玉米收獲機械關鍵裝置結構特點及發(fā)展趨勢

王建廷，李耀明，馬 征，胡必友，虞順成

(1.江蘇大學 現(xiàn)代農業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇沃得農業(yè)機械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

0 引言

玉米作為我國三大主要糧食作物之一， 2017年玉米種植面積約0.35億hm2，占谷類作物總種植面積的38.14%；同時，玉米也是醫(yī)藥、化工、輕工業(yè)的重要原材料和畜牧業(yè)不可缺少的優(yōu)質飼料,玉米生產(chǎn)對我國糧食安全、工業(yè)生產(chǎn)和畜牧業(yè)發(fā)展都具有十分重要的作用[1-2]。

玉米收獲是整個玉米生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，玉米機械化收獲是提高玉米生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、降低玉米生產(chǎn)成本的必由之路。美國、德國等發(fā)達國家已先后在20世紀六七十年代完全實現(xiàn)了玉米的機械化收獲，并在隨后的幾十年向高效、智能化和信息化等方向持續(xù)發(fā)展。經(jīng)過多年的努力，截至2017年底我國玉米機收率已達69%[3-6]。

由于種植制度和玉米品種的不同，玉米收獲方式分為分段收獲和籽粒直收。分段收獲工作流程為“摘穗—剝皮—晾曬—脫?！蚜Ａ罆瘛保渲姓牒蛣兤ねㄟ^玉米摘穗機完成，脫粒通過玉米脫粒機完成。籽粒直收通過玉米籽粒收獲機直接收獲玉米籽粒。研究收獲機械關鍵裝置對提高收獲效率、降低收獲損失和保證其可靠性有重要意義[7-9]。

國內外對玉米收獲機械關鍵裝置的研究有很多成果，本文分別從玉米分段收獲和玉米籽粒直收兩個方面對現(xiàn)有玉米收獲機械的主要關鍵裝置的工作原理和結構特點進行綜述，并對各類典型機型進行介紹，最后探討我國玉米收獲機械的發(fā)展趨勢。

1 分段收獲機械

1.1 玉米摘穗收獲機

在一年多季種植制度的地區(qū)，玉米收獲時含水率較高，不適宜直接收獲籽粒，需要使用玉米摘穗收獲機先收獲玉米果穗。玉米摘穗收獲機收獲果穗的關鍵機構分別為摘穗裝置和剝皮裝置。

1.1.1 摘穗裝置

玉米摘穗收獲機的摘穗裝置主要為3種結構：臥輥式、立輥式和摘穗板組合式摘穗裝置。臥輥式摘穗裝置主要由摘穗輥、喂入鏈、變速箱和摘穗間隙調節(jié)結構等組成，如圖1所示。

1.變速箱 2.摘穗輥后段 3.摘穗輥中段 4.摘穗間隙調節(jié)機構 5.摘穗輥前段圖1 臥輥式摘穗裝置Fig.1 Horizontal-roll corn picker device

其中，摘穗輥分為前、中、后三段：前段為引導段，主要結構為帶有螺旋凸起的錐體；中段為摘穗段，主要結構為分布有螺旋狀凸起的圓柱體；后段為強拉段，主要結構為帶有凸棱的圓柱體。摘穗時玉米莖稈由喂入鏈條夾持輸送至摘穗輥的引導段，引導玉米莖稈進入摘穗段，由相互配合的兩個摘穗輥將玉米穗摘下，莖稈則在強拉段被強制拉出，防止堵塞摘穗裝置[10-13]。該類型摘穗裝置對不同玉米莖稈適應性強、功率消耗少、收獲玉米果穗含雜少，但結構較復雜，不便于多行配置，易造成玉米籽粒破碎。

