玉米收獲機(jī)關(guān)鍵部件的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求探究

季有昌

（山東科技職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261053）

玉米收獲機(jī)是一種收獲玉米的農(nóng)用機(jī)械。隨著農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)及農(nóng)機(jī)政策的實(shí)施，玉米收獲機(jī)獲得了迅猛的發(fā)展。目前，玉米收獲機(jī)主流產(chǎn)品功能是集摘穗、果穗輸送、果穗剝皮、莖稈粉碎等功能于一體。而玉米收獲機(jī)不同于小麥、水稻等收獲機(jī)械，其具有自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和作業(yè)工況要求。

國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)玉米收獲機(jī)關(guān)鍵部件的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，典型的有[1-3]：于路路發(fā)表的《國(guó)內(nèi)玉米摘穗裝置研究現(xiàn)狀及思考》，對(duì)摘穗裝置的特點(diǎn)與現(xiàn)狀進(jìn)行了研究；倪國(guó)慶發(fā)表的《玉米收獲機(jī)產(chǎn)品重點(diǎn)功能部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素的選擇分析與應(yīng)用探討》，對(duì)摘穗、剝皮、莖桿粉碎這3部分進(jìn)行了研究；陳志發(fā)表的《中國(guó)玉米收獲技術(shù)與裝備發(fā)展研究》，只對(duì)摘穗、剝皮、莖桿粉碎這3個(gè)部分進(jìn)行了探索與研究，未提及駕駛操縱，底盤系統(tǒng)等。

通過對(duì)玉米收獲機(jī)關(guān)鍵零部件的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求、優(yōu)劣勢(shì)等進(jìn)行探究。重點(diǎn)對(duì)摘穗系統(tǒng)、秸稈處理系統(tǒng)、剝皮系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)和駕駛操縱系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析。

1 摘穗系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

1.1 摘穗系統(tǒng)的類型及特點(diǎn)

玉米收獲機(jī)多為對(duì)行收獲，而摘穗工作由割臺(tái)完成，割臺(tái)由分禾器、摘穗輥、輸送攪龍、摘穗齒箱等部分組成[4]。原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的動(dòng)力通過傳動(dòng)皮帶、鏈條等傳遞到摘穗齒箱，摘穗齒箱帶動(dòng)拉莖輥高速旋轉(zhuǎn)，玉米機(jī)前行時(shí)，分禾器將植株分開并扶起，拉莖輥將玉米植株下拉，由拉莖輥摘穗部分將果穗柄部卡斷。摘下的果穗通過輸送攪龍輸送至升運(yùn)器。

拉莖輥是割臺(tái)的重要部件之一。割臺(tái)可分為輥式割臺(tái)、板式割臺(tái)和對(duì)刀割臺(tái)。另根據(jù)行距分為小行距<500mm、常用行距600mm、大行距≥800mm。摘穗臺(tái)特點(diǎn)匯總見表1。

表1 摘穗臺(tái)特點(diǎn)匯總Tab.1 Thesummary of characteristics of cutting platform

輥式割臺(tái)適用于中原地區(qū)青濕玉米的收獲，通過拉莖輥上焊接的摘穗齒卡住果穗根部，旋轉(zhuǎn)的拉莖輥將秸稈拉下實(shí)現(xiàn)摘穗。此拉莖輥轉(zhuǎn)速較高，且對(duì)果穗苞葉具有初步剝落的功能，適用收獲乳熟蠟熟的果穗。晚熟果穗在摘穗時(shí)割臺(tái)會(huì)剝落掉大部分果穗苞葉，根部籽粒易被啃掉造成損失。輥式割臺(tái)斷莖稈較少。

板式割臺(tái)即摘穗板與拉莖輥組合式，特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速較低，適用于東北西北地區(qū)枯熟期玉米收獲，通過拉莖輥上面的六角棱將莖稈拉下，摘穗板卡住果穗柄部實(shí)現(xiàn)摘穗。由于轉(zhuǎn)速低且摘下果穗在通道內(nèi)不易彈跳，因此損失小。此摘穗方式在東北地區(qū)較受歡迎

對(duì)刀割臺(tái)是將板式割臺(tái)上的焊接板設(shè)計(jì)為一組刀片，拉莖時(shí)通過刀片與刀片間預(yù)留的間隙，將莖稈拉下，這種割臺(tái)轉(zhuǎn)速高于前2種，避免了輥式割臺(tái)速度過高時(shí)，莖稈與割臺(tái)間打滑問題，拉莖效率有所提高，收獲效率高，但是斷莖稈多。

