4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機設計與試驗

張喜瑞，吳 鵬，王克恒，李 粵，尚書旗，張秀梅

4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機設計與試驗

張喜瑞1，吳 鵬1，王克恒2，李 粵1，尚書旗3※，張秀梅1

（1. 海南大學機電工程學院，海口 570228；2. 山東巨明機械有限公司，淄博 256499；3. 青島農業大學機電工程學院，青島 266109）

為解決國內鮮食玉米收獲機械化程度低，玉米種植戶勞動強度大的問題，該文設計了適應中國鮮食玉米小地塊種植規模的收獲機。由于鮮食玉米特殊的采摘條件，該機摒棄了傳統摘穗模式，通過斜輥掰穗，完成鮮食玉米自上而下的掰穗過程，以降低對玉米果穗作用力，使果穗從莖稈上分離下來，實現了對脆嫩玉米的收獲要求。為驗證機器性能的可靠性、實用性，進行了田間試驗，以摘穗臺高度40～55 cm、拉莖帶轉速450～600 r/min、掰穗輥間隙25～34 mm作為試驗因素對喂入姿態成功率和果穗損傷率進行三因素四水平二次回歸正交試驗；采用極差分析和方差分析對各因素的影響顯著性進行判斷，得出各因素對喂入姿態成功率和果穗損傷率的影響顯著性順序分別為：夾持拉莖帶轉速＞摘穗臺高度＞掰穗輥間隙和夾持拉莖帶轉速＞掰穗輥間隙＞摘穗臺高度。各試驗因素最優化參數組合為摘穗臺高度47.5 cm，夾持拉莖帶轉速525 r/min，掰穗輥間隙29.5 mm，在該組合下莖稈喂入成功率為81%，果穗損傷率為5.4%。將對應參數進行試驗驗證，得到優化后最佳工作參數下：莖稈喂入成功率為83%，果穗損傷率為4.7%，優化預測模型可靠。該研究可為玉米收獲機械化提供技術路線，其摘穗方式可為其他類型的玉米收獲機研發提供參考。

農業機械；收獲機；設計；鮮食玉米；低損摘穗；田間試驗

0 引 言

農業是中國的第一產業，農業的發展對于中國國民經濟總體發展至關重要。鮮食玉米是在乳熟期采摘，果穗用于加工或直接食用的玉米類型，包括糯玉米、甜玉米、筍玉米等品種[1]。因其營養豐富、口感優良、老少皆宜而被譽為世界蔬菜之精品[2]。一般生長周期為75～90 d，在中國大部分地區1a可種植2季，具有生長期短、適應性廣、種植成本低、經濟效率高的優點，因而在全國范圍內均有種植。其種植面積逐年增加，預計在2020年將達到100萬hm2[3-4]。

然而，隨著鮮食玉米種植規模的擴大，其配套的農業機械并未得到相應的發展，目前鮮食玉米機械化收獲水平低，技術發展緩慢。大部分地區使用人工采收，收獲效率低，難以滿足市場需求。鮮食玉米收獲機作為未來玉米收獲機的發展方向，有望解決此類問題[5]。鮮食玉米收獲機械化能提高農民種植積極性，降低勞動負擔，從而促進增產增收。鮮食玉米的種植和機械化收獲是解決當前農村勞動力短缺問題的有效手段[6-7]。

國外鮮食玉米機械化水平較高，但大多是針對大塊田地而設計的大型機器，如美國十方公司設計的大型鮮食玉米收獲機[8]，難以直接應用于國內的小地塊種植區域。針對鮮食玉米的收獲及加工，國內相關學者進行了研究。其中針對鮮食玉米剝皮、脫粒、分揀等工藝，部分研究單位均設計出樣機并進行試驗，以及收獲機摘穗臺和鮮食玉米生產相關的設備[9-12]。如吉林大學王慧慧等和蘇州高新浩等[13-14]研究的基于鮮食玉米機器視覺技術，可有效完成不同質量、尺寸的鮮食玉米的產品品質檢測與分類；農業部規劃設計研究院何曉鵬[15]研制人工喂入式鮮食甜玉米籽粒切脫機，使用直線運動旋劃切削技術結合人工喂入的方式，對玉米籽粒進行脫粒處理；吉林大學同運運[16]研究鮮食玉米果穗供料裝置，可用于對玉米順向、切割、長度分級、飽和度分級和體質量分級等加工環節之前，降低這類加工環節的設計難度。上述對于鮮食玉米的相關技術，都在理論上做出創新性研究，奠定了后續的科研基礎。

