張 奎，劉師多，師清翔，王升升，牛 康

(河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南洛陽471003)

0 引言

玉米是世界三大主要糧食作物之一。近年來中國玉米種植面積不斷增加，玉米機(jī)收率卻遠(yuǎn)低于小麥的90%和水稻的70%?，F(xiàn)有玉米聯(lián)合收獲機(jī)的主要功能是摘穗、果穗收集和秸稈粉碎還田。但現(xiàn)有機(jī)型功耗大，且不能實(shí)現(xiàn)秸稈切碎回收，其主要原因是:摘穗后的玉米植株仍長在田間，且雜亂無章，只能粉碎還田。對秸稈粉碎還田處理，一方面消耗大量動力，另一方面也制約著玉米秸稈的綜合利用。減小玉米聯(lián)合收獲機(jī)功耗的有效途徑是以秸稈切碎代替秸稈粉碎。

中國丘陵山區(qū)玉米種植面積約占全國玉米種植面積的1/4，主要集中在中國南方、西南方以及黃淮西部等地。丘陵山區(qū)溝壑縱橫，道路狹窄且路況復(fù)雜，地塊小、不規(guī)則;玉米種植大多采用人工種植方式，玉米行距及生長狀況差異較大?，F(xiàn)有機(jī)型對玉米行距要求嚴(yán)格，很難適應(yīng)不同行距玉米的收獲[1-2］，而且難以在丘陵山區(qū)轉(zhuǎn)移和作業(yè)，市場上還沒有成熟的適合丘陵山區(qū)玉米收獲的機(jī)型[3］。對于丘陵山區(qū)出現(xiàn)的單行玉米機(jī)[4-6］，因其生產(chǎn)效率低、對土壤碾壓嚴(yán)重，難以推廣應(yīng)用。丘陵山區(qū)玉米收獲機(jī)械化的發(fā)展已經(jīng)成為嚴(yán)重制約中國玉米收獲機(jī)械化全面提高的瓶頸。研發(fā)適合丘陵山區(qū)玉米收獲的機(jī)型已勢在必行，因此本文研制了與手扶拖拉機(jī)配套的雙行玉米聯(lián)合收獲機(jī)。

1 總體方案配置

與手扶拖拉機(jī)配套的雙行玉米聯(lián)合收獲機(jī)總體配置如圖1所示。本機(jī)主要由莖稈切割及輸送裝置、摘穗及切碎裝置、果穗輸送裝置等部分組成。該機(jī)能自行開道，可一次完成摘穗、果穗收集、秸稈切碎還田。手扶拖拉機(jī)是丘陵山區(qū)的主要?jiǎng)恿Γ緳C(jī)與手扶拖拉機(jī)配置，增加了其利用率，配套動力為11.03 kW，整機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑小，在丘陵山區(qū)通過性好。

通過對河南省西部丘陵地區(qū)玉米種植習(xí)慣的實(shí)地考察，該地區(qū)玉米種植行距范圍為400～800 mm。故設(shè)計(jì)收獲行距范圍為300～800 mm。莖稈切碎輸送裝置、摘穗及切碎裝置采用左偏置方式。開道后以左側(cè)為未收割區(qū)，右側(cè)為收割區(qū)。

1.1 莖稈切割及輸送裝置

莖稈切割及輸送裝置主要包括可伸縮玉米莖稈引導(dǎo)扶持裝置、橫向輸送帶、往復(fù)割刀、縱向夾持鏈等部分。工作原理為:橫向輸送帶撥齒抓取生長玉米植株，同時(shí)往復(fù)割刀從根部將其割斷，由輸送帶完成帶穗玉米植株立姿橫向輸送，隨后由縱向夾持鏈將玉米植株立姿向后上方輸送。該裝置要求輸送帶撥齒抓取生長玉米植株的同時(shí)，割刀能將玉米植株割斷。玉米植株直徑范圍為20～30 mm，因此設(shè)計(jì)輸送帶撥齒超出割刀30 mm[7］。夾持鏈與地面夾角為35°[8］，縮短了整機(jī)長度。一般玉米結(jié)穗高度都在500 mm以上，本裝置夾持點(diǎn)設(shè)計(jì)為400 mm，其高度可通過工作部件的升降來調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同果穗高度玉米的收獲。