1.2 摘穗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及選用原則

設(shè)計(jì)摘穗臺(tái)時(shí)要考慮農(nóng)藝要求，如中原地區(qū)是2季種植，玉米收獲期需考慮小麥的種植期，因此，中原地區(qū)的玉米收獲機(jī)需設(shè)計(jì)拉莖能力強(qiáng)，且不易斷莖稈的摘穗臺(tái)；而東北地區(qū)，多為一年一季的農(nóng)情，玉米收獲時(shí)處于干枯狀，苞葉松且籽粒干燥，需設(shè)計(jì)并配置掉粒少的摘穗臺(tái)。且配置的割臺(tái)行距要與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)情相適應(yīng)。

中原地區(qū)，如河南、山東等黃淮海地區(qū)，耕種方式為一年兩季，小麥玉米輪作，玉米收獲時(shí)莖稈較青，含水率高且脆，所以收獲時(shí)易斷裂，果穗苞葉緊緊包裹于果穗上，建議選用輥式割臺(tái)。

西北，東北等地區(qū)耕種方式多為一年一季，農(nóng)戶不急于收獲，玉米收獲時(shí)莖稈多為枯死狀，葉片斷裂，莖稈含水率低且韌性較好，苞葉多為松散狀態(tài)，建議選用板式割臺(tái)。

而對(duì)刀拉莖輥，適用于對(duì)收獲效率要求高的用戶。

此外，摘下的果穗往升運(yùn)器輸送的方式有攪龍輸送和傳送帶輸送[3]，攪龍輸送效率要優(yōu)于傳送帶效率。

2 秸稈處理系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

2.1 秸稈處理系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)

玉米機(jī)多配置莖稈處理裝置，即還田機(jī)。還田機(jī)是通過高速旋轉(zhuǎn)的刀片將莖稈及苞葉粉碎后拋灑到地面上實(shí)現(xiàn)腐爛還田的裝置。根據(jù)還田機(jī)在玉米收獲機(jī)上的布置，可分為前置式、中置式和后置式。

前置式優(yōu)點(diǎn)：玉米莖稈經(jīng)過拉莖輥后拽到地面上，未經(jīng)輪胎碾壓便粉碎還田了，還田效果好。缺點(diǎn)：還田機(jī)置于割臺(tái)下側(cè)，整機(jī)重心前移，收獲機(jī)以較高速度行駛時(shí)易出現(xiàn)翹尾，另遇到較高的陡坡時(shí)通過性能較差。

中置式優(yōu)點(diǎn)：置于中間部位，便于整機(jī)布置和重心計(jì)算。缺點(diǎn)：莖稈被拉莖輥?zhàn)У降孛婧螅拜喣雺阂徊糠智o稈，部分莖稈粉碎效果差，還田效果稍差。

后置式優(yōu)點(diǎn)：置于整機(jī)最后側(cè)，便于前側(cè)零部件布置。缺點(diǎn)：置于糧倉(cāng)后側(cè)，莖稈經(jīng)過前后輪的雙重碾壓后進(jìn)入還田機(jī)，還田效果最差；后置式使得整機(jī)長(zhǎng)度加長(zhǎng)，轉(zhuǎn)彎半徑大；另傳動(dòng)路線長(zhǎng)且復(fù)雜，設(shè)計(jì)及布置難度均大。

根據(jù)還田機(jī)刀片的形式，分為刀片式和錘爪式[2]。刀片式還田機(jī)多為兩片彎刀夾一片直刀組成一組，刀片兩側(cè)堆焊耐磨材料。當(dāng)一側(cè)刀片磨損嚴(yán)重時(shí)，可將刀片翻轉(zhuǎn)用繼續(xù)切削，目前應(yīng)用較多。但是整個(gè)刀軸所需刀片數(shù)量多，且更換一次成本較高。

錘爪式還田機(jī)在每一組刀架上安裝一個(gè)錘爪，數(shù)量少但耐磨，高速旋轉(zhuǎn)刀軸帶動(dòng)錘爪敲擊莖稈實(shí)現(xiàn)粉碎，還田效果不如刀片式還田機(jī)。數(shù)個(gè)錘爪同時(shí)旋轉(zhuǎn)，整機(jī)振動(dòng)較大，易造成其他零部件損壞，且更換錘爪需重新做動(dòng)平衡[2]。另還田機(jī)對(duì)整機(jī)功率損耗較大。

