張廣軍，王東偉，李　金, 韓　坤

(青島農業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島　266109)

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4YZP-3型自走式玉米收獲機設計

張廣軍，王東偉，李金, 韓坤

(青島農業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島266109)

摘要：針對黃淮海地區(qū)和冬麥區(qū)玉米栽種特點，借鑒已有的經驗，研制了4YZP-3型自走式玉米聯(lián)合收獲機，并介紹了整體機型、傳動系統(tǒng)和關鍵部件的結構設計和技術特點。割臺部分采用新型撥禾鏈分離裝置，可將不對行玉米植株及時抓取并穩(wěn)定送入到摘穗裝置中；對剝皮機進行了優(yōu)化設計和合理配置，大大提高了果穗剝凈率,降低了籽粒破碎率和損傷率。田間試驗和分析表明：其各項性能指標均符合玉米收獲機行業(yè)標準，研究成果可為玉米收獲機械的研究和發(fā)展提供借鑒。

關鍵詞：玉米收獲機； 剝皮機；自走式； 不對行

0引言

玉米作為我國重要的糧食作物，分布廣泛，耕種面積高達0.24億hm2。根據(jù)農業(yè)部農業(yè)機械化管理司統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2013年我國玉米機收水平49%；但與水稻機收水平73%、小麥機收水平92%相比，還存在一定的差距[1]。“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要已明確提出，將全程提高玉米機械化收獲水平，保持每年7%的增長速度。玉米機收率相對較低這一現(xiàn)實，預示著我國玉米收獲機仍有巨大的成長空間。

目前，我國玉米種植區(qū)域分布很不均勻，主要以家庭耕作為主，小面積種植較多，行距多樣，不易實現(xiàn)大型玉米收獲機機械化作業(yè)。加之大型自走式收獲機價格昂貴、機動性不強及作業(yè)時間較短等問題，因此其適用范圍受到了很大的限制[2]。同時，小型收割機工作效率低下、機收水平不高，無法滿足農戶的收獲要求。作為玉米收獲機發(fā)展階段的重要機型，3行玉米自走式收獲機具有結構簡單、設計緊湊、價格合理、工作效率高等優(yōu)點，受到企業(yè)和用戶的認可，具有廣闊的市場推廣前景。但是，市場現(xiàn)有的3行玉米收獲機機型功能不夠完善，存在結構復雜、功耗大、適應性差等問題，不能很好地滿足玉米收獲的實際要求。因此，針對黃淮海和冬麥區(qū)玉米收獲特點設計了4YZP-3型自走式玉米收獲機，旨在滿足用戶的使用要求。

1整機設計

4YZP-3型自走式玉米收獲機的整機結構如圖1所示。

1.割臺　2.秸稈切斷裝置　3.行走底盤

該機可一次性完成玉米的摘穗、秸稈粉碎、輸送、剝皮、裝箱及還田的全過程作業(yè)。前面割臺采用新型撥禾器不對行分離裝置，摘下的果穗在橫向攪龍的作用下送入升運器，再被運送到剝皮機；剝皮機分布在發(fā)動機后部，連接升運器和果穗箱；雙攪龍除雜裝置和單向籽粒收集裝置裝在剝皮機下方；割臺下方設計有秸稈切斷裝置，中置還田機實現(xiàn)秸稈完全還田；機車尾部安裝果穗箱，液壓側翻式升舉，具有很強的自凈能力。

玉米收獲機基本工作原理：機器運轉時，首先分禾器接觸植株，及時將其扶直收攏，植株被撥禾鏈快速推到摘穗輥上，果穗與植株經輸送攪龍運送到升運器，再經升運器輸送到剝皮機里；果穗在剝皮輥作用下，完成剝皮作業(yè)，多余的雜質被排除機外，干凈的果穗被送至果穗箱；植株經過割臺時，秸稈切斷裝置將植株切斷放倒，由中置還田機將秸稈完全切碎還田。整機主要技術參數(shù)如表1所示。

表1　主要技術參數(shù)

2傳動系統(tǒng)

玉米收獲機傳動系統(tǒng)的設計應該以消耗功率小、動力分配合理為目的，使整體結構緊湊，確保每個部分能夠協(xié)調工作，獲得適當?shù)乃俣?，滿足作業(yè)要求。

