旱區(qū)全膜雙壟溝播履帶式玉米聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

辛尚龍，趙武云，戴 飛，石林榕，李 東，呂德玉，馬海軍

旱區(qū)全膜雙壟溝播履帶式玉米聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

辛尚龍1，趙武云1※，戴 飛1，石林榕1，李 東1，呂德玉2，馬海軍3

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 山東豐神農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，德州 253300；3. 甘肅洮河拖拉機(jī)制造有限公司，定西 730500）

針對(duì)中國(guó)北方旱地全膜雙壟溝播玉米種植方式，解決玉米收獲過程中的摘穗啃傷、田間作業(yè)壟上行走穩(wěn)定性差及玉米莖稈回收再利用問題，設(shè)計(jì)了一種履帶式玉米穗莖兼收型聯(lián)合收獲機(jī)，以及配套的立輥式摘穗割臺(tái)和莖稈切碎拋送裝置。設(shè)計(jì)的非對(duì)稱立輥式對(duì)行收割結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)玉米全膜雙壟溝播收獲作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)了穗莖兼收，提高了秸稈利用率，并總結(jié)了立式割臺(tái)“間隙夾持-傾斜喂入-滑動(dòng)摘穗”的立式摘穗收獲機(jī)理。利用立式摘穗試驗(yàn)樣機(jī)，以機(jī)具前進(jìn)速度、主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速、摘穗輥直徑、切碎刀軸轉(zhuǎn)速為影響因素，果穗損失率、莖稈切碎合格率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)。通過Design-expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件，建立各影響因素與指標(biāo)的數(shù)學(xué)回歸模型，分析了顯著因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，確定最優(yōu)參數(shù)組合：在機(jī)具前進(jìn)速度3.8 m/s、主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速1 150 r/min、摘穗輥直徑82 mm、切碎刀軸轉(zhuǎn)速1 650 r/min時(shí)，果穗損失率為2.61%、莖稈切碎合格率為92.81%。優(yōu)化模型與田間驗(yàn)證性試驗(yàn)得到的果穗損失率均值2.8%、莖稈切碎合格率均值93.1%相接近，滿足旱區(qū)全膜雙壟溝播玉米收獲要求。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；旱區(qū)；玉米；全膜雙壟溝播；收獲割臺(tái)；立式摘穗輥

0 引 言

玉米全膜雙壟溝播技術(shù)抗旱、增產(chǎn)，目前，該技術(shù)已經(jīng)成為中國(guó)西北旱區(qū)玉米種植的主要生產(chǎn)方式，為中國(guó)西北旱區(qū)玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供了有效的技術(shù)途徑[1]。由于玉米種植面積和產(chǎn)量的增加，玉米莖稈資源也呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。玉米莖稈含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)回收青貯加工后可以為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)所需的牲畜飼料提供有利保障，減少資源浪費(fèi)[2-3]，甘肅省地處西北內(nèi)陸，玉米種植地以丘陵山地居多，為了提高機(jī)具的作業(yè)穩(wěn)定性，降低機(jī)具的重心，選取了履帶式行走底盤。

國(guó)內(nèi)外較為成熟的玉米聯(lián)合收獲機(jī)械大部分均采用臥輥式摘穗原理，并對(duì)玉米莖稈進(jìn)行還田處理[4-5]。實(shí)踐證明，近年來大量的還田處理和不規(guī)范的還田方法使得土壤微生物與作物幼苗爭(zhēng)奪養(yǎng)分，出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象[6-9]。全膜雙壟溝播生產(chǎn)模式下的普通臥輥式玉米聯(lián)合收獲作業(yè)不易實(shí)現(xiàn)玉米莖稈的回收過程，而立輥式摘穗裝置擁有較大的空間布置莖稈回收裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米的穗莖兼收。

截止目前，立輥式收獲割臺(tái)對(duì)實(shí)現(xiàn)玉米穗莖兼收的要求較為合理，國(guó)內(nèi)對(duì)立輥式玉米收獲割臺(tái)的研究還處于試驗(yàn)改進(jìn)階段，立式割臺(tái)有關(guān)部件的設(shè)計(jì)還不夠成熟[10-12]。張道林等研制了立輥式玉米摘穗與莖稈切碎裝置，為立輥式玉米收獲割臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[13-14]。劉楓等設(shè)計(jì)了一種將夾持鏈主動(dòng)輸送鏈輪與摘穗輥分開傳動(dòng)的新型夾持輸送機(jī)構(gòu)，有效消除了秸稈對(duì)鏈條的附加拉力，提高了鏈條使用壽命[15]。閆洪余等[16-18]分析了立輥式摘穗輥輥型對(duì)玉米收獲性能的影響，得到了圓頂花紋輥的最佳工作轉(zhuǎn)速。耿端陽等[19]在對(duì)立輥式摘穗裝置的研究中，分析了多棱立輥式摘穗裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，提出了立式激振折斷摘穗機(jī)理。課題組針對(duì)甘肅省玉米全膜雙壟溝播種植方式設(shè)計(jì)了一種輪式穗莖兼收型旱區(qū)玉米聯(lián)合收獲機(jī)，能夠一次性完成玉米果穗的摘穗、剝皮、收集和玉米莖稈的鍘切、拋送、收集，但是由于機(jī)具幅寬較窄，田間作業(yè)壟上行走時(shí)穩(wěn)定性較差[20]。而國(guó)外學(xué)者針對(duì)玉米收獲的研究主要集中在大型、智能和籽粒直收上，立輥式摘穗的研究較少報(bào)道。為此，設(shè)計(jì)一種針對(duì)旱作農(nóng)業(yè)小地塊、坡地兼用穗莖兼收型玉米全膜雙壟溝播玉米聯(lián)合收獲機(jī)意義重大。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)和工作原理

