4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機設計與試驗

邸志峰,崔中凱,張 華,姜 偉,周 進,鄭振華

(1.山東省農業(yè)機械科學研究院,濟南 250100;2.山東國豐機械有限公司,山東 兗州 272100)

0 引言

山東省是夏玉米主產區(qū),2016年玉米種植面積約320.67萬hm2,占全國的8.7%,總產量為2 064.95萬t,占全國的9.4%[1]。該地區(qū)收獲玉米后還需要進行整地和冬小麥播種等作業(yè),直接收獲玉米籽粒能夠減少生產工序,提高作業(yè)效率、降低勞動強度、確保玉米/小麥接茬輪作順利實施[2-4]。摘穗收獲和籽粒收獲是玉米機械化收獲的兩種方式：摘穗收獲適應范圍廣,但受氣象條件和場地等因素限制晾曬難,易發(fā)生霉變、腐爛等現(xiàn)象,降低了玉米品質,造成經濟損失;籽粒收獲能一次性完成玉米摘穗、脫粒清選、秸稈處理及籽粒收集等工序,是我國玉米收獲技術發(fā)展的重要趨勢。近年來,農村勞動力成本越來越高,現(xiàn)有的摘穗型玉米聯(lián)合收獲機難以滿足當前玉米生產需求,農民對玉米籽粒聯(lián)合收獲機械需求越來越迫切[5-10]。

1 總體結構與工作原理

本文設計的4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機主要由摘穗臺、果穗升運器一、前驅動橋、秸稈粉碎還田裝置、后轉向橋、覆蓋件、柴油箱、籽粒收集裝置、脫粒清選系統(tǒng)、果穗升運器二、發(fā)動機、操控系統(tǒng),以及駕駛室組成,如圖1所示。該機脫粒清選系統(tǒng)與籽粒收集裝置縱向平行布置于機架上,秸稈還田機位于驅動橋和轉向橋之間,整機穩(wěn)定性好,進地一次可完成籽粒收獲和秸稈切碎還田作業(yè)。該機的設計可解決收獲時玉米籽粒含水率較高、易產生大量破碎籽粒的難題。整機主要參數(shù)如表1所示。

1.摘穗臺 2.果穗升運器一 3.前驅動橋 4.秸稈粉碎還田機 5.轉向橋 6.覆蓋件 7.柴油箱 8.籽粒收集裝置 9.脫粒清選系統(tǒng) 10.果穗升運器二 11.發(fā)動機 12.操控系統(tǒng) 13.駕駛室圖1 4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機結構示意圖Fig.1 The structural diagram of 4YL-4 self-propelled corn grain harvester

表1 4YL-4型自走式玉米籽粒收獲機主要參數(shù)Fig 1 Main parameters of 4YL-4 self-propelled corn grain harvester

工作原理如圖2所示。收獲機作業(yè)時,首先經分禾器梳理,玉米植株被導入摘穗臺前部,玉米果穗靠摘穗臺上摘穗裝置左右拉莖輥上的刀片共同作用將玉米莖稈向下抽拉;果穗直徑大于摘穗板間隙被摘下,對刀形拉莖輥在摘穗的同時可實現(xiàn)對莖稈向下拉去和預切,完成預切的莖稈經機器中下部的秸稈還田機粉碎后拋灑到地面上。摘穗臺上的輸送鏈將摘下的玉米果穗運送至摘穗臺攪龍,攪龍將果穗集中輸送至果穗升運器一,果穗經果穗升運器一進入到果穗升運器二輸送至脫粒清選系統(tǒng)完成脫粒和清選工序;處理完成的籽粒進入籽粒收集裝置,脫粒后的穗軸及雜余從機器后部排出。

1.玉米植株 2.被摘下的果穗 3.被拉彎的莖稈 4.果穗升運器一中的果穗 5.果穗升運器二中的果穗 6.進入脫粒滾筒的果穗 7.被脫下的玉米籽粒 8.籽粒收集裝置中的籽粒 9.脫粒后的穗軸和莖稈等雜余 10.被秸稈還田機粉碎的莖稈圖2 工作原理示意圖Fig.2 The diagram of working principle

整機具有以下主要特點：①創(chuàng)新設計縱軸流玉米低損脫粒分離機構,解決玉米脫粒時破碎率高的問題,實現(xiàn)了高效低損脫粒;②脫粒清選系統(tǒng)和籽粒收集裝置平行縱向布置,整機穩(wěn)定性好;③整機采用單縱軸流滾筒,果穗采用上喂入方式,結構簡單可靠;④可一次完成玉米摘穗、脫粒、籽?；厥占坝衩捉斩捛兴檫€田聯(lián)合作業(yè)。

2 主要工作部件設計

2.1 摘穗臺系統(tǒng)[11-13]

