玉米收獲機(jī)多棱立輥式摘穗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

耿端陽(yáng) 李玉環(huán) 孟凡虎 孟鵬祥 倪國(guó)慶 張明源

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000； 2.雷沃重工股份有限公司， 濰坊 261206)

玉米收獲機(jī)多棱立輥式摘穗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

耿端陽(yáng)1李玉環(huán)1孟凡虎1孟鵬祥1倪國(guó)慶2張明源2

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000； 2.雷沃重工股份有限公司， 濰坊 261206)

針對(duì)現(xiàn)有玉米收獲機(jī)摘穗裝置存在籽?？袀?、啃落導(dǎo)致?lián)p失嚴(yán)重等問題，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、摘穗效果好、可靠性高的多棱立輥式摘穗裝置。研究了立式激振折斷的摘穗機(jī)理，分析了多棱立輥式摘穗裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法；通過正交試驗(yàn)確定了影響摘穗質(zhì)量的主次因素為棱邊數(shù)、摘穗輥轉(zhuǎn)速和摘穗輥直徑；較優(yōu)組合為：摘穗輥直徑為7 cm、棱邊數(shù)為8、摘穗輥轉(zhuǎn)速為950 r/min，在該條件下本摘穗輥的籽粒破損率為0.13%、落地籽粒損失率為0.28%、莖稈折斷率為0.53%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。在較優(yōu)組合條件下進(jìn)行了調(diào)整內(nèi)角Δ大小的驗(yàn)證試驗(yàn)，通過試驗(yàn)可知調(diào)整內(nèi)角Δ為16°時(shí)，即最大調(diào)整范圍的一半時(shí)摘穗質(zhì)量最好。

玉米收獲機(jī)； 激振式； 立輥式摘穗裝置； 多棱體

引言

立輥式玉米摘穗技術(shù)是果穗在立輥?zhàn)饔孟峦瓿晒胧斋@的一項(xiàng)技術(shù)，其特點(diǎn)是果穗摘下后能在重力作用下立即離開摘穗輥，從而防止籽粒的啃傷和啃落，大大減少果穗的收獲損失[1-5]。張道林等[6-9]通過對(duì)立輥式玉米摘穗與莖稈切碎裝置研究，推出了3段式立式摘穗輥結(jié)構(gòu)，解決了摘穗輥各段長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)方法，為立輥式玉米收獲割臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了理論支持；閆洪余等[10-12]通過對(duì)立輥型玉米收獲機(jī)摘穗輥輥型的研究發(fā)現(xiàn)，圓頂花紋立輥在轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，其摘穗過程的功率消耗最低。眾多研究者通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，立輥式玉米割臺(tái)作業(yè)過程具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、摘穗快等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其摘穗間隙變化、且摘穗輥多為花瓣型或者帶凸肋結(jié)構(gòu)，作業(yè)過程存在啃傷果穗、夾斷莖稈等問題，嚴(yán)重制約了該型機(jī)器的推廣應(yīng)用[6-12]。

為解決立輥式玉米割臺(tái)存在啃傷(落)籽粒和擠斷莖稈的瓶頸問題，在傳統(tǒng)立輥式玉米摘穗技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)多棱立輥式激振折斷果柄的摘穗裝置。

1 玉米收獲機(jī)果穗損失機(jī)理分析

當(dāng)前玉米果穗收獲損失主要包括果穗損失和籽粒損失兩部分，其中果穗損失主要包括割臺(tái)推倒莖稈的漏收損失、玉米割臺(tái)收獲過程的果穗崩落損失、果穗輸送和剝皮過程的掉落損失等，這些損失在技術(shù)上比較容易得到控制；而籽粒損失主要包括割臺(tái)摘穗過程的啃傷和啃落損失以及剝皮過程的籽粒啃傷和落粒隨苞葉的夾帶損失，其中啃傷和啃落籽粒損失是當(dāng)前玉米收獲機(jī)普遍存在的問題，也是當(dāng)前玉米收獲機(jī)難以解決的瓶頸問題[13-16]。