表2 還田機(jī)特點(diǎn)匯總Tab.2 The summary of the characteristics of the grinder

2.2 秸稈處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及選用原則

還田機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要調(diào)研用戶的需求，且配置時(shí)要適當(dāng)加大安全系數(shù)，如考慮刀片打土?xí)r或刀片在敲擊種植密度較大的玉米地塊時(shí)的工況。

市面上應(yīng)用刀片式還田機(jī)的玉米機(jī)較多，且中置式還田機(jī)占比最大。筆者建議，對(duì)于還田效果要求較高且地塊較平整的地區(qū)，可采用前置式還田機(jī)，而對(duì)于還田效果要求一般，且地塊起伏較大的地區(qū)可選用中置式還田機(jī)，而后置式還田機(jī)缺陷較多，不建議配置。

而錘爪式還田機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率要求較高，且對(duì)其他零部件的質(zhì)量和裝配要求高，各錘爪間互換性差，不建設(shè)選用。

3 剝皮系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

3.1 剝皮系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)

剝皮系統(tǒng)具有重要的地位[5]，剝皮能力太強(qiáng)，則將苞葉剝掉時(shí)，會(huì)將部分籽粒剝掉，給農(nóng)戶造成損失；剝皮能力差，則剝凈率差，果穗運(yùn)回家后，農(nóng)戶需手動(dòng)清理，造成二次勞動(dòng)。剝皮效果是衡量一款玉米機(jī)最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。

剝皮系統(tǒng)中剝皮輥一般成對(duì)存在，主動(dòng)輥和從動(dòng)輥簡(jiǎn)稱為一對(duì)，兩對(duì)稱為一組。目前有2種形式：平輥式和高低輥式。平輥式剝皮機(jī)即所有的剝皮輥處于同一平面上。作業(yè)時(shí)，剝皮輥與果穗的接觸面積小，對(duì)苞葉的揉搓力較小。平輥式剝皮機(jī)多配置星輪壓送器使用。

高低輥剝皮機(jī)，即剝皮輥不處于同一平面上，高低交錯(cuò)排列，且一組輥之間有擋禾稈。避免果穗集中到某一組剝皮上，造成堵塞和剝凈差。高低輥式剝皮機(jī)多配置葉輪壓送器使用。

剝皮輥材質(zhì)有全膠輥，鑄鐵輥和混合輥[6]，平輥多為全膠輥，高低輥多為鐵輥配膠輥使用，不管是哪種輥，在尾段均設(shè)計(jì)有強(qiáng)拉段，能將未剝凈的苞葉強(qiáng)制拉下。

表3 剝皮機(jī)特點(diǎn)匯總Tab.3 The summary of peeling machine characteristics

3.2 剝皮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及選用原則

在設(shè)計(jì)剝皮系統(tǒng)時(shí)，需考慮剝皮輥的材質(zhì)對(duì)苞葉的揉搓特征，另要考慮不同的農(nóng)藝，如種植密度、玉米品種、對(duì)剝凈率和籽粒損失率的要求等。

黃淮海地區(qū)玉米收獲時(shí)，苞葉呈淡黃色，緊緊包裹在果穗上，剝皮時(shí)需較強(qiáng)的揉搓力，可選用高低輥剝皮機(jī)。若種植的是難剝皮的玉米時(shí)，可增加剝皮釘來提高剝凈率。但剝皮釘?shù)氖褂脮?huì)增加籽粒的破損率，用戶可能難以接受。

東北地區(qū)玉米收獲時(shí)，苞葉處于干裂開口狀態(tài)，剝皮時(shí)不需較強(qiáng)的揉搓力，可選用平輥式剝皮機(jī)，并將壓送器調(diào)整至合適的高度即可。

無論哪種剝皮機(jī)，最終是要使用戶滿意為標(biāo)準(zhǔn)。并非中原地區(qū)用戶不能選擇平輥式剝皮機(jī)，東北地區(qū)的用戶不能選用高低輥式剝皮機(jī)。另為了提高糧倉(cāng)的清潔度，均需配置吸雜風(fēng)機(jī)。

