自走式寬窄行玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：針對(duì)中國寬窄行玉米種植區(qū)存在機(jī)械化收獲水平低和人工收獲效率低成本高的問題，設(shè)計(jì)一款自走式寬窄行玉米收獲機(jī)。簡述工作原理，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和受力分析，通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)具性能。以玉米植株喂入速度、摘穗高度、拉莖輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，對(duì)籽粒損失率和籽粒破損率進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，根據(jù)極差分析和方差分析，得出各因素對(duì)籽粒損失率和籽粒破損率影響顯著性順序從大到小為：喂入速度、拉莖輥轉(zhuǎn)速、摘穗高度和拉莖輥轉(zhuǎn)速、喂入速度、摘穗高度。最佳工作參數(shù)組合：喂入速度為0.6"m/s、摘穗高度為35"mm、拉莖輥轉(zhuǎn)速為850"r/min，此時(shí)籽粒損失率為1.15%，籽粒破損率為0.24%。該機(jī)設(shè)計(jì)符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足寬窄行玉米種植區(qū)收獲要求。

關(guān)鍵詞：玉米；自走式收獲機(jī)；寬窄行種植；正交試驗(yàn)；高效低損收獲

中圖分類號(hào)：S225.5+1""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""""文章編號(hào)：2095?5553"（2025）"02?0070?05

Design and test of self?propelled wide and narrow row corn harvester

Dong Wenxue1， Wu Yingsi1， Hu Hengtong1， Zhao Jun2， Liu Fei1， Yan Jianguo1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， 010010， China;

2. Ordos Humlong Landscape Technology Co.， Ltd.， Ordos， 017200， China）

Abstract： Aiming at the problems of low level of mechanized harvesting， low efficiency and high cost of manual harvesting in China's wide and narrow row corn growing areas， a self?propelled wide and narrow row corn harvester was designed. The working principle was briefly described， the design calculation and force analysis of key components was carried out，" and the performance of the machine was verified through field tests. A three?factor and three?level orthogonal test was conducted on kernel loss rate and kernel breakage rate by using corn plant feeding speed， ear picking height， and stalk pulling roller speed as test factors. Based on the analysis of extreme variance and analysis of variance， the order of significance of the effect of each factor on the rate of seed loss and seed breakage from the largest to the smallest was found to be as follows： feeding speed， stem pulling roller speed， picking height and stem pulling roller speed， feeding speed， picking height， respectively. The optimal combination of working parameters was as follows： feeding speed of 0.6 m/s， picking height of 35 mm， and stem pulling roller speed of 850 r/min， at which time the seed loss rate was 1.15% and the seed breakage rate was 0.24%. The design of the machine conforms to the relevant national standards and can meet the harvesting requirements of wide and narrow row corn planting areas.

Keywords： corn; self?propelled harvester; wide and narrow row planting; orthogonal test; efficient and loss harvest

收稿日期：2023年10月23日""""""" 修回日期：2023年11月7日

? 基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFHH0012）；鄂爾多斯市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YY027）

第一作者：董文學(xué)，男，1999年生，河北承德人，博士研究生；研究方向?yàn)楦吆珊档貐^(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程與智能農(nóng)機(jī)裝備。E?mail： dong18403045597@163.com

通訊作者：吳英思，女，1982年生，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，講師；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)智能裝備檢測技術(shù)。E?mail： yingsi888@imau.edu.cn

0 引言

玉米是集糧食、飼料、加工和能源于一身的多用途作物[1]，播種面積和產(chǎn)量占我國糧食作物比例由1980年的17.1%和19.5%[2]增長到2023年的37.2%和44.4%，確保玉米產(chǎn)量對(duì)維護(hù)國家糧食安全具有重要意義[3]。玉米寬窄行種植是一種適合在半濕潤、半干旱地區(qū)推廣的農(nóng)藝模式。寬窄行種植行間距較大，空氣流動(dòng)性好，可增加玉米植株對(duì)光的有效吸收，使光合效率提高，進(jìn)而增加玉米產(chǎn)量[4， 5]。但由于行距不同，導(dǎo)致機(jī)械化收獲水平低[6， 7]，多采用人工收獲，效率低且成本高。目前，適用于玉米寬窄行種植區(qū)的玉米收獲機(jī)研究較少，因此開發(fā)一款適應(yīng)不同行距的玉米收獲機(jī)是解決上述問題的關(guān)鍵。

