丘陵山区玉米收获机研制与应用

徐海港，张春祥，张小军，王建强

(1.山东时风(集团)有限责任公司，山东 聊城252874； 2.四川省农机化技术推广总站，四川 成都610037)

0 引言

我国人多地少，丘陵山区耕地面积占总耕地面积50%以上。然而，丘陵地区农业机械化发展缓慢，是我国农业机械化发展薄弱区域。丘陵山区地块起伏变化较大、耕地分散、破碎化程度高、道路难行、种植品种不一、长势复杂且行距不一，农机作业难度大。平原黄淮海、东北地区大规模作业的机具在丘陵山区适应性差、配套性差。国家在“十三五”期间，出台了相应研发指南和专项，重点对西北、西南丘陵山区的无机化和宜机化进行针对性开发。玉米作为丘陵山区的重要粮食作物，研发先进适用、小型智能农业机械对推进农机化发展总体进程至关重要[1-3]。围绕玉米收获机底盘适应性、通过性，以及割台低损传输、剥皮和脱离等部件高效作业和整机集成配套的研发、试验和推广工作，是农机人的使命和职责。新型样机研发已成为丘陵山区实现机械化、加快东西部融合和推进乡村振兴战略实施的当务之急。

1 设计原则

轻便型两行玉米自走式联合收获机，要求能够适应山地不平整、坑洼作业工况。通过充分市场调研，认真分析国内外各类联合收获机收获、作业及四轮驱动底盘特点，结合丘陵山区作物种植特点，经分析，为开发专用型玉米联合收获机，全面提升产品适应性，整机设计遵循以下原则与方法[4-5]。

(1)适应丘陵地区使用的液压四轮驱动底盘技术，提高在山地不平整地面上的通过性能，操作灵便，适应性强。

(2)运用有限元分析方法建立割台、脱粒滚筒的理论力学模型，揭示无序植株和低损收获的作用机理。

(3)运用有限元分析手段研究丘陵山区特殊的种植环境和自然条件载荷变化规律、玉米秸秆弯曲度参数和收获机行驶速度与秸秆导入之间的关系，优化结构及运动参数，确定割台、剥皮机和滚筒等结构形式。

(4)通过研究低倾角、高效、低损玉米收获技术，开发低损割台，研究低损伤剥皮技术，开发柔性低损剥皮机。采用新型试验方法对低倾角高效低损割台、低损伤剥皮破碎率和损失率进行测试。

(5)集成开发适合丘陵山区的智能化玉米收获机，通过产品台架及大田可靠性试验，完成结构优化，进行试验示范，大幅提高收获机的作业效率。

2 整机结构与工作原理

2.1 整机结构

时风集团自主研发的新型两行剥皮式玉米联合收获机如图1所示。收获机主要机构包括割台、横向输送系统、前过桥、操纵台、后驱操纵手柄、后升运器、后驱机构、驾驶棚、后过桥、发动机、滑板组合、剥皮机、机架总成和粮箱。

1.割台 2.横向输送系统 3.前过桥 4.操纵台 5.后驱操纵手柄 6.后升运器 7.后驱机构 8.驾驶棚 9.后过桥 10.发动机 11.滑板组合 12.剥皮机 13.机架总成 14.粮箱图1 两行剥皮式玉米联合收获机Fig.1 2-row debarking corn combine

2.2 工作原理

玉米收获机工作过程中，玉米植株进入两扶禾器中间后，玉米茎秆首先与拨禾链接触，在拨禾链的拨齿强制作用下向后运动，同时在2个相对转动的拉茎辊作用下向下运动，该过程玉米果穗通过摘穗板的作用被摘下。果穗被上割台的输送链拨送到上割台后部的果穗收集输送器，由收集输送器将果穗送入果穗升运器，再通过升运器将果穗输送到剥皮机前的横向输送器，由横向输送器分流经剥皮机剥皮后，滑落到果穗箱，实现果穗收获[6-8]。果穗从植株上被摘下的同时，位于拉茎辊下方的转子铣刀在切向力作用下将茎秆切断，被切断的茎秆进入茎秆收集输送器，茎秆收集输送器将切断的茎秆往中间收拢，然后通过安装有具有不同齿形的单层多辊输送装置，茎秆被强制喂入到切碎抛送器。

