丘陵山區玉米收獲機研制與應用

徐海港，張春祥，張小軍，王建強

(1.山東時風(集團)有限責任公司，山東 聊城252874； 2.四川省農機化技術推廣總站，四川 成都610037)

0 引言

我國人多地少，丘陵山區耕地面積占總耕地面積50%以上。然而，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。丘陵山區地塊起伏變化較大、耕地分散、破碎化程度高、道路難行、種植品種不一、長勢復雜且行距不一，農機作業難度大。平原黃淮海、東北地區大規模作業的機具在丘陵山區適應性差、配套性差。國家在“十三五”期間，出臺了相應研發指南和專項，重點對西北、西南丘陵山區的無機化和宜機化進行針對性開發。玉米作為丘陵山區的重要糧食作物，研發先進適用、小型智能農業機械對推進農機化發展總體進程至關重要[1-3]。圍繞玉米收獲機底盤適應性、通過性，以及割臺低損傳輸、剝皮和脫離等部件高效作業和整機集成配套的研發、試驗和推廣工作，是農機人的使命和職責。新型樣機研發已成為丘陵山區實現機械化、加快東西部融合和推進鄉村振興戰略實施的當務之急。

1 設計原則

輕便型兩行玉米自走式聯合收獲機，要求能夠適應山地不平整、坑洼作業工況。通過充分市場調研，認真分析國內外各類聯合收獲機收獲、作業及四輪驅動底盤特點，結合丘陵山區作物種植特點，經分析，為開發專用型玉米聯合收獲機，全面提升產品適應性，整機設計遵循以下原則與方法[4-5]。

(1)適應丘陵地區使用的液壓四輪驅動底盤技術，提高在山地不平整地面上的通過性能，操作靈便，適應性強。

(2)運用有限元分析方法建立割臺、脫粒滾筒的理論力學模型，揭示無序植株和低損收獲的作用機理。

(3)運用有限元分析手段研究丘陵山區特殊的種植環境和自然條件載荷變化規律、玉米秸稈彎曲度參數和收獲機行駛速度與秸稈導入之間的關系，優化結構及運動參數，確定割臺、剝皮機和滾筒等結構形式。

(4)通過研究低傾角、高效、低損玉米收獲技術，開發低損割臺，研究低損傷剝皮技術，開發柔性低損剝皮機。采用新型試驗方法對低傾角高效低損割臺、低損傷剝皮破碎率和損失率進行測試。

(5)集成開發適合丘陵山區的智能化玉米收獲機，通過產品臺架及大田可靠性試驗，完成結構優化，進行試驗示范，大幅提高收獲機的作業效率。

2 整機結構與工作原理

2.1 整機結構

時風集團自主研發的新型兩行剝皮式玉米聯合收獲機如圖1所示。收獲機主要機構包括割臺、橫向輸送系統、前過橋、操縱臺、后驅操縱手柄、后升運器、后驅機構、駕駛棚、后過橋、發動機、滑板組合、剝皮機、機架總成和糧箱。

1.割臺 2.橫向輸送系統 3.前過橋 4.操縱臺 5.后驅操縱手柄 6.后升運器 7.后驅機構 8.駕駛棚 9.后過橋 10.發動機 11.滑板組合 12.剝皮機 13.機架總成 14.糧箱圖1 兩行剝皮式玉米聯合收獲機Fig.1 2-row debarking corn combine

2.2 工作原理

玉米收獲機工作過程中，玉米植株進入兩扶禾器中間后，玉米莖稈首先與撥禾鏈接觸，在撥禾鏈的撥齒強制作用下向后運動，同時在2個相對轉動的拉莖輥作用下向下運動，該過程玉米果穗通過摘穗板的作用被摘下。果穗被上割臺的輸送鏈撥送到上割臺后部的果穗收集輸送器，由收集輸送器將果穗送入果穗升運器，再通過升運器將果穗輸送到剝皮機前的橫向輸送器，由橫向輸送器分流經剝皮機剝皮后，滑落到果穗箱，實現果穗收獲[6-8]。果穗從植株上被摘下的同時，位于拉莖輥下方的轉子銑刀在切向力作用下將莖稈切斷，被切斷的莖稈進入莖稈收集輸送器，莖稈收集輸送器將切斷的莖稈往中間收攏，然后通過安裝有具有不同齒形的單層多輥輸送裝置，莖稈被強制喂入到切碎拋送器。

