4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張喜瑞，吳 鵬，王克恒，李 粵，尚書旗，張秀梅

4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張喜瑞1，吳 鵬1，王克恒2，李 粵1，尚書旗3※，張秀梅1

（1. 海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228；2. 山東巨明機(jī)械有限公司，淄博 256499；3. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266109）

為解決國內(nèi)鮮食玉米收獲機(jī)械化程度低，玉米種植戶勞動強(qiáng)度大的問題，該文設(shè)計(jì)了適應(yīng)中國鮮食玉米小地塊種植規(guī)模的收獲機(jī)。由于鮮食玉米特殊的采摘條件，該機(jī)摒棄了傳統(tǒng)摘穗模式，通過斜輥掰穗，完成鮮食玉米自上而下的掰穗過程，以降低對玉米果穗作用力，使果穗從莖稈上分離下來，實(shí)現(xiàn)了對脆嫩玉米的收獲要求。為驗(yàn)證機(jī)器性能的可靠性、實(shí)用性，進(jìn)行了田間試驗(yàn)，以摘穗臺高度40～55 cm、拉莖帶轉(zhuǎn)速450～600 r/min、掰穗輥間隙25～34 mm作為試驗(yàn)因素對喂入姿態(tài)成功率和果穗損傷率進(jìn)行三因素四水平二次回歸正交試驗(yàn)；采用極差分析和方差分析對各因素的影響顯著性進(jìn)行判斷，得出各因素對喂入姿態(tài)成功率和果穗損傷率的影響顯著性順序分別為：夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速＞摘穗臺高度＞掰穗輥間隙和夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速＞掰穗輥間隙＞摘穗臺高度。各試驗(yàn)因素最優(yōu)化參數(shù)組合為摘穗臺高度47.5 cm，夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速525 r/min，掰穗輥間隙29.5 mm，在該組合下莖稈喂入成功率為81%，果穗損傷率為5.4%。將對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到優(yōu)化后最佳工作參數(shù)下：莖稈喂入成功率為83%，果穗損傷率為4.7%，優(yōu)化預(yù)測模型可靠。該研究可為玉米收獲機(jī)械化提供技術(shù)路線，其摘穗方式可為其他類型的玉米收獲機(jī)研發(fā)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；收獲機(jī)；設(shè)計(jì)；鮮食玉米；低損摘穗；田間試驗(yàn)

0 引 言

農(nóng)業(yè)是中國的第一產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展對于中國國民經(jīng)濟(jì)總體發(fā)展至關(guān)重要。鮮食玉米是在乳熟期采摘，果穗用于加工或直接食用的玉米類型，包括糯玉米、甜玉米、筍玉米等品種[1]。因其營養(yǎng)豐富、口感優(yōu)良、老少皆宜而被譽(yù)為世界蔬菜之精品[2]。一般生長周期為75～90 d，在中國大部分地區(qū)1a可種植2季，具有生長期短、適應(yīng)性廣、種植成本低、經(jīng)濟(jì)效率高的優(yōu)點(diǎn)，因而在全國范圍內(nèi)均有種植。其種植面積逐年增加，預(yù)計(jì)在2020年將達(dá)到100萬hm2[3-4]。

然而，隨著鮮食玉米種植規(guī)模的擴(kuò)大，其配套的農(nóng)業(yè)機(jī)械并未得到相應(yīng)的發(fā)展，目前鮮食玉米機(jī)械化收獲水平低，技術(shù)發(fā)展緩慢。大部分地區(qū)使用人工采收，收獲效率低，難以滿足市場需求。鮮食玉米收獲機(jī)作為未來玉米收獲機(jī)的發(fā)展方向，有望解決此類問題[5]。鮮食玉米收獲機(jī)械化能提高農(nóng)民種植積極性，降低勞動負(fù)擔(dān)，從而促進(jìn)增產(chǎn)增收。鮮食玉米的種植和機(jī)械化收獲是解決當(dāng)前農(nóng)村勞動力短缺問題的有效手段[6-7]。

國外鮮食玉米機(jī)械化水平較高，但大多是針對大塊田地而設(shè)計(jì)的大型機(jī)器，如美國十方公司設(shè)計(jì)的大型鮮食玉米收獲機(jī)[8]，難以直接應(yīng)用于國內(nèi)的小地塊種植區(qū)域。針對鮮食玉米的收獲及加工，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。其中針對鮮食玉米剝皮、脫粒、分揀等工藝，部分研究單位均設(shè)計(jì)出樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，以及收獲機(jī)摘穗臺和鮮食玉米生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備[9-12]。如吉林大學(xué)王慧慧等和蘇州高新浩等[13-14]研究的基于鮮食玉米機(jī)器視覺技術(shù)，可有效完成不同質(zhì)量、尺寸的鮮食玉米的產(chǎn)品品質(zhì)檢測與分類；農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院何曉鵬[15]研制人工喂入式鮮食甜玉米籽粒切脫機(jī)，使用直線運(yùn)動旋劃切削技術(shù)結(jié)合人工喂入的方式，對玉米籽粒進(jìn)行脫粒處理；吉林大學(xué)同運(yùn)運(yùn)[16]研究鮮食玉米果穗供料裝置，可用于對玉米順向、切割、長度分級、飽和度分級和體質(zhì)量分級等加工環(huán)節(jié)之前，降低這類加工環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)難度。上述對于鮮食玉米的相關(guān)技術(shù)，都在理論上做出創(chuàng)新性研究，奠定了后續(xù)的科研基礎(chǔ)。

