一種新型玉米去雄裝置的設計

靳 帥，蔡紅光，盧景忠

(1.吉林農業大學 工程技術學院，長春 130118；2.吉林省農業科學院，長春 130033)

0 引言

東北地區是我國重要的商品糧生產基地，也是我國七大玉米制種區之一[1]，同時擁有與美國玉米帶、烏克蘭玉米帶并稱為世界三大黃金玉米帶的吉林玉米帶。

玉米去雄也叫抽除頂花、天花[2]。對于制種行業來說，玉米去雄可以有效提高種子的純度；對于商品糧種植來說，去雄可以有效的增產，一般每667m2可以增產玉米30～50kg，增產率達10%左右[3]。同時，玉米去雄還能減少病蟲害的爆發及農藥的使用，有效保護環境，并能夠改善通風透光性，提高光能的利用率[4]。在我國玉米去雄主要以人工去雄為主，但存在勞動強度大、效率低下及作業環境惡劣等缺點。玉米去雄具有時間性限制，作業周期短，與人工去雄相比，機械去雄具有作業效率高等優勢，但國外玉米去雄機的價格非常昂貴，農民的購買能力低[5],制約了玉米機械化去雄的進程。為此，借助高地隙噴藥機的通過優勢，在高地隙噴藥機上加裝新型玉米去雄裝置，在不改變高地隙噴藥機原有噴施藥液功能的前提下，增加去雄的新功能，實現一機多用。

1 設計原理及機構

1.1 設計原理

該玉米去雄裝置主要由玉米雄穗切頂器和四桿仿形機構組成，安裝在高地隙噴藥機上，通過液壓油缸的升降帶動四桿仿形機構運動，來控制切頂器適應不同高度植株作業的需求。其中，液壓馬達旋轉帶動旋轉刀盤運動，從而實現切雄作業。

1.2 總體設計

玉米去雄裝置結構示意，如圖1所示。通過U型螺栓將玉米去雄裝置的主架和高地隙噴藥機的機架固定，切頂器用U型螺栓固定在升降架上。由于玉米植株受種子、生長環境等多種因素影響，玉米植株高度不一定一致，通過液壓油缸的伸縮作用，四桿仿形機構隨之運動，升降架隨之進行上下運動，并帶動切頂器進行上下運動，實現在不同高度范圍的調節，滿足不同玉米植株高度去雄的需要。切頂器通過液壓馬達的旋轉，帶動由聯軸器聯接的旋轉軸進行旋轉，通過旋轉轂帶動刀盤進行旋轉，實現高速旋轉，分禾器將玉米植株順利導入到刀盤處，完成玉米植株的去雄作業。

1.機架 2.U型螺栓 3.上連桿 4.液壓油缸 5.升降架 6.方管 7.液壓馬達 8.軸承座 9.旋轉軸 10.分禾器 11.刀盤 12.下連桿圖1 玉米去雄裝置Fig.1 Maize detasseling device

2 主要工作部件的設計

2.1 四桿仿形機構的設計

玉米植株在生長過程中由于受種子、生長環境或其它因素影響往往造成同一行中玉米植株高度不一致的生長特征，切頂器與玉米植株之間需要保持一定距離范圍才能獲得較好的去雄效果，且有較小的葉片損失率。為了適應玉米植株高度變化的調節，設計了仿形四桿機構采用平行四桿機構[6]，主要由主架、上連桿、下連桿及前懸架組成，如圖2所示。

圖2 四桿仿形機構Fig.2 Four-bar copying mechanism

簡化機架的連接部分，以機架的下鉸接點O為坐標原點，前進的水平方向為x軸方向，垂直方向為y方向，建立直角坐標系[7]。由于液壓油缸的鉸接點A距下連桿軸線OB的距離較近，與其他長度相比，可以忽略不計。近似取OAB在一條直線上，根據平行四桿機構，前懸架中B點的移動位移為切頂部件的移動位移。則B點沿y軸方向的位移為

式中lOA—OA間的距離(mm)；

lOB—OB間的距離(mm)；

lOD—OD間的距離(mm)；

lAD—AD間的距離(mm)。

當液壓油缸運動時，B點將連續移動到B′時，則B′的y軸方向位移為

s=vt

式中lOB′—OB′間的距離(mm),lOB′=lOB；

lOA′—OA′間的距離(mm)，lOA′=lOA；

lA′D—A′D間的距離(mm)，lA'D=lAD+s,s為液壓油缸的伸縮量，伸長為正，收縮為負(mm)；

v—液壓油缸的運動速度(mm/s)；

t—液壓油缸的調節時間(s)。

根據上式可以得到B點沿y軸方向的位移

2.2 切頂器

玉米雄穗切頂器主要由方管、液壓馬達、聯軸器、軸承座、旋轉軸、刀盤、護罩和分禾器等部分組成，如圖3所示。方管與安裝液壓馬達的法蘭盤進行焊合，通過改變切頂器的方管在四桿仿形機構的升降架的位置可以適合不同玉米種植模式下的行距變化。

