窄幅低損傷摘穗割臺設(shè)計與試驗

羅惠中，蔣小霞，秦代林，左平安，張 飛，張黎驊

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川 雅安625000）

間套輪作是解決我國玉米大豆?fàn)幍孛?、提高玉米產(chǎn)量的重要種植模式[1]。目前，國內(nèi)外鮮見關(guān)于玉米-大豆帶狀復(fù)合種植模式配套收獲機(jī)具的研究。相關(guān)資料顯示，我國每年玉米機(jī)械收獲損失量占玉米總產(chǎn)量2.3%[2]。按照2020年我國玉米總產(chǎn)量26 067萬t估算，損失量降低1%可節(jié)約300萬t糧食[3]。

國內(nèi)學(xué)者對常規(guī)玉米摘穗割臺作業(yè)效率影響因素開展研究，發(fā)現(xiàn)板式割臺不同摘穗板折彎角度對果穗損失率會產(chǎn)生較大差異[4-5]。Chen等分析玉米籽粒生理特性，發(fā)現(xiàn)籽粒含水率是影響籽粒破損的關(guān)鍵因素[6-7]。賀俊林等利用試驗探究輥式摘穗裝置引發(fā)玉米果穗損傷機(jī)理與特性，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)果穗滯留摘穗輥與彈跳現(xiàn)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(diào)節(jié)液壓式摘穗板工作參數(shù)降低玉米籽粒損失[12]。付乾坤等利用輪式剛?cè)狁詈蠝p損摘穗裝置降低果穗與摘穗板的碰撞沖擊[13]。張智龍等設(shè)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(chǔ)上設(shè)計仿生摘穗裝置，實現(xiàn)玉米果穗低損收獲[15]。紀(jì)曉琦等在輥式摘穗裝置中引入激振機(jī)構(gòu)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(shù)關(guān)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(shù)原理基礎(chǔ)上，結(jié)合玉米-大豆帶狀復(fù)合種植模式田間配置特性設(shè)計兩行窄幅低損傷摘穗割臺，并對割臺結(jié)構(gòu)作理論分析和試驗驗證，得到割臺較優(yōu)參數(shù)組合。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 間套作種植模式配套機(jī)具要求

西南地區(qū)玉米-大豆帶狀復(fù)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(jī)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(jié)構(gòu)

割臺總寬1 350 mm，可完成行距300~600 mm玉米帶收獲作業(yè)，符合玉米-大豆帶狀復(fù)合種植模式配套機(jī)具要求。割臺以GY4D-2型履帶收獲機(jī)為動力底盤，整體結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、攪龍、果穗輸送帶、滅茬器、機(jī)架、機(jī)體覆蓋件和傳動系統(tǒng)等組成。

圖2 割臺整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of corn header

1.3 割臺主要技術(shù)參數(shù)

綜合考慮玉米-大豆帶狀復(fù)合種植模式配套收獲機(jī)具要求，參照玉米收獲機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，割臺主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 單鏈撥禾裝置設(shè)計

農(nóng)藝要求割臺整體幅寬限制在1 600 mm以內(nèi)。因此，設(shè)計一種單鏈撥禾裝置，其結(jié)構(gòu)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(shù)：撥禾齒傾角α、撥禾齒間距l(xiāng)1、撥禾齒長度l2、撥禾輪中心距l(xiāng)3、蝸輪蝸桿傳動比i。為使撥禾輪轉(zhuǎn)速在拉莖刀輥1 000 r·min-1時達(dá)到250 r·min-1，取蝸輪蝸桿傳動比i為4.5；撥禾齒間距l(xiāng)1應(yīng)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l(xiāng)1為240 mm；撥禾齒長度l2應(yīng)超過摘穗板間間隙三分之二，根據(jù)模型尺寸，取撥禾齒長度l2為65 mm；為使割臺結(jié)構(gòu)更緊湊，撥禾輪中心距l(xiāng)3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(shù)。

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

輕簡優(yōu)化設(shè)計齒輪箱，單鏈撥禾裝置齒輪箱較常規(guī)兩行割臺齒輪箱體積縮減62.4%、質(zhì)量減輕51.9%，箱內(nèi)大小錐齒輪傳動比為1.933。

撥禾鏈轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)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(tài)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(yīng)滿足：

式中，v1-撥禾鏈線速度（m·s-1）；v-收獲機(jī)前進(jìn)速度（m·s-1）。

2.2 低損傷摘穗裝置設(shè)計

2.2.1 摘穗板間間隙自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

根據(jù)玉米莖稈與摘穗板接觸直徑變化特點設(shè)計摘穗板間間隙自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，原理如圖6所示。

圖6 摘穗板間間隙自動調(diào)節(jié)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(jié)穗處莖稈和穗柄直徑，得到結(jié)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(zhuǎn)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(chǎn)生作用，所以摘穗板受力為：

式中，M-莖稈所受轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動角速度ω為：

要使摘穗板正?；瑒樱瑧?yīng)滿足：

彈簧作用力滿足：

根據(jù)割臺結(jié)構(gòu)尺寸，彈簧壓縮距離應(yīng)<20 mm，取k=10 N·mm。彈簧在摘穗過程中受到循環(huán)沖擊次數(shù)應(yīng)在106次以上，屬于Ⅰ類沖擊載荷，根據(jù)需求選用B級彈簧。

