王　浩，劉師多，師清翔，王升升，耿令新

(河南科技大學 農(nóng)業(yè)裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

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雙行玉米聯(lián)合收獲機割臺試驗

王浩，劉師多，師清翔，王升升，耿令新

(河南科技大學 農(nóng)業(yè)裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

摘要：為了解決小型雙行玉米聯(lián)合收獲機帶穗植株立姿輸送的問題，設計了自制割臺試驗裝置。研究了收獲機割臺下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖的相對位置、下?lián)芎替溇€速度、撥齒間距、下?lián)芎替溑c割刀刀桿的夾角、上撥禾帶狀態(tài)等因素對帶穗植株立姿輸送質量的影響，分析了錐形分禾扶持裝置對倒伏作物的適應能力。分析結果表明：在下?lián)芎听X齒端位于割刀刀尖前30 mm、下?lián)芎替溇€速度0.66 m/s、撥齒間距152 mm、下?lián)芎替溑c割刀刀桿夾角0°、上撥禾帶撥齒長36 mm的情況下，可以較好地完成帶穗玉米植株的立姿輸送。

關鍵詞：立姿輸送；割臺；輸送質量；聯(lián)合收獲機

0引言

玉米是中國主要糧食作物之一，廣泛種植于中國的高原、平原以及丘陵山區(qū)。多樣化的種植環(huán)境和種植模式增加了玉米機械化收獲的難度[1-6]。目前，在中國平原地區(qū)，廣泛采用對行摘穗、秸稈粉碎還田的玉米聯(lián)合收獲方式。這種收獲方式對玉米行距適應性差，特別是秸稈粉碎還田作業(yè)消耗了大量動力，難以適應丘陵山區(qū)對玉米聯(lián)合收獲機小型化的要求[7-14]。將玉米從根部切斷，完成帶穗玉米植株的立姿橫向輸送，可提高玉米聯(lián)合收獲機對玉米行距的適應性；以莖稈切碎代替莖稈粉碎可有效降低整機功率消耗[15-20]。本文設計了一種小型雙行玉米聯(lián)合收獲機割臺，可將玉米植株從根部切斷，并將帶穗玉米植株立姿輸送至摘穗部件。同時，分析了割臺的工作原理，研究了割臺關鍵部件的結構運動參數(shù)對玉米植株立姿輸送的影響規(guī)律，初步確定了割臺的結構運動參數(shù)。

1試驗裝置及其工作原理

1.切割裝置(割刀)；2.割刀驅動電動機；3.試驗臺支架；4.錐形分禾扶持裝置驅動電動機；5.割臺驅動電動機；6.割臺支架；7.夾持鏈；8.上撥禾帶；9.下?lián)芎替湥?0.錐形分禾扶持裝置；11.植株輸送裝置；12.植株固定裝置；13.植株輸送裝置驅動電動機。圖1　割臺試驗裝置結構簡圖

玉米聯(lián)合收獲機割臺試驗裝置如圖1所示，主要由切割裝置(割刀)、試驗臺支架、分禾扶持裝置、撥禾裝置、植株固定裝置、植株輸送裝置和驅動電機等組成，主要工作部件的結構尺寸和相對位置依據(jù)小型雙行玉米聯(lián)合收獲機的整機配置要求確定。下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖的相對位置、撥禾鏈(水平投影)與刀桿的夾角、割臺相對于玉米植株的輸送位置可調；上撥禾帶、下?lián)芎替?、夾持鏈線速度可調；以玉米植株向割臺的運動模擬田間收獲機向玉米的運動。試驗時，首先根據(jù)玉米行距確定割臺與植株輸送裝置的相對位置，利用玉米植株固定裝置將帶穗玉米植株固定于植株輸送裝置。然后，依次啟動割刀、下?lián)芎替満蜕蠐芎處?，最后啟動玉米植株輸送裝置。隨著玉米植株輸送裝置的啟動，帶穗玉米植株便以設定的速度(機進速度)向割臺運動。割刀將玉米植株從根部切斷，下?lián)芎替溑c上撥禾帶配合，將帶穗玉米植株立姿向夾持鏈輸送。圖2為玉米輸送橫縱交接工作示意圖。在弧形分禾器底板和下?lián)蔚妮o助下，帶穗玉米植株以立姿狀態(tài)完成由橫向運動向縱向運動的過渡，再由夾持鏈縱向輸送至摘穗部件。