本設計摒棄傳統的摘穗輥式或拉莖板式的摘穗臺，綜合國內各類玉米摘穗臺的特點，最大限度地降低對果穗的損傷[17-19]。玉米植株被切割器割下的同時，夾持輸送裝置夾持住玉米秸稈，當玉米莖稈輸送至掰穗輥處，掰穗輥模仿人工掰玉米的工作原理，對玉米穗施加側向推力，使玉米穗相對秸稈產生彎曲實現穗柄的折斷。本文將驗證這種果穗收獲方式收獲鮮食玉米果穗的可能性，以期能夠避免傳統摘穗方式對玉米果穗的損傷，為低損傷玉米收獲的創新研究提供參考。

1 鮮食玉米力學特性研究

鮮食玉米含水率高，質地脆嫩，為保證收獲機具設計結構合理性，需對玉米果穗進行力學特性研究。利用WD-E型精密微控電子式萬能試驗機對玉米果穗進行試驗，測定玉米果穗的抗壓強度和彈性模量。隨機選取20顆果穗進行測試，測得其長度均值為325 mm，果穗大端直徑均值為55.91 mm，含水率均值為63%。如圖1所示，計算機控制加載速率為0.3 mm/min，并記錄試驗數據。根據試驗數據可知，玉米抗壓強度平均值為8.85′104Pa，彈性模量為2.31′105Pa，此結果可為后續結構設計提供基礎數據。

1. 計算機 2. 加載裝置 3. 壓頭 4. 玉米果穗 5. 底板 6. 萬能試驗機

2 結構與工作原理

2.1 整機結構組成和工作原理

如圖2所示，4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機主要由摘穗臺、果穗升運器、液壓動力裝置、柴油機動力系統、行進裝置和果穗收集箱等組成，其中摘穗臺是整機作業的核心部件。

1. 摘穗臺 2. 前輪 3. 柴油機 4. 車身機架 5. 后輪 6. 果穗收集箱 7. 駕駛室 8. 液壓泵 9. 果穗升運器

鮮食玉米收獲機工作時，啟動柴油發動機，整機空載運轉待摘穗臺運行平穩，并啟動液壓裝置檢查果穗收集箱和摘穗臺升降是否正常[20]，根據采收鮮食玉米果穗高度調整摘穗臺以達到最佳摘穗高度。鮮食玉米收獲機設計為4個前進檔位和1個后退檔位。

2.2 動力傳遞方式

各裝置以車架為基礎，一次作業完成果穗摘穗、升運、收集。技術特點在于：針對鮮食幼嫩玉米無損收獲，作業過程中夾持喂入整齊流暢，摘穗臺不擁堵；斜置掰穗輥，配合拉莖帶完成摘穗，具有極高的技術要求，其工作參數如表1所示。

表1 4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機主要工作參數

收獲機柴油機的動力經變速箱后分為2路傳遞：變速箱和液壓動力系統。如圖3所示，柴油機的部分動力通過帶輪傳動的方式傳動到變速箱體驅動前輪完成機具前進和后退；另外一部分動力通過皮帶輪驅動液壓泵并帶到往復式割刀作業，從而液壓系統進行工作。

1. 往復式割刀 2. 拉莖帶 3. 掰穗輥 4. 液壓馬達 5. 果穗升運器 6. 摘穗臺通軸 7. 摘穗臺液壓缸 8. 左右半軸 9. 液壓泵 10. 中間傳動軸 11. 果穗收集箱液壓缸 12. 變速箱 13.前輪 14.柴油機 15.后輪 16.車身機架

1. Reciprocatoring cutter 2. Pulling stem belt 3. Picking roller 4. Hydraulic motor 5. Corn ear conveyer 6. Through axis of ear picking platform 7. Hydraulic cylinder of ear picking platform 8. Left and right half axis 9. Hydraulic pump 10. Intermediate propeller shaft 11. Ear collecting box hydraulic cylinder 12. Gearbox 13. Front wheel 14. Diesel engine 15. Back wheel 16. Body frame

注：虛線代表液壓系統的流體路線。

Note: Dotted line represents the fluid path of the hydraulic system.

