李 俊，岳高峰，葉 進(jìn)

(1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 北碚 400716；2.重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站，重慶 永川 402160)

0 引言

玉米是我國(guó)三大谷物之一，又是“飼料之王”和重要的工業(yè)原料，近年種植面積穩(wěn)步增加，單產(chǎn)和總產(chǎn)量略有提高，但總成本上升，利潤(rùn)出現(xiàn)下滑。玉米收獲是玉米種植中最繁重的體力勞動(dòng)，季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度高、作業(yè)量大，約占整個(gè)玉米種植投入勞動(dòng)量的55%，采用機(jī)械化收獲可比人工提高生產(chǎn)效率近30倍，減少損失3%～5%[1]。西南玉米區(qū)是我國(guó)三大玉米主產(chǎn)區(qū)之一，地形以丘陵、山地和平壩為主，坡地坡度3°～20°，耕種區(qū)域零散，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)道路一般小于40cm，土路和石梯路居多，相鄰田塊落差10～100cm[2]；人多地少精耕細(xì)作，復(fù)種指數(shù)高達(dá)200%，間套種普遍，模式多樣。

受上述地形、農(nóng)藝制約，西南地區(qū)適宜的玉米收獲機(jī)具急劇缺乏，機(jī)收水平遠(yuǎn)低于全國(guó)，加之用工成本大幅上升，導(dǎo)致利潤(rùn)下滑，出現(xiàn)虧損。以重慶為例，2014年公頃平均人工成本上升為11 052.9元，同比增加756.9元，上升7.35%；公頃總成本16 120.5元，利潤(rùn)-506.7元[3]。因此，本文立足丘陵山區(qū)現(xiàn)有的生產(chǎn)生態(tài)條件，堅(jiān)持“能用、適用”的原則，研發(fā)了基于微耕機(jī)驅(qū)動(dòng)的玉米收獲機(jī)，可一次完成玉米摘穗及秸稈粉碎作業(yè)，在田間試驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的使用效果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于微耕機(jī)驅(qū)動(dòng)的玉米收獲機(jī)主要由摘穗機(jī)構(gòu)(摘穗輥、撥禾機(jī)構(gòu))、粉碎機(jī)構(gòu)以及動(dòng)力平臺(tái)(含動(dòng)力系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)和操作機(jī)構(gòu))等部分組成，如圖1所示。

1.摘穗機(jī)構(gòu) 2.動(dòng)力平臺(tái) 3.粉碎機(jī)構(gòu)圖1 玉米收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of corn harvester

其主要技術(shù)參數(shù)如下：

外形尺寸/mm:2 100×700×930

結(jié)構(gòu)質(zhì)量/kg:190

結(jié)構(gòu)型式:自走式

動(dòng)力來(lái)源:微耕機(jī)

配套功率/kW:4.0

額定轉(zhuǎn)速/r·min-1:1 800

工作行數(shù)/行數(shù):1

摘穗輥型式:螺旋圓柱凸棱

最大輪距/驅(qū)動(dòng)輪/mm:620

輪胎規(guī)格/驅(qū)動(dòng)輪:5.0-12

秸稈切碎機(jī)構(gòu)型式:滾筒式

1.2 工作原理

動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪傳給變速箱皮帶輪，將動(dòng)力輸入變速箱；變速箱齒輪系一方面將動(dòng)力傳給行走箱實(shí)現(xiàn)機(jī)器的行走，另一方面通過(guò)變速箱的副軸將動(dòng)力輸出；副軸輸出動(dòng)力由皮帶輪傳給錐齒輪軸皮帶輪，將動(dòng)力輸入傳動(dòng)箱，一方面錐齒輪軸上的直齒與粉碎滾刀動(dòng)力過(guò)渡軸直齒嚙合，為粉碎滾刀提供動(dòng)力，另一方面錐齒輪軸上的錐齒與摘穗輥的錐齒輪嚙合，為摘穗輥提供動(dòng)力；粉碎滾刀動(dòng)力過(guò)渡軸鏈輪與粉碎滾刀軸鏈輪由鏈條將動(dòng)力傳給粉碎滾刀，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)作業(yè)；主動(dòng)摘穗輥直齒與從動(dòng)摘穗輥直齒嚙合，實(shí)現(xiàn)摘穗輥相向旋轉(zhuǎn)作業(yè)，同時(shí)從動(dòng)摘穗輥由銷軸與渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)撥齒的旋轉(zhuǎn)扶禾作業(yè)。其傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 玉米收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.2 Transmission diagram of corn harvester

