玉米收获机苞叶粉碎装置的设计与仿真

解福祥，宋 健，蒋昊俣,2

(1.潍坊学院 机电与车辆工程学院，山东 潍坊 261061; 2.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)



玉米收获机苞叶粉碎装置的设计与仿真

解福祥1，宋 健1，蒋昊俣1,2

(1.潍坊学院 机电与车辆工程学院，山东 潍坊 261061; 2.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

为了研究玉米收获机苞叶粉碎机理，设计了一种苞叶粉碎装置。该装置主要由卷入滚筒、粉碎横向动刀、传动机构、定刀、粉碎纵向动刀、纵向动刀安装座、动刀动力传送机构、粉碎滚筒传动轴和粉碎箱体等组成。运用Pro/E和ADAMS软件对玉米苞叶粉碎装置进行了仿真分析，仿真结果表明：苞叶卷入过程中，在苞叶开始与卷入滚筒接触时受力逐渐增大，在卷入的过程中自身产生了滚动、翻转和滑移的现象；苞叶粉碎过程中，在苞叶开始与粉碎滚筒接触时先被横向刀片进行切断，然后继续被纵向动刀进行纵向切碎；在粉碎的过程中自身产生了翻转、滑移和跳动的现象。

玉米收获机；苞叶粉碎；设计；仿真

0 引言

我国传统的玉米收获方式是用人力进行手工掰取作业，近几年开始部分实行玉米收获机收获。我国大多数玉米收获机仅仅具有玉米的掰取功能，一般玉米秸秆及苞叶直接排出，秸秆及苞叶的最终处理方式基本上选择焚烧[1-2]。随着大气污染及全球变暖日趋严重，秸秆焚烧又对环境的污染很严重，焚烧产生的烟尘影响能见度，容易诱发呼吸道疾病，同时这种现象也是一种资源浪费。因此，苞叶粉碎还田这一关键技术成为玉米收获机亟需解决的问题[3-8]。

玉米联合收获机可以对玉米的掰取、秸秆及苞叶的粉碎还田一次性完成，不仅减少人工作业，且高效利用资源，补充土壤中的养分，可以减少化肥的使用，保护环境[9-13]。为此，进行了玉米联合收获机苞叶粉碎装置的设计。

1 总体设计与工作原理

1.1 总体设计

玉米苞叶粉碎装置主要由卷入滚筒、粉碎横向动刀、传动机构、定刀、粉碎纵向动刀、纵向动刀安装座、动刀动力传送机构、粉碎滚筒传动轴和粉碎箱体等组成，如图1所示。玉米联合收获机安装有总的液压泵，由液压泵为整车的液压系统提供动力。苞叶粉碎装置的动力由液压马达提供，液压马达通过联轴器与玉米苞叶粉碎装置的主轴相连带动主轴转动。动刀安装在主轴上，动刀分为横向动刀和纵向动刀，动刀同主轴一起高速转动。苞叶卷入装置的转动力矩由主轴通过齿轮啮合来提供，玉米苞叶由苞叶卷入装置卷入并将其送到苞叶切割平台，在动刀与定刀的配合下完成苞叶的粉碎切割，碎屑由碎屑排出通道排出还田。

1.卷入滚筒 2.粉碎横向动刀 3.传动机构 4.定刀 5.粉碎纵向动刀 6.纵向动刀安装座 7.动刀动力传送机构 8.粉碎滚筒传动轴 9.粉碎箱体图1 苞叶粉碎装置结构原理图

1.2 工作原理

苞叶粉碎装置安装有横向和纵向动刀。苞叶在被苞叶卷入装置送到切割平台处，首先横动刀与定刀咬合将苞叶一次切割，切落的苞叶又将被高速旋转的纵向动刀切割，这样苞叶经过横动刀与纵动刀的两次切割后粉碎完成。又因为纵动刀在高速旋转下可对切割过的苞叶碎屑反复切割，所以粉碎的程度很高。动刀和定刀片均使用低合金刃具钢加工而成。动刀轴总成采用对称分布设计，满足平衡设计需求。采用液压马达驱动，简化了传动结构，使苞叶粉碎装置整体占用更小的体积。

工作时，苞叶粉碎装置转动力矩由液压马达提供，经过联轴器将力矩输入到苞叶粉碎装置中；在苞叶粉碎时纵动刀和横动刀一起高速旋转，卷入齿轮将玉米苞叶卷入到切割平台后，在定刀与纵横动刀的配合下完成苞叶的粉碎；粉碎后的苞叶碎屑由苞叶碎屑排出口排出。