2007年，佟金等設計了一種玉米摘穗輥試驗臺，通過試驗分析了臥輥式摘穗裝置的摘穗過程，并確定了在輥型一定的條件下，摘穗輥轉速是造成玉米穗啃傷的主要因素[14]。2008年，褚幼暉等設計了一種臥式摘穗輥的摘穗裝置, 該裝置對莖稈的壓縮程度較小，功耗較小，對莖稈不同狀態(tài)的適應性較強[15]。2015年，賈洪雷等設計了一種間距自適應差速玉米摘穗輥，通過改變摘穗輥間距以適應不同直徑的玉米莖稈，解決了玉米收獲機工作時堵塞的問題，通過兩摘穗輥轉速不同步的方法降低了玉米果穗的掉粒損失[16]。2016年，耿愛軍等分析了臥輥式摘穗裝置對玉米損傷的影響因素，建立了摘穗時果穗受力的數(shù)學模型，分析了各作用力與摘穗輥間隙、果穗直徑的變化規(guī)律和對收獲損失、籽粒損傷的影響[17]。

立輥式摘穗裝置主要由喂入鏈、上摘穗輥、下摘穗輥和擋禾板等結構組成，如圖2所示。

1.擋禾板 2.上摘穗輥 3.下摘穗輥圖2 立輥式摘穗裝置Fig.2 Vertical-roll corn picker device

其中，上摘穗輥和下摘穗輥為分布有凸棱的圓柱體，摘穗輥軸線所在平面與垂直面夾角約為25°。摘穗時，玉米莖稈由喂入鏈條夾持輸送，由上下兩摘穗輥相配合將玉米果穗摘下。還有一種雙組輥式摘穗裝置，主要由喂入鏈、前摘穗輥、后拉莖輥和擋禾板結構等組成，如圖3所示。摘穗時，玉米莖稈由喂入鏈條夾持輸送，由前摘穗輥將玉米果穗摘下，拉莖輥拉伸玉米莖稈[10-13]。該類型摘穗裝置果穗損失率較低、工作性能較好，但對玉米莖稈壓縮程度較大，莖稈易拉斷造成堵塞，較難與自走式摘穗機相配合。

1.擋禾板 2.前摘穗輥 3.后拉莖輥圖3 雙立輥式摘穗裝置Fig.3 Double-vertical-roll corn picker device

2005年，張道林等設計了一種三段式的立輥式摘穗裝置，提出摘穗輥各段長度的計算公式，確定了摘穗裝置的主要工作參數(shù)[18]。2012年，杜岳峰等通過ADAMS仿真分析了立輥式摘穗裝置的工作過程，分析了玉米莖稈傾角對玉米收獲時間和玉米果穗啃傷的影響，得到收獲作業(yè)時玉米秸稈的理想傾角[19]。2017年，耿瑞陽等通過研究立輥式摘穗裝置的摘穗機理，分析了多棱立輥式摘穗裝置主要結構參數(shù)，設計了一種結構簡單、摘穗效果好、可靠性高的多棱立輥式摘穗裝置，并通過正交試驗確定了影響摘穗質量的主次因素以及最優(yōu)工作參數(shù)組合[20]。

摘穗板組合式摘穗裝置主要由拉莖輥、摘穗板和喂入鏈條等組成，如圖4所示。其中，拉莖輥分為前后兩段，前段為引導段，主要結構為帶有螺旋凸起的錐體；后段為拉莖段，主要結構為帶有突起的圓柱體。摘穗時玉米秸稈由喂入鏈條夾持進入拉莖輥引導段，引導莖稈向后輸送至拉莖區(qū)，在拉莖區(qū)相對旋轉的摘穗輥向下抓取玉米莖稈，在此過程中玉米穗被摘穗板摘下[10-13]。該類型摘穗裝置對玉米果穗損傷小，方便多行配置，但對莖稈沖擊大，易造成斷莖，功率消耗較大。

2002年，范國昌等分析玉米摘穗過程中影響籽粒破碎和籽粒損失率的因素，并得到各因素的影響程度和最優(yōu)工作參數(shù)[21]。2011年，郭春芳等對摘穗板組合式摘穗裝置結構參數(shù)進行分析并進行相應的田間試驗對比，獲得了最佳結構和運動參數(shù)[22]。2016年，崔濤設計了一種能降低玉米斷莖的拉莖輥，試驗表明：低斷莖拉莖刀輥和間隙可調式摘穗板摘穗機構收獲含雜率最小[23]。

