4YZZ-2型小型籽粒玉米收获机的设计研究

吴瑶瑶

（襄垣县仁达机电设备有限公司，山西 襄垣 046200）

最近几年我国籽粒玉米收获机研制情况看，基本都是三行、四行大中型机型，其长度均在6～7 m 以上，宽度均在2～3 m。而我国北方玉米主产区70%的地块处于丘陵山区，大型籽粒玉米收获机不适应其田间道路，小型地块进不去或掉头不方便，急需研制一种小型籽粒玉米收获机。

由襄垣仁达机电设备有限公司生产的4YZ-2 型小型自走式玉米收获机其综合性能在国内属于领先水平，获得多个国家实用新型专利和山西省科技成果奖，2012年正式投产以来累计生产了超1×104台。在此基础上，2017年提出了在原机型基础上改进设计小型籽粒玉米收获机，设计出了基本布局和整体结构设计方案，并申报了国家实用新型专利，2018年3 月5 日，取得实用新型专利证书，专利代号为：ZL 2018 2 0301030.X。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收获机可一次性完成摘穗、秸秆粉碎、玉米穗脱粒、玉米芯粉碎、玉米籽粒输送收集等作业。其结构见图1。

图1 整机结构图Fig.1 Machine structure drawing

1.2 工作原理

当4YZZ-2 型小型玉米籽粒收获机进入田间作业时，先将玉米割台、秸秆粉碎机降低到适合收获作业的高度，结合工作张紧离合器，使各工作部件处于工作状态进入田间开始工作，玉米割台摘下的玉米穗掉入输送槽，被输送槽刮板带入玉米脱粒机喂入口，在玉米脱粒机的脱粒滚筒上焊接的圆头钉齿抓取、打击，与栅格凹筛相互揉搓挤压作用下，打碎的玉米包皮等轻质杂余被除杂风机抽出粉碎室，大块的玉米芯被推送到粉碎室后部排到玉米芯粉碎机绞龙上，玉米穗上的籽粒被强制脱下来，在滚筒钉齿打击和离心力作用下，穿过栅格凹筛掉入下方的两层清选筛箱，在曲柄机构往复运动、清选风机的气流作用下，上层的鱼鳞筛将玉米芯和较大的轻质杂余筛出筛箱掉入玉米芯粉碎机，被粉碎后从侧面排出去，落入地面。玉米籽粒及部分小的轻质杂余落在下层细筛上，玉米籽粒落入接籽斗，较小的轻质杂余被风机吹出筛箱外，也落入玉米芯粉碎机输送绞龙送到玉米芯粉碎机被粉碎排到地面，落入接籽斗的玉米籽粒由接籽斗绞龙推送到右侧，被上粮绞龙送入籽粒箱，当籽粒箱装满时，被籽粒箱绞龙推送到左侧，由卸粮绞龙将玉米籽粒卸到拉送籽粒的车厢里，完成玉米籽粒收获全过程。

1.3 整车主要技术参数

4YZZ-2型自走式籽粒玉米收获机主要设计参数见表1。

表1 整车主要设计参数Tab.1 The main design parameters of the vehicle

2 关键技术及创新点

2.1 关键技术

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收获机是在原4YZ-2 两行玉米收获机基础上改进而来的，关键技术是设计相适应的玉米籽粒脱粒机、清选筛和玉米芯粉碎机。该机关键技术如下。

第一，目前国内生产的玉米脱粒机以及与玉米收获机配套的玉米脱粒机大都采用钉齿与钢板冲孔式凹筛，该结构简单，制造容易，成本低，缺点一是钢板冲孔式凹筛冲孔边沿有棱角，在脱粒过程中玉米籽粒碰到棱角时很容易造成破碎；二是钢板冲孔凹筛一般采用2～3 mm 厚钢板冲孔，凹筛强度刚度比较低，玉米果穗挤压脱粒时容易造成变形，反复变形容易使凹筛产生裂纹直至损坏，对于大功率高效率的玉米籽粒收获机不适应。为了避免这个问题，在设计栅格凹筛时采用ϕ12 圆钢焊接成而成，在脱粒过程中，钉齿与栅格凹筛相互作用都是圆弧面挤压玉米穗，没有棱角，大大降低了玉米籽粒的破碎率。