圖2　玉米輸送橫縱交接工作示意圖

2試驗材料與方法

2.1材料

試驗玉米植株為河南省洛陽市孟津縣麻屯鄉(xiāng)種植的春玉米，品種為中科4號。實地隨機抽樣測得植株自然高度為2 194 mm,根部到玉米穗底端距離為1 007 mm，根部直徑為35 mm，行距為 669 mm，株距為324 mm，果穗下垂率為0%，莖稈含水率為83.94%。

2.2方法

本割臺擬應用于小型雙行玉米聯(lián)合收獲機，該機行進速度為0.6 m/s。工作時，帶穗玉米植株被割刀從根部切斷，并送至摘穗裝置進行摘穗，摘穗后的玉米植株經(jīng)位于摘穗裝置下方的玉米秸稈切碎裝置切碎，摘穗和玉米秸稈切碎作業(yè)均要求玉米植株處于直立姿態(tài)。因此，可以用完成帶穗玉米植株橫縱向輸送后玉米植株的直立程度來表征玉米割臺的作業(yè)質量。

本文以輸送質量作為試驗性能指標，通過對試驗過程中玉米植株姿態(tài)進行打分的方式來定量描述輸送質量。試驗過程中全程攝像，利用植株在輸送過程中的圖像確定輸送質量分值。將玉米植株姿態(tài)按其傾斜程度及完成度定義為5種狀態(tài)，如表1所示。

表1　輸送質量量化表

分別以下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖的相對位置、下?lián)芎替溇€速度、撥齒間距、下?lián)芎替溑c割刀刀桿的夾角、植株橫向喂入位置和上撥禾帶狀態(tài)為試驗因素做單因素及全因素試驗，分析各因素的顯著性以及對輸送質量的影響規(guī)律。在此基礎上，確定割臺的結構運動參數(shù)，并對倒伏植株進行適應性試驗，探究錐形分禾扶持裝置對倒伏植株的適應能力。

為了準確表述下?lián)芎替湏芎听X的位置，用下?lián)芎替溸\動過程中齒端最前位、超過割刀刀尖間距x來描述下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖的相對位置,將下?lián)芎替溨鳌膭渔溳喼行倪B線的水平投影與割刀刀桿的夾角θ定義為下?lián)芎替溑c割刀刀桿的夾角，如圖3所示。

圖3　割刀、下?lián)芎替溑c割刀刀桿位置關系圖

3試驗結果與分析

3.1下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖的相對位置與輸送質量的關系

試驗中，將下?lián)芎替溂吧蠐芎處俣裙潭ㄔ?.8 m/s，撥齒間距152 mm，下?lián)芎替溑c割刀刀桿夾角為0°，植株相對于縱向輸送位置橫向偏移230 mm，即玉米行距為460 mm。將下?lián)芎听X齒端位于割刀刀尖后方時的距離x定義為正值，在x分別取30 mm、0 mm、-30 mm、-60 mm和-90 mm時，做單因素輸送質量試驗，試驗結果見表2。使用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(data-processing system,DPS)對試驗結果進行方差分析,結果見表3。由表3 可看出：下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖的相對位置對輸送質量的影響顯著。

對試驗結果進行多項式擬合，得擬合方程為：

Y=79.285 7-0.646 8x-0.015 8x2,

(1)

其中：Y為輸送質量；x為下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖的相對位置。

表2　下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖相對位置的輸送質量試驗結果(分值)

