4YZP-2型自走式玉米收获机设计与试验研究

李　金，王东伟，张广军，韩　坤

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109)



4YZP-2型自走式玉米收获机设计与试验研究

李金，王东伟，张广军，韩坤

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109)

摘要：针对我国现有玉米联合收获机集成度不够、剥净率不高、生产效率较低、秸秆破碎效果差等突出问题，研制出适宜黄淮海地区不同行距的玉米机械化联合收获机。通过调研并借鉴已有技术，应用三维建模和机械优化设计理论，创制出平滑V型对置式拨禾链轮摘穗机构，确定了秸秆与装置相互作用的技术参数，分析了升运与果穗喂入量的动态关系，设计出短距集中式升运装置，发明了W型橡胶辊与铸铁辊间隔式剥皮装置，建立了玉米果穗在剥皮过程中受力情况的力学模型。集成设计出的两行自走式玉米收获机经山东省农业机械试验鉴定站检测，总损失率小于2.5%，生产率大于0.25hm2/h，摘果率高于95%，满足工作要求。

关键词：玉米；收获机；剥皮机 ；自走式

0引言

两行玉米收获机根据其工作方式的不同主要分为背负式和自走式。4YZP-2型玉米收获机是为了适应我国现阶段玉米种植地块较小、种植行距不统一及现有机器作业时转弯不灵活等问题而设计的[1]。

该机器在设计时，对已有技术进行了重大的改进和创新：对茎秆切穗装置采用前置式，避免了机器对玉米秸秆的碾压，同时也能减小机器从玉米秸秆上摘下果穗的拉拽力，降低能量的消耗；玉米果穗升运器采用中置式，不仅使得机器的整体结构更加紧凑，而且减少了玉米果穗从割台端部到运送器槽口的距离，提高了运送的效率；剥皮装置采用铸铁辊和橡胶辊相组合的W型分布式，既能解决纯铸铁辊造成的漏剥严重的问题，同时也能避免纯橡胶辊对玉米籽粒伤害较大的弊端。另外，剥皮辊在剥皮的过程中配合运送器工作，在保证剥皮效果的同时也能使剥皮效率大幅提高[2]；集穗箱采用液压油缸侧翻式，在工作过程中，当玉米果穗充满集穗箱时，机器可以通过集穗箱侧翻的形式将剥过皮的玉米果穗倒入运粮车中，极大地降低了劳动强度。4YZP-2型玉米收获机对于满足现阶段玉米收获的需求、提高玉米收获机械化程度具有极大的意义[3]。

1整体布局与工作原理

4YZP-2型自走式玉米收获机由割台、还田装置、升运器、剥皮装置、集穗装置、底盘大架、传动系统及行走装置等组成，如图1所示[4]。

1.割台　2.驾驶室　3.升运器　4.剥皮机　5.集穗箱

割台位于整个机器的前端，能够将不对行的玉米植株进行聚拢，在割台的下方有茎秆切碎装置，能够将玉米秸秆切碎[1]；升运器位于割台中部和后端剥皮机之间，能够将割台摘下的玉米果穗运送到剥皮机中；在倾斜的升运器上方配有驾驶室[5]，发动机安放在紧挨着驾驶室的后侧支架上，给整个机器工作时提供动力；在发动机的后侧是排杂装置，其上方是剥皮装置，玉米果穗经剥皮装置剥皮之后通过排杂装置将玉米苞叶排除车外；在整个机器的最后面是集穗装置，其前面与剥皮装置相连，主要起集穗作用。

玉米收获机的工作原理：启动机器后，发动机带动机器割台工作，割台两端的摘穗辊运转，将拨禾轮聚拢的玉米植株上的果穗摘掉；与此同时，割台下端的茎秆切碎装置将玉米秸秆切断；摘掉的玉米果穗通过割台上的搅龙运送到运送器，通过运送器将玉米果穗运送到剥皮装置[1]；剥皮装置将玉米果穗剥皮后运送到集穗箱；当玉米果穗装满集穗箱时，通过安装在集穗箱前后两侧的液压杆将整个集穗箱侧翻倒入运粮车中，完成整个工作过程。

2关键部件的设计

2.1摘穗装置的设计

摘穗装置在整个玉米收获机中占有十分重要的地位，是实现玉米果穗与秸秆分离和影响玉米收获机的摘净率的关键部件之一[6]。

设计的摘穗辊分布在割台的左右两侧，两两配合为一组，安装时上下错开一定的距离，可以大幅提高摘穗的效率。

由于同一地块的不同玉米植株的高度不尽相同，相同高度的玉米植株上果穗的离地高度也不尽相同。因此，确定合适的摘穗辊长度和摘穗辊的倾角，满足不同离地高度的玉米果穗的摘穗要求，是摘穗装置需要重点设计的内容。

