0 引言

玉米是我國第一大糧食作物,總的種植面積約為1 249. 35km2.隨著科學技術進步,玉米已成為食品、化工、飼料、能源等領域的重要原料,其綜合利用價值不斷提高.2012 年,全國玉米產量為20 812 萬 t,占全國糧食總產量的 35. 3% .由于目前國內的玉米收獲機普遍存在收獲損失大、清潔度低的問題,加上不同的地域地區種植行距的不規范和多樣性,導致玉米收獲機對行距的適應性較差,難以大面積推廣.因此,為了保證糧食更快更好地實現機械化收獲,只有對機械結構進行最優化設計,才能提高作業質量和效率,節約勞動時間,達到最佳收獲條件.

目前,我國玉米收獲機械不成熟,很多作業質量問題得不到解決,原因之一是玉米收獲割臺設計不夠合理,作業性能不理想: 籽粒的損傷率普遍較高,摘穗輥經常發生阻塞現象,給農機生產部門和廣大農民帶來困擾.為此,根據玉米收獲割臺存在的主要問題,進行整體與部件的優化設計,以實現玉米機械收獲摘穗作業的高質高效.

1 整機的設計要求

該機器用于分段收獲,完成對玉米的摘穗、輸送、收集.其收獲過程中應滿足農業技術要求,盡量減少玉米穗的損失和損傷,籽粒損失率不大于 2% ,果穗損失率不大于 3% ,籽粒破碎率不大于 1% ,果穗清潔率不小于 95% ,機器可靠性在 90% 以上.

2 割臺結構參數與工作原理

2. 1 割臺結構

割臺主要用于完成摘穗作業及輸送玉米穗進入升運器中.割臺由臥式摘穗輥、安全罩、扶禾器、傳動機構、第1 輸送器及割臺框架等組成,如圖1 所示.割臺采用臥式摘穗輥裝置,配合升運器完成玉米收獲的摘穗輸送作業,升降采用液壓控制.

2. 2 工作原理

割臺的工作原理: 進行田間作業時,首先通過液壓裝置調整玉米割臺的角度,角度視玉米品種和玉米穗的結果高度而定,一般與水平線所形成的夾角為35° ~ 40°.隨著機器的前進,扶禾器將玉米莖稈扶正,并通過其上的撥禾鏈將莖稈引入雙摘穗輥之間的間隙,摘穗輥的前端即導錐部分引導玉米莖稈進入摘穗輥中段,莖稈一邊沿著軸線方向運動,一邊在摘穗輥拉力的作用下向下運動.因此,當穗柄被摘穗輥阻擋時,莖稈仍然被摘穗輥作用而向下拉,當作用力足夠大時,穗柄與果穗之間的部分被拉斷,果穗被摘離,并在自身重力作用下進入升運器,最終在刮板的輸送作用下,沿著升運器最終到達收集裝置.

2. 3 傳動部分的設計

割臺的傳動從割臺中間傳動軸開始,通過鏈條向前傳動,從中間傳動軸上的兩個鏈輪分別通過鏈條連接兩側割臺的變速箱.其中,由左側的變速箱所延伸出的傳動去往 3 個方向: ①通過連接軸連接左側撥禾鏈傳動箱; ②牽引左側的摘穗輥進行對輥式轉動完成摘穗作業; ③通過鏈輪連接第 1 升運器,完成摘穗后的輸送作業.然后,同軸連接升運器右側的鏈輪向前傳動,連接中間撥禾鏈傳動箱,傳動箱向上接主動鏈輪,帶動撥禾鏈運動,完成引導玉米莖稈進入摘穗輥的任務.同樣,右側變速箱使右側摘穗輥完成摘穗作業,并通過連接軸連接右側撥禾鏈傳動箱,帶動右側撥禾鏈完成對玉米莖稈的撥和牽引任務.割臺傳動示意圖如圖 2 所示.

2. 4 主要結構參數

外形尺寸割臺總長×寬×高/mm×mm×mm: 1 700×1 500 ×675
割臺總質量/kg: 200
收獲行數/行: 2
適應行距/mm: 450 ~650
配套功率/kW: 33
割臺升降方式: 液壓升降
摘穗輥形式: 臥式.

3 關鍵部件設計

3. 1 臥式摘穗輥

臥式摘穗輥用于站稈摘穗的收獲模式,主要由一對相對回轉的摘穗輥、傳動機構、摘穗輥間隙調節機構等組成.摘穗輥軸線平行,為了使玉米穗盡快被摘下,便于輸送,存在約 35mm 的高度差.摘穗輥主要分為 3 段: 導錐、摘穗段、強拉段.導錐附帶螺紋便于將玉米莖稈引入摘穗輥; 摘穗段上有螺紋凸棱,螺距為165mm,凸棱高度約為 10mm,起到摘穗作用; 強拉段是將莖稈的末梢部分或已經拉斷的玉米莖稈,強行從間隙拉出或咬斷,防止堵塞.采用臥式摘穗輥,主要是由于在工作過程中對玉米莖稈的壓縮程度較小,功耗相對較少,并且對不同品種的玉米莖稈,具有較好的適應性.臥式摘穗輥的示意圖如圖 3 所示.

