4YZZ-2型小型籽粒玉米收獲機的設計研究

吳瑤瑤

（襄垣縣仁達機電設備有限公司，山西 襄垣 046200）

最近幾年我國籽粒玉米收獲機研制情況看，基本都是三行、四行大中型機型，其長度均在6～7 m 以上，寬度均在2～3 m。而我國北方玉米主產區(qū)70%的地塊處于丘陵山區(qū)，大型籽粒玉米收獲機不適應其田間道路，小型地塊進不去或掉頭不方便，急需研制一種小型籽粒玉米收獲機。

由襄垣仁達機電設備有限公司生產的4YZ-2 型小型自走式玉米收獲機其綜合性能在國內屬于領先水平，獲得多個國家實用新型專利和山西省科技成果獎，2012年正式投產以來累計生產了超1×104臺。在此基礎上，2017年提出了在原機型基礎上改進設計小型籽粒玉米收獲機，設計出了基本布局和整體結構設計方案，并申報了國家實用新型專利，2018年3 月5 日，取得實用新型專利證書，專利代號為：ZL 2018 2 0301030.X。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收獲機可一次性完成摘穗、秸稈粉碎、玉米穗脫粒、玉米芯粉碎、玉米籽粒輸送收集等作業(yè)。其結構見圖1。

圖1 整機結構圖Fig.1 Machine structure drawing

1.2 工作原理

當4YZZ-2 型小型玉米籽粒收獲機進入田間作業(yè)時，先將玉米割臺、秸稈粉碎機降低到適合收獲作業(yè)的高度，結合工作張緊離合器，使各工作部件處于工作狀態(tài)進入田間開始工作，玉米割臺摘下的玉米穗掉入輸送槽，被輸送槽刮板帶入玉米脫粒機喂入口，在玉米脫粒機的脫粒滾筒上焊接的圓頭釘齒抓取、打擊，與柵格凹篩相互揉搓擠壓作用下，打碎的玉米包皮等輕質雜余被除雜風機抽出粉碎室，大塊的玉米芯被推送到粉碎室后部排到玉米芯粉碎機絞龍上，玉米穗上的籽粒被強制脫下來，在滾筒釘齒打擊和離心力作用下，穿過柵格凹篩掉入下方的兩層清選篩箱，在曲柄機構往復運動、清選風機的氣流作用下，上層的魚鱗篩將玉米芯和較大的輕質雜余篩出篩箱掉入玉米芯粉碎機，被粉碎后從側面排出去，落入地面。玉米籽粒及部分小的輕質雜余落在下層細篩上，玉米籽粒落入接籽斗，較小的輕質雜余被風機吹出篩箱外，也落入玉米芯粉碎機輸送絞龍送到玉米芯粉碎機被粉碎排到地面，落入接籽斗的玉米籽粒由接籽斗絞龍推送到右側，被上糧絞龍送入籽粒箱，當籽粒箱裝滿時，被籽粒箱絞龍推送到左側，由卸糧絞龍將玉米籽粒卸到拉送籽粒的車廂里，完成玉米籽粒收獲全過程。

1.3 整車主要技術參數

4YZZ-2型自走式籽粒玉米收獲機主要設計參數見表1。

表1 整車主要設計參數Tab.1 The main design parameters of the vehicle

2 關鍵技術及創(chuàng)新點

2.1 關鍵技術

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收獲機是在原4YZ-2 兩行玉米收獲機基礎上改進而來的，關鍵技術是設計相適應的玉米籽粒脫粒機、清選篩和玉米芯粉碎機。該機關鍵技術如下。

第一，目前國內生產的玉米脫粒機以及與玉米收獲機配套的玉米脫粒機大都采用釘齒與鋼板沖孔式凹篩，該結構簡單，制造容易，成本低，缺點一是鋼板沖孔式凹篩沖孔邊沿有棱角，在脫粒過程中玉米籽粒碰到棱角時很容易造成破碎；二是鋼板沖孔凹篩一般采用2～3 mm 厚鋼板沖孔，凹篩強度剛度比較低，玉米果穗擠壓脫粒時容易造成變形，反復變形容易使凹篩產生裂紋直至損壞，對于大功率高效率的玉米籽粒收獲機不適應。為了避免這個問題，在設計柵格凹篩時采用?12 圓鋼焊接成而成，在脫粒過程中，釘齒與柵格凹篩相互作用都是圓弧面擠壓玉米穗，沒有棱角，大大降低了玉米籽粒的破碎率。

