大豆玉米帶狀種植模式下玉米摘穗機設計與試驗

王鵬 謝守勇 李明生 陳行政 張小亮 劉偉

摘要：針對丘陵山區大豆玉米帶狀種植模式的玉米果穗收獲有機難用、無機可用的現狀，設計一款自走式小型玉米摘穗機。該機采用縱臥式摘穗輥實現果穗摘取，并通過輸送裝置收集裝袋；采用“Y”型布局的L型小甩刀實現莖稈粉碎。對摘穗過程進行動力學分析、對粉碎過程進行靜力學分析，確定其核心裝置設計參數并進行樣機試制。以莖稈粉碎長度合格率、果穗損失率、籽粒破碎率為試驗指標進行田間試驗，來驗證該機設計的合理性。試驗表明：在生產率為0.8 hm2/d、果穗籽粒含水率為26.38%、莖稈含水量為71.25%的條件下進行試驗，莖稈粉碎長度合格率為92.4%、果穗損失率為2.06%、籽粒破碎率為0.61%。該機設計各項指標符合國家相關標準，能夠滿足丘陵山地地區玉米機械化收獲需求。

關鍵詞：摘穗；莖稈粉碎；甩刀；玉米；大豆玉米帶狀種植

中圖分類號：S225.5+1

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02000707

收稿日期：2023年3月20日 ?修回日期：2023年5月17日

基金項目：工業和信息化部2021年適應丘陵山區農業作業的通用動力裝備及高效作業機具攻關項目（TC210H02V）；重慶市技術創新與應用示范重點項目（cstc2021jscx—gksb0003）

第一作者：王鵬，男，1997年生，山西大同人，碩士研究生；研究方向為現代農業裝備設計。Email： 952912202@qq.com

通訊作者：謝守勇，男，1969年生，重慶人，博士，教授；研究方向為農業智能控制與檢測。Email： xsyswu@163.com

Design and experiment of corn ear picker under soybean and corn belt planting mode

Wang Peng1， Xie Shouyong1， 2， Li Mingsheng1， 2， Chen Xingzheng1， 2，

Zhang Xiaoliang1， Liu Wei1

（1. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing， 400715， China；

2. Key Laboratory of Agricultural Equipment in Hilly and Mountainous Areas in Chongqing，

Chongqing， 400715， China）

Abstract：

In view of the current situation that there was machinery difficult to be used or no machinery to be used in the corn ear harvesting of soybean and corn belt planting mode in hilly and mountainous areas， a selfpropelled small corn ear picker was designed. The machine adopted a vertical and horizontal ear picking roller to realize ear picking， and collected bags through a conveying device. The Lshaped small flail with ‘Y layout was used to achieve stalk crushing. The dynamic analysis of the picking process and the static analysis of the crushing process were carried out to determine the design parameters of the core device and conduct prototype trial production. The field test was carried out with the qualified rate of stem crushing length， ear loss rate and grain crushing rate as the test indexes to verify the rationality of the machine design. The results showed that under the conditions of productivity of 0.8 hm2/d， ear grain moisture content of 26.38% and stem moisture content of 71.25%， the qualified rate of stem crushing length was 92.4%， ear loss rate was 2.06% and grain crushing rate was 0.61%. The results show that the design of the machine meets the relevant national standards， and can meet the needs of mechanized corn harvesting in hilly and mountainous areas.

Keywords：

ear picking; straw crushing; swing knife; corn; belt planting of soybean and corn

0 引言

玉米是我國重要的糧食作物和經濟作物，莖稈作為果穗收獲后的高值副產品被粉碎后拋灑在農田中，可以培肥地力，提升耕地土壤品質［13］。2022年農業農村部提出大力推廣大豆玉米帶狀種植模式，配套的播種、植保、收獲機械卻急需發展［45］。國內外玉米收獲機種類多種多樣，但主要以大中型機械為主，無法應用于丘陵山地的大豆玉米帶狀種植模式的玉米果穗收獲，市場對此類機械較為急需［6］。