為解決不同行距玉米機(jī)械化收獲問題，天津某公司研制出無需對(duì)行收獲的玉米收獲機(jī)，突破了玉米收獲機(jī)必須對(duì)行收獲的傳統(tǒng)模式[8]。不對(duì)行收獲是解決不同行距機(jī)械化收獲問題的有效途徑之一，雖然我國在不對(duì)行收獲技術(shù)上已經(jīng)有很大突破，但還存在摘穗板與撥禾指間隙過小易堵塞、割臺(tái)前易堵塞造成額外損失等問題[9， 10]。此外，為解決不同行距玉米收獲問題，學(xué)者們設(shè)計(jì)了單行玉米聯(lián)合收獲機(jī)和手扶式微型玉米收獲機(jī)，但還存在水平拉莖輥距地面較高容易漏收以及作業(yè)效率低等問題。

綜上所述，相關(guān)研究存在損失率大、作業(yè)效率低等問題，本文結(jié)合玉米寬窄行種植農(nóng)藝參數(shù)設(shè)計(jì)自走式寬窄行玉米收獲機(jī)，采用單行收獲具有最佳對(duì)行效果，加長割臺(tái)，提高割臺(tái)的喂入量，進(jìn)而提升作業(yè)效率，摒棄傳統(tǒng)絞龍輸送，采用剝皮輥和壓送輪，降低籽粒破損率，為玉米寬窄行種植區(qū)高效低損收獲提供裝備支持。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

通過對(duì)現(xiàn)有玉米寬窄行種植現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，確定其農(nóng)藝參數(shù)如下：玉米窄行行距為400"mm，寬行行距為700"mm。玉米寬窄行種植模式如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)寬窄行玉米種植區(qū)精準(zhǔn)對(duì)行收獲作業(yè)，根據(jù)玉米寬窄行種植模式農(nóng)藝參數(shù)，提出單行玉米收獲機(jī)，解決現(xiàn)有玉米收獲機(jī)在玉米寬窄行種植區(qū)無法精準(zhǔn)對(duì)行及倒伏玉米植株漏撿率大等問題。

玉米收獲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括割臺(tái)、果穗剝皮及輸送裝置、果穗升運(yùn)裝置以及果穗收集箱等。其中，割臺(tái)由扶禾器、撥禾鏈、拉莖輥及摘穗板等結(jié)構(gòu)組成，增加割臺(tái)長度并加裝具有仿形功能的分禾器，對(duì)倒伏植株實(shí)現(xiàn)順利撿拾，減少漏穗；果穗剝皮及輸送裝置側(cè)方設(shè)有螺旋剝皮輥、排雜輥和壓送輪，以實(shí)現(xiàn)剝皮、排雜和橫向輸送功能；果穗升運(yùn)裝置設(shè)有橡膠擋板，以降低玉米果穗升運(yùn)時(shí)的損傷；果穗收集箱上方設(shè)有橡膠擋簾，用以阻擋果穗的拋擲運(yùn)動(dòng)，果穗收集箱通過液壓系統(tǒng)控制升降。

玉米收獲機(jī)在作業(yè)過程中可實(shí)現(xiàn)分禾、扶禾、夾持喂入、拉莖、摘穗、剝皮輸送和收集等功能。作業(yè)時(shí)，由分禾器將兩邊的玉米植株分開，分禾器末端撥禾鏈將玉米植株主動(dòng)引向摘穗裝置，拉莖輥轉(zhuǎn)動(dòng)將玉米莖稈向下拉拽，摘穗板間隙較小，可通過玉米莖稈，玉米果穗在摘穗板的阻擋下與玉米莖稈分離，實(shí)現(xiàn)摘穗；果穗在撥禾鏈的作用下被輸送至果穗剝皮及輸送裝置，完成果穗與苞葉分離后，苞葉經(jīng)排雜輥排至機(jī)具外部，螺旋剝皮輥將果穗輸送至果穗升運(yùn)裝置，最終落至果穗收集箱。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 玉米收獲機(jī)割臺(tái)

2.1.1 主要結(jié)構(gòu)及工作過程

為實(shí)現(xiàn)玉米寬窄行種植區(qū)的玉米收獲作業(yè)，設(shè)計(jì)一種單行收獲割臺(tái)，主要由撥禾鏈、拉莖輥、分禾器及護(hù)罩等結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)倒伏植株順利撿拾，將分禾器與護(hù)罩通過銷軸連接，作業(yè)時(shí)分禾器可隨地形起伏，并加長割臺(tái)長度為1"500"mm。

