大豆玉米带状种植模式下玉米摘穗机设计与试验

王鹏 谢守勇 李明生 陈行政 张小亮 刘伟

摘要：針对丘陵山区大豆玉米带状种植模式的玉米果穗收获有机难用、无机可用的现状，设计一款自走式小型玉米摘穗机。该机采用纵卧式摘穗辊实现果穗摘取，并通过输送装置收集装袋；采用“Y”型布局的L型小甩刀实现茎秆粉碎。对摘穗过程进行动力学分析、对粉碎过程进行静力学分析，确定其核心装置设计参数并进行样机试制。以茎秆粉碎长度合格率、果穗损失率、籽粒破碎率为试验指标进行田间试验，来验证该机设计的合理性。试验表明：在生产率为0.8 hm2/d、果穗籽粒含水率为26.38%、茎秆含水量为71.25%的条件下进行试验，茎秆粉碎长度合格率为92.4%、果穗损失率为2.06%、籽粒破碎率为0.61%。该机设计各项指标符合国家相关标准，能够满足丘陵山地地区玉米机械化收获需求。

关键词：摘穗；茎秆粉碎；甩刀；玉米；大豆玉米带状种植

中图分类号：S225.5+1

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2024） 02000707

收稿日期：2023年3月20日  修回日期：2023年5月17日

基金项目：工业和信息化部2021年适应丘陵山区农业作业的通用动力装备及高效作业机具攻关项目（TC210H02V）；重庆市技术创新与应用示范重点项目（cstc2021jscx—gksb0003）

第一作者：王鹏，男，1997年生，山西大同人，硕士研究生；研究方向为现代农业装备设计。Email： 952912202@qq.com

通讯作者：谢守勇，男，1969年生，重庆人，博士，教授；研究方向为农业智能控制与检测。Email： xsyswu@163.com

Design and experiment of corn ear picker under soybean and corn belt planting mode

Wang Peng1， Xie Shouyong1， 2， Li Mingsheng1， 2， Chen Xingzheng1， 2，

Zhang Xiaoliang1， Liu Wei1

（1. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing， 400715， China；

2. Key Laboratory of Agricultural Equipment in Hilly and Mountainous Areas in Chongqing，

Chongqing， 400715， China）

Abstract：

In view of the current situation that there was machinery difficult to be used or no machinery to be used in the corn ear harvesting of soybean and corn belt planting mode in hilly and mountainous areas， a selfpropelled small corn ear picker was designed. The machine adopted a vertical and horizontal ear picking roller to realize ear picking， and collected bags through a conveying device. The Lshaped small flail with ‘Y layout was used to achieve stalk crushing. The dynamic analysis of the picking process and the static analysis of the crushing process were carried out to determine the design parameters of the core device and conduct prototype trial production. The field test was carried out with the qualified rate of stem crushing length， ear loss rate and grain crushing rate as the test indexes to verify the rationality of the machine design. The results showed that under the conditions of productivity of 0.8 hm2/d， ear grain moisture content of 26.38% and stem moisture content of 71.25%， the qualified rate of stem crushing length was 92.4%， ear loss rate was 2.06% and grain crushing rate was 0.61%. The results show that the design of the machine meets the relevant national standards， and can meet the needs of mechanized corn harvesting in hilly and mountainous areas.

Keywords：

ear picking; straw crushing; swing knife; corn; belt planting of soybean and corn

0 引言

玉米是我国重要的粮食作物和经济作物，茎秆作为果穗收获后的高值副产品被粉碎后抛洒在农田中，可以培肥地力，提升耕地土壤品质［13］。2022年农业农村部提出大力推广大豆玉米带状种植模式，配套的播种、植保、收获机械却急需发展［45］。国内外玉米收获机种类多种多样，但主要以大中型机械为主，无法应用于丘陵山地的大豆玉米带状种植模式的玉米果穗收获，市场对此类机械较为急需［6］。

为解决丘陵山区大豆玉米带状种植模式下玉米机械化收获的问题，国内外学者针对上述问题做了大量研究。耿端阳等［7］设计了一款履带式坡地玉米收获机，采用横辊摘穗技术来减少果穗损伤，并研制出双向作业操作系统实现掉头转弯作业功能；李粤等［8］设计Y型甩刀解决粉碎机缠绕问题，优化机具前进速度和粉碎刀辊转速来使秸秆粉碎率达标；贾洪雷等［9］设计出一款V-L型秸秆粉碎还田刀片，并通过分析拖拉机前进速度和刀辊转速二者交互作用对秸秆粉碎率的影响，确定了刀片的较优结构参数；纪晓琦等［10］结合激振摘穗实现果－茎分离的条件开发了基于椭圆截面的新型摘穗装置以提高摘穗质量。上述研究大多是对粉碎装置与摘穗装置的设计与优化，虽有利于提高茎秆粉碎效果并减少果穗损伤，但机具复杂化，使用步骤较为繁杂，购买成本升高，散户难以接受，实用性差，用于丘陵山地的大豆玉米带状种植模式的玉米收获较为困难。