圖3 動力傳遞簡圖

Fig.3 Simple diagram of power transmission

開始工作時，對整機掛前進1擋，使其平穩前進，再由駕駛人員調整方向實現鮮食玉米果穗對行收獲。采收鮮食玉米時，往復式割刀對鮮食玉米莖稈進行切割作業。同時，拉莖帶完成對玉米莖稈上部的夾持并使玉米莖稈隨著運動的拉莖帶向摘穗臺后方輸送。玉米莖稈下端的果穗在隨著莖稈向后輸送的過程中，被斜置的掰穗輥掰下，落入果穗升運器中，由果穗升運器將玉米果穗輸送到收集箱，實現收獲作業。

3 關鍵部件設計

圖4 摘穗臺整體結構

3.1 摘穗臺液壓缸設計

3.1.1 摘穗臺升降液壓缸基本參數確定

摘穗臺拉莖帶的運動和摘穗臺升降均由液壓動力提供，摘穗臺設計為可升降，以適應不同的果穗高度。液壓缸在載荷一定的情況下，盡量選取尺寸小、經濟性好的配件，摘穗臺質量大致在600~800 kg，摘穗臺高度可調整范圍為300 mm。摘穗臺安裝架用于連接收獲機主體和摘穗臺，安裝架的一端可繞機架主體轉動，另一端安裝摘穗臺，其結構如圖5所示。

兩固定端高度差為300 mm，摘穗臺安裝架的長度1為420 mm，摘穗臺安裝架中部設有可與液壓缸連接的鉸接座，設置于距安裝架左端2為280 mm處，安裝架可繞固定端旋轉的角度為15°~20°。直接應用Solidworks Motion模擬其運動過程，得到液壓缸缸體長度S為不小于110 mm[21]。分析其載荷，則液壓缸缸體直徑和活塞桿直徑可根據以下公式計算：

1. 收獲機主架 2. 摘穗臺安裝架 3. 活塞桿4. 液壓缸

1. Harvester main frame 2. Installing frame of ear picking platform 3. Piston rod 4. Hydraulic cylinder

注：為摘穗臺所受重力，N；為液壓缸和安裝架固定端的高度差，mm；為安裝架的活動角度，(°)；1為安裝架長度，mm；2為安裝架上2鉸接座的距離，mm；3為液壓裝置長度，mm；S為液壓缸缸體高度，mm；為缸體直徑，mm；為活塞桿直徑，mm。

Note:is the gravity of ear picking platform, N;is the height difference between the hydraulic cylinder and the fixed end of the installing frame, mm;is the mounting angle of the installing frame, (°);1is the length of installing frame, mm;2is the distance between two hinged seats on the installing frame, mm;3is the length of hydraulic device, mm;Sis the height of hydraulic cylinder, mm;is the inside diameter of hydraulic cylinder, mm;is the diameter of piston rod, mm.

圖5 摘穗臺升降液壓缸參數示意圖

Fig.5 Schematic diagram of ear picking platform lifting hydraulic cylinder parameters

3.1.2 液壓系統結構設計

摘穗臺部分液壓動作部件包括2個驅動摘穗臺液壓缸和4個驅動拉莖夾持裝置的液壓馬達、液壓泵、電磁換向閥、安全閥、油箱等，其中2個液壓缸同步動作，同組的液壓馬達反向同步轉動。液壓馬達只用于驅動拉莖皮帶輪，因此采用BMR-80型液壓馬達，其液壓系統如圖6所示[22]。

3.2 往復式割刀裝置設計

鮮食玉米采收時，其植株含水率在35%～50%左右，極高含水率導致鮮食玉米莖稈抗剪強度高、纖維韌性好。綜合其特殊作業環境，需要莖稈切割裝置有極高的耐腐蝕性、剪切流暢性，以及避免纖維纏繞。往復式割刀的動刀有一個曲柄連桿機構帶動，曲柄軸位于割刀的后方中部，通過連桿、擺桿和第二連桿驅動，其驅動方式和具體實物如圖7所示。

1. 液壓油箱 2. 過濾器 3. 液壓泵 4. 柴油機 5. 電磁換向閥 6. 單向閥 7. 節流閥 8. 液壓馬達 9. 馬達負載 10. 液壓缸 11. 安全閥 12. 冷卻器

