丘陵山區小型玉米收獲機單行去穗機構設計與試驗

摘要：玉米作為我國主要農作物之一，在丘陵山區玉米的產量并沒有較大提升，其原因是丘陵山區玉米收獲機械化程度較低。因此，針對丘陵山區玉米機械化收獲的問題，設計一款單行不平行去穗機構。通過受力分析，玉米脫離方向的合力大小是決定玉米是否從穗柄脫離的關鍵，摘穗輥的轉速與植株結穗位置直徑大小是影響合力的關鍵參數。同時，設計適應于丘陵山區的三角履帶底盤，通過受力分析知道由三角履帶底盤承載的玉米收獲機能夠在最大坡度19.2°的山坡作業，并通過試驗驗證。由Adams仿真得到玉米穗在受到豎直方向拉力時玉米穗脫離穗柄的力在100～200 N之間。同時，利用拉力試驗機對隨機選取的鄭單958玉米進行5種不同拉力速度試驗，驗證仿真結果的準確性。基于試驗與仿真的結果，確定摘穗輥的轉速應大于473 r/min。最后在自制的小型單行玉米收獲機上進行去穗試驗，試驗結果表明：籽粒破損率為0.69%，玉米穗撞擊損傷率為0.83%，斷穗率為6.7%，所設計的去穗機構去穗效果良好，同時搭載三角履帶底盤能夠滿足玉米收獲機在較大坡度山地的作業要求，可靠性較高。

關鍵詞：丘陵山區；玉米去穗機構；動力學仿真；拉力試驗；抗傾覆試驗

中圖分類號：S225.5+1

文獻標識碼：A

Design and experiment of single-row ear harvesting mechanism for small-scale corn harvester in hilly mountainous areas

Abstract：

As one of the main crops in China， the yield of corn has not been greatly improved in hilly areas because of the low degree of agricultural mechanization in hilly areas. Therefore， a single-line unparallel ears removal structure is designed for the problem of maize mechanized harvesting in hilly mountainous areas. Through force analysis， the resultant force in the direction of corn picking is the key to determine whether corn detaches from the peduncle， and the speed of the picking roller and the diameter of the plant heading position are the key parameters affecting the resultant force. At the same time， a triangular track chassis adapted to hilly and mountainous areas was designed. Through force analysis， it is known that the corn harvester carried by the triangular track chassis can work on the hillside with the maximum slope of 19.2°， which has been verified by the test. According to Adams simulation， the force of the corn ear being pulled away from the stem in the vertical direction was between 100 N and 200 N. At the same time， the randomly selected Zhengdan 958 corn was tested by a tensile testing machine at five different speeds， which verified the accuracy of the simulation results. Based on the results of the experiment and simulation， the speed of the picking roller should be over 473 r/min. At last， tests on a self-made small corn harvester were carried out， and its results showed that the grain broken rate was 0.69%， the average impact injury rate was 0.83%， and the broken ear rate was 6.7%. The designed single-row non-parallel ear-picking roller ear-removing mechanism had a good ear-removing effect， and the triangular crawler chassis could meet the operation requirements of the corn harvester in the steep slope mountains， with high reliability.

Keywords：

hilly mountainous areas; corn ear harvesting mechanism; dynamic simulation; tensile testing; anti-overturning testing

0 引言

玉米是中國三大糧食作物之一，2020年中國玉米產量達到2.61億噸，是我國第一大糧食作物［1］。由于我國南方整體地形較為特殊，具備平原與山區地區的所有特點，所以處于丘陵山區農田的種類較多，特性也各不相同。丘陵山區玉米生產80%分布在山區、半山區坡地，坡度多在10°以上，有的甚至超過25°，難以實現大型機械化作業，所以目前玉米生產仍然處于人工作業的傳統農業狀態［25］。因此丘陵地區農業機械化發展緩慢，是我國農業機械化發展薄弱區域［6］。

