高地隙玉米收獲機的設計與試驗

李英杰,李景彬,李樹峰,高奎增,周 倫

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832003;2.現代農業機械兵團重點實驗室,新疆 石河子 832003;3.山東巨明機械有限公司,山東 淄博 256400)

0 引言

玉米-大豆帶狀復合種植作為一種具有“高低協同”“以上促下”特點的農藝模式,在充分利用種植空間與光熱資源的同時可提高玉米和大豆的產量,對促進農業可持續發展具有積極意義[1-2]。推廣玉米-大豆帶狀復合種植技術可極大地推動我國玉米大豆產業發展,是解決玉米大豆爭地矛盾的有效途徑,且對于滿足消費需求、確保糧食安全具有重大意義[3]。

在玉米-大豆帶狀復合種植技術的推廣過程中,農機與農藝相結合將會更好地提高作業效率[4-6]。目前,專門適于玉米-大豆帶狀復合種植技術的大型玉米收獲作業機研究較少,多選用兩行小型玉米收獲機對兩側玉米帶進行依次作業,作業過程較為繁瑣[7]。

為提高玉米-大豆帶狀復合種植模式下玉米收獲的作業效率,研制相應的玉米收獲機械已迫在眉睫[8]。為此,對此種農藝模式下的專用玉米收獲機進行設計研究,通過增加最小離地間隙、割臺分側布置來實現騎跨大豆帶對兩側玉米的一次性收獲作業,提高了作業效率,可為專用于此種農藝模式的高效玉米收獲機的設計提供借鑒。

1 整機設計

1.1 設計目標

通過對現有玉米-大豆帶狀復合種植現狀進行實地調研,確定了農藝參數如下:玉米帶行距a=400mm;大豆行數4行,大豆行距c=200mm;玉米帶與大豆帶間距b=600mm,大豆帶間距離d=400mm,玉米的株距為100mm。玉米-大豆帶狀復合種植模式如圖1所示。

圖1 玉米-大豆帶狀復合種植模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of corn soybean strip compound planting mode

根據玉米-大豆帶狀復合種植模式農藝參數,對高地隙玉米收獲機進行方案設計,目標是玉米收獲機能夠騎跨大豆帶實現兩側玉米帶的一次性收獲。具體如下:①具有良好的通過性,即底盤最小離地間隙大于大豆植株高度;②割臺只對玉米收獲而不影響大豆,即割臺兩側分置,只對玉米進行收獲。

1.2 整體結構及工作過程

1.2.1 整體結構

高地隙玉米收獲機主要由發動機、割臺、升運器、駕駛室、車架、剝皮機及糧倉等組成,整機最小離地間隙為800mm,高于大豆植株高度,如圖2所示。其中,割臺和升運器選擇兩側分置的方式進行布置,即左右分別有1組割臺和升運器,在兩側升運器后設計有集穗攪龍、剝皮機和排雜機。

1.割臺 2.前輪 3.發動機 4.車架 5.籽粒箱室 6.后輪 7.糧倉 8.排雜機 9.剝皮機 10.集穗攪龍 11.升運器 12.駕駛室圖2 高地隙玉米收獲機結構示意圖Fig.2 Diagram of high gap corn harvester

1.2.2工作過程

樣機田間作業時,動力由發動機輸出,經前橋變速箱、過渡齒輪箱、輪邊減速器后傳遞至前輪,驅動整機前進;同時,動力傳遞至兩側割臺,驅動割臺工作。

兩側割臺分別對兩側玉米帶進行收獲,后經兩側布置的升運器向后輸送至集穗攪龍;果穗經集穗攪龍集中后進入剝皮機進行剝皮處理,苞葉等經排雜機排出,光果穗進入糧倉。機具主要工作參數如表1所示。

表1 高地隙玉米收獲機相關參數Table 1 Table of relevant parameters of high gap corn harvester

2 關鍵部件的設計

2.1 兩側分置式割臺的設計

為實現在玉米-大豆帶狀復合種植模式下玉米的收獲,設計了一種兩側分置式割臺,主要由摘穗輥、護罩、掛接梁、撥禾鏈、升運器等組成,如圖3所示。兩側割臺在工作時,摘穗輥高速旋轉,將玉米果柄拉斷,對果穗進行摘取;摘下后的果穗由割臺輸送器運送至升運器,兩側玉米帶的果穗經兩側割臺摘取后分別由兩側升運器向后輸送。

1.摘穗輥 2.護罩 3.掛接梁 4.撥禾鏈 5.升運器圖3 兩側分置割臺示意圖Fig.3 Schematic diagram of split header on both sides