1.拉莖輥前段 2.拉莖輥后段 3.喂入鏈條 4.摘穗板圖4 摘穗板組合式摘穗裝置Fig.4 Straight-fluted-roll corn picker deice

由于摘穗板組合式摘穗裝置對玉米果穗損傷小且工作穩(wěn)定，能夠多行配置，方便與大型玉米聯(lián)合收獲機相配合，摘穗板組合式摘穗裝置成為玉米摘穗的主流配置；同時，摘穗間距可調，可適應不同地區(qū)的種植模式。

1.1.2 剝皮裝置

剝皮裝置由剝皮輥和壓送機構等組成，如圖5所示。其中，剝皮輥的材料一般為耐磨橡膠或鑄鐵相組合，可減少剝皮時對玉米果穗的損傷，且剝皮輥表面分布有紋路，增加了對玉米苞葉的抓取能力。剝皮時，相對旋轉的剝皮輥抓取和剝離玉米苞葉，壓送機構使玉米果穗與剝皮輥穩(wěn)定接觸，避免玉米果穗跳動[10]。鑄鐵輥加工成本低，制造方便，耐磨性好，使用壽命長；橡膠輥抓取能力強，剝凈率高，玉米果穗損傷小。

1.壓送機構 2.剝皮輥圖5 剝皮裝置Fig.5 Corn peeling device

2011年，徐麗明等設計了可更換脫粒輥、調節(jié)轉速以及調節(jié)脫粒輥相對位置角度的玉米通用剝皮裝置，并以先玉335為試驗對象，得到該脫粒裝置的最優(yōu)工作參數(shù)[24]。2014年，陳慶文等對玉米聯(lián)合收獲機剝皮裝置的剝皮輥和壓送器的結構和運動參數(shù)進行研究，通過對改進后的剝皮裝置進行田間試驗，確定了該剝皮裝置的最佳工作參數(shù)[25]。2015年，朱忠祥等對玉米果穗在剝皮機構中的受力及運動進行理論分析，使用虛擬仿真技術得到了玉米果穗在剝皮裝置中的速度和受力情況[26]。2017年，楊紅光等設計了玉米剝皮裝置，該裝置緊湊協(xié)調，作業(yè)順暢可靠；玉米剝皮過程中剝凈率達90%以上，作業(yè)損失率低于4%[27]。

由于鑄鐵輥剝皮時對玉米果穗損傷較大，隨著新材料的發(fā)展，具有高耐磨特性和良好強度的新型柔性材料將被應用于剝皮輥，可增加剝凈率，減少玉米果穗損傷，延長使用壽命。

1.2 玉米脫粒機

玉米果穗晾曬至較低含水率，可用于玉米脫粒機對玉米果穗脫粒，由于玉米穗上籽粒之間的相互支撐作用，脫粒過程中易造成玉米籽粒破碎和脫不凈問題，因此對玉米脫粒機有較高的要求。根據(jù)適用對象不同將玉米脫粒機脫粒裝置分為家用脫粒裝置、玉米制種用脫粒裝置和大型脫粒裝置。

1.2.1 家用脫粒裝置

家用脫粒裝置主要適用于農村脫粒批量小的家庭使用，由于脫粒批量小，對破碎率要求較低。脫粒裝置結構多為安裝有脫粒部件的閉式脫粒滾筒和沖孔式凹板或柵格式凹板。圖6為釘齒式玉米脫粒機的內部結構。

1.脫粒凹板 2.釘齒 3.滾筒體圖6 釘齒式脫粒裝置Fig.6 Spike-tooth threshing device

該裝置中，脫粒滾筒為釘齒式，脫粒凹板為沖孔式凹板，工作原理：通過釘齒對玉米穗的擊打作用，玉米籽粒從玉米穗上被脫下，且通過凹板的開孔分離，玉米芯通過脫粒機尾部開口排出機外。釘齒結構的脫粒裝置棱角較多，脫粒時易造成玉米籽粒破碎[28-29]。2003年，余吉洋等以釘齒滾筒脫粒機為研究對象，采用離散元法仿真分析脫粒機工作過程，并將仿真結果與臺架試驗進行對比，驗證了離散元法分析玉米脫粒過程的可行性和有效性[30-34]。2008年，王守昌研制的背負式玉米脫粒機(見圖7)，與拖拉機配套使用，通過拖拉機動力輸出軸提供動力，自動上料機構將玉米穗輸送至脫粒裝置喂入口，釘齒頂端采用圓頭結構降低玉米籽粒破碎率[35]。