本設(shè)計(jì)摒棄傳統(tǒng)的摘穗輥式或拉莖板式的摘穗臺，綜合國內(nèi)各類玉米摘穗臺的特點(diǎn)，最大限度地降低對果穗的損傷[17-19]。玉米植株被切割器割下的同時(shí)，夾持輸送裝置夾持住玉米秸稈，當(dāng)玉米莖稈輸送至掰穗輥處，掰穗輥模仿人工掰玉米的工作原理，對玉米穗施加側(cè)向推力，使玉米穗相對秸稈產(chǎn)生彎曲實(shí)現(xiàn)穗柄的折斷。本文將驗(yàn)證這種果穗收獲方式收獲鮮食玉米果穗的可能性，以期能夠避免傳統(tǒng)摘穗方式對玉米果穗的損傷，為低損傷玉米收獲的創(chuàng)新研究提供參考。

1 鮮食玉米力學(xué)特性研究

鮮食玉米含水率高，質(zhì)地脆嫩，為保證收獲機(jī)具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理性，需對玉米果穗進(jìn)行力學(xué)特性研究。利用WD-E型精密微控電子式萬能試驗(yàn)機(jī)對玉米果穗進(jìn)行試驗(yàn)，測定玉米果穗的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。隨機(jī)選取20顆果穗進(jìn)行測試，測得其長度均值為325 mm，果穗大端直徑均值為55.91 mm，含水率均值為63%。如圖1所示，計(jì)算機(jī)控制加載速率為0.3 mm/min，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，玉米抗壓強(qiáng)度平均值為8.85′104Pa，彈性模量為2.31′105Pa，此結(jié)果可為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1. 計(jì)算機(jī) 2. 加載裝置 3. 壓頭 4. 玉米果穗 5. 底板 6. 萬能試驗(yàn)機(jī)

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)組成和工作原理

如圖2所示，4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機(jī)主要由摘穗臺、果穗升運(yùn)器、液壓動力裝置、柴油機(jī)動力系統(tǒng)、行進(jìn)裝置和果穗收集箱等組成，其中摘穗臺是整機(jī)作業(yè)的核心部件。

1. 摘穗臺 2. 前輪 3. 柴油機(jī) 4. 車身機(jī)架 5. 后輪 6. 果穗收集箱 7. 駕駛室 8. 液壓泵 9. 果穗升運(yùn)器

鮮食玉米收獲機(jī)工作時(shí)，啟動柴油發(fā)動機(jī)，整機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)待摘穗臺運(yùn)行平穩(wěn)，并啟動液壓裝置檢查果穗收集箱和摘穗臺升降是否正常[20]，根據(jù)采收鮮食玉米果穗高度調(diào)整摘穗臺以達(dá)到最佳摘穗高度。鮮食玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)為4個(gè)前進(jìn)檔位和1個(gè)后退檔位。

2.2 動力傳遞方式

各裝置以車架為基礎(chǔ)，一次作業(yè)完成果穗摘穗、升運(yùn)、收集。技術(shù)特點(diǎn)在于：針對鮮食幼嫩玉米無損收獲，作業(yè)過程中夾持喂入整齊流暢，摘穗臺不擁堵；斜置掰穗輥，配合拉莖帶完成摘穗，具有極高的技術(shù)要求，其工作參數(shù)如表1所示。

表1 4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機(jī)主要工作參數(shù)

收獲機(jī)柴油機(jī)的動力經(jīng)變速箱后分為2路傳遞：變速箱和液壓動力系統(tǒng)。如圖3所示，柴油機(jī)的部分動力通過帶輪傳動的方式傳動到變速箱體驅(qū)動前輪完成機(jī)具前進(jìn)和后退；另外一部分動力通過皮帶輪驅(qū)動液壓泵并帶到往復(fù)式割刀作業(yè)，從而液壓系統(tǒng)進(jìn)行工作。

1. 往復(fù)式割刀 2. 拉莖帶 3. 掰穗輥 4. 液壓馬達(dá) 5. 果穗升運(yùn)器 6. 摘穗臺通軸 7. 摘穗臺液壓缸 8. 左右半軸 9. 液壓泵 10. 中間傳動軸 11. 果穗收集箱液壓缸 12. 變速箱 13.前輪 14.柴油機(jī) 15.后輪 16.車身機(jī)架

1. Reciprocatoring cutter 2. Pulling stem belt 3. Picking roller 4. Hydraulic motor 5. Corn ear conveyer 6. Through axis of ear picking platform 7. Hydraulic cylinder of ear picking platform 8. Left and right half axis 9. Hydraulic pump 10. Intermediate propeller shaft 11. Ear collecting box hydraulic cylinder 12. Gearbox 13. Front wheel 14. Diesel engine 15. Back wheel 16. Body frame

注：虛線代表液壓系統(tǒng)的流體路線。

Note: Dotted line represents the fluid path of the hydraulic system.

