旱区全膜双垄沟播履带式玉米联合收获机的设计

辛尚龙，赵武云，戴 飞，石林榕，李 东，吕德玉，马海军

旱区全膜双垄沟播履带式玉米联合收获机的设计

辛尚龙1，赵武云1※，戴 飞1，石林榕1，李 东1，吕德玉2，马海军3

（1. 甘肃农业大学机电工程学院，兰州 730070；2. 山东丰神农业机械有限公司，德州 253300；3. 甘肃洮河拖拉机制造有限公司，定西 730500）

针对中国北方旱地全膜双垄沟播玉米种植方式，解决玉米收获过程中的摘穗啃伤、田间作业垄上行走稳定性差及玉米茎秆回收再利用问题，设计了一种履带式玉米穗茎兼收型联合收获机，以及配套的立辊式摘穗割台和茎秆切碎抛送装置。设计的非对称立辊式对行收割结构，可适应玉米全膜双垄沟播收获作业要求，实现了穗茎兼收，提高了秸秆利用率，并总结了立式割台“间隙夹持-倾斜喂入-滑动摘穗”的立式摘穗收获机理。利用立式摘穗试验样机，以机具前进速度、主动链轮转速、摘穗辊直径、切碎刀轴转速为影响因素，果穗损失率、茎秆切碎合格率为评价指标，进行了二次旋转正交组合试验。通过Design-expert 8.0.6数据分析软件，建立各影响因素与指标的数学回归模型，分析了显著因素与评价指标之间的关系，优化试验参数，确定最优参数组合：在机具前进速度3.8 m/s、主动链轮转速1 150 r/min、摘穗辊直径82 mm、切碎刀轴转速1 650 r/min时，果穗损失率为2.61%、茎秆切碎合格率为92.81%。优化模型与田间验证性试验得到的果穗损失率均值2.8%、茎秆切碎合格率均值93.1%相接近，满足旱区全膜双垄沟播玉米收获要求。

农业机械；设计；优化；旱区；玉米；全膜双垄沟播；收获割台；立式摘穗辊

0 引 言

玉米全膜双垄沟播技术抗旱、增产，目前，该技术已经成为中国西北旱区玉米种植的主要生产方式，为中国西北旱区玉米稳产增产提供了有效的技术途径[1]。由于玉米种植面积和产量的增加，玉米茎秆资源也呈现逐年增长的态势。玉米茎秆含有丰富的营养物质，经回收青贮加工后可以为当地农户发展养殖业所需的牲畜饲料提供有利保障，减少资源浪费[2-3]，甘肃省地处西北内陆，玉米种植地以丘陵山地居多，为了提高机具的作业稳定性，降低机具的重心，选取了履带式行走底盘。

国内外较为成熟的玉米联合收获机械大部分均采用卧辊式摘穗原理，并对玉米茎秆进行还田处理[4-5]。实践证明，近年来大量的还田处理和不规范的还田方法使得土壤微生物与作物幼苗争夺养分，出现减产现象[6-9]。全膜双垄沟播生产模式下的普通卧辊式玉米联合收获作业不易实现玉米茎秆的回收过程，而立辊式摘穗装置拥有较大的空间布置茎秆回收装置，能够实现玉米的穗茎兼收。

截止目前，立辊式收获割台对实现玉米穗茎兼收的要求较为合理，国内对立辊式玉米收获割台的研究还处于试验改进阶段，立式割台有关部件的设计还不够成熟[10-12]。张道林等研制了立辊式玉米摘穗与茎秆切碎装置，为立辊式玉米收获割台的设计提供了理论依据[13-14]。刘枫等设计了一种将夹持链主动输送链轮与摘穗辊分开传动的新型夹持输送机构，有效消除了秸秆对链条的附加拉力，提高了链条使用寿命[15]。闫洪余等[16-18]分析了立辊式摘穗辊辊型对玉米收获性能的影响，得到了圆顶花纹辊的最佳工作转速。耿端阳等[19]在对立辊式摘穗装置的研究中，分析了多棱立辊式摘穗装置主要结构参数设计方法，提出了立式激振折断摘穗机理。课题组针对甘肃省玉米全膜双垄沟播种植方式设计了一种轮式穗茎兼收型旱区玉米联合收获机，能够一次性完成玉米果穗的摘穗、剥皮、收集和玉米茎秆的铡切、抛送、收集，但是由于机具幅宽较窄，田间作业垄上行走时稳定性较差[20]。而国外学者针对玉米收获的研究主要集中在大型、智能和籽粒直收上，立辊式摘穗的研究较少报道。为此，设计一种针对旱作农业小地块、坡地兼用穗茎兼收型玉米全膜双垄沟播玉米联合收获机意义重大。

1 总体结构与工作原理

1.1 结构和工作原理

目前，西北旱区玉米主要种植在干旱半干旱山区、丘陵地带，且受玉米全膜双垄沟播农艺种植方式的影响，其最适宜的收获割台幅宽一般不超过1.8 m[21]。设计的旱区玉米全膜双垄沟播立式割台，选用山东丰神农业机械有限公司生产的2行立式玉米收获割台为基础割台。样机主要由履带式底盘、立式摘穗割台、茎秆切碎装置、剥皮装置、秸秆收集箱及果穗收集箱等组成，其结构如图1所示，联合收获机主要性能参数如表1所示。

1.立式收获割台 2.过桥 3.履带 4.机架 5.压扁辊 6.果穗升运器 7.茎杆切碎装置 8.抛送筒 9.驾驶操纵台 10.秸秆收集箱 11.剥皮装置 12.果穗收集箱 13.变速箱 14.发动机输出带轮 15.玉米籽粒收集箱