1.圓頭釘齒 2.自動上料裝置圖7 背負式脫粒裝置Fig.7 Backpack-type threshing device

1.2.2 玉米制種用脫粒裝置

玉米制種用脫粒裝置適用對象一般為農業(yè)科研單位和制種企業(yè)，根據(jù)使用對象的需求，玉米種子脫粒裝置結構多樣，且該類型脫粒裝置對玉米籽粒破碎率有較高要求，以保證玉米種子發(fā)芽率。該類型脫粒裝置結構較家用脫粒裝置復雜，籽粒破碎率小，玉米芯完整，但工作效率較低[36]。

2003年，何曉鵬等設計了一種擠搓式玉米脫粒機，主要由滾筒、進料區(qū)螺旋片、脫粒區(qū)平板齒和脫粒區(qū)冠狀板齒等構成，如圖8所示。工作時，通過仿生人手搓脫玉米粒的過程，冠狀板齒首先將部分玉米籽粒脫下。由于排芯口壓板的作用，使玉米穗始終充滿脫粒機內部，玉米果穗受到平板齒的推擠、與柵格凹板的接觸和玉米穗之間的相互擠搓，將玉米穗剩余的籽粒脫下，該脫粒機適合普通玉米和種子玉米脫粒，脫凈率高、破碎率低[37]。2013年，趙武云等針對擠搓式玉米脫粒機脫粒滾筒進行結構優(yōu)化，研制了一種變直徑變間距螺旋板齒式玉米脫粒機(見圖9)，能夠實現(xiàn)種子玉米果穗高脫凈、低破碎、少碎芯的脫粒作業(yè)要求[38-39]。2015年，余羅兼采用有限元分析的方法研究了脫粒過程中不同螺旋角與板齒最大應力的關系，為脫粒機的改進提供依據(jù)[40]。

1.滾筒 2.進料區(qū)螺旋片 3.皮帶輪 4.進料箱 5.脫粒區(qū)板齒 6.柵格凹板 7.排芯區(qū)撥輪 8.排芯口壓板機構圖8 擠搓原理脫粒裝置Fig.8 Threshing device by extruding and rubbing method

1.排芯口撥板 2.大徑組合板齒 3.螺旋平板齒 4.脫粒軸 5.螺旋冠狀齒 6.小徑組合板齒 7.螺旋進料板齒圖9 變直徑變間距螺旋板齒玉米脫粒裝置Fig.9 Threshing device with varied-diameter and varied-spacing spiral plate tooth

2008-2017年，李心平等設計了一種差速式玉米種子脫粒機，脫粒裝置主要由螺旋輥和直輥等組成，如圖10所示。其采用差速原理使籽粒有序脫下，破碎率低、未脫凈率低和玉米芯完好；根據(jù)雞喙切入籽粒間隙，需具備無損傷離散大片籽粒的能力，以及人裸手搓脫玉米粒的特性，設計了新型玉米種子仿生脫粒機，主要包括離散輥、脫粒輥及差速輥等，如圖11所示。試驗結果表明：玉米芯無破損，含雜少，可用于種子玉米果穗脫粒；通過改進脫粒機結構，脫粒裝置改為浮動式，并改進喂入料斗結構，使玉米穗以合適的速度進入脫粒裝置[41-45]。

1. 螺旋輥 2.直輥圖10 差速式脫粒裝置Fig.10 Differential-type threshing device

1.離散輥 2.脫粒輥 3.差速輥圖11 仿生玉米種子脫粒裝置Fig.11 Corn seed bionic threshing device

1.2.3 大型脫粒裝置

大型脫粒裝置主要用于大批量玉米脫粒，脫粒效率一般在20t/h以上。5TY-190型自走式玉米脫粒機(見圖12)，脫粒裝置采用單縱軸流結構，脫粒部件采用短紋桿，技術參數(shù)如表1所示。該類型玉米脫粒裝置脫粒效率高，籽粒破碎率較低，可靠性高；但體積較大，結構復雜。

