancing speed of 1.5 m∙s , a threshing drum speed of 780 r∙min   −1 and a centrifugal fan speed of 885 r∙min , taking into account the convenience of meas‐ urement and testing. Under the same test conditions (refer to Sections 3.1 and 3.2), the test  was repeated five times and the results were averaged and shown in Table 5, proving that  the machine meets the requirements of flax harvesting. The machine was certified by a  third‐party testing body, which is conducive to achieving integrated support for flax pro‐ duction operations in China and reducing labor input.  Table 5. Verify test results.  Contami‐ Cutter  Entrain‐ Cleaning  Splash  Test Indi‐Threshing  Breakage  Total Loss  nation  Loss  ment Loss  Loss  Loss  cators  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Standard  ≥95 ≤5 ≤3 ≤3 ≤3 ≤3 ≤3 ≤5  values  Test re‐ 97.46  3.91  0.09  1.43  0.26  1.09  0.21  2.99  sults  5. Discussions  (1) This study aims at the current status of China’s linen plants and the conditions and  planting models of the planting in the hills and mountains in Gansu Province. After  the optimization design of key links such as linen harvesting, transportation, degran‐ ulation, and clear selection, the linseed harvester can meet the current joint harvest‐ ing requirements of linen seed seeds in Gansu Province. Compared with existing flax  combine harvesters, the machine is suitable for mechanized combined harvesting of  flax in hilly areas, filling the gap in China’s hilly areas where flax cannot be mecha‐ nized for combined harvesting, and can solve the problem that existing large com‐ bine harvesters cannot carry out hilly area operations. At the same time, the harvest‐ 2 −1 ing efficiency of this machine can reach 0.5 hm ∙h , and one person can only harvest  0.06 hm  a day. The flax harvest has a significant impact on the economy of linen  planting,  which  is  consistent  with  the  research  conclusions  of  Dai  at  al.  [20]  and  Souček, J at al. [8]. Similarly, the optimized design of the hilly areas and linen com‐ bined harvester can achieve an efficient harvest of linen, which is improves the oper‐ ating performance of the machine compared with the large linen combined harvest‐ ing machine [20].  (2) Trials found that different flax varieties have different plant heights and stem mois‐ ture content, which has a certain impact on the mechanization of the combined effect  of harvesting. Špokas L. et al. [38] showed that the stand lodging rate and water con‐ tent of crops before harvest have a great influence on grain loss after threshing and  cleaning  by  combine  harvesters.  Based  on  the research  results  obtained,  it  can  be  stated that the increase in the clearance between shutters of the upper sieve from 9  mm to 14 mm allows for a decrease in grain losses behind the straw walker and clean‐ ing mechanism by 0.13% in the case of wheat and by 0.24% in case of barley. By the  same token, when operating on an inclined field, the flaxseed, and offcuts inside the  cleaning system were affected by gravity, resulting in an uneven distribution of flax‐ seed and offcuts on the screen surface of the vibrating sieve, with offcuts piling up  on the screen surface and poor cleaning results. Therefore, this study continues to    Agriculture 2023, 13, 229  21  of  23  investigate  the  relationship  between  the  combine’s  walking  posture  and  the  flax  plant.  (3) China made a breakthrough in the mechanized harvesting of flax, but the degree of  mechanization is very low compared with wheat, rice, and other staple crops, and  the existing rice and wheat combine harvesters in the current market cannot adapt to  the mechanized combined harvesting of flax, and the specialized foreign flax harvest‐ ers  are  less  utilized,  expensive,  unacceptable  to  farmers,  and  not  suitable  for  the  mechanized harvesting of flax in China. The crawler‐type flax combine harvester de‐ signed in this study improves harvesting efficiency, saves labor costs, and reduces  labor intensity. The key components of the flax combine designed in this study can  be sold as accessories and installed on common rice and wheat combines to enhance  the practicality and utilization of the machine, which can increase the marketability  of the machine.  6. Conclusions  (1) In this study, the self‐propelled flax combine harvester was optimized through mech‐ anism design and theoretical calculations for the conditions and planting patterns of  flax field cultivation and hilly cultivation in China and Gansu Province. The machine  was adapted to the combined harvesting operation of flax in the irrigation area of  Hexi and the hilly area of Loess Plateau, and the operation effect meets the combined  harvesting requirements of flax.  (2) By the Box–Behnken experimental design, 17 sets of response surface analysis exper‐ iments were carried out with advancing speed (x1), threshing drum speed (x2), and  centrifugal fan speed (x3) as independent variables, and threshing rate (Y1) and total  loss rate (Y2) as response values, using a three‐factor, three‐level response surface  analysis method. The order of influence of the three factors on the threshing rate was  threshing drum speed, advancing speed, and centrifugal fan speed, while the order  of influence on the total loss rate was advancing speed, centrifugal fan speed, and  threshing drum speed.  (3) The test results showed that under a typical dryland dense flax cultivation pattern,  the test machine had a 97.46% netting rate and a 2.99% total loss rate according to the  test design criteria. The total loss rate was 2.99%. This shows that the optimization of  the working parameters can reduce the losses in the process of mechanized flax har‐ vesting and improve the harvesting efficiency, and the operational effect can meet  the market requirements of flax harvesting.  Author Contributions: Conceptualization, W.Z. and R.S.; methodology, W.Z. and F.D.; software,  T.W. and Y.Z.; validation, X.L., T.W. and Y.Z.; formal analysis, X.L.; investigation, W.Z. and F.D.;  writing—original draft preparation, R.S.; writing—review and editing, R.S. and W.Z.; visualization,  R.S.; supervision, W.Z.; project administration, W.Z. and F.D. All authors have read and agreed to  the published version of the manuscript.  Funding: This research was supported by the earmarked fund for China Agriculture Research Sys‐ tem (CARS)(Grant NO. CARS‐14‐1‐28), Key R&D Program of Gansu Province in China (Grant NO.  20YF3WA019) and Gansu Province Science and Technology Plan Major Special Project (Grant NO.  21ZD4NA022‐05).  Institutional Review Board Statement: Not applicable.  Data Availability Statement: The data presented in this study are available on request from the  authors.  Acknowledgments: The authors thank the editor for providing helpful suggestions for improving  the quality of this manuscript.  Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest.    Agriculture 2023, 13, 229  22  of  23  References  1. Sydow, Z.; Idaszewska, N.; Janeba‐Bartoszewicz, E.; Bieńczak, K. The Influence of Pressing Temperature and storage conditions  on the quality of the linseed oil obtained from Linum Usitatissimum L. J. Nat. Fibers 2021, 18, 442–451.  2. Depuydt, D.; Hendrickx, K.; Biesmans, W.; Ivens, J.; Van Vuure, A.W. Digital image correlation as a strain measurement tech‐ nique for fibre tensile tests. Compos. Part Appl. Sci. Manuf. 2017, 99, 76–83.  3. Habibi, M.; Laperrière, L.; Lebrun, G.; Toubal, L. Combining short flax fiber mats and unidirectional flax yarns for composite  applications: Effect of short flax fibers on biaxial mechanical properties and damage behaviour. Compos. Part B Eng. 2017, 123,  165–178.  4. Shi, R.J.; Dai, F.; Zhao, W.Y.; Liao, X.L.; Qu, J.F.; Zhang, F.W. Optimization and experiment of operation parameters of hilly area  flax combine harvester. J. Jilin Univ. (Eng. Technol. Ed.) 2022, 52, 2746–2755.  5. Song, X.F.; Dai, F.; Shi, R.J.; Wang, F.; Zhang, F.W.; Zhao, W.Y. Simulation and experiment of the vibration separation of flax  threshing material using non‐spherical particles model. Trans. CSAE. 2022, 38, 39–46.  6. Dai, F.; Zhao, W.Y.; Shi, R.J.; Zhao, Y.M.; Zhang, F.W.; Liu, X.L.; Zhang, S.L. Research progress analysis of key technology and  equipment for mechanized harvest of flax. Chin. J. Oil Crop Sci. 2022, 44, 1148–1158.  7. Mańkowski, J.; Maksymiuk, W.; Spychalski, G.; Kołodziej, J.; Kubacki, A.; Kupka, D.; Pudełko, K. Simulation and experiment  of the vibration separation of flax threshing material using non‐spherical particles model. J. Nat. Fibers 2018, 15, 53–61.  8. Souček, J.; Šturc, T.; Mareček, J. Analysis of linseed production with use of flax puller and combine harvester for its harvest.  Acta Univ. Agric. Silvic. Mendel. Brun. 2017, 65, 511–517.  9. Song, H. Flax(til) Sheller of 5TF‐45 Type Design and Research; Shanxi Agricultural University: Jinzhong, China, 2016.  10. Wang, J.Z. Development and test of 5TS‐50 type half complex multipurpose minor crop thresher. J. Agric. Mech. Res. 2013, 35,  127–130, 134.  11. Gao, T.N. Research on semi‐repeat threshing machinery for small seed flax crops. Farm Mach. 2011, 25, 100–102.  12. Zhao, W.C.; Zhang, Y.Y.; Gong, Y.F.; Wang, Z.Y. Design and parameter optimisation of the threshing mechanism of a self‐ propelled flax threshing and spreading machine. Agric. Mach. Using Maint. 2020, 2, 1–3.  13. Liu, Y.X.; Dai, F.; Zhao, W.Y.; Shi, R.J.; Zhang, S.L.; Wei, W.C. Design and experiment of handheld flax windrower. J. Chin.  Agric. Mech. 2019, 40, 26–29.  14. Shi, R.J.; Dai, F.; Zhao, W.Y.; Liu, Y.X.; Zhang, S.L.; Wei, W.C. Biomechanical properties test of flax stem. J. Chin. Agric. Mech.  2018, 39, 45–50.  15. Qu, J.F.; Zhao, W.Y.; Zhao, Y.M.; Dai, F.; Shi, R.J.; Li, Y.J.; Fu, Q.F.; Li, Y.W. Design and experiment of full feed flax threshing  and cleaning machine. Acta Agric. Zhejiangensis 2022, 34, 831–840.  16. Shi, R.J.; Dai, F.; Zhao, W.Y.; Zhang, S.L.; Zhang, F.W.; Liu, X.L. Design and test of full‐feed flax thresher. J. China Agric. Univ.  2019, 24, 120–132.  17. Dai, F.; Zhao, W.Y.; Liu, G.C.; Zhang, S.L.; Shi, R.J.; Wei, B. Design and experiment of separating and cleaning machine for flax  threshing material. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2019, 50, 140–147.  18. Dai, F.; Fu, Q.F.; Zhao, W.Y.; Shi, R.J.; Song, X.F.; Zhang, S.L. Design and test of double duct system of air‐screen separating and  cleaning machine for flax threshing material. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2021, 52, 117–125.  19. Shi, L.R.; Ma, Z.T.; Zhao, W.Y.; Yang, X.P.; Sun, B.G.; Zhang, J.P. Calibration of simulation parameters of flaxed seeds using  discrete element method and verification of seed‐metering test. Trans. CSAE 2019, 35, 25–33.  20. Dai, F.; Zhao, W.Y.; Shi, R.J.; Liu, X.L.; Cui, Y.S.; Fu, S.N. Design and experiment on self‐propelled flax combine harvester. Chin.  