圖1 傳統(tǒng)摘穗輥摘穗過程示意圖Fig.1 Schematic of traditional way of picking ear snapping rolls1.螺旋凸棱 2.果柄 3.果穗大端 4.籽粒 5.摘穗輥

為了確定籽粒被啃傷和啃落的機(jī)理，對(duì)其摘穗過程進(jìn)行分析，如圖1所示。顯然,要保證摘穗輥穩(wěn)定抓取莖稈，則要求摘穗輥間隙較小，約為莖稈直徑的1/3～1/2；而為了在果穗摘除過程實(shí)現(xiàn)莖稈的向后輸送，目前多采用在摘穗輥表面設(shè)置高為10 mm左右的螺旋凸棱；為了將果柄強(qiáng)制擠斷，在加強(qiáng)筋的垂直方向設(shè)有摘穗鉤。這樣，在摘穗過程，螺旋凸棱會(huì)從籽粒頂部向穗軸方向運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致籽粒的脫落、啃傷[13-15]。

其次，對(duì)于縱臥輥式摘穗裝置，當(dāng)果穗摘下后必然在重力作用下落在摘穗輥上，由于果穗在與摘穗輥持續(xù)接觸過程不斷受到螺旋凸棱和摘穗鉤的作用，進(jìn)一步增加了籽粒的啃傷和啃落，從而加劇了果穗收獲過程的籽?？新渑c啃傷損失[16-17]。

對(duì)于板式摘穗裝置，工作時(shí)由拉莖輥強(qiáng)行將玉米莖稈拉下，通過摘穗板對(duì)玉米果穗的阻擋作用，實(shí)現(xiàn)果穗和莖稈的分離。由于板式摘穗裝置是強(qiáng)制拉斷莖稈，不僅動(dòng)力消耗較大，含雜率較高，而且容易拉斷莖稈，給作業(yè)的可靠性帶來很大威脅[17]。

顯然，要控制并減少玉米果穗收獲過程的籽?？袀吐淞p失，提高割臺(tái)的工作可靠性，必須對(duì)其摘穗方式和摘輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即減少果穗與摘穗輥的接觸時(shí)間，防止摘穗過程螺旋凸棱和摘穗鉤對(duì)果穗造成損傷；減少拽拉過程拉力的驟變，防止莖稈拉斷，保證工作的可靠性。

2 多棱立輥式摘穗原理

首先，為了避免摘下果穗與摘穗輥的持續(xù)接觸，將臥輥式摘穗結(jié)構(gòu)改為立輥式摘穗結(jié)構(gòu)，這樣，果穗摘落后在重力作用下會(huì)立即離開摘穗輥，避免了果穗與摘穗輥的持續(xù)接觸，防止了果穗籽粒的啃傷和啃落；同時(shí)考慮摘穗時(shí)果穗大端必然會(huì)與摘穗輥接觸，但是由于摘穗輥上螺旋凸棱和摘穗鉤是焊接在摘穗輥表面，如圖1所示，必然導(dǎo)致大端籽粒被啃傷或啃落以及莖稈拉斷問題。為此，要求摘穗輥表面不能出現(xiàn)凸出摘輥表面的螺旋凸棱或者摘穗鉤，所以初步將立輥式摘穗輥結(jié)構(gòu)確定為無凸棱和摘穗鉤的圓柱結(jié)構(gòu)。

3 多棱立輥式摘穗裝置設(shè)計(jì)

