窄幅低損傷摘穗割臺設計與試驗

羅惠中，蔣小霞，秦代林，左平安，張 飛，張黎驊

（四川農業大學機電學院，四川 雅安625000）

間套輪作是解決我國玉米大豆爭地矛盾、提高玉米產量的重要種植模式[1]。目前，國內外鮮見關于玉米-大豆帶狀復合種植模式配套收獲機具的研究。相關資料顯示，我國每年玉米機械收獲損失量占玉米總產量2.3%[2]。按照2020年我國玉米總產量26 067萬t估算，損失量降低1%可節約300萬t糧食[3]。

國內學者對常規玉米摘穗割臺作業效率影響因素開展研究，發現板式割臺不同摘穗板折彎角度對果穗損失率會產生較大差異[4-5]。Chen等分析玉米籽粒生理特性，發現籽粒含水率是影響籽粒破損的關鍵因素[6-7]。賀俊林等利用試驗探究輥式摘穗裝置引發玉米果穗損傷機理與特性，發現輥型和輥間間隙是影響果穗損傷的重要因素[8-9]。此外，陳美舟等分析臥輥式摘穗裝置兩輥高度差對玉米籽粒損失率的影響，發現果穗滯留摘穗輥與彈跳現象是造成摘穗二次損傷的主要原因[10]。美國DRAGOTEC公司采用加長刀輥降低果穗反彈，降低果穗碰撞損傷[11]。美國JOHN DEERE公司708C型割臺通過調節液壓式摘穗板工作參數降低玉米籽粒損失[12]。付乾坤等利用輪式剛柔耦合減損摘穗裝置降低果穗與摘穗板的碰撞沖擊[13]。張智龍等設計一種梳齒式摘穗單體，通過向上順梳式摘穗減少果穗損傷[14]。陳美舟等在分析手掰玉米原理基礎上設計仿生摘穗裝置，實現玉米果穗低損收獲[15]。紀曉琦等在輥式摘穗裝置中引入激振機構以降低果穗損傷，提高摘穗效率[16]。綜上，玉米低損傷摘穗技術關鍵在于降低果穗與摘穗裝置的碰撞沖擊及合理布置摘穗板間間隙。

文章在分析低損傷摘穗技術原理基礎上，結合玉米-大豆帶狀復合種植模式田間配置特性設計兩行窄幅低損傷摘穗割臺，并對割臺結構作理論分析和試驗驗證，得到割臺較優參數組合。

1 整體結構與工作原理

1.1 間套作種植模式配套機具要求

西南地區玉米-大豆帶狀復合種植模式采用兩行玉米+兩行大豆帶的小株距密植田間配置。要求配套玉米收獲機總寬不超過1 600 mm[17]，玉米-大豆田間配置特性如圖1所示。

圖1 玉米-大豆田間配置Fig.1 Corn-bean field configuration

1.2 割臺整體結構

割臺總寬1 350 mm，可完成行距300~600 mm玉米帶收獲作業，符合玉米-大豆帶狀復合種植模式配套機具要求。割臺以GY4D-2型履帶收獲機為動力底盤，整體結構如圖2所示。割臺主要由單鏈撥禾裝置、柔性刀板式摘穗裝置、摘穗板間間隙自動調節機構、攪龍、果穗輸送帶、滅茬器、機架、機體覆蓋件和傳動系統等組成。

圖2 割臺整體結構Fig.2 Overall structure of corn header

1.3 割臺主要技術參數

綜合考慮玉米-大豆帶狀復合種植模式配套收獲機具要求，參照玉米收獲機作業標準，割臺主要技術參數如表1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 單鏈撥禾裝置設計

農藝要求割臺整體幅寬限制在1 600 mm以內。因此，設計一種單鏈撥禾裝置，其結構如圖3所示。

圖3 單鏈撥禾裝置Fig.3 Flexible single chain reel

撥禾鏈主要工作參數：撥禾齒傾角α、撥禾齒間距l1、撥禾齒長度l2、撥禾輪中心距l3、蝸輪蝸桿傳動比i。為使撥禾輪轉速在拉莖刀輥1 000 r·min-1時達到250 r·min-1，取蝸輪蝸桿傳動比i為4.5；撥禾齒間距l1應略大于果穗長度，60株雅玉988型玉米果穗平均長度為210 mm，取撥禾齒間距l1為240 mm；撥禾齒長度l2應超過摘穗板間間隙三分之二，根據模型尺寸，取撥禾齒長度l2為65 mm；為使割臺結構更緊湊，撥禾輪中心距l3取470 mm。