圖3 動力傳遞簡圖

Fig.3 Simple diagram of power transmission

開始工作時(shí)，對整機(jī)掛前進(jìn)1擋，使其平穩(wěn)前進(jìn)，再由駕駛?cè)藛T調(diào)整方向?qū)崿F(xiàn)鮮食玉米果穗對行收獲。采收鮮食玉米時(shí)，往復(fù)式割刀對鮮食玉米莖稈進(jìn)行切割作業(yè)。同時(shí)，拉莖帶完成對玉米莖稈上部的夾持并使玉米莖稈隨著運(yùn)動的拉莖帶向摘穗臺后方輸送。玉米莖稈下端的果穗在隨著莖稈向后輸送的過程中，被斜置的掰穗輥掰下，落入果穗升運(yùn)器中，由果穗升運(yùn)器將玉米果穗輸送到收集箱，實(shí)現(xiàn)收獲作業(yè)。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

圖4 摘穗臺整體結(jié)構(gòu)

3.1 摘穗臺液壓缸設(shè)計(jì)

3.1.1 摘穗臺升降液壓缸基本參數(shù)確定

摘穗臺拉莖帶的運(yùn)動和摘穗臺升降均由液壓動力提供，摘穗臺設(shè)計(jì)為可升降，以適應(yīng)不同的果穗高度。液壓缸在載荷一定的情況下，盡量選取尺寸小、經(jīng)濟(jì)性好的配件，摘穗臺質(zhì)量大致在600~800 kg，摘穗臺高度可調(diào)整范圍為300 mm。摘穗臺安裝架用于連接收獲機(jī)主體和摘穗臺，安裝架的一端可繞機(jī)架主體轉(zhuǎn)動，另一端安裝摘穗臺，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

兩固定端高度差為300 mm，摘穗臺安裝架的長度1為420 mm，摘穗臺安裝架中部設(shè)有可與液壓缸連接的鉸接座，設(shè)置于距安裝架左端2為280 mm處，安裝架可繞固定端旋轉(zhuǎn)的角度為15°~20°。直接應(yīng)用Solidworks Motion模擬其運(yùn)動過程，得到液壓缸缸體長度S為不小于110 mm[21]。分析其載荷，則液壓缸缸體直徑和活塞桿直徑可根據(jù)以下公式計(jì)算：

1. 收獲機(jī)主架 2. 摘穗臺安裝架 3. 活塞桿4. 液壓缸

1. Harvester main frame 2. Installing frame of ear picking platform 3. Piston rod 4. Hydraulic cylinder

注：為摘穗臺所受重力，N；為液壓缸和安裝架固定端的高度差，mm；為安裝架的活動角度，(°)；1為安裝架長度，mm；2為安裝架上2鉸接座的距離，mm；3為液壓裝置長度，mm；S為液壓缸缸體高度，mm；為缸體直徑，mm；為活塞桿直徑，mm。

Note:is the gravity of ear picking platform, N;is the height difference between the hydraulic cylinder and the fixed end of the installing frame, mm;is the mounting angle of the installing frame, (°);1is the length of installing frame, mm;2is the distance between two hinged seats on the installing frame, mm;3is the length of hydraulic device, mm;Sis the height of hydraulic cylinder, mm;is the inside diameter of hydraulic cylinder, mm;is the diameter of piston rod, mm.

圖5 摘穗臺升降液壓缸參數(shù)示意圖

Fig.5 Schematic diagram of ear picking platform lifting hydraulic cylinder parameters

3.1.2 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘穗臺部分液壓動作部件包括2個(gè)驅(qū)動摘穗臺液壓缸和4個(gè)驅(qū)動拉莖夾持裝置的液壓馬達(dá)、液壓泵、電磁換向閥、安全閥、油箱等，其中2個(gè)液壓缸同步動作，同組的液壓馬達(dá)反向同步轉(zhuǎn)動。液壓馬達(dá)只用于驅(qū)動拉莖皮帶輪，因此采用BMR-80型液壓馬達(dá)，其液壓系統(tǒng)如圖6所示[22]。

3.2 往復(fù)式割刀裝置設(shè)計(jì)

鮮食玉米采收時(shí)，其植株含水率在35%～50%左右，極高含水率導(dǎo)致鮮食玉米莖稈抗剪強(qiáng)度高、纖維韌性好。綜合其特殊作業(yè)環(huán)境，需要莖稈切割裝置有極高的耐腐蝕性、剪切流暢性，以及避免纖維纏繞。往復(fù)式割刀的動刀有一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動，曲柄軸位于割刀的后方中部，通過連桿、擺桿和第二連桿驅(qū)動，其驅(qū)動方式和具體實(shí)物如圖7所示。

