4YZZ-2型小型籽粒玉米收獲機(jī)的設(shè)計(jì)研究

吳瑤瑤

（襄垣縣仁達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司，山西 襄垣 046200）

最近幾年我國籽粒玉米收獲機(jī)研制情況看，基本都是三行、四行大中型機(jī)型，其長度均在6～7 m 以上，寬度均在2～3 m。而我國北方玉米主產(chǎn)區(qū)70%的地塊處于丘陵山區(qū)，大型籽粒玉米收獲機(jī)不適應(yīng)其田間道路，小型地塊進(jìn)不去或掉頭不方便，急需研制一種小型籽粒玉米收獲機(jī)。

由襄垣仁達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的4YZ-2 型小型自走式玉米收獲機(jī)其綜合性能在國內(nèi)屬于領(lǐng)先水平，獲得多個(gè)國家實(shí)用新型專利和山西省科技成果獎(jiǎng)，2012年正式投產(chǎn)以來累計(jì)生產(chǎn)了超1×104臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，2017年提出了在原機(jī)型基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)小型籽粒玉米收獲機(jī)，設(shè)計(jì)出了基本布局和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并申報(bào)了國家實(shí)用新型專利，2018年3 月5 日，取得實(shí)用新型專利證書，專利代號(hào)為：ZL 2018 2 0301030.X。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收獲機(jī)可一次性完成摘穗、秸稈粉碎、玉米穗脫粒、玉米芯粉碎、玉米籽粒輸送收集等作業(yè)。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Machine structure drawing

1.2 工作原理

當(dāng)4YZZ-2 型小型玉米籽粒收獲機(jī)進(jìn)入田間作業(yè)時(shí)，先將玉米割臺(tái)、秸稈粉碎機(jī)降低到適合收獲作業(yè)的高度，結(jié)合工作張緊離合器，使各工作部件處于工作狀態(tài)進(jìn)入田間開始工作，玉米割臺(tái)摘下的玉米穗掉入輸送槽，被輸送槽刮板帶入玉米脫粒機(jī)喂入口，在玉米脫粒機(jī)的脫粒滾筒上焊接的圓頭釘齒抓取、打擊，與柵格凹篩相互揉搓擠壓作用下，打碎的玉米包皮等輕質(zhì)雜余被除雜風(fēng)機(jī)抽出粉碎室，大塊的玉米芯被推送到粉碎室后部排到玉米芯粉碎機(jī)絞龍上，玉米穗上的籽粒被強(qiáng)制脫下來，在滾筒釘齒打擊和離心力作用下，穿過柵格凹篩掉入下方的兩層清選篩箱，在曲柄機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)、清選風(fēng)機(jī)的氣流作用下，上層的魚鱗篩將玉米芯和較大的輕質(zhì)雜余篩出篩箱掉入玉米芯粉碎機(jī)，被粉碎后從側(cè)面排出去，落入地面。玉米籽粒及部分小的輕質(zhì)雜余落在下層細(xì)篩上，玉米籽粒落入接籽斗，較小的輕質(zhì)雜余被風(fēng)機(jī)吹出篩箱外，也落入玉米芯粉碎機(jī)輸送絞龍送到玉米芯粉碎機(jī)被粉碎排到地面，落入接籽斗的玉米籽粒由接籽斗絞龍推送到右側(cè)，被上糧絞龍送入籽粒箱，當(dāng)籽粒箱裝滿時(shí)，被籽粒箱絞龍推送到左側(cè)，由卸糧絞龍將玉米籽粒卸到拉送籽粒的車廂里，完成玉米籽粒收獲全過程。

1.3 整車主要技術(shù)參數(shù)

4YZZ-2型自走式籽粒玉米收獲機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 整車主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The main design parameters of the vehicle

2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收獲機(jī)是在原4YZ-2 兩行玉米收獲機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)相適應(yīng)的玉米籽粒脫粒機(jī)、清選篩和玉米芯粉碎機(jī)。該機(jī)關(guān)鍵技術(shù)如下。

第一，目前國內(nèi)生產(chǎn)的玉米脫粒機(jī)以及與玉米收獲機(jī)配套的玉米脫粒機(jī)大都采用釘齒與鋼板沖孔式凹篩，該結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本低，缺點(diǎn)一是鋼板沖孔式凹篩沖孔邊沿有棱角，在脫粒過程中玉米籽粒碰到棱角時(shí)很容易造成破碎；二是鋼板沖孔凹篩一般采用2～3 mm 厚鋼板沖孔，凹篩強(qiáng)度剛度比較低，玉米果穗擠壓脫粒時(shí)容易造成變形，反復(fù)變形容易使凹篩產(chǎn)生裂紋直至損壞，對于大功率高效率的玉米籽粒收獲機(jī)不適應(yīng)。為了避免這個(gè)問題，在設(shè)計(jì)柵格凹篩時(shí)采用?12 圓鋼焊接成而成，在脫粒過程中，釘齒與柵格凹篩相互作用都是圓弧面擠壓玉米穗，沒有棱角，大大降低了玉米籽粒的破碎率。

