4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

邸志峰,崔中凱,張 華,姜 偉,周 進(jìn),鄭振華

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院,濟(jì)南 250100;2.山東國(guó)豐機(jī)械有限公司,山東 兗州 272100)

0 引言

山東省是夏玉米主產(chǎn)區(qū),2016年玉米種植面積約320.67萬hm2,占全國(guó)的8.7%,總產(chǎn)量為2 064.95萬t,占全國(guó)的9.4%[1]。該地區(qū)收獲玉米后還需要進(jìn)行整地和冬小麥播種等作業(yè),直接收獲玉米籽粒能夠減少生產(chǎn)工序,提高作業(yè)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、確保玉米/小麥接茬輪作順利實(shí)施[2-4]。摘穗收獲和籽粒收獲是玉米機(jī)械化收獲的兩種方式：摘穗收獲適應(yīng)范圍廣,但受氣象條件和場(chǎng)地等因素限制晾曬難,易發(fā)生霉變、腐爛等現(xiàn)象,降低了玉米品質(zhì),造成經(jīng)濟(jì)損失;籽粒收獲能一次性完成玉米摘穗、脫粒清選、秸稈處理及籽粒收集等工序,是我國(guó)玉米收獲技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。近年來,農(nóng)村勞動(dòng)力成本越來越高,現(xiàn)有的摘穗型玉米聯(lián)合收獲機(jī)難以滿足當(dāng)前玉米生產(chǎn)需求,農(nóng)民對(duì)玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)械需求越來越迫切[5-10]。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

本文設(shè)計(jì)的4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)主要由摘穗臺(tái)、果穗升運(yùn)器一、前驅(qū)動(dòng)橋、秸稈粉碎還田裝置、后轉(zhuǎn)向橋、覆蓋件、柴油箱、籽粒收集裝置、脫粒清選系統(tǒng)、果穗升運(yùn)器二、發(fā)動(dòng)機(jī)、操控系統(tǒng),以及駕駛室組成,如圖1所示。該機(jī)脫粒清選系統(tǒng)與籽粒收集裝置縱向平行布置于機(jī)架上,秸稈還田機(jī)位于驅(qū)動(dòng)橋和轉(zhuǎn)向橋之間,整機(jī)穩(wěn)定性好,進(jìn)地一次可完成籽粒收獲和秸稈切碎還田作業(yè)。該機(jī)的設(shè)計(jì)可解決收獲時(shí)玉米籽粒含水率較高、易產(chǎn)生大量破碎籽粒的難題。整機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

1.摘穗臺(tái) 2.果穗升運(yùn)器一 3.前驅(qū)動(dòng)橋 4.秸稈粉碎還田機(jī) 5.轉(zhuǎn)向橋 6.覆蓋件 7.柴油箱 8.籽粒收集裝置 9.脫粒清選系統(tǒng) 10.果穗升運(yùn)器二 11.發(fā)動(dòng)機(jī) 12.操控系統(tǒng) 13.駕駛室圖1 4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structural diagram of 4YL-4 self-propelled corn grain harvester

表1 4YL-4型自走式玉米籽粒收獲機(jī)主要參數(shù)Fig 1 Main parameters of 4YL-4 self-propelled corn grain harvester

工作原理如圖2所示。收獲機(jī)作業(yè)時(shí),首先經(jīng)分禾器梳理,玉米植株被導(dǎo)入摘穗臺(tái)前部,玉米果穗靠摘穗臺(tái)上摘穗裝置左右拉莖輥上的刀片共同作用將玉米莖稈向下抽拉;果穗直徑大于摘穗板間隙被摘下,對(duì)刀形拉莖輥在摘穗的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)莖稈向下拉去和預(yù)切,完成預(yù)切的莖稈經(jīng)機(jī)器中下部的秸稈還田機(jī)粉碎后拋灑到地面上。摘穗臺(tái)上的輸送鏈將摘下的玉米果穗運(yùn)送至摘穗臺(tái)攪龍,攪龍將果穗集中輸送至果穗升運(yùn)器一,果穗經(jīng)果穗升運(yùn)器一進(jìn)入到果穗升運(yùn)器二輸送至脫粒清選系統(tǒng)完成脫粒和清選工序;處理完成的籽粒進(jìn)入籽粒收集裝置,脫粒后的穗軸及雜余從機(jī)器后部排出。