1. 液壓油箱 2. 過濾器 3. 液壓泵 4. 柴油機(jī) 5. 電磁換向閥 6. 單向閥 7. 節(jié)流閥 8. 液壓馬達(dá) 9. 馬達(dá)負(fù)載 10. 液壓缸 11. 安全閥 12. 冷卻器

1. Hydraulic tank 2. Filter 3. Hydraulic pump 4. Diesel engine 5. Electromagnetic reversing valve 6. Check valve 7. Throttle valve 8. Hydraulic motor 9. Motor load 10. Hydraulic cylinder 11. Safety valve 12. Cooler

注：X為電磁滑閥；A，B，P和T為油路通道，所有電磁線圈失電時(shí)，閥處于中位，不驅(qū)動后續(xù)部件工作；僅右線圈得電時(shí)，P-A為進(jìn)油通路，B-T為出油通路，液壓缸活塞上升，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)；僅左線圈得電時(shí)，P-B為進(jìn)油通路，A-T為出油通路，液壓缸活塞下降，液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)。

Note: X is the electromagnetic slide valve; A, B, P and T are oil passages. When all the electromagnetic coils are de-energized, the valve is in the neutral position and does not drive the working parts. When only the right coil is energized, the oil inlet passage of P-A and the oil outlet passage of B-T drive the piston of hydraulic cylinder rising and the hydraulic motor rotating forward; the oil inlet passage of P-B and the oil outlet passage of A-T drive the piston of hydraulic cylinder declining and the hydraulic motor rotating reversed.

圖6 摘穗臺液壓系統(tǒng)圖

Fig.6 Hydraulic system diagram of ear picking platform

1. 動刀 2. 定刀 3. 刀桿 4. 摘穗臺機(jī)架 5. 搖桿 6. 連桿 7. 驅(qū)動圓盤 8. 傳動軸

在往復(fù)式割刀中，其基本參數(shù)包括動刀刀齒間距、護(hù)刃齒間距0和割刀行程。根據(jù)參考文獻(xiàn)[23]，國內(nèi)往復(fù)式切割器制訂有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型3種標(biāo)準(zhǔn)，為了適應(yīng)鮮食玉米莖稈韌性大，含水率高的特點(diǎn)，本收獲機(jī)采用普通Ⅱ型切割器。此型號割刀行程=220=152.4 mm，其割刀行程長，工作中產(chǎn)生慣性小，適合用于小型收割機(jī)[23]。此外，動定刀片剪切莖稈的首要條件是應(yīng)能夾住或咬住莖稈，不致脫落，以進(jìn)行穩(wěn)定的剪切。因此為了“咬住”鮮食玉米莖稈，動刀刃為齒刃，定刀刃為光刃，且刀齒應(yīng)滿足以下條件：

式中1和2為動、定2刀片的刃口斜角（刀刃與豎直線的夾角），(°)；為2刃口夾住莖稈的臨界角，(°)；1+2為2刀片分別對莖稈的摩擦角，(°)。具體剪切過程如圖8所示。

3.3 掰穗輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對鮮食玉米的機(jī)械化收獲特點(diǎn)，傳統(tǒng)的拉莖輥式或者摘穗板式摘穗方式都會對果穗產(chǎn)生較大的作用力，不適合用于此類脆嫩玉米的收獲。因此設(shè)計(jì)了拉莖帶配合掰穗輥，對鮮食玉米果穗完成從上到下的摘穗過程。此外，與傳統(tǒng)立式摘穗輥比較，鮮食玉米掰穗輥無相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動且表面無棱形凸起，避免了摘穗環(huán)節(jié)鐵輥對玉米果穗的碰撞和碾壓，最大限度地降低了鐵輥和果穗接觸時(shí)的受力，極大保證了幼嫩玉米果穗的品質(zhì)。

注：t為動刀刀齒間距，mm；t0為護(hù)刃齒間距，mm；S為割刀行程，mm；α1和α2為動、定2刀片的刃口斜角（刀刃和豎直線的夾角），(°)；λ為2刃口夾莖稈的臨界角，(°)；φ1和φ2為2刀片分別對莖稈的摩擦角，(°)；F1、R1、N1、F2、R2、N2分別為作用力，N。

如圖9所示，被往復(fù)式切割器切下的莖稈被夾持喂入皮帶夾住，由夾持拉莖帶夾住莖稈的上端，將果穗和莖稈一起向后輸送。經(jīng)過斜置的掰穗輥后，由傾斜的掰穗輥將玉米果穗掰下，果穗落入升運(yùn)器被輸送到果穗箱中，莖稈繼續(xù)被夾持住，隨后被拋送到田間。摘穗過程應(yīng)保證2個(gè)條件：1）需保證摘穗時(shí)莖稈不滑出夾持拉莖帶；2）掰穗輥間隙需保證任何喂入姿態(tài)的果穗均被摘下。由于鮮食玉米莖稈特殊物理性質(zhì)，夾持鮮食玉米莖稈時(shí)，兩條夾持玉米莖稈拉莖帶間隙不大于0.5 mm，既能保證穩(wěn)定夾持，又便于喂入。

