崔中凱，邸志峰，魏訓(xùn)成，姜 偉，張志起

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250100)

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4YZP-4X自走式玉米收獲機(jī)的設(shè)計(jì)研究

崔中凱，邸志峰，魏訓(xùn)成，姜 偉，張志起

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250100)

我國玉米收獲機(jī)普遍存在可靠性低、適應(yīng)性差、可操控性低及自動(dòng)化水平落后等問題，不能滿足玉米收獲季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度高、作業(yè)量大等實(shí)際作業(yè)需求。液壓系統(tǒng)具有布置緊湊、操作方便、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于結(jié)構(gòu)形態(tài)多變、工作條件惡劣的農(nóng)業(yè)機(jī)械。為此，結(jié)合目前玉米生產(chǎn)現(xiàn)狀和現(xiàn)有技術(shù)裝備，設(shè)計(jì)了一種靜液壓驅(qū)動(dòng)自走式玉米收獲機(jī)，可一次性完成摘穗、輸送、剝皮和秸稈切碎還田等作業(yè)。田間性能試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)操控簡單、可靠性高，主要性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

玉米收獲機(jī)；靜液壓驅(qū)動(dòng)；自走式；輥式割臺；前切碎

0 引言

玉米是我國第一大糧食作物，2015年全國玉米種植面積達(dá)3 811.66萬hm2，年產(chǎn)量22 458萬t，分別占糧食種植面積的33.63%和總產(chǎn)量的36.14%[1]，為保障國家糧食安全和連年增產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。收獲是玉米種植過程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[2]。玉米收獲季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度高、作業(yè)量大，發(fā)展玉米收獲作業(yè)機(jī)械化對于提高作業(yè)效率、減輕生產(chǎn)強(qiáng)度、確保玉米適時(shí)收獲和小麥及時(shí)播種，實(shí)現(xiàn)玉米、小麥雙豐收具有重大意義[3]。近幾年來，我國玉米收獲機(jī)在技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)方面有了長足的進(jìn)步，有不少機(jī)型已進(jìn)入實(shí)際使用階段，但總體水平低的狀況還沒有得到根本改變?，F(xiàn)有玉米收獲機(jī)普遍存在可靠性低、適應(yīng)性差、可操控性低及智能化水平落后等問題，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求[4]。玉米收獲環(huán)節(jié)機(jī)械化發(fā)展緩慢，成為玉米生產(chǎn)機(jī)械化乃至糧食生產(chǎn)機(jī)械化中最突出、最薄弱的環(huán)節(jié)。

液壓系統(tǒng)具有布置緊湊、操作方便、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于結(jié)構(gòu)形態(tài)多變、工作條件惡劣的農(nóng)業(yè)機(jī)械[5]。隨著購買力的提高，農(nóng)民正從追求價(jià)格低向追求性能好、操作舒適方向發(fā)展，為農(nóng)機(jī)應(yīng)用液壓技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。液壓技術(shù)的應(yīng)用將使我國農(nóng)機(jī)質(zhì)量和技術(shù)含量得到顯著提高，對縮小與先進(jìn)國家的技術(shù)差距、鞏固國內(nèi)市場、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和提高農(nóng)民生活質(zhì)量影響顯著[6]。

為此，結(jié)合玉米生產(chǎn)現(xiàn)狀和現(xiàn)有技術(shù)裝備，設(shè)計(jì)了一種靜液壓驅(qū)動(dòng)自走式玉米收獲機(jī)，并對其整機(jī)性能進(jìn)行了考核。考核結(jié)果表明：該玉米收獲機(jī)摘穗率高，剝皮效果好，秸稈還田均勻，留茬高度低，液壓行走系統(tǒng)操控簡單、可靠性高，能夠適應(yīng)玉米收獲需求。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

4YZP-4X自走式玉米收獲機(jī)主要由機(jī)架、割臺、前切碎、升運(yùn)器、剝皮機(jī)、果穗箱、還田機(jī)、驅(qū)動(dòng)橋、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向橋、液壓系統(tǒng)及自動(dòng)化系統(tǒng)等組成，可一次性完成摘穗、輸送、剝皮和秸稈切碎還田等作業(yè)流程。4YZP-4X自走式玉米收獲機(jī)的主要參數(shù)如表1所示，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 整機(jī)參數(shù)

續(xù)表1

1.割臺 2.前切碎 3.驅(qū)動(dòng)橋 4.機(jī)架 5.發(fā)動(dòng)機(jī) 6.還田機(jī) 7.轉(zhuǎn)向橋 8.果穗箱 9.剝皮機(jī) 10.升運(yùn)器 11.液壓油箱 12.駕駛室