3. 1. 1 摘穗輥直徑和工作間隙的選擇

摘穗輥直徑和工作間隙是根據摘穗輥在工作過程中只抓取莖稈,而不抓取果穗而確定的.因此,兼顧兩者所要求的摘穗輥的直徑為

式中 dgmin-果穗大端最小直徑\\( mm\\) ;
hmax-摘穗輥的最大工作間隙\\( mm\\) ;
fg-摘穗輥對果穗\\( 帶苞葉\\) 的抓取系數,
fg≈f= 0. 7 ~ 1. 1;
D-摘穗輥直徑\\( mm\\) ;
d-莖稈直徑\\( mm\\) ;
h-摘穗輥間隙\\( mm\\) ;
f-摘穗輥對莖稈的抓取系數.

摘穗輥之間的間隙約為莖稈直徑的 30% ~ 50% ,可得 72mm≤D≤100mm.本設計中摘穗輥的直徑選用 75mm,摘穗輥的間隙為 10mm.在理想范圍之內,符合設計要求.摘穗輥的調節靠調節軸承完成,在導錐與摘穗段之間裝有調節軸承,需要調整摘穗輥之間間隙時,通過松動和旋緊螺栓,來左右移動調節軸承,完成摘穗輥間隙的調整.

3. 1. 2 摘穗輥工作長度

摘穗輥的工作長度為
L = lcosβ \\( 2\\)
式中 L-摘穗輥的工作長度\\( mm\\) ;
l-被拉過莖稈的長度\\( mm\\) ;
β-摘穗輥與莖稈軸線的夾角\\( °\\) .

本設計中,l 值取1 000mm,β 取50°,工作長度 L =1 000cos50°= 643mm,取 650mm.所以,摘穗輥總的長度 L =900mm.

3. 1. 3 摘穗輥線速度的選擇

臥式摘穗輥線速度的選擇與摘穗質量和生產率要求有關,在對臥式摘穗輥的選擇中,線速度與機器的前進速度存在函數關系為

式中 C-比例系數;
vm-機器前進速度\\( km/h\\) ;
v0-摘穗輥的線速度\\( m/s\\) ;
β-摘穗輥與水平面的夾角\\( °\\) .

通過設計試驗,自變量取機器前進速度\\( km/h\\) ,因變量取果穗損失率\\( % \\) 和摘穗輥線速度\\( m/s\\) ,將試驗結果記錄并運用 SPSS 軟件繪制線形圖,如圖4 所示.

從圖4 中可以看出: 當機器前進速度增加時,摘穗輥的線速度相應增加; 果穗的損失率與機器的前進速度大致呈二次函數關系,隨著機器前進速度的增加,果穗的損失率先降低后又增加.由于玉米收獲的要求是果穗損失率不高于 3% ,因此機器作業速度為 6 -8km / h,摘穗輥線速度為 2. 5 ~ 3. 5m / s 時收獲最為理想.

3. 2 升運器的設計

玉米穗的輸送方式采用鏈條輸送,原理是在鏈條上固接刮板,通過刮板對玉米穗的推送作用完成玉米穗的輸送.升運器的設計如圖 5 所示.

升運器主要是由第 1 和第 2 升運器組合而成,第1 升運器底部固定在割臺支架上,可以隨著割臺角度的調整而繞著中心軸轉動; 第 2 升運器也是通過連接軸與第 1 升運器相接,可以隨著割臺的升降而上下移動.第 1 升運器的槽口焊接果穗擋板,擋板具有一定斜度,主要作用是及時將摘下來的果穗匯集到升運器中,便于及時輸送.該升運器設計緊湊,避免了因復雜的傳動而引起的功率消耗,更加實用.

4 玉米收獲機的安裝與調整

整機安裝前應檢查各部件是否丟失或損壞,檢查完畢后方可進行安裝.安裝步驟嚴格按照實用說明書進行.

1\\) 兩側割臺的傳動箱安裝在割臺箱座上,并分別用 4 個螺栓固定; 保證傳動箱的輸入鏈輪與割臺中間軸輸出鏈輪對齊,保證鏈輪在同一平面內運轉; 割臺上撥禾鏈輪在同一平面內,同時調整張緊鏈輪,使鏈條松緊度適中.

2\\) 升運器通過駕駛室的方孔穿過駕駛室,第 1 升運器鉸接在割臺機架上,能夠繞中心軸轉動; 第 2 升運器安裝在后支架上.

3\\) 機器安裝完成后,檢查各緊固件是否已緊固;變速箱加足潤滑油,操控液壓裝置,升降摘穗割臺,使其能夠在調節范圍內任意調節; 將機罩裝在各自相應的位置上,安裝必須牢固、可靠,起到安全防護作用.

4\\) 開動機器進行低速運轉,觀察有無異常情況若無異常,低速運轉 15min 后,轉入高速運轉 15min,確保無任何異常,方可進入田間進行試驗.

5 結論

本設計是基于我國河南、山東等地區玉米的種植模式和農藝要求的基礎之上,適應我國特殊的國情以及考慮到玉米種植農戶的實際購買能力的條件之下而設計的.通過三維建模、理論計算和田間試驗最終確定方案.通過調查田間玉米品種設計摘穗輥的形狀、尺寸、間隙以及傳動方式,通過液壓調節割臺升降,符合農民實際生產的需要; 升運器的設計使之與摘穗輥之間形成緊密配合,并且升運器可以隨著割臺進行升降,使整體工作過程更加流暢.本設計能夠較好的完成收獲任務,并且能夠達到各項指標; 但是雖然機器在設計的過程中理論依據正確,但不可避免地還會存在設計時沒有想到的情況,整體結構可能也會存在不合理的地方.例如,機架的連接和固定,傳動裝置的空間分配,還有機器的整體布局等方面還需要進一步完善.

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