作業(yè)時(shí)，收獲機(jī)沿玉米行方向前進(jìn)，在摘穗輥?zhàn)ト∮衩捉斩挼耐瑫r(shí)，喂入撥禾機(jī)構(gòu)將玉米莖稈向后撥送，使其順利進(jìn)入摘穗輥；摘穗輥夾持莖稈后，將莖稈同時(shí)向摘穗輥的后方和下方輸送；當(dāng)玉米穗碰到摘穗輥時(shí)，由于玉米穗直徑大，被從玉米莖稈上強(qiáng)行拉斷摘下，借助摘穗輥的軸線高差，自動(dòng)落入排穗槽，滑到行走輪外側(cè)地面；同時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的粉碎輥刀將秸稈粉碎，留于田間地上。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 摘穗裝置

摘穗裝置是玉米收獲機(jī)的核心工作部件，其工作質(zhì)量直接影響玉米收獲機(jī)的作業(yè)性能。目前，臥輥式摘穗裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低，對(duì)秸稈不同狀態(tài)的適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用較廣[4-7]?；诖耍O(shè)計(jì)出臥式摘穗裝置，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 玉米收獲機(jī)摘穗輥結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of pick roller

摘穗輥前端為螺旋和軸向凸棱， 螺旋凸棱的作用是向后輸送莖稈，圓柱凸棱螺距T=50，寬度B=14。因T-B=36mm，滿足(T-B)≥dj的要求。適宜軸向凸棱為4～6，取凸棱為4。

摘穗輥直徑確定公式為

(3～5.5)(dg-δ)≥D≥(3～5.5)(dj-δ)

式中dg—果穗直徑(mm)；

dj—莖稈直徑(mm)；

δ—摘穗輥間隙(mm)。

經(jīng)測(cè)定，果穗直徑50mm，秸稈直徑20mm，確定摘穗輥直徑范圍40～160，考慮機(jī)器的小型化取D=60mm。

摘穗輥的最小工作長(zhǎng)度為

Lmin=Lgsinβ

式中β—摘穗輥的水平傾角；

Lg—果穗最高結(jié)穗和最低結(jié)穗的高度差。

由于果穗最高接穗和最低接穗的高度差600mm，取摘穗輥水平傾角為15°，得摘穗輥?zhàn)钚」ぷ鏖L(zhǎng)度為155mm，取摘穗輥長(zhǎng)度為185mm。

摘穗輥的間隙是指一對(duì)摘穗輥在工作中實(shí)際的最小間隙：間隙過(guò)小，碾壓和斷秸稈嚴(yán)重，同時(shí)形成堵塞；間隙過(guò)大，掉粒損失增加?？紤]臥式摘穗輥的常用間隙范圍(12～17)mm，取間隙為16mm。

摘穗輥的線速度過(guò)高會(huì)使掉粒損失增加，線速度過(guò)低，莖稈與摘穗輥之間易產(chǎn)生相對(duì)滑移，而造成堵塞。臥式摘穗輥常用頂圓線速度為3.6～4.1m/s，換算到角速度大致為800～900r/min，本設(shè)計(jì)中取線速度為3.9m/s。

2.2 切碎裝置

滾筒式秸稈切碎機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，現(xiàn)階段較為常用?；诖?，設(shè)計(jì)出動(dòng)、定刀的滾筒式秸稈切碎機(jī)構(gòu)。篩選機(jī)具田間試驗(yàn)結(jié)果表明：動(dòng)刀片線速度V=1.32 m/s能夠滿足切碎要求。切碎刀參數(shù)如下：

動(dòng)刀長(zhǎng)度/mm:250

動(dòng)、定刀數(shù)量/把:動(dòng)刀3，定刀1

動(dòng)刀線速度/m·s-1:1.32(n=1 800r/min)

