上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置設計與分析

徐文騰，趙 靜，崔 欣，李其昀，金誠謙

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000)

0 引言

玉米是我國主要的糧食作物之一，也是一種重要的工業原料[1]。近幾年來，國家加大了玉米收獲機械化的推廣力度，使玉米收獲機械化水平得到極大的提高[2]。我國擁有廣闊的玉米種植面積，因為各地區的地質差異，所以存在多種種植模式，種植行距不統一[3]。玉米種植行距的不統一，導致了玉米收獲時，存在植株被推倒造成損失的現象[4]。

摘穗裝置是玉米收獲機的核心工作部件，對玉米的收獲品質起到了至關重要的作用，同時摘穗裝置的摘穗性能也是玉米收獲機作業性能評價的重要因素[5]。我國現有的摘穗裝置主要是利用拉莖輥或摘穗板對果穗的擠壓、碰撞完成摘穗的，摘穗過程中容易對玉米果穗造成啃傷，影響玉米的收獲品質[6]。隨著我國玉米收獲技術的不斷成熟，降低玉米籽粒的損失率，已成為迫切需要解決的問題[7]。山東理工大學的程修沛等人，對上拉莖掰穗裝置進行了前期實驗[8]。為此，通過分析該裝置存在的問題，對其進行優化改進，提高其對行適應性和秸稈處理能力，使其能夠在一定程度上對玉米秸稈進行切斷；改善上拉莖掰穗裝置抽出的秸稈過長的現象，能夠在拉莖掰穗的同時將玉米秸稈進行切斷，以便后續工作機構對秸稈進行粉碎還田處理。

1 試驗臺總體方案設計

該掰穗裝置試驗臺設計的主要目的是能夠實現對不對行及倒伏玉米的撥禾喂入，掰穗機構能夠實現玉米果穗以自上而下的方式進行掰穗，并完成對秸稈的切斷工作。同時，要求能夠對拉莖輥的間隙進行一定范圍的調整，且上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置能夠整體進行一定角度的調整，以實現不同角度情況下對試驗臺裝置性能的檢測。

1.1 試驗臺組成

上拉切莖式仿生玉米掰穗試驗臺的主要工作部件為掰穗機構、玉米植株輸送機構、撥禾喂入機構、功率測試系統、高速攝像系統和計算機數據采集系統等，如圖1所示。

1.功率測試儀 2.掰穗機構 3.撥禾喂入機構 4.玉米植株輸送軌道 5.玉米植株 6.高速攝像機 7.計算機

掰穗機構包括電動機、滾子鏈聯軸器、齒輪傳動系統、刀片式拉莖輥，以及摘穗板等部分。刀片式拉莖輥能夠保證對玉米秸稈的有效拉力，減少摩擦打滑導致的秸稈無法向上拉出的現象；添加柔性材料的摘穗板位于輸送拉莖輥下方，是掰穗的主要工作部件。撥禾喂入機構由大小兩套鏈輪組組成，喂入機構所形成的平面與掰穗機構所在的平面垂直，將不對行或倒伏的玉米撥正喂入；大鏈輪組帶有撥齒，將玉米莖稈撥正后，兩邊撥齒對接防止玉米植株的回倒，如圖2所示。玉米植株輸送機構由電機和導軌組成，使用套管固定玉米植株，由電機帶動導軌將玉米植株輸送至掰穗機構，用以模擬玉米收獲機的行走運動。功率測試系統由功率測試儀及電腦組成，功率測試儀與勵磁調速器相連，用以檢測和記錄裝置的功率消耗情況，以便后續分析使用。高速攝像系統由高速攝像儀和計算機相連，在裝置運行過程中記錄玉米秸稈的運動狀態及各部件對秸稈的作用效果，以便確認各部件的工作效果。

1.撥禾鏈撥齒 2.撥禾鏈 3.玉米植株

1.2 掰穗機構力學分析

工作時，玉米植株由輸送裝置引導輸送，首先進入撥禾喂入裝置，由撥禾喂入裝置將不對行或倒伏的玉米進行扶正收攏喂入掰穗機構；喂入到掰穗機構后，刀片式拉莖輥相向運動夾持引導植株向上向后運動，玉米果穗觸碰摘穗板，并對果穗施加側向向下推力，使果穗產生彎曲折斷脫離植株；果穗不與輸送拉莖輥直接接觸，掰穗完成的同時對玉米秸稈進行切斷抽出，再配合其他工作部件如粉碎還田機構進行還田等綜合利用。