為解決丘陵山區大豆玉米帶狀種植模式下玉米機械化收獲的問題，國內外學者針對上述問題做了大量研究。耿端陽等［7］設計了一款履帶式坡地玉米收獲機，采用橫輥摘穗技術來減少果穗損傷，并研制出雙向作業操作系統實現掉頭轉彎作業功能；李粵等［8］設計Y型甩刀解決粉碎機纏繞問題，優化機具前進速度和粉碎刀輥轉速來使秸稈粉碎率達標；賈洪雷等［9］設計出一款V-L型秸稈粉碎還田刀片，并通過分析拖拉機前進速度和刀輥轉速二者交互作用對秸稈粉碎率的影響，確定了刀片的較優結構參數；紀曉琦等［10］結合激振摘穗實現果－莖分離的條件開發了基于橢圓截面的新型摘穗裝置以提高摘穗質量。上述研究大多是對粉碎裝置與摘穗裝置的設計與優化，雖有利于提高莖稈粉碎效果并減少果穗損傷，但機具復雜化，使用步驟較為繁雜，購買成本升高，散戶難以接受，實用性差，用于丘陵山地的大豆玉米帶狀種植模式的玉米收獲較為困難。

本文以提高粉碎效果、減少果穗損傷為目標，參照大豆玉米帶狀種植模式的農藝要求，設計一款自走式小型玉米摘穗機，并結合玉米摘穗及莖稈粉碎過程中動力學分析來確定其設計參數。并以樣機生產率為0.8 hm2/d（每天工作10 h）進行田間試驗，以期驗證機具設計的合理性。

1 整機結構及工作原理

1.1 玉米收獲機整機結構

自走式小型玉米收獲機主要由行走裝置、分禾撥禾裝置、摘穗裝置、輸送裝置及粉碎裝置組成，如圖1所示，主要技術參數如表1所示。玉米莖稈可視為柔性懸臂桿件，經撥禾器推動喂入摘穗輥后擠壓拉莖，并被粉碎裝置切割成小段，散落田間。

1.2 工作原理

機具在作業過程中可實現分禾、撥禾喂入、摘穗、輸送、收集、莖稈粉碎等工序。“2+4”模式的大豆玉米帶狀復合種植進入收獲期后，在不碾壓兩側豆莢的情況下，兩行玉米逐一收取。工作時，隨著機具向前行駛，分禾器將玉米秸稈及穗葉左右分開，星型撥禾器負責將玉米莖稈逐一喂入摘穗裝置，經摘穗輥的摘穗段將玉米果穗摘下。玉米果穗在自身重力及摘穗輥離心力的作用下，落在輸送裝置上，被輸送至機具后方收集裝置處裝袋。玉米莖稈在粉碎裝置的作用下切割成小段，散落在田間。

2 關鍵部件設計

2.1 摘穗裝置結構設計

根據玉米收獲時莖稈的站立形態，選擇縱臥輥摘穗方式收獲果穗。摘穗輥由導穗段、摘穗段、強拉段三部分組成［11］，如圖2所示。玉米植株進入摘穗裝置后，經導穗段螺旋的推動下進入摘穗段，兩摘穗輥向內旋轉，輥上三角凸棱與玉米植株摩擦，產生向下的拉應力使玉米莖稈向下運動，將玉米果穗與莖稈分離。

1.導穗段 2.摘穗段 3.強拉段

摘穗時左側摘穗輥對玉米莖稈受力分析如圖3所示，以水平向左方向為x軸正方向、豎直向下方向為y軸正方向、圖3中O點為原點建立笛卡爾坐標系，建立關系式如式（1）、式（2）所示。

F1cosα-f0sinβ-F2sinα>12F內

（1）

12m0g+F1sinα+F2cosα-f0cosβ=12m0a

（2）

式中：

F1——

左側摘穗輥凸棱對玉米莖稈的正壓力，N；

F2——

左側摘穗輥凸棱對玉米莖稈的下拉力，N；

f0——

左側摘穗輥輥面對玉米莖稈的摩擦力，N；

α——

左側摘穗輥凸棱對玉米莖稈的下拉力與豎直方向的夾角，（°）；

β——

左側摘穗輥輥面對玉米莖稈的摩擦力與豎直方向的夾角，（°）；

a——

玉米莖稈被下拉的加速度，m/s2；

F內——

玉米莖稈垂直于纖維方向的內聚力，N；

m0——玉米莖稈質量，kg；

g——重力加速度。

因此摘穗輥能夠順利擠壓并向下拉拽玉米莖稈，玉米莖稈發生塑性變形時需要克服垂直于纖維方向的內聚力，從而才能被擠壓破壞。玉米莖稈經導穗段剛進入摘穗輥間時，初速度為0。在摘穗輥相向轉動作用下，摘穗輥對玉米莖稈的正壓力、下拉力產生較大的加速度，玉米莖稈迅速向下運動，完成摘穗過程。