圖12 5TY-190型自走式玉米脫粒機Fig.12 Self-propelled corn thresher表1 5TY-190型玉米脫粒機技術參數(shù)Table 1 5TY-190 corn thresher parameters

項目單位參數(shù)外形尺寸mm7430×2700×6100(作業(yè)狀態(tài))8300×2650×3450(運輸狀態(tài))整機質量kg7100發(fā)動機動力kW52滾筒轉速r/min450～550生產(chǎn)效率t/h30～35

由于脫粒破碎率過高影響玉米的經(jīng)濟效益[46]，因此對籽粒破碎率有一定要求，如2015年張金峰公開的軸流脫粒滾筒采用紋桿結構降低破碎率(見圖13)，2016年張金峰公開的一種滾筒帶尼龍脫粒塊的玉米脫粒機采用玻纖加強尼龍材質的脫粒部件降低破碎率[47-48]。

1.喂入葉片 2.滾筒體 3.短紋桿圖13 軸流滾筒Fig.13 Axial flow roller

隨著對玉米脫粒效率要求的提高，玉米脫粒裝置將向大型化和高效率方向發(fā)展。同時，由于制種企業(yè)對玉米籽粒破碎率較為敏感，制種用脫粒裝置在保證生產(chǎn)率的前提下，在新材料和新結構方面將會有進一步的發(fā)展。

2 玉米籽粒收獲機

使用玉米籽粒收獲機直接收獲玉米籽粒，可以減少收獲損失，提高工作效率，降低勞動強度。近年來隨著烘干設備的大量發(fā)展，因收獲期玉米籽粒含水率偏高而不得不采用分段收獲工藝的部分玉米種植地區(qū)也有望采用玉米籽粒直收的方式進行收獲作業(yè)。玉米籽粒收獲機的關鍵部分是脫粒裝置，合理的脫粒裝置能夠保證收獲效果。玉米籽粒收獲機脫粒裝置可以分為縱軸流、橫軸流和切縱流結構。

約翰迪爾公司生產(chǎn)的S系列玉米聯(lián)合收獲機的單縱軸流脫粒裝置，如圖14所示。其喂入段采用錐形結構，能夠順暢地輸送玉米果穗至脫粒段，脫粒段采用短紋桿對玉米果穗進行脫粒，由液壓系統(tǒng)控制脫粒間隙，保證脫粒效果，分離段由分離齒實現(xiàn)玉米籽粒和脫出物的分離。

圖14 單縱軸流脫粒裝置Fig.14 Longitudinal axial flow threshing device

紐荷蘭公司生產(chǎn)的CR系列玉米聯(lián)合收獲機的雙縱軸流脫粒裝置，如圖15所示。其由兩個縱軸流滾筒構成，脫粒批量大，收獲效率高，脫粒滾筒前端的喂入輪能夠根據(jù)脫粒系統(tǒng)負荷實時調整轉速，保證脫粒系統(tǒng)高效脫粒。

圖15 雙縱軸流脫粒裝置Fig.15 Double longitudinal axial flow threshing device

Gleaner公司生產(chǎn)的S系列玉米聯(lián)合收獲機的橫軸流脫粒裝置，如圖16所示。工作時，從輸送槽喂入的玉米果穗能夠順暢的進入脫粒系統(tǒng)，脫粒系統(tǒng)占空間小，能夠增加糧箱的容積，充分利用收獲機內部空間。

圖16 橫軸流脫粒裝置Fig.16 Transverse axial flow threshing device

克拉斯公司生產(chǎn)的LEXION系列玉米聯(lián)合收獲機的切縱流脫粒裝置，如圖17所示。其采用APS脫粒系統(tǒng)，由2個加速喂入輪、1個切流滾筒和2個縱軸流滾筒組成，加速喂入輪能夠快速將玉米喂入下一脫粒滾筒，提升脫粒系統(tǒng)的脫粒效率。

