玉米收獲機(jī)板式割臺(tái)參數(shù)分析

郭春芳，郭金躍，趙秀全

（1．山西省太谷縣農(nóng)機(jī)局，山西 太谷030800；2．山西省太谷縣經(jīng)貿(mào)局，山西 太谷030800）

玉米在農(nóng)牧業(yè)發(fā)展及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化中用途最為廣泛，玉米種植面積在農(nóng)作物種植中位居之首，當(dāng)前玉米已成為發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。而玉米收獲作業(yè)的工作量在整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占居了很大比重，因此加速實(shí)現(xiàn)玉米收獲機(jī)械化是推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、推進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)、推進(jìn)小康社會(huì)建設(shè)的一項(xiàng)十分重要的工作。但是從我國(guó)近年來(lái)推出的眾多機(jī)型的玉米收獲機(jī)推廣應(yīng)用的實(shí)際效果來(lái)看有關(guān)性能指標(biāo)還很不理想，斷莖、夾帶、損傷、堵塞比較嚴(yán)重。

割臺(tái)是玉米收獲機(jī)的核心部件［1］，割臺(tái)技術(shù)參數(shù)選擇確定又是提高玉米收獲機(jī)技術(shù)水平的關(guān)鍵之關(guān)鍵。目前為止，我國(guó)設(shè)計(jì)研發(fā)的玉米收獲機(jī)相關(guān)參數(shù)的選擇還僅僅是以田間試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，因而造成機(jī)型的地區(qū)局限性和對(duì)象局限性。為了更好地促進(jìn)玉米收獲機(jī)的升級(jí)換代和普及應(yīng)用，本文作者在參與多項(xiàng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)基礎(chǔ)上加以整理提煉，本著理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則，試＋圖利用建立數(shù)學(xué)模型的手段求出玉米收獲機(jī)板式割臺(tái)撥禾線(xiàn)速度和拉莖線(xiàn)速度的最佳參數(shù)點(diǎn)，以供同仁參考應(yīng)用。具體分析、計(jì)算如下。

1 板式割臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

玉米收獲機(jī)板式割臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由分動(dòng)箱、撥禾鏈、摘穗板和摘穗輥組成。

圖1 玉米收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig．1 Corn harvester cutting platform structure

其基本工作原理是機(jī)器的動(dòng)力通過(guò)分動(dòng)箱分解成兩個(gè)方向的傳動(dòng)，在作業(yè)平面上由一對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)的鏈輪驅(qū)動(dòng)一對(duì)撥禾鏈完成撥送植株的任務(wù)，在機(jī)器行進(jìn)的方向上由一對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)的動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)的拉莖輥完成向割臺(tái)下方拉莖的任務(wù)［2］。

在撥禾鏈和拉莖輥中間的作業(yè)平面上，布置有一對(duì)對(duì)應(yīng)的摘穗板，用來(lái)完成摘下玉米果穗的任務(wù)。

機(jī)器在向前行進(jìn)的過(guò)程中，分禾角自然插入玉米植株之間，將植株分撥到分禾角的兩側(cè)，并隨著分禾角的前進(jìn)玉米植株分別靠在分禾角兩側(cè)向后滑移，隨及進(jìn)入導(dǎo)禾區(qū)，進(jìn)入導(dǎo)禾區(qū)的植株在撥禾鏈撥齒的撥動(dòng)作用下，玉米植株被強(qiáng)制撥入一對(duì)摘穗板之間。

在摘穗?yún)^(qū)內(nèi)工作機(jī)構(gòu)由三個(gè)工作層面聯(lián)動(dòng)完成三個(gè)作業(yè)動(dòng)作。一方面撥禾鏈撥齒繼續(xù)向后撥送玉米植株，與此同時(shí)導(dǎo)入錐將植株引入一對(duì)拉莖輥之間，植株在一對(duì)拉莖輥的作用下強(qiáng)制向下拉動(dòng)植株，在向下拉動(dòng)的同時(shí)玉米果穗被一對(duì)摘穗板擋住，玉米果穗與莖桿之間產(chǎn)生了分離應(yīng)力，果穗從莖桿上摘下，并被向后運(yùn)動(dòng)的撥齒帶入攪龍輸送器，摘穗后的植株被拉莖輥拉回地面，這一過(guò)程為板式摘穗割臺(tái)的摘穗過(guò)程。如圖2、圖3。

