高地隙玉米收获机的设计与试验

2023-10-17李英杰李景彬李树峰高奎增

农机化研究 2023年12期

李英杰,李景彬,李树峰,高奎增,周伦

(1.石河子大学机械电气工程学院,新疆石河子 832003;2.现代农业机械兵团重点实验室,新疆石河子 832003;3.山东巨明机械有限公司,山东淄博 256400)

0 引言

玉米-大豆带状复合种植作为一种具有“高低协同”“以上促下”特点的农艺模式,在充分利用种植空间与光热资源的同时可提高玉米和大豆的产量,对促进农业可持续发展具有积极意义[1-2]。推广玉米-大豆带状复合种植技术可极大地推动我国玉米大豆产业发展,是解决玉米大豆争地矛盾的有效途径,且对于满足消费需求、确保粮食安全具有重大意义[3]。

在玉米-大豆带状复合种植技术的推广过程中,农机与农艺相结合将会更好地提高作业效率[4-6]。目前,专门适于玉米-大豆带状复合种植技术的大型玉米收获作业机研究较少,多选用两行小型玉米收获机对两侧玉米带进行依次作业,作业过程较为繁琐[7]。

为提高玉米-大豆带状复合种植模式下玉米收获的作业效率,研制相应的玉米收获机械已迫在眉睫[8]。为此,对此种农艺模式下的专用玉米收获机进行设计研究,通过增加最小离地间隙、割台分侧布置来实现骑跨大豆带对两侧玉米的一次性收获作业,提高了作业效率,可为专用于此种农艺模式的高效玉米收获机的设计提供借鉴。

1 整机设计

1.1 设计目标

通过对现有玉米-大豆带状复合种植现状进行实地调研,确定了农艺参数如下:玉米带行距a=400mm;大豆行数4行,大豆行距c=200mm;玉米带与大豆带间距b=600mm,大豆带间距离d=400mm,玉米的株距为100mm。玉米-大豆带状复合种植模式如图1所示。

图1 玉米-大豆带状复合种植模式示意图Fig.1 Schematic diagram of corn soybean strip compound planting mode

根据玉米-大豆带状复合种植模式农艺参数,对高地隙玉米收获机进行方案设计,目标是玉米收获机能够骑跨大豆带实现两侧玉米带的一次性收获。具体如下:①具有良好的通过性,即底盘最小离地间隙大于大豆植株高度;②割台只对玉米收获而不影响大豆,即割台两侧分置,只对玉米进行收获。

1.2 整体结构及工作过程

1.2.1 整体结构

高地隙玉米收获机主要由发动机、割台、升运器、驾驶室、车架、剥皮机及粮仓等组成,整机最小离地间隙为800mm,高于大豆植株高度,如图2所示。其中,割台和升运器选择两侧分置的方式进行布置,即左右分别有1组割台和升运器,在两侧升运器后设计有集穗搅龙、剥皮机和排杂机。

1.割台 2.前轮 3.发动机 4.车架 5.籽粒箱室 6.后轮 7.粮仓 8.排杂机 9.剥皮机 10.集穗搅龙 11.升运器 12.驾驶室图2 高地隙玉米收获机结构示意图Fig.2 Diagram of high gap corn harvester

1.2.2工作过程

样机田间作业时,动力由发动机输出,经前桥变速箱、过渡齿轮箱、轮边减速器后传递至前轮,驱动整机前进;同时,动力传递至两侧割台,驱动割台工作。

两侧割台分别对两侧玉米带进行收获,后经两侧布置的升运器向后输送至集穗搅龙;果穗经集穗搅龙集中后进入剥皮机进行剥皮处理,苞叶等经排杂机排出,光果穗进入粮仓。机具主要工作参数如表1所示。

表1 高地隙玉米收获机相关参数Table 1 Table of relevant parameters of high gap corn harvester

2 关键部件的设计

2.1 两侧分置式割台的设计

为实现在玉米-大豆带状复合种植模式下玉米的收获,设计了一种两侧分置式割台,主要由摘穗辊、护罩、挂接梁、拨禾链、升运器等组成,如图3所示。两侧割台在工作时,摘穗辊高速旋转,将玉米果柄拉断,对果穗进行摘取;摘下后的果穗由割台输送器运送至升运器,两侧玉米带的果穗经两侧割台摘取后分别由两侧升运器向后输送。