圖17 切縱流脫粒裝置Fig.17 Tangential and longitudinal axial threshing device

2007年，Miu和Kutzbach等研究紋桿式脫粒機工作過程，通過數(shù)學模型描述和量化脫粒分離過程中的未脫凈谷粒、自由谷粒和分離的谷粒沿滾筒方向的分布情況，并對該數(shù)學模型進行了試驗驗證[49-51]。2008年，Petkevichius S等分析紋桿式脫粒裝置，通過試驗得到不同籽粒含水率玉米品種脫粒時合適的喂入狀態(tài)、滾筒轉速和脫粒間隙[52]。2014年，相茂國和曲宏杰等研究了玉米籽粒含水率和脫粒速度等因素對玉米籽粒破碎率和未脫凈率的影響，得到了玉米籽粒含水率和脫粒速度與破碎率和未脫凈率間的擬合函數(shù)方程[4-5]。2018年，楊立權等設計了切流-橫軸流脫粒試驗系統(tǒng)，通過試驗得到含水率與各滾筒脫粒物的占比關系，并得到該脫粒裝置的合理工作參數(shù)[53]。2018年，邸志峰等設計了組合式軸流玉米脫粒滾筒，選取滾筒轉速、傾角和凹板間隙為試驗因素，在自制的玉米脫粒試驗臺上進行了試驗，并運用SAS統(tǒng)計分析軟件對試驗結果進行了分析[54]。

隨著農業(yè)機械化的發(fā)展，大喂入量和高效率的玉米籽粒聯(lián)合收獲機將得到進一步發(fā)展，但由于國內大部分地區(qū)種植制度和玉米品種的限制，玉米籽粒收獲機將向收獲高含水率玉米籽粒的方向發(fā)展。

3 玉米收獲機械發(fā)展趨勢

3.1 大型化和高效率

我國土地利用越來越集中，玉米收獲批量越來越大，而現(xiàn)有部分聯(lián)合收獲機喂入量低于4kg/s，脫粒機脫粒批量低于10t/h，工作效率低，無法滿足玉米收獲需求。因此，大型化和高效率的玉米收獲機械將逐漸成為主流配置，如喂入量超過8kg/s玉米籽粒收獲機和脫粒批量高于30t/h的脫粒機。

3.2 通用性的提高

由于大型收獲機械成本較高，為提高其使用率，降低生產(chǎn)成本，需提高玉米收獲機械的通用性。例如，籽粒收獲機配備相應割臺能收獲其他谷物，摘穗收獲機配備適應性強的摘穗裝置滿足不同地區(qū)的收獲需求等。

3.3 采用新材料和新結構

玉米籽粒收獲機和脫粒機的脫粒裝置多為鋼制材料，且棱角較多，脫粒過程中易損傷玉米，造成玉米籽粒破碎和脫不凈，進而影響玉米經(jīng)濟效益。因此，可通過改進脫粒裝置的結構，以及采用耐熱耐磨性好、抗疲勞強度高和柔性材料等，提高脫粒效果和性能。

3.4 適應高含水率玉米脫粒

相對于分段收獲玉米的方式，玉米籽粒直收效率高，且損失??；但由于國內種植制度和玉米品種的限制，玉米收獲時含水率較高，無法使用玉米籽粒收獲機，因此需要針對高含水率玉米的特性研究適合高含水率玉米的脫粒裝置。

4 結語

通過對玉米收獲機械關鍵裝置的分類總結，將玉米收獲機械分為玉米摘穗收獲機、玉米脫粒機和玉米籽粒收獲機，并對各類收獲機械的關鍵裝置的脫粒原理、結構特點和優(yōu)缺點進行分類討論。

由于國內玉米收獲機械通用性差、損失率和破碎率高等問題，限制了玉米收獲機械的發(fā)展。隨著新技術、新裝置和智能化技術的不斷發(fā)展，新型的玉米收獲機械的工作性能將得到進一步提高，一定能解決我國玉米機械化收獲中出現(xiàn)的各個難題。