3 关键部件设计

3.1 不分行低倾角低损玉米摘穗系统

3.1.1模型建立

玉米茎秆受到力F后，会绕着质心转动一定的角度，如图2所示。根据螺旋辊在不同结构段对玉米的作用力，分析玉米秸杆和穗的运动及受力情况，如图3所示，图中1、2、3分别为拉茎段、摘穗段和导流锥。根据运动参数，可建立玉米作物模型和玉米割台模型(图4)。

图2 玉米茎秆传输变化Fig.2 Corn stalk transmission

图3 螺旋辊在不同结构段对玉米作用力示意Fig.3 Force of screw roller on corn in different structural segments

图4 玉米作物模型和玉米割台模型Fig.4 Corn model and header model

为实现不分行喂入，开发了新型喂入装置，导禾链外侧均匀分布有导禾齿；在短摘穗辊内侧，喂入、摘穗装置骨架前端安装2组蜗轮蜗杆传动机构总成，上面安装2组旋向相反的拨禾轮；拨禾轮与外侧的拨禾链相互配合将玉米秸秆喂入到摘穗辊之间。此结构有效解决了目前市场上主流拨禾轮式和拨禾链式结构存在漏摘、抗倒伏性差和对行收获受限的问题。

基于理论力学分析和虚拟仿真，创新设计了如图5所示的组合式摘穗辊，包括拉茎段、摘穗段、调心轴承座、导流段、间隙调节丝杆和摘穗辊间隙调节座等结构。前段为单头螺旋线型，螺旋升角较大；后段为多头间断螺旋线型，螺旋升角较小，并带有摘穗扣。组合型摘穗辊将原来的导流锥、摘穗段和拉茎段创新设计为导流段(相当于原导流锥+1/2摘穗段)、摘穗段和拉茎段，加长原导流锥，缩短摘穗段和拉茎段，增强了摘穗辊前一段的输送能力，其任务是将玉米迅速顺利地输送到喂入口，而尽量不进行摘穗，其后半段与多螺旋辊相同，摘穗能力较强，使玉米穗能在此段被集中迅速摘下，以减少玉米穗与摘穗辊的接触时间，减少落粒损失。

图5 组合型摘穗辊Fig.5 Combination type ear picking roller

夹持输送装置是收获机的重要组成部分，玉米植株由导禾链强制拔入夹持链，在夹持的同时，切割器把玉米植株切断，被切断的植株在夹持链作用下向后输送，直至喂入摘穗辊。

3.1.2参数计算

(1)导禾链速度。

影响导禾链速度的因素有导禾链关倾角、张角及机组前进速度，为了不使机组前进时推倒茎杆，导禾链的水平纵向分速度应大于机组前进速度，即

Vby=Vbcosαcosβ>V

(1)

式中Vby——导禾链水平纵向分速度，m/s

Vb——导禾链速度，m/s

α——张角，(°)

β——倾角，(°)

V——机组前进速度，m/s

由式(1)可知，当机组前进速度V=0.886 m/s时，有Vby>0.886 m/s，因此确定导禾链速度Vb=1.82 m/s。

(2)夹持链速度。

夹持链速度应与机组前进速度和摘穗辊速度相结合，如夹持链线速度低于机组前进速度，可能产生将玉米植株拔出现象。为使机组正常摘穗，夹持链上植株间距应大于未割植株间距，才可以保证相邻茎杆不干涉，即夹持链水平速度大于机组前进速度，如式(2)所示。

Vncosβ>V

(2)

式中Vn——夹持链速度

夹持链速度过大会加剧链条磨损，一般夹持链速度与机组前进速度之比为2.00～3.14为宜，因此确定夹持链速度Vn=2.66 m/s。

(3)夹持输送所需功率。

功率消耗由链条夹持克服摩擦力、玉米茎杆垂直升高和水平输送3部分消耗功率组成。计算方法如式(3)所示。

(3)