2.1.2 拉莖輥設(shè)計(jì)

拉莖輥尺寸直接影響抓取莖稈效果[11]，為實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米莖稈的有效抓取，須保證拉莖輥在對(duì)莖稈進(jìn)行起始抓取時(shí)不具備過大的抓取間隙。圖4是拉莖輥工作簡圖。

結(jié)合實(shí)際，應(yīng)確保拉莖輥能較好地抓取莖稈而不抓取果穗，為達(dá)到最佳拉拔效率和切割平臺(tái)的空間布置，確定拉莖輥直徑為90"mm。為提高對(duì)倒伏植株的撿拾性能，拉莖輥長度長于常規(guī)拉莖輥長度，為1"200"mm。

2.2 果穗剝皮及輸送裝置設(shè)計(jì)

為減少輸送過程中玉米果穗損傷及玉米籽粒損失，采用螺旋剝皮輥和壓送輪橫向輸送，并設(shè)計(jì)排雜輥，將玉米果穗苞葉排至外部。果穗剝皮及輸送裝置如圖5所示。剝皮輥結(jié)構(gòu)如圖6所示。

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》確定剝皮輥長度為900"mm，剝皮輥直徑為70"mm，設(shè)置6個(gè)壓送輪，壓送輪回轉(zhuǎn)直徑為300"mm，排雜輥長度為900"mm，排雜輥直徑為80"mm。為使果穗能夠在剝皮過程中自轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)剝皮輥，依靠剝皮輥對(duì)玉米果穗施加的摩擦力不同，將苞葉均勻剝離果穗。為提高剝凈率、降低損失率，一剝皮輥設(shè)計(jì)為條紋結(jié)構(gòu)，另一剝皮輥設(shè)計(jì)為螺旋結(jié)構(gòu)，為果穗提供向后的軸向力，確保果穗能夠橫向輸送。

2.3 果穗升運(yùn)裝置及收集箱設(shè)計(jì)

為減少升運(yùn)過程的損傷，采用升運(yùn)鏈上設(shè)置橡膠擋板。提升高度為2"300"mm，提升裝置工作時(shí)，玉米果穗在提升裝置末端具有一定速度做斜拋運(yùn)動(dòng)，為防止玉米果穗拋至果穗收集箱外部，在果穗收集箱上方加裝橡膠擋簾，減少果穗拋擲距離，使果穗順利落入果穗收集箱內(nèi)。果穗收集箱通過液壓控制實(shí)現(xiàn)傾倒。

3 關(guān)鍵部件受力分析

3.1 摘穗過程受力分析

采用拉莖輥—摘穗板組合式摘穗裝置通過摘穗板對(duì)果穗的阻擋實(shí)現(xiàn)果穗與莖稈分離，摘穗過程中果穗受力分析如圖7所示。摘穗時(shí)，拉莖輥對(duì)玉米莖稈施加壓力N，依靠產(chǎn)生的摩擦力f向下拉動(dòng)玉米莖稈，莖稈對(duì)果穗產(chǎn)生拉力T，在摘穗板對(duì)果穗的阻擋力F和莖稈對(duì)果穗的拉力T的作用下，果穗與莖稈分離，完成摘穗。

3.2 剝皮過程受力分析

依靠剝皮輥對(duì)玉米果穗施加的摩擦力不同，將苞葉均勻剝離果穗，剝皮過程中果穗受力分析如圖8所示。剝皮時(shí)，條紋橡膠剝皮輥順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、螺旋剝皮輥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，果穗對(duì)剝皮輥施加壓力P1、P2，由于兩個(gè)剝皮輥材料不同，剝皮輥對(duì)果穗的摩擦力f1、f2不同，使苞葉均勻剝離果穗。剝凈的果穗在壓送輪摩擦力的作用下被推至果穗升運(yùn)裝置內(nèi)。排雜時(shí)，一部分苞葉在剝皮輥的作用下排出機(jī)具外部，剩余苞葉在排雜輥摩擦力作用下被拉至機(jī)具外部。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市某試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)田玉米產(chǎn)量較高，約為15"000"kg/hm2，玉米種植寬行行距為700"mm、窄行行距為400"mm，地長約為100"m。試驗(yàn)區(qū)前方設(shè)有20"m穩(wěn)定區(qū)，試驗(yàn)區(qū)長度為20"m，試驗(yàn)區(qū)后有10"m停車區(qū)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。試驗(yàn)田內(nèi)玉米物理特性為：籽粒含水率33.3%左右，百粒重35.5"g左右，莖稈含水率58%左右，最低結(jié)穗高度最低結(jié)穗高度為890"mm，植株倒伏率5%左右，果穗下垂率70%左右。

