丘陵山區雙行玉米聯合收獲機的設計

張 奎，劉師多，師清翔，王升升，牛 康

(河南科技大學農業工程學院，河南洛陽471003)

0 引言

玉米是世界三大主要糧食作物之一。近年來中國玉米種植面積不斷增加，玉米機收率卻遠低于小麥的90%和水稻的70%。現有玉米聯合收獲機的主要功能是摘穗、果穗收集和秸稈粉碎還田。但現有機型功耗大，且不能實現秸稈切碎回收，其主要原因是:摘穗后的玉米植株仍長在田間，且雜亂無章，只能粉碎還田。對秸稈粉碎還田處理，一方面消耗大量動力，另一方面也制約著玉米秸稈的綜合利用。減小玉米聯合收獲機功耗的有效途徑是以秸稈切碎代替秸稈粉碎。

中國丘陵山區玉米種植面積約占全國玉米種植面積的1/4，主要集中在中國南方、西南方以及黃淮西部等地。丘陵山區溝壑縱橫，道路狹窄且路況復雜，地塊小、不規則;玉米種植大多采用人工種植方式，玉米行距及生長狀況差異較大。現有機型對玉米行距要求嚴格，很難適應不同行距玉米的收獲[1-2］，而且難以在丘陵山區轉移和作業，市場上還沒有成熟的適合丘陵山區玉米收獲的機型[3］。對于丘陵山區出現的單行玉米機[4-6］，因其生產效率低、對土壤碾壓嚴重，難以推廣應用。丘陵山區玉米收獲機械化的發展已經成為嚴重制約中國玉米收獲機械化全面提高的瓶頸。研發適合丘陵山區玉米收獲的機型已勢在必行，因此本文研制了與手扶拖拉機配套的雙行玉米聯合收獲機。

1 總體方案配置

與手扶拖拉機配套的雙行玉米聯合收獲機總體配置如圖1所示。本機主要由莖稈切割及輸送裝置、摘穗及切碎裝置、果穗輸送裝置等部分組成。該機能自行開道，可一次完成摘穗、果穗收集、秸稈切碎還田。手扶拖拉機是丘陵山區的主要動力，本機與手扶拖拉機配置，增加了其利用率，配套動力為11.03 kW，整機轉彎半徑小，在丘陵山區通過性好。

通過對河南省西部丘陵地區玉米種植習慣的實地考察，該地區玉米種植行距范圍為400～800 mm。故設計收獲行距范圍為300～800 mm。莖稈切碎輸送裝置、摘穗及切碎裝置采用左偏置方式。開道后以左側為未收割區，右側為收割區。

1.1 莖稈切割及輸送裝置

莖稈切割及輸送裝置主要包括可伸縮玉米莖稈引導扶持裝置、橫向輸送帶、往復割刀、縱向夾持鏈等部分。工作原理為:橫向輸送帶撥齒抓取生長玉米植株，同時往復割刀從根部將其割斷，由輸送帶完成帶穗玉米植株立姿橫向輸送，隨后由縱向夾持鏈將玉米植株立姿向后上方輸送。該裝置要求輸送帶撥齒抓取生長玉米植株的同時，割刀能將玉米植株割斷。玉米植株直徑范圍為20～30 mm，因此設計輸送帶撥齒超出割刀30 mm[7］。夾持鏈與地面夾角為35°[8］，縮短了整機長度。一般玉米結穗高度都在500 mm以上，本裝置夾持點設計為400 mm，其高度可通過工作部件的升降來調節，以適應不同果穗高度玉米的收獲。