为了方便研究，假定在摘穗的过程中秸秆做等速平移运动而不转动，这种假定造成的误差可在最终研究结果中适当调整长度作为补偿。试验证明：这种设计方法是可行的，能够满足实际的生产要求，同时也能大大简化设计的难度。因此，采用这种假设来计算摘穗辊的长度。

摘穗工作状态如图2所示。依据上面的假设，想在摘穗的过程中不造成漏摘的现象，必须在摘穗工作状态2时恰好完成摘穗。因此，通过计算可以确定摘穗辊工作部分的最小长度为

Lmin=Lw·sinφ

(1)

根据对黄淮海地区玉米植株的大量的统计，在工作过程中，摘穗辊工作段被拉过的茎秆长度Lw一般在500～800mm之间，也有特殊的可达到1 000mm。为保证设计的可靠性及对前面假设做出补偿，在本设计中取Lw=1 000mm[2]。摘穗辊的倾斜角度是在大量实验的基础上选取的，最终取φ=38。因此，摘穗辊工作部分最小的长度为Lmin=Lw·sin38°，代入数据可得Lmin=1 000·sin38°=615mm。

在设计摘穗辊的过程中，还包括前端锥形的倒入装置和后端的强拉段[7]。通常前端倒入装置取100mm，后端强拉段取160mm，故整个摘穗辊的长度为L=100mm+615mm+160mm=875mm。

图2　摘穗工作状态示意图

2.2剥皮机的设计

为提高剥皮装置的灵活性和维修的方便性，在设计过程中将剥皮装置单独作为一个模块来分析。

2.2.1剥皮原理

剥皮辊作为剥皮作业的关键部件，其设计型式和配置方式直接影响着剥皮质量。剥皮辊一般分为V型、W型及水平排列等方式。水平排列的形式适合小喂入量的作业，当喂入量增加时，剥皮作业容易发生堵塞；V型排列方式能在一定程度上解决堵塞的问题，但是单位剥皮作业的相对能耗消耗较高。因此，该机器最终采用W型的剥皮辊配置方式。

本设计采用相对运动产生的摩擦力进行剥皮的原理。图3为剥皮辊分布的断面图。剥皮辊在设计时，采用铸铁辊和橡胶辊组合的W型式，这种设计形式对于提高剥皮效率、降低玉米籽粒损害效果明显。

工作时，当带有玉米苞叶的果穗通过运送器落入剥皮机的剥皮辊上时，如果玉米果穗平行于剥皮辊，则在剥皮辊的转动作用下依靠剥皮辊与玉米苞叶之间的摩擦力直接进行剥皮作业[8]；如果玉米果穗不平行于剥皮辊，则玉米果穗会在剥皮辊旋转力的作用下完成矫正，进而进行剥皮作业[9]。

1、3、4、6.橡胶辊　2、4.铸铁辊

2.2.2剥皮作业受力分析

玉米果穗在剥皮过程中沿着平行于剥皮辊方向做平移运动和绕着自身轴线旋转的复合运动。通过对玉米果穗剥皮作业的受力分析，可以确定剥皮所需的力及剥皮辊最佳的运转参数；依据相关参数，对剥皮机进行相关优化设计，使之达到最佳的工作状态。

选取玉米果穗上一点为研究对象，以玉米果穗的旋转中心作为坐标原点，建立三维坐标系，通过对A1、A2两个状态的受力进行分析，从而得出玉米果穗在剥皮过程的受力情况[8]，如图4所示。

图4中，A1为果穗上某一运动点的起始状态，A2为经过时间t后的位置。

A2点的坐标为

(2)

图4　果穗的运动状态图

其中,t为运动时间(s)；r为玉米果穗回转半径(mm)；ω为果穗自转的角速度(rad/s)；v为沿剥皮辊方向运动的平均速度(m/s)[8]。

计算可得A2的速度V2，即

(3)

当A2的速度为V2时，速度的方向角α为

(4)

因此，当果穗质量为m、运动距离为L时，玉米果穗剥皮运动的过程中的受力为

(5)

通过对玉米果穗剥皮作业的受力分析，然后再根据剥皮机工作时的转速、玉米果穗的回转半径等因素，确定玉米果穗剥皮作业的受力情况。最终根据剥皮作业所需的力对剥皮机的相关参数进行优化，达到最佳的工作状态。