圖1 與手扶拖拉機(jī)配套的雙行玉米聯(lián)合收獲機(jī)總體配置

1.2 摘穗及切碎裝置

摘穗及切碎裝置主要由摘穗裝置和切碎裝置組成。摘穗裝置主要完成玉米果穗的摘取，該裝置位于莖稈切割及輸送裝置下方，并與之有一定重疊，縱向夾持鏈向后輸送速度與摘穗裝置螺旋筋向后推進(jìn)速度一致，確保立姿帶穗玉米植株在夾持鏈松開時(shí)能平穩(wěn)有序進(jìn)入摘穗裝置，并在直筋段完成摘穗，避免了玉米植株未能進(jìn)入摘穗輥而造成的堵塞。摘穗裝置與地面夾角25°，最大限度減小了整機(jī)長度，保證整機(jī)短小靈活。兩摘輥布置采用一高一低，垂直高度相差超過玉米果穗半徑，以便摘掉后的玉米果穗順利地落入果穗輸送裝置。

切碎裝置位于摘穗裝置下方，對完成摘穗后的玉米莖稈進(jìn)行切碎還田，以切碎代替粉碎，有效降低了整機(jī)功耗。并改變傳統(tǒng)的與摘穗裝置垂直布置的方式，采用與摘穗裝置平行配置，增大了喂入口，便于摘穗后的玉米植株流暢的進(jìn)入切碎裝置。切碎草長可調(diào)，可滿足不同畜牧養(yǎng)殖要求。

1.3 果穗輸送裝置

果穗輸送裝置主要由螺旋輸送攪龍等組成。通過螺旋葉片對玉米果穗的摩擦推運(yùn)，將果穗輸送至果穗箱收集。本裝置體積小，質(zhì)量輕，保證了整機(jī)的輕量小型化。入口低于摘穗裝置，便于玉米果穗能順利從摘穗裝置落入。螺旋輸送攪龍螺距S=150 mm，試驗(yàn)表明:葉片高度20 mm，轉(zhuǎn)速不超過350 r/min[9］時(shí)，果穗輸送效率最高，且對果穗損傷小，輸送過程穩(wěn)定，對不同尺寸和含水率玉米果穗有較強(qiáng)適應(yīng)性。

2 作業(yè)過程

田間作業(yè)時(shí)(見圖2)，隨著玉米收獲機(jī)的前進(jìn)，生長在田間的未收割玉米A(見圖2)首先碰到可伸縮玉米莖稈引導(dǎo)扶持裝置的引導(dǎo)扶持桿，由于玉米根部韌性較大，引導(dǎo)扶持桿向內(nèi)側(cè)縮回，當(dāng)引導(dǎo)扶持桿上的拐點(diǎn)(見圖2中M點(diǎn))超過玉米A時(shí)，引導(dǎo)扶持桿在拉簧作用下反方向旋轉(zhuǎn)，回到原來位置，起到扶持玉米莖稈的作用。輸送帶撥齒撥住玉米，同時(shí)割刀將帶穗玉米從根部割斷。割斷后的帶穗玉米處于輸送帶、引導(dǎo)扶持桿以及安裝板共同形成的通道中，在輸送帶撥齒的作用下沿圖2所示的運(yùn)動軌跡立姿運(yùn)送至縱向夾持鏈。夾持鏈將帶穗玉米植株立姿有序輸送到摘穗輥，摘穗輥完成玉米摘穗，同時(shí)將玉米莖稈向下拉入切碎裝置，將玉米秸稈切碎還田。摘掉的玉米穗落入果穗輸送攪龍部分，果穗在螺旋葉片推運(yùn)作用下，進(jìn)入果穗箱。

圖2 作業(yè)示意圖

3 主要工作部件參數(shù)的確定

3.1 橫向輸送帶前傾角度和撥齒間距的確定

為了保證帶穗玉米植株以直立姿態(tài)順利完成由橫向輸送到縱向輸送的過渡，應(yīng)該使玉米植株在橫向輸送過程中就有一定的縱向輸送速度，因此將橫向輸送帶向前傾一個(gè)角度α，選取合適的α值可使輸送帶有與機(jī)進(jìn)速度相同的分速度，輸送帶示意圖見圖3。