圖1 與手扶拖拉機配套的雙行玉米聯合收獲機總體配置

1.2 摘穗及切碎裝置

摘穗及切碎裝置主要由摘穗裝置和切碎裝置組成。摘穗裝置主要完成玉米果穗的摘取，該裝置位于莖稈切割及輸送裝置下方，并與之有一定重疊，縱向夾持鏈向后輸送速度與摘穗裝置螺旋筋向后推進速度一致，確保立姿帶穗玉米植株在夾持鏈松開時能平穩有序進入摘穗裝置，并在直筋段完成摘穗，避免了玉米植株未能進入摘穗輥而造成的堵塞。摘穗裝置與地面夾角25°，最大限度減小了整機長度，保證整機短小靈活。兩摘輥布置采用一高一低，垂直高度相差超過玉米果穗半徑，以便摘掉后的玉米果穗順利地落入果穗輸送裝置。

切碎裝置位于摘穗裝置下方，對完成摘穗后的玉米莖稈進行切碎還田，以切碎代替粉碎，有效降低了整機功耗。并改變傳統的與摘穗裝置垂直布置的方式，采用與摘穗裝置平行配置，增大了喂入口，便于摘穗后的玉米植株流暢的進入切碎裝置。切碎草長可調，可滿足不同畜牧養殖要求。

1.3 果穗輸送裝置

果穗輸送裝置主要由螺旋輸送攪龍等組成。通過螺旋葉片對玉米果穗的摩擦推運，將果穗輸送至果穗箱收集。本裝置體積小，質量輕，保證了整機的輕量小型化。入口低于摘穗裝置，便于玉米果穗能順利從摘穗裝置落入。螺旋輸送攪龍螺距S=150 mm，試驗表明:葉片高度20 mm，轉速不超過350 r/min[9］時，果穗輸送效率最高，且對果穗損傷小，輸送過程穩定，對不同尺寸和含水率玉米果穗有較強適應性。

2 作業過程

田間作業時(見圖2)，隨著玉米收獲機的前進，生長在田間的未收割玉米A(見圖2)首先碰到可伸縮玉米莖稈引導扶持裝置的引導扶持桿，由于玉米根部韌性較大，引導扶持桿向內側縮回，當引導扶持桿上的拐點(見圖2中M點)超過玉米A時，引導扶持桿在拉簧作用下反方向旋轉，回到原來位置，起到扶持玉米莖稈的作用。輸送帶撥齒撥住玉米，同時割刀將帶穗玉米從根部割斷。割斷后的帶穗玉米處于輸送帶、引導扶持桿以及安裝板共同形成的通道中，在輸送帶撥齒的作用下沿圖2所示的運動軌跡立姿運送至縱向夾持鏈。夾持鏈將帶穗玉米植株立姿有序輸送到摘穗輥，摘穗輥完成玉米摘穗，同時將玉米莖稈向下拉入切碎裝置，將玉米秸稈切碎還田。摘掉的玉米穗落入果穗輸送攪龍部分，果穗在螺旋葉片推運作用下，進入果穗箱。

圖2 作業示意圖

3 主要工作部件參數的確定

3.1 橫向輸送帶前傾角度和撥齒間距的確定

為了保證帶穗玉米植株以直立姿態順利完成由橫向輸送到縱向輸送的過渡，應該使玉米植株在橫向輸送過程中就有一定的縱向輸送速度，因此將橫向輸送帶向前傾一個角度α，選取合適的α值可使輸送帶有與機進速度相同的分速度，輸送帶示意圖見圖3。

機進速度v為0.5 m/s，撥禾帶工作速度 v1為2.45 m/s，由sin α =v/v1，得 α =11.8°。

根據收獲需要，橫向輸送帶的撥齒間距要合適。

(1)撥齒間距過小時，兩撥齒到達同一抓取點的時間較短，則會出現玉米植株在還未被割斷的情況下，被多個撥齒撥打，造成玉米植株的損傷甚至折斷，即機器前進距離為植株直徑d時所用時間為t1，則在時間t1內，經過橫向輸送帶上同一抓取點的撥齒不能超過兩個。

