玉米联合收获机传动系统优化设计

陈国辉

(榆树市环城乡综合服务中心，吉林 榆树 130400)

0 引言

农业机械化是实现农业生产效率提升的主要途径之一，是提升农业市场竞争力的重要技术支撑，目前农业机械化正在向大功率、智能化和复合化方向发展。玉米是我国主要粮食作物和畜牧饲料之一，在我国种植面积广泛，随着农业机械化水平的提高，我国玉米总产量正在稳步发展。据统计，截止到2019年，我国玉米机械化收获比例超过70%[1]。

我国玉米收获机主要以国外进口为主，自主研发的玉米收获机主要是通过依靠国外产品相关经验优化而成，在实际应用过程中，会存在结构不合理、自动化和智能化水平较低等问题。如在田间工作过程中，机械载荷容易发生变化，导致连接部件和传动部件容易出现变形和故障等[2]，严重影响玉米收获机收获效率。

玉米联合收获机收获功率与收获效率主要取决于传动系统的自动化水平，其结构参数与工作性能直接影响玉米联合收获机各个部件的功率分配[3]。因此，优化玉米联合收获机传动系统对于提高玉米联合收获机的可靠性与收获效率具有重要意义。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

国外农业机械化研究起步较早，在20世纪20年代，澳大利亚成功研制世界第一台玉米联合收获机，经过不断优化与改进，逐渐推广到世界各个国家与地区。传动系统是影响玉米收获机田间工作效率的重要部件，其结构合理性直接影响玉米收获机的工作可靠性、动力分配合理性和机械使用寿命，因此，相关研究人员及企业对传动系统开展了大量的研究。

国外对玉米联合收获机变速箱研究较多，主要集中在无级变速装置的传动性能、功率分配和控制手段等方面。后期，针对玉米喂入量的问题，相关学者研发一种马达液压式控制系统，通过传感器反馈玉米收获机田间行进速度与设定速度之间的偏差，实现玉米联合收获机的自动调速，后期Robert J将机械传动系统改为液压传动系统，通过电磁阀调整凹版间隙、机器行进速度和风机转速等，并通过FLC反馈信号实现精度调节与自动控制，可以显著提高玉米联合收获机田间工作效率与工作可靠性，进而提升了整机自动化水平，为后期玉米联合收获机智能化发展奠定了良好的技术条件与基础[4]。

综上所述，国外农业机械发展较早，相关学者与企业对玉米联合收获机传动系统的研究较为全面，通过不断优化与升级，玉米联合收获机技术相对更为成熟，已经实现玉米联合收获机的自动化，并向智能化迈进。

1.2 国内研究现状

我国玉米收获机最早是从国外引进，对其进行仿制与研发，目前已经形成了我国自主研发的相关产品，并通过不断优化升级不断提高机器质量。国内学者与专家针对目前玉米收获机结构设计不合理和自动化水平偏低等问题开展了大量研究。

玉米联合收获机传动系统优化方面，对其关键零部件进行了优化设计，主要包括玉米联合收获机传动箱最佳传动比，并通过理论分析与试验相结合的方法提出传动结构的优化方案。后期，国内外相关学者对玉米联合收获机传动系统自动化控制进行研究，将传统机械传动系统改进为液压机械无级变速结构，并通过理论与试验相结合的方法对不同工作状态下的发动机与变速器功率分配问题进行优化，基于控制策略不断调整和优化发动机功率。

通过对国内研究现状进行调研与分析可知，我国对玉米收获机结构优化与控制策略的设计研究较少，与国外相关研究仍然存在一定的差距。近年来，我国对玉米联合收获机的研究更侧重于自动化控制策略的分析，对传动系统及其关键部件研究较少，因此，应该在提升玉米收获机自动化水平的同时提高对传动部件的结构优化与设计。

2 传动系统

以YF8166玉米联合收获机为研究对象，传动系统是分配发动机动力的主要部件之一，为各个工作部件传递动力，实现功率合理分配。YF8166玉米收获机传动系统传动路线图如图1所示。