J. Oil Crop Sci. 2022, 44, 678–686.  21. Shi, R.J.; Dai, F.; Liu, X.L.; Zhao, W.Y.; Qu, J.F.; Zhang, F.W.; Qin, D.G. Design and experiments of crawler‐type hilly and moun‐ taineous flax combine harvester. Trans. CSAE 2021, 37, 59–67.  22. Liao, Q.X.; Xu, Y.; Yuan, J.C.; Wan, X.Y.; Jiang, Y.J. Design and experiment on combined cutting and throwing longitudinal axial  Flow threshing and separating device of rape combine harvester. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2019, 50, 140–150.  23. Wang, W.Z.; Liu, W.R.; Yuan, L.H.; Qu, Z.; He, X.; Lv, Y.L. Simulation and experiment of single longitudinal axial material  movement and establishment of wheat plants model. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2020, 51 (Suppl. 2), 170–180.  24. Wu, J.; Tang, Q.; Mu, S.L.; Jiang, L.; Hu, Z.C. Test and optimization of oilseed rape (Brassica napus L.) threshing device based on  DEM. Agriculture 2022, 12, 1580.  25. Di, Z.F.; Cui, Z.K.; Zhang, H.; Zhou, J.; Zhang, M.Y.; Bu, L.X. Design and experiment of rasp bar and nail tooth combined axial  flow corn threshing cylinder. Trans. CSAE 2018, 34, 28–34.  26. Li, Y.; Xu, L.Z.; Lv, L.Y.; Shi, Y.; Yu, X. Study on modeling method of a multi‐parameter control system for threshing and  cleaning devices in the grain combine harvester. Agriculture 2022, 12, 1483.  27. Shi, R.J.; Dai, F.; Zhao, W.Y.; Zhang, F.W.; Shi, L.R.; Guo, J.H. Establishment of discrete element flexible model and verification  of contact parameters of flax stem. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2022, 53, 146–155.  28. Tian, L.Q.; Li, H.Y.; Hu, H.D.; Chen, L.B.; Xiong, Y.S.; Jin, R.D. Design and experiment on coaxial double speed threshing for  combine harvester. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2020, 51 (Suppl. 2), 139–146.  29. Xu, L.Z.; Li, Y.; Chai, X.Y.; Wang, G.M.; Liang, Z.W.; Li, Y.M.; Li, B.J. Numerical simulation of gas–solid two‐phase flow to  predict the cleaning performance of rice combine harvesters. Biosyst. Eng. 2020, 190, 11–24.  30. Badretdinov, I.; Mudarisov, S.; Lukmanov, R.; Permyakov, V.; Ibragimov, R.; Nasyrov, R. Mathematical modeling and research  of the work of the grain combine harvester cleaning system. Comput. Electron. Agric. 2019, 165, 104966.    Agriculture 2023, 13, 229  23  of  23  31. Wang, B.K.; Yu, Z.Y.; Hu, Z.C.; Cao, M., Z.; Zhang, P.; Wang, B. Numerical simulation and experiment of flow field in three air  systems of air separation system of peanut pickup harvester. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2021, 52, 103–114.  32. Liang, Z.W.; Xu, L.Z.; De Baerdemaeker, J.; Li, Y.M.; Saeys, W. Optimisation of a multi‐duct cleaning device for rice combine  harvesters utilising CFD and experiments. Biosyst. Eng. 2020, 190, 25–40.  33. Zhang, J.F.; Cao, G.Q.; Jin, Y.; Tong, W.Y.; Zhao, Y.; Song, Z.Y. Parameter optimization and testing of a self‐propelled combine  cabbage harvester. Agriculture 2022, 12, 1610.  34. Song, Y.L.; Zhang, X.H.; Wang, W. Rollover dynamics modelling and analysis of self‐propelled combine harvester. Biosyst. Eng.  2021, 209, 271–281.  35. Tian, L.Q.; Lin, X.; Xiong, Y.S.; Ding, Z. Design and performance test on segmented‐differential threshing and separating unit  for head‐feed combine harvester. Food Sci. Nutr. 2021, 9, 2531–2540.  36. Shahmaleki, M.; Beigmohammadi, F.; Movahedi, F. Cellulose‐reinforced starch biocomposite: Optimization of the effects of  filler  and  various  plasticizers  using  Design‐Expert  method.  Starch‐Stärke  2020,  73,  2000028.  https://doi.org/10.1002/star.202000028.  37. Pavan, K.R.S.; Raveendra, R.J. Development and validation of stability‐indicating‐HPLC method for the determination of re‐ lated substances in novel nitroimidazole antituberculosis drug pretomanid: Robustness study by Design‐Expert and application  to stability studies. Biomed. Chromatogr. 2022, 36, e5498.  38. Špokas, L.; Adamčuk, V.; Bulgakov, V.; Nozdrovický, L. The experimental research of combine harvesters. Res. Agr. Eng. 2016,  62, 106–112.  Disclaimer/Publisher’s Note: The statements, opinions and data contained in all publications are solely those of the individual au‐ thor(s) and contributor(s) and not of MDPI and/or the editor(s). MDPI and/or the editor(s) disclaim responsibility for any injury to  people or property resulting from any ideas, methods, instructions or products referred to in the content.  http://www.deepdyve.com/assets/images/DeepDyve-Logo-lg.png Agriculture Multidisciplinary Digital Publishing Institute

Optimal Design and Testing of a Crawler-Type Flax Combine Harvester

Loading next page...
 
/lp/multidisciplinary-digital-publishing-institute/optimal-design-and-testing-of-a-crawler-type-flax-combine-harvester-UBBAPDZzun
Publisher
Multidisciplinary Digital Publishing Institute
Copyright
© 1996-2023 MDPI (Basel, Switzerland) unless otherwise stated Disclaimer Disclaimer/Publisher’s Note: The statements, opinions and data contained in all publications are solely those of the individual author(s) and contributor(s) and not of MDPI and/or the editor(s). MDPI and/or the editor(s) disclaim responsibility for any injury to people or property resulting from any ideas, methods, instructions or products referred to in the content. Terms and Conditions Privacy Policy
ISSN
2077-0472
DOI
10.3390/agriculture13020229
Publisher site
See Article on Publisher Site

Abstract

Article  Optimal Design and Testing of a Crawler‐Type Flax   Combine Harvester  Ruijie Shi, Fei Dai, Wuyun Zhao *, Xiaolong Liu, Tianfu Wang and Yiming Zhao  College of Mechanical and Electrical Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China  *  Correspondence: zhaowy@gsau.edu.cn  Abstract: China is a large flax‐growing country, with planting area and production ranking among  the top three in the world. However, the cultivation range of flax in China is very broad, complex,  and diverse, resulting in different planting scales and patterns, making it difficult to apply foreign  large combine harvesters, and China lacks a dedicated flax combine harvester. This research im‐ proved the design of the 4LZ‐4.0 crawler‐type flax combine harvester for the regional features and  flax cropping patterns in China. First, the structure, technical parameters, and working principles  of the machine were introduced; second, the theoretical analysis and optimization of key compo‐ nents were performed; and finally, with the advancing speed of the machine, the speed of the thresh‐ ing drum, and the speed of the suction fan as independent variables and the rate of removal and the  total loss rate as response values, a three‐factor, three‐level response surface analysis method was  used. For each component and response value, a mathematical model was created, and the factors  and their interactions were evaluated and confirmed. The results demonstrated that the three pa‐ rameters impact the threshing drum speed, advancing speed, and centrifugal fan speed in that order  of priority, as well as the total loss rate in that order of priority. The machine’s optimal operating  −1 −1 −1 settings were 1.5 m∙s  advancing speed, 788.49 r∙min  threshing drum speed, and 885.34 r∙min   centrifugal fan speed, and the validation test results indicated that under the typical dryland dense  flax cultivation mode, it had a 97.46% threshing rate and 2.99% total loss rate after the test. This  demonstrated that optimizing operational parameters may decrease losses in the process of me‐ chanical flax harvesting, enhance harvesting efficiency, and satisfy the marketable flax harvesting  Citation: Shi, R.; Dai, F.; Zhao, W.;  standards.  Liu, X.; Wang, T.; Zhao, Y.   Optimal Design and Testing of a  Crawler‐Type Flax Combine   Keywords: combine harvester; crawler‐type; flax; optimized design; experimental verification  Harvester. Agriculture 2023, 13, 229.    https://doi.org/10.3390/  agriculture13020229  1. Introduction  Academic Editors: Emanuele   Radicetti, Roberto Mancinelli and  Flax is farmed and utilized in over fifty nations worldwide because of its drought  Ghulam Haider  tolerance, adaptability, and high value [1–3]. At the moment, Asia and Europe have the  most flax planting area, followed by the Americas, and the world’s average yearly flax  Received: 31 December 2022  6 2 planting area is essentially maintained at 2.58 × 10  hm . Canada’s planting area accounts  Revised: 12 January 2023  for approximately 34.95% of the world’s total planting area. China accounts for roughly  Accepted: 13 January 2023  19.70% of the world’s total planting area, the United States accounts for approximately  Published: 17 January 2023  12.72% of the world’s total planting area, and India accounts for approximately 8.70% of  the world’s total planting area. In recent years, the average area of flax planting in my  4 2 country has stabilized at 2.92 × 10  hm , and the average yield of flax has reached 1275  Copyright: © 2023 by the authors. Li‐ −2 kg∙hm . It is mainly distributed in Gansu, Neimongu, Shanxi, and other provinces. Gansu  censee  MDPI,  Basel,  Switzerland.  Province is one of the main flax‐producing areas in China. In 2020, the planting area of  This article  is an open access article  flax took up about 30.50% of the total planting area of the country, and the total output  distributed under the terms and con‐ ditions of the Creative Commons At‐ accounts for 38.67% of the country, both the sown area and the output rank first in China  tribution (CC BY) license (https://cre‐ [4–6]. Due to the linen planting model, variety, and other factors, foreign grain combined  ativecommons.org/licenses/by/4.0/).  harvesters cannot fully meet the needs of domestic linen mechanized harvest. There are  Agriculture 2023, 13, 229. https://doi.org/10.3390/agriculture13020229  www.mdpi.com/journal/agriculture  Agriculture 2023, 13, 229  2  of  23  problems  such  as  cutting  table  entanglement,  bridge  blocking,  difficulty  in  removing  granules, losses, and other problems [4–6].  