1. Hydraulic tank 2. Filter 3. Hydraulic pump 4. Diesel engine 5. Electromagnetic reversing valve 6. Check valve 7. Throttle valve 8. Hydraulic motor 9. Motor load 10. Hydraulic cylinder 11. Safety valve 12. Cooler

注：X為電磁滑閥；A，B，P和T為油路通道，所有電磁線圈失電時，閥處于中位，不驅動后續部件工作；僅右線圈得電時，P-A為進油通路，B-T為出油通路，液壓缸活塞上升，液壓馬達正轉；僅左線圈得電時，P-B為進油通路，A-T為出油通路，液壓缸活塞下降，液壓馬達反轉。

Note: X is the electromagnetic slide valve; A, B, P and T are oil passages. When all the electromagnetic coils are de-energized, the valve is in the neutral position and does not drive the working parts. When only the right coil is energized, the oil inlet passage of P-A and the oil outlet passage of B-T drive the piston of hydraulic cylinder rising and the hydraulic motor rotating forward; the oil inlet passage of P-B and the oil outlet passage of A-T drive the piston of hydraulic cylinder declining and the hydraulic motor rotating reversed.

圖6 摘穗臺液壓系統圖

Fig.6 Hydraulic system diagram of ear picking platform

1. 動刀 2. 定刀 3. 刀桿 4. 摘穗臺機架 5. 搖桿 6. 連桿 7. 驅動圓盤 8. 傳動軸

在往復式割刀中，其基本參數包括動刀刀齒間距、護刃齒間距0和割刀行程。根據參考文獻[23]，國內往復式切割器制訂有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型3種標準，為了適應鮮食玉米莖稈韌性大，含水率高的特點，本收獲機采用普通Ⅱ型切割器。此型號割刀行程=220=152.4 mm，其割刀行程長，工作中產生慣性小，適合用于小型收割機[23]。此外，動定刀片剪切莖稈的首要條件是應能夾住或咬住莖稈，不致脫落，以進行穩定的剪切。因此為了“咬住”鮮食玉米莖稈，動刀刃為齒刃，定刀刃為光刃，且刀齒應滿足以下條件：

式中1和2為動、定2刀片的刃口斜角（刀刃與豎直線的夾角），(°)；為2刃口夾住莖稈的臨界角，(°)；1+2為2刀片分別對莖稈的摩擦角，(°)。具體剪切過程如圖8所示。

3.3 掰穗輥結構設計

針對鮮食玉米的機械化收獲特點，傳統的拉莖輥式或者摘穗板式摘穗方式都會對果穗產生較大的作用力，不適合用于此類脆嫩玉米的收獲。因此設計了拉莖帶配合掰穗輥，對鮮食玉米果穗完成從上到下的摘穗過程。此外，與傳統立式摘穗輥比較，鮮食玉米掰穗輥無相對旋轉運動且表面無棱形凸起，避免了摘穗環節鐵輥對玉米果穗的碰撞和碾壓，最大限度地降低了鐵輥和果穗接觸時的受力，極大保證了幼嫩玉米果穗的品質。

注：t為動刀刀齒間距，mm；t0為護刃齒間距，mm；S為割刀行程，mm；α1和α2為動、定2刀片的刃口斜角（刀刃和豎直線的夾角），(°)；λ為2刃口夾莖稈的臨界角，(°)；φ1和φ2為2刀片分別對莖稈的摩擦角，(°)；F1、R1、N1、F2、R2、N2分別為作用力，N。

如圖9所示，被往復式切割器切下的莖稈被夾持喂入皮帶夾住，由夾持拉莖帶夾住莖稈的上端，將果穗和莖稈一起向后輸送。經過斜置的掰穗輥后，由傾斜的掰穗輥將玉米果穗掰下，果穗落入升運器被輸送到果穗箱中，莖稈繼續被夾持住，隨后被拋送到田間。摘穗過程應保證2個條件：1）需保證摘穗時莖稈不滑出夾持拉莖帶；2）掰穗輥間隙需保證任何喂入姿態的果穗均被摘下。由于鮮食玉米莖稈特殊物理性質，夾持鮮食玉米莖稈時，兩條夾持玉米莖稈拉莖帶間隙不大于0.5 mm，既能保證穩定夾持，又便于喂入。