機(jī)進(jìn)速度v為0.5 m/s，撥禾帶工作速度 v1為2.45 m/s，由sin α =v/v1，得 α =11.8°。

根據(jù)收獲需要，橫向輸送帶的撥齒間距要合適。

(1)撥齒間距過小時(shí)，兩撥齒到達(dá)同一抓取點(diǎn)的時(shí)間較短，則會出現(xiàn)玉米植株在還未被割斷的情況下，被多個(gè)撥齒撥打，造成玉米植株的損傷甚至折斷，即機(jī)器前進(jìn)距離為植株直徑d時(shí)所用時(shí)間為t1，則在時(shí)間t1內(nèi)，經(jīng)過橫向輸送帶上同一抓取點(diǎn)的撥齒不能超過兩個(gè)。

圖3 輸送帶示意圖

(2)撥齒間距過大時(shí)，兩撥齒到達(dá)同一抓取點(diǎn)的時(shí)間較長，割斷的玉米植株在這段時(shí)間內(nèi)會因?yàn)榈貌坏郊皶r(shí)的扶持輸送而發(fā)生傾倒，輸送過程很可能失敗，即機(jī)器前進(jìn)距離為玉米株距l(xiāng)時(shí)所用時(shí)間為t2，則在時(shí)間t2內(nèi)，經(jīng)過橫向輸送帶上同一抓取點(diǎn)的撥齒不能少于兩個(gè)。

設(shè)橫向輸送帶上相鄰兩撥齒的距離為s。則由以上兩種情況可得:

式中，根據(jù)田間實(shí)際測量，植株直徑d的范圍是20～30 mm，植株間距l(xiāng)的范圍是200～300 mm。

通過計(jì)算，撥齒間距s的范圍是147～980 mm，因輸送帶總長度為960 mm，故撥齒數(shù)值可取:1、2、3、4、5、6，本機(jī)型取4個(gè)撥齒，即撥齒間距為240 mm。

3.2 縱向夾持輸送鏈

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，選擇夾持鏈速度v為1.9 m/s、夾持間隙為20 mm[10-11］，此時(shí)玉米植株在縱向夾持輸送過程中引起的斷稈、傾倒等問題最少。調(diào)節(jié)夾持鏈張緊裝置，可使玉米莖稈立姿縱向輸送過程穩(wěn)定、可靠。

3.3 摘輥主要參數(shù)的選擇

摘穗輥[12-14］分為3部分，前部為錐形引導(dǎo)段，中間為螺旋筋段，后部為直筋摘穗段。摘穗輥總長度為530 mm，前部錐形引導(dǎo)段長度為100 mm。直筋摘穗段一般在150 mm左右，本機(jī)將兩行玉米輸送到同一摘輥內(nèi)摘穗，故適當(dāng)加長直筋摘穗段，選取200 mm。摘輥直徑D在65～100 mm[15］時(shí)工作質(zhì)量指標(biāo)比較好。取摘輥直徑D=79 mm，螺旋筋、直筋直徑為D'=8 mm。一般摘穗輥的工作間隙s為:

式中，d為玉米秸稈直徑，玉米結(jié)穗下部莖稈直徑一般在20～30 mm，取d=30 mm，則摘輥間隙s=2～12 mm，選取s=9 mm。摘輥圓周速度v=3～4 m/s，選取摘輥圓周速度為3.8 m/s，則摘輥轉(zhuǎn)速為:

為使螺旋筋向后推送速度和夾持鏈速度保持一致，則由nL/60=v可確定螺旋筋的螺距L=125 mm。

3.4 切碎裝置及莖稈切碎長度

玉米秸稈用途不同，對切碎長度的要求也不同。秸稈還田要求切碎長度小于100 mm。畜牧業(yè)要求切碎質(zhì)量好，碎段長度一致，盡量不產(chǎn)生長草段，超長率應(yīng)小于7%;茬口整齊，斜茬率應(yīng)小于5%;切碎長度可根據(jù)飼養(yǎng)要求變化來調(diào)整，例如，牛以30～40 mm為宜;羊則以15～25 mm為宜[16-17］。本機(jī)切碎裝置可通過調(diào)整傳動比來調(diào)整切碎長度。莖稈理論切碎長度l=60 000 v/(nz)，其中，v為莖稈喂入速度;n為滾刀轉(zhuǎn)速;z為動刀片數(shù)。取v為3.8 m/s，滾刀轉(zhuǎn)速2 100 r/min，動刀片數(shù)為3，則理論切碎長度為36 mm。