2.2.2 懸臂式摘穗板

根據(jù)摘穗板間間隙調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計懸臂式摘穗板結(jié)構(gòu)。摘穗板采用3 mm薄鋼板懸臂梁設(shè)計，在摘穗板表面鋪設(shè)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(chǎn)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(jù)卡氏第一定理[18]，力矩M2可表示為：

式中，Vε-轉(zhuǎn)角σ的應(yīng)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(dāng)摘穗力矩一定時，適當(dāng)減小摘穗板長度，可控制摘穗板轉(zhuǎn)角在小范圍內(nèi)變動，有利于降低摘穗板與滑移螺栓疲勞強(qiáng)度，提高摘穗裝置可靠性。

2.3 刀輥-小直徑爪式滅茬裝置設(shè)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(jù)文獻(xiàn)[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(shù)目為4個，刀輥旋轉(zhuǎn)直徑d1為95 mm。

滅茬器工作軌跡如圖10所示。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)玉米秸稈留茬高度h應(yīng)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(shè)計一種高轉(zhuǎn)速小直徑爪式滅茬器。滅茬器轉(zhuǎn)速與刀輥轉(zhuǎn)速采用1∶1比例設(shè)計，滅茬器理論設(shè)計轉(zhuǎn)速ω2為900 r·min-1，最大旋轉(zhuǎn)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(jī)具前進(jìn)，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(yè)質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 割臺機(jī)架設(shè)計

割臺機(jī)架直接與動力底盤相連，其可靠程度是割臺穩(wěn)定工作基礎(chǔ)。為避免割臺與發(fā)動機(jī)產(chǎn)生共振，利用ANSYS Workbench軟件對機(jī)架模型前6階模態(tài)求解，結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)架前6階模態(tài)振型Table 2 The first 6th modal shape of the frame

GY4D-2型收獲機(jī)配備4缸4沖程發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 600 r·min-1。發(fā)動機(jī)激振頻率為：

式中，f-發(fā)動機(jī)激振頻率（Hz）；c-發(fā)動機(jī)沖程數(shù)；n-發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（r·min-1）；i-發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)。

計算可得發(fā)動機(jī)理論激振頻率為86.67 Hz。割臺機(jī)架前6階模態(tài)振型頻率均大于0且小于發(fā)動機(jī)激振頻率，所以割臺機(jī)架不會與發(fā)動機(jī)產(chǎn)生共振，證明機(jī)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(jī)架、玉米植株輸送裝置、變頻器和控制系統(tǒng)等組成。通過變頻器調(diào)節(jié)拉莖刀輥轉(zhuǎn)速和莖稈喂入速度，通過切割莖稈長度調(diào)節(jié)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(cè)鋪設(shè)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(qū)草壩鎮(zhèn)，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(shù)Table 3 Data of experimental corn

3.2 試驗設(shè)計與方法

3.2.1 試驗設(shè)計

前期研究確定拉莖刀輥轉(zhuǎn)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(biāo)，開展3因素3水平的Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗。

3.2.2 試驗指標(biāo)

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(zhì)量WW，籽?？傎|(zhì)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(jù)GB/T 34373-2017《玉米收獲機(jī)摘穗割臺》和GB/T 21961-2008《玉米收獲機(jī)械試驗方法》的規(guī)定測量數(shù)據(jù)，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(zhì)量（g）；WS-破損籽粒質(zhì)量（g）；WZ-籽?？傎|(zhì)量（g）。

3.3 響應(yīng)曲面試驗

3.3.1 試驗因素與水平

根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果，響應(yīng)曲面試驗因素編碼水平見表4。試驗中每個組合重復(fù)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(yīng)曲面試驗設(shè)計與結(jié)果見表5。

3.3.2 試驗結(jié)果與回歸分析

通過Design-Expert 11軟件對表5數(shù)據(jù)作方差分析，結(jié)果如表6所示。

表5 響應(yīng)曲面試驗設(shè)計與結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)曲面分析

由圖12（a）可知，當(dāng)果穗距摘穗板高度為350 mm時，落粒損失率隨拉莖刀輥轉(zhuǎn)速增加呈先減后增趨勢，原因在于刀輥轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)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(jìn)一步增加，果穗堆積在摘穗板上受到撥禾鏈反復(fù)沖擊，落粒損失增大。由圖12（b）可知，當(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)速增加先減后增，原因與圖12（a）分析相同。如圖12（c）所示，當(dāng)拉莖刀輥轉(zhuǎn)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(nèi)，籽粒破損率隨拉莖刀輥轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(shù)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(diào)整至理論較優(yōu)工作參數(shù)，拉莖刀輥轉(zhuǎn)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(fù)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(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

a.通過對撥禾裝置、摘穗板間間隙調(diào)節(jié)裝置、滅茬裝置等關(guān)鍵部件作結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論分析，設(shè)計的窄幅低損傷摘穗割臺可較好解決玉米-大豆帶狀復(fù)合種植模式下玉米機(jī)械化收獲難題。

b.通過響應(yīng)曲面試驗得知，割臺在拉莖刀輥轉(zhuǎn)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(shù)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(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，滿足玉米低損收獲要求。