1. 撥禾輪 2. 夾持拉莖帶 3.安裝架 4. 液壓馬達(dá) 5. 張緊輪 6. 掰穗輥

3.3.1 掰穗輥長度和安裝傾斜角度的選取

果穗的喂入過程如圖10，需滿足不同長度和直徑的果穗被順利摘下，還要求掰穗輥間隙足夠容納不同直徑的玉米莖稈，對掰穗輥的摘穗過程進(jìn)行分析。在摘穗臺設(shè)計(jì)時(shí)，為適應(yīng)鮮食玉米的莖稈長度，機(jī)架高度H為800 mm，拉莖行程為1 200 mm，拉莖帶以上的莖梢高度1預(yù)留200 mm，以方便夾持拉扯。割刀安裝于拉莖帶前端，配合機(jī)具前進(jìn)速度對玉米莖稈實(shí)現(xiàn)“先割后拉”，既保證莖稈能順利抓取，也實(shí)現(xiàn)莖稈的完全切割。

1. 主動輪 2. 夾持拉莖帶 3. 從動輪 4. 切割器 5. 玉米果穗 6. 玉米莖稈 7. 掰穗輥

1. Driving wheel 2. Clamping and pulling stem belt 3. Driven wheel 4. Cutter 5. Corn ear 6. Corn stem 7. Picking roller

注：H為摘穗臺機(jī)架高度，mm；為拉莖帶長度，mm；1為拉莖帶以上莖梢高度，mm；L為掰穗輥長度，mm；為玉米果穗的結(jié)穗夾角，(°)；為掰穗輥傾斜角，(°)。

Note:His the frame height of ear picking platform, mm;is the length of clamping and pulling stem belt, mm;1is the height of stem tip above clamping and pulling stem belt, mm;Lis the length of picking roller, mm;is the angle between the stem and the corn ear, (°);is the tilt angle of picking roller, (°).

圖10 掰穗輥結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.10 Schematic diagram of picking roller

經(jīng)過田間測量，鮮食玉米果穗的平均穗莖夾角為15°～32°，則掰穗輥傾斜角控制在20°±4°。根據(jù)幾何關(guān)系，掰穗輥的長度可由下式獲得：

式中當(dāng)取值為16°～24°，則掰穗輥長度L確定為832.2～875.7 mm。

3.3.2 掰穗輥直徑的選取

實(shí)際作業(yè)過程中，玉米莖稈橫截面最大直徑d范圍在15～31 mm，不同果穗截面最大直徑1在45～87 mm，則摘穗間隙為28 mm，符合摘穗要求[23]。為避免摘穗過程中出現(xiàn)掰穗輥擠穗和莖稈通過性差的現(xiàn)象，結(jié)合上述對摘穗過程的分析，得出：

式中d為玉米莖稈最大直徑，mm；D為掰穗輥直徑，mm；為掰穗輥的抓取角，(°)。

掰穗輥通過玉米莖稈而不卡住玉米果穗的臨界條件，可參考立式掰穗輥?zhàn)ト∮衩浊o稈而不抓取玉米果穗的臨界條件μ≤tan≤μ。則掰穗輥直徑取值范圍：

式中μ為果穗抓取系數(shù)；μ為莖稈抓取系數(shù)。對于鑄鐵掰穗輥而言μ≈μ≈0.7~1.1，則式（6）可寫為

將上述數(shù)據(jù)帶入公式中，可得掰穗輥直徑范圍在55～80 mm，對于鮮食玉米收獲機(jī)而言，玉米莖稈和植株含水率極高，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，取掰穗輥直徑，如圖11所示。

1. 玉米果穗 2. 掰穗輥 3. 玉米莖稈

1. Corn ear 2. Picking roler 3. Corn stem

注：L為果穗長度，mm；為果穗軸線與掰穗輥軸線夾角，(°)；為掰穗輥的抓取角，(°)；為掰穗輥間隙，mm；d為玉米莖稈最大直徑，mm；D為掰穗輥直徑，mm；L為掰穗輥長度，mm。

Note: Lis the length of ear, mm;is the angle between picking roller axis and ear axis, (°);is the grasping angle of the picking roller, (°);is the gap length between picking rollers, mm;dis the maximum diameter of corn stem, mm;Dis the diameter of picking roller, mm;Lis the length of picking roller, mm.