撥禾鏈對玉米莖稈作用如圖4所示。

式中，ζj-莖稈摩擦系數。

莖稈與橡膠指板摩擦系數ζj為0.58[13]。在保證莖稈順暢滑進撥禾鏈間隙前提下，應盡量減小莖稈偏移力，本撥禾齒傾角α取75°。

輕簡優化設計齒輪箱，單鏈撥禾裝置齒輪箱較常規兩行割臺齒輪箱體積縮減62.4%、質量減輕51.9%，箱內大小錐齒輪傳動比為1.933。

撥禾鏈轉速與機具前進速度直接影響刀輥拉莖效率和割臺功耗，刀輥切割莖稈狀態見圖5。

圖5 莖稈不同位置刀輥滑切距離Fig.5 Sliding distance of knife roller at different positions of stalk

為減小刀輥滑切距離，降低滑切阻力和功耗，撥禾鏈速度應滿足：

式中，v1-撥禾鏈線速度（m·s-1）；v-收獲機前進速度（m·s-1）。

2.2 低損傷摘穗裝置設計

2.2.1 摘穗板間間隙自動調節機構

根據玉米莖稈與摘穗板接觸直徑變化特點設計摘穗板間間隙自動調節機構，原理如圖6所示。

圖6 摘穗板間間隙自動調節原理Fig.6 Self adjusting mechanism of corn picking plate clearance

摘穗板滑動槽口長度條件為：

式中，Dmax-莖稈最大直徑（mm）。

測量60株成熟期雅玉988玉米結穗處莖稈和穗柄直徑，得到結穗處平均莖稈直徑D為14 mm，穗柄平均直徑為13 mm。

莖稈最大直徑Dmax為：

取Dmax為21 mm。摘穗板間初始間隙L0取穗柄平均直徑13 mm。

計算可得，L>7 mm，便于后期加工取L=10 mm。

摘穗板受力過程如圖7所示。

圖7 摘穗板轉動受力Fig.7 Rotating force of the corn picking board

因滑移螺栓在x軸方向上不對摘穗板產生作用，所以摘穗板受力為：

式中，M-莖稈所受轉矩（N·m）；l1-莖稈碰撞摘穗板處距莖稈根莖長度（mm）；k-彈簧剛度（N·mm-1）；x2-彈簧位移量（mm）；J-莖稈轉動慣量（kg·m-2）。

實測莖稈碰到摘穗板時距莖稈根莖長度為600~800 mm，取l1=700 mm。莖稈從豎直位置轉動θ角度后與摘穗板接觸，由動能定理得：

由式（7）可得，莖稈轉動角速度ω為：

要使摘穗板正常滑動，應滿足：

彈簧作用力滿足：

根據割臺結構尺寸，彈簧壓縮距離應<20 mm，取k=10 N·mm。彈簧在摘穗過程中受到循環沖擊次數應在106次以上，屬于Ⅰ類沖擊載荷，根據需求選用B級彈簧。

2.2.2 懸臂式摘穗板

根據摘穗板間間隙調節裝置結構特點，設計懸臂式摘穗板結構。摘穗板采用3 mm薄鋼板懸臂梁設計，在摘穗板表面鋪設一層2 mm橡膠，通過橡膠緩沖和摘穗板小幅度振動吸收果穗碰撞產生的沖擊，降低果穗損傷。果穗撞擊摘穗板振動過程如圖8所示。

圖8 摘穗板振動分析Fig.8 Vibration analysis of corn picking board

根據卡氏第一定理[18]，力矩M2可表示為：

式中，Vε-轉角σ的應變能（kJ）；A-摘穗板橫截面面積（m2）。

其中：

所以有：

由于割臺尺寸限制，摘穗板長度l取70 mm。摘穗板采用Q235B材料，其彈性模量E為2.1×1011MPa，截面慣性矩I為157.5 mm4。當摘穗力矩一定時，適當減小摘穗板長度，可控制摘穗板轉角在小范圍內變動，有利于降低摘穗板與滑移螺栓疲勞強度，提高摘穗裝置可靠性。

2.3 刀輥-小直徑爪式滅茬裝置設計

刀輥向下拉引莖稈并滑切莖稈，刀輥滑切莖稈過程如圖9所示。

圖9 刀輥滑切莖稈Fig.9 Slide cutting of stalk by knife roller

根據文獻[19]可知，滑切角在47°~68°滑切效果最佳。要求刀輥不能將莖稈直接切斷，因此選用較小滑切角，本滑切角α取50°。刀輥刀片數目為4個，刀輥旋轉直徑d1為95 mm。

