辛尚龍 ，趙武云 ※，石林榕 ，戴 飛 ，馮 斌 ，閆治斌 ，呂德玉

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,蘭州 730070；2. 甘肅省敦煌種業(yè)集團(tuán)股份有限公司,酒泉 735000；3. 山東金大豐機(jī)械有限公司,濟(jì)寧 272114）

0 引言

立輥式玉米摘穗割臺(tái)工作時(shí)，一方面玉米果穗與立式輥組作用后立即和輥組分離，果穗與輥組接觸時(shí)間短，果穗不易造成二次損傷，容易實(shí)現(xiàn)低損摘穗；另一方面，立輥式玉米摘穗割臺(tái)配置的專用排雜裝置可以消除玉米秸稈根部的土壤、枯萎葉片及田間雜草，減少秸稈的病菌及雜質(zhì)，提高回收秸稈的鍘切品質(zhì)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)立輥式摘穗方式進(jìn)行了大量研究，迪馬、金大豐等立輥式玉米穗莖兼收機(jī)型得到了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可[1-2]。此外，立輥式玉米聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)具有結(jié)構(gòu)尺寸小和不對(duì)行摘穗等特點(diǎn)，適宜在中國(guó)北方玉米全膜雙壟溝播小地塊及丘陵山地種植區(qū)域作業(yè)[3-4]。

國(guó)內(nèi)立輥式玉米收獲技術(shù)的發(fā)展可追溯到本世紀(jì)初。2005 年，張道林等[5-6]對(duì)立輥式玉米摘穗與莖稈切碎裝置進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析，為立輥式玉米收獲的可行性方案設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。2007—2010 年，劉楓等[7-10]對(duì)立輥式玉米收獲割臺(tái)夾持輸送及摘穗輥組進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)研究，并分析了立輥式玉米收獲機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)玉米損失率的影響，為立輥式玉米收獲割臺(tái)的研制提供了科學(xué)依據(jù)。2011 年，劉楓等[11]針對(duì)立輥式玉米切割機(jī)構(gòu)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和對(duì)比試驗(yàn)研究，得出雙圓盤缺口式切割器能滿足收獲機(jī)的高速作業(yè)，有效降低了單圓盤切割器的切割刀線速度。2013 年，王敦軍[12]研制了4YZ-2B 型立輥摘穗式玉米收獲機(jī)，驗(yàn)證了收獲機(jī)的可靠性。2014—2015 年，郭曉曉等[13-14]針對(duì)立輥式玉米摘穗割臺(tái)夾持輸送裝置可靠性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種浮動(dòng)式莖稈夾持輸送裝置，并證明了浮動(dòng)式三點(diǎn)夾持輸送的可靠性。2017 年，耿端陽(yáng)等[15-16]在對(duì)立輥式玉米收獲割臺(tái)夾持輸送裝置和摘穗裝置的研究中，分別分析了間隙夾持定位輸送裝置和多棱立輥式摘穗裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，提出了玉米植株間隙定位夾持輸送方式和立式激振摘穗折斷機(jī)理。2018—2019 年，辛尚龍等[17-18]針對(duì)中國(guó)北方旱地全膜雙壟溝播玉米種植模式，分別設(shè)計(jì)了輪式和履帶式穗莖兼收型旱區(qū)玉米聯(lián)合收獲機(jī)，形成了較為成熟的玉米植株“往復(fù)式切割-間隙夾持-傾斜喂入-低損摘穗-穗莖分流收集”的旱區(qū)全膜雙壟溝播玉米聯(lián)合收獲作業(yè)模式。

國(guó)外專用玉米果穗收獲機(jī)大多為臥輥式拉莖輥與摘穗板相組合的摘穗方式，采用錐形小傾角加長(zhǎng)拉莖輥及摘穗板間隙自適應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)割臺(tái)低損摘穗[19-21]。且兼具大型、大功率、寬割幅、大喂入量及機(jī)具底盤可調(diào)平等特點(diǎn)，對(duì)立輥式摘穗的研究尚未見報(bào)道[22-23]。