對(duì)于無螺旋凸棱和摘穗鉤的圓柱結(jié)構(gòu)摘穗裝置，雖然可以避免摘穗過程對(duì)果穗大端的啃傷和莖稈的拉斷，但是當(dāng)無肋光滑圓柱摘穗輥間隙設(shè)置偏小時(shí)，莖稈喂入困難，影響收獲機(jī)的工作可靠性；如果摘穗輥間隙設(shè)置過大，存在拉拽力不足，容易產(chǎn)生摘穗輥堵塞等問題，影響果穗可靠收獲。本研究從輥型出發(fā)，研究具有足夠拉拽力且不損傷果穗的摘穗輥結(jié)構(gòu)，首先分析了正棱柱結(jié)構(gòu)(這里以正六棱柱為例)，兩個(gè)摘穗輥采用棱角對(duì)棱角的配置安裝，則摘穗輥間隙變化如圖2所示。由該圖可以看出，摘穗輥間隙在整個(gè)摘穗過程中呈腰鼓狀變化，當(dāng)摘穗間隙小時(shí)，增大了拉拽力，將果穗摘下，當(dāng)間隙大時(shí)，保證順暢喂入，降低了功耗。研究發(fā)現(xiàn)該型摘穗結(jié)構(gòu)主要依靠?jī)烧胼亴?duì)果穗大端擠壓摘穗，在摘穗輥高速運(yùn)動(dòng)的情況下，容易造成果穗大端的啃傷，同時(shí)存在斷莖的問題。為了實(shí)現(xiàn)低損、低耗摘穗，將摘穗過程分解，首先摘穗輥將莖稈夾持，繼而通過不斷改變摘穗方向帶動(dòng)果穗左右高頻擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)果柄的折斷，完成果穗的低損折斷收獲。即采用激振折柄的方式收獲果穗，從而降低莖稈的拉斷風(fēng)險(xiǎn)和摘穗過程的動(dòng)力消耗。

圖2 正六棱柱摘穗輥間隙變化規(guī)律Fig.2 Gap variation rule of hexagonal prism snapping rollers

基于以上激振折柄摘穗原理，對(duì)多棱柱形摘穗輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，即保證在兩輥中心距不變的條件下，改變輥形結(jié)構(gòu)，最終將其設(shè)計(jì)為如圖3所示多棱異型結(jié)構(gòu)(以異型八棱柱結(jié)構(gòu)為例)，該摘穗輥為內(nèi)角不等的對(duì)稱異型輥，且輥組在布置時(shí)采用如圖3所示的大角與小角對(duì)置的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到激振折柄摘穗的效果。

圖3 多棱立輥摘穗裝置示意圖Fig.3 Schematic of polygonal vertical-rollers

進(jìn)一步對(duì)其摘穗過程中摘穗輥間隙的變化規(guī)律進(jìn)行研究，摘穗輥間隙變化規(guī)律如圖4所示，即摘穗輥間隙基本不變、但摘穗輥對(duì)莖稈的夾持方向不斷變化，從而既保證了果柄反復(fù)折彎至折斷，也實(shí)現(xiàn)了莖稈的穩(wěn)定牽拉防拉斷，最終實(shí)現(xiàn)高效、低耗、可靠、無損摘穗。

圖4 多棱立輥摘穗裝置折彎方向變化規(guī)律Fig.4 Changing rule of bending direction of polygonal vertical-rollers snapping means

3.1 多棱立輥直徑的確定

依據(jù)玉米收獲機(jī)作業(yè)過程要求摘穗輥?zhàn)ト∏o稈而不抓取果穗的原理，摘穗輥直徑[10]為

(1)

式中D——摘穗輥直徑，cmd——莖稈直徑，cmh——摘穗輥間隙，cmdg——果穗大端直徑，cmμj——摘穗輥對(duì)莖稈的抓取系數(shù)μg——摘穗輥對(duì)果穗的抓取系數(shù)

本摘穗輥選用鑄鐵制造，在摘穗輥外形特點(diǎn)的條件下，實(shí)際測(cè)得μj≈μg,為0.48～0.65。

根據(jù)山東省玉米種植的情況(品種：先玉335)，其莖稈直徑為1.6～3.1 cm，果穗大端直徑為4.4～5.5 cm，則摘穗輥直徑為6.8～8.1 cm。

3.2 摘穗輥形狀及其尺寸的確定

3.2.1 摘穗輥形狀和參數(shù)的確定

為了保證摘穗過程果穗的高頻雙向擺動(dòng)，按前述分析該摘輥結(jié)構(gòu)不能為正棱柱結(jié)構(gòu)，即其內(nèi)角不能相等。但是考慮作業(yè)過程的重復(fù)性，應(yīng)實(shí)現(xiàn)折彎方向的循環(huán)往復(fù)，所以摘穗輥外形必須為偶數(shù)，即邊數(shù)為2n。其次為了保證擺動(dòng)幅度的一致性，要求其邊長(zhǎng)相等。