玉米秸稈進入掰穗機構后，主要受到刀片的切莖力F1、F2，如圖3所示。當玉米果穗碰到摘穗板時，摘穗板給予果穗一個向下的沖擊力T，穗柄彎曲折斷完成掰穗步驟。其中，P為拉莖輥對玉米秸稈施加的向上向后的拉力(N),即F1、F2的合力；P1為玉米秸稈所受的向上的分力(N)；P2為玉米秸稈所受的向后的分力(N)；F1、F2分別是兩個拉莖輥對玉米秸稈施加的力(N)；T為摘穗板對玉米果穗施加的掰穗力(N)。

1.玉米秸稈 2.拉莖輥 3.摘穗板 4.玉米果穗

2 關鍵工作部件結構與參數的設計

2.1 刀片式拉莖輥主要結構和參數的設計

刀片式拉莖輥的安裝方式決定了拉莖切莖的效果，拉莖輥安裝方式主要有兩種:一種是刀片交錯排列，如圖4(a)所示。這種安裝方式的優點是拉莖效果好，但是秸稈切斷效果一般。另一種是刀片相對安裝，如圖4(b)所示。這種安裝方式的優點是切莖效果好，但容易出現秸稈被拉斷的現象。

(a) 刀片交錯 (b) 刀片相對

為保證秸稈的切斷效果，選用第二種安裝方式。摘穗輥的間隙對切莖拉莖的效果起到至關重要的作用，間隙過大莖稈切不斷，間隙過小容易將玉米秸稈切斷。拉莖輥拉莖過程中，要求在玉米秸稈還沒切斷前，第二對刀片又夾住秸稈。根據查閱的文獻資料，確定轉動的拉莖輥最小間隙為2～3mm。拉莖輥旋轉1周，玉米秸稈被切成4段，切斷長度為L。切斷長度計算公式為

(1)

式中L—莖稈切斷長度(mm)；

D—兩個相對刃口的直線距離，即拉莖輥的最大直徑(mm)。

由式(1)可以看出：秸稈的切斷長度與拉莖輥的轉速無關，只與拉莖輥的最大直徑有關。

根據拉莖輥的最小間隙與拉莖輥的最大直徑可以求得兩拉莖輥的中心距a=96mm，兩拉莖輥以相同的速度相向旋轉。

2.2 撥禾喂入裝置主要結構和參數的設計

撥禾喂入裝置的主要參數有撥禾鏈的間距、傳動鏈輪的傳動比，以及節距、齒數。撥禾鏈的間距需要滿足玉米植株正常通過的要求，如圖5所示。其具體尺寸由玉米果穗最外端到玉米秸稈的距離來確定，對30株玉米植株進行測量得到的最大距離為15.6cm，確定撥禾鏈的間隙為20cm。撥禾喂入過程中，需要保證玉米植株不能回落，由一對撥齒的對接來保證，根據撥禾鏈的間隙確定撥齒的長度為9.5cm，可使玉米植株完全通過撥禾間隙，以免產生堵塞。

圖5 撥禾鏈間隙分析示意圖

小鏈輪的傳動比需要根據拉莖輥的轉速及撥禾鏈的撥禾速度來確定。撥禾鏈的工作速度為撥禾鏈線速度的一個分量V1，V1為機器前進速度Vm的2.0倍，并根據V1確定撥禾鏈的線速度V，它和拉莖輥與地面所成夾角有關，如圖6所示。其中，Vm為玉米植株前進的速度，即機器的前進速度(m/s)；V為撥禾鏈的撥禾速度(m/s)；V1、V2為撥禾速度水平和鉛直方向的分速度(m/s)。

1.拉莖輥 2.傳動鏈輪組 3.撥禾鏈輪組 4.玉米植株

撥禾鏈線速度為

(2)

式中V—撥禾鏈的線速度(m/s)；

Vm—玉米植株前進的速度(m/s)；

α—拉莖輥與地面所成夾角(°)；

d—撥禾鏈主動鏈輪分度圓直徑(m)；

Rb—撥禾鏈主動鏈輪轉速(r/min)。

取Vm=1m/s、α=40°，由式(2)得：V≈3m/s。由V得Rb≈460r/min。

傳動鏈輪與撥禾鏈輪的連接方式如圖7所示。由撥禾線速度確定撥禾鏈輪的轉速Rb，并根據拉莖輥的轉速R確定傳動鏈輪的傳動比i。根據傳動比計算出傳動鏈輪組的大、小鏈輪的節距、齒數，并選用合適的鏈條。

傳動鏈輪組的傳動比為

(3)

式中i—傳動鏈輪的傳動比；

R—拉莖輥的轉速；

Rb—撥禾鏈輪的轉速。

取R=800r/min，由式(3)得i=0.057 5。

根據傳動比i，由機械設計手冊得到主動鏈輪的參數為節距p=12.7、齒數Z=15，從動鏈輪的參數為節距p=12.7、齒數Z=26。鏈條選用普通的單排滾子鏈，節距為p=12.7。

