制種玉米父本整稈切除鋪放機設計與試驗

王錦江 陳 志 楊學軍 劉赟東 張 鐵 董 祥

(1.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083； 2.中國農業機械工業協會， 北京 100083)

制種玉米父本整稈切除鋪放機設計與試驗

王錦江1陳 志2楊學軍1劉赟東1張 鐵1董 祥1

(1.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083； 2.中國農業機械工業協會， 北京 100083)

為了提高制種玉米生產管理的機械化水平，設計了一種父本整稈切除鋪放機，主要由切割機構、莖稈輸送機構和液壓傳動系統等組成。切割機構采用斜向無支撐旋轉切割方式，根據玉米植株被完全切斷的條件，結合設計的一字型刀片結構參數，確定了刀片的旋轉角速度，通過刀片的運動分析，驗證了刀片結構的合理性；莖稈輸送機構采用裝有長、短夾齒的回轉輸送鏈和壓桿相互配合的方式，通過對輸送過程中莖稈受力和輸送鏈運動分析，得出了莖稈被牢固夾持并有序輸送時的相關技術參數；留茬高度調節由升降油缸驅動平行四邊行機構實現，刀片和輸送鏈由負載敏感液壓系統傳動實現。田間試驗表明，設計的制種玉米父本整稈切除鋪放機性能穩定、可靠，切斷率為100%，鋪放整齊率達95%，滿足了機械化父本切除作業的要求。

制種玉米； 父本； 整稈切除機

引言

為了提高玉米雜交種的質量，根據農藝要求，在母本授完粉后，必須砍除父本行[1]。早割父本，有利于改善母本植株通風透光條件，從而提高母本產量[2]。目前，我國制種玉米父本切除作業以人工為主，作業效率低，勞動強度大，作業環境惡劣，生產成本高；父本整稈切除鋪放機作業效率高，用工量小，便于青飼料回收，隨著現代玉米種業的發展，父本切除的機械化作業必將成為一種趨勢。我國對父本整稈切除機研究較少，研究多集中于切除方式、傳動系統等領域 ，而對整稈切除鋪放機的設計研究鮮見報道[1-3]。

本文針對制種玉米父本切除作業機械化水平低的現狀，設計一種具有高效切割和莖稈輸送功能的父本整稈切除鋪放機，并通過田間試驗，對整機作業質量進行分析。

1 整機結構與工作原理

設計的單行父本整稈切除鋪放機主要由動力底盤(采用現代農裝科技股份有限公司生產的3WZG-3000A型多功能底盤)、懸掛架、高度調節機構、切割裝置、莖稈輸送裝置、分禾扶禾器、驅動馬達等組成，如圖1所示。

圖1 父本整稈切除鋪放機結構圖Fig.1 Structure diagram of whole stalk cutting-placementing machine of staminate plant1.動力底盤 2.懸掛架 3.平行四邊形機構 4.機架 5.莖稈輸送機構 6.分禾扶禾器 7.壓桿 8.護罩 9.切割刀片10.馬達 11.升降油缸

機具作業前，先根據父本行位置、留茬高度要求和玉米品種，調整切除鋪放裝置在懸掛架上的位置和莖稈輸送裝置在機架上的位置，并通過升降油缸調整留茬高度。機具作業時，動力底盤通過液壓系統及控制單元將動力傳遞給切割刀片和莖稈輸送裝置的驅動馬達，使其處于旋轉(回轉)狀態；隨著機具的前進，玉米植株在分禾扶禾器的作用下向中間聚攏，進入切割、夾持區域，玉米植株被切斷后，在莖稈輸送裝置的作用下向機具正后方輸送，最后隨著壓桿作用力的消失，與莖稈輸送裝置脫離，有序鋪放在行間，完成父本整稈切除鋪放的機械化作業。

2 關鍵部件設計

2.1 切割機構設計

考慮到制種玉米一般為一行父本配多行母本的種植模式，而且切割點靠近植株根部，為了簡化結構，同時降低切割阻力和功率消耗，采用斜向無支撐旋轉切割的方式。

2.1.1 刀片結構參數確定

刀片結構參數主要包括刀片型式、材料、厚度和刃角等[4]。根據制種玉米種植行距，將刀片掃掠面積直徑設計為500 mm；由于刀片掃掠面積較大，且只切割一行父本，因此采用結構簡單的一字型刀片作為切割元件，刀片結構如圖2所示；考慮到刀片作用于父本植株的根部，而玉米根部長有節根，參照甘蔗收獲機矩形切刀的結構尺寸[5]，設計刀片長度a為493 mm、寬度b為85 mm，刀片厚度δ為4 mm，刃角β為20°、刃長l為90 mm；刀片材料參照JB/T 7862.2—2001標準選用65Mn制造，刀刃經淬火處理；同時為了使刀片正反面都可使用，將刀片四邊開刃。