根據(jù)各零部件消耗功率的估算，選用發(fā)動機總功率88kW，轉速為2 400r/min。本機采用分路傳動設計方法：第1路發(fā)動機直接通過皮帶輪傳給還田機，還田機位于發(fā)動機下方容易接受動力輸入，便于控制；第2路傳動是主傳動，通過鏈輪分別傳給剝皮機、驅動前橋和前部動力輸入。其前部動力輸入依靠24齒雙排鏈將動力輸入到主動軸，主動軸分3路傳遞動力：①直接通過17齒雙排鏈傳給升運器下軸，帶動升運器工作；②動力傳遞到割臺前部變速箱，變速箱將動力一部分傳輸給割臺主軸，驅動割臺工作；③變速箱將另一部分動力傳輸給秸稈切斷裝置，實現(xiàn)割臺與秸稈切斷同步工作。內部動力傳輸多采用鏈傳動，便于在復雜環(huán)境下正常工作，確保動力供應的持續(xù)性與穩(wěn)定性。具體傳動配置如圖2所示。

圖2　4YZP-3型自走式玉米收獲機傳動系統(tǒng)示意圖

3關鍵部件設計

3.1割臺的設計

為了順利完成不對行收獲作業(yè)，設計關鍵是割臺正常工作時確保植株持續(xù)有效地送入摘穗區(qū)域，且能將倒伏的植株拉起一并攏入撥禾機構中。撥禾機構采用分層式撥禾鏈，配合分禾器共同控制植株的運動方向，完成有效抓取和喂入。割臺內部基本結構如圖3所示。

3.1.1撥禾機構的設計

撥禾機構對實現(xiàn)不對行收獲起到重要作用。本機構采用分層式撥禾鏈，如圖3所示。該機構包括上層右前撥禾鏈、左撥禾鏈及下層右后輸送鏈。割臺上3組摘穗機構之間最前面都是上層撥禾鏈，分禾器將植株攏在一起，上層撥禾鏈穩(wěn)定連續(xù)地將植株喂入到摘穗部分，實現(xiàn)不對行作業(yè)，較傳統(tǒng)機型割臺長度縮短、結構緊湊。下層輸送鏈部分位于割臺的后面，分布在摘穗輥的兩側，由割臺變速箱上的主動鏈輪直接傳遞動力。左右撥禾鏈上的撥齒同步向上運動，撥齒之間有一定的間距，可以將任意株距的植株撥入摘穗部分；由于采用了鏈條撥齒式機構，能夠保證傳動比不變，避免工作部件之間的相互干涉。撥禾鏈將植株撥入摘穗部分后，有一段距離只是左撥禾鏈和摘穗輥起導向作用，這一段距離主要完成摘穗作業(yè)。此時，果穗會向后堆積，右后輸送鏈進行快速輸送，通過橫向攪龍，運送到升運器，最終完成摘穗工作。

1.右前撥禾鏈　2. 右摘穗輥

3.1.2摘穗機構的設計

摘穗機構的工作性能將對玉米收獲機的工作性能和收獲效果產生一定的影響[3]。摘穗作業(yè)過程分為3部分：喂入、摘穗及除雜。撥禾鏈工作過程屬于喂入作業(yè)，由新型分層式撥禾鏈相對運動來實現(xiàn)；摘穗作業(yè)采用拉莖輥式，輥上鑄造有螺旋筋，由左右兩輥相對運動實現(xiàn)摘穗；除雜作業(yè)為摘穗輥頂部，鑄造有6根直筋條，筋條表面與輥體平滑過度，并附有細小花紋。根據(jù)摘穗輥能抓取秸稈而不能抓取果穗的這一條件來確定摘輥直徑。根據(jù)公式[4]可知

(1)

其中，D為摘穗輥直徑；h為摘穗輥間隙；dg為果穗直徑；dj為莖稈直徑；μg、μj為摘穗輥對果穗、莖稈的抓取系數(shù)。整理可得

(3～5.5)(dg-h)≥D≥(3～5.5)(dj-h)

將μg≈μj=0.7～1.1、h=(0.～0.5)d、dg=50mm、dj=23mm帶入可得：90mm≥D≥70mm。本設計取D=80mm。

根據(jù)有關資料和多次試驗分析可得，摘穗輥的工作長度與接穗高度、割臺傾角、摘穗輥直徑、傳動比及螺旋螺距等因素有關，故確定其工作長度L=750mm,直筋內徑D1=8mm,長度h=100mm。

3.2剝皮機的部分優(yōu)化設計

剝皮機的作業(yè)效果將影響整機的作業(yè)性能，合理配置剝皮機的結構設計、優(yōu)化運動參數(shù)能夠減少制造成本、提高作業(yè)效率[5]。該剝皮機主要由剝皮裝置、機架、壓送器、單向籽粒收集裝置和雙攪龍除雜裝置等組成。