目前，西北旱區(qū)玉米主要種植在干旱半干旱山區(qū)、丘陵地帶，且受玉米全膜雙壟溝播農(nóng)藝種植方式的影響，其最適宜的收獲割臺(tái)幅寬一般不超過1.8 m[21]。設(shè)計(jì)的旱區(qū)玉米全膜雙壟溝播立式割臺(tái)，選用山東豐神農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的2行立式玉米收獲割臺(tái)為基礎(chǔ)割臺(tái)。樣機(jī)主要由履帶式底盤、立式摘穗割臺(tái)、莖稈切碎裝置、剝皮裝置、秸稈收集箱及果穗收集箱等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，聯(lián)合收獲機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

1.立式收獲割臺(tái) 2.過橋 3.履帶 4.機(jī)架 5.壓扁輥 6.果穗升運(yùn)器 7.莖桿切碎裝置 8.拋送筒 9.駕駛操縱臺(tái) 10.秸稈收集箱 11.剝皮裝置 12.果穗收集箱 13.變速箱 14.發(fā)動(dòng)機(jī)輸出帶輪 15.玉米籽粒收集箱

表1 聯(lián)合收獲機(jī)主要性能參數(shù)

機(jī)具作業(yè)過程包括分禾、扶禾、切斷、夾持喂入、摘穗、切碎（莖稈）、輸送等工序。工作時(shí)，割臺(tái)上的分禾器將工作幅寬內(nèi)的玉米莖稈扶起，在撥禾星輪與夾持輸送鏈的作用下，由往復(fù)式切割器將玉米植株從根部割斷，再經(jīng)夾持輸送裝置將其輸送到立式摘穗輥進(jìn)行摘穗。摘穗輥摘下的玉米果穗在橫向螺旋輸送器的作用下將玉米果穗送至果穗升運(yùn)器中，由果穗升運(yùn)器完成玉米果穗在割臺(tái)上的輸送作業(yè)。與此同時(shí)，摘掉果穗后的玉米莖稈則通過立式摘穗輥輥組間隙送入過橋與莖稈切碎裝置，在過橋中壓扁輥的作用下完成切碎前的壓扁壓實(shí)過程；莖稈切碎裝置是由動(dòng)刀架、刀架軸、動(dòng)刀、壓刀板及定刀組成的滾刀式切碎器，在莖稈切碎裝置的一側(cè)安裝有拋送風(fēng)機(jī)，工作時(shí)，由割臺(tái)通軸上的大鏈輪將動(dòng)力傳入莖稈切碎拋送裝置一側(cè)的小鏈輪，帶動(dòng)莖稈切碎器與拋送風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而在莖稈切碎器定動(dòng)刀的配合下將莖稈進(jìn)行切碎，以達(dá)到粉碎玉米莖稈的目的。由于滾刀式切碎器動(dòng)刀安裝角朝向拋送風(fēng)機(jī)風(fēng)扇葉片一端，所以在切碎刀軸的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下切碎后的玉米莖稈等細(xì)碎物料流向拋送風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)風(fēng)扇葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)下，將切碎后的莖稈等物料送入集草箱中，完成玉米莖稈的切碎與集箱。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要滿足機(jī)具各裝置獲得匹配的功率，并保證各裝置部件協(xié)調(diào)工作，從而確保準(zhǔn)確的傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)效率，滿足旱區(qū)穗莖兼收型聯(lián)合作業(yè)機(jī)的收獲要求。

