一種新型玉米收獲機摘穗裝置設(shè)計與分析

趙排航 王克印 黃海英 陳玉昆 王鵬

摘要 分析了玉米收獲機械的發(fā)展現(xiàn)狀，針對現(xiàn)有摘穗裝置的缺點，設(shè)計了一種利用慣性摘穗的裝置，并設(shè)計了配套輸送裝置;利用摘穗原理的創(chuàng)新，從根本上解決了玉米收獲機對籽粒造成損傷的問題;理論計算驗證了摘穗的可行性，利用仿真分析驗證了理論計算結(jié)果的正確性;同時分析比較了兩種秸稈處理方式的優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞 收獲機;摘穗;無損傷;曲柄滑塊;運動仿真

中圖分類號 S225.5+1 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2015）03-352-03

Design and Analysis of a New Type Maize Harvester Ear Picking Device

ZHAO Paihang，WANG Keyin， HUANG Haiying et al

（Ordnance Engineering College， Shijiazhuang， Hebei 050003）

Abstract The development status of maize harvester was analyzed. Aiming at the existing disadvantages of ear picking device， a kind of picking device by using the inertial force was designed， as well as supporting conveying device. Using the innovation of picking principle， it solved the corn harvest machine on grain damage problem fundamentally. Theoretical calculations show that the feasibility of picking cob， then it tested and verified the validity of the calculation results by simulation analysis. At the same time， this article analyzed two kinds of straw processing mode.

Key words Harvester; Ear picking; No damage; Crankblock; Motion simulation

作者簡介 趙排航（1991- ），男，河南蘭考人，在讀碩士研究生，研究方向：機械設(shè)計及理論。

收稿日期 20141205

隨著國家對農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的重視，特別是政策上的大力支持和經(jīng)濟上逐漸加大的扶持力度，使我國玉米收獲機械得到了快速發(fā)展。但是在玉米收獲時仍然存在著機械損傷造成玉米籽粒破壞，使收獲質(zhì)量降低，甚至減產(chǎn)的問題。為此，加大玉米收獲機械的研發(fā)投入，特別是對玉米摘穗裝置等關(guān)鍵部件研究的投入很有必要。收獲玉米主要是收獲玉米籽粒，現(xiàn)有玉米收獲機械容易造成玉米籽粒的破壞，從而不利于玉米籽粒的保存，降低收獲質(zhì)量。作為玉米收獲機械的核心部件，摘穗裝置的性能直接影響收獲機整機性能。因此，開展這方面的研究，可以為設(shè)計出性能優(yōu)良、功能齊全的玉米收獲機械，提供技術(shù)支撐^[1-2]。

1 玉米摘穗裝置的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的玉米摘穗裝置的機構(gòu)種類較多，但主流應(yīng)用都是利用摘穗輥對玉米稈莖和果穗的擠壓和拉伸使其分離從而實現(xiàn)摘穗的原理。這種摘穗方式是根據(jù)莖稈和果穗的尺寸特性，存在摘穗輥對玉米果穗的擠壓損傷問題^[3]，降低了收獲的玉米籽粒質(zhì)量，不利于籽粒的保存，也對糧食造成浪費。摘穗裝置是玉米收獲機的核心部件，如果摘穗性能不好的話，整機性能就無從談起。

現(xiàn)有的摘穗方式基本都是利用尺寸特性，稈莖和果穗的直徑不同，通過設(shè)置摘穗輥間距使其只能通過玉米稈莖而不能通過果穗來實現(xiàn)分離的。這種方式由于分離過程的擠壓必然會造成果穗籽粒的損傷。

同時，由于玉米收獲機的體型較大，在田間作業(yè)的靈活性較差，不適合在山區(qū)以及地塊較小的地區(qū)作業(yè);大型玉米收獲機的售價較高，農(nóng)村的收入水平普遍不高，經(jīng)濟原因也在一定程度上限制了玉米收獲機械化發(fā)展。因此玉米收獲機應(yīng)該向著小型化發(fā)展，提高收獲機械的靈活性，降低生產(chǎn)成本，有利于擴大農(nóng)業(yè)機械化程度。

2 設(shè)計思路

解決玉米籽粒損傷問題是改進現(xiàn)有收獲機摘穗裝置的首要目的。玉米摘穗裝置的作用是將玉米果穗和莖稈分離，機械化分離要根據(jù)其不同特性，實施相應(yīng)的分離方式來完成。

玉米稈莖和果穗的不同特性包括尺寸和重量不同。從另一個角度思考，根據(jù)玉米稈莖和果穗的重量不同，利用慣性進行摘穗。玉米果穗質(zhì)量比較集中，質(zhì)量密度比較大，玉米稈莖沿其軸線方向所能承受的壓應(yīng)力也比較大，帶穗稈莖保持豎直向上的狀態(tài)，給其向上的加速度，使果穗在慣性作用下與稈莖脫離。主要利用兩者重量特性和稈莖的應(yīng)力特性，可避免摘穗機械對果穗的擠壓，也就從根本上解決了摘穗機構(gòu)對籽粒的損傷問題。