為使摘穗輥僅作用于玉米莖稈而避開果穗，摘穗輥直徑應滿足式（3）［12］。

dg-δ1-11+μg2≥D≥dj-δ1-11+μj2

（3）

式中：

D——摘穗輥直徑，mm；

dg——玉米果穗直徑，mm；

dj——玉米莖稈直徑，mm；

δ——摘穗輥兩輥間隙，mm；

μg——摘穗輥對果穗抓取系數；

μj——摘穗輥對莖稈的抓取系數。

根據丘陵山區大豆玉米帶狀復合種植的情況（本例品種：渝單821）及相關資料顯示，μg=μj=0.7～1.1、dg=45～55 mm、δ=10～12 mm，代入式（3）中可得：50 mm≤D≤120 mm，考慮到整機結構等條件，確定D=76 mm，摘穗輥長度L=510 mm。

摘穗輥轉速對玉米莖稈粉碎有著重要的影響，摘穗輥轉速過低時，玉米莖稈下行速度慢，莖稈底端不易與粉碎裝置形成切割支點，莖稈切斷時藕斷絲連，切割不完全；摘穗輥轉速過高時，玉米莖稈下行速度過高，莖稈粉碎長度較大。

摘穗輥轉速計算公式如式（4）所示。

vg=ω1D2=n1π30×D2

（4）

式中：

vg——拉莖當量速度，m/s；

ω1——摘穗輥角速度，rad/s；

n1——摘穗輥轉速，r/min。

查閱相關資料可知，摘穗輥拉莖當量速度為3～3.86 m/s，計算得到n1=818～1 052 r/min，在生產率為0.8 hm2/d，機器行走速度較快，選擇摘穗輥轉速為950 r/min。

2.2 粉碎裝置結構設計

粉碎刀具主要有直刀型、甩刀型、錘爪型三種，本文選用L型甩刀，剛度高、耐磨性好，具備良好的秸稈粉碎能力［1314］。甩刀位于摘穗裝置正下方，隨著中心軸高速旋轉，上方設有一鋸齒形支撐板，田間作業時，玉米莖稈經摘穗裝置擠壓變形后喂入粉碎裝置，當甩刀、玉米莖稈和鋸齒形支撐板發生接觸時，甩刀對玉米莖稈進行砍切，并且從甩刀、鋸齒形支撐板與玉米莖稈接觸到玉米莖稈被切斷，甩刀和鋸齒形支撐板對玉米莖稈均處于雙支撐狀態。玉米莖稈經摘穗輥擠壓發生塑性變形，垂直于纖維方向的內聚力驟減，隨著甩刀的轉動及鋸齒形支撐板的支持下，玉米莖稈發生彎曲和剪切變形直至斷裂。

如圖4所示，甩刀軸上均布四片甩刀，以鉸接方式連接，甩刀長80 mm，鉸接點距甩刀端點l=65 mm。粉碎裝置中共3根粉碎軸，通過Y型連接塊均勻布置在圓周上。

玉米莖稈切割段受力分析如圖5所示，其中包括玉米莖稈切割段自身重力m1g、甩刀對玉米莖稈的支持力F3、甩刀與玉米莖稈間的摩擦力f1、鋸齒形支撐板對玉米莖稈的支持力F4、鋸齒形支撐板與玉米莖稈間的摩擦力f2。玉米莖稈與甩刀接觸后瞬間被切斷，接觸時間持續極短，此時玉米莖稈仍保持原狀態運動，因此，玉米莖稈在切斷過程中受力平衡。以水平向左方向為x軸正方向、豎直向上方向為y軸正方向、圖中O點為原點建立笛卡爾坐標系，建立關系式如式（5）～式（8）所示。

Fx=F4-f2sinθ-F3cosθ=0

（5）

Fy=f1+f2cosθ-F3sinθ-m1g=0

（6）

f1=μ1F3

（7）

f2=μ2F4

（8）

式中：

Fx——

各個力在x軸方向上的合力，N；

Fy——

各個力在y軸方向上的合力，N；

μ1——

玉米莖稈與鋸齒形支撐板間的動摩擦系數；

μ2——

玉米莖稈與甩刀間的動摩擦系數；

θ——

砍切玉米莖稈時甩刀與鋸齒形支撐板間的夾角，rad。

求解可得

F3=m1g（1-μ2sinθ）（μ1-sinθ）（1-μ2sinθ）+μ2cosθ

（9）

F4=m1gcosθ（μ1-sinθ）（1-μ2sinθ）+μ2cosθ

（10）

玉米莖稈的受力情況直接影響其粉碎質量。當甩刀、鋸齒形支撐板選型確定后，玉米莖稈與甩刀、鋸齒形支撐板間的動摩擦系數μ1、μ2為定值，則玉米莖稈的受力情況取決于砍切玉米莖稈時甩刀與鋸齒形支撐板間的夾角θ的大小。由式（9）、式（10）可知，當θ在0，12π間逐漸增大時，甩刀對玉米莖稈的支持力、鋸齒形支撐板對玉米莖稈的支持力均隨之增大，秸稈粉碎質量得到提升。