圖2 刀片結構圖Fig.2 Structure diagram of blade

2.1.2 刀片傾角

為了實現斜向切割，將刀片傾斜安裝在切割機構上，如圖3所示。

圖3 刀片安裝角度Fig.3 Installation angle of blade

斜向切割比橫向切割可降低切割阻力和功耗30%～40%，但傾角α過大會導致割茬高度和切割面積變大，相關研究表明，α的取值范圍一般為5°～15°，本文設計傾角為10°[6-7]。

2.1.3 刀片運動分析

以刀片開始運動時的旋轉中心O為坐標原點，機具前進方向為x軸，鉛垂方向為z軸，建立直角坐標系[8]，如圖4所示。

圖4 刀片運動坐標系Fig.4 Kinematics coordinates of blade

假設刀片從對稱線在xOy面內投影與y軸重合的位置(圖所示位置)開始轉動，則刀刃上任一點C的運動方程為[9-10]

(1)

式中RA、RB、RC——點A、B、C與刀片旋轉中心的距離，m

ξ、γ、ψ——點A、B、C與刀片旋轉中心連接線與刀片對稱線的夾角，rad

ω——刀片旋轉角速度，rad/s

vm——機具前進速度，m/s

t——刀片轉動時間，s

由式(1)可得，刃頂部點A第1次轉動到x正半軸上時有

(2)

式中xA——點A的x軸坐標值，mt1——點A的運動時間，s

刃根部點D第1次轉動到x正半軸上時有

(3)

式中xD——點D的x軸坐標值，mt2——點D的運動時間，s

當玉米植株不被漏切時，應滿足條件[11-12]

xD-xA≤0

(4)

由式(2)～(4)可得

(5)

從式(5)中可以看出，機具最大作業速度受刀片結構參數、刀片傾角和角速度的影響。同類研究表明，無支撐條件下玉米植株被完全切斷時，回轉刀片的線速度需達30 m/s以上[12]，本文設計刀刃根部線速度為34 m/s，根據刀片相關參數和傾角計算得ω=210 rad/s，vm≤5.98 m/s。

由于父本切除作業發生在玉米生長的中后期，為了減少機具對母本植株的損傷，機具前進速度一般小于8 km/h。因此，在保證玉米被完全切斷的前提下，所設計刀片不會產生漏切的現象。

2.2 莖稈輸送機構設計

為了防止切斷后的玉米植株雜亂無章倒在行間，影響母本的生長，設計了莖稈輸送機構。考慮到莖稈輸送距離較短而且植株株距較大，采用一條裝有夾齒的回轉鏈和壓桿相互配合的方式實現夾持輸送功能[13-15]。該機構主要由固定架、輸送鏈、壓桿、長(短)夾齒、張緊裝置、主(從)動輪等組成，如圖5所示。

圖5 莖稈輸送機構結構圖Fig.5 Structure diagram of stalk conveying mechanism1.主動輪 2.輸送鏈 3.固定架 4.短夾齒 5.長夾齒 6.張緊裝置 7.分禾扶禾器 8.壓桿 9.從動輪 10.壓緊彈簧 11.支撐座 12.導向軸

圖5中，在玉米莖稈的喂入口處，回轉鏈與父本行呈一銳角，隨著回轉鏈的運動，莖稈被強制喂入，同時長夾齒起到把莖稈向后撥送的作用；為了減少鏈條的顫動，防止莖稈脫落，采用ISO 20A型帶附件的輸送鏈，用于長(短)夾齒的固定和莖稈的輸送。

2.2.1 三點夾持機構

為了提高輸送機構的夾持能力，將夾齒設計為U型結構，端面為直鋸齒形(齒頂部圓弧過渡)，壓桿作用于夾齒的中央，形成三點夾持模式[5,16]，如圖6所示。

圖6 莖稈夾持受力分析圖Fig.6 Force analysis diagram of stalk clamping

假設莖稈被夾持時各接觸面對莖稈的支反力相等(即忽略莖稈重力對支反力的影響)，則莖稈不脫落的條件為

(6)