該摘穗裝置的設(shè)計基于收獲機械向著小型化發(fā)展的設(shè)計思路。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算

采用曲柄滑塊機構(gòu)從玉米稈莖底端沿稈莖中心軸方向給予加速度，稈莖在輸送裝置作用下始終保持豎直狀態(tài)。摘穗裝置包括振動臺和輸送裝置兩個部分。

3.1 振動臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

振動臺的設(shè)計采用曲柄滑塊機構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。如圖1所示，曲柄AB為主動件，作連續(xù)轉(zhuǎn)動時，滑塊C作往復(fù)直線運動。

圖1 振動臺原理示意圖

振動臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于振動臺對玉米稈莖的作用距離較長，設(shè)計了3組曲柄滑塊機構(gòu)并行工作，保證了振動臺的工作過程穩(wěn)定性。機器的動力傳遞到驅(qū)動輪，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動通過連桿帶動振動臺的上下往復(fù)運動。振動臺的斜坡設(shè)計目的在于割臺割下的帶穗稈莖在輸送裝置帶動下能順利通過振動臺，振動臺上下往復(fù)運動過程中，當振動臺運動至最上方位置時其斜坡下沿與割臺的銜接部分平起，使帶穗稈莖能平穩(wěn)過渡到振動臺。

注：1-振動臺;2-連桿;3-驅(qū)動輪;4-同步連桿。

圖2 摘穗機構(gòu)簡圖

3.2 設(shè)計計算

3.2.1 玉米果穗慣性力分析。

根據(jù)實物圖作簡圖受力分析，假設(shè)玉米果穗質(zhì)量集中在其質(zhì)心一點上，如圖4所示，玉米果穗的重力矩與稈莖所提供的轉(zhuǎn)矩平衡方程：

T=Gl2sinθ（1）

式中：G—玉米果穗重量，l—果穗長度，θ—果穗與稈莖夾角。

設(shè)帶穗稈莖在慣性摘穗裝置作用下加速向上運動的加速度為a，則玉米果穗產(chǎn)生的慣性力矩為：

N′=Ggal2sinθ=Gla2gsinθ（2）

那么此時果穗產(chǎn)生的力矩為：

T+N′=Gl2sinθ+Ggal2sinθ

=（1+ag）Gl2sinθ（3）

當果穗產(chǎn)生的力矩大于稈莖最大承受力矩Tmax時才能實現(xiàn)摘穗，即：

T+N′>Tmax（4）

圖3 玉米實物圖片

圖4 果穗受力分析示意圖

3.2.2 曲柄滑塊機構(gòu)加速度計算。

摘穗臺利用曲柄滑塊機構(gòu)帶動摘穗臺產(chǎn)生摘穗加速度，需進一步計算曲柄滑塊機構(gòu)中滑塊的加速度，如圖5所示。

圖5 振動臺計算示意圖

設(shè)：AB、BC、AC長分別為r₁、r₂、r₃，則有

rlsinα=r₂sinβ（5）

rlcosα+r₂cosβ=r₃（6）

令，λ= r₁/r₂，則可推出滑塊的運動方程為

x=rlcosωt+r₂1-λ²sin²ωt（7）

將式（7）對時間t求導(dǎo)數(shù)，其運算比較繁瑣。在工程實際中，λ值通常不大（λ=1/4～1/6），故可將上式中根式展開成λ²的冪級數(shù)并略去λ⁴起的各項而作近似計算得：

x=r₁cos（ωt）+r₂（1-0.5）λ²sin²（ωt）

=r₂（1-0.25λ²）+r₁[cos（ωt）+0.25λcos（2ωt）]（8）

（8）式對時間取導(dǎo)數(shù)，即可得到速度和加速度表達式：

v=xg=-r₁ω[sin（ωt）+0.5λsin（2ωt）]（9）

a=vg=-r₁ω²[cos（ωt）+λcos（2ωt）]（10）

（10）式進一步計算，令其對時間的倒數(shù)等于零，可得當時間t=0時，滑塊的加速度a取最大值，即：

amax=-r₁ω²（1+λ）=-ω²r₁（1+r₁/r₂）（11）

負號表明方向與正方向相反，最大加速度的大小取決于曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄與連桿長度和曲柄的角速度，因此可通過調(diào)整曲柄連桿長度和曲柄角速度找出合適的加速度來滿足摘穗條件即（4）式，理論上可實現(xiàn)摘穗功能。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2015年

3.3 運動仿真與分析

仿真分析運動SolidWorks Motion工具，SolidWorks Motion是SolidWorks環(huán)境下的運動分析應(yīng)用插件，可以對SolidWorks構(gòu)建的模型進行運動仿真分析。