Agricultural  machinery  manufacturers  in  Europe  and  the  United  States  have  de‐ signed numerous models for flax characteristics, mostly with two‐stage harvesting and  combined  harvesting  technologies, such  as  Case  flax  cutting  and  spreading  operators,  John Deere traction flax picking combine harvesters, John Deere self‐propelled flax pick‐ ing combines harvesters, and so on [6,7]. Jerzy Makowski et al. [7] tested the effect of  choosing combined harvesting after flax tilling and found that combined harvesting after  tilling did not influence flaxseed yield or weight; however, the height of the cut stubble  determined the production of homogenous fiber. The existing grain combine harvester  had a wide range of working parameter adjustments in combined harvesting, including  the rotation speed of the paddle wheel, the speed of the cutter blade, the advancing speed  of the operator, the speed of the threshing drum, the speed of the cleaning fan, and the  shaking line speed of the cleaning double layer sieve, which can be steplessly adjusted to  achieve the modular parameters of the flax combine harvester according to the different  types of flax [6,8]. The level of combined harvesting technology in Europe and the United  States is higher than in China, and combine harvesters are large and expensive. Such large  machines are not adapted to China’s flax‐growing environment, limiting the machine’s  role and benefits. The high selling price also reduces farmers’ desire to buy. In China, Song  et al. [9] built a basic small‐scale feed drum threshing machine for flax and grain millet  based on the demands of the production and operation mode of tiny grains in Shanxi  Province, which was inefficient and inappropriate for threshing operations in vast flax  cultivation regions. Wang et al. [10,11] refined the structure and features of a semi‐re‐ peated  wheat  thresher  and  designed  and  tested  a  5TS‐50  semi‐repeated  mixed  grain  thresher. This type of machinery can only minimize the work intensity of the decision,  and cutting and transporting were also labor‐intensive tasks. Zhao et al. [12] carried out  structural design and parameter optimization of the threshing mechanism of a self‐pro‐ pelled flax threshing tiller based on the existing mechanism, which is only one of the two  harvesting modes and does not have high operational efficiency. Liu et al. [13,14] designed  a cut‐and‐sun machine for flax harvesting according to the topographical characteristics  of flax cultivation. Qu et al. [15,16] designed a full‐feed flax thresher based on the traits of  the flax plant. Dai et al. [17–19] conducted basic research on the biomechanical character‐ istics of flax stalks, seed floating tests, seed discrete element parameter calibration, and  the wind sorting mechanism of the threshing material, and developed a threshing mate‐ rial scavenger to improve the mechanized operation process of flax sectional harvesting.  The machine developed by the above researchers was developed for the segmented har‐ vesting mode of flax, which is used in small areas of flax at such times, but the operational  efficiency is lower than combined harvesting when large areas are planted. At the same  time, Zhao et al. [20] developed China’s first large flax combine harvester for the flax cul‐ tivation pattern in the watered land of the Hexi tank area, which used a combined tangen‐ tial flow + cross‐axis flow threshing drum, double‐layer anisotropic reciprocating vibrat‐ ing screen, and a compound stripper to achieve one‐time operations such as flax cutting  and feeding, threshing and separation, grain collection, and transportation [20]. This kind  of machine solves the flax harvesting problem of large‐scale planting linen in the plain  area, which greatly improves the harvest efficiency of linen. However, this machine is for  a large volume. Carrying out the flax harvesting work so that the linen of the hilly areas  also relies on artificial harvesting and transportation, has increased the cost of linseed  planting, which seriously affects the enthusiasm of farmers and the development of the  linen industry.  This study targets the land conditions and planting models planted by the linen hills  in Gansu Province, China, and it suggests whether theoretical analysis, institutional de‐ sign, and improvement can be carried out for the present commercial flax harvesting ma‐ chine. Mixed selection, anti‐entanglement device cutting, high‐efficiency learning devices,  and minor differences were produced in the study effort, and the mixed selection devices    Agriculture 2023, 13, 229  3  of  23  were optimized. If this machine is improved, it can meet the combined harvest of the hilly  areas, and be extremely useful for the automated harvest of hilly mountains.  2. Materials and Methods  2.1. Flax Cultivation Patterns in the Hilly Areas  At the moment, the flax planting method for hilly areas is widely used. The percent‐ age of usable flax out of flax harvesting is only around 60%, which is affected by factors  such as planting environment, soil quality, and pests. The benefits of output and the spac‐ ing and plant spacing are reduced compared with the field planting model. Taking the  Longya No. 9 flax gripped in the dry land dense planting model as an example, the aver‐ age plant height is 472.33 mm, the average number of capsule fruits of a single plant is 8  to 13, and the planting density is 714 per square meter, as shown in Figure 1. The planting  areas in hilly areas are small, the roads are narrow, and the large combine harvesting ma‐ chine is difficult to operate. The space layout and power of small combine harvesting ma‐ chines are limited, and the flax stems contain a large amount of cellulose. At the same  time, the fruits of the capsule are intertwined with each other. When the flax harvest is  harvested, it is easy to cause the roots, the middle stems, and the neck stems to be broken  and fragmented, affecting the difficulty of selecting the system of the harvester.     (a)  (b)  Figure 1. Flax plant structure and cultivation status: (a) flax plant structure; (b) status of flax culti‐ vation, A: Flax capsule; B: Flax stem.  2.2. Crawler‐Type Flax Combine Harvester Structure  The 4LZ‐4.0 flax combine harvester is ideal for combined flax harvesting in river ir‐ rigation areas and hilly areas of the Loess Plateau. The machine has a crawler system, an  anti‐tangle cutting platform, a longitudinal axial flow threshing drum with ribs and teeth,  a  narrow  grating  separating  concave  plate,  and  a  double‐layer  reciprocating  vibrating  screen that can be used for cutting, feeding, conveying, threshing, separating, sorting, and  transporting flax all at the same time. The harvester has hydraulic steering and infinite  variable speed, 360° in situ steering, and a turning radius of 1080 mm. An anti‐tangle cut‐ ting table allows for easy flax plant feeding. The threshing drum is a longitudinal axial  flow structure with ribs and teeth and a narrow grid separator plate for efficient and low‐ loss threshing and flax capsule and seed separation. To achieve small differences in the  flax offcuts mixed cleaning operations, the cleaning system consists of a fan and a double‐ decker reciprocating vibrating screen combined to form a compound wind screening unit.  The schematic structure and physical diagram of the entire machine are depicted in Figure  2, while the technical parameters are depicted in Table 1.    Agriculture 2023, 13, 229  4  of  23     (a)  (b)  Figure 2. The 4LZ‐4.0 flax combine structure schematic and prototype diagram: (a) Schematic dia‐ gram of the structure; (b) prototype drawing. (1) Awning. (2) Operating lever. (3) Driver’s platform.  (4) Over‐bridge. (5) Wheel spreader. (6) Wheel paddle. (7) Splitter. (8) Blade guard. (9) Cutting knife.  (10) Guard. (11) Header. (12) Hydraulic cylinder. (13) Driving wheel. (14) Support wheel. (15) Track.  (16) Tensioning wheel. (17) Chassis. (18) Oil tank. (19) Shredder. (20) Threshing drum. (21) Grain  discharge cylinder.  Table 1. Technical parameters of 4LZ‐4.0 flax combine harvester.  Parameters  Value  Structural forms  Full‐feed crawler  Overall machine dimensions (L × W × H)/mm  4950 × 2150 × 2590  Width of cutting table/mm  1900  −1 Feeding capacity/(kg∙s )  4.0  −1 Operating speed/(m∙s )  0.75–1.5  2 −1 Productivity/(hm ∙h )  0–0.5  Rated power/kW  51.5  −1 Rated speed/(r∙min )  2400  Chain harrow type  Chain rake type  Threshing drum parameters (diameter × length)/mm  550 × 1350  Track pitch × number of knots × width/mm  90 × 44 × 400  Track gauge/mm  1080  Ground clearance/mm  320  The 4LZ‐4.0 flax combine is powered by a 4D2TI01 51.5 kW diesel engine. The header  splitter goes to the flax stalk to split the grain and is supported by the wheel tines to the  reciprocating cutter to cut the flax rootstalk, which is then transported by the spiral churn  to the bridge and then transported by the chain rake to the flax stalk and cob threshing  drum. The flax plant is threshed by the combined threshing drum by striking and rubbing  the stalk, glumes, and seeds, after which the flax material is separated into layers by the  rod and tooth separation section. After threshing the flax seeds, short stalks, and cereals  from the narrow grid concave plate aperture into the cleaning device, stalks come out of  the machine in the role of the grass guide plate. The flax from the material in the quality  of the lighter short stalks, glumes, and light impurities is blown out of the machine by the  fan in the cleaning device, and the flax from the material in the quality of the heavier flax  seeds, long stalks, not of the clean flax capsule, is placed into a double layer of reciprocat‐ ing vibrating sieve, flax seeds after the role of the upper and lower sieve are placed into a  seed screw conveyor and transported into the grain bin. When the grain bin becomes sat‐ urated, the flax seeds are unloaded from the grain unloading cylinder onto the grain truck.  Then all operations of the 4LZ‐4.0 combine harvester are completed.        Agriculture 2023, 13, 229  5  of  23  3. Analysis of the Working Process and Selection of Key Parameters  3.1. Selection of Cutting Table Working and Anti‐Tangle Device Parameters  When the flax is harvested, the header is responsible for cutting the linseed stalks  and then transporting the linseed stalks to the spiral conveyor. The linen stalks are in an  upright state when the cutting is cut. For delivery the stalks are wrapped around the trans‐ portation dragon, causing the flax of the stalks to be blocked, and the subsequent work  cannot be performed. Therefore, this study is carried out to improve the structure of the  conveying churn’s feeding section by adding two 100 mm high anti‐winding plates to the  feeding section, which is designed to be movable and adjustable using bolts (Figure 3).  The churn length is L = 1610 mm without the anti‐wrap plate, the diameter is L1 = 300 mm,  and the churn perimeter is C1 = 942.48 mm. The number of telescopic teeth in the feeding  section was reduced to reduce the hanging phenomenon, while the number of telescopic  teeth in other positions remained unchanged [21]. The churn is designed for a speed of  −1 216 r∙min  to avoid cutting table vibration and grain loss caused by churn rotation, and  the spiral blades of the churn are fabricated of stainless steel with a thickness of 3 mm.  −1 The flax harvester is designed for an engine speed of 2400 r∙min , an advancing speed of  −1 −1 −1 1 m∙s , a paddle wheel speed of 40 r∙min , a cutting deck churn speed of 216 r∙min , a  −1 −1 , a centrifugal fan speed of 894 r∙min , and a vi‐ threshing drum speed of 694–833 r∙min −1 brating screen shaft speed of 477 r∙min  when operating.  (a)  (b)  Figure 3. Diagram of the churn winding and anti‐winding device: (a) Churning dragon wrap. (b)  Diagram of the anti‐tangle device. (1) Churning dragon wrap. (2) Diagram of the anti‐tangle device.  (3) Stirrer. (4) Anti‐winding plate. Note: L is the length of the churn in mm. Lf is the length of the  anti‐winding plate in mm. L1 is the diameter of the churn in mm. L2 is the long shaft of the anti‐ winding churn in mm.  3.2. Analysis of the Working Process and Selection of Parameters of the Combined Threshing  Unit  Existing combine harvesters have two forms of threshing devices: cross‐axis flow and  longitudinal axial flow, and threshing elements such as ribs and spiked teeth. The flax  plant is tough and strong, and the length of the cross‐axis flow threshing drum is limited  by the width of the machine, making it difficult to increase threshing capacity, while the  length of the longitudinal axial flow threshing drum is less affected by the length of the  machine and can significantly increase threshing capacity. The grain threshing drum has  a high threshing capacity but a low separation capacity and a high damage rate, while the  spiked tooth drum has a low threshing capacity but a high separation capacity. For the  flax difficult to thresh, difficult to separate, and easy to damage, the characteristics of the  4LZ‐4.0 flax combine harvester threshing device uses a combination of ribs‐rod teeth and  longitudinal axial flow threshing drum. When the threshing device is working, the flax  material enters the threshing chamber and is threshed under the action of the threshing  element and the narrow grating common concave plate, the broken flax straw moves axi‐ ally with the threshing drum and is discharged from the machine under the action of the    Agriculture 2023, 13, 229  6  of  23  deflector plate, the flax seeds fall into the cleaning device through the concave plate aper‐ ture. The structure of the threshing device is shown in Figure 4.  Figure 4. Switching diagram of a combination of decide granular device structure: (1) Enter the  gearbox of the drum power in the drum. (2) Removing the barrel with the barrel. (3) Persia roller  lid. (4) Combined moldy granular drum. (5) Grass guide. (6) Narrow grille concave board. (7) Weld‐ ing in a departure drum.  3.2.1. Screw Feed Head  The spiral feed head uses rotating blades to push the flax plant into the threshing  chamber, and its design parameters affect operational efficiency. An analysis of the forces  on the flax plant and the spiral blades is shown in Figure 5.  Figure 5. Force analysis of screw feed head and flax stem: Note: f is the frictional force between the  flax plant and the spiral blade, N; T is the normal thrust, N; F is the combined frictional and thrust  −1 force, N; ω is the angular speed of the threshing drum in rad∙s ; D is the diameter of the threshing  drum in mm; d1 is the diameter of the small end of the spiral feeding head in mm; d2 is the diameter  of the large end of the spiral feeding head in mm; L3 is the length of the spiral feeding head in mm;  β is the angle of friction between the threshing material and the spiral blade, (°); α is the angle of lift  of the spiral blade, (°).  In flax plants and spiral blades, there is a frictional force f and normal thrust T, the  combined force of the F and T deviates from an angle β, that is the frictional angle between  the flax plant and the spiral blades, the conveying capacity of the spiral blades determines  the smoothness of the transport of materials from the over‐bridge to the threshing drum.  To enhance the conveying capacity of the screw blade, this study used a conical screw  feeding head while the axial conveying capacity of the screw blade needs to be greater  than the combined feed [22], the mass of flax transported per unit time of the screw feed‐ ing head Q and the threshing drum speed n is calculated as:    Agriculture 2023, 13, 229  7  of  23   2 21 0  Qd21 d d jSnCp0  23 1 h   24 (1) 61  0 v n=  πD where d3 is the spiral blade and shell clearance in mm; S is the spiral blade pitch in mm; j  −1 is the material filling factor, taken 0.6–0.8; n is the threshing drum speed in r∙min ; ρh is  −3 the density of flax in kg∙m ; C is the threshing drum tilt conveying coefficient, taken 0.3;  p is the spiral blade hood shell wrap angle coefficient, spiral feeding head part of the shell  −1 wrap angle of 180°, taken as 0.5 [23]. v is the linear speed of the threshing drum in m∙s ,  −1 concerning grain, wheat, etc., taken as 20 to 24 m∙s  [5,21].  To ensure the smooth transport of flax for feeding, the conveying force needs to be  greater than the resistance, with:  Tf cos  sin fT  cos (2) ﹤90 68 The spiral lift angle affects the efficiency of the crop transport and the power con‐ sumption of the threshing device; therefore, the power consumption should be reduced  as much as possible under the premise of ensuring smooth transport.  LP  /Z (3)  Ld  tan 32 where P is the spiral feed head lead in mm; Z0 is the number of spiral feed heads, taken as  2.  Through the spiral blade on the flax plant force analysis and Equations (1)–(3) it can  be seen that when the spiral feed head structural parameters are certain, flax in the spiral  feed head convey capacity mainly through the threshing drum speed and spiral feed head  unit volume operation to determine the quality of flax. In this study, the outer diameter  of the spiral blade is 550 mm, the inner diameter of the spiral blade is 292 mm, the spiral  feeding taper angle is 28°, the clearance between the spiral blade and the shell is 10–80  −3 mm, the spiral blade pitch is 480 mm, the flax density is 480 kg∙m , the speed range of the  −1 threshing drum is 694–833 r∙min  as calculated by Equations (1)–(3), the maximum feed‐ −1 ing volume Q = 4 kg∙s , spiral feed head length L3 = 240 mm, spiral blade lift angle α = 7.9°.  3.2.2. Threshing Drum  The threshing drum is the core part of the combine, determining threshing quality  and productivity and affecting the cleaning effect [24]. Based on the biomechanical char‐ acteristics of the flax plant, the 4LZ‐4.0 flax combine uses a combined longitudinal axial  flow threshing drum. The threshing element is laid out in a striker‐tooth space, with the  striker section responsible for the separation of the flax capsule from the seeds and the  tooth section responsible for the separation of the flax seeds from the stalk impurities. The  combined threshing element enhances the rubbing and squeezing of the flax capsules, and  reduces impact and damage, while the narrow grid concave plate increases the cleaning  efficiency and makes threshing and separation more efficient. The combined longitudinal  axial  flow  threshing  drum  with  rib  teeth  consists  of  a  ribs‐threshing  element,  a  teeth‐ threshing element, spokes, and a crossbar, etc. The structure is shown in Figure 6.    Agriculture 2023, 13, 229  8  of  23  Figure 6. Schematic diagrams of the combined longitudinal axial flow threshing drum with ribs‐rod  teeth: (1) Screw feed head. (2) Striker threshing element. (3) Spoke disc. (4) Crossbar. (5) Rod tooth  threshing element. Note: L4 is the length of the striker section in mm; L5 is the length of the separating  section in mm; L6 is the length of the grass discharge section in mm; L7 is the working length of the  rod teeth in mm; L8 is the distance between the rod teeth in mm.  The threshing effect of the threshing drum is inextricably linked to the diameter and  length of the drum, which directly determines the threshing and damage rates. The for‐ mulae for calculating the length of the threshing drum are:  LQ  q t0 (4)  LL =  L LL  t 345 where q0 is the feeding volume that the threshing drum is allowed to bear per unit length  −1 −1 −1 −1 in kg∙s ∙m , generally the axial threshing drum q0 is taken as 1.5–2 kg∙s ∙m , and the  −1 −1 combined harvester q0 is taken as 3–4 kg∙s ∙m  [25].  −1 −1 In this study, q0 = 3 kg∙s ∙m  and the threshing drum length Lt = 1350 mm, were cal‐ culated from the structural dimensions of the machine and Equation (4).  The  diameter  of  the  threshing  drum  affects  the  threshing  and  separation  perfor‐ mance. The drum diameter of commonly used combine harvesters is 450–600 mm, and in  this study, the diameter of the threshing drum was designed to be D = 550 mm.  The formulae for calculating the number of ribs Z are  πD Z  (5)  1 is the striker spacing in mm according to the diameter of the threshing drum and  where S the striker arrangement, S1 = 280 mm.  The number of ribs Z = 6 is calculated from Equation (5). Different striker lengths and  roller speeds of flax materials are kneaded and extruded, striking different layering ef‐ fects, which in turn affects the rate of linen removal, impurity rate, damage rate, and loss  rate. The working length of the striker L4 is calculated as  ZnL t0 L  (6)  where Lt is the length of the threshing drum in mm; μ0 is the threshing capacity of the  −1 −1 −1 −1 striker per unit length in kg∙s ∙m , 0.018 to 0.024 kg∙s ∙m  is often used.  From Equation (6) it is calculated that L4 = 450 mm, from which it can be obtained that  the feeding section L3 = 240 mm, the striker threshing section L4 = 450 mm, the rod and  tooth separation section L5 = 550 mm, and the grass discharge section L6 = 110 mm. To make    Agriculture 2023, 13, 229  9  of  23  the threshing sufficient, the rod and tooth are installed symmetrically, the spacing be‐ tween the nail teeth L7 = 70 mm, the working height of the nail teeth L8 = 66 mm, and the  actual speed of the threshing drum is set according to the maturity of the crop.  The threshing drum cover is set above the threshing drum and combined with the  threshing drum to form a closed threshing chamber, the role is to guide the broken flax  stalk with the threshing drum axial movement out of the machine. The larger the angle,  the less contact between the flax and the threshing element, and the more entrainment  losses; the smaller the angle, the longer the flax plant stays in the threshing chamber, the  higher the rate of seed impurities, and the increased threshing power loss. To make the  flax threshing process smooth and reduce flax threshing entrainment losses, this study  took the angle of the deflector at 45°.  