4.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GBT21961—2008《玉米收獲機(jī)械—試驗(yàn)方法》、GBT21962-2008《玉米收獲機(jī)械—技術(shù)條件》及NY/T645-2002《玉米收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》對(duì)玉米收獲機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測試。每次試驗(yàn)可得玉米籽粒總質(zhì)量、破損（損失、有明顯裂紋及破皮）籽粒質(zhì)量及損失（落在機(jī)具內(nèi)部及地面）籽粒質(zhì)量，按式（3）、式（4）分別計(jì)算籽粒破損率、籽粒損失率。

[Zs=（Ws／Wi）×100%] （3）

[Zl=（Wl／Wi）×100%] （4）

式中： [Zs]——籽粒破損率，%；

[Zl]——籽粒損失率，%；

[Ws]——破損籽粒質(zhì)量，g；

[Wl]——損失籽粒質(zhì)量，g；

[Wi]——玉米籽粒總質(zhì)量，g。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 正交試驗(yàn)與結(jié)果

為了優(yōu)化玉米收獲機(jī)各項(xiàng)參數(shù)、提高收獲質(zhì)量，以玉米植株喂入速度A、摘穗高度B及拉莖輥轉(zhuǎn)速C為因素，以籽粒損失率及籽粒破損率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼表如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。A、B、C為各因素編碼值。

4.3.2 極差分析

為獲得最佳工作參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表2所示。方差分析結(jié)果如表3所示。對(duì)籽粒損失率影響主次順序?yàn)槲谷胨俣取⒗o輥轉(zhuǎn)速、摘穗高度，對(duì)籽粒破損率影響的主次順序?yàn)槔o輥轉(zhuǎn)速、喂入速度、摘穗高度。最終確定最佳工作參數(shù)組合為[A1B2C2]，即喂入速度為0.6"m/s、摘穗高度為35"mm、拉莖輥轉(zhuǎn)速為850"r/min，通過計(jì)算，割臺(tái)喂入量約為3"kg/s。

4.3.3 方差分析

方差分析如表4所示，喂入速度、摘穗高度及拉莖輥轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒損失率均有顯著影響，喂入速度及拉莖輥轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒破損率有顯著影響。收獲過程中，玉米植株喂入速度越大，喂入量越大，容易在割臺(tái)內(nèi)部造成擁堵，會(huì)增大果穗間的碰撞概率，進(jìn)而增大果穗損失和破損率；摘穗高度較高時(shí)，對(duì)倒伏植株撿拾效果較差，增加籽粒損失率，摘穗高度較低時(shí)，果穗與割臺(tái)高度差較大，果穗與摘穗板碰撞強(qiáng)度較大，進(jìn)而增加籽粒破損率；拉莖輥轉(zhuǎn)速較低時(shí)，會(huì)增加同一時(shí)間段內(nèi)的摘穗數(shù)量，使拉莖輥對(duì)莖稈抓取效果較差，出現(xiàn)循環(huán)抓取現(xiàn)象，是果穗與摘穗板碰撞次數(shù)增加，進(jìn)而增大籽粒破損率，拉莖輥轉(zhuǎn)速較高時(shí)，果穗被拉向摘穗板速度加快，碰撞強(qiáng)度增大，導(dǎo)致籽粒破損率增大。

5 結(jié)論

1） 針對(duì)中國玉米寬窄行種植區(qū)機(jī)械化水平低、人工收獲效率低成本高等問題，研制一款單行玉米收獲機(jī)，可實(shí)現(xiàn)玉米寬窄行種植區(qū)高效低損收獲。加長割臺(tái)，提高割臺(tái)的喂入量，有效提高作業(yè)效率，摒棄傳統(tǒng)絞龍輸送，采用剝皮輥和壓送輪，有效降低籽粒破損率。