根據《農業機械設計手冊》可知甩刀刀端的線速度大于30 m/s時才能達到良好的粉碎效果。甩刀轉速對玉米莖稈粉碎具有決定性作用，甩刀轉速過低，秸稈受到刀片的打擊力度不能切碎莖稈；甩刀轉速過高，粉碎裝置功耗高，振動大，不利于田間作業［15］。

本文設計L型甩刀的回轉半徑r1為80 mm，如圖6所示，在中心軸軸心建立坐標系，甩刀端點運動軌跡上任一點坐標為A（x，y），則甩刀的運動軌跡建立如式（11）所示。

x=v0t+（r1+l）cos（ω2t）

y=（r1+l）sin（ω2t）

（11）

式中：

v0——整機前進速度，m/s；

ω2——甩刀轉動角速度，rad/s；

l——甩刀的長度，mm。

圖6 甩刀端點運動軌跡圖

Fig. 6 Motion trajectory of endpoint of flail knife

甩刀端點A的運動軌跡構成一條余擺線［16］，整機前進速度決定了余擺線環扣的密度，由此可知整機前進速度對莖稈粉碎具有較大的影響，在保證機器工作效率的情況下，整機前進速度越慢，莖稈切碎效果越好。根據《大豆玉米帶狀復合種植機械化收獲減損技術指導意見》并結合丘陵地區土地狀況，確定整機前進速度范圍為0.35～0.85 m/s，在生產率為0.8 hm2/d，整機前進速度為0.56 m/s。

對式（11）求導可得甩刀端點的速度如式（12）所示。

vx=dxdt=v0-（r1+l）ω2sin（ω2t）

vy=dydt=（r1+l）ω2cos（ω2t）

（12）

由此可得甩刀端點A的絕對速度如式（13）所示。

vm

=vx2+vy2

=v02+ω22（r1+l）2-2ω2（r1+l）v0sin（ω2t）

（13）

當ω2t=2kπ+π/2（k∈N）時，甩刀端點A處線速度方向與整機前進速度方向相反，vmmin=（r1+l）ω2-v0，因此可得甩刀中心軸轉速最小值為

n2=30（vmmin+v0）π（r1+l）

（14）

計算可得n2=1 975 r/min，即甩刀轉速可取整為2 000 r/min。

2.3 分禾撥禾裝置結構設計

分禾撥禾裝置作為整機結構的一部分，雖然結構簡單，但卻不可或缺［17］。由于種植行距的偏差，對壟作業時將會有一定的玉米植株在分禾器的作用下經撥禾器送入摘穗裝置中，同時也可將其他行的玉米植株分離，提高玉米摘穗效率。撥禾器由撥禾曲桿和套筒組成，其中撥禾曲桿呈“Y”型分布，如圖7所示為分禾撥禾裝置結構圖。

撥禾器工作時運動是由繞撥禾輪軸的圓周運動與機器的前進運動的合成運動，其外端點的運動軌跡也是余擺線，根據撥禾器外端在圓周上不同位置和撥禾器回轉一圈時整機的位移S的關系，可得撥禾器轉速如式（15）所示。

S=v0n3

（15）

式中：

n3——撥禾器轉速，r/min。

在生產率為0.8 hm2/d，可計算得出撥禾器轉速為93 r/min。

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件及試驗方法

為驗證自走式小型玉米摘穗機的作業性能、確定機具最優工作參數，于2022年6—8月進行樣機試制，首先通過Creo8.0完成了整機的三維建模與裝配，并將需要加工的非標零件如撥禾曲桿、車架等委托重慶市北碚區歇馬鎮加工工廠進行加工，并購買樣機所需標準件如發動機、軸承座、甩刀等，之后在重慶市北碚區歇馬鎮川儀十廠附近某工廠將樣機組裝完畢，并于2022年8月在重慶市渝北區大盛鎮進行田間試驗，玉米品種為渝單821，玉米植株種植行距為400 mm，株距為120 mm，玉米莖稈根部直徑為29.73 mm，頂部直徑為8.66 mm，植株平均高度為2 947 mm。田間試驗及作業效果如圖8所示。