2 关键部件设计

2.1 刀片材料的选择

由于刀片经常与玉米苞叶摩擦，且苞叶的大小、湿度等因素都会使刀片有冲击载荷，所以要求刀片的耐磨性要好，且抗冲击性能也要优良。该装置采用的材料为8MnSi，属于低合金刃具钢，硬度为229HBS。

2.2 刀片排列方式

苞叶粉碎装置的刀片分为定刀和动刀，动刀又分为纵向动刀和横向动刀，横向动刀安装在刀盘上，刀盘通过与主轴相连接。横向动刀一共4把，沿主轴轴线成90°对称布置，以保证在刀盘高速转动的情况下离心力很小，从而减小整个装置的振动，提升整个装置的稳定性与寿命。 纵向动刀有3把， 在主轴上两个

刀盘之间等距离分布排列。定刀使用1把，安装在切割平台上，定刀刀刃在横动刀刀刃回转的圆周上。刀片的排列方式如图2所示。

图2 刀片的排列方式

2.3 刀片的结构

固定刀片使用5个沉头螺栓固定在机架上，既能保证有足够的固定强度，又能保证动刀在高速旋转时不会碰到定刀的固定螺栓。横向动刀有5把刀片，采用两端固定，其外圈直径为350mm,横向刀片长度为490mm，横向刀片厚度为6mm[14]。纵向动刀主要由3把刀片组成，每把刀片有4个刀刃，刀片用4个螺栓固定在纵向刀片固定套，每把刀片均匀分布在苞叶粉碎主轴上。纵向动刀的刀片直径为310mm，刀片厚度为8mm，苞叶粉碎装置刀片结构如图3所示。

(a) 定刀刀片 (b) 横向动刀刀片 (c) 纵向动刀刀片图3 刀片结构图

2.4 卷入装置的结构

卷入装置主要由1对齿形啮合的橡胶滚筒和齿轮传动机构等组成，其作用是将玉米收获机苞叶剥离后的苞叶喂入到苞叶粉碎装置中，便于苞叶的顺利粉碎。齿形橡胶滚筒啮合角为30°，长度为490mm，直径为100mm。卷入滚筒结构如图4所示。

苞叶粉碎装置安装在玉米联合收获机的中后部，因此粉碎装置的空间不是很大，根据本设计的玉米联合收获机的尺寸，确定本设计的具体参数，如表1所示。

图4 卷入滚筒结构图表1 玉米联合收获机苞叶粉碎装置的设计参数

项目单位设计数值装置外形尺寸(长×宽×高)mm630×500×500装置工作幅宽mm490粉碎刀安装总数个9粉碎转速r/min1300刀盘回转直径mm350液压马达动力kW5

2.5 主要工作部件的设计计算

2.5.1 主轴转速及传动比

根据文献[15-19]和苞叶粉碎的要求，主轴的设计转速为1 300r/min;液压马达输出转速为n1=n0=1 300r/min;主轴的工作转速为1 300r/min,卷入装置的转速n2=360r/min；总转动比i=n1/n2=3.6。

2.5.2 各轴功率分配

根据《机械传动设计手册》得：齿轮的传动效率λ1=0.96，联轴器的传动效率λ2=0.98，轴承的传动效率λ3=0.98。本文设计的苞叶粉碎装置中液压马达的输出功率为p0=5kW。

Ⅰ轴输出的功率为

p1=p0×λ2×λ3=4.80kW

(1)

Ⅰ轴大约有80%的输出功由动刀消耗，剩余的20%的功传递给Ⅱ轴。Ⅱ轴输出的功率为

p2=p1×λ1×λ3×20%=0.90kW

(2)

Ⅱ轴输出的功率约有50%消耗在Ⅱ轴的卷入齿轮上，另外的50%传递给Ⅲ轴。Ⅲ轴输出功率为

p3=p2×50%×λ1=0.43kW

(3)

2.5.3 粉碎装置转矩的计算

液压马达的输出转矩为

(4)

Ⅰ轴的输出转矩为

(5)

Ⅱ轴的输出转矩为

(6)

Ⅲ轴的输出转矩为

(7)

3 仿真试验与结果

3.1 仿真参数

在ADAMS/VIEW中建立玉米苞叶模型,按照在山东省潍坊市进行田间测量得到的玉米苞叶生长数据,建立玉米苞叶模型为:最大直径70mm,长度200mm,密度438×10-7kg /mm3[20-21]。