如圖2所示為樣機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖，工作時(shí)，柴油機(jī)經(jīng)帶傳動(dòng)將動(dòng)力輸送給變速箱，變速箱將動(dòng)力一分為三，一部分動(dòng)力提供給履帶式行走底盤，一部分動(dòng)力提供給剝皮裝置（縱向，圖2未畫出），另一部分動(dòng)力則經(jīng)帶傳動(dòng)輸送至機(jī)架前端的固定軸上，再經(jīng)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力提供給割臺(tái)通軸。通過割臺(tái)通軸將動(dòng)力分別輸出至往復(fù)式切割器、橫向螺旋輸送器、立式摘穗裝置、果穗升運(yùn)器、莖桿切碎裝置等重要工作部件。其中，夾持輸送裝置的主動(dòng)鏈輪安裝在立式摘穗輥上下段之間；果穗升運(yùn)器與割臺(tái)橫向螺旋輸送器共用一根轉(zhuǎn)軸；過橋中的壓扁輥由莖桿切碎裝置分配動(dòng)力。

1.往復(fù)式切割器 2.撥禾輪 3.夾持輸送裝置 4.橫向螺旋輸送器 5.立式摘穗輥 6.果穗升運(yùn)器 7.壓扁輥 8.莖稈切碎裝置 9.拋送風(fēng)機(jī) 10.履帶 11.發(fā)動(dòng)機(jī) 12.變速箱 13.剝皮裝置 14.果穗收集箱 15.擺環(huán)

1.3 技術(shù)指標(biāo)

玉米全膜雙壟溝播技術(shù)是科研工作者針對(duì)中國(guó)西北地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)探索出的一項(xiàng)突破性創(chuàng)新技術(shù)，具有“蓄水保墑、覆蓋抑蒸、膜面集雨”的功能與特點(diǎn)，因其經(jīng)濟(jì)效益顯著而得到了有效推廣[1]。如圖3所示為旱地玉米全膜雙壟溝種植的農(nóng)藝栽培模式示意圖，其中，大壟與小壟總寬度為110 cm，大壟寬為70 cm，高為10～15 cm，小壟寬為40 cm，高為15～20 cm，要求地膜全覆蓋，在壟溝內(nèi)播種，播種深度為30～50 mm，株距根據(jù)當(dāng)?shù)啬杲邓縼矶?，一般?3～40 cm。壟體覆膜選用寬度為1 200 mm、厚度為0.01 mm的白色地膜。

圖3 旱區(qū)玉米全膜雙壟溝播技術(shù)示意圖

2 關(guān)鍵部件參數(shù)分析

2.1 喂入裝置

割臺(tái)喂入裝置主要由分禾器與夾持輸送裝置2部分組成。分禾器位于夾持輸送裝置上方，在工作時(shí)對(duì)錯(cuò)行玉米及倒伏玉米起到分禾扶禾與保護(hù)割臺(tái)的作用。夾持輸送裝置主要由夾持輸送鏈條、撥禾輪及導(dǎo)向滑道等組成，主要完成對(duì)玉米果穗摘穗前的輸送過程。

2.1.1 分禾器

旱區(qū)玉米全膜雙壟溝播穗莖兼收型聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)分禾器的設(shè)計(jì)，主要遵循順利分禾、保護(hù)割臺(tái)其他工作部件和便于維修的原則。分禾器由左中右3部分組成，左右兩分禾器呈對(duì)稱布置，分禾器前端小后端大呈錘形設(shè)計(jì)，為了順利的實(shí)現(xiàn)分禾作業(yè)需對(duì)分禾器的一些參數(shù)進(jìn)行理論分析。在收獲時(shí)，分禾器遵循能將倒伏的、折斷的玉米植株扶起為原則，以降低果穗損失。大量試驗(yàn)證明分禾器錐角和分禾器尖端距離地面的高度是決定分禾器扶禾能力的最主要因素[22]，如圖4所示。

注：v為機(jī)具前進(jìn)速度，km·h-1；A點(diǎn)為分禾器的尖端；B點(diǎn)為分禾器的大端根部；O點(diǎn)為玉米植株與地面的交點(diǎn)；L為分禾器最大寬度，mm；N為分禾器對(duì)玉米植株的作用力，N；F為最大靜摩擦力，N；f為玉米植株在分禾器外壁上產(chǎn)生的摩擦力，N；h為分禾器離地高度，mm；δ為分禾器錐角，(°)；γ為OA與OB的夾角，(°)。

越大，分禾器將玉米植株推倒的可能性也越大。當(dāng)分禾器向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，玉米植株相對(duì)于分禾器邊沿反方向滑動(dòng)。假設(shè)當(dāng)分禾器錐角=0時(shí)，不管分禾器前進(jìn)速度的大小如何變化，玉米植株都不會(huì)被推倒，當(dāng)其錐角增大到=180°時(shí)，玉米植株都會(huì)被分禾器推倒。因此，一定存在某一臨界角0，當(dāng)≤0時(shí)，玉米植株將不會(huì)被分禾器推倒。當(dāng)=0時(shí)，分禾器和玉米植株接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以玉米植株為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，忽略分禾器前進(jìn)速度對(duì)其植株的影響，如果沿速度的反方向存在分禾器對(duì)玉米植株的最大靜摩擦力，則有