兩側割臺中心距離設計為2400mm,使得收獲時兩側割臺分別位于玉米帶中心;兩側割臺中間位置寬度為1000mm,使得機器在行駛過程中能夠騎跨大豆帶。

在此種農藝模式下,玉米的種植密度較傳統的種植模式要大[9-12]。為實現在此種密植環境下玉米的收獲,對割臺的作業效率有較高要求,并且不易堵塞,因此選用輥式摘穗裝置[13-14]。其中,摘穗輥直徑為70mm,長度為700mm,割臺收獲行距為680mm。

2.2 高地隙底盤的設計

2.2.1前橋設計

前橋為驅動橋,主要由管梁、前橋變速箱、過渡齒輪箱及輪邊減速器等組成,傳動路線如圖4所示。為增大最小離地間隙,將前橋增高,同時在前橋變速箱與輪邊減速器之間增加過渡齒輪箱,來實現動力的傳輸。

1.前橋變速箱 2.輸入軸 3.輸入大錐齒輪 4.左側輪胎 5.輪邊減速器 6.輸出聯軸器 7.輸出大錐齒輪 8.中間軸 9.輸入小錐齒輪 10.輸出小錐齒輪 11.輸出軸 12.右側輪胎 13.過度齒輪箱殼體 14.輸入聯軸器圖4 前橋傳動路線圖Fig.4 Diagram of front axle transmission route

為保證運轉平穩、工作可靠,過渡齒輪箱選用弧形錐齒輪來進行傳動[15-16],主要包括輸入齒輪副、輸出齒輪副和中間軸。其中,輸入軸和輸出軸的豎直距離為520 mm,輸入齒輪副和輸出齒輪副的大錐齒輪和小錐齒輪的齒數分別為32和13,過渡齒輪箱總傳動比i2=1,前橋變速箱傳動比i1=0.95,輪邊減速器傳動比i3=4.5。

樣機在工作時,動力由前橋變速箱水平輸出,輸入齒輪副換向后變為豎直傳遞;隨后,由中間軸傳遞至輸出齒輪副;最后,動力經輸出齒輪副換向后變為水平輸出,傳遞至輪邊減速器,驅動前輪。

2.2.2后橋設計

后橋為轉向橋,主要由轉向橋梁、轉軸及后輪等組成,如圖5所示。為達到最小離地間隙為800mm的設計要求,后橋將轉軸和回轉軸承座加長來增加離地間隙,并用加強筋來進行結構加固;同時,將轉向制動臂和轉向拉桿安裝在轉向橋梁上端,避免轉向拉桿對大豆產生損傷。

1.回轉軸承座 2.轉軸 3.橋梁 4.加強筋 5.制動輪軸 6.后輪圖5 后橋結構示意圖Fig.5 Diagram of rear axle

2.3 車架的設計

車架為收獲機的重要部件,選用邊梁式結構,主要由Q235槽鋼焊接而成,包括橫梁、縱梁、立柱、加強筋和連接板等,整體尺寸為5670mm×3260mm×510mm。

車架的左右兩側縱梁進行分段設計,將后段縱梁高度降低,降低剝皮機、排雜機和糧倉等部件的高度,進而使得整機的重心降低,有利于提高樣機在作業過程中的穩定性。在縱梁分段處通過加強板來對結構進行加固,在割臺掛接梁兩側后方增設加強筋來增加結構的穩定性。車架結構如圖6所示。

1.立柱 2.割臺掛接梁 3.加強筋 4.連接板 5.縱梁 6.加強板 7.支架座 8.后橫梁 9.糧倉前橫梁 10.中橫梁 11.發動機橫梁 12.前橫梁圖6 車架三維圖Fig.6 3D drawing of frame

3 車架的模態分析

玉米收獲機田間作業條件復雜,受到的激勵與發動機、剝皮機等激勵引起的振動與沖擊引起的頻率接近車架固有頻率時,將導致共振,加速車架失效[17]。因此,選用有限元軟件對此種分段邊梁車架結構進行模態分析,對車架可靠性進行分析。

3.1 有限元模型建立

在SolidWorks三維軟件中建立車架的三維模型,建模過程中對模型進行簡化,忽略不必要的倒角、圓角等[18-19]。將簡化后的模型導入到ANSYS Workbench軟件中進行有限元分析,并在DesignMolder中生成有限元分析模型。車架的有限元分析模型如圖7所示。

圖7 車架的有限元分析模型Fig.7 Diagram of finite element analysis model of frame

3.2 材料定義和網格劃分

材料定義為Q235,密度ρ=7.85×10-3kg/m3,楊氏模量E=2×105MPa,泊松比V=0.25。在對車架進行網格劃分時,選用四面體單元進行劃分,網格大小定義為10mm。網格劃分完成后共有實體節點334 635個、實體單元159 676個。

3.3 求解與分析

模態分析用于確定結構的固有頻率和振型,一般而言低階振動對于結構的動態影響較大,故只需計算前幾階較低固有頻率及相應的振型[20]。在自由狀態下,車架的前6階模態為剛體模態,頻率值約等于0,因此將第7階模態算作第1階頻率,開始提取車架的前6階模態結果進行分析[21]。車架的模態頻率如表2所示,對應的振型如圖8所示。