1.2 工作原理

4YZP-4X自走式玉米收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，割臺前端的分禾器首先把植株引向割臺摘穗道，在摘穗輥的擠壓作用下將果穗摘下，莖稈則被摘穗輥抽拉至割臺下部，經(jīng)前切碎刀切段及還田機(jī)粉碎后拋灑至田間；摘下的果穗在割臺輸送鏈的作用下輸送至割臺后端的攪龍中，攪龍將果穗由割臺兩側(cè)輸送至升運(yùn)器，升運(yùn)器將果穗輸送至剝皮機(jī)，果穗經(jīng)剝皮后落入果穗箱中收集起來[7]；剝下的苞葉經(jīng)剝皮機(jī)排雜攪龍輸送至剝皮機(jī)左側(cè)的苞葉切碎器中進(jìn)行切碎，切碎后的苞葉經(jīng)導(dǎo)流槽落到還田機(jī)前側(cè)進(jìn)行二次切碎，苞葉中夾帶的大部分籽粒則經(jīng)位于排雜攪龍下方的篩網(wǎng)篩落后集中到籽粒收集箱中被收集起來。

2 主要部件的研制

2.1 割臺裝置

割臺裝置是玉米聯(lián)合收獲機(jī)的核心部件，其技術(shù)性能優(yōu)劣，直接影響整機(jī)作業(yè)質(zhì)量[8]。常見的玉米割臺主要有輥式和板式兩種：輥式割臺功率消耗小，對不同形態(tài)莖稈的適應(yīng)性強(qiáng)，摘落的果穗含雜少，并具有一定的剝皮功能，缺點(diǎn)是玉米尾部掉粒較多；板式割臺工作可靠，啃穗率及籽粒破碎率低，但果穗帶苞葉較多，且莖稈拉斷率較高。考慮整機(jī)適用對象和區(qū)域，本文采用輥式割臺結(jié)構(gòu)，并對其機(jī)械結(jié)構(gòu)、參數(shù)選擇等方面進(jìn)行了優(yōu)化。

輥式割臺摘穗機(jī)構(gòu)是一對相對回轉(zhuǎn)的摘穗輥，與撥禾鏈、輸送鏈、輸送攪龍、傳動(dòng)箱及機(jī)架等一起組成摘穗單元。作業(yè)時(shí)，隨著機(jī)器的前進(jìn)，分禾器將玉米植株導(dǎo)入撥禾鏈，撥禾鏈將玉米植株引入摘穗輥前段；前段錐體上的螺旋凸棱引導(dǎo)莖稈進(jìn)入摘穗輥中段的間隙，莖稈在旋轉(zhuǎn)的摘穗輥間做軸向移動(dòng)的同時(shí)被向下強(qiáng)拉。由于果穗和穗柄的連接力及穗柄與莖稈的連接力較小，果穗被摘穗輥擋住時(shí)，果穗與穗柄在連接力較小處被拉斷，從而實(shí)現(xiàn)果穗與莖稈的分離。莖稈末梢由摘穗輥后段強(qiáng)制拉出，果穗則由輸送鏈繼續(xù)向后輸送。輥式割臺總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.撥禾鏈 2.摘穗輥 3.輸送鏈 4.分動(dòng)箱 5.輸送攪龍 6.機(jī)架

傳統(tǒng)摘穗輥長度一般為850～900mm，轉(zhuǎn)速在1 000r/min左右，摘穗主要集中在前半部分；果穗在向后輸送過程中，摘穗輥后段上的摘穗鉤容易啃玉米穗，造成籽粒損失。因此，在設(shè)計(jì)輥式割臺時(shí)，將摘穗輥的長度設(shè)計(jì)為650mm，為保證較高的摘穗率，將轉(zhuǎn)速提高至1 200r/min，并在摘穗輥后段加裝防護(hù)板，避免啃?，F(xiàn)象。這樣既能有效減小割臺籽粒損失，也能縮短整車長度，使整機(jī)更加緊湊。

2.2 剝皮機(jī)

剝皮機(jī)主要由機(jī)架、壓送器、剝皮輥、排雜攪龍、苞葉切碎器及籽?；厥障涞炔考M成。作業(yè)時(shí)，果穗由升運(yùn)器運(yùn)送至剝皮機(jī)喂入口，由分流板將果穗導(dǎo)入剝皮輥并使果穗縱向軸線與剝皮輥軸線平行；果穗在壓送器的作用下緊貼在剝皮輥上，由剝皮輥靠摩擦力將果穗苞葉剝下[10]；剝完苞葉的果穗由剝皮輥后端落入果穗箱，苞葉則落入剝皮輥下方的排雜攪龍。剝皮機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.導(dǎo)流槽 2.苞葉切碎器 3.籽粒回收箱 4.機(jī)架 5.排雜攪龍 6.剝皮輥 7.壓送器

苞葉在排出過程中會夾帶部分玉米籽粒，造成籽粒夾帶損失，因此設(shè)計(jì)了籽?；厥昭b置。苞葉在排雜攪龍的作用下會沿篩網(wǎng)組成的通道先進(jìn)后出。在此過程中，夾帶的籽粒通過篩網(wǎng)落到下方的籽粒回收箱中，而苞葉則被送入苞葉切碎器，切碎后通過導(dǎo)流槽落到還田機(jī)前面進(jìn)行二次切碎。傳統(tǒng)剝皮輥后端易纏雜草或者苞葉，難以清理，影響工作效率。因此，在剝皮輥后端設(shè)計(jì)了深槽形的強(qiáng)拉段，可以將滑到剝皮機(jī)末端的散落苞葉和雜草等從該間隙中拉出以防堵塞。