近年來，國內外學者對玉米收獲機進行了研究設計，同時去穗裝置作為收獲機的核心工作部件，其工作能力直接影響收獲機的工作可靠性，因此對去穗裝置著重進行設計試驗。張智龍等［7］設計了一款玉米梳齒摘穗單體機構，并進行試驗，其機構可以根據需要調整以適應不同行距的玉米摘穗。王偉全等［8］設計了一款后傾式玉米收獲機摘穗機構，并進行仿真分析，采用復合式可拆換結構，提高結構可靠性，節約成本。佟金等［9］設計了一款玉米摘穗輥試驗臺，分析了輥式摘穗機構在摘穗中對玉米穗啃傷的影響因素，確定了在輥型一定的條件下，摘穗輥轉速是主要因素。崔濤等［10］進行了玉米摘穗機構低斷莖拉莖刀輥設計與試驗，在摘穗板間隙自動調節的基礎上，采用低斷莖拉莖刀輥，進一步降低了收獲含雜率。陳美舟等［11］對臥輥式摘穗結構的高度差進行了優化試驗與設計，降低了玉米籽粒的損失。中國農業大學的李克鴻［12］提出了一款間隙可調組合式玉米摘穗機構，降低了含雜率和籽粒的機械損傷率。甘肅農業大學的辛尚龍［13］對立輥式玉米摘穗機理與關鍵技術進行研究，得到了最優參數組合：喂入速度為3.84 km/h，摘穗輥轉速為1 160 r/min，擋禾稈安裝角度為73°，提升了玉米植株在立式割臺的通過性能。吉林大學的張莉［14］設計了一款新型仿生玉米摘穗機構，并進行理論分析和仿真研究，得出當摘穗輥轉速為13 r/s、玉米喂入速度為1.5 m/s，摘穗輥與夾持輸送帶夾角為40°時能夠達到最理想摘穗效果。青島科技大學的王廣來［15］對玉米收獲機摘穗機構進行了理論研究與改進分析，采用合適的行距調節裝置，提高其適應性。

國外一些公司與學者同樣對玉米收獲機械做了大量設計。Quaye等［16］對玉米收獲過程中采集的聯合排料樣品進行分析，確定篩和助行器的組成，設計制造了一種利用反向旋轉輥分離玉米芯和谷殼的玉米芯分離機。美國、德國公司生產的玉米聯合收獲機是在小麥聯合收獲機上換裝玉米割臺，并且能夠通過調節脫粒滾筒的轉速和脫粒間隙來適應玉米的收獲［17］。

本文在總結其他學者的研究基礎之上，針對丘陵山區玉米機械化收獲程度不足，提出一款單行不平行去穗機構用于丘陵山區玉米收獲。以小型玉米收獲機為依托，對其關鍵部件進行設計和理論分析，并通過試驗驗證去穗機構去穗效果以及小型玉米收獲機履帶底盤作業的可靠性。

1 整機結構及工作原理

小型不平行單行玉米去穗收獲機的虛擬樣機如圖1所示，該玉米收獲機主要由傳送機構、去穗機構、秸稈粉碎機構和傳動系統組成，整機尺寸（長×寬×高）為1 400 mm×650 mm×1 120 mm，采用單一動力輸入，選用額定功率為3.5 kW、轉速為3 600 r/min的170FB風冷柴油機，具有集成度高，結構緊湊，能適應丘陵山區惡劣的收獲環境。工作時，在底盤推動下，玉米植株經分禾板和撥禾器作用被喂入去穗機構，并在摘穗輥的沖擊、摩擦作用下使其玉米穗脫離，脫離后玉米穗在導向板作用下由傳送帶運送到收集箱中，剩下的玉米秸稈則進一步喂入粉碎機構中進行粉碎作業。

2 關鍵部件設計

2.1 摘穗輥設計與力學分析

摘穗輥直徑、凸棱高度、橫剖面形狀、尺寸、拉莖部分的直徑和拉莖凸棱形狀及數量等參數會影響摘穗部件對莖稈的攫取能力和對玉米穗的損傷程度［9］。現有臥式摘穗輥的傳動較復雜，單體質量較大；結構布置上，兩摘穗輥軸線與水平面呈35°～40°的傾角，造成重心偏高，機器整體尺寸變大；靠近機器外側的摘穗輥比內側的摘穗輥長300 mm左右，造成單體摘穗輥尺寸過長［18］。鑒此，本文對現有臥式摘穗機構進行改進。