圖2 摘穗機(jī)構(gòu)工作原理圖Fig．2 Harvesting body works

圖3 拉莖摘穗原理Fig．3 Harvesting stem pull princture

2 板式割臺(tái)的基本參數(shù)分析

2．1 撥禾鏈線(xiàn)速度的理論分析

當(dāng)收獲機(jī)以Vj速度向前行駛時(shí)，玉米植株相對(duì)于機(jī)器向相反方向以Vb速度移動(dòng)，此時(shí)植株是穩(wěn)定的沒(méi)有傾倒的作用力，也就是說(shuō)撥禾齒在平行于機(jī)器行進(jìn)方向的線(xiàn)速度等于機(jī)器行進(jìn)速度時(shí)能夠最好地保持作物的穩(wěn)定性。

對(duì)此要保持作業(yè)時(shí)植株受到的沖擊力最小，就必需達(dá)到撥禾鏈在平行于機(jī)器行進(jìn)方向的速度等于機(jī)器的行進(jìn)速度［3］。由此得出撥禾鏈的最佳線(xiàn)速度

（α為機(jī)器行進(jìn)方向與導(dǎo)入部分撥禾鏈運(yùn)動(dòng)方向的夾角）。該夾角一般為20°～25°。也就是說(shuō)如果機(jī)器在Vj速度下作業(yè)，那么撥禾鏈的線(xiàn)速度應(yīng)為；

一般情況下玉米收獲時(shí)的常用作業(yè)速度為快二檔中油門(mén)，這時(shí)的作業(yè)行走速度在6．7km·h－1左右，我們這時(shí)選擇了1．1km·h－1，最終得出撥禾鏈的撥禾線(xiàn)速度為；

式中：Vb——撥禾鏈的最佳線(xiàn)速度

Vj——收獲機(jī)速度

2．2 拉莖輥線(xiàn)速度的理論分析

根據(jù)板式割臺(tái)［4，5］的工作原理玉米植株在撥禾鏈的撥送下沿摘穗板的間隙向相反于機(jī)器行進(jìn)方向滑移，那么拉莖線(xiàn)速度與拉莖輥有效長(zhǎng)度、撥禾鏈速度以及玉米植株通過(guò)拉莖輥的長(zhǎng)度有關(guān)，它們之間的關(guān)系為：

式中：HVb－玉米植株通過(guò)拉莖輥的長(zhǎng)度（通過(guò)抽樣測(cè)定一般玉米植株高度為2．0～2．5m、割臺(tái)作業(yè)時(shí)的離地高度一般為0．3～0．5m）

L－拉莖輥有效長(zhǎng)度（根據(jù)綜合性能試驗(yàn)一般取650～800mm）。

3 板式割臺(tái)田間試驗(yàn)曲線(xiàn)

3．1 撥禾線(xiàn)速度試驗(yàn)對(duì)比

試驗(yàn)條件：

Vl＝6．3m·s－1

Vj＝6．m·s－1

H＝2．5m

割臺(tái)作業(yè)高度＝500mm

植株含水率＝18%

試驗(yàn)結(jié)果分析：

如圖4，撥禾線(xiàn)速度與兩個(gè)指標(biāo)有關(guān)，一個(gè)是玉米植株的倒伏率，一個(gè)是斷莖率［4］。從圖4中顯示的結(jié)果可以看出當(dāng)撥禾速度小于1．2m·s－1時(shí)植株的倒伏率幾乎是100%，當(dāng)撥禾速度大于2．8 m·s－1時(shí)斷莖率又幾乎是100%。因此得出當(dāng)：Vl＝6．3m·s－1、Vj＝6．7km·h－1、H＝2．5m、割臺(tái)作業(yè)高度＝500mm、植株含水率＝18%時(shí)撥禾線(xiàn)速度取2．0～2．2m·s－1是最佳參數(shù)。這一結(jié)果與上面的理論推導(dǎo)結(jié)果2．05m·s－1是相一致的，因此我們得出板式割臺(tái)第一個(gè)重要參數(shù)板式割臺(tái)撥禾鏈作業(yè)線(xiàn)速度Vb＝2．0～2．2m·s－1

