張 杰

（新鄉(xiāng)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

玉米收獲機(jī)顧名思義就是用來收獲成熟玉米果實(shí)的機(jī)器，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植大部分依靠人工，其勞動(dòng)效率低下，很難產(chǎn)生高經(jīng)濟(jì)效益。在地形地貌相對(duì)不平坦的丘陵地區(qū)，大型聯(lián)合收割機(jī)難以發(fā)揮其功用，因此小型玉米收獲機(jī)的出現(xiàn)在一定程度上緩解了丘陵地區(qū)玉米收獲效率偏低的問題。我國(guó)的機(jī)械行業(yè)與自動(dòng)化控制發(fā)展日新月異，但是將這些技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際生活領(lǐng)域之中卻又不是一件簡(jiǎn)單的事情。目前，在平原地區(qū)的玉米收獲過程中，大中型聯(lián)合玉米收獲機(jī)的廣泛運(yùn)用已經(jīng)顯著提升我國(guó)的玉米種植以及收獲過程的機(jī)械化程度，雖然同國(guó)際先進(jìn)水平相比還有差距，但是玉米機(jī)械化收獲還是給人們帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 小型玉米收獲機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

該小型玉米收獲機(jī)在工作中會(huì)先通過摘穗輥分離玉米果實(shí)和玉米秸稈，同時(shí)被分離下來的玉米果實(shí)會(huì)在撥禾鏈上撥禾齒的推動(dòng)下繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)到剝皮輥內(nèi)被剝皮，而在摘穗輥中被遺棄的秸稈則會(huì)通過下方的粉碎還田裝置被粉碎。在剝皮輥中的玉米棒因?yàn)樵诮饘佥伜拖鹉z輥上的受力不同，附著在玉米棒上面的果皮則會(huì)因?yàn)檫@種不均等的受力被撕碎，直至被剝下。在剝皮裝置的最后有一個(gè)收集箱，用來裝已經(jīng)被剝好皮的玉米。該小型玉米收獲機(jī)的主要由一對(duì)摘穗輥、粉碎還田對(duì)輥、一組剝皮輥以及機(jī)架組成。傳動(dòng)系統(tǒng)主要使用齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)[1]。

2 摘穗裝置

2.1 摘穗裝置的設(shè)計(jì)

對(duì)于摘穗輥材料的選擇，本設(shè)計(jì)運(yùn)用當(dāng)前最為常用的45 號(hào)鋼，熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理。先將該鋼材加熱至850 ℃轉(zhuǎn)化為奧氏體，保溫半個(gè)小時(shí)，冷卻時(shí)采用冷卻速度大的10%鹽水溶液冷卻至180 ℃后再采用空冷的方式冷卻至常溫，再高溫回火，將鋼材加熱至600 ℃，并保溫1 小時(shí)以上，隨后空冷。因?yàn)槲覈?guó)玉米籽粒的含水率在適合使用小型玉米收獲機(jī)的西南地區(qū)偏高，所以在收獲過程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)盡量設(shè)計(jì)出減少?zèng)_擊的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要考慮到高含水率的玉米莖稈需要較大的拉斷力而適當(dāng)采用一些剛性零件[2]。

綜合考慮之下，對(duì)于摘穗輥的引入段采用調(diào)質(zhì)45 號(hào)鋼，同時(shí)設(shè)計(jì)出螺旋狀的突起引導(dǎo)玉米秸稈順利進(jìn)入后面的摘穗段。摘穗段是玉米棒上的籽粒與摘穗裝置的直接碰撞接觸，靠著摘穗段對(duì)莖稈的拖拽實(shí)現(xiàn)玉米棒和莖稈的分離，但是較大的沖擊必然提高玉米籽粒的受損率，橡膠材質(zhì)的凸棱與摘穗板對(duì)沖擊的吸收可以有效降低玉米籽粒的受損率[3]。強(qiáng)拉段則依舊采取調(diào)質(zhì)45 號(hào)鋼為材料，用強(qiáng)大的壓力配合向下的拉力對(duì)殘余的莖稈進(jìn)行粉碎，并將在摘穗段未能被完全拽出的玉米莖稈完全拽出。