滅茬器工作軌跡如圖10所示。根據國家標準玉米秸稈留茬高度h應小于80 mm。

圖10 滅茬器工作軌跡圖Fig.10 Track of stubble cutter

分析莖稈粉碎還田工作需求，設計一種高轉速小直徑爪式滅茬器。滅茬器轉速與刀輥轉速采用1∶1比例設計，滅茬器理論設計轉速ω2為900 r·min-1，最大旋轉半徑r2為130 mm。

果穗一般在摘穗板中后段完成摘穗動作，隨機具前進，莖稈滑至拉莖刀輥后二分之一位置。因此滅茬器布置在刀輥后三分之一位置處滅茬效果最佳。

莖稈最小拋撒距離為：

式中，g-重力加速度，g=9.8 m·s-2；v3-莖稈水平初速度（m·s-1）；t-莖稈運動時間（s）。

計算可得l5為70.7 mm。由此可知，莖稈最小拋撒距離l5略小于莖稈長度，莖稈有較好拋撒均勻度，滅茬還田作業質量符合國家標準。

2.4 割臺機架設計

割臺機架直接與動力底盤相連，其可靠程度是割臺穩定工作基礎。為避免割臺與發動機產生共振，利用ANSYS Workbench軟件對機架模型前6階模態求解，結果如表2所示。

表2 機架前6階模態振型Table 2 The first 6th modal shape of the frame

GY4D-2型收獲機配備4缸4沖程發動機，發動機額定轉速2 600 r·min-1。發動機激振頻率為：

式中，f-發動機激振頻率（Hz）；c-發動機沖程數；n-發動機轉速（r·min-1）；i-發動機氣缸數。

計算可得發動機理論激振頻率為86.67 Hz。割臺機架前6階模態振型頻率均大于0且小于發動機激振頻率，所以割臺機架不會與發動機產生共振，證明機架模型可靠。

3 臺架試驗

3.1 試驗裝置與試驗材料

玉米摘穗試驗臺由摘穗割臺、機架、玉米植株輸送裝置、變頻器和控制系統等組成。通過變頻器調節拉莖刀輥轉速和莖稈喂入速度，通過切割莖稈長度調節果穗距摘穗板高度。在割臺攪龍后方安裝編織袋收集摘下的果穗，在割臺兩側鋪設紙板，減小果穗摔落損傷。試驗材料為雅安市廣泛種植玉米品種雅玉988，玉米植株采集于四川省雅安市雨城區草壩鎮，玉米果穗大小一致，其生物特性見表3。試驗臺架如圖11所示。

圖11 玉米摘穗試驗臺Fig.11 Corn picking test bed

表3 試驗用玉米參數Table 3 Data of experimental corn

3.2 試驗設計與方法

3.2.1 試驗設計

前期研究確定拉莖刀輥轉速、喂入速度、果穗距摘穗板高度為落粒損失率和籽粒破損率的主要影響因素。以落粒損失率和籽粒破損率為試驗指標，開展3因素3水平的Box-Behnken響應曲面試驗。

3.2.2 試驗指標

試驗取3個塑料袋分別編號為A、B、C，將每組試驗中掉落玉米籽粒裝入塑料袋A，將破損籽粒裝入塑料袋B，將果穗上玉米籽粒人工剝落后裝到塑料袋C。對塑料袋A、B、C中籽粒分別稱重得到落地籽粒重量WL、破損籽粒重量WS和未損失籽粒質量WW，籽粒總質量WZ為WL、WS與WW之和。試驗前清理試驗臺，減小試驗誤差。

