小型玉米秸秆收割机的仿真与试验

张涛，张锋伟，王丽娟，石林榕，戴飞，赵武云

(1.甘肃农业大学 a.农学院；b.工学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学博文学院，甘肃 兰州730101)

甘肃地区玉米种植地块比较分散，目前大部分地区玉米秸秆仍采用人工收割[1]。

针对玉米秸秆人工收割劳动强度大，生产率低，使用联合收获机和大型收割机成本高等问题，笔者设计并研制了一种小型玉米秸秆收割机，收割装置轴中心距离可根据不同行距进行调节，结构紧凑，且易于安装维修；可实现覆膜且小地块玉米秸秆的收割和铺放。利用SolidWorks 进行三维建模，通过ADMAS 对整机进行虚拟仿真，得到了各零件及整机性能的指标，并进行了田间收割试验，现将结果报道如下。

1 整机结构及主要技术参数

1.1 整机结构及工作原理

玉米秸秆收割机主要由机架、传动齿轮箱、带传动箱、绞龙、工作轴、回转式割刀、限位臂、限位轮等组成。其结构如图1 所示。

图1 小型玉米秸秆收割机结构 Fig.1 The structure diagram of small cornstalks harvester

为了使该玉米秸秆收割机结构更加紧凑，操作灵活，有较高的行距适应性，有利于提高秸秆收割质量，与拖拉机的挂接选择前悬挂方式。机组工作时，收割机随拖拉机速度行进，地轮在机具两侧限位导向，带传动箱带动扶禾器轴作顺时针旋转，扶禾器将玉米秸秆压弯并收拢到两垄之间，内旋的回转式切割器将玉米秸秆从根部割断；在扶禾器和切割器的共同作用下，玉米秸秆整体向前铺倒并成纵行排列。

1.2 主要技术参数

该机配套动力为8.83 ～13.24 kW 的四轮拖拉机，悬挂方式为前悬挂，通过皮带与拖拉机的动力结合。整机质量为168.59 kg。工作行数为2 行，适用的行距范围为350 ～800 mm。空载条件下刀片的线速度为23 ～28 m/s。

2 关键部件设计与分析

2.1 传动系统

图2 为传动系统示意图。拖拉机动力经皮带带动收割机皮带轮转动，再由链传动传递至齿轮箱Ⅰ，通过带传动将动力传递至齿轮箱Ⅱ；其中链传动的一部分动力经过带传动传递至扶禾器，进而带动扶禾器工作。

图2 玉米秸秆收割机传动系统 Fig.2 Schematic diagram of transmission system

2.2 扶禾器

扶禾器主要由轴和螺旋叶片组成。轴采用直径40 mm、长110 cm 的圆空心钢制成，利用带传动箱两侧的轴承支座和链轮内部的键槽对轴进行固定。螺旋叶片是2 段旋向相反的绞龙，绞龙的外直径为85 mm，内直径为40 mm，长为45 cm，与轴的两边对齐并通过焊接安装。在收割过程中，两边的秸秆被绞龙向前压弯且往中间收拢，被割断后的秸秆呈条状、顺垄铺放，有利于后续打捆和掰棒工作的完成[2]。

2.3 切割装置

2.3.1 切割装置及工作原理

参考圆盘式切割器的研究[3–4]，该机的切割装置主要由刀片、刀片固定座、刀片动力输出轴、轴预紧弹簧、轴套等组成，其结构如图3 所示，采用组合式刀片，刀片数为3，线速度23.0 ～28.0 m/s，割刀回转直径400 mm。切割装置的轴套之间安有预紧弹簧，使收割刀具有一定的仿形能力，其自动调整高度范围为0 ～8 cm。

图3 切割装置 Fig.3 Cutter structure

拖拉机的动力通过传动系统传递到刀轴，带动刀盘作平面回转运动，同时刀盘上的刀片实现整体回转式运动，将进入切割区的秸秆根部割断，整个玉米秸秆向前铺倒成纵行排列。

2.3.2 圆盘切割器的割刀运动和参数分析

圆盘式切割器的割刀运动是刀盘水平旋转与机器前进运动所合成的[5]。刀片某一点对地面的轨迹为余摆线，如图4 所示。刀片刃线对地面所扫过的面积为余摆带，其宽度与刃部长度相近似。

图4 刀片运动轨迹 Fig.4 Motion track of blade

刀片任意一点的位移可用方程式[6–7]表示。设刀盘中心为坐标原点O ，水平向右为X 轴，垂直外端点的位移方程如下。

第1 刀片内端a 的位移方程：

式中：r 为刀片内端半径，mm；β 为刀片内外端点对盘的连线夹角；ω 为刀盘回转角速度，rad/s；t 为刀盘转过时间；vm为机器前进速度，m/s。

向上(机器前进方向)为Y 轴。令刀盘逆时针转动，角速度为ω ，则相邻刀片各内、外端b 的位移方程：

式中： R 为刀片外端半径，mm。

刀片的内、外端点的位移方程：

式中：α 为相临刀片夹角(°)。

回转式切割器因其切割能力强，回转惯性力容易平衡，振动较小，结构简单，适合粗茎秆类作物[8]。分析研究回转式刀片的运动参数，可以合理选择和设计切割器刀片的形状，以提高切割质量和效率。