目前，普通立輥式玉米收獲割臺(tái)普遍采用植株切割喂入、夾持輸送并在立式輥組的相向轉(zhuǎn)動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)玉米果穗的摘落。其中，夾持輸送過(guò)程由傾斜布置且?guī)в袚荦X的整體式夾持輸送鏈和夾持軌道完成間隙夾持輸送。在間隙夾持狀態(tài)下，輸送鏈條容易實(shí)現(xiàn)植株在割臺(tái)上的姿態(tài)調(diào)整，有利于植株摘穗姿態(tài)角度（即植株喂入角）的形成[24]。但是，在間隙夾持及輸送過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)鏈條撥齒劃斷或劃破玉米莖稈，難以保證莖稈穩(wěn)定、有序喂入摘穗輥組等問(wèn)題，致使割臺(tái)喂入不暢，甚至頻繁堵塞。

為此，本文在原有立輥式玉米收獲割臺(tái)夾持輸送機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，擬設(shè)計(jì)一種有序喂入并能穩(wěn)定夾持輸送的裝置，以實(shí)現(xiàn)玉米植株的有序喂入和可靠夾持輸送，提高立輥式割臺(tái)的玉米植株通過(guò)性能。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 夾持輸送裝置結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，立輥式玉米收獲割臺(tái)夾持輸送裝置由分禾機(jī)構(gòu)和夾持輸送機(jī)構(gòu)組成。其中，分禾機(jī)構(gòu)由固定架、分禾鏈等部件構(gòu)成；夾持輸送機(jī)構(gòu)由夾持軌道、夾持輸送鏈、張緊彈簧、鏈夾滑輪等部件構(gòu)成。夾持輸送機(jī)構(gòu)后端與立式摘穗輥相連接。

圖1 夾持輸送裝置Fig.1 Clamping and conveying device

1.2 工作原理

工作時(shí)，隨著收獲機(jī)的向前行駛，玉米植株在立輥式割臺(tái)分禾機(jī)構(gòu)分禾鏈的作用下進(jìn)入由左右撥禾鏈齒形成的封閉空間，完成玉米植株的單株有序排列和依次喂入，在分禾鏈撥禾鏈齒的轉(zhuǎn)動(dòng)下將玉米植株送入夾持輸送軌道前端，并實(shí)現(xiàn)夾持輸送軌道左右夾持輸送鏈的有效夾持。同時(shí)，位于夾持輸送裝置下方的往復(fù)式切割器完成玉米植株的有支撐切割，切割后的玉米植株在夾持輸送機(jī)構(gòu)左右夾持輸送鏈的夾持和向后運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)輸送過(guò)程，進(jìn)而進(jìn)入摘穗輥組實(shí)現(xiàn)玉米果穗的摘落。收獲機(jī)主要性能參數(shù)見表1。

表1 收獲機(jī)主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of combine harvester

1.3 玉米割臺(tái)-植株作用方式

如圖2a 所示，基于中國(guó)北方旱區(qū)全膜雙壟溝播玉米種植農(nóng)藝模式，選取聯(lián)合收獲機(jī)行走輪中心距為2.2 m[4]，設(shè)計(jì)收獲割臺(tái)幅寬為2.2 m，摘穗裝置設(shè)置在割臺(tái)后方中間位置，適配莖稈鍘切裝置，完成穗莖兼收。

圖2 立輥式玉米收獲割臺(tái)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合示意圖Fig.2 Schematic diagram of agricultural machinery and agronomy for vertical roller type corn harvest header

為了便于田間作業(yè)，確定割臺(tái)收獲形式為等行距收獲，立輥式割臺(tái)上玉米植株夾持點(diǎn)等距設(shè)置為500 mm，左右2 邊行為對(duì)行收獲，中間2 行植株在分禾器及分禾鏈撥禾鏈齒的作用下進(jìn)入夾持輸送機(jī)構(gòu)。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分禾機(jī)構(gòu)與撥禾喂入過(guò)程分析