根據GB/T 34373-2017《玉米收獲機摘穗割臺》和GB/T 21961-2008《玉米收獲機械試驗方法》的規定測量數據，其中落粒損失率：

籽粒破損率：

式中，SL-落粒損失率（%）；SS-籽粒破損率（%）；WL-落地籽粒質量（g）；WS-破損籽粒質量（g）；WZ-籽粒總質量（g）。

3.3 響應曲面試驗

3.3.1 試驗因素與水平

根據預試驗結果，響應曲面試驗因素編碼水平見表4。試驗中每個組合重復3次試驗求平均值，每次5株玉米。

表4 試驗因素與水平Table 4 Factors and levels of test

響應曲面試驗設計與結果見表5。

3.3.2 試驗結果與回歸分析

通過Design-Expert 11軟件對表5數據作方差分析，結果如表6所示。

表5 響應曲面試驗設計與結果Table 5 Design and results of response surface test

由表6可知，落粒損失回歸模型和籽粒破損回歸模型顯著性檢驗值P<0.01，失擬性檢驗值P>0.05，證明落粒損失回歸模型和籽粒破損率回歸模型極顯著，失擬不顯著。落粒損失模型除交互項X2X3不顯著外，其余項均顯著；籽粒破損模型除交互項X1X2、X2X3和X12項不顯著外，其余項均顯著。各因素影響落粒損失率大小依次為：拉莖刀輥轉速>喂入速度>果穗距摘穗板高度；對于籽粒破損率影響大小依次為：果穗距摘穗板高度>喂入速度>拉莖刀輥轉速。剔除不顯著項后，落粒損失率Y1回歸方程和籽粒破損率Y2回歸方程為：

表6 方差分析Table 6 Variance analysis

3.3.3 各因素響應曲面分析

由圖12（a）可知，當果穗距摘穗板高度為350 mm時，落粒損失率隨拉莖刀輥轉速增加呈先減后增趨勢，原因在于刀輥轉速增加，刀輥拉莖效率提高，減少果穗彈跳，落粒損失減小，刀輥轉速超過900 r·min-1玉米莖稈更易被切斷，果穗在摘穗板上反復彈跳，增大落粒損失；落粒損失率隨喂入速度增大呈先減后增趨勢，原因在于喂入速度增大，莖稈合速度方向向上偏移，此時果穗與摘穗板接觸初速度變小，落粒損失降低，喂入速度進一步增加，果穗堆積在摘穗板上受到撥禾鏈反復沖擊，落粒損失增大。由圖12（b）可知，當喂入速度為0.8 m·s-1時，落粒損失率隨果穗距摘穗板高度增加呈先減后增趨勢，原因在于隨果穗距摘穗板高度增加，果穗撞擊摘穗板有效接觸面積增大，果穗與摘穗板碰撞沖擊減弱，落粒損失減小，當高度大于350 mm后，果穗碰撞摘穗板初速度增加，摘穗作用力變大，落粒損失增加；落粒損失率隨拉莖刀輥轉速增加先減后增，原因與圖12（a）分析相同。如圖12（c）所示，當拉莖刀輥轉速為900 r·min-1時，落粒損失率隨果穗距摘穗板高度增加呈先減后增趨勢，分析原因同圖12（b）；落粒損失率隨喂入速度增大呈先減后增趨勢，其原因同圖12（a）。

由圖13（a）、13（b)、13（c）可知，在所選試驗因素范圍內，籽粒破損率隨拉莖刀輥轉速、喂入速度、果穗距摘穗板高度增大呈先減后增趨勢，原因同圖12（a）、12（b）、12（c）分析。

圖12 交互因素影響落粒損失率響應曲面Fig.12 Response surface of the influence interaction factors affecting loss rate

圖13 交互因素影響籽粒破損率響應曲面Fig.13 Response surface of the influence interaction factors affecting corn breakage rate

通過Design-Expert 11軟件對回歸方程求解，約束條件為籽粒破損率最小，得到拉莖刀輥轉速800 r·min-1、喂入速度0.696 m·s-1、果穗距摘穗板高度369.148 mm參數組合，此時落粒損失率0.0479%，籽粒破損率0.007%。

3.3.4 試驗驗證

將各試驗因素調整至理論較優工作參數，拉莖刀輥轉速800 r·min-1、喂入速度0.700 m·s-1、果穗距摘穗板高度370 mm作重復性驗證試驗，落粒損失率0.05%，籽粒破損率0.01%，說明該回歸模型有較高準確性。

4 結論

a.通過對撥禾裝置、摘穗板間間隙調節裝置、滅茬裝置等關鍵部件作結構設計和理論分析，設計的窄幅低損傷摘穗割臺可較好解決玉米-大豆帶狀復合種植模式下玉米機械化收獲難題。

b.通過響應曲面試驗得知，割臺在拉莖刀輥轉速800 r·min-1、喂入速度0.700 m·s-1、果穗距摘穗板高度370 mm參數組合時，落粒損失率0.05%，籽粒破損率0.01%。此時割臺落粒損失率與籽粒破損率遠低于國家標準，滿足玉米低損收獲要求。