玉米聯合收獲機傳動系統優化設計

陳國輝

(榆樹市環城鄉綜合服務中心，吉林 榆樹 130400)

0 引言

農業機械化是實現農業生產效率提升的主要途徑之一，是提升農業市場競爭力的重要技術支撐，目前農業機械化正在向大功率、智能化和復合化方向發展。玉米是我國主要糧食作物和畜牧飼料之一，在我國種植面積廣泛，隨著農業機械化水平的提高，我國玉米總產量正在穩步發展。據統計，截止到2019年，我國玉米機械化收獲比例超過70%[1]。

我國玉米收獲機主要以國外進口為主，自主研發的玉米收獲機主要是通過依靠國外產品相關經驗優化而成，在實際應用過程中，會存在結構不合理、自動化和智能化水平較低等問題。如在田間工作過程中，機械載荷容易發生變化，導致連接部件和傳動部件容易出現變形和故障等[2]，嚴重影響玉米收獲機收獲效率。

玉米聯合收獲機收獲功率與收獲效率主要取決于傳動系統的自動化水平，其結構參數與工作性能直接影響玉米聯合收獲機各個部件的功率分配[3]。因此，優化玉米聯合收獲機傳動系統對于提高玉米聯合收獲機的可靠性與收獲效率具有重要意義。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

國外農業機械化研究起步較早，在20世紀20年代，澳大利亞成功研制世界第一臺玉米聯合收獲機，經過不斷優化與改進，逐漸推廣到世界各個國家與地區。傳動系統是影響玉米收獲機田間工作效率的重要部件，其結構合理性直接影響玉米收獲機的工作可靠性、動力分配合理性和機械使用壽命，因此，相關研究人員及企業對傳動系統開展了大量的研究。

國外對玉米聯合收獲機變速箱研究較多，主要集中在無級變速裝置的傳動性能、功率分配和控制手段等方面。后期，針對玉米喂入量的問題，相關學者研發一種馬達液壓式控制系統，通過傳感器反饋玉米收獲機田間行進速度與設定速度之間的偏差，實現玉米聯合收獲機的自動調速，后期Robert J將機械傳動系統改為液壓傳動系統，通過電磁閥調整凹版間隙、機器行進速度和風機轉速等，并通過FLC反饋信號實現精度調節與自動控制，可以顯著提高玉米聯合收獲機田間工作效率與工作可靠性，進而提升了整機自動化水平，為后期玉米聯合收獲機智能化發展奠定了良好的技術條件與基礎[4]。

綜上所述，國外農業機械發展較早，相關學者與企業對玉米聯合收獲機傳動系統的研究較為全面，通過不斷優化與升級，玉米聯合收獲機技術相對更為成熟，已經實現玉米聯合收獲機的自動化，并向智能化邁進。

1.2 國內研究現狀

我國玉米收獲機最早是從國外引進，對其進行仿制與研發，目前已經形成了我國自主研發的相關產品，并通過不斷優化升級不斷提高機器質量。國內學者與專家針對目前玉米收獲機結構設計不合理和自動化水平偏低等問題開展了大量研究。

玉米聯合收獲機傳動系統優化方面，對其關鍵零部件進行了優化設計，主要包括玉米聯合收獲機傳動箱最佳傳動比，并通過理論分析與試驗相結合的方法提出傳動結構的優化方案。后期，國內外相關學者對玉米聯合收獲機傳動系統自動化控制進行研究，將傳統機械傳動系統改進為液壓機械無級變速結構，并通過理論與試驗相結合的方法對不同工作狀態下的發動機與變速器功率分配問題進行優化，基于控制策略不斷調整和優化發動機功率。

通過對國內研究現狀進行調研與分析可知，我國對玉米收獲機結構優化與控制策略的設計研究較少，與國外相關研究仍然存在一定的差距。近年來，我國對玉米聯合收獲機的研究更側重于自動化控制策略的分析，對傳動系統及其關鍵部件研究較少，因此，應該在提升玉米收獲機自動化水平的同時提高對傳動部件的結構優化與設計。

2 傳動系統

以YF8166玉米聯合收獲機為研究對象，傳動系統是分配發動機動力的主要部件之一，為各個工作部件傳遞動力，實現功率合理分配。YF8166玉米收獲機傳動系統傳動路線圖如圖1所示。