第二，设计清选机构时，由于玉米割台在收割玉米时玉米秸秆以及少量玉米穗包皮已经被摘穗辊拉下粉碎了，喂入脱粒机的只剩带少量玉米包皮的玉米穗，谷草比数值比较大，经测量试验谷草比为1∶0.4 左右，因此省略了逐稿器机构，使结构大为简化。为了提高玉米籽粒的清洁度，本机设计了双层清选筛，上层粗筛采用可调鱼鳞片筛，特点是筛片开度可调节，引导气流吹走从凹筛上掉下来的玉米包皮和碎玉米芯，清选性能好，筛面不容易堵塞，生产效率高，通用性强。下层筛采用孔为25 mm×25 mm 钢丝编织筛，特点是结构简单，质量轻，筛孔有效面积大，生产率高，筛箱结构简图见图2。

图2 清洗筛简图Fig.2 Cleaning screen schematic

第三，玉米穗在脱粒过程中，玉米包皮以及玉米芯被清选筛筛出后，由于形状还有点大，撒到地里影响还田腐烂，也不好看，因此设计了一个轴流式玉米芯粉碎机，清选筛筛出的玉米芯及果穗皮掉入螺旋绞龙，由螺旋绞龙推送到粉碎室吸入盘，粉碎室壁上固定的定刀和粉碎滚筒上固定的动刀相互作用，将玉米芯及玉米皮撕扯粉碎成絮状，被后部抛扬轮抛出机外，落入土地表面。

2.2 技术创新点

第一，在原4YZZ-2 成熟机型基础上进行改进设计，保留了原来的玉米割台、输送槽、行走底盘、工作主传动离合器，增加了玉米脱粒机、清选风机、清选筛、除杂风机、玉米芯粉碎机、上粮结构、籽粒箱以及相应的传动机构。由于整体结构设计布局合理，外形尺寸、整机质量、重心高度、生产成本不超过原机型，使其整体性能保留了原来的机动性能、通过性能，还有所提高。既适用丘陵山区收获作业，也适应平川地区收获作业。

第二，由于两行玉米收获机宽度较小，横向稳定性稍微欠缺，因此在整体结构布局采用基本对称设计，整机重心尽量降低，提高小型籽粒玉米收获机的横向稳定性。

第三，采用ϕ12 圆钢整体焊接，适合玉米脱粒的脱粒凹筛，使玉米籽粒破碎率大大降低，脱粒性能指标有很大提高，凹筛使用寿命比冲孔凹筛延长3～5倍。

第四，设计了玉米芯及玉米穗包皮粉碎机，使之除玉米籽粒回收外，全部秸秆、玉米芯、玉米穗包皮全部粉碎还田，地表面没有残茬留存。

3 总体设计及主要部件设计

3.1 总体设计

3.1.1 外形尺寸确定

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收获机设计主导思想就是外形尺寸不超过4YZ-2 型自走式玉米收获机，结构质量、重心高度以及制造成本不超过原型机，保留了原型机的基本性能，甚至有些性能要超过原型机。

3.1.2 整体结构布局确定

4YZZ-2 型自走式籽粒玉米收获机是在原型机基础上改进设计的，玉米割台、秸秆粉碎机、输送槽、自走底盘、柴油机、工作离合器还是原部件，位置不动。玉米脱粒机、清选机构在纵向中间上下布置，籽粒箱在机组后部，清选筛和籽粒箱中间布置玉米芯粉碎机。

3.2 玉米脱粒机设计

3.2.1 喂入量确定

本机的工作速度为最大5 km/h，工作幅宽为1.3 m，每秒工作最大面积为1.8 m2。

玉米单产按750 kg/0.067 hm2计算，喂入脱粒机的只是带部分包皮的玉米穗，经试验测算谷草比为1∶0.4，总喂入量为1 050 kg/0.067 hm2。