3.2 仿真方法

1)为了研究玉米苞叶的粉碎过程,进行如下假设:玉米苞叶为刚性体,在粉碎过程中,不考虑玉米苞叶的变形带来的影响。

2)在ADAMS中通过仿真分析,研究玉米苞叶粉碎的整个过程,主要研究苞叶卷入和苞叶粉碎两个过程。

3.3 仿真结果与分析

3.3.1 苞叶卷入

玉米苞叶卷入过程的仿真结果如图5所示。图5(a)为苞叶卷入时运动变化情况,图5(b)为苞叶与卷入滚筒接触受力曲线图，图5(c)为苞叶卷入速度变化曲线图。

(a) 苞叶卷入仿真图 (b) 苞叶卷入受力变化图 (c) 苞叶卷入速度变化图图5 苞叶卷入仿真结果

由图5(b)受力变化曲线图可知：苞叶受力规律呈波浪线型递增，主要是受卷入滚筒设计结构的影响；受力呈递增趋势主要是苞叶开始与卷入滚筒接触时，由于苞叶前端直径和厚度比较小，苞叶后端直径和厚度比较大，因此在5(c)受力变化曲线图中观察出，接触力呈逐渐增大趋势。由图5(b)速度变化曲线图可知：玉米苞叶在x、y、z3个方向上都有运动，说明苞叶在卷入的过程中发生了滚动、翻转和滑移的现象；在z方向上运动不明显，说明苞叶在卷入过程中没有发生弹跳现象。仿真结果表明：在苞叶开始与卷入滚筒接触时受力逐渐增大，在卷入的过程中自身产生了滚动、翻转和滑移的现象。

3.3.2 苞叶粉碎

玉米苞叶粉碎过程的仿真结果如图6所示。图6(a)为苞叶粉碎时运动变化情况, 图6(b)为苞叶与粉碎刀滚筒接触受力曲线图，图6(c)为苞叶粉碎速度变化曲线图。由图6(b)受力变化曲线图可知：苞叶与粉碎刀滚筒接触时，粉碎刀开始切断苞叶；受力曲线图中出现了3个峰值，由此可知苞叶在粉碎的过程中被横向动刀的3把刀片进行了横向切断，然后继续被纵向动刀进行纵向切碎。由图6(c)速度变化曲线图可知：玉米苞叶在x、y、z3个方向上都有运动，说明苞叶粉碎的过程中自身产生了翻转、滑移和跳动的现象。仿真结果表明：在苞叶开始与粉碎滚筒接触时先被横向刀片进行切断，然后继续被纵向动刀进行纵向切碎。在粉碎的过程中自身产生了翻转、滑移和跳动的现象。

(a) 苞叶粉碎仿真图 (b) 苞叶粉碎受力变化图 (c) 苞叶粉碎速度变化图图6 苞叶粉碎仿真结果

4 结论与讨论

1)设计了一种玉米苞叶粉碎装置。该装置主要由卷入滚筒、粉碎横向动刀、传动机构、定刀、粉碎纵向动刀、纵向动刀安装座、动刀动力传送机构、粉碎滚筒传动轴和粉碎箱体等组成，并建立了该装置的虚拟样机模型。

2)苞叶卷入仿真结果表明：在苞叶开始与卷入滚筒接触时受力逐渐增大，在卷入的过程中自身产生了滚动、翻转和滑移等现象。

3)苞叶粉碎仿真结果表明：在苞叶开始与粉碎滚筒接触时先被横向刀片进行切断，然后继续被纵向动刀进行纵向切碎；在粉碎的过程中自身产生了翻转、滑移和跳动的现象。

进行苞叶粉碎运动仿真过程中，仅将苞叶作为刚性体进行了仿真分析，观察苞叶在苞叶粉碎中的运动规律和受力情况。由于苞叶是刚性体，当前文献中有关苞叶物理力学性能参数还不多，因此对于苞叶粉碎的动力学仿真中，其受力的变化规律趋势是一致的，但是受力的数值还不准确，需要进一步的完善苞叶参数后再进行研究。

[1] 陈志,郝付平,王锋德，等.中国玉米收获技术与装备发展研究[J].农业机械学报, 2012(12): 44-50.

[2] Thomas Burnell ，Colbert.Iowa farmers and mechanical corn pickers,1900-1952[J].Agricultural History,2000,74(2):530-544.

[3] 黄宏伟,张超凡,陈松涛，等.麦草秸秆粉碎特性的试验研究[J].农机化研究, 2007(7): 143-147.