假設(shè)該摘穗輥為如圖5所示的2n邊棱柱，則其圓心角為

α=360/(4n)=90/n

(2)

其內(nèi)角為

2β=2(90-α)=180-180/n

(3)

為了保證雙向高頻折斷效果，對(duì)其內(nèi)角進(jìn)行調(diào)整，設(shè)調(diào)整角度為Δ，則調(diào)整角的最大范圍為:Δmax=180-2β=180/n，從而得調(diào)整角Δ的范圍為[0，180/n]。

如圖2所示，對(duì)于正2n邊棱柱來說，嚙合過程間隙會(huì)出現(xiàn)先小后大再小的變化規(guī)律，且在中部間隙最大；為了保證激振折斷摘穗的效果，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程，多棱柱的內(nèi)角調(diào)整范圍多為最大調(diào)整范圍的一半，即

Δ=Δmax/2=90/n

為了保證摘穗過程對(duì)莖稈的循環(huán)折彎，必須保證相鄰兩內(nèi)角一個(gè)增大，一個(gè)減小，從而形成激振折彎方向的交替循環(huán)變化。即調(diào)整后該2n邊棱柱的內(nèi)角變?yōu)閮蓚€(gè)交替變化的角度。

δ=2β±Δ

(4)

即較大的內(nèi)角為

δμ=2β+Δ=180-180/n+90/n=

180-90/n

(5)

較小的內(nèi)角為

δt=2β-Δ=180-180/n-90/n=

180-270/n

(6)

根據(jù)上述分析可知，調(diào)整前后的摘穗輥形狀如圖6所示。從圖中可以看出，調(diào)整后的摘穗輥邊長(zhǎng)L都相等，從而保證了擺動(dòng)幅度的一致性，根據(jù)三角形的正弦定理可知

(7)

圖6 多棱立輥內(nèi)角調(diào)整示意圖Fig.6 Schematic of interior angle resizing for polygonal vertical-rollers

可得棱邊長(zhǎng)度為

(8)

式中R——摘穗輥半徑，cmL——摘穗輥邊長(zhǎng)，cm

3.2.2 往復(fù)折彎角的確定

圖7 多棱立輥工作過程莖稈的擺動(dòng)角變化Fig.7 Variation of stem swing angle of polygonal vertical-rollers

設(shè)2n邊棱柱型摘穗輥組的配置如圖7所示，其內(nèi)角分別為δμ、δt，其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω，此時(shí)夾持于摘穗輥的莖稈處于Z1Z2位置；隨著摘穗輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)摘穗輥O2的棱邊E1F1轉(zhuǎn)到水平位置E2F2時(shí)，摘穗輥O1的棱邊B1C1正好轉(zhuǎn)到B2C2，此時(shí)夾持于兩摘穗輥的莖稈將處于B2C2與E2F2夾角的角平分線上，即l2位置，此時(shí)莖稈處于上極限位置，莖稈與水平線夾角為γ2；當(dāng)摘穗輥O1的棱邊B2C2繼續(xù)轉(zhuǎn)到B3C3位置，摘穗輥O2的棱邊E2F2轉(zhuǎn)到E3F3，此時(shí)莖稈處于棱邊B3C3與D3E3夾角的角分線l3位置，此時(shí)莖稈處于下極限位置，莖稈與水平線的夾角為γ3。顯然，上極限角

(9)

下極限角

(10)

所以，莖稈在整個(gè)摘穗過程的擺動(dòng)角為

γ2+γ3=(δμ-δt)/4+90-(δμ+δt)/4=

90-δt/2

(11)

式中γ2——上極限位置莖稈與水平線夾角，(°)γ3——下極限位置莖稈與水平線夾角，(°)