摘穗臺是玉米收獲機的關鍵零部件之一,其性能對整機作業(yè)效果有重要影響。摘穗臺的主要作用是將玉米果穗從植株上摘下,并將果穗向后輸送到過橋。目前常用的玉米收獲機摘穗臺摘穗裝置有輥式和板式兩種：板式摘穗臺工作可靠、效率高,收獲后期掉粒少,適合于籽粒收獲;輥式摘穗臺功率消耗小,對不同莖稈的適應范圍更廣,摘穗過程產生的雜質少,自身結構特點決定其具有一定剝皮功能,但收獲后期掉粒損失較大。本設計選用板式摘穗臺系統(tǒng),適應行距為550～650mm。

板式摘穗臺主要由左側分禾器、中間分禾器、摘穗裝置、輸糧攪龍、傳動箱、右側分禾器、撥禾鏈及摘穗臺機架等組成,如圖3所示。傳動箱為整個摘穗臺系統(tǒng)提供動力。收獲作業(yè)時,玉米植株在摘穗臺分禾器梳理引導下進入撥禾鏈,在撥禾鏈的作用下進入摘穗單元前段,繼續(xù)向后撥送;同時,玉米植株在拉莖輥的作用下向下抽拉,果穗直徑大于摘穗板間隙而被摘下,在撥禾鏈作用下向后進入輸糧攪龍。

1.左側分禾器 2.中間分禾器 3.摘穗裝置 4.輸糧攪龍 5.傳動箱 6. 摘穗臺機架 7.撥禾鏈 8.右側分禾器圖3 板式摘穗臺結構示意圖Fig.3 The structural diagram of plate-type header

2.1.1 分禾器

本機有左、中、右3種分禾器,主要作用是引導玉米植株進入摘穗道。收獲作業(yè)時,分禾器前端離地面較近,對倒伏玉米有較好的扶禾作用。

2.1.2 摘穗裝置

為減少損失,提高作業(yè)效率,本機選用板式摘穗裝置。板式摘穗裝置拉莖輥一般由前后兩段組成：前段為螺旋錐體,主要起導入作用;后段為拉莖段,其斷面形狀有四葉輪形、四棱形、六棱形[14]。目前,市場上也有對刀形拉莖輥,有4片或5片拉莖刀板固定在拉莖輥管上,工作時左右拉莖輥上的刀片共同作用將玉米莖稈向下抽拉,對刀形拉莖輥在摘穗的同時可實現(xiàn)對莖稈的切斷,減輕后續(xù)秸稈處理裝置的工作負荷。本機依據(jù)輥管結構選用5片刀的對刀形拉莖輥,其結構如圖4所示。

1.摘穗支架 2.摘穗板 3.右拉莖輥總成

2.2 脫粒裝置[12-15]

1)滾筒結構確定。軸流脫粒滾筒有圓錐形和圓柱形兩種,圓柱形脫粒滾筒設計簡便、加工工藝簡單,故本設計選用圓柱形脫粒滾筒。

2)外形尺寸確定。直徑大的脫粒滾筒可以顯著增加果穗脫粒分離時間和加大凹板的分離面積,進而提高滾筒的脫粒分離能力和生產效率,若脫粒滾筒直徑太小容易發(fā)生纏繞、堵塞等現(xiàn)象。現(xiàn)有收獲機常用滾筒直徑為550～650mm,結合本機結構確定直徑為564mm。

軸流滾筒的長度影響脫出物分離時間,進而影響滾筒的分離能力,長滾筒可有效提高物料的分離效率。本設計采取組合式脫粒滾筒結構,前半段脫粒作用強,后半段分離作用強。資料表明：現(xiàn)有軸流脫粒滾筒工作長度一般為1～3m,本設計縱軸流滾筒結合整機結構尺寸,將脫粒滾筒長度確定為1.7m。

3)脫粒元件選擇和布置[12-13]。脫粒元件主要有釘齒式、板齒式及紋桿式等。釘齒式和板齒式主要靠沖擊力迫使玉米籽粒與穗軸分離完成脫粒,籽粒破碎率較高,但其攪動能力較強,籽粒和雜質的分離效果好。紋桿塊沖擊力較弱,揉搓作用強,脫粒過程主要靠紋桿塊上的凸起與果穗之間及果穗與果穗之間的揉搓作用迫使籽粒與穗軸分離,脫粒作用相對柔和,且果穗通過性能強,生產效率高,但分離能力弱。本文結合二者的特點,設計了組合式脫粒滾筒：滾筒的前部設置有紋桿塊后段設置有釘齒,且紋桿塊和釘齒在滾筒上呈螺旋布置;前段完成大部分籽粒脫粒,后段主要完成籽粒與雜質的分離,且具備一定脫粒功能。脫粒滾筒結構如圖5所示。

2.3 清選系統(tǒng)[16-17]

清選系統(tǒng)也是4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機的重要組成部分,主要由接糧板、上篩、卡槽、振動篩殼體、密封條、下篩及底篩等部件組成。其上篩、下篩裝在振動篩殼體內,靠卡槽固定以便于拆裝更換不同形式的篩網(wǎng),振動篩兩側邊的上方安裝了橡膠條,防止玉米籽粒從振動篩與收獲機之間的縫隙中掉落。振動篩結構如圖6所示。其主要作用是將脫粒凹版掉落的脫出物中的的斷軸、碎屑等雜質清理干凈。