3 玉米秸秆收割机的运动仿真

3.1 参数化建模与仿真

由于ADAMS 软件的参数化实体建模功能不强，所以利用Solidworks 软件进行小型玉米秸秆收割机的三维建模，并以Parasolid(*.X_T)的格式保存数据文件。

由于三维模型在数据转换的过程中可能出现特征的分离，因此需要对零部件的分离特征进行布尔操作[9–10]，使得输入的各个构件是一个完整的零件。在ADAMS/View 中输入小型玉米秸秆收割机的模型，并添加约束和载荷，如图6 所示。通过施加约束及载荷，得到小型玉米秸秆收割机共31个可移动部件，添加的旋转副为8个，平移副1个，驱动4个，接触力2个，整机的自由度为2。

将小型玉米秸秆收割机三维模型导入ADAMS虚拟样机中进行质量参数添加、布尔运算、载荷施加后，进行总装模型的仿真分析，设置仿真时间为3.96 s，仿真步长为200 步。

图5 三维约束模型 Fig.5 The constraint of model

3.2 仿真结果与切割强度分析

小型玉米收割机刀片转动过程中，切割刀片所存储的能量即为刀轴动能，可作为检验刀片对秸秆的切断能力大小的标准，切割装置的动能分为刀轴转动动能和刀轴平动动能，如图6 所示。由图6 可知，刀轴的转动动能保持不变，为1.545×105J；刀轴平动动能满足正曲线，在机具正前方时是最大值，为149.4 J，转到两侧时为149.35 J，周期是0.1 s，刀轴任何一点的动能在正前方时大于其他位置，转轴的总动能为1.547×105J，说明刀片转到正前方时的切割能量最大，切割效果最好。

图6 刀轴动能 Fig.6 Kinetic energy of cutter shaft

在切割过程中，刀片和秸秆相互作用的时间极短且受力大，变化剧烈，很难对该力的加速度作准确测量；通过虚拟样机仿真可得到刀轴的实时冲量，刀轴的冲量如图7 所示，同样也分为转动冲量和平动冲量，其中刀轴的转动冲量保持不变，为 3 360 N·s；刀轴的平动冲量满足正曲线规律，刀轴上的任何一点转到机具正前方时为498.0 N·s，转到两侧时为497.825 N·s，周期为0.1 s。

图7 刀轴冲量 Fig.7 Impulse of cutter shaft

4 田间试验

4.1 试验条件

样机试验在兰州大学农业实验区进行。试验地为全覆膜垄播旱地，地势平坦，土壤含水率约为18%。每个试验区长约100 m，宽约30 m，总共分为5个试验区。试验地垄高20 ～28 mm，行距400 mm，株距300 mm，地膜厚度0.008～0.01 mm；玉米秸秆株高204 ～281 cm，茎粗19.52 ～38.62 mm，含水率约为25%，植株茎和叶片已经枯萎，试验在未清除地膜、杂草的条件下进行。配套动力为东方红– 200 型拖拉机，功率为 9.7 kW，作业速度为低二档，4.5km/h。

4.2 试验方法

根据有关国家标准和农业机械试验方法[11–13]，分别在全覆膜垄播旱地的5个试验区进行收割试验，测定试验区长度、机器通过时间、割茬高度、铺放角、铺层厚度、铺放合格率、收割后地表状况7个指标，考查收割机传动、割刀装置、扶禾器、液压操纵等各部分及整机的性能。割茬高度的测定是在每个测区行程方向上测定3个点，每个点1 m2范围内测量留茬高度并取平均值，再对3个测定点求总平均值；铺放角、铺层厚度的测定是每个试验区随机选取5个点，测其秸秆与机具前进方向的夹角、铺层厚度，并求其平均值。

4.3 试验结果与分析

小型玉米秸秆收割机在全覆膜垄播旱地条件下的主要性能指标见表1。

表1 小型玉米秸秆收割机在不同试验条件下的主要性能指标 Table 1 Main performance indexes of the small scale cornstalks harvester under different test conditions

结果表明：在作业过程中，5个试验区的平均工作效率为5.10 hm2/h；割茬高度一致、无漏耕、地头地边处理合理，平均割茬高度为1.76 cm，铺放角8.4°，铺放厚度4.72 cm，铺放合格率达95.59%，符合收割机械的割茬高度和铺放标准[14]，且明显优于玉米联合收货机械的铺放效果[15]。

5 结论与讨论

通过ADMAS 对虚拟样机进行模拟仿真，得到了衡量收割机切割能力的性能指标，即切割装置的动能和冲量，其值越大，说明刀盘的转速越高，刀片和秸秆相互作用的时间越短、受力极大，可以瞬间完成柔性秸秆和杂草的切割。

切割装置的绕轴转动设计，使其通过调节两切割器轴距适应不同行距秸秆的收割，其范围是350 ～800 mm；切割器轴套之间安装的预紧弹簧具有仿形能力，刀片紧贴地面，根据地形不同，作0 ～8 cm范围内的自动高度调节。

小型玉米秸秆收割机的平均割茬高度为1.76 cm，铺放合格率95.59%；机具动力强，工作效率高，可在不清除地膜和杂草的旱地条件下顺利作业，不发生缠绕、皮带打滑现象，平均工作效率是5.10 hm2/h。

该机的离合装置还有待进一步改善，以免失效或零件磨损，影响工作效率；在机身尾部设计打捆或粉碎装袋装置，更能提高玉米秸秆回收利用和整机实用性。

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