2.1.1 分禾機(jī)構(gòu)

如圖3 所示，由固定架、鏈輪、分禾鏈組成的分禾機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱布置，分禾鏈采用玉米收獲機(jī)專用鏈條，節(jié)距P＝38.1 mm，相鄰撥禾鏈齒距離為4P(152.4 mm)。撥禾鏈齒齒寬34 mm、齒高22 mm，有效增大了撥禾鏈齒與植株莖稈的作用面積，分禾、扶禾效果更好。

圖3 分禾機(jī)構(gòu)Fig.3 Dividing mechanism

為了實(shí)現(xiàn)玉米植株的單株有序喂入、穩(wěn)固支撐切割且能有效提高撥禾齒作用高度，將分禾機(jī)構(gòu)末端疊加在夾持輸送機(jī)構(gòu)上方，以等間距交錯(cuò)布置左右撥禾鏈齒。喂入口處分禾鏈與撥禾鏈齒形成的封閉空間最大直徑為49 mm，該間隙下植株根部莖稈能夠通過(guò)喂入口，且分禾機(jī)構(gòu)與夾持輸送機(jī)構(gòu)的疊加增加了植株莖稈與夾持輸送裝置的作用面積，能實(shí)現(xiàn)植株的可靠喂入。

2.1.2 撥禾喂入過(guò)程分析

如圖4 所示，田間作業(yè)時(shí)，為了將玉米植株依次有序?qū)驃A持輸送機(jī)構(gòu)，且在該過(guò)程中不推到或折斷玉米植株，需對(duì)撥禾喂入過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析[25]。

圖4 撥禾喂入過(guò)程運(yùn)動(dòng)分析Fig.4 Motion analysis for toggle and feed in corn stalk

分禾鏈撥禾速度vL與機(jī)具前進(jìn)速度vm之間的關(guān)系為

根據(jù)圖4 幾何關(guān)系有：

式中β為割臺(tái)傾角，β為10°～30°。

由撥禾喂入過(guò)程運(yùn)動(dòng)分析可知，分禾機(jī)構(gòu)能夠順利撥禾的條件為：分禾鏈撥禾速度和收獲機(jī)前進(jìn)速度的合速度與收獲機(jī)前進(jìn)方向垂線間的夾角θ＞ 0°，分禾鏈撥禾速度vL必需大于機(jī)具前進(jìn)速度vm。

由理論分析，分禾鏈與機(jī)具前進(jìn)方向間的夾角α越小，分禾機(jī)構(gòu)對(duì)玉米植株推到的可能性越小，其分禾效果越好[26]。根據(jù)玉米收獲割臺(tái)空間布置情況，確定α=15°，根據(jù)圖2b 幾何關(guān)系，分禾機(jī)構(gòu)有效撥禾段鏈條最短長(zhǎng)度為

式中Lmin為分禾機(jī)構(gòu)有效撥禾段鏈條最短長(zhǎng)度，mm。

代入數(shù)據(jù)得Lmin=380 mm，本文取有效撥禾段鏈條長(zhǎng)度為500 mm。

2.2 夾持輸送機(jī)構(gòu)與夾持輸送過(guò)程分析

2.2.1 夾持輸送機(jī)構(gòu)