摘穗輥摘取玉米時應保證玉米穗被摘掉而秸稈順利掉落，則需要確定摘穗輥的直徑［11］，有

式中：

d1——玉米穗大徑，取d1=60 mm；

d2——秸稈直徑，取d2=20 mm；

d——摘穗輥直徑，mm；

δ——摘穗輥間隙，取δ=10 mm；

μ1——玉米穗摘取系數，μ1取1；

μ2——秸稈摘取系數，μ2取1。

計算得到摘穗輥直徑為34.1 mm≤d≤170.7 mm。

因此，在盡量減少對玉米穗損傷和減小機構尺寸的前提下，確定摘穗輥的直徑為70 mm，總長為520 mm，兩摘穗輥同長且軸線水平布置，以降低摘穗機構的重心和整機尺寸。根據陳美舟等［11］的研究確定兩摘穗輥夾角為36°（兩輥軸線垂直的平面內，兩輥中心連線與水平面的夾角），其結構如圖2所示。通過高低配置的摘穗輥在玉米穗與植株之間施加作用力實現摘穗，相較于水平放置的摘穗輥其摘穗能耗小，且具有一定的剝皮效果，能降低玉米穗后處理剝皮的難度。

玉米植株成功喂入去穗機構的條件是摘穗輥之間的間隙小于玉米穗大端的直徑，大于玉米莖稈的直徑。喂入后，兩個摘穗輥相對轉動，利用沖力與摩擦力使玉米穗強制脫離［19］，此時，玉米穗受力分析如圖3所示。

由圖3可知，若玉米穗被摘下則需要滿足

2F0≥F′（2）

2F0=F1sinα+F2sinα（3）

式中：

F0——摘穗輥對玉米穗的沖力在兩摘穗輥連線垂直方向的分力，N；

F′——玉米穗（或穗柄）與秸稈的連結力，N；

α——玉米穗所受沖擊力與兩摘穗輥接觸點連線的夾角，（°）；

F1——摘穗輥1對玉米穗的沖擊力，N；

F2——摘穗輥2對玉米穗的沖擊力，N。

其中F1、F2反作用力的來源為摘穗時玉米穗的速度導致。

1.摘穗輥1 2.摘穗輥2

以玉米穗為研究對象，則摘穗輥在垂直方向對玉米穗的作用力合力

式中：

m——玉米穗質量，kg；

t——玉米穗從開始受力到完全掉落的時間，s；

v——摘穗瞬間摘穗輥連線垂直方向運動速度，m/s。

將模型簡化進行分析，當不考慮摘穗輥與秸稈發生滑動摩擦，則玉米穗未摘取前的運動速度與秸稈速度保持一致，可知

式中：

D——摘穗輥大徑，m；

n——摘穗輥轉速，m/s；

v1——秸稈速度，m/s；

s——玉米穗從開始受力到完全掉落的質心位移，m。

將式（5）、式（6）代入式（4）可得

由式（7）可知，當F≥F′時，玉米穗可以被順利摘下，其中s、F′的具體參數在后文由拉力試驗進行確定，進而可確定摘穗輥的轉速范圍。

2.2 三角履帶底盤設計與抗傾覆分析

丘陵地區玉米種植大多分布在山坡上，這就對機器底盤的抓地性能有著較高要求，傳統輪式底盤山地通過性、抗傾覆性差，對地面壓力大。因此根據要求設計了三角履帶底盤，如圖4所示。履帶寬度150 mm，底邊長550 mm，緊邊長450 mm，松邊長460 mm，高度400 mm，行走輪半徑65 mm，驅動輪半徑105 mm。同時以驅動輪替代張緊輪，行走輪替代導向輪和承重輪，大大降低了傳統履帶底盤設計的繁冗程度。

通常機器在山坡工作形式是橫向受力，且超過一半的機器發生傾覆前處于橫向工作狀態［2021］，所以此處討論玉米收獲機在橫向工作時的受力狀態。圖5為玉米收獲機在橫向工作狀態下的受力分析圖，f1、f2為摩擦力，N；N1、N2為作用在三角履帶上的支持力，N；G為玉米收獲機整機重量，N；d′為三角履帶間距，d′=550 mm；e為質心偏移距離（空載情況下忽略垂直斜面的偏移量），e=80 mm；h′為質點到地面的垂直距離，h′=560 mm；α′為斜坡傾斜角度，（°）。若玉米收獲機靜止在斜坡上，則有MQ=0，即

保證玉米收獲機橫向工作時不側翻的條件為

將d′、e、h′的值代入式（11）得到α′≤19.2°，即該三角履帶底盤能夠支撐玉米收獲機最大能夠在19.2°的山坡上進行作業，增加了玉米收獲機在丘陵山地工作的可靠性，同時采用履帶式底盤能夠減小對地面的壓力，增加玉米收獲機的通過性。