3 關鍵部件設計

3.1 不分行低傾角低損玉米摘穗系統

3.1.1模型建立

玉米莖稈受到力F后，會繞著質心轉動一定的角度，如圖2所示。根據螺旋輥在不同結構段對玉米的作用力，分析玉米秸桿和穗的運動及受力情況，如圖3所示，圖中1、2、3分別為拉莖段、摘穗段和導流錐。根據運動參數，可建立玉米作物模型和玉米割臺模型(圖4)。

圖2 玉米莖稈傳輸變化Fig.2 Corn stalk transmission

圖3 螺旋輥在不同結構段對玉米作用力示意Fig.3 Force of screw roller on corn in different structural segments

圖4 玉米作物模型和玉米割臺模型Fig.4 Corn model and header model

為實現不分行喂入，開發了新型喂入裝置，導禾鏈外側均勻分布有導禾齒；在短摘穗輥內側，喂入、摘穗裝置骨架前端安裝2組蝸輪蝸桿傳動機構總成，上面安裝2組旋向相反的撥禾輪；撥禾輪與外側的撥禾鏈相互配合將玉米秸稈喂入到摘穗輥之間。此結構有效解決了目前市場上主流撥禾輪式和撥禾鏈式結構存在漏摘、抗倒伏性差和對行收獲受限的問題。

基于理論力學分析和虛擬仿真，創新設計了如圖5所示的組合式摘穗輥，包括拉莖段、摘穗段、調心軸承座、導流段、間隙調節絲桿和摘穗輥間隙調節座等結構。前段為單頭螺旋線型，螺旋升角較大；后段為多頭間斷螺旋線型，螺旋升角較小，并帶有摘穗扣。組合型摘穗輥將原來的導流錐、摘穗段和拉莖段創新設計為導流段(相當于原導流錐+1/2摘穗段)、摘穗段和拉莖段，加長原導流錐，縮短摘穗段和拉莖段，增強了摘穗輥前一段的輸送能力，其任務是將玉米迅速順利地輸送到喂入口，而盡量不進行摘穗，其后半段與多螺旋輥相同，摘穗能力較強，使玉米穗能在此段被集中迅速摘下，以減少玉米穗與摘穗輥的接觸時間，減少落粒損失。

圖5 組合型摘穗輥Fig.5 Combination type ear picking roller

夾持輸送裝置是收獲機的重要組成部分，玉米植株由導禾鏈強制拔入夾持鏈，在夾持的同時，切割器把玉米植株切斷，被切斷的植株在夾持鏈作用下向后輸送，直至喂入摘穗輥。

3.1.2參數計算

(1)導禾鏈速度。

影響導禾鏈速度的因素有導禾鏈關傾角、張角及機組前進速度，為了不使機組前進時推倒莖桿，導禾鏈的水平縱向分速度應大于機組前進速度，即

Vby=Vbcosαcosβ>V

(1)

式中Vby——導禾鏈水平縱向分速度，m/s

Vb——導禾鏈速度，m/s

α——張角，(°)

β——傾角，(°)

V——機組前進速度，m/s

由式(1)可知，當機組前進速度V=0.886 m/s時，有Vby>0.886 m/s，因此確定導禾鏈速度Vb=1.82 m/s。

(2)夾持鏈速度。

夾持鏈速度應與機組前進速度和摘穗輥速度相結合，如夾持鏈線速度低于機組前進速度，可能產生將玉米植株拔出現象。為使機組正常摘穗，夾持鏈上植株間距應大于未割植株間距，才可以保證相鄰莖桿不干涉，即夾持鏈水平速度大于機組前進速度，如式(2)所示。

Vncosβ>V

(2)

式中Vn——夾持鏈速度

夾持鏈速度過大會加劇鏈條磨損，一般夾持鏈速度與機組前進速度之比為2.00～3.14為宜，因此確定夾持鏈速度Vn=2.66 m/s。

(3)夾持輸送所需功率。

功率消耗由鏈條夾持克服摩擦力、玉米莖桿垂直升高和水平輸送3部分消耗功率組成。計算方法如式(3)所示。

(3)