4 性能測試與試驗(yàn)

2012年10月，河南省農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站對與手扶拖拉機(jī)配套的雙行玉米聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)和性能測試，測試結(jié)果如表1所示。

隨后，本機(jī)型在河南省西部丘陵地區(qū)進(jìn)行了大面積可靠性收獲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:本機(jī)作業(yè)性能穩(wěn)定，操作靈活，可靠性高，損失小，深受廣大丘陵山區(qū)農(nóng)民歡迎。

表1 與手扶拖拉機(jī)配套的雙行玉米聯(lián)合收獲機(jī)性能測試結(jié)果

5 結(jié)論

本機(jī)器對玉米秸稈切碎處理，使得整機(jī)動力有效降低，配套動力為11.03 kW;行距適應(yīng)性強(qiáng)，可收獲行距為300～800 mm;可一次完成玉米摘穗、果穗收集、秸稈切碎還田等作業(yè)。本機(jī)器以丘陵山區(qū)保有量最大的手扶拖拉機(jī)為配套動力，實(shí)現(xiàn)了玉米收獲機(jī)械的小型化，適合在丘陵山區(qū)推廣使用。

[1]賀俊林，胡偉，郭玉富，等.扶禾桿在不對行導(dǎo)入玉米莖稈中的運(yùn)動仿真[J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(6):125-129.

[2]張道林，刁培松，董鋒，等.撥禾指式不對行玉米收獲裝置的試驗(yàn)[J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(5):103-106.

[3]張喜瑞.董佑福.我國玉米收獲機(jī)械化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[C］//全國玉米收獲保護(hù)性耕作機(jī)械化學(xué)術(shù)研討會論文集.威海:中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會，2006:33-39.

[4]杜岳峰，朱忠祥，毛恩榮，等.基于 ADAMS的丘陵山地小型玉米收獲機(jī)仿真[C］//收獲機(jī)械技術(shù)及裝備國際高層論壇論文集.鎮(zhèn)江:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會，2011:1-5.

[5]石敬之，呂先勝，李士貞.夏玉米不同收獲時(shí)期對產(chǎn)量的影響[J］.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1987，21(2):275-279.

[6]王毓華，張巧蓮.小型手扶拖拉機(jī)配套微型玉米聯(lián)合收獲機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[J］.農(nóng)機(jī)推廣與安全，2003(6):10-11.

[7]常建國，陳寶昌，卞瑞鋒，等.新型單行玉米收獲機(jī)的研究設(shè)計(jì)[J］.農(nóng)機(jī)化研究，2001(4):46-48.

[8]趙洪光，張道林.秸稈切割裝置夾持與切割關(guān)系的分析[J］.山東理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，19(4):81-84.

[9]倪長安，丁慧玲，劉師多，等.新型雙行玉米聯(lián)合收獲機(jī)的研制[J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007(9):109-111.

[10]張喜瑞，董佑福，張道林，等.玉米收獲機(jī)夾持輸送裝置的研究[J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007(10):8-17.

[11]李光樂，覃艷雅，張喜瑞，等.玉米聯(lián)合收獲機(jī)夾持輸送喂入裝置的優(yōu)化試驗(yàn)[J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(5):511-512.

[12]陳松濤，周學(xué)建，師清翔，等.玉米收獲機(jī)摘穗裝置運(yùn)動參數(shù)特性研究[J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，28(1):64-69.

[13]楊洪峰，張道林，張繼磊，等.玉米收獲機(jī)摘穗輥理論工作長度的研究[J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(1):188-190.

[14]牛康，劉師多，師清翔，等.新型玉米果穗輸送裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，34(6):62-65.

[15]李寶筏.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2003:423-426.

[16]中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[17]藺公振，姬江濤，貌建華，等.滾筒式鍘草機(jī)設(shè)計(jì)[J］.洛陽工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，21(1):11-13.