如圖5 所示，為了增大夾持輸送機(jī)構(gòu)的夾持力，設(shè)計(jì)了一種在張緊彈簧的作用下，當(dāng)玉米植株被夾持部位直徑不同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)夾持間隙的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和改變。夾持軌道同側(cè)大小鏈夾滑輪中心距為130 mm，夾持軌道兩側(cè)大小鏈夾滑輪外圓間的距離為60 mm，夾持軌道間的垂直距離為40 mm，夾持輸送鏈外鏈板直徑為22 mm，則兩夾持鏈條間的最小間隙為60-22×2＝16 mm，最大間隙為夾持軌道間的垂直距離。故夾持輸送機(jī)構(gòu)間隙可變范圍為16～40 mm。此外，夾持軌道上下板之間的距離為66 mm。夾持軌道、大小鏈夾滑輪和夾持鏈條形成了折線型夾持通道，保證夾持輸送通道中每一株植株的穩(wěn)固夾持與輸送。

圖5 夾持輸送機(jī)構(gòu)Fig.5 Clamping and conveying mechanism

2.2.2 夾持切割過(guò)程分析

玉米植株在夾持狀態(tài)下的切割是植株能夠保證有序輸送的必要條件。玉米植株被夾持切割后，受機(jī)具前進(jìn)作用和撥禾鏈條的分禾作用，在收獲機(jī)作業(yè)方向上，玉米植株會(huì)出現(xiàn)前傾或后傾等不確定姿態(tài)。為了防止切割后玉米植株不能順利進(jìn)入夾持軌道，并合理設(shè)計(jì)夾持輸送裝置結(jié)構(gòu)形式，對(duì)玉米植株在機(jī)具前進(jìn)方向上進(jìn)行植株姿態(tài)變化分析。

如圖6 所示，在機(jī)具前進(jìn)方向上，設(shè)玉米植株在夾持時(shí)和切割時(shí)與水平地面間的夾角為α1、α2，切割器離地高度為h，割刀安裝位置s（即植株夾持點(diǎn)與切割器在機(jī)具作業(yè)方向上的距離為s），夾持點(diǎn)離地高度為H，玉米植株從開始夾持到被切斷所用時(shí)間為t。假設(shè)機(jī)具靜止，玉米植株以vm向機(jī)具運(yùn)動(dòng)[24]。

圖6 夾持切割過(guò)程玉米植株姿態(tài)變化分析Fig.6 Analysis of maize plant posture change during clamping cutting

根據(jù)幾何關(guān)系，在△BCD中：

在△BEF中：

由式（6）～（7）可得：

由式（8）可知夾持切割過(guò)程機(jī)具前進(jìn)方向玉米植株姿態(tài)的變化與撥禾鏈條線速度vL、切割器離地高度h、切割器安裝位置s、割臺(tái)傾角β等參數(shù)有關(guān)。其中，切割器離地高度h與割臺(tái)傾角β相關(guān)，決定收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中的留茬高度。切割器安裝位置s可通過(guò)調(diào)節(jié)割臺(tái)往復(fù)式切割器左右固定臂的伸縮量來(lái)實(shí)現(xiàn)，本研究取割臺(tái)傾角β為0°時(shí)，對(duì)應(yīng)的切割器割刀在夾持點(diǎn)正下方位置，保證了收獲機(jī)正常作業(yè)過(guò)程中玉米植株的先夾持再切割。

2.2.3 夾持輸送過(guò)程分析

如圖7 所示，為了實(shí)現(xiàn)玉米植株夾持輸送的可靠性，采用大小鏈夾滑輪與雙邊夾持輸送鏈形成的折線型夾持輸送通道，在雙邊夾持輸送鏈張緊機(jī)構(gòu)的作用下，實(shí)現(xiàn)夾持輸送間隙隨植株莖稈粗細(xì)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。玉米植株在未進(jìn)入夾持輸送機(jī)構(gòu)時(shí)，左右夾持鏈條間的間隙較小。隨著玉米植株進(jìn)入夾持輸送機(jī)構(gòu)，在張緊機(jī)構(gòu)的作用下，左右夾持輸送鏈被莖稈撐開，此時(shí)，植株莖稈被左右夾持輸送鏈條“包裹”，夾持部位受力點(diǎn)增多，夾持穩(wěn)定性好。