2.2 摘穗裝置的工作原理

引入段利用螺旋的推力將玉米秸稈推入摘穗段，此時(shí)，摘穗段向下旋轉(zhuǎn)利用摩擦產(chǎn)生向下的拉應(yīng)力將玉米棒與莖稈分離。同時(shí)兩個(gè)摘穗輥之間還有一定的縫隙防止玉米莖稈在摘穗段因?yàn)閴毫^大發(fā)生斷裂，強(qiáng)拉段則是在最后將分離的莖稈與玉米棒徹底拉斷，同時(shí)碾碎部分殘?jiān)乐箼C(jī)械卡死。具體摘穗輥結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 摘穗輥結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 摘穗裝置的具體參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)孫國(guó)強(qiáng)[4]在論文中給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮一般情況玉米穗的最大直徑為45 mm，玉米秸稈的最大直徑為28 mm，經(jīng)過邱岳巍等[5]在論文中的數(shù)據(jù)分析所得出的關(guān)于兩個(gè)做相向運(yùn)動(dòng)的摘穗輥的受力分析公式總結(jié)為：

式中，D為摘穗輥直徑，mm;dg為玉米果穗直徑，mm;dj為玉米秸稈直徑，mm;h為兩摘穗輥間隙，mm;μg為摘穗輥對(duì)果穗抓取系數(shù);μj為摘穗輥對(duì)秸稈的抓取系數(shù)。

由上述公式可得：(3～5.5)(dg-h)≥D≥(3～5.5)(dj-h)。

分別將h＝(0～0.5)、dg＝50 mm（這里取值大于45 mm 是因?yàn)榭紤]到玉米的個(gè)體差異，保證即便是較大的玉米棒依舊能正常通過摘穗輥）、dj＝22 mm（不考慮取最大秸稈直徑是為了提升μj），μg＝μj＝0.7～1.1 代入上式中，得90 mm ≥D≥69 mm（兩個(gè)數(shù)值均為保留整數(shù)的結(jié)果）。綜合邱岳巍等[5]在文章中的仿真分析以及該小型玉米收獲機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)需求，最終確定摘穗輥直徑D＝70 mm，摘穗輥長(zhǎng)度L＝420 mm。

3 剝皮裝置的設(shè)計(jì)

3.1 剝皮裝置的設(shè)計(jì)

剝皮裝置主要用來分離玉米棒上的果皮，此時(shí)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與玉米粒之間存在著直接接觸，所以在設(shè)計(jì)時(shí)采用橡膠材料，而相對(duì)靠外側(cè)的輥使用金屬材料。同時(shí)其上還焊有螺旋狀的鋼筋，這里采用金屬是為了能獲得將玉米棒向后推送的力，如果采用柔性的材料，玉米棒有可能因?yàn)椴牧媳旧淼淖冃螌?dǎo)致推力下降而無法向前移動(dòng)造成堆積現(xiàn)象。

至于剝皮輥的排列方式，根據(jù)楊紅光等[6]的研究可以確定，采用槽式安裝進(jìn)行排列可以在提高玉米剝皮的效率同時(shí)保證一定的脫皮率。橡膠材料與鋼筋等剛性材料的混合運(yùn)用所產(chǎn)生的摩擦力的差異也為玉米的剝皮提供便利。并列兩排的設(shè)計(jì)與之前的V型設(shè)計(jì)也減小了載荷分布不均的現(xiàn)象。該裝置如圖2所示。

圖2 剝皮輥示意圖

3.2 剝皮輥的直徑和長(zhǎng)度的確定

為了能夠使玉米的果皮可以被順利剝下，根據(jù)趙德春等[7-8]的研究可以進(jìn)行如下分析，玉米果穗與剝皮輥之間的受力關(guān)系如圖3 所示。

圖3 玉米果穗和剝皮輥之間的受力關(guān)系圖

由受力分析圖可得受力關(guān)系如下：

其中，N1＝T1，N2＝T2，f1＝u1N1，f2＝u2N2。

當(dāng)u1＝u2＝u（u為定值）時(shí)，可得u（N1+N2）cosa＝（N1+N2）sina，即：tana＝u。

式中：N1、N2為剝皮輥對(duì)玉米果穗的支持力；f1、f2為玉米果穗分別與剝皮輥的摩擦力；R為剝皮輥直徑；r為玉米果穗半徑；T1、T2為玉米果穗作用于剝皮輥的力。