1. 撥禾輪 2. 夾持拉莖帶 3.安裝架 4. 液壓馬達 5. 張緊輪 6. 掰穗輥

3.3.1 掰穗輥長度和安裝傾斜角度的選取

果穗的喂入過程如圖10，需滿足不同長度和直徑的果穗被順利摘下，還要求掰穗輥間隙足夠容納不同直徑的玉米莖稈，對掰穗輥的摘穗過程進行分析。在摘穗臺設計時，為適應鮮食玉米的莖稈長度，機架高度H為800 mm，拉莖行程為1 200 mm，拉莖帶以上的莖梢高度1預留200 mm，以方便夾持拉扯。割刀安裝于拉莖帶前端，配合機具前進速度對玉米莖稈實現“先割后拉”，既保證莖稈能順利抓取，也實現莖稈的完全切割。

1. 主動輪 2. 夾持拉莖帶 3. 從動輪 4. 切割器 5. 玉米果穗 6. 玉米莖稈 7. 掰穗輥

1. Driving wheel 2. Clamping and pulling stem belt 3. Driven wheel 4. Cutter 5. Corn ear 6. Corn stem 7. Picking roller

注：H為摘穗臺機架高度，mm；為拉莖帶長度，mm；1為拉莖帶以上莖梢高度，mm；L為掰穗輥長度，mm；為玉米果穗的結穗夾角，(°)；為掰穗輥傾斜角，(°)。

Note:His the frame height of ear picking platform, mm;is the length of clamping and pulling stem belt, mm;1is the height of stem tip above clamping and pulling stem belt, mm;Lis the length of picking roller, mm;is the angle between the stem and the corn ear, (°);is the tilt angle of picking roller, (°).

圖10 掰穗輥結構示意圖

Fig.10 Schematic diagram of picking roller

經過田間測量，鮮食玉米果穗的平均穗莖夾角為15°～32°，則掰穗輥傾斜角控制在20°±4°。根據幾何關系，掰穗輥的長度可由下式獲得：

式中當取值為16°～24°，則掰穗輥長度L確定為832.2～875.7 mm。

3.3.2 掰穗輥直徑的選取

實際作業過程中，玉米莖稈橫截面最大直徑d范圍在15～31 mm，不同果穗截面最大直徑1在45～87 mm，則摘穗間隙為28 mm，符合摘穗要求[23]。為避免摘穗過程中出現掰穗輥擠穗和莖稈通過性差的現象，結合上述對摘穗過程的分析，得出：

式中d為玉米莖稈最大直徑，mm；D為掰穗輥直徑，mm；為掰穗輥的抓取角，(°)。

掰穗輥通過玉米莖稈而不卡住玉米果穗的臨界條件，可參考立式掰穗輥抓取玉米莖稈而不抓取玉米果穗的臨界條件μ≤tan≤μ。則掰穗輥直徑取值范圍：

式中μ為果穗抓取系數；μ為莖稈抓取系數。對于鑄鐵掰穗輥而言μ≈μ≈0.7~1.1，則式（6）可寫為

將上述數據帶入公式中，可得掰穗輥直徑范圍在55～80 mm，對于鮮食玉米收獲機而言，玉米莖稈和植株含水率極高，結合實際生產情況，取掰穗輥直徑，如圖11所示。

1. 玉米果穗 2. 掰穗輥 3. 玉米莖稈

1. Corn ear 2. Picking roler 3. Corn stem

注：L為果穗長度，mm；為果穗軸線與掰穗輥軸線夾角，(°)；為掰穗輥的抓取角，(°)；為掰穗輥間隙，mm；d為玉米莖稈最大直徑，mm；D為掰穗輥直徑，mm；L為掰穗輥長度，mm。

Note: Lis the length of ear, mm;is the angle between picking roller axis and ear axis, (°);is the grasping angle of the picking roller, (°);is the gap length between picking rollers, mm;dis the maximum diameter of corn stem, mm;Dis the diameter of picking roller, mm;Lis the length of picking roller, mm.