1.玉米植株 2.被摘下的果穗 3.被拉彎的莖稈 4.果穗升運(yùn)器一中的果穗 5.果穗升運(yùn)器二中的果穗 6.進(jìn)入脫粒滾筒的果穗 7.被脫下的玉米籽粒 8.籽粒收集裝置中的籽粒 9.脫粒后的穗軸和莖稈等雜余 10.被秸稈還田機(jī)粉碎的莖稈圖2 工作原理示意圖Fig.2 The diagram of working principle

整機(jī)具有以下主要特點(diǎn)：①創(chuàng)新設(shè)計(jì)縱軸流玉米低損脫粒分離機(jī)構(gòu),解決玉米脫粒時(shí)破碎率高的問題,實(shí)現(xiàn)了高效低損脫粒;②脫粒清選系統(tǒng)和籽粒收集裝置平行縱向布置,整機(jī)穩(wěn)定性好;③整機(jī)采用單縱軸流滾筒,果穗采用上喂入方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠;④可一次完成玉米摘穗、脫粒、籽粒回收及玉米秸稈切碎還田聯(lián)合作業(yè)。

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 摘穗臺(tái)系統(tǒng)[11-13]

摘穗臺(tái)是玉米收獲機(jī)的關(guān)鍵零部件之一,其性能對(duì)整機(jī)作業(yè)效果有重要影響。摘穗臺(tái)的主要作用是將玉米果穗從植株上摘下,并將果穗向后輸送到過橋。目前常用的玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)摘穗裝置有輥式和板式兩種：板式摘穗臺(tái)工作可靠、效率高,收獲后期掉粒少,適合于籽粒收獲;輥式摘穗臺(tái)功率消耗小,對(duì)不同莖稈的適應(yīng)范圍更廣,摘穗過程產(chǎn)生的雜質(zhì)少,自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其具有一定剝皮功能,但收獲后期掉粒損失較大。本設(shè)計(jì)選用板式摘穗臺(tái)系統(tǒng),適應(yīng)行距為550～650mm。

板式摘穗臺(tái)主要由左側(cè)分禾器、中間分禾器、摘穗裝置、輸糧攪龍、傳動(dòng)箱、右側(cè)分禾器、撥禾鏈及摘穗臺(tái)機(jī)架等組成,如圖3所示。傳動(dòng)箱為整個(gè)摘穗臺(tái)系統(tǒng)提供動(dòng)力。收獲作業(yè)時(shí),玉米植株在摘穗臺(tái)分禾器梳理引導(dǎo)下進(jìn)入撥禾鏈,在撥禾鏈的作用下進(jìn)入摘穗單元前段,繼續(xù)向后撥送;同時(shí),玉米植株在拉莖輥的作用下向下抽拉,果穗直徑大于摘穗板間隙而被摘下,在撥禾鏈作用下向后進(jìn)入輸糧攪龍。

1.左側(cè)分禾器 2.中間分禾器 3.摘穗裝置 4.輸糧攪龍 5.傳動(dòng)箱 6. 摘穗臺(tái)機(jī)架 7.撥禾鏈 8.右側(cè)分禾器圖3 板式摘穗臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structural diagram of plate-type header

2.1.1 分禾器

本機(jī)有左、中、右3種分禾器,主要作用是引導(dǎo)玉米植株進(jìn)入摘穗道。收獲作業(yè)時(shí),分禾器前端離地面較近,對(duì)倒伏玉米有較好的扶禾作用。

2.1.2 摘穗裝置

為減少損失,提高作業(yè)效率,本機(jī)選用板式摘穗裝置。板式摘穗裝置拉莖輥一般由前后兩段組成：前段為螺旋錐體,主要起導(dǎo)入作用;后段為拉莖段,其斷面形狀有四葉輪形、四棱形、六棱形[14]。目前,市場(chǎng)上也有對(duì)刀形拉莖輥,有4片或5片拉莖刀板固定在拉莖輥管上,工作時(shí)左右拉莖輥上的刀片共同作用將玉米莖稈向下抽拉,對(duì)刀形拉莖輥在摘穗的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)莖稈的切斷,減輕后續(xù)秸稈處理裝置的工作負(fù)荷。本機(jī)依據(jù)輥管結(jié)構(gòu)選用5片刀的對(duì)刀形拉莖輥,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.摘穗支架 2.摘穗板 3.右拉莖輥總成