3.3 摘穗輥棱邊圓角的確定

傳統(tǒng)摘穗方式果穗啃傷和籽?？新渲饕且?yàn)檎胼伇砻媛菪估夂驼脬^作用的結(jié)果，所以雖然該新型摘穗輥表面沒有螺旋凸棱，但是其棱邊如果過于尖銳也可能啃傷果穗或者啃落籽粒，所以本機(jī)型在設(shè)計(jì)過程，對(duì)其棱邊進(jìn)行了鈍化處理，其中大角度的圓角半徑為8～10 mm，小內(nèi)角的圓角半徑為3～5 mm。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

針對(duì)摘穗輥對(duì)果穗收獲質(zhì)量和工作可靠性影響較大的問題[18]，選擇對(duì)上述目標(biāo)影響較大的棱邊數(shù)、摘穗輥直徑和摘穗輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)參數(shù)，以摘穗過程的落粒率、啃傷率和莖稈折斷率為考察指標(biāo)，對(duì)其按照正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，探索影響摘穗質(zhì)量的主次因素、確定較優(yōu)組合[19-20]，以提高該摘穗方式的適應(yīng)性。

4.1 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)間：2015年10月8日—16日；試驗(yàn)地點(diǎn)：山東省德州市武城縣豐神農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司；試驗(yàn)裝置：立輥式摘穗試驗(yàn)臺(tái)，如圖8所示。

圖8 多棱立輥式摘穗試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Tester of polygonal vertical-rollers snapping means

試驗(yàn)品種為先玉335號(hào)，隨機(jī)選取50株試驗(yàn)所用玉米植株進(jìn)行測(cè)量，重復(fù) 3次，得到植株的主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 玉米植株參數(shù)Tab.1 Parameters of corn plant

試驗(yàn)中選籽粒破損率、落地籽粒損失率和莖稈折斷率為試驗(yàn)指標(biāo)。

其中籽粒破損率

(12)

落地籽粒損失率

(13)

莖稈折斷率

(14)

式中WS——有損傷、有明顯裂紋以及破皮的籽粒質(zhì)量，kg

WL——落地籽粒質(zhì)量，kg

WZ——籽?？偭?，kg

Y1——每組試驗(yàn)莖稈折斷株數(shù)，株

Yz——每組試驗(yàn)總株數(shù)，株

4.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性,尋求較優(yōu)的參數(shù)組合，對(duì)所選3個(gè)參數(shù)進(jìn)行了三因素四水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，各因素的水平以滿足高質(zhì)量摘穗要求來選取，其因素與水平如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，A、B、C為因素編碼值。

表2 試驗(yàn)因素與水平Tab.2 Experimental factors and levels

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test design scheme and results

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 極差分析

摘穗輥直徑、棱邊數(shù)和摘穗輥轉(zhuǎn)速各水平對(duì)摘穗質(zhì)量的影響如圖9所示。由圖9可知，各考察因素的極差值越大，說明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。這樣確定了對(duì)落地籽粒損失率和籽粒破損率影響因素的主次關(guān)系如表4所示。

圖9 各指標(biāo)對(duì)摘穗質(zhì)量的影響Fig.9 Effect of factors on harvesting quality表4 試驗(yàn)指標(biāo)分析Tab.4 Analysis of test indexes

籽粒破損率落地籽粒損失率莖稈折斷率主次因素A、B、CC、B、AC、A、B較優(yōu)組合A2B3C1C1B3A2C1A3B3

4.3.2 方差分析

綜合極差分析與方差分析可知，摘穗輥直徑、棱邊數(shù)和摘穗輥轉(zhuǎn)速對(duì)摘穗質(zhì)量的影響各不相同。如表5所示，由方差分析結(jié)果可知：摘穗輥直徑、棱邊數(shù)、摘穗輥轉(zhuǎn)速對(duì)摘穗質(zhì)量和莖稈折斷率均有顯著作用，表明所選3個(gè)參數(shù)正確，是影響立輥式摘穗裝置摘穗質(zhì)量的主要因素。