圖11 掰穗輥摘穗參數的幾何關系

Fig.11 Geometrical relationship of picking parameters to picking roller

掰穗輥作業過程中，玉米莖稈被拉扯進入掰穗輥間間隙，而果穗則被掰穗輥阻擋，由掰穗輥將果穗從上到下掰離莖稈。由于機具作業行程中，玉米果穗喂入掰穗輥的過程呈現隨機性。即玉米果穗軸線與掰穗輥軸線的夾角出現3種狀態：

式中L為果穗長度，取果穗最小值約為150 mm；根據式（7）可知，取55 mm；摘穗間隙為28 mm。則根據式（8）計算可知：

1）0°≤＜29.6°，果穗的頭部進入掰穗輥間隙，掰穗輥對果穗的作用力作用于玉米果穗的頭部；

2）29.6°≤＜150.4°，此時掰穗輥對玉米果穗的作用力作用于玉米果穗的主體部位；

3）150.4°≤≤180°，此時果穗靠近莖稈的部分進入輥間間隙，此時對果穗的作用力作用于其尾部。

分析3種果穗喂入狀態，可得當夾角為0°≤＜29.6°時，果穗頭部承受摘穗作用力，且玉米果穗易被2個掰穗輥卡住造成摘穗效果差和果穗損傷問題；當29.6°≤＜150.4°時，掰穗輥對玉米果穗的作用力較小，果穗受力部位合理，易被摘下，且不會對果穗造成損傷；當夾角150.4°≤≤180°時，果穗尾部承受摘穗作用力，需要施加較大的摘穗力，造成果穗損傷和摘穗失敗。綜上所述，當玉米果穗軸線與掰穗輥軸線的夾角處于29.6°~150.4°時，達到理想的摘穗效果。

綜上所述，掰穗輥的設計參數如下：掰穗輥傾斜角為20°，掰穗輥長度L為850 mm，掰穗輥直徑D為55 mm，摘穗間隙為28 mm。

4 試驗設計與結果分析

為驗證所設計的鮮食玉米收獲機性能可靠性和實用性，選擇決定玉米收獲機性能的考察指標，對其進行試驗。鮮食玉米收獲時不需要對果穗進行剝皮或者脫粒，因此，選擇對摘穗效果影響較大的摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉速、掰穗輥間隙為試驗參數，以摘穗時的莖稈喂入姿態成功率、果穗損傷率作為性能評價指標（喂入姿態成功率檢測莖稈夾持裝置性能和割刀安裝位置的合理性）。

4.1 試驗條件和準備工作

試驗時間：2018年4月27—28日；試驗地點：海南省樂東黎族自治縣九所鎮樂羅村某農民種植地；試驗設備：4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機（圖12）、8203型鋼卷尺、米尺、游標卡尺、PS-930型秒表和攝影機。

圖12 4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機

試驗玉米品種為“美玉甜007號”。試驗時，由于極少部分玉米植株因生長情況不好，應予以清除。試驗玉米地長度為50 m，性能測定區長度為20 m，測定區前的機具調整穩定區為20 m，測定區后的停車區為10 m。在測定區內，隨機選取50株玉米植株進行測量，測量過程重復3次，測量結果取平均值，得到海南地區鮮食玉米的主要物理參數如下表2。

試驗過程中每次作業速度保持一致，為15 km/h。作業過后，在測定區內揀起未被夾持喂入的玉米植株，在果穗收集箱中統計出損傷果穗，分別計算出喂入姿態成功率、果穗損傷率，進行試驗結果的分析。

莖稈喂入姿態成功率：

果穗損傷率：

式中W為未被夾持住而掉落的含有果穗的玉米莖稈數；W為測定區中植株總數（每一株試驗對象均僅包含有一個玉米果穗）；Y為果穗箱中損傷的果穗（果穗苞葉出現破損或果穗出現明顯擠壓即計為果穗損傷）；Y為果穗箱中果穗總數[24]。

表2 鮮食玉米植株參數

4.2 試驗方案與結果

針對試驗過程分析可知，摘穗臺高度過高可能造成莖稈割刀損傷果穗，過低造成玉米莖稈夾持失敗；夾持拉莖帶轉速過高導致摘穗力度過大損傷果穗，轉速過低導致無法順利抓取玉米莖稈；掰穗輥間隙過大易夾傷果穗，間隙過小易造成莖稈堵塞。