4 底盤系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

底盤系統(tǒng)指底盤機(jī)架、前后橋、變速箱的統(tǒng)稱。

4.1 機(jī)架的類型與特點(diǎn)

機(jī)架結(jié)構(gòu)多為框架式，前側(cè)設(shè)計(jì)前橋掛接口，割臺(tái)掛接口等。四周框架有槽鋼式，矩形鋼管式，折彎板式等。

槽鋼式底盤機(jī)架，縱向慣性矩大，不易變形，且液壓管路及電器線束可以沿著槽鋼內(nèi)側(cè)走向。另在槽鋼底盤機(jī)架安裝其他零部件時(shí)，所需螺栓較短。但需要配置方斜墊，螺栓扭矩難以保證。而矩形鋼管式底盤機(jī)架多用于大型玉米機(jī)，整體抗彎強(qiáng)度較大，能適應(yīng)復(fù)雜工況的作業(yè)，另避免了槽鋼焊縫在頻繁振動(dòng)下的開裂。但在布置油管和電器線束時(shí)只能掛接在外側(cè)，增加了設(shè)計(jì)難度，油管易損壞，故適合于左右縱梁間距較大的玉米機(jī)。折彎板式底盤機(jī)架多用于大型的、跨度較大的玉米機(jī)中使用，以及無合適規(guī)格的槽鋼時(shí)使用。

4.2 底盤機(jī)架的設(shè)計(jì)要求及原則

目前槽鋼式底盤機(jī)架應(yīng)用最多，適合于馬力小、整機(jī)質(zhì)量輕的玉米機(jī)，如147 kW以下建議選用槽鋼式底盤機(jī)架。而147 kW以上的玉米機(jī)，整機(jī)質(zhì)量大，建議選用矩形鋼管式或折彎板式結(jié)構(gòu)。折彎板底盤機(jī)架，需投入大型的折彎設(shè)備。

4.3 前后橋的類型與特點(diǎn)

玉米機(jī)前橋用于安裝變速箱，驅(qū)動(dòng)輪胎等，結(jié)構(gòu)有板材焊接式，異形鋼管式等。驅(qū)動(dòng)形式有兩驅(qū)和四驅(qū)兩種[7]。兩驅(qū)驅(qū)動(dòng)橋即由變速箱傳遞的動(dòng)力，通過輸出軸傳遞到邊減箱，邊減箱驅(qū)動(dòng)輪胎旋轉(zhuǎn)。而四驅(qū)驅(qū)動(dòng)橋[7]除驅(qū)動(dòng)前輪外，通過變速箱單獨(dú)輸出一根軸，從前橋?qū)?dòng)力直接傳遞至后橋，同時(shí)驅(qū)動(dòng)后輪前進(jìn)。四驅(qū)式可以保證玉米機(jī)行駛在泥濘的道路和松軟的地塊時(shí)能正常作業(yè)。

后橋用于安裝轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向油缸等。結(jié)構(gòu)有板材焊接式，異形鋼管式，整體鑄造式。

前后橋還有一種可調(diào)輪距式后橋[8]，即可以調(diào)整輪距，以適應(yīng)收割不同行距的玉米。如圖1所示。

圖1 可調(diào)輪距式轉(zhuǎn)向橋Fig.1 The adjustable wheelbase steering bridge

4.4 前后橋的設(shè)計(jì)要求及選用原則

四行及以下行數(shù)的建議采用焊接式前后橋。四行以上玉米機(jī)整機(jī)質(zhì)量大，整機(jī)長(zhǎng)寬高尺寸也大，建議采用異形鋼管式或鑄造式前后橋。

中原地塊平坦地區(qū)，建議選用兩驅(qū)驅(qū)動(dòng)橋。而對(duì)于魯西北等丘陵地區(qū)，地塊位置平坦易積水的地區(qū)，建議選用四驅(qū)驅(qū)動(dòng)橋。

對(duì)于經(jīng)常需跨區(qū)作業(yè)的機(jī)主，建議選用可調(diào)輪距式，以適應(yīng)不同地區(qū)不同行距農(nóng)藝。

底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其他部件的布置，且滿載時(shí)對(duì)機(jī)架的影響。各部件布置時(shí)需滿足力學(xué)要求，且設(shè)計(jì)完成要進(jìn)行有限元分析，找出薄弱點(diǎn)并加。試制完成后，需進(jìn)行磨合試驗(yàn)并進(jìn)一步加強(qiáng)。