3.2 試驗指標

3.2.1 莖稈粉碎長度合格率

粉碎后玉米莖稈長度不大于100 mm視為合格，根據G8/T 24675.6—2021《保護性耕作機械第6部分：莖稈粉碎還田機》［18］設定莖稈粉碎長度合格率測量方式為：每個行程在測區長度方向上等間距測定3點，共6點，每點隨機測定1 m3面積，撿拾所有莖稈稱重。從中挑出粉碎長度不合格的莖稈進行稱重，計算出各點莖稈粉碎長度合格率后求均值，則莖稈粉碎長度合格率計算公式如式（16）所示。

z1=16∑6i=1MZi-MBiMZi×100%

（16）

式中：

MZi——

試驗中各點所有粉碎莖稈總質量；

MBi——

試驗中各點粉碎后不合格莖稈質量；

z1——粉碎長度合格率平均值。

3.2.2 果穗損失率

根據GB/T 21962—2020《玉米收獲機械》［19］國家標準規定可知，在每個行程測區長度方向上收集漏摘和落地的果穗（包括5 cm以上的果穗段），將該類玉米及收集裝置中的玉米分別脫粒稱重，則果穗損失率計算公式如式（17）所示。

z2=mumz×100%

（17）

mz=mu+mq+ml

（18）

式中：

mu——漏摘和落地的果穗籽粒質量；

mz——每個行程中玉米籽粒總質量；

mq——收集裝置中的果穗籽粒質量；

ml——果穗掉落籽粒的質量。

3.2.3 籽粒破碎率

根據GB/T 21962—2020《玉米收獲機械》［19］國家標準規定可知，將收集裝置中的玉米脫粒后，從中隨機取出定量的籽粒（大于2 000 g），之后清理干凈，并從中揀出機器損傷、有明顯裂紋及破皮的籽粒，分別稱出破損籽粒質量及樣品籽粒總質量，并進行多次重復試驗，則籽粒破碎率計算公式如式（19）所示。

z3=msmi×100%

（19）

式中：

ms——

破碎的籽粒、有明顯裂紋的籽粒質量；

mi——第i次樣品籽粒總質量。

目前單行小型玉米收割機的生產率為0.67～1.23 hm2/d（根據地況，每天工作10 h），丘陵山區地塊碎小，地況復雜，其生產率能達到0.8 hm2/d便屬高效。為驗證本文所設計的自走式小型玉米摘穗機的作業性能，在生產率為0.8 hm2/d、果穗籽粒含水率為26.38%、莖稈含水量為71.25%的條件下進行3組試驗，每組試驗進行3個行程（每半個行程為100 m，1個來回為1個行程），1組試驗完成后記錄數據并統計各指標。

3.3 試驗結果與分析

試驗過程中樣機各裝置工作運行良好，摘穗裝置和莖稈粉碎裝置運行平穩，摘穗效果好、粉碎質量高，試驗結果如表2所示。

由表2可知，自走式小型玉米摘穗機在高效狀態下工作時（生產率為0.8 hm2/d），平均莖稈粉碎長度合格率為92.4%、平均果穗損失率為2.06%、平均籽粒破碎率為0.61%，以上指標均符合GB/T 21962—2020《玉米收獲機械》、G8/T 24675.6—2021《保護性耕作機械第6部分：莖稈粉碎還田機》里的國家標準，均在規定范圍內，從而驗證了自走式小型玉米摘穗機設計合理性、工作可靠性。

4 結論

1） ?根據丘陵山區大豆玉米帶狀種植模式的農藝要求設計了一款自走式小型玉米摘穗機，該機由行走裝置、分禾撥禾裝置、摘穗裝置、輸送裝置及粉碎裝置組成。通過對摘穗過程及莖稈粉碎過程的動力學分析，確定了該機生產率為0.8 hm2/d的摘穗輥轉速為950 r/min，整機行走速度為0.56 m/s，甩刀轉速取整為2 000 r/min，撥禾器轉速為93 r/min。

2） ?在生產率為0.8 hm2/d、果穗籽粒含水率為26.38%、莖稈含水量為71.25%的條件下進行試驗莖稈粉碎長度合格率為92.4%、果穗損失率為2.06%、籽粒破碎率為0.61%，從而驗證了自走式小型玉米摘穗機設計合理性。

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