1.摘穗辊 2.护罩 3.挂接梁 4.拨禾链 5.升运器图3 两侧分置割台示意图Fig.3 Schematic diagram of split header on both sides

两侧割台中心距离设计为2400mm,使得收获时两侧割台分别位于玉米带中心;两侧割台中间位置宽度为1000mm,使得机器在行驶过程中能够骑跨大豆带。

在此种农艺模式下,玉米的种植密度较传统的种植模式要大[9-12]。为实现在此种密植环境下玉米的收获,对割台的作业效率有较高要求,并且不易堵塞,因此选用辊式摘穗装置[13-14]。其中,摘穗辊直径为70mm,长度为700mm,割台收获行距为680mm。

2.2 高地隙底盘的设计

2.2.1前桥设计

前桥为驱动桥,主要由管梁、前桥变速箱、过渡齿轮箱及轮边减速器等组成,传动路线如图4所示。为增大最小离地间隙,将前桥增高,同时在前桥变速箱与轮边减速器之间增加过渡齿轮箱,来实现动力的传输。

1.前桥变速箱 2.输入轴 3.输入大锥齿轮 4.左侧轮胎 5.轮边减速器 6.输出联轴器 7.输出大锥齿轮 8.中间轴 9.输入小锥齿轮 10.输出小锥齿轮 11.输出轴 12.右侧轮胎 13.过度齿轮箱壳体 14.输入联轴器图4 前桥传动路线图Fig.4 Diagram of front axle transmission route

为保证运转平稳、工作可靠,过渡齿轮箱选用弧形锥齿轮来进行传动[15-16],主要包括输入齿轮副、输出齿轮副和中间轴。其中,输入轴和输出轴的竖直距离为520 mm,输入齿轮副和输出齿轮副的大锥齿轮和小锥齿轮的齿数分别为32和13,过渡齿轮箱总传动比i2=1,前桥变速箱传动比i1=0.95,轮边减速器传动比i3=4.5。

样机在工作时,动力由前桥变速箱水平输出,输入齿轮副换向后变为竖直传递;随后,由中间轴传递至输出齿轮副;最后,动力经输出齿轮副换向后变为水平输出,传递至轮边减速器,驱动前轮。

2.2.2后桥设计

后桥为转向桥,主要由转向桥梁、转轴及后轮等组成,如图5所示。为达到最小离地间隙为800mm的设计要求,后桥将转轴和回转轴承座加长来增加离地间隙,并用加强筋来进行结构加固;同时,将转向制动臂和转向拉杆安装在转向桥梁上端,避免转向拉杆对大豆产生损伤。

1.回转轴承座 2.转轴 3.桥梁 4.加强筋 5.制动轮轴 6.后轮图5 后桥结构示意图Fig.5 Diagram of rear axle

2.3 车架的设计

车架为收获机的重要部件,选用边梁式结构,主要由Q235槽钢焊接而成,包括横梁、纵梁、立柱、加强筋和连接板等,整体尺寸为5670mm×3260mm×510mm。

车架的左右两侧纵梁进行分段设计,将后段纵梁高度降低,降低剥皮机、排杂机和粮仓等部件的高度,进而使得整机的重心降低,有利于提高样机在作业过程中的稳定性。在纵梁分段处通过加强板来对结构进行加固,在割台挂接梁两侧后方增设加强筋来增加结构的稳定性。车架结构如图6所示。

1.立柱 2.割台挂接梁 3.加强筋 4.连接板 5.纵梁 6.加强板 7.支架座 8.后横梁 9.粮仓前横梁 10.中横梁 11.发动机横梁 12.前横梁图6 车架三维图Fig.6 3D drawing of frame

3 车架的模态分析

玉米收获机田间作业条件复杂,受到的激励与发动机、剥皮机等激励引起的振动与冲击引起的频率接近车架固有频率时,将导致共振,加速车架失效[17]。因此,选用有限元软件对此种分段边梁车架结构进行模态分析,对车架可靠性进行分析。

3.1 有限元模型建立

在SolidWorks三维软件中建立车架的三维模型,建模过程中对模型进行简化,忽略不必要的倒角、圆角等[18-19]。将简化后的模型导入到ANSYS Workbench软件中进行有限元分析,并在DesignMolder中生成有限元分析模型。车架的有限元分析模型如图7所示。

