玉米收获机防尘土切割装置设计

陈海需，衡耀付，肖伟中，裴浩飞

（黄淮学院 机械与能源工程学院 驻马店 463000）

0 引言

玉米是我国三大粮食作物之一，也是优质饲料、化工的原料，玉米的秸秆是尚未得到充分利用的重要可再生资源之一。由于没有合适的穗茎兼收型收获机械[1]，我国玉米生产的机械化水平和玉米秸秆的综合利用程度和回收利用率非常低，造成秸秆的大量浪费。

摘穗割台是玉米收获机的工作入口[2]，由于机械本身的特点，工作时摘穗辊在捋掉玉米穗的同时，向下传送、挤压茎秆，茎秆则通过安装在摘穗装置底部的动刀与定刀的相互配合来切碎茎秆。由于切割装置距离地面很近，工作时动刀装置会经常被田地中干枯的植物藤、茎缠绕，造成轴架旋转部位发热，润滑油受热流出。另外，沙土也会进入旋转部位，与润滑油掺杂，导致动刀轴润滑不足，甚至损坏，严重影响工作效率。

参考国内外先进的穗茎兼收技术[3]，结合我国豫南地区玉米种植特点，设计一种性能可靠、结构简单、布局合理，能同时对玉米穗和秸秆进行分离收集的防尘土切割装置，以提高工作效率。

1 玉米收获机切割装置

玉米收获过程包括摘穗收集和秸秆处理两项工作[4]。摘穗主要由摘穗割台来完成，摘穗割台包括摘穗辊、切割器、茎秆收集三部分[5]。收获机采用纵卧式摘穗方式，摘穗时，因其功率消耗小，摘穗辊对秸秆的挤压程度较小，对不同直径、不同状态的秸秆适应性更强，降低了果穗含杂率，提高了摘穗效率；其螺旋输送功能在一定程度上也起到剥掉苞叶的作用。

切割器主要由切碎滚筒、动刀、定刀和壳体组成，如图1所示。动刀安装在切碎滚筒上，它们共同位于摘穗辊的下方，定刀安装在动刀轴的后端支架上，滚筒的外壳为半封闭，秸秆从上方开口处进入，粉碎后从动刀、定刀间隙下方开口处进入后面传送带。回转式切碎装置动刀刀刃的运动轨迹为圆柱面，它与定刀配合切碎秸秆，动刀定刀间隙可调，一般在0.25～1.00 mm之间。

图1 切割器结构示意图

为了便于秸秆的喂入和顺利输送，外壳采用半包设计，包度为100°，朝向外侧，两端盖的厚度取3 mm，半封闭外壳厚度取2 mm。为了避免动刀运转过程中与外壳发生刮擦，动刀与外壳之间应有足够大的间距，取间隙宽度为8 mm，则外壳的外径为312 mm。

工作时，玉米秸秆经夹持链输送到卧式摘穗辊间隙中进行摘穗，摘下的果穗经由升运器输送到果穗箱，同时秸秆被滚筒刀前端的割断刀打断，之后秸秆在2个摘穗辊的拉挤下，轴向向后移动到达滚筒刀切碎装置，秸秆切碎后进入到壳体后端的秸秆传送带上，之后经横向螺旋输送搅龙输送到抛掷器将秸秆抛出。2个摘穗辊此处作为滚筒刀的喂入装置，即实现了摘穗又实现了秸秆喂入，使得整体结构得到了简化。

2 防尘土动刀设计

2.1 动刀设计

结合机械本身的特点，创新设计一种切割器防尘土动刀装置，主要解决动刀轴工作时沙土进入轴内，影响工作效率，以及茎蔓缠绕的问题，如图2所示。

图2 防尘土动刀实物图

茎秆切割防尘土动刀装置，主要包括驱动轮、动刀轴、刀片、端盖。动刀轴由驱动轴、滚筒、支撑轴组成。驱动轴、刀架、支撑轴依次通过焊接固定，轴架包括轴套、密封垫片、轴盖三部分，轴架分别安装在驱动轴、支撑轴上，轴承安装在轴套与轴盖之间凹槽内，轴盖、轴承与轴套通过密封垫片密封、通过螺栓相互固定，轴套固定在机架上，驱动轮套在驱动轴上，通过平键固定，刀片设置长腰孔，通过螺栓固定在刀架中部，刀架两端设置有密封盖，与轴套配合工作，结构如图3所示。

图3 切割器动刀结构示意图

如图4所示，动刀轴的驱动轴与支撑轴为实心圆钢体，刀架为空心六棱柱钢体，刀架相间隔棱面均布有螺纹孔，与刀片固定螺栓配合使用，每间隔面分布3片刀片，刀片间无缝隙相接。刀架两端密封盖面上有环凸台、环凹槽，轴套面上有环凸台B`、环凹槽C`、环凸台D`，环凹槽B与环凸台B`有配合关系，环凸台C与环凹槽C`有配合关系，环凹槽D与环凸台D`有配合关系。

图4 切割器动刀剖视图

图5 轴套结构示意图

两端轴架轴盖不同，支撑轴侧轴盖密封，驱动轴侧轴盖中心有套筒，套筒直径略大于驱动轴直径，如图5所示。

工作时，动刀装置驱动轮通过带传动获取动力，带动刀架旋转，通过动刀轴和定刀轴之间的相对运动，切碎由摘穗辊向下输送的玉米茎秆。刀片上有长腰孔，调节刀片的伸出长度就可以调节茎秆的切碎长度。工作过程中，轴承通过密封垫片密封，安装在轴套与轴盖之间凹槽内，并通过螺栓相互固定。此外，刀架两端密封盖与轴套特殊的凹槽层层交错设计，使得轴承旋转时处于密封状态，有效防止了藤茎缠绕动刀轴，以及旋转轴承进沙子的问题。

动刀采用直刃平板刀[6]，如图6所示。为了使动刀的稳定性更加可靠，动刀安装在滚筒上，滚筒两端焊接在驱动轴和支撑轴上，以减小工作过程中动刀的变形。动刀安装后应保持平整，所以两者均采用螺钉连接。动刀与外壳之间的间隙为8 mm，动刀总切割宽度为1 200 mm，宽度为75 mm。

图6 动刀刀架截面图

滚筒装有3把动刀，且有一定的滑切角。动刀轴直径为40 mm，摘穗辊线速度为3.5 m/s，秸秆切碎长度≤60 mm，根据线速度v与转速n的关系，且动刀轴转速要与摘穗辊线速度相匹配，即

经计算，动刀轴转速n=558 r/min。

2.2 定刀设计

定刀座[7]是在1 200 mm ×70 mm ×10 mm方管两端焊接上2个方钢块，然后在方管的一个面上加1块15 mm厚的加强45#钢钢板作为定刀。定刀与定刀座上对应有9个M10的六角螺栓固定在定刀轴上。定刀座上的固定孔为长孔，这样定刀可以上下微调。

3 结论

在理论分析和试验的基础上，对玉米收获机防尘土切割装置进行了深入研究。联合驻马店金丰农业机械有限公司对样机进行了田间试验，结果表明：生产率达到0.9 hm2/h，秸秆切碎长度为58.7 mm，平均故障间隔时间达到126.2 h。防尘土切割装置作业性能良好，工作可靠性高，各项性能指标符合设计标准，实现了穗茎的分离与收集，提高了生产效率，为下一步的技术完善和推广奠定了基础。