小型玉米收獲機的設計

張 杰

（新鄉學院，河南 新鄉 453000）

玉米收獲機顧名思義就是用來收獲成熟玉米果實的機器，傳統的農業種植大部分依靠人工，其勞動效率低下，很難產生高經濟效益。在地形地貌相對不平坦的丘陵地區，大型聯合收割機難以發揮其功用，因此小型玉米收獲機的出現在一定程度上緩解了丘陵地區玉米收獲效率偏低的問題。我國的機械行業與自動化控制發展日新月異，但是將這些技術運用到實際生活領域之中卻又不是一件簡單的事情。目前，在平原地區的玉米收獲過程中，大中型聯合玉米收獲機的廣泛運用已經顯著提升我國的玉米種植以及收獲過程的機械化程度，雖然同國際先進水平相比還有差距，但是玉米機械化收獲還是給人們帶來了一定的經濟效益。

1 小型玉米收獲機結構的設計

該小型玉米收獲機在工作中會先通過摘穗輥分離玉米果實和玉米秸稈，同時被分離下來的玉米果實會在撥禾鏈上撥禾齒的推動下繼續向后運動到剝皮輥內被剝皮，而在摘穗輥中被遺棄的秸稈則會通過下方的粉碎還田裝置被粉碎。在剝皮輥中的玉米棒因為在金屬輥和橡膠輥上的受力不同，附著在玉米棒上面的果皮則會因為這種不均等的受力被撕碎，直至被剝下。在剝皮裝置的最后有一個收集箱，用來裝已經被剝好皮的玉米。該小型玉米收獲機的主要由一對摘穗輥、粉碎還田對輥、一組剝皮輥以及機架組成。傳動系統主要使用齒輪傳動和帶傳動[1]。

2 摘穗裝置

2.1 摘穗裝置的設計

對于摘穗輥材料的選擇，本設計運用當前最為常用的45 號鋼，熱處理方式為調質處理。先將該鋼材加熱至850 ℃轉化為奧氏體，保溫半個小時，冷卻時采用冷卻速度大的10%鹽水溶液冷卻至180 ℃后再采用空冷的方式冷卻至常溫，再高溫回火，將鋼材加熱至600 ℃，并保溫1 小時以上，隨后空冷。因為我國玉米籽粒的含水率在適合使用小型玉米收獲機的西南地區偏高，所以在收獲過程當中應當盡量設計出減少沖擊的結構，同時還要考慮到高含水率的玉米莖稈需要較大的拉斷力而適當采用一些剛性零件[2]。

綜合考慮之下，對于摘穗輥的引入段采用調質45 號鋼，同時設計出螺旋狀的突起引導玉米秸稈順利進入后面的摘穗段。摘穗段是玉米棒上的籽粒與摘穗裝置的直接碰撞接觸，靠著摘穗段對莖稈的拖拽實現玉米棒和莖稈的分離，但是較大的沖擊必然提高玉米籽粒的受損率，橡膠材質的凸棱與摘穗板對沖擊的吸收可以有效降低玉米籽粒的受損率[3]。強拉段則依舊采取調質45 號鋼為材料，用強大的壓力配合向下的拉力對殘余的莖稈進行粉碎，并將在摘穗段未能被完全拽出的玉米莖稈完全拽出。

2.2 摘穗裝置的工作原理

引入段利用螺旋的推力將玉米秸稈推入摘穗段，此時，摘穗段向下旋轉利用摩擦產生向下的拉應力將玉米棒與莖稈分離。同時兩個摘穗輥之間還有一定的縫隙防止玉米莖稈在摘穗段因為壓力過大發生斷裂，強拉段則是在最后將分離的莖稈與玉米棒徹底拉斷，同時碾碎部分殘渣防止機械卡死。具體摘穗輥結構圖如圖1 所示。

圖1 摘穗輥結構示意圖

2.3 摘穗裝置的具體參數設計

根據孫國強[4]在論文中給出的實驗數據，考慮一般情況玉米穗的最大直徑為45 mm，玉米秸稈的最大直徑為28 mm，經過邱岳巍等[5]在論文中的數據分析所得出的關于兩個做相向運動的摘穗輥的受力分析公式總結為：

式中，D為摘穗輥直徑，mm;dg為玉米果穗直徑，mm;dj為玉米秸稈直徑，mm;h為兩摘穗輥間隙，mm;μg為摘穗輥對果穗抓取系數;μj為摘穗輥對秸稈的抓取系數。

由上述公式可得：(3～5.5)(dg-h)≥D≥(3～5.5)(dj-h)。

分別將h＝(0～0.5)、dg＝50 mm（這里取值大于45 mm 是因為考慮到玉米的個體差異，保證即便是較大的玉米棒依舊能正常通過摘穗輥）、dj＝22 mm（不考慮取最大秸稈直徑是為了提升μj），μg＝μj＝0.7～1.1 代入上式中，得90 mm ≥D≥69 mm（兩個數值均為保留整數的結果）。綜合邱岳巍等[5]在文章中的仿真分析以及該小型玉米收獲機的實際設計需求，最終確定摘穗輥直徑D＝70 mm，摘穗輥長度L＝420 mm。