3.2.3. Narrow Grille Recesses  After the flax plant passes through the threshing drum and the concave plates, the  stalk, the threshing material, and the seeds are initially separated, and the light and fine  residues in the threshing material and the seeds are cleaned and re‐screened by the clean‐ ing device. Therefore, the combination and arrangement of the concave plates play a de‐ cisive role in the separation effect of threshing and determine the loss rate, trash content,  and other indicators [26]. The narrow‐grid concave plate (Figure 7) is used in conjunction  with the combined threshing drum to complete the threshing and separation of flax dur‐ ing the operation of the threshing unit. Due to the flexibility and strength of the flax stalk  and the flattened shape of the flax seeds, the concave plate is designed as a narrow grid  concave plate for efficient threshing and fast separation [14,27].  (a)  (b)  Figure 7. Schematic diagram of the structure of the narrow grid recess: (a) Concave plate size. (b)  Concave  plate‐clad  corners.  (1)  Narrow  grating  concave  sieve.  (2)  Grating  bars.  (3)  Horizontal  spacer. Note: ds is the spacing between the grating bars in mm; dh is the spacing between the hori‐ zontal dividers in mm; dt is the gap between the concave plates in mm.  The design was based on the physical properties of flax capsules and seeds with a  grating spacing of ds = 10 mm and a spacing of dh = 40 mm between the cross partitions.  the area of the concave plate determines the threshing performance and the size of the  screen apertures affects the rate of removal, the rate of damage to the threshing, the dura‐ bility of the concave plate, and the reliability of the work. A larger concave plate area  makes the separation of threshing more efficient [28]. The arc length l of the concave plate  and the area A of the concave plate are calculated as:   (1 )q l 0.6q (7)   a AB  l   Agriculture 2023, 13, 229  10  of  23  −1 −1 where q1 is the threshing device feeding volume in kg∙s , taken 4 kg∙s ; β is the proportion  of flax seeds in the feed material, taken 0.35; qa is the unit concave plate area can withstand  −1 −1 the feeding volume in kg∙s , taken 5 kg∙s ; B is the concave plate width in mm; and l is  the concave plate arc length in mm.  The width of the concave plate is equal to the length of the threshing and separation  section, i.e., B = 1150 mm, and the arc length of the concave plate is one‐half of the circum‐ ference of the plate, which is calculated to be l = 860 mm.  The angle of the concave plate affects the threshing operation, the appropriate angle  of the concave plate can ensure smooth threshing of flax and no blockage. While the sep‐ aration is more complete, the entrapment loss is lower. Full‐feed longitudinal axial flow  threshing device concave plate sieve wrap angle is mostly 120° to 240°. Concave plate  angle τ is calculated as:  360l   (8)  πD From the Equation (8) calculation can be obtained, the concave plate wrap angle τ is  179°, and the actual design uses 180°. Considering the high toughness and strength of the  flax stalk, the large feeding volume of the concave plate, the threshing drum load and  impact, easily damage the concave plate, so the concave plate gap is set to adjustable, the  adjustment range of 8–15 mm.  3.3. Analysis of the Working Process and Selection of Parameters of the Combined Cleaning  Device  3.3.1. Structural Design  The performance of the cleaning device, as a key component of the combine, has a  direct impact on harvesting efficiency [29]. Flax seeds and glumes in flax off‐cuts do not  differ significantly in terms of suspension rate and mixing, and it is difficult to separate  them using a single cleaning system. The cleaning unit in this study consists of a centrif‐ ugal fan double‐decker reciprocating vibrating screen with a primary seed spiral conveyor  and a secondary trash spiral conveyor below the cleaning unit (Figure 8). The centrifugal  fan, powered by the engine, is responsible for blowing out the light debris and glumes  produced by threshing; the vibrating screen, powered by the eccentric wheel in a recipro‐ cating motion, is responsible for sieving short stalks, unthreshed cobs, and flaxseed grains  [30]. In the clearing process of flax‐stripped material, the clearing device is set according  to the physical characteristics of the stripped and aerodynamic differences to complete the  clearing operation. Due to the physical characteristics of the components being closer, and  small differences in suspension speed, it is easy to mix and easy to produce clearing losses.  To reduce the rate of impurities and loss of flax seeds, a double‐decker reciprocating vi‐ brating sieve using a fish scale sieve is used to separate the material in the unpurified ears  and long stalks, etc., the lower sieve used a woven sieve, the purpose is to separate the  impurities of the flax seeds, the unpurified ears, into the threshing drum for refreshing  operations.    Agriculture 2023, 13, 229  11  of  23  Figure 8. Schematic diagrams of the structure of the combined cleaning unit: (1) Centrifugal wind  machine power input belt. (2) Centrifugal divider. (3) Wind guide. (4) Primary seed screw conveyor.  (5) Woven sieve. (6) Seed skid. (7) Secondary miscellaneous residual screw conveyor. (8) Eccentric  bearing. (9) Vibrating screen power input pulley. (10) Tail sieve. (11) Fish scale sieve. (12) Fish scale  sieve fixed plate. (13) Fish scale sieve opening adjustment device. (14) Shaking plate. (15) Vibrating  screen housing.  3.3.2. Determination of Structural Parameters  The double‐decker reciprocating vibrating screen consists of a shaking plate, a fish  scale screen, a tail screen, a woven screen, an eccentric bearing, and a fish scale screen  opening adjustment device. To ensure that the offcuts conveyed to the double‐decker re‐ ciprocating  vibrating  screen  can  be  adequately  separated,  the  following  relationship  should be fulfilled between the screening effect and the size of the screen surface, and the  feeding volume [31].  WQ (1 K ) Bq (9) 1 s where W is the length of the vibrating screen in mm; Q is the harvester feeding volume in  −1 −1 kg∙s , taken 4 kg∙s ; ψ is the ratio of the stalk to the total weight of the flax offcuts, taken  0.6; K is the working characteristics of the threshing and cleaning device coefficient, taken  0.75; B1 is the width of the vibrating screen in mm, based on the size of the harvester clean‐ ing chamber, taken 650 mm; qs is the unit area of the vibrating screen can bear the flax  −1 −2 −1 −2 offcuts feeding volume in kg∙s ∙m , taken 2.8 kg∙s ∙m .  The length of the vibrating sieve is calculated from Equation (9) as W = 1200 mm. The  flax is a mixture of short stalks and trash, the size of the upper sieve fish scale sieve is 380  × 650 mm, the size of the lower sieve weaved sieve is 580 × 650 mm, the size of the sieve  hole is 8 mm × 8 mm.  3.3.3. Determination of Movement Parameters  The vibrating screen has a certain horizontal and vertical motion driven by the ec‐ centric bearing,  which causes the material to slip and stratify on the  screen surface to  achieve the screening purpose. The main parameters that determine the movement of the  debris on the screen surface are eccentric bearing speed n1, eccentric bearing eccentric dis‐ tance r, screen surface inclination angle ε, screen surface swing direction angle ζ, and de‐ bris and screen surface friction angle η. To analyze the vibrating screen movement, the  vibrating screen movement mechanism is simplified for kinematic analysis, the vibrating  screen mechanism and kinematic analysis are shown in Figure 9.    Agriculture 2023, 13, 229  12  of  23     (a)  (b)  Figure 9. Kinematic model of a vibrating screen: (a) Slip‐on detachment. (b) Slippage of debris. (1)  limit slider. (2) Flaxseed grain. (3) Sieve surface. (4) Eccentric wheel. Note: G is the gravity of the  flaxseed grain, N; N is the support force on the flaxseed grain, N; Fn is the friction force on the sieve  −1 surface on the flaxseed grain, N; ω is the angular speed of the eccentric bearing in rad∙s .  The acceleration of the vibrating screen determines the form and direction of move‐ ment of the screen surface release, the acceleration of the vibrating screen should satisfy  the following relationship:  23  (10) ar  cos( t ) 10 −2 ; ω is the angular velocity of the  where a is the acceleration of the vibrating screen in m∙s −1 eccentric bearing in rad∙s ; t is the eccentric bearing rotation time in s.  When the flax of the material along the screen surface slides (Figure 9a), when cosωt  = 1, the eccentric bearing angular velocity reaches the limit value of the material upward  sliding. The limit speed of the eccentric bearing for material sliding upwards is:  30 g sin( ) n  (11)  r cos( ) sin( ) Similarly, when  , the flax of the material slides along the screen sur‐ a> g cos( ) face (Figure 9b), when cosωt = 1, the angular velocity of the eccentric bearing reaches the  limit value of the material sliding upwards. The limit speed of the eccentric bearing for  material sliding downwards is:  30 g sin(  ) n  (12)  r cos( ) When the flax of the material was thrown up, cosωt = 1, to obtain the material thrown  up the eccentric bearing pole speed for:  30 g cos n  (13)  r sin(  ) To ensure that the material slides upwards and downwards in the vibrating screen,  and the downward sliding distance is greater than the upward sliding distance, there is a  certain throwing up to meet the delamination of the offcuts, taking the acceleration ratio  r of the vibratory motion, i.e., the constant vibration index  , the design screen  K 2.5 inclination angle ε = 4°, the vibration direction angle ζ = 12°, and the friction angle η = 22°  between the seeds and the screen surface. The best range of the eccentric bearing speed n  of the vibrating screen is ns < n1 < np, and the lower the speed the worse the screening effect,  and the higher the water content is the easier it is to cause blockage of the cleaning parts;  the higher the speed, the more the machine vibrates and affects the operation of the ma‐ chine. According to the actual working demand, we obtain the eccentric bearing speed    Agriculture 2023, 13, 229  13  of  23  223 < n1 < 569, take the eccentric bearing eccentric distance r = 10 mm, and obtain the crank  −1 speed 477 r∙min .  3.3.4. Determination of Wind Turbine Parameters  To ensure that the upper and lower sieve surfaces produce a uniform, stable airflow  and reduce the rate of cleaning loss and the rate of impurities, the centrifugal fan is chosen  to blow out the type of agricultural centrifugal fan (Figure 10). When the fan is working,  the airflow is drawn in from both ends and blown out in the direction of the duct under  the action of the blades.  Figure 10. Schematic diagrams of the centrifugal fan structure: (1) Centrifugal fan power input pul‐ ley. (2) Fan blade. (3) Centrifugal fan power output pulley. Note: D0 is the diameter of the centrifugal  fan in mm; A0 is the width of the centrifugal fan blade in mm; W0 is the height of the centrifugal fan  blade in mm.  