3 玉米摘取動力學仿真及拉力試驗

為保證摘穗輥能使玉米穗順利脫離，需要確保兩個摘穗輥的轉速足夠大，同時為防止轉速過高導致能量損耗多以及對玉米損傷過大，需要保證摘穗輥的轉速保持在合適的范圍之內。因此對摘穗力進行動力學仿真和拉力試驗，通過對比得出不同情況下的摘穗力范圍。

3.1 Adams動力學仿真

3.1.1 三維模型的建立

為減少仿真過程的計算難度，簡化了玉米模型，利用NX軟件建模玉米植株模型。玉米植株模型由秸稈、穗柄和玉米穗三部分組成。其中秸稈的直徑為30 mm，高度為1 000 mm，穗柄的直徑為20 mm，長度為40 mm，玉米穗長度為150 mm，穗頂直徑為2.5 mm，根部直徑為同穗柄直徑，玉米穗直徑最大處為80 mm，與秸稈成45°，其三維模型如圖6所示。

3.1.2 Adams摘穗仿真

將NX中繪制的prt文件導出為parasoild格式然后導入Adams中，定義玉米模型的材料屬性，玉米秸稈與穗柄之間、穗柄與玉米穗之間均用柔性力連接。選擇外加拉力作用于玉米穗質心，方向豎直向上。外加拉力利用STEP函數進行給定。

外加拉力函數表達式

式中：

x——變量；

x0、x1——初始值、終止值；

h0、h1——x0、x1對應的函數值；

h″——STEP函數自動擬合給出的值。

現給定初始拉力為100 N，然后每增加1 s，增加100 N，則外加拉力作用表達式為

F=100+STEP（time，1，0，1.01，100）+STEP（time，2，0，2.01，100）+STEP（time，3，0，3.01，100）+STEP（time，4，0，4.01，100）+STEP（time，5，0，5.01，100）（13）

其外加拉力隨時間變化的示意圖如圖7所示。

當外加拉力作用于玉米穗上時，玉米穗隨著拉力的變化質心位置發生移動，當拉力增加到某一值時，玉米穗與穗柄斷裂，此時可得到玉米穗脫離秸稈所需拉力大小。穗柄斷裂過程如圖8所示。

3.1.3 仿真結果分析

玉米穗受到豎直方向的拉力，隨著拉力的增大玉米穗穗尖逐漸朝上，質心位置和速度會發生變化。遂取玉米穗質心的位移與速度進行分析。

由圖9（a）可知，玉米穗在1 s時質心位移陡然增大，說明玉米穗與穗柄脫離，此時外加載荷拉力達到200 N超過玉米穗和穗柄之間能承受的最大拉應力。由圖9（b）可知，1 s時玉米速度也發生大的變化，同樣說明此時玉米穗與穗柄發生脫落。仿真結果說明豎直方向拔取玉米時，玉米與穗柄發生脫離的力在100～200 N之間。

3.2 拉力試驗

3.2.1 試驗材料準備

隨機選取15棵玉米并貼上標簽進行5組試驗，由于不同尺寸的玉米植株試驗結果各異，且為了方便夾具尺寸的設計，所以對隨機選取的玉米植株（試驗材料為鄭單958）測量其主要參數，測量結果如表1所示。

為方便玉米去穗拉力試驗，自設計了一款夾具用以托舉拉力測試中的玉米。為保證試驗時夾具可以夾在玉米穗底部，通過對玉米穗尺寸的測量，設計夾具寬度為35 mm。玉米穗拉力試驗如圖10所示。本次試驗使用的拉力試驗機，可準確測得50～50 000 N的拉力。

3.2.2 拉力試驗結果及分析

由圖3受力分析可知，玉米脫離方向的合力大小是決定玉米是否從穗柄脫離的關鍵，由式（4）知摘穗輥的速度會影響玉米脫離時的合力大小，所以選取拉力試驗機的拉取速度為變量去探究去穗時的速度對玉米脫離拉力大小的影響，對隨機選取的5組試驗植株分別用5 mm/s、10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s、25 mm/s的速度進行拉力試驗，試驗結果如圖11所示。

由圖11可知，去穗拉力大小范圍在140～570 N，拔取玉米穗的速度并不會對去穗的拉力大小產生影響，分析認為，真正對去穗拉力起決定作用的是植株結穗位置直徑的大小。