本文以提高粉碎效果、减少果穗损伤为目标，参照大豆玉米带状种植模式的农艺要求，设计一款自走式小型玉米摘穗机，并结合玉米摘穗及茎秆粉碎过程中动力学分析来确定其设计参数。并以样机生产率为0.8 hm2/d（每天工作10 h）进行田间试验，以期验证机具设计的合理性。

1 整机结构及工作原理

1.1 玉米收获机整机结构

自走式小型玉米收获机主要由行走装置、分禾拨禾装置、摘穗装置、输送装置及粉碎装置组成，如图1所示，主要技术参数如表1所示。玉米茎秆可视为柔性悬臂杆件，经拨禾器推动喂入摘穗辊后挤压拉茎，并被粉碎装置切割成小段，散落田间。

1.2 工作原理

机具在作业过程中可实现分禾、拨禾喂入、摘穗、输送、收集、茎秆粉碎等工序。“2+4”模式的大豆玉米带状复合种植进入收获期后，在不碾压两侧豆荚的情况下，两行玉米逐一收取。工作时，随着机具向前行驶，分禾器将玉米秸秆及穗叶左右分开，星型拨禾器负责将玉米茎秆逐一喂入摘穗装置，经摘穗辊的摘穗段将玉米果穗摘下。玉米果穗在自身重力及摘穗辊离心力的作用下，落在输送装置上，被输送至机具后方收集装置处装袋。玉米茎秆在粉碎装置的作用下切割成小段，散落在田间。

2 关键部件设计

2.1 摘穗装置结构设计

根据玉米收获时茎秆的站立形态，选择纵卧辊摘穗方式收获果穗。摘穗辊由导穗段、摘穗段、强拉段三部分组成［11］，如图2所示。玉米植株进入摘穗装置后，经导穗段螺旋的推动下进入摘穗段，两摘穗辊向内旋转，辊上三角凸棱与玉米植株摩擦，产生向下的拉应力使玉米茎秆向下运动，将玉米果穗与茎秆分离。

1.导穗段 2.摘穗段 3.强拉段

摘穗时左侧摘穗辊对玉米茎秆受力分析如图3所示，以水平向左方向为x轴正方向、竖直向下方向为y轴正方向、图3中O点为原点建立笛卡尔坐标系，建立关系式如式（1）、式（2）所示。

F1cosα-f0sinβ-F2sinα>12F内

（1）

12m0g+F1sinα+F2cosα-f0cosβ=12m0a

（2）

式中：

F1——

左侧摘穗辊凸棱对玉米茎秆的正压力，N；

F2——

左侧摘穗辊凸棱对玉米茎秆的下拉力，N；

f0——

左侧摘穗辊辊面对玉米茎秆的摩擦力，N；

α——

左侧摘穗辊凸棱对玉米茎秆的下拉力与竖直方向的夹角，（°）；

β——

左侧摘穗辊辊面对玉米茎秆的摩擦力与竖直方向的夹角，（°）；

a——

玉米茎秆被下拉的加速度，m/s2；

F内——

玉米茎秆垂直于纤维方向的内聚力，N；

m0——玉米茎秆质量，kg；

g——重力加速度。

因此摘穗辊能够顺利挤压并向下拉拽玉米茎秆，玉米茎秆发生塑性变形时需要克服垂直于纤维方向的内聚力，从而才能被挤压破坏。玉米茎秆经导穗段刚进入摘穗辊间时，初速度为0。在摘穗辊相向转动作用下，摘穗辊对玉米茎秆的正压力、下拉力产生较大的加速度，玉米茎秆迅速向下运动，完成摘穗过程。

为使摘穗辊仅作用于玉米茎秆而避开果穗，摘穗辊直径应满足式（3）［12］。

dg-δ1-11+μg2≥D≥dj-δ1-11+μj2

（3）

式中：

D——摘穗輥直径，mm；

dg——玉米果穗直径，mm；

dj——玉米茎秆直径，mm；

δ——摘穗辊两辊间隙，mm；

μg——摘穗辊对果穗抓取系数；

μj——摘穗辊对茎秆的抓取系数。

根据丘陵山区大豆玉米带状复合种植的情况（本例品种：渝单821）及相关资料显示，μg=μj=0.7～1.1、dg=45～55 mm、δ=10～12 mm，代入式（3）中可得：50 mm≤D≤120 mm，考虑到整机结构等条件，确定D=76 mm，摘穗辊长度L=510 mm。