5 駕駛操縱系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

5.1 駕駛操縱系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)

駕駛操縱系統(tǒng)主要有機(jī)械傳動(dòng)式、靜液壓傳動(dòng)式。機(jī)械式又分為連稈傳力式和軟軸傳力式[9]。連稈傳力式即變速箱上有換向搖臂和變速搖臂，手柄動(dòng)作通過各級(jí)傳力連稈向變速箱傳遞，最終控制換向及擋位。而軟軸傳力式則通過手柄拉動(dòng)軟軸，軟軸直接帶動(dòng)換向和變速搖臂。而不論是哪種操縱系統(tǒng)，都需配合離合踏板進(jìn)行換擋，在地頭或開道時(shí)需頻繁換擋，增加駕駛員強(qiáng)度。另機(jī)械傳動(dòng)式需設(shè)計(jì)行走皮帶和無級(jí)變速輪傳動(dòng)。

靜液壓系統(tǒng)[10]主要由行走泵和馬達(dá)組成，行走泵由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，通過液壓油傳遞動(dòng)力到行走馬達(dá)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走變速箱，實(shí)現(xiàn)整車前進(jìn)和后退。靜液壓驅(qū)動(dòng)可在一定速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，調(diào)速范圍寬，使發(fā)動(dòng)機(jī)在規(guī)定工況下工作，保證其他部件的恒速工作，對(duì)于收獲不同長(zhǎng)勢(shì)作物時(shí)可隨時(shí)進(jìn)行連續(xù)的速度調(diào)整，提高收獲質(zhì)量。另對(duì)于駕駛員的水平要求不高，地頭作業(yè)和開道時(shí)無需頻繁換擋，且省去了行走皮帶和無級(jí)變速輪。

5.2 駕駛操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及選用原則

中低端機(jī)型，成本是首要因素，建議配置技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，成本低且維護(hù)方便。而對(duì)于短車身玉米機(jī)，空間小，建議優(yōu)先選用軟軸式操縱系統(tǒng)。

而高端機(jī)型或高端客戶，考慮作業(yè)性能的同時(shí)，還要考慮駕乘舒適性，建議考慮靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。但是靜液壓系統(tǒng)對(duì)液壓油油品和密封性要求高。出故障時(shí)查詢?cè)螂y且檢修成本高。

6 結(jié)語

玉米機(jī)作為一種重要的農(nóng)用裝備，它的發(fā)展推動(dòng)著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)程。本文的研究為后續(xù)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)，產(chǎn)品的改進(jìn)及用戶選用玉米機(jī)提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

經(jīng)研究：①河南河北等一年兩作種植區(qū)，可選用輥式割臺(tái)，東北西北等一年一作種植區(qū)，可選用板式割臺(tái)。②在玉米收獲后，需種植小麥或其他蔬菜品種的地區(qū)，選用刀片式中置還田機(jī)或前置還田機(jī)。③收獲時(shí)處于青濕狀態(tài)且苞葉處于緊閉狀態(tài)時(shí)，選用高低輥式剝皮機(jī)；收獲時(shí)苞葉處于開口狀態(tài)時(shí)，可選用平輥剝皮機(jī)。④所處地區(qū)處于地勢(shì)平坦且雨水較多的地區(qū)或玉米地處于丘陵地塊時(shí)，可選用四驅(qū)底盤，反之選用兩驅(qū)底盤。若玉米收獲機(jī)需經(jīng)常跨區(qū)作業(yè)，則配置可調(diào)輪距式底盤。

另玉米收獲機(jī)在設(shè)計(jì)前，要做好充分調(diào)研，了解各地區(qū)用戶對(duì)于功能的要求及期待，產(chǎn)品試制后，要讓用戶試用并提出存在的問題，進(jìn)一步改進(jìn)。只有掌握了用戶具體要求后，才能設(shè)計(jì)出實(shí)用且具有賣點(diǎn)的產(chǎn)品。

文中所述大多為筆者多年農(nóng)機(jī)研究的經(jīng)驗(yàn)積累和試驗(yàn)所得，具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。能滿足大部分的情況，但是，目前我國(guó)玉米品種雜多，且種植方式雜亂，因此文中觀點(diǎn)并非適用于所有情況，僅做建議，有失偏頗之處請(qǐng)指正。