動(dòng)、定刀間隙/mm:3～5(可調(diào))

動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)方向:向上向后

2.3 行走裝置

本文設(shè)計(jì)的玉米收獲機(jī)是以1G-105微耕機(jī)為動(dòng)力平臺(tái)，現(xiàn)階段該微耕機(jī)較多配用4.0-8輪胎。綜合考慮配用4.0-8輪胎和5.0-12輪胎的水泥硬化平整路面行走速度測(cè)試結(jié)果及玉米收獲的作業(yè)環(huán)境，配用5.0-12輪胎更為可行。行走機(jī)構(gòu)參數(shù)如下：

輪胎規(guī)格:5.0-12

行走速度/m·s-1:高檔0.859，低檔0.56

最小離地間隙/mm:100

3 試驗(yàn)研究

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

設(shè)計(jì)中，大量零部件參數(shù)依靠經(jīng)驗(yàn)選取或查閱工具書(shū)獲得，機(jī)器工作過(guò)程中表現(xiàn)出相關(guān)特性的富余。為了進(jìn)一步優(yōu)化摘穗裝置各項(xiàng)參數(shù)、提高收獲質(zhì)量，通過(guò)選取摘穗輥的轉(zhuǎn)速、間隙以及水平傾角3個(gè)因素進(jìn)行三水平正交試驗(yàn)[8-9]，因子水平表如表1所示。

表1 因子水平表Table 1 Factors and level

結(jié)果評(píng)定根據(jù)高速攝像、摘穗過(guò)程及摘穗后的玉米棒進(jìn)行加權(quán)綜合評(píng)分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。按標(biāo)準(zhǔn)正交表L9(34)實(shí)施試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，如表3所示。

表2 綜合評(píng)分表Table 2 Score partition

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Table 3 Test data analysis

續(xù)表3

試驗(yàn)結(jié)果表明：摘穗輥的轉(zhuǎn)速影響摘穗效果較為顯著，其轉(zhuǎn)速、間隙、水平傾角對(duì)摘穗效果的影響順序?yàn)檗D(zhuǎn)速>間隙>水平傾角，最佳組合為轉(zhuǎn)速850r/min、間隙16mm、水平傾角5°。

3.2 田間試驗(yàn)

在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了田間試驗(yàn)以驗(yàn)證其結(jié)論的合理性，田間試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件如表4所示。

表4 試驗(yàn)條件Table 4 Condition of experiment

田間試驗(yàn)表明:基于微耕機(jī)驅(qū)動(dòng)的玉米收獲機(jī)動(dòng)力表現(xiàn)充足，能實(shí)現(xiàn)玉米摘穗、秸稈粉碎的作業(yè)要求，摘穗輥轉(zhuǎn)速850r/min、水平傾角5°、間隙16mm時(shí)，收獲效果較好；籽粒損失率0.53%，果穗損失率1.05%，籽粒破損率0.41%，秸稈切碎長(zhǎng)度合格率87.5%，留茬高度63mm，優(yōu)于NY/T645-2002《玉米收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)要求。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的玉米收獲機(jī)以1G-105微耕機(jī)為動(dòng)力研發(fā)平臺(tái)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、新穎，以及轉(zhuǎn)彎半徑小、通過(guò)性強(qiáng)等特點(diǎn)，用戶可根據(jù)間套種、地表等收獲作業(yè)條件，選擇適宜的檔位(6+1檔)、輪胎(5.0-12、4.0-8)、輪距和收獲路線，能滿足丘陵山地小田塊、小面積的玉米收獲作業(yè)。

2)通過(guò)正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摘穗輥的轉(zhuǎn)速對(duì)玉米收獲的質(zhì)量影響顯著，在摘穗輥轉(zhuǎn)速850r/min、水平傾角5°、間隙16mm時(shí)，預(yù)期可得到最佳收獲質(zhì)量。

3)田間試驗(yàn)表明：在摘穗輥轉(zhuǎn)速850r/min、水平傾角5°、間隙16mm時(shí)，籽粒損失率0.53%，果穗損失率1.05%，籽粒破損率0.41%，秸稈切碎長(zhǎng)度合格率87.5%，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)要求。