[4] 姚燕,师清翔,刘师多，等.小麦秸秆粉碎装置的粉碎性能试验分析[J].河南科技大学学报：自然科学版, 2005(4): 74-76.

[5] 陈松涛,周学建,师清翔，等.小麦秸秆还田机粉碎装置性能影响因素试验与优化[J].农业机械学报, 2007(9): 67-70.

[6] 李明,王金丽,邓怡国，等.1GYF-120型甘蔗叶粉碎还田机的设计与试验[J].农业工程学报, 2008(2): 121-126.

[7] 史建新,陈发,郭俊先，等.抛送式棉秆粉碎还田机的设计与试验[J].农业工程学报, 2006(3): 68-72.

[8] 董勤各,冯浩,杜健.秸秆粉碎还田与化肥配施对冬小麦产量和水分利用效率的影响[J].农业工程学报, 2010(S2): 156-162.

[9] Hobbs P R,Sayre K,Gupta R.The role of conservation agriculture in sustainable agriculture[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B:Biological Sciences,2008, 363(1491): 543-555.

[10] Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climatechange and food security[J]. Science, 2004, 304(5677): 1623-1627.

[11] 杨星钊,张俊才,杨富营.4FMJB-180型玉米秸秆粉碎免耕精播机的研制[J].农机化研究,2010，32(1): 134-136.

[12] 张军昌,闫小丽,薛少平，等.秸秆粉碎覆盖玉米免耕施肥播种机设计[J].农业机械学报, 2012(12): 51-55.

[13] 程改青,许艳华.4SFYK-150型生物质秸秆粉碎压捆机研制与试验[J].农机化研究, 2012，34(6): 211-214.

[14] 贾洪雷,姜鑫铭,郭明卓，等.V-L型秸秆粉碎还田刀片设计与试验[J].农业工程学报, 2015(1): 28-33.

[15] 刘伟峰,刘文广,马彦华.锤片粉碎机异型粉碎室的理论分析及试验研究[J].农机化研究, 2010，32(2): 63-65.

[16] 张喜瑞,甘声豹,郑侃，等.滚割喂入式卧轴甩刀香蕉假茎粉碎还田机设计与试验[J].农业工程学报, 2015(4): 33-41.

[17] 甘声豹,李粤,张喜瑞，等.喂入式立轴甩刀香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验[J].农业工程学报, 2014(13): 10-19.

[18] 姚燕,姬裕江.基于锤爪式动刀的小麦秸秆粉碎装置试验研究[J].农机化研究, 2010，32(1): 156-158.

[19] 张佳喜,刘旋峰,牛长河，等.新型滚刀式棉秸秆粉碎回收机的研制[J].农机化研究, 2012，34(1): 95-98.

[20] Xie Fuxiang, Ou Yinggang, Liu Qingting， et al. Virtual experiment on material flow simulation for whole stalk sugarcane harvester[C]//2011 International Conference on New Technology of Agricultural Engineering, 2011:185-188.

[21] 解福祥,区颖刚,刘庆庭，等.甘蔗收割机物流虚拟试验[J].农业机械学报，2010，41(S1)：90-94.

Design and Simulation on Bract Smash Device of Corn Harvester

Xie Fuxiang1， Song Jian1， Jiang Haoyu1,2

(1.School of Mechanical-electronic and Vehicle Engineering, Weifang University, Weifang 261061, China;2.College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Bract smash device was designed in order to study the mechanism on bract smash of corn harvester, which is mainly composed of the involvement of the drum, transverse knife of crushing, transmission, fixed knife, longitudinal the knife of smashing, vertical knife mount, knife power transmission mechanism, transmission axis of crushing and grinding box and other components. Bract smash device was simulated by the use of Pro/E and ADAMS software, simulation results show that in the bract involved process, when the bract comes into contact with the drum, the force involved is gradually increase, which produces a roll, flip and slip phenomenon in the involved process. In bract smashing process, when the bract comes into contact with the first smashing roller blades which cut transversely and longitudinally, and continue to be longitudinally movable knife chopped. In the grinding process itself produces a flip, sliding and jumping phenomenon.

corn harvester; bract smash; design; simulation

2016-01-25

国家自然科学基金项目(51505337)；山东省自然科学基金项目(ZR2014EEP013)；潍坊学院博士科研启动基金资助项目(2013BS07)

解福祥(1982-)，男，山东临沂人，讲师，博士，(E-mail)xfx608@126.com。

S225.5+1；S220.3

A

1003-188X(2017)03-0111-05