設(shè)置機構(gòu)參數(shù)為：l₁=100 mm，l₂=200 mm。首先用SolidWorks軟件進行建模，建立模型如圖6所示，建模完成后進入運動算例進行仿真分析，為曲柄添加馬達驅(qū)動，轉(zhuǎn)速設(shè)置為ω=60 r/min;將算例類型設(shè)為Motion分析，單擊計算按鈕進行計算仿真;計算完成后，點擊結(jié)果和圖解按鈕設(shè)置相應(yīng)參數(shù)可計算結(jié)果并生成所需圖表^[4]。

圖6 仿真模型

仿真計算出滑塊的速度和加速度的時間變化曲線，如圖7和圖8所示，根據(jù)速度和加速度曲線特性，選取60～1 060 ms作為一個周期進行分析，并將該周期四等分，分析滑塊的運動特性如表1所示。

圖7 滑塊速度曲線

圖8 滑塊加速度曲線

表1 滑塊的運動特性

時間∥ms速度∥v加速度∥a

60～310↑+

310～560↑-

560～810↓+

810～1 060↓-

一個周期為1s，將一個周期按時間等分成4個階段，見表1所示。分別是加速上升階段、減速上升階段、加速下降階段和減速下降階段。其中加速上升階段為有效的摘穗做功階段，輸送裝置帶動帶穗稈莖經(jīng)過振動平臺時，每個振動周期的加速上升階段沿稈莖徑向加速上推稈莖，果穗會在慣性作用下脫離稈莖，果穗重量越大摘穗效果越佳。

將仿真機構(gòu)參數(shù)換算成理論計算對應(yīng)參數(shù)，即：r₁=l₁=100 mm，r₂=l₂=200 mm，ω=60 r/min=2πrad/s;π取值3.14代入到（11）式，得

amax=5.916 m/s²=5 916 mm/s²

仿真分析結(jié)果加速度最大值5919與理論計算結(jié)果最大值5916在誤差允許范圍內(nèi)相一致，通過仿真分析，驗證了理論計算公式的正確性。

3.4 輸送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

輸送裝置作用是輸送被割臺剪下后的玉米稈莖運動至各工作部位，輸送裝置采用傳送帶夾持方式運動，輸送裝置對稈莖進行限位輸送，使稈莖摘穗時保持豎直狀態(tài)。輸送裝置的輸送帶如圖9所示，輸送帶安裝布置如圖10所示。

圖圖9 輸送帶

注：1-振動臺;2-輸送帶;3-稈莖。

圖10 輸送帶安裝布置

輸送裝置共包括4個輸送帶，分兩組夾持玉米稈莖的上下2個位置，兩組夾持機構(gòu)同時工作對玉米稈莖進行輸送，并可以實現(xiàn)邊運動邊振動摘穗。

4 秸稈處理方案

4.1 打捆

利用慣性摘穗的摘穗方式可以保存完整的玉米稈莖，經(jīng)摘穗后的稈莖通過傳送帶進入打捆裝置進行自動打捆。打捆裝置將定時進行打捆，捆好之后釋放稈莖捆，便于裝卸、運輸?shù)然厥绽霉ぷ??；厥盏挠衩捉斩捒梢杂糜谥谱魃箫暳?，也可以用于沼氣填料，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。

4.2 打碎還田

現(xiàn)有大型聯(lián)合收獲機大多數(shù)為秸稈還田型，經(jīng)調(diào)查，現(xiàn)有的秸稈還田的利用率并不高，由于玉米秸稈

打碎后碎葉較多較大，耕地深度有限，導(dǎo)致耕地完成后松土里混有過量的秸稈碎葉，影響秋季作物耕種，多數(shù)農(nóng)民會選擇燃燒一部分秸稈碎葉，這樣不僅對環(huán)境危害極大，還造成了資源浪費^[5]。

實施秸稈還田必須解決碎葉影響耕種的問題，必須將秸稈葉子完全打碎，耕地時與土混合均勻，碎葉足夠小才能不影響農(nóng)作物耕種;可利用兩級打碎裝置，在秸稈碎末出口處安裝濾網(wǎng)，只允許打碎的秸稈碎末排出，大片秸稈將無法排出直至打碎。另外，秸稈碎葉經(jīng)收獲機械未打碎的原因還有打碎裝置效率不高，如果將打碎裝置設(shè)計成刀切的形式，通過設(shè)計刀具裝置的運動形式，實現(xiàn)刀具將玉米秸稈切碎還田，這樣可以不用清除大片碎葉而直接耕種秋季作物，避免因秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染。

5 結(jié)語

該文提出了一種利用果穗慣性力摘穗的玉米收獲機摘穗裝置設(shè)計方案，思路創(chuàng)新，可進一步研究配套裝置，完成整機設(shè)計;配合稈莖輸送裝置，可實現(xiàn)摘穗功能，并且對籽粒零損傷。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于整機小型化，降低成本，解決了現(xiàn)有大型收獲機成本高、籽粒損傷率高等諸多問題，適應(yīng)了農(nóng)民群體的消費水平，有利于產(chǎn)品的推廣。

參考文獻

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