4YZ-3B型自走式玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

燕 麗

(山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原030002)

0 引言

玉米作為我國3大類農(nóng)作物之一，在糧食生產(chǎn)中占有極其重要的地位。近幾年，隨著山西省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，玉米種植面積逐年上升，據(jù)統(tǒng)計(jì)2019年已達(dá)到171.5萬hm2，是山西省第1大糧食作物，是農(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)收入來源。目前，玉米收獲機(jī)械化程度不高，約為65%，而且受玉米種植地域跨度大、氣候環(huán)境變化大、農(nóng)藝生產(chǎn)作業(yè)習(xí)慣及玉米種植品種不同的影響，玉米莖稈、籽粒含水率有很大差異，特別是成熟度較高的玉米收獲時(shí)，易造成玉米機(jī)收作業(yè)過程中存在斷莖、夾帶、堵塞等問題，導(dǎo)致玉米機(jī)械化收獲時(shí)出現(xiàn)果穗含雜率、籽粒破碎率、苞葉剝凈率和苞葉夾帶籽粒等關(guān)鍵指標(biāo)不能很好滿足要求。為了適應(yīng)山西省內(nèi)地域農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的要求，進(jìn)一步提高玉米收獲機(jī)械化水平，結(jié)合山西省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備引進(jìn)試驗(yàn)項(xiàng)目(JNJK2020-03)科技專項(xiàng)的實(shí)施，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型4YZ-3B型自走式玉米收獲機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

4YZ-3B型自走式玉米收獲機(jī)一次可以完成摘穗、剝皮、果穗集裝和秸稈粉碎還田等作業(yè)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

1.2工作原理

4YZ-3B型自走式玉米收獲機(jī)行走作業(yè)時(shí)，收獲機(jī)沿玉米行間行走，帶穗的玉米莖稈在撥禾鏈的扶持下引入縱向傾斜配置的摘穗輥間隙中，相向旋轉(zhuǎn)的摘穗輥不斷將莖稈向下方拉送。由于果穗直徑較大，不能通過摘穗輥的間隙而被摘穗鉤摘下，使得玉米穗與莖稈分離，玉米穗落入升運(yùn)器內(nèi)。升運(yùn)器將玉米穗輸送到剝皮機(jī)內(nèi)，由于剝皮輥相向轉(zhuǎn)動(dòng)，將果穗外面的苞葉搓開、夾持、拉下，被剝下來的苞葉和隨著苞葉一起脫落的籽粒掉在清選篩上，在清選篩往復(fù)抖動(dòng)和清選風(fēng)機(jī)作用下，苞葉被推出剝皮機(jī)，籽粒掉入下面的糧箱。剝過皮的玉米穗被壓穗輪、甩穗輪拋入果穗箱。摘掉玉米穗的莖稈被割臺(tái)下方的秸稈粉碎裝置粉碎灑在地面，實(shí)現(xiàn)秸稈還田。機(jī)組在行走和作業(yè)時(shí)分別操作液壓手柄，實(shí)現(xiàn)割臺(tái)的升降。果穗集裝箱裝滿后，通過操作液壓手柄實(shí)現(xiàn)果穗集裝箱的降落與升起，完成玉米穗的裝卸[2]。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

玉米收獲機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1關(guān)鍵技術(shù)

按照玉米不同種植農(nóng)藝要求，該機(jī)關(guān)鍵技術(shù)如下。

(1)配套動(dòng)力83 kW、摘穗機(jī)構(gòu)為3行、割幅1 665～2 015 mm可調(diào)的自走式玉米收獲機(jī)，可一次完成摘穗、輸送果穗、果穗集箱和秸稈粉碎還田作業(yè)，適合不同地塊的平穩(wěn)收獲。

(2)采用自走底盤，達(dá)到整機(jī)配置合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重心低和機(jī)動(dòng)靈活。

(3)該機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)在前、后橋中間，橫向低位放置。

(4)驅(qū)動(dòng)橋變速箱8+2擋，適應(yīng)不同作業(yè)速度的玉米收獲作業(yè)要求，適應(yīng)不同種植標(biāo)準(zhǔn)的玉米收獲作業(yè)要求[3]。

(5)采用左側(cè)卸糧裝置，駕駛員視線好，安全性能提高，同時(shí)作業(yè)效率也有所提高。

2.2技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)割臺(tái)采用摘穗輥，收獲損失小、籽粒破碎率低，特別是在輸送接口上下空間尺寸調(diào)整后，基本無掉粒和籽粒破碎現(xiàn)象。

