不對行玉米收獲機割臺扶禾裝置的分析與仿真

卜令昕，張道林，李　騰，賈春陽，崔　萌

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博　255049)

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不對行玉米收獲機割臺扶禾裝置的分析與仿真

卜令昕，張道林，李騰，賈春陽，崔萌

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博255049)

摘要：為解決玉米收獲機不對行收獲問題，研發一種新型玉米收獲機不對行割臺。本割臺主要由分禾器、莖稈切割裝置、摘穗裝置和扶禾裝置組成。扶禾裝置能有效避免因行距不適所造成的推倒拉斷等現象。莖稈喂入過程分為聚攏和脫出兩個過程，通過ADAMS對脫出過程進行仿真分析確定了關鍵參數，為割臺的設計提供了依據。

關鍵詞：玉米收獲機；割臺；扶禾裝置，仿真

0引言

玉米是我國三大糧食作物之一，2012年我國玉米產量達到2.08億t，超過水稻成為第一大糧食作物。我國玉米種植區域大，種植模式多種多樣，包括壟作、平作、套作等，并且種植行距不統一，從300～800mm不等。玉米種植模式和種植行距不統一，導致玉米收獲機在收獲時容易將玉米植株推倒，造成損失。

長期以來，對行收獲問題一直被視為玉米收獲機發展的瓶頸。近年來，很多學者、企業對此進行了探索，如采用加大分禾鏈開口、增設扶禾桿和往復式切割與分禾器配合的方式提高行距適應性。山東理工大學研制的撥禾指式玉米收獲機，采用先割斷秸稈、再撥禾摘穗的技術，通過分禾器、撥禾指、甩刀與摘穗機構的優化組合，提高了行距適應性；但還遠未達到機具跨區作業的需要。為此，本文對莖稈切斷高扶禾技術進行了研究，以提高玉米收獲機的行距適應性。

1設計原理及機構

1.1結構簡圖

玉米收獲機割臺主要由由分禾器、莖稈切割裝置、摘穗裝置和高扶禾裝置和機架組成。其結構如圖1所示。

1．玉米莖稈　2.扶禾裝置　3.分禾器

1.2工作原理

收獲機作業時,分禾器將玉米植株分開,隨著機器前進,玉米植株進入到扶禾裝置工作區；莖稈切割裝置切斷玉米植株，玉米植株在扶禾裝置和撥禾鏈的作用下喂入摘穗裝置。

撥送過程由玉米莖稈是否切斷分為聚攏和脫出兩個階段：在莖稈切斷前的聚攏階段，莖稈受到扶禾輪的聚攏作用撥指向內運動，直至被撥送到切斷位置，由莖稈切割裝置的動刀和定刀將莖稈切斷；切斷后的脫出階段，莖稈可看做自由桿件，由扶禾指撥送到撥禾鏈上，然后喂入摘穗裝置。

1.3行距適應性分析

玉米植株在分禾器的作用下，沿分禾器進入高扶禾裝置。扶禾輪與撥禾鏈撥禾作用比較如圖2所示。扶禾輪的扶禾點位于A處，扶禾輪替代撥禾鏈起到了撥禾的作用，如圖2所示。

由懸臂梁應變公式，最大撓性變形位于作用力的作用點處，其值為

(1)

其中，F為莖稈所受作用力，E為莖稈的彈性模量，I為慣性矩，d為玉米莖稈直徑。

由圖2可以看出：玉米莖稈在撥送高度L上的撓性形變量小于其最大形變量；由于莖稈在扶禾輪作用下撓度xL不超過扶禾輪最大直徑的設計值，所以進入分禾器范圍的玉米植株都能夠被收獲。由圖3可以看出：收獲行距較傳統機型由l增加到了L，提高了提高了玉米收獲機械對種植行距的適應性。

L.扶禾輪高度　h.撥禾鏈高度　F.扶禾輪對莖稈的力

1.分禾器　2.莖稈切割裝置　3.扶禾裝置　4.摘穗裝置

2撥禾過程分析

2.1聚攏過程的分析

聚攏過程從玉米莖稈接觸撥禾指遠端A開始，到達B時，莖稈由切割裝置切斷，聚攏過程結束，此過程中扶禾輪轉角為φ1。聚攏過程中莖稈與撥禾指接觸部分在撥禾指的作用下做類圓周運動。由于玉米莖稈初速度為0，撥禾指和玉米莖稈會產生相對滑移，所以玉米莖稈與撥禾指接觸的部分的絕對運動可分解為繞扶禾指圓心O的轉動，即牽連運動和玉米莖稈在扶禾指上的滑動，即相對運動。與此同時，由于收獲機的前進，玉米植株與扶禾輪在收獲機行進方向上還有相對位移。聚攏過程中玉米莖稈的受力分析如圖4所示。

圖4　聚攏過程玉米莖稈受力分析圖

扶禾輪圓心為O,扶禾指漸開線基圓圓心為O’，將玉米莖稈受到的外力做正交分解，則有

法線n-n上，N=Fcos(α+β)

(2)

切線t-t上，R=Fsin(α+β)-f

(3)