圖1 玉米聯合收獲機傳動路線示意圖

YF8166玉米聯合收獲機傳動裝置基本為帶傳動，但是由于受力不同會導致帶傳動發生不同的伸長量，導致傳動帶在工作過程中會出現彈性滑動等現象，用滑動率表示，取值范圍為1%～2%。根據帶傳動傳動比計算公式，由此推導出各級傳動部件實際轉速計算公式，如式(1)所示。

(1)

式中n1—主動輪轉速，r·min；

n2—從動輪轉速，r·min；

i—傳動比；

ε—滑動率，%。

當發動機以額定轉速2 200 r·min-1，滑動率ε=1%時，各部件轉速如表2所示。

表2 各部件轉速 單位：r·min-1

3 傳動系統優化方案

3.1 脫粒滾筒

傳統脫粒滾筒駕駛員需要通過多次操作操縱桿控制閥芯位移，進而調節滾筒轉速。采用PLC控制液壓回路的滾筒調速方案，提高調節精度。其中，活塞缸是液壓系統中的執行元件，主要性能參數包括內徑、活塞桿徑、行程和流量等。本研究中活塞缸無級變速帶輪參數如表3所示。

表3 活塞缸、變速帶輪技術參數 單位：mm

油缸最大負載主要是指彈簧最大工作極限載荷Pj，本研究使用的彈簧極限載荷Pj=6 601 N，由式(2)和式(3)得出液壓缸工作壓力p=1.31 MPa。

(2)

(3)

式中p—液壓缸工作壓力，MPa；

F—液壓缸最大負載力，N；

A—液壓缸的有效作用面積，m2；

D0—液壓缸內徑，m。

油缸活塞運動符合正弦運動，位移公式如式(4)所示，其振幅為24 mm，運動頻率f=15～20 Hz。

x=x1sinωt

(4)

式中x—油缸位移，m；

x1—油缸活塞位移，m；

對上式求導后得出活塞運動速度

v=x1ωcosωt

(5)

式中v—活塞速度，m·s-1；

ω—角頻率，ω=2πf(rad·s-1)。

由式(5)得出活塞理論最大運動時速度vmax=3.2 m·s-1。

3.2 風機

采用無級變速帶輪，風機轉速與主動變速輪動盤位移之間的關系如式(6)所示。當調節風速為1 150 r·min-1，1 175 r·min-1，1 200 r·min-1，1 225 r·min-1時，主動變速帶輪需要分別向右移動18.150 mm，18.975 mm，19.800 mm，20.625 mm。

xz=0.038(nf-600)

(6)

式中xz—主動變速輪動盤位移，m；

nf—風機轉速，r·min-1。

3.3 切碎器

切碎器轉速大小直接影響切碎功率和拋灑均勻度，由圖1可知，切碎器主要采用帶傳動的方式由發動機主軸通過中間軸傳送到切碎器主軸。通過前期試驗得到4組切碎器較優轉速，當玉米籽粒含水率為24%～26%和39%～31%時，此時較優轉速分別為2 175 r·min-1和2 225 r·min-1[5]。

5 玉米聯合收獲機操控策略

通過前期對YF8166玉米聯合收獲機傳動系統進行優化可知，將滾筒、風機和切碎器進行優化設計，再次總結出玉米聯合收獲機在不同工況下各部件轉速調節策略，如表3所示。當玉米收獲機喂入量為8 kg·s-1，10 kg·s-1，12 kg·s-1，玉米籽粒含水率為24%～26%和39%～31%時，各部件轉速控制策略按照表3進行調節。

表3 玉米收獲作業時各部件轉速調節方案 單位：r·min-1

5 結論與展望

5.1 結論

針對目前玉米收獲機傳動系統工作效率低和傳動系統設計不合理等問題，對玉米收獲機傳動系統關鍵部件脫粒滾筒、風機和切碎器等進行優化，并總結玉米聯合收獲機在不同玉米籽粒含水率和谷物喂入量時各個部件的轉速，對于提高玉米聯合收獲機控制效率與工作可靠性具有一定參考意義。

5.2 展望

傳動系統作為發動機傳遞動力的載體，其結構優化不僅可以提高發動機工作效率，還可以提高傳動系統的自動化水平。未來應該根據提出的優化方案開展大田試驗進行驗證，并逐步應用于其他谷物收獲機。