試驗得到的去穗拉力與仿真得到的去穗拉力在100～200 N之間存在較大差別。其原因可能有如下3種：（1）玉米葉子與秸稈在拉力試驗過程中與自設計的夾具接觸面積大，拉力克服摩擦力做功；（2）簡化仿真模型進行仿真計算；（3）仿真與試驗存在的不確定性誤差。

在拉力試驗中給定玉米穗的拉力是豎直方向的，而在不平行去穗機構中摘穗輥對玉米施加的合力是垂直兩摘穗輥連線的，因此，綜合考慮玉米穗與秸稈間的連結力為600 N，代入式（7）進行完整計算，以確定摘穗輥轉速范圍。

式（7）表明，當F≥F′時，玉米穗可以被順利摘下。由圖9（a）可知玉米穗開始受力到完全脫離穗柄，其質心位移s=1 mm，取m=0.2 kg、D=0.07 m、F′=600 N代入式（7）計算，可得轉速n≥473 r/min，此時滿足F≥F′，玉米穗可被順利摘下。

4 樣機試驗

4.1 去穗試驗及結果分析

樣機試驗同樣選取鄭單958玉米作為試驗對象，為加強模擬效果，試驗樣品為從根上第1節切斷的整棵植株并保證玉米穗無下垂，玉米籽粒含水率為23%。

試驗于2022年9月26日在重慶市北碚區歇馬鎮進行試驗。隨機選取20株鄭單958玉米植株，利用物理遞送模擬玉米收獲機田間前進收獲作業。

參照GB/T 21961—2008《玉米收獲機械試驗方法》設定本試驗指標，包括籽粒破損率、玉米穗撞擊損傷率和斷穗率。籽粒破損率通過計算已明顯破損或有明顯裂痕的籽粒質量與籽粒總質量百分比，玉米穗撞擊損傷率為撞傷的玉米穗質量與玉米穗總質量百分比，斷穗率為去穗試驗過程中被撞斷的玉米穗數量與總試驗玉米穗數量的百分比。其試驗結果如表2所示。

從表2可以看出，籽粒破損率為0.69%，玉米穗撞擊損傷率為0.83%，斷穗率為6.7%。玉米收獲機在試驗過程中運行平穩，可有效完成玉米收獲作業。試驗中去穗機構僅進行去穗作業，不進行剝葉，因此，分析認為玉米籽粒被玉米葉子多層包裹也是玉米破損率低的重要原因。

4.2 抗傾覆試驗及結果

丘陵山區耕地起伏大，“斗笠形”耕地極為常見，因此，玉米收獲機的抗傾覆性也是評價其作業性能的重要指標。為測試玉米收獲機的抗傾覆性能，利用紅磚累疊模擬坡度，收獲機履帶底盤單邊爬坡進行抗傾覆模擬。經測量單塊紅磚厚度55 mm，本次試驗測試玉米收獲機單邊履帶在3塊紅磚下（3塊紅磚下的測試坡度為16.7°）的抗傾覆性能。

玉米收獲機能夠平穩的爬上由三塊紅磚組成的斜坡，表明玉米收獲機能在16.7°的山坡上工作，該三角履帶底盤可以滿足在丘陵山區復雜條件下的正常工作，可靠性較高。

5 結論

1）" 針對丘陵山區玉米機械化收獲難的問題，設計了一款單行不平行去穗機構，確定了摘穗輥的直徑為70 mm，總長為520 mm，兩摘穗輥同長且軸線水平布置，兩輥中心連線與水平面夾角為36°，改進了現有臥式摘穗輥尺寸和布置方式，降低了重心和減小了整機尺寸。

2）" 通過摘穗過程果穗受力分析及拉力試驗發現：果穗能否順利摘取與摘穗輥的轉速有關，通過拉力試驗確定果穗最大摘取力為570 N，當摘穗輥轉速大于473 r/min時果穗可以被順利摘取。

3）" 由去穗試驗得到籽粒破損率為0.69%，果穗撞擊損傷率為0.83%，斷穗率為6.7%，結果表明所設計的去穗機構去穗效果良好，能滿足玉米的去穗要求；抗傾覆試驗結果表明小型單行不平行玉米收獲機搭載自設計的三角履帶底盤能夠滿足收獲機在較大坡度下的作業要求，可靠性較高。

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