圖7 玉米植株被夾持部位夾持輸送過(guò)程示意圖Fig.7 Schematic diagram of clamping and conveying process of maize plant at the clamping position

夾持輸送機(jī)構(gòu)軌道長(zhǎng)度與玉米的結(jié)穗高度、割臺(tái)傾角等因素有關(guān)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)玉米的結(jié)穗高度過(guò)低、割臺(tái)傾角過(guò)大等都會(huì)導(dǎo)致玉米果穗不能到達(dá)立輥式摘穗輥組。為了避免果穗在夾持輸送軌道上摘落，對(duì)夾持輸送過(guò)程中玉米植株的姿態(tài)變化進(jìn)行分析。

如圖8 所示，為立輥式玉米割臺(tái)植株姿態(tài)變化過(guò)程示意圖。假設(shè)植株在夾持輸送過(guò)程中無(wú)相對(duì)滑移，在植株碰到擋禾桿時(shí)，玉米果穗在點(diǎn)M位置，要使立輥式割臺(tái)正常摘穗，果穗需運(yùn)動(dòng)至最低摘穗位置（點(diǎn)N）處，則M點(diǎn)玉米果穗的自由落體高度應(yīng)當(dāng)小于等于玉米果穗從夾持點(diǎn)P點(diǎn)到N點(diǎn)植株的提升高度[15]。

圖8 玉米植株姿態(tài)變化過(guò)程Fig.8 The process of position change of maize plant

夾持點(diǎn)至結(jié)穗點(diǎn)的高度lj等于果穗結(jié)穗高度減去留茬高度與夾持高度，取lj=0.8 m。在（0，π/2）區(qū)間上，割臺(tái)傾角β的余切值遞減，植株喂入角γ的正弦值遞增，因此取β=30°、γ=45°進(jìn)行計(jì)算。代入各數(shù)據(jù)可得夾持輸送軌道最小長(zhǎng)度L為0.952 m?？紤]到在夾持輸送過(guò)程中植株相對(duì)夾持鏈條的滑移等因素，本研究取夾持輸送軌道長(zhǎng)度L為1 100 mm，即夾持點(diǎn)到摘穗點(diǎn)的距離為1 100 mm。此時(shí)，按照全膜雙壟溝播玉米田間種植平均行距35 cm 計(jì)算，立輥式割臺(tái)夾持輸送裝置最大夾持輸送量為3 株。

已知立輥式玉米收獲割臺(tái)中間行夾持輸送鏈與水平方向的夾角為α′，邊行夾持輸送鏈與水平方向的夾角為α′′（圖2b），則兩中間行與兩邊行的理論線速度分別為

式中vL′為中間行夾持輸送鏈線速度，m/s；vL′′為邊行夾持輸送鏈線速度，m/s；vm為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s，取vm=2～4 m/s；α′為中間行夾持輸送鏈與機(jī)具前進(jìn)方向之間的夾角，(°)，α′=8°；α′′為邊行夾持輸送鏈與機(jī)具前進(jìn)方向之間的夾角，(°)，α′′=23°；β為割臺(tái)傾角，(°)，取β=10°～ 30°。

將各數(shù)據(jù)代入式（11）可得vL′=2.32～4.65 m/s，vL′=2.5～5 m/s，夾持輸送裝置主動(dòng)鏈輪頂圓直徑為60 mm，按夾持輸送鏈最大線速度范圍為2.5～5 m/s 計(jì)算，可得主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速范圍為796～1 592 r/min。

夾持輸送鏈條采用節(jié)距P=38.1 mm 的24A 鏈條，設(shè)計(jì)夾持軌道間的垂直距離為40 mm（該數(shù)值小于撥禾鏈條末端所形成的封閉空間直徑），在張緊裝置及鏈夾滑輪的作用下，兩夾持鏈條間的夾持間隙可調(diào)節(jié)范圍為15～25 mm。能滿足玉米植株根部莖稈的有效夾持及輸送。