圖11 掰穗輥摘穗?yún)?shù)的幾何關(guān)系

Fig.11 Geometrical relationship of picking parameters to picking roller

掰穗輥?zhàn)鳂I(yè)過程中，玉米莖稈被拉扯進(jìn)入掰穗輥間間隙，而果穗則被掰穗輥?zhàn)钃?，由掰穗輥將果穗從上到下掰離莖稈。由于機(jī)具作業(yè)行程中，玉米果穗喂入掰穗輥的過程呈現(xiàn)隨機(jī)性。即玉米果穗軸線與掰穗輥軸線的夾角出現(xiàn)3種狀態(tài)：

式中L為果穗長度，取果穗最小值約為150 mm；根據(jù)式（7）可知，取55 mm；摘穗間隙為28 mm。則根據(jù)式（8）計(jì)算可知：

1）0°≤＜29.6°，果穗的頭部進(jìn)入掰穗輥間隙，掰穗輥對果穗的作用力作用于玉米果穗的頭部；

2）29.6°≤＜150.4°，此時(shí)掰穗輥對玉米果穗的作用力作用于玉米果穗的主體部位；

3）150.4°≤≤180°，此時(shí)果穗靠近莖稈的部分進(jìn)入輥間間隙，此時(shí)對果穗的作用力作用于其尾部。

分析3種果穗喂入狀態(tài)，可得當(dāng)夾角為0°≤＜29.6°時(shí)，果穗頭部承受摘穗作用力，且玉米果穗易被2個(gè)掰穗輥卡住造成摘穗效果差和果穗損傷問題；當(dāng)29.6°≤＜150.4°時(shí)，掰穗輥對玉米果穗的作用力較小，果穗受力部位合理，易被摘下，且不會對果穗造成損傷；當(dāng)夾角150.4°≤≤180°時(shí)，果穗尾部承受摘穗作用力，需要施加較大的摘穗力，造成果穗損傷和摘穗失敗。綜上所述，當(dāng)玉米果穗軸線與掰穗輥軸線的夾角處于29.6°~150.4°時(shí)，達(dá)到理想的摘穗效果。

綜上所述，掰穗輥的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：掰穗輥傾斜角為20°，掰穗輥長度L為850 mm，掰穗輥直徑D為55 mm，摘穗間隙為28 mm。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的鮮食玉米收獲機(jī)性能可靠性和實(shí)用性，選擇決定玉米收獲機(jī)性能的考察指標(biāo)，對其進(jìn)行試驗(yàn)。鮮食玉米收獲時(shí)不需要對果穗進(jìn)行剝皮或者脫粒，因此，選擇對摘穗效果影響較大的摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、掰穗輥間隙為試驗(yàn)參數(shù)，以摘穗時(shí)的莖稈喂入姿態(tài)成功率、果穗損傷率作為性能評價(jià)指標(biāo)（喂入姿態(tài)成功率檢測莖稈夾持裝置性能和割刀安裝位置的合理性）。

4.1 試驗(yàn)條件和準(zhǔn)備工作

試驗(yàn)時(shí)間：2018年4月27—28日；試驗(yàn)地點(diǎn)：海南省樂東黎族自治縣九所鎮(zhèn)樂羅村某農(nóng)民種植地；試驗(yàn)設(shè)備：4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機(jī)（圖12）、8203型鋼卷尺、米尺、游標(biāo)卡尺、PS-930型秒表和攝影機(jī)。

圖12 4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機(jī)

試驗(yàn)玉米品種為“美玉甜007號”。試驗(yàn)時(shí)，由于極少部分玉米植株因生長情況不好，應(yīng)予以清除。試驗(yàn)玉米地長度為50 m，性能測定區(qū)長度為20 m，測定區(qū)前的機(jī)具調(diào)整穩(wěn)定區(qū)為20 m，測定區(qū)后的停車區(qū)為10 m。在測定區(qū)內(nèi)，隨機(jī)選取50株玉米植株進(jìn)行測量，測量過程重復(fù)3次，測量結(jié)果取平均值，得到海南地區(qū)鮮食玉米的主要物理參數(shù)如下表2。

試驗(yàn)過程中每次作業(yè)速度保持一致，為15 km/h。作業(yè)過后，在測定區(qū)內(nèi)揀起未被夾持喂入的玉米植株，在果穗收集箱中統(tǒng)計(jì)出損傷果穗，分別計(jì)算出喂入姿態(tài)成功率、果穗損傷率，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的分析。

莖稈喂入姿態(tài)成功率：

果穗損傷率：

式中W為未被夾持住而掉落的含有果穗的玉米莖稈數(shù)；W為測定區(qū)中植株總數(shù)（每一株試驗(yàn)對象均僅包含有一個(gè)玉米果穗）；Y為果穗箱中損傷的果穗（果穗苞葉出現(xiàn)破損或果穗出現(xiàn)明顯擠壓即計(jì)為果穗損傷）；Y為果穗箱中果穗總數(shù)[24]。

表2 鮮食玉米植株參數(shù)

4.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

針對試驗(yàn)過程分析可知，摘穗臺高度過高可能造成莖稈割刀損傷果穗，過低造成玉米莖稈夾持失??；夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致摘穗力度過大損傷果穗，轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致無法順利抓取玉米莖稈；掰穗輥間隙過大易夾傷果穗，間隙過小易造成莖稈堵塞。