第二，設(shè)計(jì)清選機(jī)構(gòu)時(shí)，由于玉米割臺(tái)在收割玉米時(shí)玉米秸稈以及少量玉米穗包皮已經(jīng)被摘穗輥拉下粉碎了，喂入脫粒機(jī)的只剩帶少量玉米包皮的玉米穗，谷草比數(shù)值比較大，經(jīng)測量試驗(yàn)谷草比為1∶0.4 左右，因此省略了逐稿器機(jī)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)大為簡化。為了提高玉米籽粒的清潔度，本機(jī)設(shè)計(jì)了雙層清選篩，上層粗篩采用可調(diào)魚鱗片篩，特點(diǎn)是篩片開度可調(diào)節(jié)，引導(dǎo)氣流吹走從凹篩上掉下來的玉米包皮和碎玉米芯，清選性能好，篩面不容易堵塞，生產(chǎn)效率高，通用性強(qiáng)。下層篩采用孔為25 mm×25 mm 鋼絲編織篩，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，篩孔有效面積大，生產(chǎn)率高，篩箱結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。

圖2 清洗篩簡圖Fig.2 Cleaning screen schematic

第三，玉米穗在脫粒過程中，玉米包皮以及玉米芯被清選篩篩出后，由于形狀還有點(diǎn)大，撒到地里影響還田腐爛，也不好看，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)軸流式玉米芯粉碎機(jī)，清選篩篩出的玉米芯及果穗皮掉入螺旋絞龍，由螺旋絞龍推送到粉碎室吸入盤，粉碎室壁上固定的定刀和粉碎滾筒上固定的動(dòng)刀相互作用，將玉米芯及玉米皮撕扯粉碎成絮狀，被后部拋揚(yáng)輪拋出機(jī)外，落入土地表面。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

第一，在原4YZZ-2 成熟機(jī)型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，保留了原來的玉米割臺(tái)、輸送槽、行走底盤、工作主傳動(dòng)離合器，增加了玉米脫粒機(jī)、清選風(fēng)機(jī)、清選篩、除雜風(fēng)機(jī)、玉米芯粉碎機(jī)、上糧結(jié)構(gòu)、籽粒箱以及相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局合理，外形尺寸、整機(jī)質(zhì)量、重心高度、生產(chǎn)成本不超過原機(jī)型，使其整體性能保留了原來的機(jī)動(dòng)性能、通過性能，還有所提高。既適用丘陵山區(qū)收獲作業(yè)，也適應(yīng)平川地區(qū)收獲作業(yè)。

第二，由于兩行玉米收獲機(jī)寬度較小，橫向穩(wěn)定性稍微欠缺，因此在整體結(jié)構(gòu)布局采用基本對稱設(shè)計(jì)，整機(jī)重心盡量降低，提高小型籽粒玉米收獲機(jī)的橫向穩(wěn)定性。

第三，采用?12 圓鋼整體焊接，適合玉米脫粒的脫粒凹篩，使玉米籽粒破碎率大大降低，脫粒性能指標(biāo)有很大提高，凹篩使用壽命比沖孔凹篩延長3～5倍。

第四，設(shè)計(jì)了玉米芯及玉米穗包皮粉碎機(jī)，使之除玉米籽粒回收外，全部秸稈、玉米芯、玉米穗包皮全部粉碎還田，地表面沒有殘茬留存。

3 總體設(shè)計(jì)及主要部件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

3.1.1 外形尺寸確定

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)主導(dǎo)思想就是外形尺寸不超過4YZ-2 型自走式玉米收獲機(jī)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量、重心高度以及制造成本不超過原型機(jī)，保留了原型機(jī)的基本性能，甚至有些性能要超過原型機(jī)。

3.1.2 整體結(jié)構(gòu)布局確定

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收獲機(jī)是在原型機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的，玉米割臺(tái)、秸稈粉碎機(jī)、輸送槽、自走底盤、柴油機(jī)、工作離合器還是原部件，位置不動(dòng)。玉米脫粒機(jī)、清選機(jī)構(gòu)在縱向中間上下布置，籽粒箱在機(jī)組后部，清選篩和籽粒箱中間布置玉米芯粉碎機(jī)。

3.2 玉米脫粒機(jī)設(shè)計(jì)

3.2.1 喂入量確定

本機(jī)的工作速度為最大5 km/h，工作幅寬為1.3 m，每秒工作最大面積為1.8 m2。

玉米單產(chǎn)按750 kg/0.067 hm2計(jì)算，喂入脫粒機(jī)的只是帶部分包皮的玉米穗，經(jīng)試驗(yàn)測算谷草比為1∶0.4，總喂入量為1 050 kg/0.067 hm2。

脫粒機(jī)喂入量為2.83 kg/s。

3.2.2 分離凹篩尺寸的確定

玉米脫粒機(jī)的生產(chǎn)率與分離凹篩的通過量有關(guān)，由分離凹篩的面積確定。分離凹篩生產(chǎn)率，Q的計(jì)算公式為：

式中：B——分離凹篩寬，m；S——分離凹篩總弧長，m；q1——單位凹篩面積能承擔(dān)的脫出物量，kg/（s·m2）。本結(jié)構(gòu)采用圓鋼整體焊接凹篩，強(qiáng)度高，漏空率高，取5；η——利用系數(shù)，取0.8。