式中Nj——夾持輸送所需功率，kW

f——摩擦系數

PZ——夾持力，N

Q——生產率，kg/h

H——莖桿垂直升高距離，m

K——夾持鏈速度與機組前進速度之比

q0——鏈條質量，kg/m

l0——夾持鏈上莖桿長度

計算可得Nj=2.0 kW。可見設計的結構功率消耗小,滿足設計要求。

3.2 果穗橫輸送系統

從結構簡單、安全可靠和功率消耗低且玉米尚未完全剝皮的角度考慮，采用刮板式橫輸送器，因傾斜角度為0，故采用矮刮板(h=15 mm)。主參數的選擇，按玉米果穗的外形尺寸及設計生產率Qs=9 570 kg/h要求，設計最后一組摘穗裝置與果穗升運器間距很小，因此取刮板高度B=0.284 m，刮板實用高度h=30 mm，刮板速度V=1.1 m/s。

生產率按式(4)計算。

Q=3 600BVrKh

(4)

取K=1，計算可得Q=15 183 kg/h，結果符合設計要求。

功率消耗按式(5)計算。

(5)

取升運高度H=0，輸送器水平投影長度L=1.05 m，阻力系數W=1.2，生產率Qs=9 570 kg/h，計算可得Ns2=0.036 kW。

3.3 低損剝皮技術及裝置

通過分析玉米果穗與剝皮輥的剝皮原理、受力關系，以及導致苞葉剝不凈、磕籽粒、漏糧和磨損快等問題的諸多因素，研究兩行自走式玉米收獲機剝皮系統，開發設計了剝皮系統。剝皮機框架上設置成對剝皮輥，剝皮機框架安裝有剝皮機一軸，剝皮機軸傳動連接有剝皮輥和壓送器，剝皮機軸通過錐齒輪副驅動剝皮輥，剝皮輥由傳動齒輪副傳動，實現剝皮輥兩兩相向轉動，輥間配合緊密。剝皮輥上設置有橡膠深螺旋構件，剝皮機框架一端固定鉸接有前鉸支銷，剝皮機框的另一端鉸接有活動鉸支后鉸支銷；剝皮機框架通過后鉸支銷與升降裝置鉸接。橡膠深螺旋構件包括橡膠輸送螺旋，橡膠輸送螺旋的外表面上固定設置有硬性材料制成的弧形塊。弧形塊上固定設置有輔助剝皮構件，可有效降低籽粒損失率和破損率。

采用全橡膠花瓣輥與螺旋輥組合及新型膠輥摩擦系數高的材料，撕下苞葉能力強，可增大剝凈率。科學設定剝皮參數，剝皮輥轉速360 r/min，采用星輪壓送器，轉速90 r/min，剝皮輥采用小傾角，可減少因剝皮嚴重導致的籽粒破損、籽粒損失，適宜過干或過濕的苞葉情況，同時解決了剝皮機前端易堵塞的問題。

果穗進入剝皮機后，相向轉動的兩根輥會把苞葉扯下送入剝皮機下部的排雜裝置中，果穗受重力作用和壓送器作用，下行從剝皮機輸出，進入糧倉，從而完成剝皮工作。經測試，剝皮裝置連續工作40 h未發生堵塞情況。剝皮裝置(圖6)實現了剝皮輥工作角度可調，極大增強了剝皮機對丘陵山地不同區域不同品種玉米的適應能力，提高了剝皮效率。

3.4 四輪驅動系統

利用聯合收獲機原有高強度變速箱加長I軸提供動力源，并實現動力輸出。驅動系統主要包括驅動底盤、前橋、變速箱、變速箱I軸、雙排鏈條、調速換向傳動箱、前萬向傳動軸、中傳動軸和后萬向傳動軸。通過雙排鏈條與調速換向傳動箱的動力輸入軸連接，經過調速換向傳動箱轉速配比和動力換向后，由其動力輸出軸將動力傳出。然后經前萬向傳動軸、中傳動軸和后萬向傳動軸傳向專用后驅動轉向橋，為防止后輪直接使用前輪驅動，后萬向傳動軸通過內花鍵聯軸器與專用后驅動轉向橋連接。

為增大前后輪胎的附著系數，分別采用23.1-26驅動高花輪胎和12.00-18轉向高花輪胎。選用優質65Mn鋼材為原材料的前橋焊合，經高速焊接后與高強度變速箱相配合使用，降低了故障率，增加了整車穩定性。專用后驅動轉向橋殼體采用鑄鋼結構，既增加后橋強度和剛度，又保證了其他傳動件的平穩性。變速換向傳動箱和專用后驅動轉向橋全部采用密封結構，可減少惡劣工作環境對后橋可能造成的損壞。四輪驅動裝置如圖7所示。