表1 联合收获机主要性能参数

机具作业过程包括分禾、扶禾、切断、夹持喂入、摘穗、切碎（茎秆）、输送等工序。工作时，割台上的分禾器将工作幅宽内的玉米茎秆扶起，在拨禾星轮与夹持输送链的作用下，由往复式切割器将玉米植株从根部割断，再经夹持输送装置将其输送到立式摘穗辊进行摘穗。摘穗辊摘下的玉米果穗在横向螺旋输送器的作用下将玉米果穗送至果穗升运器中，由果穗升运器完成玉米果穗在割台上的输送作业。与此同时，摘掉果穗后的玉米茎秆则通过立式摘穗辊辊组间隙送入过桥与茎秆切碎装置，在过桥中压扁辊的作用下完成切碎前的压扁压实过程；茎秆切碎装置是由动刀架、刀架轴、动刀、压刀板及定刀组成的滚刀式切碎器，在茎秆切碎装置的一侧安装有抛送风机，工作时，由割台通轴上的大链轮将动力传入茎秆切碎抛送装置一侧的小链轮，带动茎秆切碎器与抛送风机高速旋转，进而在茎秆切碎器定动刀的配合下将茎秆进行切碎，以达到粉碎玉米茎秆的目的。由于滚刀式切碎器动刀安装角朝向抛送风机风扇叶片一端，所以在切碎刀轴的高速转动下切碎后的玉米茎秆等细碎物料流向抛送风机，在风机风扇叶片的转动下，将切碎后的茎秆等物料送入集草箱中，完成玉米茎秆的切碎与集箱。

1.2 传动系统

传动系统设计主要满足机具各装置获得匹配的功率，并保证各装置部件协调工作，从而确保准确的传动比和较高的传动效率，满足旱区穗茎兼收型联合作业机的收获要求。

如图2所示为样机传动系统示意图，工作时，柴油机经带传动将动力输送给变速箱，变速箱将动力一分为三，一部分动力提供给履带式行走底盘，一部分动力提供给剥皮装置（纵向，图2未画出），另一部分动力则经带传动输送至机架前端的固定轴上，再经链传动将动力提供给割台通轴。通过割台通轴将动力分别输出至往复式切割器、横向螺旋输送器、立式摘穗装置、果穗升运器、茎杆切碎装置等重要工作部件。其中，夹持输送装置的主动链轮安装在立式摘穗辊上下段之间；果穗升运器与割台横向螺旋输送器共用一根转轴；过桥中的压扁辊由茎杆切碎装置分配动力。

1.往复式切割器 2.拨禾轮 3.夹持输送装置 4.横向螺旋输送器 5.立式摘穗辊 6.果穗升运器 7.压扁辊 8.茎秆切碎装置 9.抛送风机 10.履带 11.发动机 12.变速箱 13.剥皮装置 14.果穗收集箱 15.摆环

1.3 技术指标

玉米全膜双垄沟播技术是科研工作者针对中国西北地区旱作农业生产探索出的一项突破性创新技术，具有“蓄水保墒、覆盖抑蒸、膜面集雨”的功能与特点，因其经济效益显著而得到了有效推广[1]。如图3所示为旱地玉米全膜双垄沟种植的农艺栽培模式示意图，其中，大垄与小垄总宽度为110 cm，大垄宽为70 cm，高为10～15 cm，小垄宽为40 cm，高为15～20 cm，要求地膜全覆盖，在垄沟内播种，播种深度为30～50 mm，株距根据当地年降水量来定，一般为33～40 cm。垄体覆膜选用宽度为1 200 mm、厚度为0.01 mm的白色地膜。

图3 旱区玉米全膜双垄沟播技术示意图

2 关键部件参数分析

2.1 喂入装置

割台喂入装置主要由分禾器与夹持输送装置2部分组成。分禾器位于夹持输送装置上方，在工作时对错行玉米及倒伏玉米起到分禾扶禾与保护割台的作用。夹持输送装置主要由夹持输送链条、拨禾轮及导向滑道等组成，主要完成对玉米果穗摘穗前的输送过程。

2.1.1 分禾器

旱区玉米全膜双垄沟播穗茎兼收型联合收获机割台分禾器的设计，主要遵循顺利分禾、保护割台其他工作部件和便于维修的原则。分禾器由左中右3部分组成，左右两分禾器呈对称布置，分禾器前端小后端大呈锤形设计，为了顺利的实现分禾作业需对分禾器的一些参数进行理论分析。在收获时，分禾器遵循能将倒伏的、折断的玉米植株扶起为原则，以降低果穗损失。大量试验证明分禾器锥角和分禾器尖端距离地面的高度是决定分禾器扶禾能力的最主要因素[22]，如图4所示。

注：v为机具前进速度，km·h-1；A点为分禾器的尖端；B点为分禾器的大端根部；O点为玉米植株与地面的交点；L为分禾器最大宽度，mm；N为分禾器对玉米植株的作用力，N；F为最大静摩擦力，N；f为玉米植株在分禾器外壁上产生的摩擦力，N；h为分禾器离地高度，mm；δ为分禾器锥角，(°)；γ为OA与OB的夹角，(°)。

越大，分禾器将玉米植株推倒的可能性也越大。当分禾器向前运动时，玉米植株相对于分禾器边沿反方向滑动。假设当分禾器锥角=0时，不管分禾器前进速度的大小如何变化，玉米植株都不会被推倒，当其锥角增大到=180°时，玉米植株都会被分禾器推倒。因此，一定存在某一临界角0，当≤0时，玉米植株将不会被分禾器推倒。当=0时，分禾器和玉米植株接触并产生相对运动，以玉米植株为研究对象，进行受力分析，忽略分禾器前进速度对其植株的影响，如果沿速度的反方向存在分禾器对玉米植株的最大静摩擦力，则有