當扶禾指經過t時間轉過角度φ1，玉米莖稈在合力R的作用下進行位移并與扶禾指相對滑動的同時，莖稈與扶禾輪的相對位置也變化了v0t。轉角的增加促進了莖稈的相對滑移，使得莖稈位置所對應的展角θ減小，進而導致壓力角α的減小；轉角的變化和桿輪相對位置的變化改變著玉米莖稈的撓度x和彈性力F與切線t-t的夾角β，所以玉米莖稈在變合力R的作用下完成聚攏過程。

2.2脫出過程的分析

隨著聚攏過程的完成，玉米莖稈與扶禾指的接觸部分會在扶禾指的根部隨扶禾指做圓周運動。當扶禾指帶動著玉米莖稈到達切割位置，莖稈被切斷；受扶禾輪撥送的玉米莖稈失去了植株基部的束縛，撓性變形所產生的彈性力F消失，可以看做自由桿。

脫出過程開始時，莖稈在扶禾指根部隨扶禾輪做圓周轉動，在水平面上受力如圖5所示。

圖5　脫出過程玉米莖稈受力分析圖

(4)

其中，f1、f2為摩擦力，ω為扶禾輪轉速。

當莖稈在扶禾指根部做圓周運動時，f1、f2為靜摩擦力；當莖稈有向外運動的趨勢時，N2消失，摩擦力f2也消失，式(4)改寫為

(5)

其中，μ為動摩擦因數，進一步可得

(6)

由式(6)可知：若轉速增大，莖稈要在扶禾指根部做圓周運動就需要扶禾指提供足夠大的支反力N1；當轉速ω足夠大時，莖稈就會甩出，且壓力角α越大，莖稈越容易甩出，當α=90°時有

(7)

在水平面上，脫出過程從A到B，轉角為φ2，如圖6所示。

同時，莖稈在豎直面上還受重力、扶禾指的撥送力和因撥送力產生的摩擦力的作用,豎直面內莖稈的受力如圖7所示。其質心高度為L，莖稈底端距離地面h。

圖6　脫出過程圖

圖7　撥禾鏈作用前莖稈受力圖

果穗位置較低，扶禾輪撥送位置在果穗上方，扶禾輪的撥送力N對質心O必然產生力矩M，導致莖稈傾斜。若要使莖稈的傾斜度小，撥送位置應該位于質心附近，并且脫出過程要短，否則自由桿件難以控制。隨后，莖稈由扶禾輪和撥禾鏈共同撥送莖稈，如圖8所示。撥禾鏈作用于莖稈上的力P對重心O力矩可以平衡力矩M。

3基于ADAMS的莖稈脫出過程仿真

圖6所示莖稈從A運動到B點的過程比較復雜，借助于ADAMS仿真軟件進行模擬，仿真界面和模型如圖9所示。

圖8　撥禾鏈和扶禾輪共同下莖稈受力圖

圖9　仿真界面和仿真模型

扶禾輪基圓半徑75mm，外徑200mm。取切斷后玉米莖稈的密度ρ=500kg/m3，莖稈直徑d=0.02m，莖稈長度h=1.4m扶禾指與莖稈的動摩擦因數為0.3，由圖6得出φ2在35°左右，用30r/min進行仿真試驗，仿真結果如圖10～圖12所示。當扶禾輪轉速為30r/min時，從A到B歷時0.19s。由圖11可以得出，莖稈質心水平面上的合速度約為1.8m/s,撥禾鏈速度為2m/s，速度差距不大；由圖12可以得出，莖稈向下運動了0.18m，所以莖稈切割裝置留茬應在20cm左右。

圖10　扶禾指與莖稈接觸力圖

圖11　莖稈質心運動速度圖

圖12　莖稈質心垂直位移圖

4結論

1) 通過分析現有玉米不對行收獲技術，提出了新型不對行玉米收獲機的必要性和可能性。

2) 通過對聚攏過程和脫出過程的理論和仿真分析，得到了玉米莖稈在扶禾輪作用下的受力情況和運動情況，驗證了本割臺的可行性。

3) 通過仿真試驗得到，漸開線型扶禾指的參數為，基圓半徑75mm，外徑200mm；扶禾輪轉速n=30r/min，留茬高度20cm左右，為割臺的設計提供了依據。

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-0057-EA

Analysis and Simulation of Crop Supporting Device on No-row Corn Harvester’s Header

Bu Lingxin, Zhang Daolin, Li Teng, Jia Chunyang, Cui Meng

(School of Agricultual Engineering and Food Science,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China)

Abstract：To solve problem of corn harvesting under different row spacing condition，a new type no-row corn harvester’s header was designing. This header included nearside divider, cutting device, picker-device and crop supporting device. The crop supporting device can efficiently avoid problems of pushing over stalks and stalk abruption, which were caused by the inadaptation to different row spacing. Stalk’s feeding process divided into two parts: gathering process and separating process. Key parameters were determined by simulating the separating process in ADAMS and were used to prototype’s manufacture.

Key words：corn harvester; header; crop supporting device; simulation

文章編號：1003-188X(2016)04-0057-04

中圖分類號：S225.5+1

文獻標識碼：A

作者簡介：卜令昕(1989-),男，濟南人，碩士研究生，(E-mail)blx54250@126.com。通訊作者：張道林(1957-)，男，山東淄博人，教授，博士生導師，(E-mail)zdlzb@sdut.edu.cn。

基金項目：公益性行業( 農業) 科研專項(20090305904) ; 山東省財政支持農業重大應用技術創新項目(2130106)

收稿日期：2015-04-02