3 液壓系統(tǒng)

4YZP-4X自走式玉米收獲機(jī)液壓系統(tǒng)由作業(yè)系統(tǒng)及靜液壓行走系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)組成，作業(yè)系統(tǒng)又可分為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，兩個(gè)子系統(tǒng)共用一個(gè)液壓油箱和齒輪泵，通過單路穩(wěn)定分流閥分成兩個(gè)子系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用于控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向，操縱系統(tǒng)用于控制割臺升降、還田機(jī)升降和果穗箱卸糧。4YZP-4X自走式玉米收獲機(jī)液壓作業(yè)系統(tǒng)原理，如圖4所示。

靜液壓行走系統(tǒng)由1個(gè)液壓泵驅(qū)動(dòng)1個(gè)液壓馬達(dá)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械式齒輪箱，輔助以補(bǔ)油泵和沖洗閥，以補(bǔ)償內(nèi)泄露和降低液壓油溫度。靜液壓行走系統(tǒng)使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，行走控制和換向方便，驅(qū)動(dòng)靈活，作業(yè)效率高。4YZP-4X自走式玉米收獲機(jī)靜液壓行走系統(tǒng)原理，如圖5所示。

1.齒輪泵 2.轉(zhuǎn)向器 3.轉(zhuǎn)向油缸 4.割臺油缸 5.還田機(jī)油缸 6.割臺油缸 7.多功能閥

1.主泵 2.補(bǔ)油泵 3.油箱 4.散熱器 5.溢流補(bǔ)油閥

4 自動(dòng)化系統(tǒng)

目前，國外玉米收獲機(jī)的研究與生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，廣泛應(yīng)用機(jī)電一體化和自動(dòng)化技術(shù)，正向舒適性、使用安全性、操作方便性方向發(fā)展。2015年，在第一輪樣機(jī)的基礎(chǔ)上，對樣機(jī)進(jìn)行了智能化改造，加裝轉(zhuǎn)速監(jiān)控、自動(dòng)對行、割臺仿形、工況監(jiān)控等智能化設(shè)備，提高了整機(jī)的安全性和可操作性。自動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)及工況監(jiān)控系統(tǒng)如圖6、圖7所示。

圖6 自動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)

圖7 主要工作部件實(shí)時(shí)監(jiān)測

5 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)旨在測試4YZP-4X自走式玉米收獲機(jī)的工作性能，考察機(jī)器在正常作業(yè)速度下的工作情況。試驗(yàn)依據(jù)GB/T 21961-2008 《玉米收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)指標(biāo)主要包括總損失率、籽粒破損率、果穗含雜率、苞葉剝凈率、留茬高度及還田秸稈切碎長度合格率等。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：4YZP-4X自走式玉米收獲機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)論

1)適當(dāng)縮短摘穗輥長度，提高摘穗輥轉(zhuǎn)速并在摘穗輥后段上部加防護(hù)板，可以在保證摘穗率的前提下實(shí)現(xiàn)較低的啃穗率，減少割臺籽粒損失。

2)前切碎、中還田組合還田方式能有效降低還田機(jī)功率消耗，提高行走速度，同時(shí)獲得很好的還田效果。

3)靜液壓無級變速行走系統(tǒng)布置靈活，工作可靠，應(yīng)用到玉米收獲機(jī)上可以使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，行走控制和換向方便，驅(qū)動(dòng)靈活，作業(yè)效率高。

[1] 中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局.國家統(tǒng)計(jì)局關(guān)于2015年糧食產(chǎn)量的公告[EB/OL].[2015-12-08]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201512/t20151208_1286449.html.

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Design and Research of 4YZP-4 Self-propelled Corn Harvester

Cui Zhongkai, Di Zhifeng, Wei Xuncheng, Jiang Wei, Zhang Zhiqi

(ShanDong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China)

At present our country’s corn harvester generally have problems of low reliability, poor adaptability, low controllability and lack of automation system. It can’t meet requirements of strong seasonality, high labor intensity and large operations of corn harvest. Hydraulic system has advantages of compact arrangement, low failure rate and comfortable to operate, which is very suitable for agricultural machinery.Combined with the current situation and existing technology,this article designs one hydrostatic self-propelled corn harvester.It is mainly composed by frame, header, front cutter, lift conveyer, corn husker, corn collection box, tillage machine, drive axle, engine, steering axle, hydraulic system and automation system. It can complete picking, lifting, peeling and straw chopping at one time. Field performance test results show that this machine is easy to control with high reliability. Main performance indexes reach or exceed national standards.

corn harvester; hydrostatic driving; self-propelled; roller-type header; front cutter

2016-05-07

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B01)；山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目(NJGG201507)

崔中凱(1987-),男,山東鄒平人，工程師,(E-mail)kevin6119@qq.com。

邸志峰(1980-),男,山西原平人，工程師,(E-mail)dzf1125@163.com。

S225.5+1

A

1003-188X(2017)07-0130-04