图1 玉米联合收获机传动路线示意图

YF8166玉米联合收获机传动装置基本为带传动，但是由于受力不同会导致带传动发生不同的伸长量，导致传动带在工作过程中会出现弹性滑动等现象，用滑动率表示，取值范围为1%～2%。根据带传动传动比计算公式，由此推导出各级传动部件实际转速计算公式，如式(1)所示。

(1)

式中n1—主动轮转速，r·min；

n2—从动轮转速，r·min；

i—传动比；

ε—滑动率，%。

当发动机以额定转速2 200 r·min-1，滑动率ε=1%时，各部件转速如表2所示。

表2 各部件转速 单位：r·min-1

3 传动系统优化方案

3.1 脱粒滚筒

传统脱粒滚筒驾驶员需要通过多次操作操纵杆控制阀芯位移，进而调节滚筒转速。采用PLC控制液压回路的滚筒调速方案，提高调节精度。其中，活塞缸是液压系统中的执行元件，主要性能参数包括内径、活塞杆径、行程和流量等。本研究中活塞缸无级变速带轮参数如表3所示。

表3 活塞缸、变速带轮技术参数 单位：mm

油缸最大负载主要是指弹簧最大工作极限载荷Pj，本研究使用的弹簧极限载荷Pj=6 601 N，由式(2)和式(3)得出液压缸工作压力p=1.31 MPa。

(2)

(3)

式中p—液压缸工作压力，MPa；

F—液压缸最大负载力，N；

A—液压缸的有效作用面积，m2；

D0—液压缸内径，m。

油缸活塞运动符合正弦运动，位移公式如式(4)所示，其振幅为24 mm，运动频率f=15～20 Hz。

x=x1sinωt

(4)

式中x—油缸位移，m；

x1—油缸活塞位移，m；

对上式求导后得出活塞运动速度

v=x1ωcosωt

(5)

式中v—活塞速度，m·s-1；

ω—角频率，ω=2πf(rad·s-1)。

由式(5)得出活塞理论最大运动时速度vmax=3.2 m·s-1。

3.2 风机

采用无级变速带轮，风机转速与主动变速轮动盘位移之间的关系如式(6)所示。当调节风速为1 150 r·min-1，1 175 r·min-1，1 200 r·min-1，1 225 r·min-1时，主动变速带轮需要分别向右移动18.150 mm，18.975 mm，19.800 mm，20.625 mm。

xz=0.038(nf-600)

(6)

式中xz—主动变速轮动盘位移，m；

nf—风机转速，r·min-1。

3.3 切碎器

切碎器转速大小直接影响切碎功率和抛洒均匀度，由图1可知，切碎器主要采用带传动的方式由发动机主轴通过中间轴传送到切碎器主轴。通过前期试验得到4组切碎器较优转速，当玉米籽粒含水率为24%～26%和39%～31%时，此时较优转速分别为2 175 r·min-1和2 225 r·min-1[5]。

5 玉米联合收获机操控策略

通过前期对YF8166玉米联合收获机传动系统进行优化可知，将滚筒、风机和切碎器进行优化设计，再次总结出玉米联合收获机在不同工况下各部件转速调节策略，如表3所示。当玉米收获机喂入量为8 kg·s-1，10 kg·s-1，12 kg·s-1，玉米籽粒含水率为24%～26%和39%～31%时，各部件转速控制策略按照表3进行调节。

表3 玉米收获作业时各部件转速调节方案 单位：r·min-1

5 结论与展望

5.1 结论

针对目前玉米收获机传动系统工作效率低和传动系统设计不合理等问题，对玉米收获机传动系统关键部件脱粒滚筒、风机和切碎器等进行优化，并总结玉米联合收获机在不同玉米籽粒含水率和谷物喂入量时各个部件的转速，对于提高玉米联合收获机控制效率与工作可靠性具有一定参考意义。

5.2 展望

传动系统作为发动机传递动力的载体，其结构优化不仅可以提高发动机工作效率，还可以提高传动系统的自动化水平。未来应该根据提出的优化方案开展大田试验进行验证，并逐步应用于其他谷物收获机。