图7 车架的有限元分析模型Fig.7 Diagram of finite element analysis model of frame

3.2 材料定义和网格划分

材料定义为Q235,密度ρ=7.85×10-3kg/m3,杨氏模量E=2×105MPa,泊松比V=0.25。在对车架进行网格划分时,选用四面体单元进行划分,网格大小定义为10mm。网格划分完成后共有实体节点334 635个、实体单元159 676个。

3.3 求解与分析

模态分析用于确定结构的固有频率和振型,一般而言低阶振动对于结构的动态影响较大,故只需计算前几阶较低固有频率及相应的振型[20]。在自由状态下,车架的前6阶模态为刚体模态,频率值约等于0,因此将第7阶模态算作第1阶频率,开始提取车架的前6阶模态结果进行分析[21]。车架的模态频率如表2所示,对应的振型如图8所示。

表2 车架前6阶自由模态频率Table 2 Table of first 6 free modal frequencies of frame Hz

图8 车架前6阶振型模态云图Fig.8 Diagram of the first 6 modes of the frame

车辆在正常状态下行驶时,发动机的转速一般为2300r/min,相应的激励频率为153.33Hz[22]。由表2可知,车架的最大模态频率为41.279Hz,不会发生共振,满足车架的设计要求。

4 田间试验

4.1 试验条件与准备工作

为检验所设计的高地隙玉米收获机作业性能,参照玉米收获机械相关标准[23],于2021年10月15-17日在山东省潍坊市北京大学现代农业研究院解戈庄试验基地进行田间试验。田间试验时以功能验证为主,并测定玉米的损失。

在试验田内随机选取3个点开展试验地田间调查,对试验田内玉米参数进行采集,并选取区5个试验区进行田间试验。试验区包括20m的稳定区、20m的测定区和10m的停车区,在测定前去除测定区内最低结穗高度在0.35m以下的果穗以及自然落粒、落穗。样机试验如图9所示,试验田玉米参数如表3所示。

表3 试验田内玉米的相关参数Table 3 Parameters of test base

图9 样机田间试验Fig.9 Field experiment process

4.2 性能试验与结果分析

4.2.1试验方法

作业时,高地隙玉米收获机保持3 km/h的作业速度,收获时各部件工作平稳,能够实现对两侧玉米带的一次性收获,完成摘穗、运输、剥皮、排杂和收集作业。

拣起测定区漏摘和掉落的果穗脱净后称出籽粒质量,同时空转机器,对升运器和籽粒回收箱中收集到的果穗脱净称量籽粒质量,按照式(1)～式(4)计算落地籽粒损失率SL、果穗损失率SU以及苞叶夹带籽粒损失率Sb,并按照式(5)计算总损失率Sz,即

(1)

(2)

(3)

Sz=SL+SU+Sb

(4)

mz=mq+mL+mU+mb+mH

(5)

式中SL—落地籽粒损失率(%);

Sb—苞叶夹带籽粒损失率(%);

SU—果穗损失率(%);

Sz—总损失率(%);

mz—籽粒总质量(kg);

mq—升运器中果穗籽粒和夹带籽粒质量(kg);

mL—落地籽粒质量(kg);

mU—漏摘和落地果穗籽粒质量(kg);

mb—苞叶夹带籽粒质量(kg);

mH—籽粒回收箱中地籽粒质量(kg)。

经测定,玉米损失的相关参数如表4所示。每个测定区面积为56 m2,将每平方米落地籽粒质量换算为每个测定区内落地籽粒质量后为7.28 kg。按照公式计算得:落地籽粒损失率SL=13.25%、果穗损失率SU=5.32%,苞叶夹带籽粒损失率Sb=0.31%,总损失率Sz=18.88%。

表4 样机玉米损失性相关参数Table 4 Parameters of test base kg

4.2.2结果分析

经田间试验验证,高地隙玉米收获机样机能够实现在该种农艺模式下骑跨大豆带对玉米收获的功能,同时也存在损失率高的不足之处。结合试验环境和机具自身情况对存在问题进行分析:从试验环境来看,受收获时间与持续降雨影响,枯熟期玉米存在倒伏严重的情况;另外,持续降雨导致籽粒含水率高,不利于机收,会增加玉米的损失[24]。从机具自身来看:割台收获行距680mm与玉米带行距400mm适应性有待提高,且辊式摘穗装置对玉米易产生啃伤,造成割台损失增加[25]。后期针对损失率高的原因对样机进行改进优化,提高作业效果。