因此，選取摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速和掰穗輥間隙為試驗(yàn)因素，分析其對莖稈喂入姿態(tài)成功率和果穗損傷率的影響。依據(jù)試驗(yàn)區(qū)玉米最低結(jié)穗高度74 cm，試驗(yàn)時(shí)設(shè)置摘穗臺高度區(qū)間為40～55 cm；依據(jù)順利抓取玉米莖稈的臨界夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)時(shí)設(shè)置夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速區(qū)間為450～600 r/min；依據(jù)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)莖稈最大直徑21.86 mm和果穗大端直徑55.91 mm，試驗(yàn)時(shí)設(shè)置掰穗輥間隙區(qū)間為25～34 mm。為尋求鮮食玉米收獲機(jī)作業(yè)過程中各參數(shù)的最佳狀態(tài)，對所選的摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、掰穗輥間隙3個(gè)參數(shù)進(jìn)行三因素四水平正交試驗(yàn)與分析。正交試驗(yàn)的每個(gè)試驗(yàn)組重復(fù)5次，統(tǒng)計(jì)結(jié)果取平均值。各參數(shù)水平的選取以滿足機(jī)具高性能作業(yè)的要求安排，其因素水平表如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，表中123為因素水平值[25-28]。

表3 試驗(yàn)因素水平

4.2.1 極差分析

利用極差分析與方差分析的結(jié)果進(jìn)行對比，互相驗(yàn)證結(jié)論的可靠性。摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、掰穗輥間隙各水平對收獲機(jī)摘穗性能的極差分析結(jié)果如表5。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果

注：1，2，3分別為因素1，2，3的水平值。

Note:1,2and3are the level values of1,2and3, respectively.

表5 極差分析結(jié)果

各影響因素的極差值越大，即說明該影響因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。則根據(jù)極差分析確定出對喂入姿態(tài)成功率的影響因素的主次關(guān)系依次為夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、摘穗臺高度、掰穗輥間隙；對果穗損傷率影響因素的主次關(guān)系依次為夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、掰穗輥間隙、摘穗臺高度。

從方差分析表6中可以得出，對于目標(biāo)函數(shù)S，因素2、22極顯著，1、12顯著；對于目標(biāo)函數(shù)S，因素1、2、3極顯著。各因素對喂入姿態(tài)成功率的顯著性順序從大到小為：夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、摘穗臺高度、掰穗輥間隙；各因素對果穗損傷率的顯著性順序從大到小為：夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、掰穗輥間隙、摘穗臺高度。

4.2.2 參數(shù)優(yōu)化

通過極差和方差的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，綜合各試驗(yàn)因素對考察指標(biāo)的影響，結(jié)合Design-Expert8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件對其進(jìn)行回歸模型優(yōu)化分析。其約束條件：1）目標(biāo)函數(shù)S[max]，S[min]；2）影響因素約束：1摘穗臺高度40～55 cm；2夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速450~ 600 r/min；3掰穗輥間隙25～34 mm。根據(jù)分析軟件構(gòu)造的復(fù)合函數(shù)：

表6 方差分析

注：＜0.01（極顯著，**）；＜0.05（顯著，*）

Note:＜0.01(highly significant, **);＜0.05(significant, *).

由式（11）和（12）可得，最終參數(shù)優(yōu)化組合為摘穗臺高度47.5 cm，夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速525 r/min，掰穗輥間隙29.5 mm，在該組合下莖稈喂入成功率為81%，果穗損傷率為5.4%。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，將鮮食玉米收獲機(jī)調(diào)整至對應(yīng)狀態(tài)，課題組于試驗(yàn)后的第二天又再次進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)。為消除隨機(jī)誤差，重復(fù)試驗(yàn)5次，作業(yè)長度依舊為50 mm，取5次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。根據(jù)田間試驗(yàn)驗(yàn)證得出，在給定的優(yōu)化參數(shù)下，莖稈喂入成功率為83%，果穗損傷率為4.7%。預(yù)測值（81%，5.4%）與試驗(yàn)結(jié)果相差較小。

4.4 討 論

1）該試驗(yàn)是基于收獲機(jī)性能研究而設(shè)計(jì)，考慮了收獲機(jī)部分因素對收獲機(jī)性能的影響。但現(xiàn)實(shí)玉米收獲時(shí)，還有其他相關(guān)結(jié)構(gòu)因素也會對試驗(yàn)結(jié)果造成影響。由于試驗(yàn)條件的限制，本試驗(yàn)并未將所有影響試驗(yàn)結(jié)果的自變量進(jìn)行試驗(yàn)，因此造成試驗(yàn)結(jié)果只針對收獲機(jī)摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、掰穗輥間隙進(jìn)行討論。其他相關(guān)因素如割刀安裝位置、割刀長度、掰穗輥傾斜度、拉莖行程長度等還需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)進(jìn)行分析；