3.2.1剝皮裝置

根據(jù)市場上現(xiàn)有的形式，螺旋鋼輥和橡膠輥組合作為剝皮輥頗多。螺旋鋼輥加工簡單，制造成本低，但抓取力小，表面容易磨損，不利于剝皮；橡膠輥耐磨，摩擦因數(shù)大，增大抓取力，但也使果穗縱向運動阻力增大，生產力下降。因此，本機構采用鑄鋼與橡膠組合式。主剝皮輥前半段表面加裝螺旋鋼筋，后半段表面帶有螺旋凹槽橡膠輥；從剝皮輥表面帶有方形橡膠凸起，如圖4所示。這種組合排列方式的優(yōu)點是果穗不僅沿軸線方向運動，還繞自身軸線方向旋轉，以順利完成剝皮工作。

1.螺旋鋼筋　2. 橡膠凹槽　3. 橡膠輥

現(xiàn)有的剝皮輥配置方式主要為W槽型、V型和水平式[6]。本機采用W槽型配置方式，均勻分布5對主從剝皮輥，確保在作業(yè)過程中玉米果穗有序排列，減少果穗與剝皮輥打滑，提高剝凈率。

1)主從動輥之間高度差H的分析。由圖5(a)受力分析可知：主動輥與從動輥中心線之間存在一定距離H。由于H的存在，使得T1、T2方向相反，在T1、T2的作用下，產生一個旋轉力偶，促使果穗繞自身軸線旋轉，增加果穗剝皮次數(shù)，提高了剝凈率。H值的大小與剝凈率有關：H值增大，剝凈率也增大；當大到超過摘穗輥半徑時，果穗受力不均勻，會偏向主動輥，導致從動輥無效抓取，降低了剝凈率。根據(jù)有關資料，當果穗的質心在主動輥與從動輥水平中心距的中點附近時，便于穩(wěn)定果穗，形成旋轉力偶。

(2)

其中，D1為剝皮輥直徑；C為兩剝皮輥水平中心距。取D1=90mm，則H<45mm,確定H=40mm。帶入公式(2)，可得C=80.6mm。

由式(2)可知：剝皮輥直徑和H值確定后，主從動輥的水平中心距也隨之確定。

2)確定剝皮輥軸向傾角θ。根據(jù)圖5(b)分析，果穗沿軸向運動的條件是：果穗軸向受力Q1必須大于其軸向摩擦力T，即Q1>T。由于Q1=Qsinθ，因此θ減小時Q1減小。果穗在軸線運動速度減小，剝皮時間增長，提高剝凈率，但降低了生產率；θ增大時，使整機尺寸增高，升運器長度加大，不利于果穗喂入。根據(jù)多次試驗，剝皮機裝上壓送器，剝皮輥軸向傾角θ為8°～15°時剝皮效果最佳，故取θ=13°。

3)選擇剝皮輥長度L。剝皮輥長度對剝凈率和籽粒損傷率都有一定的影響。目前，國內外常用的剝皮輥長度900～1 100mm內。根據(jù)文獻[5]，剝皮輥長度增長，其剝凈率稍有提高；但隨著長度的增加，果穗損傷率和破碎率也會上升，影響生產率。綜合考慮，在增加剝凈率的基礎上，減少損傷率和破碎率，確定本機剝皮輥長度為1 000mm。

1.主動輥　2.果穗　3.從動輥

3.2.2壓送器的設計

壓送器作為剝皮機主要組成部分，其作用是將果穗壓在剝輥表面，產生一個向下的壓力，促進兩者相互摩擦，使苞葉脫落，提高了剝凈率和生產率。根據(jù)市場調研和試驗分析，指盤式壓送器葉片尖端采用橡膠制成，成本較低，壓送效果明顯，能夠快速、有效地劃開苞葉，并拽起撥松，便于剝皮輥抓取苞葉。本機采用指盤式壓送器，在滿足工作要求的情況下，選取壓送器最大回轉直徑為Φ240mm，能夠穩(wěn)定地撥動果穗，作業(yè)順暢。實際作業(yè)中，壓送輪的轉速對剝皮輥的作業(yè)效果不大，故確定壓送輪的轉速為80 r/min。該壓送輪動力傳動采用傳統(tǒng)的三級變速，主傳動軸與三級壓送輪從動軸采用不同的傳動比。其中，第1組傳動比最大，轉速最高，更能快速喂入果穗；第2組轉速最低，使果穗停留時間較長，提高剝凈率，相對降低果穗損傷率，達到理想效果；第3組轉速有所提高，快速排出果穗，提高工作效率[7]。