圖4 撥禾線(xiàn)速度試驗(yàn)圖Fig．4 drawing speed wo

3．2 拉莖線(xiàn)速度試驗(yàn)對(duì)比

試驗(yàn)條件：

Vb＝2．05m·s－1

Vj＝6．7km·h－1

H＝2．5m

割臺(tái)作業(yè)高度＝500mm

植株含水率＝18%

如圖5，拉莖輥線(xiàn)速度與兩個(gè)指標(biāo)有關(guān)，一個(gè)是玉米果穗損傷率，一個(gè)是斷莖率。從圖5中顯示的結(jié)果可以看出當(dāng)拉莖速度小于3m·s－1時(shí)玉米植株斷莖率幾乎是100%，當(dāng)拉莖速度大于10m·s－1時(shí)果穗損傷率又幾乎是100%［6］。因此得出當(dāng)Vb＝2．05m·s－1、Vj＝6．7km·h－1、H＝2．5m、割臺(tái)作業(yè)高度＝500mm、植株含水率＝18%時(shí)拉莖線(xiàn)速度取6～7m·s－1是最佳參數(shù)。這一結(jié)果與上面的理論推導(dǎo)結(jié)果6．3m·s－1是相一致的，因此我們得出板式割臺(tái)第二個(gè)重要參數(shù)板式割臺(tái)拉莖輥線(xiàn)速度Vl＝6～7m·s－1

圖5 拉莖輥線(xiàn)速度試驗(yàn)圖Fig．5 Pull the stem roller speed test chart

4 板式割臺(tái)主要參數(shù)分析結(jié)論與討論

機(jī)器行進(jìn)方向與導(dǎo)入部分撥禾鏈運(yùn)動(dòng)方向的夾角為20°～25°時(shí)，玉米收獲作業(yè)行走速度在6．7 km·h－1左右，得出撥禾鏈線(xiàn)速度和拉莖輥線(xiàn)速度的理論值為：

撥禾鏈線(xiàn)速度：Vb＝2．05m·s－1

拉莖輥線(xiàn)速度：Vl＝6．3m·s－1

通過(guò)板式割臺(tái)田間試驗(yàn)曲線(xiàn)，得出撥禾鏈線(xiàn)速度和拉莖輥線(xiàn)速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍為：

撥禾鏈線(xiàn)速度：Vb＝2～2．2m·s－1

拉莖輥線(xiàn)速度：Vl＝6～7m·s－1。

理論和實(shí)際相吻合［7］。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，玉米聯(lián)合收獲機(jī)板式割臺(tái)的拉莖輥線(xiàn)速度和拔禾鏈線(xiàn)速度在行走線(xiàn)速度，作物高度等一定的情況下，得出的最佳參數(shù)。

當(dāng)然，在行走線(xiàn)速度，作物高度以及拉莖輥直徑等參數(shù)不同的條件下，兩次的參數(shù)必然會(huì)有所變化，但根據(jù)割臺(tái)總結(jié)構(gòu)的限制，拉莖輥直徑［8］不可能過(guò)大或過(guò)小，過(guò)大會(huì)使割臺(tái)尺寸及種植行距的適應(yīng)性受到限制，作業(yè)行走速度和作物生長(zhǎng)高度都存在一定的客觀(guān)限制。目前，玉米植株的高度不可能超過(guò)2．8m，而收獲機(jī)的行進(jìn)速度也不可能超過(guò)10 km·h－1。因此，本研究結(jié)構(gòu)在當(dāng)前農(nóng)業(yè)種植特征和農(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)作業(yè)安全穩(wěn)定性方面得出的結(jié)論還是具有較高的權(quán)威性和實(shí)用性［9］。當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，玉米品種的變化，以及農(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)整體水平的提高，玉米收獲機(jī)割臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理和技術(shù)參數(shù)也一定會(huì)有突破性的變化。

［1］李旭 ，李湘彬．玉米聯(lián)合收獲機(jī)摘穗裝置比較分析研究［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2010（9）：9－10．

［2］董月亮．油菜聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)拔禾裝置的運(yùn)動(dòng)仿真及試驗(yàn)研究［D］．江蘇大學(xué)碩士論文，2008：6．

［3］賀俊林．“飛象”牌4YZB－2700自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)報(bào)告．2010，12．

［4］錢(qián)錄慶．“牧神”牌 YZ－2600自走式穗莖兼收玉米收獲機(jī)［J］．河北農(nóng)機(jī)，2007（6）：26．

［5］張喜瑞，董佑福．玉米收獲機(jī)輸送鏈裝置研究［J］．農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)量工程，2007（10）：10．

［6］邱貴春，盧景忠，薛飛．4YZW－2型玉米收獲機(jī)的研究試驗(yàn)［J］．玉米科學(xué)，2008（6）：152－153．

［7］謝瓊．我國(guó)玉米收獲機(jī)械化技術(shù)研究［J］．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2010（6）：84－85．

［8］劉聲春，張道林，張繼磊，等．我國(guó)玉米收獲機(jī)研制現(xiàn)狀及發(fā)展展望［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2009（11）：241－242．

［9］王優(yōu)，張強(qiáng)，于路路．玉米摘穗裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2011（1）：228－229．