在這3個(gè)參數(shù)中，摘穗輥直徑對(duì)摘穗質(zhì)量有顯著影響，摘穗輥直徑過小，導(dǎo)致擺動(dòng)幅度較小，弱化了激振折斷效果，使得籽粒破損率和落地籽粒損失率較大，不利于果穗摘除；直徑過大，使得摘穗輥棱邊過長(zhǎng)，擺角較大，果穗與摘穗輥容易產(chǎn)生碰撞造成摘穗質(zhì)量較差。摘穗輥直徑對(duì)莖稈折斷率也有顯著影響，當(dāng)摘穗輥直徑過小時(shí)，故障率增加，喂入效果差，莖稈折斷率也隨之增加；當(dāng)摘穗輥直徑過大時(shí)，莖稈容易折斷，堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重。

棱邊數(shù)對(duì)摘穗質(zhì)量的兩個(gè)指標(biāo)有顯著性影響。因?yàn)槔膺厰?shù)決定著擺動(dòng)頻率，在轉(zhuǎn)速一定的情況下摘穗輥棱邊數(shù)少，導(dǎo)致擺動(dòng)頻率較小，玉米果穗與摘穗輥接觸的時(shí)間變長(zhǎng)，從而導(dǎo)致擺動(dòng)效果變差，摘穗的質(zhì)量也就隨之降低；摘穗輥的棱邊數(shù)過大，會(huì)導(dǎo)致摘穗輥的擺動(dòng)幅度減小，弱化了擺動(dòng)折斷的效果，使摘穗質(zhì)量也相應(yīng)的降低。棱邊數(shù)對(duì)莖稈折斷率也有顯著影響，棱邊數(shù)過少，使擺動(dòng)幅度過大，從而增加了莖稈折斷率；棱邊數(shù)過多，使擺動(dòng)幅度過小，弱化了激振效果，果穗被強(qiáng)制拽下，莖稈的果穗段折斷的情況增多，從而增加了莖稈折斷率。

表5 方差分析結(jié)果Tab.5 Variance analysis result

注：*F0.1(3，6)=3.29，F(xiàn)0.05(3，6)=4.76；**F0.01(3，6)=9.87。

摘穗輥轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒破損率有顯著影響，對(duì)落地籽粒損失率有極顯著影響，摘穗輥的轉(zhuǎn)速越高對(duì)玉米果穗的沖擊越大，受到?jīng)_擊的玉米果穗會(huì)產(chǎn)生損壞或者籽粒脫落的情況，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速較高的情況下，籽粒破損率和落地籽粒損失率都較高；摘穗輥轉(zhuǎn)速也不能過小，當(dāng)轉(zhuǎn)速過小時(shí)，容易產(chǎn)生喂入不暢，故障率較高，堵塞摘穗輥的情況。摘穗輥的轉(zhuǎn)速對(duì)莖稈的折斷率也有顯著的影響，隨著摘穗輥轉(zhuǎn)速的增加，莖稈受到的摘穗輥?zhàn)饔玫念l率增加，莖稈的折斷率也隨之增加，摘穗裝置的堵塞情況增加，可靠性大大降低。

通過極差和方差的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，綜合各試驗(yàn)因素對(duì)摘穗質(zhì)量和莖稈折斷率的影響及其優(yōu)化組合，按照籽粒破損率、落地籽粒損失率和莖稈折斷率較低的原則，另考慮到實(shí)際工作時(shí)的喂入量，為了保證工作的穩(wěn)定性，摘穗輥轉(zhuǎn)速確定為950 r/min，最終確定A2B3C2的較優(yōu)組合，即摘穗輥直徑為7 cm、棱邊數(shù)為8、摘穗輥轉(zhuǎn)速為950 r/min，在該條件下本摘穗輥的籽粒破損率為0.13%、落地籽粒損失率為0.28%、莖稈折斷率為0.53%，完全滿足國(guó)家玉米收獲的技術(shù)要求。