表3　下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖相對位置的輸送質量

當下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖的相對位置為-30 mm時，輸送質量較高，可滿足立姿輸送要求。偏離x=-60 mm時,輸送質量降低。偏離量越大，輸送質量越低。這是因為當下?lián)芎听X齒端位置相對于割刀刀尖的位置過度靠前時，下?lián)芎替湏荦X在玉米植株未被割刀割斷時，已經(jīng)抓取到植株并使之傾斜，降低了輸送質量。反之，下?lián)芎听X齒端位置相對于割刀刀尖的位置過度靠后時，割刀將玉米植株割斷后，下?lián)芎听X尚未能抓取植株，帶穗玉米植株便會發(fā)生傾倒，使輸送失敗。

3.2下?lián)芎替溇€速度和撥齒間距與輸送質量的關系

根據(jù)上述試驗結果，固定下?lián)芎听X齒端與刀尖相對位置為-30 mm。上撥禾帶取短齒(帶速與下?lián)芎替溚?，下?lián)芎替溑c割刀刀桿夾角為0°，將下?lián)芎替溇€速度分別調至0.36 m/s、0.66 m/s和0.96 m/s，撥齒間距根據(jù)鏈節(jié)距確定，分別取114 mm、152 mm和190 mm，進行下?lián)芎替溇€速度和撥齒間距全因素輸送性能試驗。試驗結果見表4。

表4　下?lián)芎替溇€速度和撥齒間距的輸送質量試驗結果(分值)

以輸送質量Y為目標函數(shù)，下?lián)芎替溇€速度x1和撥齒間距x2為自變量，建立數(shù)學模型。對試驗結果進行方差分析，得出回歸方程：

Y=-262.777 8+342.592 6x1+2.918 4x2+

(2)

利用DPS軟件對試驗結果進行方差分析，得出下?lián)芎替溇€速度和撥齒間距對于輸送質量的影響均較為顯著?；貧w方程的相關系數(shù)為 0.952 22。該回歸模型顯著且擬合程度好。

根據(jù)不同參數(shù)組合的試驗結果對輸送質量的影響規(guī)律，建議下?lián)芎替溇€速度和撥齒間距分別取0.66 m/s 和152 mm。

3.3下?lián)芎替溑c割刀刀桿的夾角、植株橫向喂入位置與輸送質量的關系

依據(jù)上述試驗結果，固定下?lián)芎替滮X端與割刀刀尖的相對位置為-30 mm，下?lián)芎替溇€速度為0.66 m/s,撥齒間距為152 mm。下?lián)芎替溑c割刀刀桿的夾角θ以6°為間隔，從0°增大到24°。植株橫向喂入位置以 50 mm 為間隔，從200 mm增大到400 mm(適應行距為400～800 mm)。進行下?lián)芎替溑c割刀刀桿的夾角、植株橫向喂入位置全因素輸送性能試驗。以輸送質量Y為目標函數(shù)，下?lián)芎替溑c割刀刀桿夾角x1和植株行距x2為自變量。利用DPS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，可得該試驗結果的回歸方程：

Y=-13.190 4-0.829 3x1+0.430 2x2-

(3)

由方差分析可知：兩個試驗因素對試驗性能的影響效果均顯著。回歸方程的相關系數(shù)為0.970 32。該回歸模型顯著且擬合程度好。

分析回歸方程(3)可知：選取下?lián)芎替溑c割刀刀桿的夾角為0°時，割臺對行距為473.68 mm的植株收獲效果最好，對行距400～800 mm的玉米植株均能達到50分以上的立姿輸送質量。

3.4上撥禾帶狀態(tài)與輸送質量的關系

依據(jù)上述試驗得到的較優(yōu)參數(shù)，固定下?lián)荦X齒端與割刀刀尖相對位置為-30 mm，下?lián)芎替溇€速度為 0.66 m/s，撥齒間距為152 mm，下?lián)芎替溑c割刀刀桿夾角為0°。調整上撥禾帶撥齒在俯視位置與下?lián)芎替湏荦X重合并保持同步運轉。由于上撥禾帶在植株橫向輸送中起輔助作用，因此，把上撥禾帶定義為長齒(齒長86 mm)、短齒(齒長36 mm)、無齒和無帶4種狀態(tài)進行試驗，試驗結果見表5。

表5　上撥禾帶狀態(tài)的輸送質量試驗結果(分值)