式中Nj——夹持输送所需功率，kW

f——摩擦系数

PZ——夹持力，N

Q——生产率，kg/h

H——茎杆垂直升高距离，m

K——夹持链速度与机组前进速度之比

q0——链条质量，kg/m

l0——夹持链上茎杆长度

计算可得Nj=2.0 kW。可见设计的结构功率消耗小,满足设计要求。

3.2 果穗横输送系统

从结构简单、安全可靠和功率消耗低且玉米尚未完全剥皮的角度考虑，采用刮板式横输送器，因倾斜角度为0，故采用矮刮板(h=15 mm)。主参数的选择，按玉米果穗的外形尺寸及设计生产率Qs=9 570 kg/h要求，设计最后一组摘穗装置与果穗升运器间距很小，因此取刮板高度B=0.284 m，刮板实用高度h=30 mm，刮板速度V=1.1 m/s。

生产率按式(4)计算。

Q=3 600BVrKh

(4)

取K=1，计算可得Q=15 183 kg/h，结果符合设计要求。

功率消耗按式(5)计算。

(5)

取升运高度H=0，输送器水平投影长度L=1.05 m，阻力系数W=1.2，生产率Qs=9 570 kg/h，计算可得Ns2=0.036 kW。

3.3 低损剥皮技术及装置

通过分析玉米果穗与剥皮辊的剥皮原理、受力关系，以及导致苞叶剥不净、磕籽粒、漏粮和磨损快等问题的诸多因素，研究两行自走式玉米收获机剥皮系统，开发设计了剥皮系统。剥皮机框架上设置成对剥皮辊，剥皮机框架安装有剥皮机一轴，剥皮机轴传动连接有剥皮辊和压送器，剥皮机轴通过锥齿轮副驱动剥皮辊，剥皮辊由传动齿轮副传动，实现剥皮辊两两相向转动，辊间配合紧密。剥皮辊上设置有橡胶深螺旋构件，剥皮机框架一端固定铰接有前铰支销，剥皮机框的另一端铰接有活动铰支后铰支销；剥皮机框架通过后铰支销与升降装置铰接。橡胶深螺旋构件包括橡胶输送螺旋，橡胶输送螺旋的外表面上固定设置有硬性材料制成的弧形块。弧形块上固定设置有辅助剥皮构件，可有效降低籽粒损失率和破损率。

采用全橡胶花瓣辊与螺旋辊组合及新型胶辊摩擦系数高的材料，撕下苞叶能力强，可增大剥净率。科学设定剥皮参数，剥皮辊转速360 r/min，采用星轮压送器，转速90 r/min，剥皮辊采用小倾角，可减少因剥皮严重导致的籽粒破损、籽粒损失，适宜过干或过湿的苞叶情况，同时解决了剥皮机前端易堵塞的问题。

果穗进入剥皮机后，相向转动的两根辊会把苞叶扯下送入剥皮机下部的排杂装置中，果穗受重力作用和压送器作用，下行从剥皮机输出，进入粮仓，从而完成剥皮工作。经测试，剥皮装置连续工作40 h未发生堵塞情况。剥皮装置(图6)实现了剥皮辊工作角度可调，极大增强了剥皮机对丘陵山地不同区域不同品种玉米的适应能力，提高了剥皮效率。

3.4 四轮驱动系统

利用联合收获机原有高强度变速箱加长I轴提供动力源，并实现动力输出。驱动系统主要包括驱动底盘、前桥、变速箱、变速箱I轴、双排链条、调速换向传动箱、前万向传动轴、中传动轴和后万向传动轴。通过双排链条与调速换向传动箱的动力输入轴连接，经过调速换向传动箱转速配比和动力换向后，由其动力输出轴将动力传出。然后经前万向传动轴、中传动轴和后万向传动轴传向专用后驱动转向桥，为防止后轮直接使用前轮驱动，后万向传动轴通过内花键联轴器与专用后驱动转向桥连接。

为增大前后轮胎的附着系数，分别采用23.1-26驱动高花轮胎和12.00-18转向高花轮胎。选用优质65Mn钢材为原材料的前桥焊合，经高速焊接后与高强度变速箱相配合使用，降低了故障率，增加了整车稳定性。专用后驱动转向桥壳体采用铸钢结构，既增加后桥强度和刚度，又保证了其他传动件的平稳性。变速换向传动箱和专用后驱动转向桥全部采用密封结构，可减少恶劣工作环境对后桥可能造成的损坏。四轮驱动装置如图7所示。