4.4 調(diào)整內(nèi)角Δ

通過前面分析可知調(diào)整內(nèi)角Δ在實(shí)際設(shè)計(jì)過程，其值多為最大調(diào)整范圍的一半，即：Δ=Δmax/2=90°/n。為了驗(yàn)證理論分析的正確性，這里在摘穗輥直徑為7 cm、棱邊數(shù)為8、摘穗輥轉(zhuǎn)速為950 r/min的較優(yōu)條件下對(duì)調(diào)整內(nèi)角Δ進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。由于試驗(yàn)條件為棱邊數(shù)n=8，則其調(diào)整內(nèi)角Δ=90°/8=16.25°,本試驗(yàn)可取Δ為14°、15°、16°、17°、18°，做5組單因素試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，考察籽粒破損率、落地籽粒損失率和莖稈折斷率，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同調(diào)整內(nèi)角的試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of interior angle adjustment

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在摘穗輥的較優(yōu)組合下，當(dāng)調(diào)整內(nèi)角Δ為16°時(shí)，即為最大調(diào)整范圍的一半，摘穗質(zhì)量最好，籽粒破損率為0.14%，落地籽粒損失率為0.18%，莖稈折斷率為0.52%。

5 結(jié)論

(1)搭建了立輥式摘穗裝置試驗(yàn)臺(tái)，研究了該裝置的主要結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，確定了其關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)方法，為立輥式摘穗裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論支持。

(2)通過正交試驗(yàn)確定了影響摘穗質(zhì)量的3個(gè)主次因素為棱邊數(shù)、摘穗輥轉(zhuǎn)速和摘穗輥直徑；較優(yōu)組合為：摘穗輥直徑為7 cm、棱邊數(shù)為8、摘穗輥轉(zhuǎn)速為950 r/min。在較優(yōu)組合條件下本摘穗輥的籽粒破損率為0.13%、落地籽粒損失率為0.28%、莖稈折斷率為0.53%。

(3)在該較優(yōu)組合的條件下對(duì)調(diào)整內(nèi)角Δ進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，可知調(diào)整內(nèi)角Δ為16°時(shí)，即為最大調(diào)整范圍的一半，摘穗質(zhì)量最好。

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Design and Experiment of Corn Harvester Polygonal Vertical-rollers Snapping Means

GENG Duanyang1LI Yuhuan1MENG Fanhu1MENG Pengxiang1NI Guoqing2ZHANG Mingyuan2

(1.SchoolofAgriculturalandFoodEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255000,China2.FotonLovolInternationalHeavyIndustryCo.,Ltd.,Weifang261206,China)

The grain bite wounds and grain bite off of corn harvester snapping means caused a serious loss. Aiming at those existed problems, a polygonal vertical-rollers snapping means with simple structure, good snapping effect and high reliability was designed. The mechanism of the vertical vibration snapping broken was studied. And then the design methods of main structural parameters for polygonal vertical-rollers snapping means were analyzed. Orthogonal design method was used for test design with influence factors of the number of edges, snapping roll speed and snapping roll diameter. By orthogonal test, it can be known that the factors affecting the quality of snapping in order of their importance were the number of edges, snapping roll speed and snapping roll diameter. By orthogonal test, it can be known that the optimum combination was snapping roll diameter of 7 cm, the number of edges of 8, snapping roll speed of 950 r/min. Test under optimum combinations was carried out, and it was found that the grain broken rate was 0.13%, the grain loss rate was 0.28%, and the rate of broken stem was 0.53%. The grain losses and damages were both far lower than the national standard. Under optimum conditions, validation tests were done to determine the most appropriate size of the interior angle adjustment. The test result showed that the resizing interior angleΔwas 16°, which was half of the maximum interior angle range of adjustment, and under this conditions the harvesting quality was the best.

corn harvester; vibration snapping; vertical-rollers snapping means; polygonal

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.010

2016-06-22

2016-08-25

山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2016YF030)和山東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014GNC112004)

耿端陽(yáng)(1969—)，男，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究，E-mail： dygxt@sdut.edu.cn

S225.5+1

A

1000-1298(2017)03-0084-08