The inclination and height of the fan outlet determine the windward area and influ‐ ence the degree of separation of the debris [32], both of which satisfy the condition accord‐ ing to the geometric relationship [20]  (14) Hk  W sin where H is the height of the air outlet in mm; k is the coefficient taken as 0.4; θ is the angle  between the airflow and the screen surface, (°), taken as 30°.  To fully separate the offcuts and achieve the purpose of cleaning, the centrifugal fan  air volume needs to meet:  Q Q  (15)  where Qs is the required air volume in m /s; γ is the proportion of cleaned impurities to  the fed volume, taken as 0.2; η is the mixing concentration ratio of the impurity airflow,  −3 −3 taken as 0.25; ρ is the air density in kg∙m , taken as 1.29 kg∙m .  From Equations (14)–(15), the air outlet height is H = 240 mm, the outlet direction is  3 −1 adjustable and the air volume is Qs = 2.5 m ∙s . When working, the full pressure of the  centrifugal fan air pressure is calculated by the formula:  hhh jd (16) hV  2g  d 1 where h is the full fan wind pressure in Pa; hj is the static pressure, overcoming the re‐ sistance of the air in the flow in Pa; hd is the dynamic pressure in Pa; V1 is the fan exit  −1 −2 −2 velocity in m∙s ; g is the acceleration of gravity in m∙s , 9.8 m∙s .    Agriculture 2023, 13, 229  14  of  23  The required static pressure hj needs to be determined according to the working con‐ ditions, the fan in this study is a blow‐out centrifugal fan, then the fan static pressure  calculation formula is:  22 2 lV V V 11 1 1 h  (17) 2g R 2g 2g where κ is the airflow friction factor, take 0.35; l1 is the duct length in mm, 200 mm; RL is  the duct hydraulic radius, take 0.1; λ is the duct resistance coefficient to airflow, take 0.35;  μ is the fan inlet and outlet force coefficient to airflow, take 0.6.  To avoid seed loss, the airflow velocity in the wind screening area should be less than  −1 the maximum suspension velocity of flax 6.5 m∙s , the airflow from the fan mouth out of  the open area, the cleaning area gradually expanded, so the airflow velocity decreased, the  screen area airflow velocity is about 60% to 70% of the airflow velocity at the outlet, so the  −1 airflow velocity at the outlet V1 = 9 m∙s . Calculated by the Equations (16)–(17) Fan air pres‐ sure full pressure h = 14.13 Pa.  Centrifugal fan speed affects the quality of cleaning, the design of the fan impeller  outside diameter D0 = 350 mm, and the number of blades for 4. The fan speed calculation  formula is:  60 hg n  (18) πD  where ν is the calculation coefficient, which is 0.35–0.40 and is taken as 0.4.  −1 The calculation from Equation (18) provides the centrifugal fan speed n0 = 894 r∙min .  4. Analysis of Tests and Results  4.1. Test Site, Materials, Equipment  The field trial of the 4LZ‐4.0 flax combine harvester was held from August 13 to 15,  2021, in Wencha Village, Laojun Town, Huining County, Baiyin City, Gansu Province, to  verify the working performance and reliability of the design parameters. The test material  was mature flax plants, the flax planting density was relatively uniform, with no collapse  phenomenon, the test area was 0.17 hm , the planted flax variety was Longya 14, the av‐ erage plant height was 437.21 mm, the average number of flax capsules in a single plant  −2 was 6–11, the planting density was 689 plants∙m , and the planting pattern was typical  dryland dense flax planting. The test machine’s working parameters were set according  to the working state of the test design, but in practice it was difficult to adjust the param‐ eters precisely, so the parameters closest to the working state were used as the test ma‐ chine’s working parameters during the test [33,34]. An LED stroboscope (SW‐6500, 60– −1 49,999 r∙min , Guangzhou Suwei Electronic Instrument Co., LTD, Guangzhou, China.)  was used to measure the speed of the threshing drum and the centrifugal fan, and a ther‐ −1 mal anemometer (AR866A, 0.3–30 m∙s , Dongguan Wanchuang Electronic Products Co.,  LTD. Dongguan, China.) was used to measure the airspeed at the outlet of the centrifugal  fan. Figure 11 depict field tests.    Agriculture 2023, 13, 229  15  of  23     (a)  (b)  Figure 11. Determination of threshing drum speed and centrifugal fan airspeed on the prototype:  (a) Threshing drum speed determination. (b) Centrifugal fan outlet air velocity determination.  4.2. Test Methods and Evaluation Indicators  The test was conducted by T/CAMA 30‐2020 Full‐feed flax combine harvester, GB/T  8097‐2008 Harvesting machinery combine harvester test method, GB/T 6562‐2008 Agricul‐ tural machinery test conditions, NY 2610‐2014 Grain combine harvester safety operating  procedures relevant standards and refer to GB/T 5982‐2017 Threshing machine test meth‐ ods and GB/T 2828.1‐2012 Counting sampling test procedures. According to previous test  results,  the  factors  affecting  the  machine’s  operating  effectiveness  were  the  advancing  speed, threshing drum speed, and centrifugal fan speed, with the advancing speed being  −1 in  the  range  of  0.5–1.5  m∙s ,  the  threshing  drum  speed  being  in  the  range  of  600–800  −1 −1 r∙min , and the centrifugal fan speed being in the range of 780–990 r∙min . As a result,  with the advancing speed (x1), threshing drum speed (x2), and centrifugal fan speed (x3)  as independent variables and the threshing rate (Y1) and total loss rate (Y2) as response  values, the test site was divided into 17 equal test areas of 25 m × 1.9 m in length × 1.9 m  in width, using a three‐factor, three‐level response surface analysis method based on the  Box–Behnken experimental design principle. An area of no less than 2 m was reserved at  each end of the test area as an adjustment zone, and 17 sets of response surface analysis  tests were implemented (Figure 12) with the fully harvested test area as the end single‐ test signal [35], and each test factor code as shown in Table 2. A small sample of no less  than 1000 g of discharge from the grain outlet within the test trip was picked up at the end  of the single test, and the mass of dropped flax seeds per square of the test area was ran‐ domly determined after the operation per the five‐point sampling method, using clean  sample bags for bagging and numbering for a total of five operations, with five squares  taken each time as a source of test data, and measured using an electronic scale with an  accuracy of 0.001 g after the completion of multiple operations, with the results averaged.  The results of the response surface analysis tests are shown in Table 3.  Each test parameter is calculated as follows:    Agriculture 2023, 13, 229  16  of  23  mmmmmm tw j q f g Z 100%  z Z 100% S 100%  m  j S100% (19)  m S 100%  m S 100%  f S 100%  g SSSS tw j q where mt is the total threshing mass in g; mw is the mass of unthreshed kernels in g; mj is  the mass of entrained loss kernels in g; mq is the mass of scavenging loss in g; mf is the  mass of splash loss kernels in g; mg is the mass of cutter loss kernels in g; mp is the mass of  broken kernels in g; mz is the mass of impurities in kernels in g; Zp is the rate of broken  kernels, %; Zz is the rate of impurities, %; Sw is the rate of unthreshed loss, %; Sj is the rate  of entrained loss, %; Sq is the rate of scavenging loss, %; Sf is the rate of splash loss, %; Sg  is the rate of cutter loss, %; and St is the total loss rate, %.     (a)  (b)  Figure 12. Field test: (a) Field operation of the tester apparatus. (b) Field testing of operational ef‐ fectiveness.  Table 2. Factor‐level coding table.  Test Factors  Levels  Threshing Drum  Centrifugal Fan  −1 Advancing Speed/(m∙s )  −1 −1 Speed/(r∙min )  Speed/(r∙min )  −1  0.5  600  780  0  1  700  885  1  1.5  800  990       Agriculture 2023, 13, 229  17  of  23  Table 3. Test scheme and its results.  Test No.  x1  x2  x3  Y1/%  Y2/%  1  0  0  0  95.03  4.09  2  0  0  0  95.08  4.06  3  −1  −1  0  85.87  6.55  4  1  0  1  97.53  4.5  5  1  1  0  98.23  2.63  6  0  0  0  96.94  4.07  7  0  0  0  95.05  4.02  8  0  −1  −1  86.7  4.88  9  −1  1  0  96.01  9.32  10  0  1  −1  95.51  3.48  11  1  0 −1  92.88  2.43  12  0  0  0  95.02  4.21  13 −1  0 −1  93.18  6.05  14  0 −1  1  86.46  6.1  15 −1  0  1  91.18  7.14  16  1 −1  0  91.39  6.18  17  0  1  1  98.55  6.13  13  0  0  0  95.03  4.09  4.3. Analysis of Results  Design‐Expert 10.0.0 software was applied for data processing and analysis. Accord‐ ing to the experimental results in Table 3, the ANOVA [36,37] of the regression model was  performed for the decontamination rate (Y1) and the loss rate (Y2), the results are shown  in Table 4, and the quadratic regression models for Y1 and Y2 were obtained as follows:  2  2  2 Y1 = 95.42 + 1.72x1 + 4.74x2 + 0.68x3 − 0.82x1x2 + 1.66x1x3 + 0.82x2x3 − 0.33x1 − 2.22x2 − 1.4x3   (20) 2  2  2 Y2 = 4.09 − 1.59x1 − 0.35x2 + 0.88x3 − 1.74x1x2 + 0.24x2x3 + 0.36x1 + 1.06x2 − 0.12x3   (21) Table 4. Variance analysis of the regression coefficients.  Test In‐ Sources of Vari‐ Regression  Variance  Degree of  F  p  dex  ance  Coefficients  Sum  Freedom  Model  254.95  9  28.33  38.46  <0.0001 **  x1  23.77  1  23.77  32.27  0.0007 **  x2  179.36  1  179.36  243.53  <0.0001 **  x3  3.71  1  3.71  5.04  0.0596  x1x2  2.72  1  2.72  3.70  0.0960  x1x3  11.06  1  11.06  15.01  0.0061 **  x2x3  2.69  1  2.69  3.65  0.0976  Thresh‐ ing rate  x1   0.46  1  0.46  0.63  0.4550  x2   20.72  1  20.72  28.13  0.0011 **  x3   8.26  1  8.26  11.22  0.0123 *  Residual error  5.16  7  0.74     Lack‐of‐fit  2.28  3  0.76  1.06  0.4597  Error  2.87  4  0.72     Sum  260.11  16       Model  51.25  9  5.69  455.97  <0.0001 **  x1  20.13  1  20.13  1611.74  <0.0001 **  x2  0.97  1  0.97  77.35  <0.0001 **  Total loss  x3  6.18  1  6.18  494.63  <0.0001 **  rate  x1x2  12.08  1  12.08  966.88  <0.0001 **  x1x3  0.24  1  0.24  19.22  0.0032 **  x2x3  0.51  1  0.51  40.93  0.0004 **    Agriculture 2023, 13, 229  18  of  23  x1   4.73  1  4.73  378.80  <0.0001 **  x2   5.84  1  5.84  467.43  <0.0001 **  x3   0.061  1  0.061  4.85  0.0634  Residual error  0.087  7  0.012     Lack‐of‐fit  0.067  3  0.022  4.33  0.0955  E‐003 to ×  Error  0.021  4     −3 10   Sum  51.34  16       Note: ** means very significant (p < 0.01); * means significant (0.01 < p < 0.05).  According to the analysis of variance of the regression equation, the quadratic regres‐ sion model of the stripping rate p < 0.0001 indicates that the regression model is extremely  significant; the misfit term p > 0.05 indicates that the misfit is not significant, indicating  that the quadratic regression equation fitted by the model is consistent with reality and  can correctly reflect the relationship between the stripping rate (Y1) and the advancing  speed (x1), drum speed (x2) and centrifugal fan speed (x3). The primary terms x1, x2, and  x1x3 are highly significant, the secondary term x2  is highly significant, the primary term x3  is significant, the secondary term x3  is significant and the other terms are not significant.  