1.液壓馬達 2.螺栓 3.方管 4.鍵 5.聯軸器 6.軸承 7.軸承座 8.軸承 9.旋轉軸 10.護罩 11.螺母 12.分禾器 13.旋轉刀盤圖3 切頂器Fig.3 Cutting mechanism

2.2.1 液壓馬達的選取

選用擺線液壓馬達，額定扭矩為8N·m，額定輸出功率為1.3kW，額定流量為14L/min。

2.2.2 聯軸器的選擇

本文選擇的聯軸器主要用于連接液壓馬達的輸出軸和旋轉軸，用以傳遞運動與轉矩。聯軸器的計算轉矩位

Tca=KAT=12N·m

式中T—公稱轉矩(N·m)；

KA—工作情況系數，取KA=1.5。

查機械設計手冊選用套取聯軸器[8]。

2.2.3 旋轉軸的設計

旋轉軸是切雄傳遞動力的重要部件，承受液壓馬達、刀盤的驅動扭矩，容易產生扭曲、彎曲等組合變形。液壓馬達通過聯軸器帶動旋轉軸旋轉，通過旋轉刀片對玉米雄穗進行切割作業。玉米雄穗看做柔性體，可以計算出旋轉軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理。

式中d—截面處軸的直徑(mm)；

P—軸傳遞的功率(kW)，取P=1.3；

n—軸的轉速(r/min)，取n=1K 537；

A0—系數，取A0=126。

其中，在軸的最小直徑處開有鍵槽，應考慮鍵槽對軸的強度的消弱。在最小軸頸段安裝旋轉刀盤，有一個鍵槽，軸頸增大7%，即

d=dmin+7%dmin=12.84mm

2.2.4 分禾器的設計

分禾器主要是將玉米雄穗攏到切頂器刀盤的工作區域內，進而使用刀盤進行切割雄穗，進行去雄。本文設計的分禾器采用喇叭口形式，使用圓鋼彎曲制成，焊合在U型卡套上，通過螺栓固定在軸承座上[9]。分禾器的三維模型如圖4所示。

圖4 分禾器Fig.4 Divider

3 旋轉軸模型分析

3.1 模型建立

使用SolidWorks軟件建立軸的三維模型，為減少處理時間，提高軟件分析效率，對軸上的螺紋進行忽略處理，并利用SolidWorks simulation創建軸的有限元靜力學分析算例[10]。

3.2 材料屬性

旋轉軸選用45號鋼調制處理，材料密度為7.85×103kg/m3，泊松比0.3，屈服強度620.4MPa。

3.3 劃分網格

劃分節點數77 229，單元數51 493，自由度數231 165，如圖5所示。

3.4 有限元分析后置處理

應力云圖如圖6所示。應變云圖如圖7所示。位移云圖如圖8所示。

圖5 網格化Fig.5 Gridding

圖6 應力云圖Fig.6 Stress nephogram

圖7 應變云圖Fig.7 Strain contours

圖8 位移云圖Fig.8 Displacement fringe

4 試驗效果

田間試驗在吉林省農業科學院農業資源與環境研究所試驗地進行，試驗地地勢平坦，南北走向，試驗地長150m、寬100m。在雄穗完全長出，還未進行授粉時進行試驗。采用切頂去雄裝置，試驗時，配套的高地隙噴藥機的工作速度約為4.6km/h，田間作業效果如圖9所示。試驗后隨機選取4個區域(不選取地頭和轉彎區域)每個區域選取4行，長度為6m，檢查母本玉米雄穗是否去除干凈，試驗結果如表1所示[11]。

試驗表明：在母本玉米雄穗長出后，去雄合格率為91.0%。主要原因是玉米植株的生長高度不完全一致，四桿仿形機構在液壓油缸響應時間內，出現漏切和未完全切除現象，同時刀盤接觸雄穗時，會把接觸到的莖葉一起切掉，出現較高的葉片損失率。

圖9 試驗效果Fig.9 Test results表1 去雄試驗統計Table 1 Emasculation statistics

序號抽樣區域玉米植株總數/株成功去雄玉米植株總數/株去雄率/%11089890.7211310693.831059287.6411010191.8平均值91.0

5 結論

1)設計的玉米去雄裝置采用液壓驅動，具有響應速度快，工作穩定的特點[12]。

2)旋轉軸通過SoidWorks中Simulation有限元軟件分析，得到旋轉軸的應力、應變和位移圖。

3)通過四桿仿形機構控制切頂器進行不同高度玉米植株去雄作業，使切頂器始終處于最佳作業高度。

4)田間試驗表明：去雄合格率為91.0%，滿足農藝對機械化去雄作業的要求。機械去雄可以有效提高作業效率，降低人工勞動強度。