4田間試驗

4.1試驗條件

試驗地點選在山東省龍口市崖頭村龍口潤禾民悅農業(yè)裝備有限公司試驗田進行。試驗田應具有一定代表性，地塊面積均符合試驗田標準，測試相關數(shù)據(jù)并進行分析。玉米種植品種為萊農14號，平均株高2 450mm，莖稈平均直徑26mm，株距28mm,果穗長度210mm,植株倒伏率低于5%，果穗下垂率低于5%，最低接穗高度890mm，籽粒含水率29.6%，莖稈含水率53.1%，土壤含水率12.2%。采用配套動力88kW，Ⅱ擋作業(yè)速度2.5km/h,收獲3行，理論工作效率為0.33～0.6hm2/h。

4.2試驗方法

根據(jù)GB/T21962-2008《玉米收獲機械 試驗方法》進行試驗，選擇測試區(qū)長25m,測定區(qū)前有20m長穩(wěn)定區(qū),測定區(qū)后有15m長停車區(qū)，選定試驗區(qū)重復3次試驗，機械接取和處理樣品，測試相關數(shù)據(jù)，保證精確度。試驗樣機符合基本作業(yè)要求，駕駛員能夠熟練操作機車。

4.3試驗結果

整機總體設計符合要求，總損失率小于4%；該機采用臥輥式割臺，具有對行效果好、機動靈活；還田機切碎效果明顯，拋撒均勻；剝皮機剝凈率達到90%以上，收獲質量高；集果箱設計合理，液壓控制升降，自凈效果好，工作效率高。試驗結果如表2所示。

表2　試驗結果

5結論

1)該機型可適用于3行的玉米收獲，可一次性完成摘穗、升運、剝皮、集果、卸糧及秸稈還田等聯(lián)合作業(yè)，特別針對黃淮海和冬麥區(qū)的生產規(guī)模和種植模式而設計。

2)割臺裝置設計了新型撥禾鏈，在撥禾鏈與輸送鏈之間存在的一段間距，有效地提高了摘穗和撥禾速度及工作效率，利于割臺的不對行作業(yè)。

3)根據(jù)市場現(xiàn)有的機型和相關設計經驗，優(yōu)化了剝皮機設計參數(shù)；壓送部分采用指盤式壓送器，簡化了內部結構，大大提高了剝凈率和生產率。

4)該機型尺寸較小、質量輕、靈活方便，而且割臺、秸稈還田機、果穗箱等部件升降采用液壓控制，作業(yè)效率高。

參考文獻：

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[3]章慧全. 莖穗兼收型玉米收獲機摘穗裝置設計[J]. 農業(yè)科技與裝備,2012(1):30-32,34.

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[7]徐麗明,王應彪,張東興,等.玉米通用剝皮機構設計與試驗[J].農業(yè)機械學報， 2011(S1):14-20.

Design of 4YZP-3 Type Self -propelled Corn Harvester

Zhang Guangjun, Wang Dongwei, Li Jin , Han Kun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109, China)

Abstract：According to the characteristics of the huang-huai-hai region and winter wheat area corn plant, this paper has learned from the existing experience, developed the 4YZP-3-type self-propelled corn harvester. Structural design and technical characteristics of the overall model, transmission system and the key components were mainly introduced. Picher header adopted a new conveying chain and separating device, and no-row corn plants would be timely crawled and stably fed into ear picking device.And the corn husker was optimized and reasonable configuration, it greatly improved the ear peeling rate, reduced the grain crushing rate and damage rate. Through the field testing and analysis, the performance indicators were in line with the industry standard of corn harvester. The research results can provide a reference for the research and development of corn harvester.

Key words：corn harvesber; corn husker; self-propelled; no-row

文章編號：1003-188X(2016)02-0082-05

中圖分類號：S225.5+1

文獻標識碼：A

作者簡介：張廣軍(1988-)，男，山東東平人，碩士研究生，(E-mail)2008.zhangguangjun@163.com。通訊作者：王東偉(1981-)，男，山東城陽人，副教授，博士，(E-mail) W88030661@163.com。

基金項目：青島市公共領域科技支撐計劃項目(12-1-3-43-nsh)；公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203028)

收稿日期：2015-01-09