式中G——莖稈重力，N ?——輸送機構提升角，(°)μ——莖稈與夾齒間摩擦因數F1——接觸面對莖稈的支反力，NF2——莖稈附帶葉片形成的支撐力，NF0——壓桿正壓力，Nθ——鋸齒夾角，(°)k——彈簧剛度，N/mmx——彈簧變形量，mm

由式(6)可以看出，影響莖稈夾持的因素有壓桿正壓力、莖稈附帶葉片形成的支撐力、莖稈自身重力、夾齒結構以及輸送機構傾角等；當輸送機構參數、莖稈及夾持位置等參數確定后，彈簧剛度成為最重要的影響因素。

齒形以增大輸送能力和齒部不鉤莖稈為原則，參考半喂入谷物聯合收獲機輸送鏈的結構參數[5]，并結合玉米莖稈直徑設計鋸齒夾角θ為92°。將長度相等、剛度不同的彈簧分別安裝在莖稈輸送機構上，并使彈簧初始變形量保持一致，然后把父本植株夾裝在莖稈輸送機構上(夾持位置約植株高度的1/3處)，觀察父本植株是否脫落，結果表明k≥1.392 N/mm時，父本植株能被牢固夾裝在莖稈輸送機構上，為了提高莖稈在輸送機構前端的喂入性能，彈簧剛度也不宜過大，本文k取1.392 N/mm。

2.2.2 輸送機構提升角與回轉線速度

為了避免切斷后的莖稈根部與護罩等機構碰撞，根據整機的結構參數，設計提升角?為15°，如圖7所示。

圖7 輸送鏈提升角及運動示意圖Fig.7 Diagram of lifting angle and kinematics for conveying chain

玉米莖稈連續喂入，不發生堵塞，實現有序輸送的條件為

v0cosζcos?≥vm

(7)

式中v0——輸送鏈回轉線速度，m/sζ——強制喂入角，(°)

參照玉米收獲機分禾器的錐角參數[17]，設計強制喂入角范圍為25°～45°(角度通過圖5中的張緊裝置調節)，當強制喂入角取45°、機具前進速度vm取極大值8 km/h時，由式(7)計算得v0≥3.25 m/s，本文設計v0為3.4 m/s。

2.3 傳動系統設計

父本整稈切除鋪放機傳動系統中的動力源及控制均來自多功能底盤，執行機構包含1個刀片驅動馬達和1個輸送鏈驅動馬達，考慮整機結構和傳動系統布置，采用兩個馬達串聯的方式進行驅動。為了獲得穩定的切割速度和莖稈輸送速度，減少底盤發動機輸出轉速和負載工況變化對上述速度的影響，傳動系統采用負載敏感技術[18-20]，其原理如圖8所示，主要由變量泵、主閥、電磁換向閥、馬達等組成，部分液壓元件的選型及技術參數見表1。

圖8 刀片、輸送鏈驅動液壓原理圖Fig.8 Diagram of hydraulic system of blade and conveying chain driving1.變量泵 2.主閥 3.電磁換向閥 4.單向閥 5.刀片驅動馬達 6.輸送鏈驅動馬達 7.油箱

名稱型號主要技術參數變量泵MA10VO45DFR排量:45mL/r;額定壓力:28MPa;負載敏感控制電磁閥4WE6C6最大流量:80L/min;最高工作壓力:31.5MPa;電壓:DC24V馬達(刀片)2ZGMA0R14排量:14mL/r;轉速范圍:500～4000r/min;額定壓力:25MPa馬達(輸送鏈)JS100排量:100mL/r;最大轉速510r/min;工作壓力:13.8MPa

3 試驗

3.1 試驗條件

為考察父本整稈切除鋪放機的作業質量，于2015年8月在河北省保定市中國農業機械化科學研究院試驗地進行了整機田間試驗。父本品種為PH4CV和丹M9-2，種植株距22 cm，生長期12周。

3.2 試驗指標

父本整稈切除鋪放機的性能指標主要包括切除率和鋪放整齊率等。

切除率計算公式為

(8)

式中Q——切除率，%N0——父本株數，株N1——成功切除的父本株數，株

鋪放整齊率計算公式為

(9)