綜上，對(duì)割臺(tái)夾持輸送機(jī)構(gòu)正常工作有主要影響的因素有：收獲機(jī)前進(jìn)速度vm、撥禾鏈條線速度vL、割臺(tái)傾角β、植株喂入角γ。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件及評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證立輥式玉米收獲割臺(tái)夾持輸送裝置的作業(yè)性能及確定割臺(tái)最優(yōu)工作參數(shù)，2021 年10 月在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地玉米為全膜雙壟溝播種植模式，種植品種為先玉335，收獲時(shí)測(cè)得試驗(yàn)地平均土壤堅(jiān)實(shí)度為62.6 kPa，平均土壤含水率為16.4%，玉米籽粒含水率為26%，平均玉米結(jié)穗高度為1 306 mm。根據(jù)夾持輸送裝置結(jié)構(gòu)工作原理及其參數(shù)分析，將設(shè)計(jì)的夾持輸送裝置更換至收獲機(jī)割臺(tái)上并進(jìn)行田間試驗(yàn)研究。田間試驗(yàn)如圖9 所示。

圖9 田間試驗(yàn)Fig.9 Field experiment

3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照GB/T 21 962—2020《玉米收獲機(jī)械》規(guī)定的試驗(yàn)方法，獲取機(jī)收玉米果穗總損失率與斷莖率。玉米機(jī)收總損失率包括落地籽粒損失率、果穗損失率和苞葉夾帶籽粒損失率3 部分[27-28]。在測(cè)定區(qū)內(nèi)，收集掉落的玉米籽粒、玉米果穗以及漏摘果穗，果穗脫凈后與掉落籽粒一并稱量，試驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果取平均值。按式（12）計(jì)算玉米總損失率。測(cè)試區(qū)長(zhǎng)20 m，植株總數(shù)264 株。

式中Y1為果穗總損失率，%；mL為落地、漏摘果穗及落地籽粒的總質(zhì)量，g；mZ為測(cè)區(qū)內(nèi)玉米籽粒的總質(zhì)量，g。

斷莖率高是造成割臺(tái)擁堵的主要原因，進(jìn)而影響玉米莖稈在割臺(tái)上（夾持輸送裝置）的通過(guò)性。在測(cè)區(qū)內(nèi)，每次擁堵后收獲機(jī)立即停車，統(tǒng)計(jì)未通過(guò)夾持輸送裝置中已發(fā)生斷裂的玉米植株數(shù)，按式（13）計(jì)算割臺(tái)斷莖率。

式中Y2為割臺(tái)斷莖率，%；ωD為夾持輸送裝置中已斷裂玉米植株數(shù)，株；ωZ為測(cè)區(qū)內(nèi)玉米植株總數(shù)，株。

3.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)前期試驗(yàn)及理論分析，結(jié)合立輥式玉米收獲割臺(tái)工作原理，選取影響立輥式割臺(tái)作業(yè)效果的4 個(gè)主要工作參數(shù)—收獲機(jī)前進(jìn)速度x1、主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速x2、割臺(tái)傾角x3和植株喂入角x4作為試驗(yàn)因素。

立輥式穗莖兼收型玉米聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，駕駛員通過(guò)調(diào)節(jié)收獲機(jī)檔位控制收獲機(jī)行走速度，根據(jù)田間試驗(yàn)及田間環(huán)境，試驗(yàn)選取收獲機(jī)前進(jìn)速度vm范圍為2～4 m/s。割臺(tái)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)由多級(jí)鏈傳動(dòng)提供，夾持輸送鏈條線速度與摘穗輥組轉(zhuǎn)速有關(guān)，通過(guò)更換相應(yīng)齒數(shù)的鏈輪控制立式輥組轉(zhuǎn)速，本研究取主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速范圍為796～1 592 r/min，對(duì)應(yīng)的邊行夾持輸送鏈條線速度為2.5～5 m/s。收獲時(shí)，割臺(tái)傾角的大小直接影響玉米留茬高度，立輥式玉米收獲割臺(tái)后端上方左右設(shè)有鉸接臂，后端下方左右為液壓缸連接。故割臺(tái)傾角較小時(shí)留茬高，對(duì)應(yīng)的切割器離地間隙大；割臺(tái)傾角較大時(shí)留茬低，對(duì)應(yīng)的切割器離地間隙小。本研究選擇立輥式割臺(tái)傾角β范圍為10°～30°。調(diào)節(jié)擋禾桿位置可實(shí)現(xiàn)植株喂入角γ的調(diào)整，本研究取植株喂入角γ范圍為45°～65°。試驗(yàn)因素水平編碼值見表2，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表3。