2） 通過正交試驗(yàn)，得出各因素對(duì)籽粒損失率和籽粒破損率影響顯著性順序分別為：喂入速度、拉莖輥轉(zhuǎn)速、摘穗高度和拉莖輥轉(zhuǎn)速、喂入速度、摘穗高度。確定最佳工作參數(shù)組合：玉米植株喂入速度為0.6"m/s、摘穗高度為35"mm、拉莖輥轉(zhuǎn)速為850"r/min，此時(shí)，籽粒損失率為1.15%，籽粒破損率為0.24%。設(shè)計(jì)符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足寬窄行玉米種植區(qū)收獲要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[ 1 ]""""" 中國統(tǒng)計(jì)局. 中國統(tǒng)計(jì)年鑒[M]. 北京： 中國統(tǒng)計(jì)出版社， 2022.

[ 2 ]""""" 劉月娥， 徐田軍， 蔡萬濤， 等. 我國玉米超高產(chǎn)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 生物技術(shù)通報(bào)， 2023， 39（8）： 52-61.

[ 3 ]""""" 閆琰， 王秀東， 王濟(jì)民， 等. “雙循環(huán)”背景下國家糧食安全戰(zhàn)略研究[J]. 中國工程科學(xué)， 2023， 25（4）： 14-25.

Yan Yan， Wang Xiudong， Wang Jimin， et al. National food security strategy against the backdrop of domestic and international dual circulation [J]. Strategic Study of CAE， 2023， 25（4）： 14-25.

[ 4 ]""""" 王佳旭， 滿艷蘋， 李鳳海， 等. 不同種植方式對(duì)玉米冠層調(diào)控及產(chǎn)量的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2023， 32（1）： 33-43.

[ 5 ]""""" 馮瑞云， 王慧杰， 閆貴云， 等. 旱地寬窄行種植對(duì)春玉米冠層結(jié)構(gòu)、光合特性及產(chǎn)量的影響[J]. 作物雜志， 2015（5）： 80-84.

[ 6 ]""""" 李青龍， 陳剛， 孫宜田， 等. 玉米收獲機(jī)收獲臺(tái)高度仿形控制的研究[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2016， 37（2）： 43-47， 74.

Li Qinglong， Chen Gan， Sun Yitian， et al. Study on corn harvester harvesting tableheight copying control [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2016， 37（2）： 43-47， 74.

[ 7 ]""""" 劉德軍， 周艷吉， 劉坤， 等. 秸稈回收式玉米收獲機(jī)割臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2020， 41（4）： 19-23.

Liu Dejun， Zhou Yanji， Liu Kun，et al. Design and experiment on the type of the strawrecycling header for the corn harvester [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（4）： 19-23.

[ 8 ]""""" 胡偉. 新型全幅玉米收獲機(jī)研制成功突破對(duì)行收獲模式[J]. 農(nóng)機(jī)科技推廣， 2002（1）： 31.

[ 9 ]""""" 張道林， 刁培松， 董鋒， 等. 撥禾指式不對(duì)行玉米收獲裝置的試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2010， 26（5）： 103-106.

Zhang Daolin， Diao Peisong， Dong Feng， et al. Experiment of no?row corn harvesting device with finger wheel [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2010， 26（5）： 103-106.

[10]""""" 賀俊林， 胡偉， 郭玉富， 等. 扶禾桿在不對(duì)行導(dǎo)入玉米莖稈中的運(yùn)動(dòng)仿真[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2007， 23（6）： 125-129.

He Junlin， Hu Wei， Guo Yufu， et al. Kinematic simulation of no?row feed?in mechanism with guide?rod for corn harvester [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2007， 23（6）： 125-129.

[11]""""" 辛尚龍， 趙武云， 石林榕， 等. 立輥式玉米收獲割臺(tái)夾持輸送裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2023， 39（9）： 34-43.

Xin Shanglong， Zhao Wuyun， Shi Linrong， et al. Design and experiments of the clamping and conveying device for the vertical roller type corn harvesting header [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2023， 39（9）： 34-43.

[12]""""" 耿端陽， 孫延成， 李華彪， 等. 履帶式坡地玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2021， 37（13）： 11-19.

Geng Duanyang， Sun Yancheng， Li Huabiao， et al. Design and experiment of crawler corn harvester for sloping fields [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2021， 37（13）： 11-19.