第二，設計清選機構時，由于玉米割臺在收割玉米時玉米秸稈以及少量玉米穗包皮已經被摘穗輥拉下粉碎了，喂入脫粒機的只剩帶少量玉米包皮的玉米穗，谷草比數值比較大，經測量試驗谷草比為1∶0.4 左右，因此省略了逐稿器機構，使結構大為簡化。為了提高玉米籽粒的清潔度，本機設計了雙層清選篩，上層粗篩采用可調魚鱗片篩，特點是篩片開度可調節(jié)，引導氣流吹走從凹篩上掉下來的玉米包皮和碎玉米芯，清選性能好，篩面不容易堵塞，生產效率高，通用性強。下層篩采用孔為25 mm×25 mm 鋼絲編織篩，特點是結構簡單，質量輕，篩孔有效面積大，生產率高，篩箱結構簡圖見圖2。

圖2 清洗篩簡圖Fig.2 Cleaning screen schematic

第三，玉米穗在脫粒過程中，玉米包皮以及玉米芯被清選篩篩出后，由于形狀還有點大，撒到地里影響還田腐爛，也不好看，因此設計了一個軸流式玉米芯粉碎機，清選篩篩出的玉米芯及果穗皮掉入螺旋絞龍，由螺旋絞龍推送到粉碎室吸入盤，粉碎室壁上固定的定刀和粉碎滾筒上固定的動刀相互作用，將玉米芯及玉米皮撕扯粉碎成絮狀，被后部拋揚輪拋出機外，落入土地表面。

2.2 技術創(chuàng)新點

第一，在原4YZZ-2 成熟機型基礎上進行改進設計，保留了原來的玉米割臺、輸送槽、行走底盤、工作主傳動離合器，增加了玉米脫粒機、清選風機、清選篩、除雜風機、玉米芯粉碎機、上糧結構、籽粒箱以及相應的傳動機構。由于整體結構設計布局合理，外形尺寸、整機質量、重心高度、生產成本不超過原機型，使其整體性能保留了原來的機動性能、通過性能，還有所提高。既適用丘陵山區(qū)收獲作業(yè)，也適應平川地區(qū)收獲作業(yè)。

第二，由于兩行玉米收獲機寬度較小，橫向穩(wěn)定性稍微欠缺，因此在整體結構布局采用基本對稱設計，整機重心盡量降低，提高小型籽粒玉米收獲機的橫向穩(wěn)定性。

第三，采用?12 圓鋼整體焊接，適合玉米脫粒的脫粒凹篩，使玉米籽粒破碎率大大降低，脫粒性能指標有很大提高，凹篩使用壽命比沖孔凹篩延長3～5倍。

第四，設計了玉米芯及玉米穗包皮粉碎機，使之除玉米籽粒回收外，全部秸稈、玉米芯、玉米穗包皮全部粉碎還田，地表面沒有殘茬留存。

3 總體設計及主要部件設計

3.1 總體設計

3.1.1 外形尺寸確定

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收獲機設計主導思想就是外形尺寸不超過4YZ-2 型自走式玉米收獲機，結構質量、重心高度以及制造成本不超過原型機，保留了原型機的基本性能，甚至有些性能要超過原型機。

3.1.2 整體結構布局確定

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收獲機是在原型機基礎上改進設計的，玉米割臺、秸稈粉碎機、輸送槽、自走底盤、柴油機、工作離合器還是原部件，位置不動。玉米脫粒機、清選機構在縱向中間上下布置，籽粒箱在機組后部，清選篩和籽粒箱中間布置玉米芯粉碎機。

3.2 玉米脫粒機設計

3.2.1 喂入量確定

本機的工作速度為最大5 km/h，工作幅寬為1.3 m，每秒工作最大面積為1.8 m2。

玉米單產按750 kg/0.067 hm2計算，喂入脫粒機的只是帶部分包皮的玉米穗，經試驗測算谷草比為1∶0.4，總喂入量為1 050 kg/0.067 hm2。