1.上端固定軸承 2.鏈輪傳動軸 3.傳動從動鏈輪 4.撥禾主動鏈輪 5.撥禾鏈輪組固定板 6.下端固定軸承

3 試驗臺三維實體建模與干涉檢查

在整機的虛擬裝配中，先將整機分成幾個獨立的部件進行裝配。各部件的虛擬樣機由組成該部件的三維零件模型裝配而成，整機虛擬樣機由幾個部件組合裝配而成，這樣建立的虛擬樣機便于分析和修改。在上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置的建模過程中，將整機裝置分為電機支架、底座支架、掰穗機構及撥禾喂入機構等部分，分別對其進行裝配。

3.1 掰穗機構的三維實體建模

1)齒輪箱整體的虛擬設計。在上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置中，齒輪箱是整個裝置中最重要的傳動機構，動力輸出分兩路，分別傳遞給左右拉莖輥和撥禾鏈。齒輪箱主要由齒輪、箱體、軸承及傳動軸組成。全部零部件的三維模型建立完成后進行虛擬裝配，建立如圖8所示的齒輪箱虛擬樣機。

2)拉莖輥、摘穗板及間隙調節器的虛擬設計。拉莖輥是上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置最主要的工作部件，它與摘穗板共同組成摘穗單元，拉莖輥向上拉莖將玉米秸稈抽出，摘穗板將玉米果穗摘下。間隙調節器由連接在拉莖輥前端的異型帶座軸承和螺母組成，通過調節螺母來控制拉莖輥的間隙。摘穗裝置虛擬樣機具體結構如圖9所示。

3.2 撥禾喂入機構的三維實體建模

撥禾喂入機構由一大一小兩套鏈輪組構成，帶撥齒的撥禾鏈將玉米植株撥正喂入，帶撥齒的小鏈條起到傳動和喂入作用。根據主動、從動鏈輪的參數確定鏈輪的具體尺寸，對鏈輪、鏈條進行三維建模，同時建立傳動軸、帶座軸承、固定板的三維模型；各零件的三維模型完成后，進行撥禾喂入機構的虛擬裝配。撥禾喂入機構的虛擬樣機如圖10所示。

圖8 齒輪箱三維模型

圖9 掰穗機構三維模型

圖10 撥禾喂入機構的三維模型

3.3 試驗臺三維總體的三維實體建模

在對各個主要工作部件的建模裝配完成后，根據建模尺寸設計電機支架和底座支架的結構和尺寸，最后進行試驗臺總體的虛擬裝配。試驗臺虛擬樣機如圖11所示。

1.掰穗機構 2.撥禾喂入機構 3.電機 4.底座支架

3.4 試驗臺干涉檢查

對裝配后的上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置虛擬樣機分別進行靜態干涉檢查和動態干涉檢查。首先進行靜態干涉檢查，靜態干涉檢查是保證產品能靜態裝配到位而不發生干涉，即保證產品在結構上是可以裝配的，這是裝置能否裝配的最基本要求。對上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置的檢查可以由三維建模軟件完成，由圖12軟件分析結果可以看出沒有發生干涉。

圖12 試驗臺虛擬裝配干涉檢查

動態干涉檢查是為了保證各個零部件在其裝配路徑上不與周圍環境對象發生碰撞干涉。這是對產品的工藝要求，保證按照一定的裝配順序，各零部件能夠順利安裝到位，不會在安裝過程中發生碰撞干涉，是裝置能夠順利生產的技術保證。結果發現：沒有動態干涉存在，整機能夠順利裝配完成。

4 試驗臺搭建與測試

在前述工作的基礎上，根據試驗要求對試驗臺各零部件進行加工及裝配，在山東理工大學農業工程性能實驗室對該摘穗試驗臺進行了初步測試。結果表明：該試驗臺能夠完成基本的玉米摘穗裝置的參數性能試驗。

搭建完成的摘穗裝置試驗臺及實驗過程,如圖13所示。

圖13 摘穗裝置試驗臺及實驗過程

5 結論

根據上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置的主要組成及性能參數的試驗要求，對其摘穗機構進行了力學分析，并根據分析結果確定了關鍵零部件的參數及結構。基于SolidWorks軟件平臺對其各主要零部件進行了三維建模，并進行了虛擬裝配，裝配完成后進行了主要零部件干涉檢查。根據三維設計模型，完成了試驗臺的實體搭建，并對試驗臺進行了初步測試，結果表明：該試驗臺能夠完成喂入、掰穗、切莖等基本功能。試驗臺的成功搭建為后續進行各參數的試驗提供了條件。

參考文獻：

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