(2)采用在果穗輸送通道中增加了徑向風(fēng)機(jī)，對(duì)摘穗作業(yè)過程中產(chǎn)生的莖稈、苞葉進(jìn)行強(qiáng)制清雜，實(shí)現(xiàn)提高果穗清雜能力的功能。

(3)剝皮機(jī)采用高低輥的組合方式，提高了剝皮效率，外加壓送器等裝置的共同作用，使果穗剝皮過程更加順暢，在剝皮機(jī)下面配有二次回收裝置，降低了籽粒的損失率，同時(shí)配備振動(dòng)式出皮機(jī)構(gòu)，使出皮更加順暢，有效減少籽粒破碎率及籽粒損失率。

(4)粉碎機(jī)和割臺(tái)可以一體升降又可單獨(dú)操作，適應(yīng)性好。

3 總體設(shè)計(jì)及主要部件設(shè)計(jì)

3.1總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本機(jī)設(shè)計(jì)為3組摘穗工作部件，割幅為1 665～2 015 mm?？紤]到機(jī)動(dòng)性能和通過性能，機(jī)組總長小于6 400 mm，底盤外形寬度1 750 mm，機(jī)組高度3 000 mm，軸距2 220 mm?？傮w設(shè)計(jì)布局采用前置玉米收獲割臺(tái)和甩刀式切碎器，輸送槽位于中間位置，操縱部分及駕駛員乘坐設(shè)計(jì)在前驅(qū)動(dòng)輪正上方，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)在兩軸中間位置，剝皮機(jī)設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)上方，集穗箱設(shè)計(jì)在機(jī)組后部，為了方便卸穗，集穗箱設(shè)計(jì)為向左側(cè)翻。

3.2底盤設(shè)計(jì)

該機(jī)自走底盤的驅(qū)動(dòng)橋前置，轉(zhuǎn)向橋后置，為適合山區(qū)道路采用四輪驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)橋與轉(zhuǎn)向橋在設(shè)計(jì)中考慮到農(nóng)田道路的坡陡、顛簸、沖擊等實(shí)際情況，設(shè)計(jì)承載能力、驅(qū)動(dòng)輪最大扭矩有較大的儲(chǔ)備性能[4-5]。

為提高機(jī)組的整體剛性和強(qiáng)度，主要底盤機(jī)架采用16#槽鋼整體焊接。

發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)動(dòng)力輸出皮帶輪帶動(dòng)行走變速箱離合器皮帶輪驅(qū)動(dòng)行走，發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)動(dòng)力輸出分為3組，一組向前輸入給割臺(tái)，一組向上帶動(dòng)風(fēng)機(jī)皮帶輪并將動(dòng)力傳給剝皮機(jī)，還有一組傳給割臺(tái)下方的秸稈粉碎裝置，完成動(dòng)力輸出[6-7]。

3.3割臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

收割臺(tái)主要由摘穗輥、撥禾鏈、割臺(tái)齒輪箱和收割臺(tái)架等組成，割臺(tái)由液壓系統(tǒng)控制升降，如圖2所示。

摘穗裝置是收獲機(jī)的關(guān)鍵部分，它的主要功能是將玉米莖稈在撥禾鏈扶持下導(dǎo)入摘穗輥的間隙中，將帶穗玉米莖稈拉下并將果穗從莖稈上摘下落入輸送槽中。

機(jī)組在向前行進(jìn)的過程中，分禾角自然插入玉米稈之間，將玉米稈分撥到分禾角的兩側(cè)，并隨著分禾角的前進(jìn)，玉米稈分別靠在分禾角兩側(cè)向后滑移，隨即進(jìn)入導(dǎo)禾區(qū)，進(jìn)入導(dǎo)禾區(qū)的玉米稈在撥禾鏈撥齒的撥動(dòng)作用下，被強(qiáng)制撥入一對(duì)摘穗輥之間。在摘穗?yún)^(qū)內(nèi)，撥禾鏈撥齒向后撥送，同時(shí)導(dǎo)入錐將玉米稈引入一對(duì)摘穗輥之間，玉米稈在一對(duì)摘穗輥的作用下強(qiáng)制向下拉動(dòng)，在向下拉動(dòng)的同時(shí)玉米果穗被摘穗輥摘下，果穗從莖稈上摘下落入小輸送槽，摘穗后的玉米稈被拉莖輥拉回地面，完成割臺(tái)摘穗過程。臥式摘穗輥如圖3所示。