3技术参数

剥皮装置主要技术参数如表1所示。

表1　主要技术参数

4试验结果

在机器设计过程中，通过实验室的试验测试，进行了第1轮和第2轮的改进，并于2014年秋天在龙口市芦头镇进行了实收检验，收获面积20hm2，达到了相关要求，通过了山东省农业机械试验鉴定站检测。

试验过程中，对被实验地块果穗下垂率、籽粒含水率、植株倒伏率及最高果穗高度情况进行抽样统计，结果如表2所示。

表2　试验地块玉米情况

试验对总损失率、总破碎率、摘穗率及生产效率情况进行了测定，结果如表3所示。

表3　试验结果

5结论

1)整体设计与模块化设计相结合。该机器在注重整体作业功能的同时，对于关键部件采用分拆式模块化设计，便于机器的拆卸与组装。同时，为机器出现故障时及时、方便的维修打下了基础。

2)发明了W型橡胶辊与铸铁辊相间式剥皮装置。采用铸铁辊和橡胶辊相组合的W型剥皮装置不仅能够满足剥皮需要，且相对于使用纯橡胶辊降低了制造成本，提高了剥皮质量[2]。

3)设计出短路集中运送装置。对升运器与割台的连接位置进行了重新设计，由原来的在一段相连接改为在割台中间相连接。这样的设计使得经过摘穗辊摘下的玉米果穗从两端往中间运送，相比较从一端运送到另一端缩短了运送距离，提高了运送效率。

综上所述表明：该机器通过关键部件的创新设计和优化，使其在收获作业的过程中转弯更加灵活，收获效率也大幅提升，对于促进我国玉米收获机械化意义重大[10]。

参考文献：

[1]邸志峰,刘继元,李青龙,等. 4YZP-3型自走式玉米收获机的设计和研究[J].农机化研究,2015,37(2):128-131,135.

[2]赵德春,吕金庆,盛力伟. 玉米剥皮机的研究设计[J]. 农机化研究,2001(2):59-60.

[3]张淑文,马德水.黄淮海地区发展玉米收获机械化的启示[J].江苏农机化,2009(6):39-42.

[4]赵树智. 4SHY-2小型不对行玉米联合收获机的研究[J].山西农业大学学报:自然科学版,2005(3):270-271,288.

[5]王修桂. 4YW-1小型玉米收获机[J]. 粮油加工与食品机械,1984(2):48-50.

[6]韩述志,张建民,孙成金,等.4YZP-2A型自走式玉米收获机设计[J].农业工程,2012(12):49-53,60.

[7]韩述志,荆纪军. 4YZ-2型自走式玉米收获机的设计[J].农业装备与车辆工程,2012(3):1-4,18.

[8]易克传,曾其良,陈守江.小型摩擦式鲜食玉米剥皮机的设计[J].包装与食品机械,2011(6):24-26.

[9]陈宝昌,林君堂,李存斌,等. 新型玉米剥皮机的研究设计[J]. 农机化研究,2010,32(2):88-90.

[10]邹岚,卓杰强,杨仁全,等.我国玉米收获机发展前景分析[J].农机化研究,2008(4):205-208.

Design and Experimental Study of 4YZP-2 Type Self -propelled Corn Harvester

Li Jin, Wang Dongwei, Zhang Guangjun, Han Kun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：Aiming at the existing corn harvester integrated enough, stripping is not high, the production efficiency is relatively low, the straw crushing effect difference prominent problems such as the net rate, developed a different row spacing of maize machinery suitable for Huang Huai Hai region of combine harvester. Through research and reference to the existing technology, the application of 3D modeling and optimal design of mechanical theory, create a smooth V type opposed reel sprockets snapping mechanism, technical parameters and the mutual effect of straw determined device; W type rubber roller and the cast iron roller interval type peeling device was invented, and established mechanical model of the forces ear of corn in the stripping process; Integrated design appropriate self-propelled corn harvest machine by the Shandong Province agricultural machinery testing station detection identification of 2 line, the total loss rate of less than 2.5%, the productivity is more than 0.25/hm2, the fruit picking rate higher than 95%,can meet the job requirements.

Key words：corn; self-propelled; harvester; peeling machine

文章编号：1003-188X(2016)02-0110-04

中图分类号：S225.5+1

文献标识码：A

作者简介：李金(1989-)，男，山东曹县人，硕士研究生，(E-mail)wfxylijin@163.com。通讯作者：王东伟(1981-)，男，山东泰安人，副教授，博士，(E-mail) W88030661@163.com。

基金项目：青岛市公共领域科技支撑计划项目(12-1-3-43-nsh)；公益性行业(农业)科研专项(201203028)

收稿日期：2015-01-12