2.2 脫粒裝置[12-15]

1)滾筒結(jié)構(gòu)確定。軸流脫粒滾筒有圓錐形和圓柱形兩種,圓柱形脫粒滾筒設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、加工工藝簡(jiǎn)單,故本設(shè)計(jì)選用圓柱形脫粒滾筒。

2)外形尺寸確定。直徑大的脫粒滾筒可以顯著增加果穗脫粒分離時(shí)間和加大凹板的分離面積,進(jìn)而提高滾筒的脫粒分離能力和生產(chǎn)效率,若脫粒滾筒直徑太小容易發(fā)生纏繞、堵塞等現(xiàn)象。現(xiàn)有收獲機(jī)常用滾筒直徑為550～650mm,結(jié)合本機(jī)結(jié)構(gòu)確定直徑為564mm。

軸流滾筒的長(zhǎng)度影響脫出物分離時(shí)間,進(jìn)而影響滾筒的分離能力,長(zhǎng)滾筒可有效提高物料的分離效率。本設(shè)計(jì)采取組合式脫粒滾筒結(jié)構(gòu),前半段脫粒作用強(qiáng),后半段分離作用強(qiáng)。資料表明：現(xiàn)有軸流脫粒滾筒工作長(zhǎng)度一般為1～3m,本設(shè)計(jì)縱軸流滾筒結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸,將脫粒滾筒長(zhǎng)度確定為1.7m。

3)脫粒元件選擇和布置[12-13]。脫粒元件主要有釘齒式、板齒式及紋桿式等。釘齒式和板齒式主要靠沖擊力迫使玉米籽粒與穗軸分離完成脫粒,籽粒破碎率較高,但其攪動(dòng)能力較強(qiáng),籽粒和雜質(zhì)的分離效果好。紋桿塊沖擊力較弱,揉搓作用強(qiáng),脫粒過程主要靠紋桿塊上的凸起與果穗之間及果穗與果穗之間的揉搓作用迫使籽粒與穗軸分離,脫粒作用相對(duì)柔和,且果穗通過性能強(qiáng),生產(chǎn)效率高,但分離能力弱。本文結(jié)合二者的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了組合式脫粒滾筒：滾筒的前部設(shè)置有紋桿塊后段設(shè)置有釘齒,且紋桿塊和釘齒在滾筒上呈螺旋布置;前段完成大部分籽粒脫粒,后段主要完成籽粒與雜質(zhì)的分離,且具備一定脫粒功能。脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 清選系統(tǒng)[16-17]

清選系統(tǒng)也是4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)的重要組成部分,主要由接糧板、上篩、卡槽、振動(dòng)篩殼體、密封條、下篩及底篩等部件組成。其上篩、下篩裝在振動(dòng)篩殼體內(nèi),靠卡槽固定以便于拆裝更換不同形式的篩網(wǎng),振動(dòng)篩兩側(cè)邊的上方安裝了橡膠條,防止玉米籽粒從振動(dòng)篩與收獲機(jī)之間的縫隙中掉落。振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)如圖6所示。其主要作用是將脫粒凹版掉落的脫出物中的的斷軸、碎屑等雜質(zhì)清理干凈。

工作時(shí),脫粒滾筒中脫下的玉米籽粒和碎穗軸等雜質(zhì)通過凹板上的孔隙落到接糧板,再?gòu)慕蛹Z板滑落到上篩,經(jīng)上篩的振動(dòng)篩選,部分碎屑、碎穗軸等雜質(zhì)被分離出來,在振動(dòng)篩振動(dòng)和風(fēng)機(jī)氣流共同作用下向后輸送;大部分籽粒落入接糧斗內(nèi),進(jìn)入下篩的物料經(jīng)過振動(dòng)篩和風(fēng)機(jī)二次清選,籽粒和細(xì)小雜質(zhì)落到底篩,碎屑、碎穗軸等較大雜質(zhì)從機(jī)體后部排出,籽粒和細(xì)小雜質(zhì)經(jīng)底篩進(jìn)一步清選,籽粒滑落到集糧斗,細(xì)小雜質(zhì)從下不排出。物料經(jīng)過上篩、下篩清選后,大部分雜質(zhì)與灰塵被清除。

1.接糧板 2.上篩 3.卡槽 4.振動(dòng)篩殼體 5.密封條 6.下篩 7.底篩圖6 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The structural diagram of vibrating screen