圖3 輸送帶示意圖

(2)撥齒間距過大時，兩撥齒到達同一抓取點的時間較長，割斷的玉米植株在這段時間內會因為得不到及時的扶持輸送而發生傾倒，輸送過程很可能失敗，即機器前進距離為玉米株距l時所用時間為t2，則在時間t2內，經過橫向輸送帶上同一抓取點的撥齒不能少于兩個。

設橫向輸送帶上相鄰兩撥齒的距離為s。則由以上兩種情況可得:

式中，根據田間實際測量，植株直徑d的范圍是20～30 mm，植株間距l的范圍是200～300 mm。

通過計算，撥齒間距s的范圍是147～980 mm，因輸送帶總長度為960 mm，故撥齒數值可取:1、2、3、4、5、6，本機型取4個撥齒，即撥齒間距為240 mm。

3.2 縱向夾持輸送鏈

根據現有研究成果，選擇夾持鏈速度v為1.9 m/s、夾持間隙為20 mm[10-11］，此時玉米植株在縱向夾持輸送過程中引起的斷稈、傾倒等問題最少。調節夾持鏈張緊裝置，可使玉米莖稈立姿縱向輸送過程穩定、可靠。

3.3 摘輥主要參數的選擇

摘穗輥[12-14］分為3部分，前部為錐形引導段，中間為螺旋筋段，后部為直筋摘穗段。摘穗輥總長度為530 mm，前部錐形引導段長度為100 mm。直筋摘穗段一般在150 mm左右，本機將兩行玉米輸送到同一摘輥內摘穗，故適當加長直筋摘穗段，選取200 mm。摘輥直徑D在65～100 mm[15］時工作質量指標比較好。取摘輥直徑D=79 mm，螺旋筋、直筋直徑為D'=8 mm。一般摘穗輥的工作間隙s為:

式中，d為玉米秸稈直徑，玉米結穗下部莖稈直徑一般在20～30 mm，取d=30 mm，則摘輥間隙s=2～12 mm，選取s=9 mm。摘輥圓周速度v=3～4 m/s，選取摘輥圓周速度為3.8 m/s，則摘輥轉速為:

為使螺旋筋向后推送速度和夾持鏈速度保持一致，則由nL/60=v可確定螺旋筋的螺距L=125 mm。

3.4 切碎裝置及莖稈切碎長度

玉米秸稈用途不同，對切碎長度的要求也不同。秸稈還田要求切碎長度小于100 mm。畜牧業要求切碎質量好，碎段長度一致，盡量不產生長草段，超長率應小于7%;茬口整齊，斜茬率應小于5%;切碎長度可根據飼養要求變化來調整，例如，牛以30～40 mm為宜;羊則以15～25 mm為宜[16-17］。本機切碎裝置可通過調整傳動比來調整切碎長度。莖稈理論切碎長度l=60 000 v/(nz)，其中，v為莖稈喂入速度;n為滾刀轉速;z為動刀片數。取v為3.8 m/s，滾刀轉速2 100 r/min，動刀片數為3，則理論切碎長度為36 mm。

4 性能測試與試驗

2012年10月，河南省農業機械產品質量監督檢驗站對與手扶拖拉機配套的雙行玉米聯合收獲機進行了田間試驗和性能測試，測試結果如表1所示。

隨后，本機型在河南省西部丘陵地區進行了大面積可靠性收獲試驗，試驗結果表明:本機作業性能穩定，操作靈活，可靠性高，損失小，深受廣大丘陵山區農民歡迎。

表1 與手扶拖拉機配套的雙行玉米聯合收獲機性能測試結果

5 結論

本機器對玉米秸稈切碎處理，使得整機動力有效降低，配套動力為11.03 kW;行距適應性強，可收獲行距為300～800 mm;可一次完成玉米摘穗、果穗收集、秸稈切碎還田等作業。本機器以丘陵山區保有量最大的手扶拖拉機為配套動力，實現了玉米收獲機械的小型化，適合在丘陵山區推廣使用。

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