工作時,脫粒滾筒中脫下的玉米籽粒和碎穗軸等雜質通過凹板上的孔隙落到接糧板,再從接糧板滑落到上篩,經上篩的振動篩選,部分碎屑、碎穗軸等雜質被分離出來,在振動篩振動和風機氣流共同作用下向后輸送;大部分籽粒落入接糧斗內,進入下篩的物料經過振動篩和風機二次清選,籽粒和細小雜質落到底篩,碎屑、碎穗軸等較大雜質從機體后部排出,籽粒和細小雜質經底篩進一步清選,籽?；涞郊Z斗,細小雜質從下不排出。物料經過上篩、下篩清選后,大部分雜質與灰塵被清除。

1.接糧板 2.上篩 3.卡槽 4.振動篩殼體 5.密封條 6.下篩 7.底篩圖6 振動篩結構示意圖Fig.6 The structural diagram of vibrating screen

影響振動篩清選性能的主要因素有振動篩篩網(wǎng)型式、振幅、振動頻率及篩網(wǎng)傾角等參數(shù)。 通過對比分析,振幅和振動頻率參考脫粒試驗臺試驗結果確定;清選系統(tǒng)選用選別能力較強、清除雜質效率較高的平面沖孔篩;依據(jù)玉米籽粒直徑尺寸,確定上篩和下篩篩孔優(yōu)先采用φ18mm圓孔。

2.4 液壓系統(tǒng)[18]

4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機的液壓系統(tǒng)由作業(yè)和轉向兩個子系統(tǒng)組成,通過單路穩(wěn)定分流閥分成兩個子系統(tǒng),共用一個液壓油箱和齒輪泵。齒輪泵、單路穩(wěn)定分流閥、油箱總成等元件組成液壓動力源;方向盤、轉向柱、液壓動力源、主控閥、全液壓轉向器及轉向油缸等組成轉向系統(tǒng),控制主機的行走方向,操控位于駕駛室內的方向盤即可控制全液壓轉向器動作實現(xiàn)行走、轉向等動作。

液壓動力源、主控閥、輔助控制閥、摘穗臺油缸、秸稈粉碎還田機油缸、卸糧筒回轉馬達、卸糧筒輔助油缸及行走無極變速油缸等元件組成作業(yè)系統(tǒng)。其中,主控閥除了控制轉向之外,還用于控制摘穗臺、秸稈粉碎還田機的升降、秸稈粉碎還田機升降,輔助控制閥用于控制卸糧筒轉動和升降完成卸糧等動作。液壓系統(tǒng)示原理如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of hydraulic system

2.5 電氣系統(tǒng)[14]

電氣系統(tǒng)是4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機的重要組成部分之一,由電池、發(fā)電機、起動繼電器、電源總開關、組合開關、組合儀表、中央電器盒、線束、燈光照明、喇叭及其他電氣附件組成。啟動電路、充電電路、照明電路和附屬電路組成整機電路系統(tǒng),直流24V電瓶提供電源。

3 田間試驗[19]

4YL-4型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機由山東省農業(yè)機械科學研究院與山東國豐機械有限公司共同開發(fā)研制的,田間試驗的目的是為了檢驗整機工作性能,考察機器在正常作業(yè)條件下生產率、總損失率、籽粒破碎率、籽粒含雜率及秸稈粉碎長度合格率等指標是否達到項目任務書要求。2017年9月,委托機械工業(yè)農業(yè)機械產品質量檢驗中心(濟南)在山東省鄒平縣長山鎮(zhèn)大閆村完成樣機檢測,檢測依據(jù)為《GB/T 21961-2008 玉米收獲機械試驗方法》和項目任務書,檢測結果表明各項指標達到或超過了項目任務書的既定要求。檢測結果如表2所示,田間試驗情況如圖8所示。

表2 主要指標檢測結果匯總表Table 2 Test results of the prototype performance

圖8 田間試驗Fig.8 Field experiment

4 結論

1)設計了自走式玉米籽粒收獲機,該機配置了組合式軸流脫粒滾筒柔性脫粒裝置、高效清選裝置、秸稈還田機,能一次完成摘穗、果穗收集、輸送排雜、低損脫粒及秸稈粉碎還田等作業(yè)。

2)田間試驗結果表明：該機功能高度集成,作業(yè)效率高,操控舒適性好,生產效率高,主要性能指標達到或超過了國家標準和項目任務書要求。

3)應針對黃淮海地區(qū)玉米收獲時含水率高的特點,深入研究脫粒元件與玉米果穗互作機理及脫出物分布情況,優(yōu)化了脫粒清選系統(tǒng)結構和參數(shù),進一步降低了籽粒破碎率,提高了整機作業(yè)效果。