經(jīng)計(jì)算，分離凹篩生產(chǎn)率為2.86 kg/s，大于最大喂入量。在脫粒過程中，打碎的玉米皮被粉碎室除雜風(fēng)機(jī)抽出粉碎室，大塊的玉米芯被推送到粉碎室后部，掉到玉米芯粉碎機(jī)絞龍上，穿過粉碎凹篩的玉米籽粒低于計(jì)算喂入量。

3.2.3 脫粒滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使脫粒滾筒強(qiáng)度高、堅(jiān)固耐用，采用整體焊接設(shè)計(jì)。四排釘齒間隔螺旋排列，脫粒打擊均勻，節(jié)省功率消耗。脫粒釘齒采用低碳鋼鑄造成型，圓頭部采用滲碳淬火，硬度達(dá)到HRc45—50，使脫粒滾筒壽命達(dá)到3 年以上。玉米脫粒機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 玉米脫粒機(jī)簡圖Fig.3 Sketch of corn sheller

3.3 清選篩設(shè)計(jì)

第一，設(shè)計(jì)清選機(jī)構(gòu)時(shí)，由于玉米割臺(tái)在收割玉米時(shí)玉米秸稈和部分玉米穗包皮已經(jīng)被摘穗輥拉下粉碎了，喂入脫粒機(jī)的只剩帶少量玉米包皮的玉米穗，谷草比數(shù)值比較大，因此省略了逐稿器機(jī)構(gòu)。

第二，為了提高玉米籽粒的清潔度，本機(jī)設(shè)計(jì)了雙層清選篩，上層粗篩采用可調(diào)魚鱗片篩，特點(diǎn)是篩片開度可調(diào)節(jié)，引導(dǎo)氣流吹走從凹篩上掉下來的玉米包皮和碎玉米芯，清選性能好，篩面不容易堵塞，生產(chǎn)效率高，通用性強(qiáng)。下層篩采用孔為25 mm×25 mm 鋼絲編織篩，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，篩孔有效面積大，生產(chǎn)率高，其結(jié)構(gòu)見圖2。

第三，清選篩尺寸設(shè)計(jì)確定。小型籽粒玉米收獲機(jī)最大的特點(diǎn)就是突出一個(gè)外形尺寸小，機(jī)動(dòng)靈活，能夠方便的適應(yīng)丘陵山區(qū)各種地塊和田間道路，因此在設(shè)計(jì)清選篩尺寸時(shí)必須在滿足籽粒清潔度、損失率要求的前提下，盡量減少篩箱的長度，利于整體結(jié)構(gòu)布局。清選篩尺寸主要是篩子面積（長×寬），本機(jī)在寬度設(shè)計(jì)上限制小，寬度可達(dá)800 mm，篩子的長度L可由下式求得：

式中：Q——脫粒機(jī)喂入量，kg/s。由柵格凹篩掉到篩面上的玉米籽粒及雜物已經(jīng)低于脫粒機(jī)的實(shí)際喂入量，篩面喂入量調(diào)整為2.4（谷草比1∶0.2）

q1——篩子面積可以承擔(dān)的谷粒混合物喂入量kg/（s·m2），查農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊，可調(diào)節(jié)魚鱗篩和編織篩約為1.5～2.5 kg/（s·m2），魚鱗篩要比編織篩能承擔(dān)更大喂入量，取2.5。

根據(jù)計(jì)算以及實(shí)際結(jié)構(gòu)空間，本篩有效長度設(shè)計(jì)為1 280 mm。

4 結(jié)論

4YZZ—2型自走式籽粒玉米收獲機(jī)主要有以下特點(diǎn)。

第一，外形尺寸小，在各個(gè)主要工作部件充分符合性能要求的基礎(chǔ)上，總長度不超過6 m，寬度不超過1.5 m，在國內(nèi)屬于最小的玉米籽粒收獲機(jī)機(jī)型，機(jī)動(dòng)性能好，爬坡能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)彎半徑小，能夠適應(yīng)丘陵山區(qū)各種田間道路和小塊地作業(yè)。

第二，與原來生產(chǎn)的兩行玉米收獲機(jī)大部分都通用，割臺(tái)、底盤、輸送槽都保留了原來結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)圓錐齒輪、傳動(dòng)箱也采用原零部件，通用件多。玉米籽粒收獲機(jī)的主要工作部件，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，整機(jī)質(zhì)量要比原機(jī)型降低200 kg 以上，投入批量生產(chǎn)，三包成本低，企業(yè)生產(chǎn)成本低。投入市場的話農(nóng)民購買成本低，三包維護(hù)方便。

第三，與玉米籽粒收獲機(jī)相關(guān)的主要工作部件如玉米脫粒機(jī)、清選篩、玉米芯粉碎機(jī)，在設(shè)計(jì)中克服國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的一些缺陷，結(jié)構(gòu)合理，性能穩(wěn)定，強(qiáng)度高，主要性能指標(biāo)符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。