1.驅動高花輪胎 2.驅動底盤 3.前橋焊合 4.高強度變速箱5.高強度變速箱I軸 6.雙排鏈條 7.調速換向傳動箱 8.前萬向傳動軸 9.中傳動軸 10.后萬向傳動軸 11.內花鍵聯軸器 12.專用后驅動轉向橋 13.轉向高花輪胎圖7 四輪驅動裝置Fig.7 Four-wheel drive unit

為方便控制后輪是否驅動，聯合收獲機四輪驅動裝置加裝了后輪驅動離合機構。具體設計為在調速換向傳動箱內設置離合機構，經離合支臂、離合拉桿等零部件連接，可在駕駛室內直接操縱離合手柄接合或分離專用后驅動轉向橋的動力傳遞。調速換向傳動箱的具體結構包括安裝于動力輸入軸上的第一傘齒輪以及傳動軸上與其嚙合的第二傘齒輪，第二傘齒輪的傳動軸上還裝有傳動齒輪，調速換向傳動箱的輸出軸上有滑移齒輪，能與傳動齒輪嚙合，能夠方便地使動力傳出，且輸出速度配比合適。特別是通過調速換向傳動箱進一步調整輸出速度，能夠使后輪與前輪的線速度基本相同。該結構在田地環境較好時，使用前輪驅動；在路況不好的道路上行駛或在泥濘的田地里作業時，可切換到四輪驅動，以保證收獲機的正常行駛或正常作業，解決了單獨前輪驅動的弊端。

調速換向傳動箱結構合理、操作方便、轉向靈活且傳動平衡。齒輪采用大模數設計，大大增強了齒輪的抗沖擊能力，降低了調速換向傳動箱故障率。四輪驅動離合、變速換向傳動箱示意如圖8所示。

1.離合支臂 2.離合拉桿 3.滑移齒輪 4.離合手柄 5.傳動齒輪 6.傳動軸 7.動力輸入軸 8.第一傘齒輪 9.第二傘齒輪 10.動力輸出軸圖8 四輪驅動離合、變速換向傳動箱Fig.8 Clutch and variable speed reversing transmission box

3.5 整機集成

按照模塊化開發思路，首先完成四驅底盤匹配，包括動力、傳動、驅動和行走部件的整體設計及開發，在此基礎上加裝割臺、果穗橫向輸送器、升運器、剝皮機和糧倉等作業部件。按照CAN通訊的要求，完成總線設計及各智能化元件的裝配、調試等，包括發動機OBD、故障預警、操作手柄、儀表、智能終端和人機交互平臺等，基于CAN總線，加裝割臺高度、速度和摘穗損失等多種傳感器，實現玉米收獲智能控制。最后加裝模塊化駕駛室及附件集成，完成4YZP-2H型自走式玉米收獲機整機開發。

4 田間試驗

樣機加工完成后，依據相應試驗方法，在山西呂梁、四川綿陽等地進行了樣機可靠性試驗[9-10]。經測試，在玉米籽粒含水率17.2%、植株倒伏率4.7%、果穗下垂率12.7%和最低結穗高度1 042 mm的作物狀態下，樣機實現了不對行收獲、低傾角喂入，損失率低，故障間隔100 h以上，籽粒破碎率0.8%，苞葉剝凈率93.8%，玉米收獲基本無遺漏。樣機田間試驗如圖9所示。

圖9 田間試驗Fig.9 Field trial

樣機目前已批量生產，累計銷售500余臺，深受當地農機主管部門和用戶的青睞與好評。

5 結論

(1)設計了新型兩行剝皮式玉米聯合收獲機，主要機構包括割臺、橫向輸送系統、前過橋、操縱臺、后驅操縱手柄、后升運器、后驅機構、駕駛棚、后過橋、發動機、滑板組合、剝皮機、機架總成和糧箱等。

(2)開展樣機田間試驗，結果表明，在玉米籽粒含水率17.2%、植株倒伏率4.7%、果穗下垂率12.7%和最低結穗高度1 042 mm的作物狀態下，樣機實現了低傾角喂入、不對行收獲，收獲損失率低，籽粒破碎率0.8%，苞葉剝凈率93.8%，樣機故障間隔100 h以上，玉米收獲基本無遺漏。