脫粒機喂入量為2.83 kg/s。

3.2.2 分離凹篩尺寸的確定

玉米脫粒機的生產率與分離凹篩的通過量有關，由分離凹篩的面積確定。分離凹篩生產率，Q的計算公式為：

式中：B——分離凹篩寬，m；S——分離凹篩總弧長，m；q1——單位凹篩面積能承擔的脫出物量，kg/（s·m2）。本結構采用圓鋼整體焊接凹篩，強度高，漏空率高，取5；η——利用系數，取0.8。

經計算，分離凹篩生產率為2.86 kg/s，大于最大喂入量。在脫粒過程中，打碎的玉米皮被粉碎室除雜風機抽出粉碎室，大塊的玉米芯被推送到粉碎室后部，掉到玉米芯粉碎機絞龍上，穿過粉碎凹篩的玉米籽粒低于計算喂入量。

3.2.3 脫粒滾筒結構設計

為了使脫粒滾筒強度高、堅固耐用，采用整體焊接設計。四排釘齒間隔螺旋排列，脫粒打擊均勻，節(jié)省功率消耗。脫粒釘齒采用低碳鋼鑄造成型，圓頭部采用滲碳淬火，硬度達到HRc45—50，使脫粒滾筒壽命達到3 年以上。玉米脫粒機結構見圖3。

圖3 玉米脫粒機簡圖Fig.3 Sketch of corn sheller

3.3 清選篩設計

第一，設計清選機構時，由于玉米割臺在收割玉米時玉米秸稈和部分玉米穗包皮已經被摘穗輥拉下粉碎了，喂入脫粒機的只剩帶少量玉米包皮的玉米穗，谷草比數值比較大，因此省略了逐稿器機構。

第二，為了提高玉米籽粒的清潔度，本機設計了雙層清選篩，上層粗篩采用可調魚鱗片篩，特點是篩片開度可調節(jié)，引導氣流吹走從凹篩上掉下來的玉米包皮和碎玉米芯，清選性能好，篩面不容易堵塞，生產效率高，通用性強。下層篩采用孔為25 mm×25 mm 鋼絲編織篩，特點是結構簡單，質量輕，篩孔有效面積大，生產率高，其結構見圖2。

第三，清選篩尺寸設計確定。小型籽粒玉米收獲機最大的特點就是突出一個外形尺寸小，機動靈活，能夠方便的適應丘陵山區(qū)各種地塊和田間道路，因此在設計清選篩尺寸時必須在滿足籽粒清潔度、損失率要求的前提下，盡量減少篩箱的長度，利于整體結構布局。清選篩尺寸主要是篩子面積（長×寬），本機在寬度設計上限制小，寬度可達800 mm，篩子的長度L可由下式求得：

式中：Q——脫粒機喂入量，kg/s。由柵格凹篩掉到篩面上的玉米籽粒及雜物已經低于脫粒機的實際喂入量，篩面喂入量調整為2.4（谷草比1∶0.2）

q1——篩子面積可以承擔的谷粒混合物喂入量kg/（s·m2），查農機設計手冊，可調節(jié)魚鱗篩和編織篩約為1.5～2.5 kg/（s·m2），魚鱗篩要比編織篩能承擔更大喂入量，取2.5。

根據計算以及實際結構空間，本篩有效長度設計為1 280 mm。

4 結論

4YZZ—2型自走式籽粒玉米收獲機主要有以下特點。

第一，外形尺寸小，在各個主要工作部件充分符合性能要求的基礎上，總長度不超過6 m，寬度不超過1.5 m，在國內屬于最小的玉米籽粒收獲機機型，機動性能好，爬坡能力強，轉彎半徑小，能夠適應丘陵山區(qū)各種田間道路和小塊地作業(yè)。

第二，與原來生產的兩行玉米收獲機大部分都通用，割臺、底盤、輸送槽都保留了原來結構，傳動圓錐齒輪、傳動箱也采用原零部件，通用件多。玉米籽粒收獲機的主要工作部件，結構簡單、緊湊，整機質量要比原機型降低200 kg 以上，投入批量生產，三包成本低，企業(yè)生產成本低。投入市場的話農民購買成本低，三包維護方便。

第三，與玉米籽粒收獲機相關的主要工作部件如玉米脫粒機、清選篩、玉米芯粉碎機，在設計中克服國內現有技術的一些缺陷，結構合理，性能穩(wěn)定，強度高，主要性能指標符合國家有關標準。