2）由于天氣原因，試驗(yàn)地土壤含水率過高，導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)機(jī)具前進(jìn)中出現(xiàn)打滑和顛簸現(xiàn)象，在一定程度上影響了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此在之后的進(jìn)一步試驗(yàn)中，考慮換掉行進(jìn)輪，改用履帶式前進(jìn)方式，以便全天候進(jìn)行試驗(yàn)。

5 結(jié) 論

1）基于斜置掰穗輥配合拉莖帶，實(shí)現(xiàn)玉米果穗由上到下的掰穗過程，對玉米果穗作用力小，從而可用于收獲含水率高的脆嫩鮮食玉米，理論上研究了摘穗臺的各個(gè)部件的基本參數(shù)，保證設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

2）選取樣機(jī)中可控的因素變量，即摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、掰穗輥間隙，通過對試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，得出各因素對喂入姿態(tài)成功率的影響的主次關(guān)系依次為夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、摘穗臺高度、掰穗輥間隙；對果穗損傷率影響的主次關(guān)系依次為夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、掰穗輥間隙、摘穗臺高度。通過方差分析，驗(yàn)證極差分析結(jié)果準(zhǔn)確。

3）通過Design-Expert軟件得出鮮食玉米收獲機(jī)最佳工作參數(shù)組合為：摘穗臺高度47.5 cm，夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速525 r/min，掰穗輥間隙29.5 mm。對機(jī)具設(shè)置優(yōu)化后的工作參數(shù)進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，得出莖稈喂入成功率為83%，果穗損傷率為4.7%。預(yù)測值（81%，5.4%）與試驗(yàn)結(jié)果相差較小。

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Design and experiment of 4YZT-2 type self-propelled fresh corn double ridges harvester

Zhang Xirui1, Wu Peng1, Wang Keheng2, Li Yue1, Shang Shuqi3※, Zhang Xiumei1

(1.,570228,2..,.,256499,; 3.,,266109,)

With the expansion of fresh corn planting scale, the supporting agricultural machinery has not been developed correspondingly. At present, manual harvesting is still the main harvesting method in most areas, resulting in low harvesting efficiency and difficulty in meeting market demand. Aiming at that, a harvester adapted to the scale of fresh corn cultivation in China was designed in this research. Simultaneously, due to the special picking conditions of fresh corn, instead of the traditional ear picking roller or pulling stem plate picking platform, the ear breaking process of fresh corn from top to bottom was completed by oblique ear picking roller, so as to reduce the pressure on corn ear and separate ear from stem. Furthermore, through the method of special picking process, the 4YZT-2 type self-propelled fresh corn double ridges harvester was designed, which was mainly composed of ear picking platform, corn ear conveyer, hydraulic power device, diesel engine power system, travelling device and ear collecting box. Subsequently, field experiment were carried out in order to verify the reliability and practicability of harvester. The height of the picking platform, the speed of clamping and pulling stem belt, and picking roller gap were used as test factors to carry out the regression orthogonal test. The stem feeding success rate and the ear damage rate were taken as experimental evaluation index to test the machine performance. The results showed that the order of the factors affecting the stem feeding success rate was as follows: the speed of clamping and pulling stem belt, the height of the picking platform, and the picking roller gap; The order of the factors affecting the ear damage rate was as follows: the speed of clamping and pulling stem belt, the picking roller gap and the height of the picking platform. The analysis of variance and response surface was obtained using Design-Expert 8.0.6 to verify the correctness of the range analysis. Ultimately, the significance order in the range analysis was proved consistence with that from variance analysis. Moreover, the influence of each factor on the ear damage rate was extremely significant (<0.01). The optimal parameters were 47.5 cm for the height of the picking platform, 525 r/min for the speed of clamping and pulling stem belt, and 29.5 mm for the picking roller gap. The stem feeding success rate was 81%, and the ear damage rate was 5.4%. The corresponding parameters were tested and verified in another field experiment, and the corresponding results of the two performance evaluation indices under optimized working parameters were obtained: with the stem feeding success rate of 83%, and the ear damage rate of 4.7%. The study provided a technical support for the mechanization of special corn harvesting, and its picking method also can be a reference for the development of other types of corn harvesters.

agricultural machinery; harvester; design; fresh corn; low-loss picking; field trial

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.001

S223.2+6

A

1002-6819(2019)-13-0001-09

2018-11-27

2019-03-14

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0701203-03）

張喜瑞，博士，教授，主要從事熱帶智能農(nóng)業(yè)機(jī)械研究。Email：zhangxirui_999@sina.com

尚書旗，山東青州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事新型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)的研究。Email：sqshang@qau.edu.cn

張喜瑞，吳 鵬，王克恒，李 粵，尚書旗，張秀梅. 4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(13)：1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.001 http://www.tcsae.org

Zhang Xirui, Wu Peng, Wang Keheng, Li Yue, Shang Shuqi, Zhang Xiumei.Design and experiment of 4YZT-2 type self-propelled fresh corn double ridges harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.001 http://www.tcsae.org