表2 車架前6階自由模態頻率Table 2 Table of first 6 free modal frequencies of frame Hz

圖8 車架前6階振型模態云圖Fig.8 Diagram of the first 6 modes of the frame

車輛在正常狀態下行駛時,發動機的轉速一般為2300r/min,相應的激勵頻率為153.33Hz[22]。由表2可知,車架的最大模態頻率為41.279Hz,不會發生共振,滿足車架的設計要求。

4 田間試驗

4.1 試驗條件與準備工作

為檢驗所設計的高地隙玉米收獲機作業性能,參照玉米收獲機械相關標準[23],于2021年10月15-17日在山東省濰坊市北京大學現代農業研究院解戈莊試驗基地進行田間試驗。田間試驗時以功能驗證為主,并測定玉米的損失。

在試驗田內隨機選取3個點開展試驗地田間調查,對試驗田內玉米參數進行采集,并選取區5個試驗區進行田間試驗。試驗區包括20m的穩定區、20m的測定區和10m的停車區,在測定前去除測定區內最低結穗高度在0.35m以下的果穗以及自然落粒、落穗。樣機試驗如圖9所示,試驗田玉米參數如表3所示。

表3 試驗田內玉米的相關參數Table 3 Parameters of test base

圖9 樣機田間試驗Fig.9 Field experiment process

4.2 性能試驗與結果分析

4.2.1試驗方法

作業時,高地隙玉米收獲機保持3 km/h的作業速度,收獲時各部件工作平穩,能夠實現對兩側玉米帶的一次性收獲,完成摘穗、運輸、剝皮、排雜和收集作業。

揀起測定區漏摘和掉落的果穗脫凈后稱出籽粒質量,同時空轉機器,對升運器和籽粒回收箱中收集到的果穗脫凈稱量籽粒質量,按照式(1)～式(4)計算落地籽粒損失率SL、果穗損失率SU以及苞葉夾帶籽粒損失率Sb,并按照式(5)計算總損失率Sz,即

(1)

(2)

(3)

Sz=SL+SU+Sb

(4)

mz=mq+mL+mU+mb+mH

(5)

式中SL—落地籽粒損失率(%);

Sb—苞葉夾帶籽粒損失率(%);

SU—果穗損失率(%);

Sz—總損失率(%);

mz—籽粒總質量(kg);

mq—升運器中果穗籽粒和夾帶籽粒質量(kg);

mL—落地籽粒質量(kg);

mU—漏摘和落地果穗籽粒質量(kg);

mb—苞葉夾帶籽粒質量(kg);

mH—籽粒回收箱中地籽粒質量(kg)。

經測定,玉米損失的相關參數如表4所示。每個測定區面積為56 m2,將每平方米落地籽粒質量換算為每個測定區內落地籽粒質量后為7.28 kg。按照公式計算得:落地籽粒損失率SL=13.25%、果穗損失率SU=5.32%,苞葉夾帶籽粒損失率Sb=0.31%,總損失率Sz=18.88%。

表4 樣機玉米損失性相關參數Table 4 Parameters of test base kg

4.2.2結果分析

經田間試驗驗證,高地隙玉米收獲機樣機能夠實現在該種農藝模式下騎跨大豆帶對玉米收獲的功能,同時也存在損失率高的不足之處。結合試驗環境和機具自身情況對存在問題進行分析:從試驗環境來看,受收獲時間與持續降雨影響,枯熟期玉米存在倒伏嚴重的情況;另外,持續降雨導致籽粒含水率高,不利于機收,會增加玉米的損失[24]。從機具自身來看:割臺收獲行距680mm與玉米帶行距400mm適應性有待提高,且輥式摘穗裝置對玉米易產生啃傷,造成割臺損失增加[25]。后期針對損失率高的原因對樣機進行改進優化,提高作業效果。

5 結論

1)針對玉米-大豆帶狀復合種植模式,設計了一種高地隙玉米收獲機,通過提高前橋與后橋來增加離地間隙,并增加過渡齒輪箱來實現動力傳遞,其最低離地間隙為800mm,能夠滿足樣機對通過性的要求;割臺選用兩側分置的方式來進行布局設計,只對玉米收獲而不影響大豆。

2)利用有限元軟件ANSYS Workbench對分段設計的車架進行了模態仿真分析,并提取前6階模態的頻率,得到最大模態頻率為41.279Hz,在車架設計的安全范圍內。

3)對高地隙玉米收獲機進行田間試驗,作業時能順利對兩側玉米一次性收獲作業而不對大豆產生損傷,簡化了玉米收獲過程,基本達到預期設計目標。另外,需對割臺等關鍵部件進行優化和改進,從而降低玉米損失率,改善作業效果,提高農機農藝融合度。