由表4可知：短齒有利于保證輸送質量。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)：無帶時，僅由下?lián)芎替溸M行橫向輸送，玉米植株易于在輸送過程中發(fā)生傾斜。與無帶相比，無齒帶可使玉米植株在輸送過程中發(fā)生傾斜的狀況得以緩解，有齒帶有利于保持玉米植株在橫向輸送過程中的直立姿態(tài)。但是，當玉米植株在由橫向輸送向縱向輸送過渡時，上撥禾帶撥齒過長會使玉米植株向割臺后方傾斜。因此，選取上撥禾帶為短齒，即齒長為36 mm。

3.5驗證試驗

依據(jù)前述試驗結果，將割臺結構運動調至最佳參數(shù)狀態(tài)，即下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖相對位置為-30 mm，下?lián)芎替溇€速度為0.66 m/s，撥齒間距為152 mm，下?lián)芎替溑c割刀刀桿尖角為0°，上撥禾帶撥齒長度為 36 mm。進行輸送性能驗證試驗，試驗3次，每次3個重復，輸送質量結果分別為87.50分、75.00分和87.50分。由驗證試驗結果可得出：在最佳參數(shù)組合下，割臺可滿足植株立姿輸送的要求。

3.6分禾扶持裝置對倒伏作物的適應性試驗

田間自然環(huán)境的多變使得玉米植株產(chǎn)生傾斜，這種傾斜趨勢不可避免，對于需要始終保持立姿輸送的割臺而言，前后傾玉米收獲難度最大。本割臺可在割刀將玉米植株割斷之前，利用錐形旋轉分禾扶持裝置的攪龍葉片將前傾玉米植株扶持為直立或向后傾。

本研究在割臺的最佳結構運動參數(shù)狀態(tài)下，將試驗玉米植株調至前傾-15.0°、-7.5°、0°、7.5°和15.0°，單株喂入，記錄試驗結果。

對試驗結果分析可知：對于后傾15.0°以內或前傾7.5°以內的玉米植株，本割臺可以完成玉米植株的立姿輸送。當玉米植株前傾角度達到15.0°時，會發(fā)生玉米植株卡在兩攪龍葉片中間的現(xiàn)象。實際應用中，可按照田間玉米傾斜程度適當調整錐形分禾扶持裝置的螺距、葉片高度和轉速等結構運動參數(shù)，從而達到較好的輸送質量。

4結論

(1)下?lián)芎听X齒端與割刀刀尖相對位置是影響帶穗玉米植株立姿輸送質量的重要因素，以下?lián)芎听X齒端在割刀前30 mm為宜。齒端過度靠前，玉米植株未被切斷即被撥倒；齒端過度靠后，玉米植株被切斷后，不能被及時輸送，均使輸送質量降低。

(2)上撥禾帶狀態(tài)影響玉米植株橫向輸送及橫縱交接過程中的姿態(tài)，在試驗條件下，上撥禾帶齒長以36 mm為宜。當上撥禾帶撥齒過長時，由于上撥禾帶撥齒的作用，使玉米植株在由橫向輸送向縱向輸送過渡過程中向割臺后方傾斜。

(3)錐形分禾扶持裝置對倒伏狀態(tài)的玉米植株具有扶起作用。在試驗條件下，對前傾7.5°以內、后傾斜15.0°以內的玉米植株，輸送質量均能達到喂入要求。

(4)本玉米收獲機割臺的適宜參數(shù)組合為：下?lián)芎听X齒端位于割刀刀尖前30 mm、下?lián)芎替溇€速度0.66 m/s、撥齒間距152 mm、下?lián)芎替溑c割刀刀桿的夾角0°、上撥禾帶撥齒長36 mm。

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基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃基金項目(2011BAD20B10)

作者簡介：王浩(1991-),男,河南洛陽人,碩士生;劉師多(1955-),男,河南沁陽人,教授,碩士生導師,主要從事農(nóng)業(yè)機械應用技術方面的研究.

收稿日期：2016-01-16

文章編號：1672-6871(2016)05-0062-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.014

中圖分類號：S225.3

文獻標志碼：A