因此，選取摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉速和掰穗輥間隙為試驗因素，分析其對莖稈喂入姿態成功率和果穗損傷率的影響。依據試驗區玉米最低結穗高度74 cm，試驗時設置摘穗臺高度區間為40～55 cm；依據順利抓取玉米莖稈的臨界夾持拉莖帶轉速，試驗時設置夾持拉莖帶轉速區間為450～600 r/min；依據試驗區內莖稈最大直徑21.86 mm和果穗大端直徑55.91 mm，試驗時設置掰穗輥間隙區間為25～34 mm。為尋求鮮食玉米收獲機作業過程中各參數的最佳狀態，對所選的摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉速、掰穗輥間隙3個參數進行三因素四水平正交試驗與分析。正交試驗的每個試驗組重復5次，統計結果取平均值。各參數水平的選取以滿足機具高性能作業的要求安排，其因素水平表如表3所示，試驗結果如表4所示，表中123為因素水平值[25-28]。

表3 試驗因素水平

4.2.1 極差分析

利用極差分析與方差分析的結果進行對比，互相驗證結論的可靠性。摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉速、掰穗輥間隙各水平對收獲機摘穗性能的極差分析結果如表5。

表4 試驗方案與結果

注：1，2，3分別為因素1，2，3的水平值。

Note:1,2and3are the level values of1,2and3, respectively.

表5 極差分析結果

各影響因素的極差值越大，即說明該影響因素對試驗指標的影響越大。則根據極差分析確定出對喂入姿態成功率的影響因素的主次關系依次為夾持拉莖帶轉速、摘穗臺高度、掰穗輥間隙；對果穗損傷率影響因素的主次關系依次為夾持拉莖帶轉速、掰穗輥間隙、摘穗臺高度。

從方差分析表6中可以得出，對于目標函數S，因素2、22極顯著，1、12顯著；對于目標函數S，因素1、2、3極顯著。各因素對喂入姿態成功率的顯著性順序從大到小為：夾持拉莖帶轉速、摘穗臺高度、掰穗輥間隙；各因素對果穗損傷率的顯著性順序從大到小為：夾持拉莖帶轉速、掰穗輥間隙、摘穗臺高度。

4.2.2 參數優化

通過極差和方差的試驗數據分析，綜合各試驗因素對考察指標的影響，結合Design-Expert8.0.6數據分析軟件對其進行回歸模型優化分析。其約束條件：1）目標函數S[max]，S[min]；2）影響因素約束：1摘穗臺高度40～55 cm；2夾持拉莖帶轉速450~ 600 r/min；3掰穗輥間隙25～34 mm。根據分析軟件構造的復合函數：

表6 方差分析

注：＜0.01（極顯著，**）；＜0.05（顯著，*）

Note:＜0.01(highly significant, **);＜0.05(significant, *).

由式（11）和（12）可得，最終參數優化組合為摘穗臺高度47.5 cm，夾持拉莖帶轉速525 r/min，掰穗輥間隙29.5 mm，在該組合下莖稈喂入成功率為81%，果穗損傷率為5.4%。

4.3 試驗驗證

根據優化結果，將鮮食玉米收獲機調整至對應狀態，課題組于試驗后的第二天又再次進行了驗證性試驗。為消除隨機誤差，重復試驗5次，作業長度依舊為50 mm，取5次試驗結果的平均值。根據田間試驗驗證得出，在給定的優化參數下，莖稈喂入成功率為83%，果穗損傷率為4.7%。預測值（81%，5.4%）與試驗結果相差較小。

4.4 討 論

1）該試驗是基于收獲機性能研究而設計，考慮了收獲機部分因素對收獲機性能的影響。但現實玉米收獲時，還有其他相關結構因素也會對試驗結果造成影響。由于試驗條件的限制，本試驗并未將所有影響試驗結果的自變量進行試驗，因此造成試驗結果只針對收獲機摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉速、掰穗輥間隙進行討論。其他相關因素如割刀安裝位置、割刀長度、掰穗輥傾斜度、拉莖行程長度等還需要進一步通過試驗進行分析；

2）由于天氣原因，試驗地土壤含水率過高，導致試驗時機具前進中出現打滑和顛簸現象，在一定程度上影響了試驗結果的準確性。因此在之后的進一步試驗中，考慮換掉行進輪，改用履帶式前進方式，以便全天候進行試驗。

5 結 論

1）基于斜置掰穗輥配合拉莖帶，實現玉米果穗由上到下的掰穗過程，對玉米果穗作用力小，從而可用于收獲含水率高的脆嫩鮮食玉米，理論上研究了摘穗臺的各個部件的基本參數，保證設計的合理性和可靠性。