影響振動(dòng)篩清選性能的主要因素有振動(dòng)篩篩網(wǎng)型式、振幅、振動(dòng)頻率及篩網(wǎng)傾角等參數(shù)。 通過對(duì)比分析,振幅和振動(dòng)頻率參考脫粒試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果確定;清選系統(tǒng)選用選別能力較強(qiáng)、清除雜質(zhì)效率較高的平面沖孔篩;依據(jù)玉米籽粒直徑尺寸,確定上篩和下篩篩孔優(yōu)先采用φ18mm圓孔。

2.4 液壓系統(tǒng)[18]

4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)的液壓系統(tǒng)由作業(yè)和轉(zhuǎn)向兩個(gè)子系統(tǒng)組成,通過單路穩(wěn)定分流閥分成兩個(gè)子系統(tǒng),共用一個(gè)液壓油箱和齒輪泵。齒輪泵、單路穩(wěn)定分流閥、油箱總成等元件組成液壓動(dòng)力源;方向盤、轉(zhuǎn)向柱、液壓動(dòng)力源、主控閥、全液壓轉(zhuǎn)向器及轉(zhuǎn)向油缸等組成轉(zhuǎn)向系統(tǒng),控制主機(jī)的行走方向,操控位于駕駛室內(nèi)的方向盤即可控制全液壓轉(zhuǎn)向器動(dòng)作實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。

液壓動(dòng)力源、主控閥、輔助控制閥、摘穗臺(tái)油缸、秸稈粉碎還田機(jī)油缸、卸糧筒回轉(zhuǎn)馬達(dá)、卸糧筒輔助油缸及行走無極變速油缸等元件組成作業(yè)系統(tǒng)。其中,主控閥除了控制轉(zhuǎn)向之外,還用于控制摘穗臺(tái)、秸稈粉碎還田機(jī)的升降、秸稈粉碎還田機(jī)升降,輔助控制閥用于控制卸糧筒轉(zhuǎn)動(dòng)和升降完成卸糧等動(dòng)作。液壓系統(tǒng)示原理如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of hydraulic system

2.5 電氣系統(tǒng)[14]

電氣系統(tǒng)是4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)的重要組成部分之一,由電池、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)繼電器、電源總開關(guān)、組合開關(guān)、組合儀表、中央電器盒、線束、燈光照明、喇叭及其他電氣附件組成。啟動(dòng)電路、充電電路、照明電路和附屬電路組成整機(jī)電路系統(tǒng),直流24V電瓶提供電源。

3 田間試驗(yàn)[19]

4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)由山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院與山東國(guó)豐機(jī)械有限公司共同開發(fā)研制的,田間試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)整機(jī)工作性能,考察機(jī)器在正常作業(yè)條件下生產(chǎn)率、總損失率、籽粒破碎率、籽粒含雜率及秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率等指標(biāo)是否達(dá)到項(xiàng)目任務(wù)書要求。2017年9月,委托機(jī)械工業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心(濟(jì)南)在山東省鄒平縣長(zhǎng)山鎮(zhèn)大閆村完成樣機(jī)檢測(cè),檢測(cè)依據(jù)為《GB/T 21961-2008 玉米收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》和項(xiàng)目任務(wù)書,檢測(cè)結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或超過了項(xiàng)目任務(wù)書的既定要求。檢測(cè)結(jié)果如表2所示,田間試驗(yàn)情況如圖8所示。

表2 主要指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果匯總表Table 2 Test results of the prototype performance

圖8 田間試驗(yàn)Fig.8 Field experiment

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了自走式玉米籽粒收獲機(jī),該機(jī)配置了組合式軸流脫粒滾筒柔性脫粒裝置、高效清選裝置、秸稈還田機(jī),能一次完成摘穗、果穗收集、輸送排雜、低損脫粒及秸稈粉碎還田等作業(yè)。

2)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)功能高度集成,作業(yè)效率高,操控舒適性好,生產(chǎn)效率高,主要性能指標(biāo)達(dá)到或超過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目任務(wù)書要求。

3)應(yīng)針對(duì)黃淮海地區(qū)玉米收獲時(shí)含水率高的特點(diǎn),深入研究脫粒元件與玉米果穗互作機(jī)理及脫出物分布情況,優(yōu)化了脫粒清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù),進(jìn)一步降低了籽粒破碎率,提高了整機(jī)作業(yè)效果。