表2 試驗(yàn)因素水平編碼Table 2 Experimental values and coded levels

表3 試驗(yàn)方案和結(jié)果Table 3 Test scheme and result

3.2.1 總損失率方差分析

對(duì)試驗(yàn)中果穗總損失率進(jìn)行方差分析見表4，建立果穗總損失率Y1對(duì)的二次多項(xiàng)式的回歸方程，如式（14）所示。

表4 果穗總損失率方差分析Table 4 Variance analysis for total ear loss rate

通過(guò)比較F值得大小可知，影響玉米果穗總損失率的因素由大到小為收獲機(jī)前進(jìn)速度、植株喂入角、主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速和割臺(tái)傾角。收獲機(jī)前進(jìn)速度與植株喂入角對(duì)割臺(tái)斷莖率的影響顯著，果穗總損失率與變量的關(guān)系如圖10 所示，在給定范圍內(nèi)，隨著收獲機(jī)前進(jìn)速度的增加果穗總損失率呈先緩慢減小再急劇增大的趨勢(shì)；果穗總損失率與植株喂入角負(fù)相關(guān)，即植株喂入角越大果穗總損失率越小。

圖10 果穗總損失率與變量的關(guān)系Fig.10 The relationship between total ear loss rate and variables

3.2.2 割臺(tái)斷莖率方差分析

對(duì)試驗(yàn)中割臺(tái)斷莖率進(jìn)行方差分析見表5，建立割臺(tái)斷莖率Y2對(duì)的二次多項(xiàng)式的回歸方程，如式（15）所示。

表5 割臺(tái)斷莖率方差分析Table 5 Variance analysis for breaking rate of corn stalk on harvest header

通過(guò)比較F值得大小可知，影響割臺(tái)斷莖率因素由大到小為主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速、收獲機(jī)前進(jìn)速度、植株喂入角和割臺(tái)傾角。通過(guò)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，交互作用對(duì)割臺(tái)斷莖率影響顯著影響顯著僅為x1x2，將植株喂入角和割臺(tái)傾角設(shè)置為0 水平，即割臺(tái)傾角為20°、植株喂入角為55°時(shí)，響應(yīng)曲面如圖11 所示。

圖11 收獲機(jī)前進(jìn)速度與主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速對(duì)割臺(tái)斷莖率的影響Fig.11 Effects of forward speed of harvester and rotation speed of drive sprocket on stalk breaking rate of harvest header

由圖11 可得，當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度與主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速同時(shí)增大或同時(shí)減小時(shí)，割臺(tái)斷莖率可以維持在較低水平。且當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度為2.5～3 m/s，主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速在995～1 194 r/min 時(shí)，割臺(tái)斷莖率最小。

3.3 參數(shù)優(yōu)化

為了得到最佳因素水平，結(jié)合試驗(yàn)因素邊界條件，以果穗總損失率最小、割臺(tái)斷莖率最小為目標(biāo)，對(duì)上述回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解，建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，目標(biāo)函數(shù)及約束條件如式（16）。

優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度為2.83 m/s、主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速1 211.69 r/min、割臺(tái)傾角為18.13°、植株喂入角為59.87°時(shí)，果穗總損失率為0.40%，割臺(tái)斷莖率為0.09%。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