2）選取樣機中可控的因素變量，即摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉速、掰穗輥間隙，通過對試驗結果的極差分析，得出各因素對喂入姿態成功率的影響的主次關系依次為夾持拉莖帶轉速、摘穗臺高度、掰穗輥間隙；對果穗損傷率影響的主次關系依次為夾持拉莖帶轉速、掰穗輥間隙、摘穗臺高度。通過方差分析，驗證極差分析結果準確。

3）通過Design-Expert軟件得出鮮食玉米收獲機最佳工作參數組合為：摘穗臺高度47.5 cm，夾持拉莖帶轉速525 r/min，掰穗輥間隙29.5 mm。對機具設置優化后的工作參數進行田間驗證試驗，得出莖稈喂入成功率為83%，果穗損傷率為4.7%。預測值（81%，5.4%）與試驗結果相差較小。

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Design and experiment of 4YZT-2 type self-propelled fresh corn double ridges harvester

Zhang Xirui1, Wu Peng1, Wang Keheng2, Li Yue1, Shang Shuqi3※, Zhang Xiumei1

(1.,570228,2..,.,256499,; 3.,,266109,)

With the expansion of fresh corn planting scale, the supporting agricultural machinery has not been developed correspondingly. At present, manual harvesting is still the main harvesting method in most areas, resulting in low harvesting efficiency and difficulty in meeting market demand. Aiming at that, a harvester adapted to the scale of fresh corn cultivation in China was designed in this research. Simultaneously, due to the special picking conditions of fresh corn, instead of the traditional ear picking roller or pulling stem plate picking platform, the ear breaking process of fresh corn from top to bottom was completed by oblique ear picking roller, so as to reduce the pressure on corn ear and separate ear from stem. Furthermore, through the method of special picking process, the 4YZT-2 type self-propelled fresh corn double ridges harvester was designed, which was mainly composed of ear picking platform, corn ear conveyer, hydraulic power device, diesel engine power system, travelling device and ear collecting box. Subsequently, field experiment were carried out in order to verify the reliability and practicability of harvester. The height of the picking platform, the speed of clamping and pulling stem belt, and picking roller gap were used as test factors to carry out the regression orthogonal test. The stem feeding success rate and the ear damage rate were taken as experimental evaluation index to test the machine performance. The results showed that the order of the factors affecting the stem feeding success rate was as follows: the speed of clamping and pulling stem belt, the height of the picking platform, and the picking roller gap; The order of the factors affecting the ear damage rate was as follows: the speed of clamping and pulling stem belt, the picking roller gap and the height of the picking platform. The analysis of variance and response surface was obtained using Design-Expert 8.0.6 to verify the correctness of the range analysis. Ultimately, the significance order in the range analysis was proved consistence with that from variance analysis. Moreover, the influence of each factor on the ear damage rate was extremely significant (<0.01). The optimal parameters were 47.5 cm for the height of the picking platform, 525 r/min for the speed of clamping and pulling stem belt, and 29.5 mm for the picking roller gap. The stem feeding success rate was 81%, and the ear damage rate was 5.4%. The corresponding parameters were tested and verified in another field experiment, and the corresponding results of the two performance evaluation indices under optimized working parameters were obtained: with the stem feeding success rate of 83%, and the ear damage rate of 4.7%. The study provided a technical support for the mechanization of special corn harvesting, and its picking method also can be a reference for the development of other types of corn harvesters.

agricultural machinery; harvester; design; fresh corn; low-loss picking; field trial

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.001

S223.2+6

A

1002-6819(2019)-13-0001-09

2018-11-27

2019-03-14

國家重點研發計劃（2017YFD0701203-03）

張喜瑞，博士，教授，主要從事熱帶智能農業機械研究。Email：zhangxirui_999@sina.com

尚書旗，山東青州人，教授，博士生導師，主要從事新型農業機械設計與性能試驗的研究。Email：sqshang@qau.edu.cn

張喜瑞，吳 鵬，王克恒，李 粵，尚書旗，張秀梅. 4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機設計與試驗[J]. 農業工程學報，2019，35(13)：1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.001 http://www.tcsae.org

Zhang Xirui, Wu Peng, Wang Keheng, Li Yue, Shang Shuqi, Zhang Xiumei.Design and experiment of 4YZT-2 type self-propelled fresh corn double ridges harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.001 http://www.tcsae.org