Based on the magnitude of the regression coefficients for each factor of the model, the  primary and secondary order of influence of each factor on the threshing rate was ob‐ tained as x2, x1, and x3, i.e., threshing drum speed, advancing speed, and centrifugal fan  speed. Similarly, the total loss rate regression model was highly significant and the misfit  was not significant, indicating that the quadratic regression equation fitted by the model  was consistent with reality. Based on the magnitude of the regression coefficients for each  factor of the model, the main order of influence of each factor on the threshing rate was  obtained as x1, x3, and x2, i.e., advancing speed, centrifugal fan speed, and threshing drum  speed.  4.4. Analysis of Model Interaction Items  According to the quadratic regression model of each response value obtained from  the experiment, the response surface plots of different interaction levels of three factors,  namely advancing speed, threshing drum speed, and centrifugal fan speed, were made  on the rate of threshing and total loss, and the response surface between each factor was  made by the regression model Equations (19) and (20), respectively (Figure 13).     (a)  (b)  Figure 13. Influence of interaction factors on response values: (a) Effect of advancing speed and  centrifugal fan speed on decontamination rate. (b) Effect of advancing speed and threshing drum  speed on total loss rate.    Agriculture 2023, 13, 229  19  of  23  As can be seen from Figure 13, the interaction of advancing speed and centrifugal fan  speed has an extremely significant effect on the threshing rate. The reason for this is that  as the speed of the threshing drum increases so that the caraway capsule is completely  broken, the advancing speed increases so that the feed volume increases, and the speed of  the centrifugal fan directly determines how much of the flax seed is blown out, making  the number of flax seeds that are not removed vary considerably. When the threshing  −1 −1 −1 drum speed is 700 r∙min , the advancing speed increases from 0.5 m∙s  to 1.5 m∙s , and  the net rate increases mainly because the advancing speed increases the feeding volume,  the feeding volume increases so that the threshing gap can be filled with flax plants, the  threshing effect is more adequate, making the net rate increase. When the threshing drum  −1 −1 −1 speed is 700 r∙min , the centrifugal fan speed is from 780 r∙min  to 990 r∙min , and the  threshing rate gradually increases, mainly because the centrifugal fan speed is smaller  when the air volume is smaller, which cannot be flax threshing material for stratification,  resulting in some incomplete threshing capsules and seeds by the vibrating screen out of  the  machine,  making  the  threshing  rate  very  low.  When  the  centrifugal  fan  speed  is  higher,  the  air  volume  is  larger,  so  that  the  flax  off‐growth  begins  to  stratify,  the  off‐ growth is entrained in the discharge of flax seeds and threshing of incomplete capsules,  making the net rate gradually increase.  When the centrifugal fan speed is 885 r∙min‐1, the advancing speed increases from  −1 −1 0.5 m∙s  to 1.5 m∙s , the total loss is reduced first and then increased, mainly because  when the advancing speed is small, the paddle wheel continuously fights the flax cap‐ sules, making the flax cutting table fall causing grain loss, resulting in a larger total loss  rate; when the advancing speed is larger, the speed ratio of the paddle wheel speed and  advancing speed affects the work of the cutting table, causing part of the flax plant to be  cut without being supported by the paddle wheel, resulting in part of the flax plant not  entering the cutting table smoothly, resulting in a large loss of cutting table. At the same  time, when the  advancing speed is higher, the combine feeds more, resulting  in more  threshing material, and the centrifugal fan cannot effectively stratify the threshing mate‐ rial for cleaning, resulting in entrained losses, making the total loss rate larger. When the  −1 −1 centrifugal fan speed is 885 r∙min , the threshing drum speed increases from 600 r∙min   −1 to 800 r∙min , and the total loss rate gradually increases, mainly because the increase in  threshing drum speed makes the threshing material more fully threshed, the centrifugal  fan is subject to increased workload, part of the threshing material cannot be effectively  stratified, making part of the threshing material entrained and discharged, resulting in  scavenging losses, making the total loss rate gradually increase.  4.5. Optimal Working Parameters Determination and Experimental Verification  According to the quadratic regression model results and response surface analysis,  to further improve the operational performance of the flax combine harvester, considering  the boundary conditions of each factor, and according to the flax operational quality re‐ quirements and the actual operation, the full‐factor quadratic regression equation of per‐ formance indicators was established [18,19], and the objective optimization and optimal  working parameters were determined with the objective function and constraints as:  maxGx ( )Y (x ,x ,x ) 11 2 3 (22) minGx ( )Y (x ,x ,x ) 21 2 3 11 x  11 x    (23)   11 x  3   Agriculture 2023, 13, 229  20  of  23  The optimization solver in Design‐Expert 10.0.0 software was used to solve the re‐ gression Equations model (19) and (20) under objective (21), and the final optimization  test indexes were 98.4% threshing rate and 2.65% total loss rate. The optimum operating  −1 parameters  were:  an  advancing  speed  of  1.5  m∙s ,  a  threshing  drum  speed  of  788.49  −1 −1 r∙min , and a centrifugal fan speed of 885.34 r∙min .  To verify the reliability of the regression Equations models (19) and (20), the optimal  working parameters were optimized and the flax combine harvester was subjected to sev‐ eral operational performance tests, and the values of the combined optimized parameters  −1 −1 were rounded to an advancing speed of 1.5 m∙s , a threshing drum speed of 780 r∙min   −1 and a centrifugal fan speed of 885 r∙min , taking into account the convenience of meas‐ urement and testing. Under the same test conditions (refer to Sections 3.1 and 3.2), the test  was repeated five times and the results were averaged and shown in Table 5, proving that  the machine meets the requirements of flax harvesting. The machine was certified by a  third‐party testing body, which is conducive to achieving integrated support for flax pro‐ duction operations in China and reducing labor input.  Table 5. Verify test results.  Contami‐ Cutter  Entrain‐ Cleaning  Splash  Test Indi‐Threshing  Breakage  Total Loss  nation  Loss  ment Loss  Loss  Loss  cators  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Rate/%  Standard  ≥95 ≤5 ≤3 ≤3 ≤3 ≤3 ≤3 ≤5  values  Test re‐ 97.46  3.91  0.09  1.43  0.26  1.09  0.21  2.99  sults  5. Discussions  (1) This study aims at the current status of China’s linen plants and the conditions and  planting models of the planting in the hills and mountains in Gansu Province. After  the optimization design of key links such as linen harvesting, transportation, degran‐ ulation, and clear selection, the linseed harvester can meet the current joint harvest‐ ing requirements of linen seed seeds in Gansu Province. Compared with existing flax  combine harvesters, the machine is suitable for mechanized combined harvesting of  flax in hilly areas, filling the gap in China’s hilly areas where flax cannot be mecha‐ nized for combined harvesting, and can solve the problem that existing large com‐ bine harvesters cannot carry out hilly area operations. At the same time, the harvest‐ 2 −1 ing efficiency of this machine can reach 0.5 hm ∙h , and one person can only harvest  0.06 hm  a day. The flax harvest has a significant impact on the economy of linen  planting,  which  is  consistent  with  the  research  conclusions  of  Dai  at  al.  [20]  and  Souček, J at al. [8]. Similarly, the optimized design of the hilly areas and linen com‐ bined harvester can achieve an efficient harvest of linen, which is improves the oper‐ ating performance of the machine compared with the large linen combined harvest‐ ing machine [20].  (2) Trials found that different flax varieties have different plant heights and stem mois‐ ture content, which has a certain impact on the mechanization of the combined effect  of harvesting. Špokas L. et al. [38] showed that the stand lodging rate and water con‐ tent of crops before harvest have a great influence on grain loss after threshing and  cleaning  by  combine  harvesters.  Based  on  the research  results  obtained,  it  can  be  stated that the increase in the clearance between shutters of the upper sieve from 9  mm to 14 mm allows for a decrease in grain losses behind the straw walker and clean‐ ing mechanism by 0.13% in the case of wheat and by 0.24% in case of barley. By the  same token, when operating on an inclined field, the flaxseed, and offcuts inside the  cleaning system were affected by gravity, resulting in an uneven distribution of flax‐ seed and offcuts on the screen surface of the vibrating sieve, with offcuts piling up  on the screen surface and poor cleaning results. Therefore, this study continues to    Agriculture 2023, 13, 229  21  of  23  investigate  the  relationship  between  the  combine’s  walking  posture  and  the  flax  plant.  (3) China made a breakthrough in the mechanized harvesting of flax, but the degree of  mechanization is very low compared with wheat, rice, and other staple crops, and  the existing rice and wheat combine harvesters in the current market cannot adapt to  the mechanized combined harvesting of flax, and the specialized foreign flax harvest‐ ers  are  less  utilized,  expensive,  unacceptable  to  farmers,  and  not  suitable  for  the  mechanized harvesting of flax in China. The crawler‐type flax combine harvester de‐ signed in this study improves harvesting efficiency, saves labor costs, and reduces  labor intensity. The key components of the flax combine designed in this study can  be sold as accessories and installed on common rice and wheat combines to enhance  the practicality and utilization of the machine, which can increase the marketability  of the machine.  6. Conclusions  (1) In this study, the self‐propelled flax combine harvester was optimized through mech‐ anism design and theoretical calculations for the conditions and planting patterns of  flax field cultivation and hilly cultivation in China and Gansu Province. The machine  was adapted to the combined harvesting operation of flax in the irrigation area of  Hexi and the hilly area of Loess Plateau, and the operation effect meets the combined  harvesting requirements of flax.  (2) By the Box–Behnken experimental design, 17 sets of response surface analysis exper‐ iments were carried out with advancing speed (x1), threshing drum speed (x2), and  centrifugal fan speed (x3) as independent variables, and threshing rate (Y1) and total  loss rate (Y2) as response values, using a three‐factor, three‐level response surface  analysis method. The order of influence of the three factors on the threshing rate was  threshing drum speed, advancing speed, and centrifugal fan speed, while the order  of influence on the total loss rate was advancing speed, centrifugal fan speed, and  threshing drum speed.  (3) The test results showed that under a typical dryland dense flax cultivation pattern,  the test machine had a 97.46% netting rate and a 2.99% total loss rate according to the  test design criteria. The total loss rate was 2.99%. This shows that the optimization of  the working parameters can reduce the losses in the process of mechanized flax har‐ vesting and improve the harvesting efficiency, and the operational effect can meet  the market requirements of flax harvesting.  Author Contributions: Conceptualization, W.Z. and R.S.; methodology, W.Z. and F.D.; software,  T.W. and Y.Z.; validation, X.L., T.W. and Y.Z.; formal analysis, X.L.; investigation, W.Z. and F.D.;  writing—original draft preparation, R.S.; writing—review and editing, R.S. and W.Z.; visualization,  R.S.; supervision, W.Z.; project administration, W.Z. and F.D. All authors have read and agreed to  the published version of the manuscript.  Funding: This research was supported by the earmarked fund for China Agriculture Research Sys‐ tem (CARS)(Grant NO. CARS‐14‐1‐28), Key R&D Program of Gansu Province in China (Grant NO.  20YF3WA019) and Gansu Province Science and Technology Plan Major Special Project (Grant NO.  21ZD4NA022‐05).  Institutional Review Board Statement: Not applicable.  Data Availability Statement: The data presented in this study are available on request from the  authors.  Acknowledgments: The authors thank the editor for providing helpful suggestions for improving  the quality of this manuscript.  Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest.    Agriculture 2023, 13, 229  22  of  23  References  1. Sydow, Z.; Idaszewska, N.; Janeba‐Bartoszewicz, E.; Bieńczak, K. The Influence of Pressing Temperature and storage conditions  on the quality of the linseed oil obtained from Linum Usitatissimum L. J. Nat. Fibers 2021, 18, 442–451.  2. Depuydt, D.; Hendrickx, K.; Biesmans, W.; Ivens, J.; Van Vuure, A.W. Digital image correlation as a strain measurement tech‐ nique for fibre tensile tests. Compos. Part Appl. Sci. Manuf. 2017, 99, 76–83.  3. Habibi, M.; Laperrière, L.; Lebrun, G.; Toubal, L. Combining short flax fiber mats and unidirectional flax yarns for composite  applications: Effect of short flax fibers on biaxial mechanical properties and damage behaviour. Compos. Part B Eng. 2017, 123,  165–178.  4. Shi, R.J.; Dai, F.; Zhao, W.Y.; Liao, X.L.; Qu, J.F.; Zhang, F.W. Optimization and experiment of operation parameters of hilly area  flax combine harvester. J. Jilin Univ. (Eng. Technol. Ed.) 2022, 52, 2746–2755.  5. Song, X.F.; Dai, F.; Shi, R.J.; Wang, F.; Zhang, F.W.; Zhao, W.Y. Simulation and experiment of the vibration separation of flax  threshing material using non‐spherical particles model. Trans. CSAE. 2022, 38, 39–46.  6. Dai, F.; Zhao, W.Y.; Shi, R.J.; Zhao, Y.M.; Zhang, F.W.; Liu, X.L.; Zhang, S.L. Research progress analysis of key technology and  equipment for mechanized harvest of flax. Chin. J. Oil Crop Sci. 2022, 44, 1148–1158.  7. Mańkowski, J.; Maksymiuk, W.; Spychalski, G.; Kołodziej, J.; Kubacki, A.; Kupka, D.; Pudełko, K. Simulation and experiment  of the vibration separation of flax threshing material using non‐spherical particles model. J. Nat. Fibers 2018, 15, 53–61.  8. Souček, J.; Šturc, T.; Mareček, J. Analysis of linseed production with use of flax puller and combine harvester for its harvest.  Acta Univ. Agric. Silvic. Mendel. Brun. 2017, 65, 511–517.  9. Song, H. Flax(til) Sheller of 5TF‐45 Type Design and Research; Shanxi Agricultural University: Jinzhong, China, 2016.  10. Wang, J.Z. Development and test of 5TS‐50 type half complex multipurpose minor crop thresher. J. Agric. Mech. Res. 2013, 35,  127–130, 134.  11. Gao, T.N. Research on semi‐repeat threshing machinery for small seed flax crops. Farm Mach. 2011, 25, 100–102.  12. Zhao, W.C.; Zhang, Y.Y.; Gong, Y.F.; Wang, Z.Y. Design and parameter optimisation of the threshing mechanism of a self‐ propelled flax threshing and spreading machine. Agric. Mach. Using Maint. 2020, 2, 1–3.  13. Liu, Y.X.; Dai, F.; Zhao, W.Y.; Shi, R.J.; Zhang, S.L.; Wei, W.C. Design and experiment of handheld flax windrower. J. Chin.  Agric. Mech. 2019, 40, 26–29.  14. Shi, R.J.; Dai, F.; Zhao, W.Y.; Liu, Y.X.; Zhang, S.L.; Wei, W.C. Biomechanical properties test of flax stem. J. Chin. Agric. Mech.  2018, 39, 45–50.  15. Qu, J.F.; Zhao, W.Y.; Zhao, Y.M.; Dai, F.; Shi, R.J.; Li, Y.J.; Fu, Q.F.; Li, Y.W. Design and experiment of full feed flax threshing  and cleaning machine. Acta Agric. Zhejiangensis 2022, 34, 831–840.  16. Shi, R.J.; Dai, F.; Zhao, W.Y.; Zhang, S.L.; Zhang, F.W.; Liu, X.L. Design and test of full‐feed flax thresher. J. China Agric. Univ.  2019, 24, 120–132.  17. Dai, F.; Zhao, W.Y.; Liu, G.C.; Zhang, S.L.; Shi, R.J.; Wei, B. Design and experiment of separating and cleaning machine for flax  threshing material. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2019, 50, 140–147.  18. Dai, F.; Fu, Q.F.; Zhao, W.Y.; Shi, R.J.; Song, X.F.; Zhang, S.L. Design and test of double duct system of air‐screen separating and  cleaning machine for flax threshing material. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2021, 52, 117–125.  19. Shi, L.R.; Ma, Z.T.; Zhao, W.Y.; Yang, X.P.; Sun, B.G.; Zhang, J.P. Calibration of simulation parameters of flaxed seeds using  discrete element method and verification of seed‐metering test. Trans. CSAE 2019, 35, 25–33.  20. Dai, F.; Zhao, W.Y.; Shi, R.J.; Liu, X.L.; Cui, Y.S.; Fu, S.N. Design and experiment on self‐propelled flax combine harvester. Chin.  J. Oil Crop Sci. 2022, 44, 678–686.  21. Shi, R.J.; Dai, F.; Liu, X.L.; Zhao, W.Y.; Qu, J.F.; Zhang, F.W.; Qin, D.G. Design and experiments of crawler‐type hilly and moun‐ taineous flax combine harvester. Trans. CSAE 2021, 37, 59–67.  22. Liao, Q.X.; Xu, Y.; Yuan, J.C.; Wan, X.Y.; Jiang, Y.J. Design and experiment on combined cutting and throwing longitudinal axial  Flow threshing and separating device of rape combine harvester. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2019, 50, 140–150.  23. Wang, W.Z.; Liu, W.R.; Yuan, L.H.; Qu, Z.; He, X.; Lv, Y.L. Simulation and experiment of single longitudinal axial material  movement and establishment of wheat plants model. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2020, 51 (Suppl. 2), 170–180.  24. Wu, J.; Tang, Q.; Mu, S.L.; Jiang, L.; Hu, Z.C. Test and optimization of oilseed rape (Brassica napus L.) threshing device based on  DEM. Agriculture 2022, 12, 1580.  25. Di, Z.F.; Cui, Z.K.; Zhang, H.; Zhou, J.; Zhang, M.Y.; Bu, L.X. Design and experiment of rasp bar and nail tooth combined axial  flow corn threshing cylinder. Trans. CSAE 2018, 34, 28–34.  26. Li, Y.; Xu, L.Z.; Lv, L.Y.; Shi, Y.; Yu, X. Study on modeling method of a multi‐parameter control system for threshing and  cleaning devices in the grain combine harvester. Agriculture 2022, 12, 1483.  27. Shi, R.J.; Dai, F.; Zhao, W.Y.; Zhang, F.W.; Shi, L.R.; Guo, J.H. Establishment of discrete element flexible model and verification  of contact parameters of flax stem. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2022, 53, 146–155.  28. Tian, L.Q.; Li, H.Y.; Hu, H.D.; Chen, L.B.; Xiong, Y.S.; Jin, R.D. Design and experiment on coaxial double speed threshing for  combine harvester. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2020, 51 (Suppl. 2), 139–146.  29. Xu, L.Z.; Li, Y.; Chai, X.Y.; Wang, G.M.; Liang, Z.W.; Li, Y.M.; Li, B.J. Numerical simulation of gas–solid two‐phase flow to  predict the cleaning performance of rice combine harvesters. Biosyst. Eng. 2020, 190, 11–24.  30. Badretdinov, I.; Mudarisov, S.; Lukmanov, R.; Permyakov, V.; Ibragimov, R.; Nasyrov, R. Mathematical modeling and research  of the work of the grain combine harvester cleaning system. Comput. Electron. Agric. 2019, 165, 104966.    Agriculture 2023, 13, 229  23  of  23  31. Wang, B.K.; Yu, Z.Y.; Hu, Z.C.; Cao, M., Z.; Zhang, P.; Wang, B. Numerical simulation and experiment of flow field in three air  systems of air separation system of peanut pickup harvester. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2021, 52, 103–114.  32. Liang, Z.W.; Xu, L.Z.; De Baerdemaeker, J.; Li, Y.M.; Saeys, W. Optimisation of a multi‐duct cleaning device for rice combine  harvesters utilising CFD and experiments. Biosyst. Eng. 2020, 190, 25–40.  33. Zhang, J.F.; Cao, G.Q.; Jin, Y.; Tong, W.Y.; Zhao, Y.; Song, Z.Y. Parameter optimization and testing of a self‐propelled combine  cabbage harvester. Agriculture 2022, 12, 1610.  34. Song, Y.L.; Zhang, X.H.; Wang, W. Rollover dynamics modelling and analysis of self‐propelled combine harvester. Biosyst. Eng.  2021, 209, 271–281.  35. Tian, L.Q.; Lin, X.; Xiong, Y.S.; Ding, Z. Design and performance test on segmented‐differential threshing and separating unit  for head‐feed combine harvester. Food Sci. Nutr. 2021, 9, 2531–2540.  36. Shahmaleki, M.; Beigmohammadi, F.; Movahedi, F. Cellulose‐reinforced starch biocomposite: Optimization of the effects of  filler  and  various  plasticizers  using  Design‐Expert  method.  Starch‐Stärke  2020,  73,  2000028.  https://doi.org/10.1002/star.202000028.  37. Pavan, K.R.S.; Raveendra, R.J. Development and validation of stability‐indicating‐HPLC method for the determination of re‐ lated substances in novel nitroimidazole antituberculosis drug pretomanid: Robustness study by Design‐Expert and application  to stability studies. Biomed. Chromatogr. 2022, 36, e5498.  38. Špokas, L.; Adamčuk, V.; Bulgakov, V.; Nozdrovický, L. The experimental research of combine harvesters. Res. Agr. Eng. 2016,  62, 106–112.  Disclaimer/Publisher’s Note: The statements, opinions and data contained in all publications are solely those of the individual au‐ thor(s) and contributor(s) and not of MDPI and/or the editor(s). MDPI and/or the editor(s) disclaim responsibility for any injury to  people or property resulting from any ideas, methods, instructions or products referred to in the content. 

Journal

AgricultureMultidisciplinary Digital Publishing Institute

Published: Jan 17, 2023

Keywords: combine harvester; crawler-type; flax; optimized design; experimental verification

There are no references for this article.