1.強(qiáng)拉段 2.摘穗段 3.導(dǎo)錐 4.摘穗輥間隙調(diào)節(jié)軸承 5.螺紋凸棱圖3 臥式摘穗輥Fig.3 Horizontal picking roller

3.4秸稈粉碎機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)在割臺(tái)下方設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑440 mm的玉米秸稈粉碎機(jī)，如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮充分利用割臺(tái)下方空間和方便傳遞動(dòng)力，設(shè)計(jì)了甩刀式粉碎機(jī)，粉碎機(jī)和割臺(tái)可以一體升降又可單獨(dú)操作，割臺(tái)可以降到最低收獲200 mm以下的低結(jié)穗玉米，大大減少了割臺(tái)玉米果穗的丟失[8]。

圖4 秸稈粉碎機(jī)外形Fig.4 Shape of straw crusher

秸稈粉碎機(jī)的作用是當(dāng)收獲的玉米結(jié)穗高度比較大、秸稈比較高時(shí)，秸稈量比較大，通過粉碎機(jī)對(duì)秸稈進(jìn)行粉碎以便于收獲作業(yè)。

3.5剝皮機(jī)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)快速玉米收獲作業(yè)，剝皮機(jī)設(shè)計(jì)了3組剝皮輥，剝皮輥工作長度大于950 mm，傾斜度為4°，每秒鐘可以剝皮將近20個(gè)玉米穗，滿足機(jī)組6～7 km/h的高速收獲作業(yè)。剝皮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 剝皮機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of peeling machine

剝皮裝置是將升運(yùn)器輸送來的果穗苞葉分離，并將剝下的苞葉，以及摘穗過程中產(chǎn)生的斷莖稈、莖葉、雜物排出的工作部件。

剝皮裝置主要由果穗壓送機(jī)構(gòu)、剝皮機(jī)構(gòu)、清選機(jī)構(gòu)、回收糧倉和機(jī)架等組成。為了提高苞葉剝凈率，降低對(duì)籽粒的啃傷，增強(qiáng)果穗在剝皮機(jī)內(nèi)流動(dòng)性，剝皮輥采用3組平面布置，前端剝皮輥采用鐵輥+橡膠輥組合，后端全部為橡膠輥[9]。剝皮輥上方布置有4道果穗壓送器，剝皮輥下方有清選篩，清選篩下面有籽?；厥諅}。

該剝皮機(jī)剝皮輥采用高低輥的組合方式，剝皮效果好，如圖6所示。采用可調(diào)式張緊彈簧，可根據(jù)不同地區(qū)玉米種植行距、品種，調(diào)節(jié)剝皮輥之間的間隙，增加剝皮機(jī)的適應(yīng)性。采用振動(dòng)篩式排雜裝置，增加回收箱，使脫落籽粒與苞葉充分分離，通過篩網(wǎng)落入到回收箱內(nèi)，大大減小籽粒損失率。

圖6 剝皮輥示意Fig.6 Schematic diagram of peeling roller

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

樣機(jī)在不同地區(qū)、不同農(nóng)藝種植模式下進(jìn)行了大量的性能試驗(yàn)，對(duì)存在的問題有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，共性問題從根本上得到解決，實(shí)現(xiàn)了機(jī)具的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

4YZ-3B型自走式玉米收獲機(jī)在標(biāo)定持續(xù)作業(yè)量、籽粒含水率為25%～35%、果穗下垂率<15%、結(jié)穗高度>35 cm的條件下，各項(xiàng)指標(biāo)及性能達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，如表2所示[10-11]。

表2 主要性能指標(biāo)

5 結(jié)論

4YZ-3B型自走式玉米收獲機(jī)解決了影響山西省及相似氣候地理?xiàng)l件、種植方式地區(qū)的玉米收獲環(huán)節(jié)中配套機(jī)具不足的問題，與國內(nèi)同類型產(chǎn)品比較具有以下特點(diǎn)。①結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，采用自走底盤配置前置甩刀式收獲割臺(tái)，克服了驅(qū)動(dòng)輪碾壓秸稈還田效果差的問題。②該機(jī)總長6 330 mm，軸距2 220 mm，轉(zhuǎn)彎半徑小，機(jī)動(dòng)靈活。③性能穩(wěn)定可靠，適用性廣，能滿足不同作業(yè)速度、不同種植標(biāo)準(zhǔn)的玉米收獲作業(yè)要求。④剝皮效率高，籽?；厥章矢?，總損失小。對(duì)推進(jìn)山西省玉米生產(chǎn)機(jī)械化水平的發(fā)展，提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化裝備水平，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要意義，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。