1.驱动高花轮胎 2.驱动底盘 3.前桥焊合 4.高强度变速箱5.高强度变速箱I轴 6.双排链条 7.调速换向传动箱 8.前万向传动轴 9.中传动轴 10.后万向传动轴 11.内花键联轴器 12.专用后驱动转向桥 13.转向高花轮胎图7 四轮驱动装置Fig.7 Four-wheel drive unit

为方便控制后轮是否驱动，联合收获机四轮驱动装置加装了后轮驱动离合机构。具体设计为在调速换向传动箱内设置离合机构，经离合支臂、离合拉杆等零部件连接，可在驾驶室内直接操纵离合手柄接合或分离专用后驱动转向桥的动力传递。调速换向传动箱的具体结构包括安装于动力输入轴上的第一伞齿轮以及传动轴上与其啮合的第二伞齿轮，第二伞齿轮的传动轴上还装有传动齿轮，调速换向传动箱的输出轴上有滑移齿轮，能与传动齿轮啮合，能够方便地使动力传出，且输出速度配比合适。特别是通过调速换向传动箱进一步调整输出速度，能够使后轮与前轮的线速度基本相同。该结构在田地环境较好时，使用前轮驱动；在路况不好的道路上行驶或在泥泞的田地里作业时，可切换到四轮驱动，以保证收获机的正常行驶或正常作业，解决了单独前轮驱动的弊端。

调速换向传动箱结构合理、操作方便、转向灵活且传动平衡。齿轮采用大模数设计，大大增强了齿轮的抗冲击能力，降低了调速换向传动箱故障率。四轮驱动离合、变速换向传动箱示意如图8所示。

1.离合支臂 2.离合拉杆 3.滑移齿轮 4.离合手柄 5.传动齿轮 6.传动轴 7.动力输入轴 8.第一伞齿轮 9.第二伞齿轮 10.动力输出轴图8 四轮驱动离合、变速换向传动箱Fig.8 Clutch and variable speed reversing transmission box

3.5 整机集成

按照模块化开发思路，首先完成四驱底盘匹配，包括动力、传动、驱动和行走部件的整体设计及开发，在此基础上加装割台、果穗横向输送器、升运器、剥皮机和粮仓等作业部件。按照CAN通讯的要求，完成总线设计及各智能化元件的装配、调试等，包括发动机OBD、故障预警、操作手柄、仪表、智能终端和人机交互平台等，基于CAN总线，加装割台高度、速度和摘穗损失等多种传感器，实现玉米收获智能控制。最后加装模块化驾驶室及附件集成，完成4YZP-2H型自走式玉米收获机整机开发。

4 田间试验

样机加工完成后，依据相应试验方法，在山西吕梁、四川绵阳等地进行了样机可靠性试验[9-10]。经测试，在玉米籽粒含水率17.2%、植株倒伏率4.7%、果穗下垂率12.7%和最低结穗高度1 042 mm的作物状态下，样机实现了不对行收获、低倾角喂入，损失率低，故障间隔100 h以上，籽粒破碎率0.8%，苞叶剥净率93.8%，玉米收获基本无遗漏。样机田间试验如图9所示。

图9 田间试验Fig.9 Field trial

样机目前已批量生产，累计销售500余台，深受当地农机主管部门和用户的青睐与好评。

5 结论

(1)设计了新型两行剥皮式玉米联合收获机，主要机构包括割台、横向输送系统、前过桥、操纵台、后驱操纵手柄、后升运器、后驱机构、驾驶棚、后过桥、发动机、滑板组合、剥皮机、机架总成和粮箱等。

(2)开展样机田间试验，结果表明，在玉米籽粒含水率17.2%、植株倒伏率4.7%、果穗下垂率12.7%和最低结穗高度1 042 mm的作物状态下，样机实现了低倾角喂入、不对行收获，收获损失率低，籽粒破碎率0.8%，苞叶剥净率93.8%，样机故障间隔100 h以上，玉米收获基本无遗漏。