脱粒机喂入量为2.83 kg/s。

3.2.2 分离凹筛尺寸的确定

玉米脱粒机的生产率与分离凹筛的通过量有关，由分离凹筛的面积确定。分离凹筛生产率，Q的计算公式为：

式中：B——分离凹筛宽，m；S——分离凹筛总弧长，m；q1——单位凹筛面积能承担的脱出物量，kg/（s·m2）。本结构采用圆钢整体焊接凹筛，强度高，漏空率高，取5；η——利用系数，取0.8。

经计算，分离凹筛生产率为2.86 kg/s，大于最大喂入量。在脱粒过程中，打碎的玉米皮被粉碎室除杂风机抽出粉碎室，大块的玉米芯被推送到粉碎室后部，掉到玉米芯粉碎机绞龙上，穿过粉碎凹筛的玉米籽粒低于计算喂入量。

3.2.3 脱粒滚筒结构设计

为了使脱粒滚筒强度高、坚固耐用，采用整体焊接设计。四排钉齿间隔螺旋排列，脱粒打击均匀，节省功率消耗。脱粒钉齿采用低碳钢铸造成型，圆头部采用渗碳淬火，硬度达到HRc45—50，使脱粒滚筒寿命达到3 年以上。玉米脱粒机结构见图3。

图3 玉米脱粒机简图Fig.3 Sketch of corn sheller

3.3 清选筛设计

第一，设计清选机构时，由于玉米割台在收割玉米时玉米秸秆和部分玉米穗包皮已经被摘穗辊拉下粉碎了，喂入脱粒机的只剩带少量玉米包皮的玉米穗，谷草比数值比较大，因此省略了逐稿器机构。

第二，为了提高玉米籽粒的清洁度，本机设计了双层清选筛，上层粗筛采用可调鱼鳞片筛，特点是筛片开度可调节，引导气流吹走从凹筛上掉下来的玉米包皮和碎玉米芯，清选性能好，筛面不容易堵塞，生产效率高，通用性强。下层筛采用孔为25 mm×25 mm 钢丝编织筛，特点是结构简单，质量轻，筛孔有效面积大，生产率高，其结构见图2。

第三，清选筛尺寸设计确定。小型籽粒玉米收获机最大的特点就是突出一个外形尺寸小，机动灵活，能够方便的适应丘陵山区各种地块和田间道路，因此在设计清选筛尺寸时必须在满足籽粒清洁度、损失率要求的前提下，尽量减少筛箱的长度，利于整体结构布局。清选筛尺寸主要是筛子面积（长×宽），本机在宽度设计上限制小，宽度可达800 mm，筛子的长度L可由下式求得：

式中：Q——脱粒机喂入量，kg/s。由栅格凹筛掉到筛面上的玉米籽粒及杂物已经低于脱粒机的实际喂入量，筛面喂入量调整为2.4（谷草比1∶0.2）

q1——筛子面积可以承担的谷粒混合物喂入量kg/（s·m2），查农机设计手册，可调节鱼鳞筛和编织筛约为1.5～2.5 kg/（s·m2），鱼鳞筛要比编织筛能承担更大喂入量，取2.5。

根据计算以及实际结构空间，本筛有效长度设计为1 280 mm。

4 结论

4YZZ—2型自走式籽粒玉米收获机主要有以下特点。

第一，外形尺寸小，在各个主要工作部件充分符合性能要求的基础上，总长度不超过6 m，宽度不超过1.5 m，在国内属于最小的玉米籽粒收获机机型，机动性能好，爬坡能力强，转弯半径小，能够适应丘陵山区各种田间道路和小块地作业。

第二，与原来生产的两行玉米收获机大部分都通用，割台、底盘、输送槽都保留了原来结构，传动圆锥齿轮、传动箱也采用原零部件，通用件多。玉米籽粒收获机的主要工作部件，结构简单、紧凑，整机质量要比原机型降低200 kg 以上，投入批量生产，三包成本低，企业生产成本低。投入市场的话农民购买成本低，三包维护方便。

第三，与玉米籽粒收获机相关的主要工作部件如玉米脱粒机、清选筛、玉米芯粉碎机，在设计中克服国内现有技术的一些缺陷，结构合理，性能稳定，强度高，主要性能指标符合国家有关标准。