式中Z——整齊率，%N2——整齊鋪放的父本株數(將倒在母本行中或倚靠在母本植株上的玉米植株記為不整齊，其余為整齊)，株

3.3 試驗方法

試驗時，調整留茬高度為150 mm，機具分別在前進速度為5、6、7、8 km/h的工況下對兩品種父本進行切除試驗；試驗后，在每種工況下的父本行內取5個區域，每個區域包含60株玉米(連續)，觀察并記錄試驗結果，將記錄的結果求和。田間作業情況及作業效果如圖9、10所示。

圖9 田間父本切除作業Fig.9 Field experiment of staminate plant cutting

圖10 父本切除鋪放作業效果Fig.10 Effect of staminate plant cutting-placementing

3.4 試驗結果與分析

田間父本整稈切除鋪放試驗統計結果如表2、3所示。

從表2、3中可以看出，機具前進速度在5～8 km/h范圍內，兩種父本植株的切斷率都達到100%，鋪放整齊率達到95%以上，兩項指標均能滿足相應的技術要求。

表2 試驗統計結果(PH4CV)Tab.2 Statistical result of cutting-placementing experiment(PH4CV)

表3 試驗統計結果(丹M9-2)Tab.3 Statistical result of cutting-placementing experiment (Dan M9-2)

田間作業過程中，父本整稈切除鋪放機工作穩定，留茬高度和莖稈夾持位置可根據實際情況進行調節，條鋪的莖稈可作為青貯飼料回收或待玉米種穗收獲后進行還田處理，能夠滿足父本機械化切除作業的要求。為了提高生產效率，該機具還可擴展為多行作業機型。

4 結論

(1)設計了一種制種玉米父本整稈切除鋪放機，采用斜向無支撐旋轉方式進行切割，采用裝有長、短夾齒的回轉輸送鏈和壓桿相互配合的方式進行莖稈輸送，采用液壓系統進行動力傳遞。

(2)設計了一種切割刀片，設置了其傾角參數，根據玉米植株被完全切斷的條件，確定了刀片旋轉角速度為210 rad/s，通過對切除過程中刀片的運動分析，驗證了刀片結構參數的合理性。

(3)設計了鏈式莖稈輸送機構，通過對輸送過程中莖稈受力和輸送鏈運動分析，確定了輸送機構的主要技術參數為：彈簧剛度1.392 N/mm，鋸齒夾角92°，提升角15°，輸送鏈回轉線速度3.4 m/s。

(4)田間試驗表明，設計的制種玉米父本整稈切除鋪放機工作穩定，切斷率為100%，鋪放整齊率達95%以上，能夠滿足機械化父本切除作業的要求。

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Design and Experiment on Seed Corn Whole Stalk Cutting-Placementing Machine of Staminate Plant

WANG Jinjiang1CHEN Zhi2YANG Xuejun1LIU Yundong1ZHANG Tie1DONG Xiang1

(1.ChineseAcademyofAgriculturalMechanizationSciences，Beijing100083,China2.ChinaAssociationofAgriculturalMachineryManufacturers，Beijing100083，China)

The whole stalk cutting-placementing machine of staminate plant was designed to improve the mechanical level during the seed corn cultivation. The machine consisted of cutting mechanism, stalk conveying mechanism and hydraulic driving system. The cutting mechanism was featured with a supportless revolving cutting design with an inclination cutting angle. To fully cut the plant, the revolving angel velocity of blade was figured out by considering the parameter of flat blade. A blade kinematic study was conducted to work out the conditions that preventing omitting, and the reasonability of blade structure was proved. Stalk conveying mechanism was constituted of round conveying chain with long and short clamping device installed and compression bar. The test on stalk forcing and conveying kinematic analysis showed that the technical parameters were obtained while stalk could be steadily held and conveyed effectively. Stubble height can be adjusted by a parallelogram design drived by hydraulic cylinder. Blade and conveying chain were motivated by the load-sensing hydraulic system. Field experiment proved that the whole stalk cutting-placementing machine of staminate plant was reliable and highly efficient with a 100% cutting ratio and the orderliness ratio was higher than 95%, which sufficiently met the staminate plant cutting requirement.

seed corn; staminate plant; whole stalk cutting machine

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.014

2016-06-24

2016-08-20

國家國際科技合作專項(2013DFA31560)和公益性行業(農業)科研專項(201203052)

王錦江(1980—)，男，高級工程師，博士，主要從事農業機械設計及關鍵技術研究，E-mail： lazio320@163.com

陳志(1955—)，男，研究員，博士生導師，主要從事農業機械化工程技術研究，E-mail： chenzhi@sinomach.com

S224.9

A

1000-1298(2017)02-0104-06