基于立輥式玉米聯(lián)合收獲機(jī)，于2021 年10 月在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所試驗(yàn)田開展田間驗(yàn)證性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件及試驗(yàn)指標(biāo)與3.1 節(jié)相同。圓整優(yōu)化參數(shù)指標(biāo)，并調(diào)節(jié)收獲機(jī)前進(jìn)速度為2.8 m/s、主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速為1 210 r/min、割臺(tái)傾角為18°、植株喂入角為60°，進(jìn)行不同測(cè)區(qū)、不同長(zhǎng)勢(shì)下田間20 m 收獲性能試驗(yàn)，不同測(cè)區(qū)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6。測(cè)區(qū)地勢(shì)平坦，土壤堅(jiān)實(shí)度基本一致，測(cè)區(qū)品種均為先玉335，玉米成熟度基本一致，測(cè)區(qū)A、測(cè)區(qū)B、測(cè)區(qū)C 平均玉米結(jié)穗高度依次為1 252、1 312、1 340 mm；植株平均高度依次為2 963、3 018、3 224 mm。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果得平均果穗總損失率為0.83%，割臺(tái)斷莖率為0.12%，優(yōu)化模型與田間驗(yàn)證性試驗(yàn)接近，試驗(yàn)結(jié)果符合相應(yīng)技術(shù)要求。對(duì)比現(xiàn)有普通夾持輸送裝置果穗損失率的2.80%[18]和割臺(tái)斷莖率的0.98%[4]，果穗總損失率和斷莖率分別降低了30%和12%。

表6 不同測(cè)區(qū)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results in different test areas %

4 結(jié)論

1）針對(duì)現(xiàn)有立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)夾持輸送裝置存在的夾持穩(wěn)定性差、斷莖率高等問(wèn)題，本文根據(jù)立輥式玉米割臺(tái)摘穗特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種夾持輸送間隙隨植株莖稈粗細(xì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的夾持輸送裝置。夾持輸送過(guò)程采用大小鏈夾滑輪與雙邊夾持輸送鏈形成的折線型夾持輸送通道，在雙邊夾持輸送鏈張緊機(jī)構(gòu)的作用下，實(shí)現(xiàn)夾持輸送間隙隨植株莖稈粗細(xì)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，增加夾持部位作用力，提升夾持輸送可靠性。根據(jù)理論分析與計(jì)算，確定夾持輸送裝置有效撥禾段鏈條長(zhǎng)度為500 mm，夾持輸送機(jī)構(gòu)軌道長(zhǎng)度為1 100 mm，割臺(tái)最大夾持輸送量為3 株，夾持軌道間的垂直距離為40 mm，在夾持軌道鏈夾滑輪及張緊裝置的作用下兩夾持鏈條間的夾持間隙可調(diào)節(jié)范圍為16～40 mm。

2）根據(jù)立輥式玉米收獲割臺(tái)撥禾、夾持切割和夾持輸送過(guò)程及其工作原理分析，確定了影響割臺(tái)夾持輸送的主要影響因素。運(yùn)用響應(yīng)曲面法分析了各因素對(duì)夾持輸送裝置作業(yè)性能的影響，得出影響果穗總損失率的因素由大到小依次為收獲機(jī)前進(jìn)速度、植株喂入角、主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速和割臺(tái)傾角；影響割臺(tái)斷莖率的的因素由大到小依次為收獲機(jī)前進(jìn)速度、割臺(tái)傾角、主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速、植株喂入角。圓整最優(yōu)結(jié)果參數(shù)并進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度為2.8 m/s、主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速為1 210 r/min、割臺(tái)傾角為18°、植株喂入角為60°時(shí)，果穗總損失率為0.83%，割臺(tái)斷莖率為0.12%。相比現(xiàn)有普通夾持輸送裝置，果穗總損失率和斷莖率分別降低了30%和12%。