式中：D為剝皮輥直徑，mm；d為玉米果穗最小直徑，mm。

即：

玉米果穗平均直徑為45 mm，a是u（為定值），而對(duì)于剝皮輥的軸向傾角設(shè)計(jì)，由于θ角過小會(huì)降低玉米苞葉的剝凈率，θ角過大時(shí)則不利于玉米果穗的通過和喂入，本文中的設(shè)計(jì)則通過借鑒已有機(jī)型的設(shè)計(jì)選取12°，代入公式得D＝70 mm。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)資料特點(diǎn)及計(jì)算，選定剝皮輻長(zhǎng)度為700 mm。

3.3 剝皮裝置的功率計(jì)算

根據(jù)王新年等[9]在研究中的分析結(jié)果可知：撕裂苞葉的摩擦力F1＝ 20.05 N。同時(shí)，在自轉(zhuǎn)過程中撕裂力F2＝F1f2＝7.02 N。

根據(jù)王新年的試驗(yàn)可知，扯斷苞葉所需合力：

考慮到機(jī)器運(yùn)行過程中可能同時(shí)剝落5 個(gè)（最多）的情況，所以剝皮輥所受的扭矩綜合最大可能為129.07×0.035×5＝22.58 N·m。而根據(jù)王新年等[9]的數(shù)據(jù)可知?jiǎng)兤ぽ伒霓D(zhuǎn)速以460 r/min 為宜，達(dá)到最低的損傷率。

4 粉碎還田裝置的主要結(jié)構(gòu)組成

4.1 粉碎還田裝置的設(shè)計(jì)

考慮到玉米剝皮裝置中存在一個(gè)下拉的力，同時(shí)為了保證粉碎還田裝置能夠更好地運(yùn)作，將該裝置也設(shè)計(jì)成一對(duì)相向轉(zhuǎn)動(dòng)的輥?zhàn)?，其中將一個(gè)輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)成帶有軸向凹槽的圓柱形輥?zhàn)?，將另一個(gè)輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)成帶有刀片的圓柱形輥?zhàn)覽10]。

在刀片未切入凹槽時(shí)，兩個(gè)輥?zhàn)又g的凸起擠壓秸稈并利用摩擦力將秸稈下拉，當(dāng)?shù)镀腥氚疾蹠r(shí)，刀片將秸稈切斷，如此往復(fù)不斷切碎秸稈。設(shè)計(jì)出來的粉碎還田裝置的圖像如圖4 所示（一張擠壓下拉，一張刀片切入）。

圖4 對(duì)輥式粉碎機(jī)械示意圖

4.2 粉碎還田裝置的工作原理

收獲玉米時(shí)，秸稈被摘穗輥下拉，玉米穗和玉米秸稈分離，秸稈繼續(xù)向下移動(dòng)至一對(duì)相向旋轉(zhuǎn)的帶刀輥?zhàn)雍蛶Р圯佔(zhàn)又?。這時(shí)的玉米秸稈會(huì)再次被夾緊，兩輥?zhàn)优浜弦贿吚o一邊切斷秸稈，在此過程中，U 型刀片正好卡入帶槽輥?zhàn)拥牟劭變?nèi)，使得玉米秸稈被完全切斷，而這一對(duì)輥?zhàn)又械耐估鈩t會(huì)在切碎完成之后夾住上端還未被切碎的秸稈將其向下拉扯，繼續(xù)重復(fù)上述的過程，進(jìn)而完成連續(xù)不斷的切割。

4.3 粉碎還田裝置的功率計(jì)算

對(duì)于旋轉(zhuǎn)速度而言，該刀具選擇與摘穗輥同樣的660 r/min 的轉(zhuǎn)速，保證摘穗輥下拉秸稈和刀片切削秸稈的速度保持同步。

功率計(jì)算如下：

帶槽輥?zhàn)拥氖芰^小但是功率依舊選擇和帶刀輥?zhàn)酉嗤?，因此?/p>

5 結(jié)語

在本次設(shè)計(jì)中，筆者查找了大量的資料，參照了前人的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路并通過自身的構(gòu)思和努力，最終完成了該小型玉米收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。