3 剝皮裝置的設計

3.1 剝皮裝置的設計

剝皮裝置主要用來分離玉米棒上的果皮，此時的執行機構與玉米粒之間存在著直接接觸，所以在設計時采用橡膠材料，而相對靠外側的輥使用金屬材料。同時其上還焊有螺旋狀的鋼筋，這里采用金屬是為了能獲得將玉米棒向后推送的力，如果采用柔性的材料，玉米棒有可能因為材料本身的變形導致推力下降而無法向前移動造成堆積現象。

至于剝皮輥的排列方式，根據楊紅光等[6]的研究可以確定，采用槽式安裝進行排列可以在提高玉米剝皮的效率同時保證一定的脫皮率。橡膠材料與鋼筋等剛性材料的混合運用所產生的摩擦力的差異也為玉米的剝皮提供便利。并列兩排的設計與之前的V型設計也減小了載荷分布不均的現象。該裝置如圖2所示。

圖2 剝皮輥示意圖

3.2 剝皮輥的直徑和長度的確定

為了能夠使玉米的果皮可以被順利剝下，根據趙德春等[7-8]的研究可以進行如下分析，玉米果穗與剝皮輥之間的受力關系如圖3 所示。

圖3 玉米果穗和剝皮輥之間的受力關系圖

由受力分析圖可得受力關系如下：

其中，N1＝T1，N2＝T2，f1＝u1N1，f2＝u2N2。

當u1＝u2＝u（u為定值）時，可得u（N1+N2）cosa＝（N1+N2）sina，即：tana＝u。

式中：N1、N2為剝皮輥對玉米果穗的支持力；f1、f2為玉米果穗分別與剝皮輥的摩擦力；R為剝皮輥直徑；r為玉米果穗半徑；T1、T2為玉米果穗作用于剝皮輥的力。

式中：D為剝皮輥直徑，mm；d為玉米果穗最小直徑，mm。

即：

玉米果穗平均直徑為45 mm，a是u（為定值），而對于剝皮輥的軸向傾角設計，由于θ角過小會降低玉米苞葉的剝凈率，θ角過大時則不利于玉米果穗的通過和喂入，本文中的設計則通過借鑒已有機型的設計選取12°，代入公式得D＝70 mm。根據現有設計資料特點及計算，選定剝皮輻長度為700 mm。

3.3 剝皮裝置的功率計算

根據王新年等[9]在研究中的分析結果可知：撕裂苞葉的摩擦力F1＝ 20.05 N。同時，在自轉過程中撕裂力F2＝F1f2＝7.02 N。

根據王新年的試驗可知，扯斷苞葉所需合力：

考慮到機器運行過程中可能同時剝落5 個（最多）的情況，所以剝皮輥所受的扭矩綜合最大可能為129.07×0.035×5＝22.58 N·m。而根據王新年等[9]的數據可知剝皮輥的轉速以460 r/min 為宜，達到最低的損傷率。

4 粉碎還田裝置的主要結構組成

4.1 粉碎還田裝置的設計

考慮到玉米剝皮裝置中存在一個下拉的力，同時為了保證粉碎還田裝置能夠更好地運作，將該裝置也設計成一對相向轉動的輥子，其中將一個輥子設計成帶有軸向凹槽的圓柱形輥子，將另一個輥子設計成帶有刀片的圓柱形輥子[10]。

在刀片未切入凹槽時，兩個輥子之間的凸起擠壓秸稈并利用摩擦力將秸稈下拉，當刀片切入凹槽時，刀片將秸稈切斷，如此往復不斷切碎秸稈。設計出來的粉碎還田裝置的圖像如圖4 所示（一張擠壓下拉，一張刀片切入）。

圖4 對輥式粉碎機械示意圖

4.2 粉碎還田裝置的工作原理

收獲玉米時，秸稈被摘穗輥下拉，玉米穗和玉米秸稈分離，秸稈繼續向下移動至一對相向旋轉的帶刀輥子和帶槽輥子之中。這時的玉米秸稈會再次被夾緊，兩輥子配合一邊拉莖一邊切斷秸稈，在此過程中，U 型刀片正好卡入帶槽輥子的槽孔內，使得玉米秸稈被完全切斷，而這一對輥子中的凸棱則會在切碎完成之后夾住上端還未被切碎的秸稈將其向下拉扯，繼續重復上述的過程，進而完成連續不斷的切割。

4.3 粉碎還田裝置的功率計算

對于旋轉速度而言，該刀具選擇與摘穗輥同樣的660 r/min 的轉速，保證摘穗輥下拉秸稈和刀片切削秸稈的速度保持同步。

功率計算如下：

帶槽輥子的受力較小但是功率依舊選擇和帶刀輥子相同，因此：

5 結語

在本次設計中，筆者查找了大量的資料，參照了前人的設計方案和設計思路并通過自身的構思和努力，最終完成了該小型玉米收獲機的結構設計。