摘穗辊转速对玉米茎秆粉碎有着重要的影响，摘穗辊转速过低时，玉米茎秆下行速度慢，茎秆底端不易与粉碎装置形成切割支点，茎秆切断时藕断丝连，切割不完全；摘穗辊转速过高时，玉米茎秆下行速度过高，茎秆粉碎长度较大。

摘穗辊转速计算公式如式（4）所示。

vg=ω1D2=n1π30×D2

（4）

式中：

vg——拉茎当量速度，m/s；

ω1——摘穗辊角速度，rad/s；

n1——摘穗辊转速，r/min。

查阅相关资料可知，摘穗辊拉茎当量速度为3～3.86 m/s，计算得到n1=818～1 052 r/min，在生产率为0.8 hm2/d，机器行走速度较快，选择摘穗辊转速为950 r/min。

2.2 粉碎装置结构设计

粉碎刀具主要有直刀型、甩刀型、锤爪型三种，本文选用L型甩刀，刚度高、耐磨性好，具备良好的秸秆粉碎能力［1314］。甩刀位于摘穗装置正下方，随着中心轴高速旋转，上方设有一锯齿形支撑板，田间作业时，玉米茎秆经摘穗装置挤压变形后喂入粉碎装置，当甩刀、玉米茎秆和锯齿形支撑板发生接触时，甩刀对玉米茎秆进行砍切，并且从甩刀、锯齿形支撑板与玉米茎秆接触到玉米茎秆被切断，甩刀和锯齿形支撑板对玉米茎秆均处于双支撑状态。玉米茎秆经摘穗辊挤压发生塑性变形，垂直于纤维方向的内聚力骤减，随着甩刀的转动及锯齿形支撑板的支持下，玉米茎秆发生弯曲和剪切变形直至断裂。

如图4所示，甩刀轴上均布四片甩刀，以铰接方式连接，甩刀长80 mm，铰接点距甩刀端点l=65 mm。粉碎装置中共3根粉碎轴，通过Y型连接块均匀布置在圆周上。

玉米茎秆切割段受力分析如图5所示，其中包括玉米茎秆切割段自身重力m1g、甩刀对玉米茎秆的支持力F3、甩刀与玉米茎秆间的摩擦力f1、锯齿形支撑板对玉米茎秆的支持力F4、锯齿形支撑板与玉米茎秆间的摩擦力f2。玉米茎秆与甩刀接触后瞬间被切断，接触时间持续极短，此时玉米茎秆仍保持原状态运动，因此，玉米茎秆在切断过程中受力平衡。以水平向左方向为x轴正方向、竖直向上方向为y轴正方向、图中O点为原点建立笛卡尔坐标系，建立关系式如式（5）～式（8）所示。

Fx=F4-f2sinθ-F3cosθ=0

（5）

Fy=f1+f2cosθ-F3sinθ-m1g=0

（6）

f1=μ1F3

（7）

f2=μ2F4

（8）

式中：

Fx——

各个力在x轴方向上的合力，N；

Fy——

各个力在y轴方向上的合力，N；

μ1——

玉米茎秆与锯齿形支撑板间的动摩擦系数；

μ2——

玉米茎秆与甩刀间的动摩擦系数；

θ——

砍切玉米茎秆时甩刀与锯齿形支撑板间的夹角，rad。

求解可得

F3=m1g（1-μ2sinθ）（μ1-sinθ）（1-μ2sinθ）+μ2cosθ

（9）

F4=m1gcosθ（μ1-sinθ）（1-μ2sinθ）+μ2cosθ

（10）

玉米茎秆的受力情况直接影响其粉碎质量。当甩刀、锯齿形支撑板选型确定后，玉米茎秆与甩刀、锯齿形支撑板间的动摩擦系数μ1、μ2为定值，则玉米茎秆的受力情况取决于砍切玉米茎秆时甩刀与锯齿形支撑板间的夹角θ的大小。由式（9）、式（10）可知，当θ在0，12π间逐渐增大时，甩刀对玉米茎秆的支持力、锯齿形支撑板对玉米茎秆的支持力均随之增大，秸秆粉碎质量得到提升。

根据《农业机械设计手册》可知甩刀刀端的线速度大于30 m/s时才能达到良好的粉碎效果。甩刀转速对玉米茎秆粉碎具有决定性作用，甩刀转速过低，秸秆受到刀片的打击力度不能切碎茎秆；甩刀转速过高，粉碎装置功耗高，振动大，不利于田间作业［15］。

本文设计L型甩刀的回转半径r1为80 mm，如图6所示，在中心軸轴心建立坐标系，甩刀端点运动轨迹上任一点坐标为A（x，y），则甩刀的运动轨迹建立如式（11）所示。

x=v0t+（r1+l）cos（ω2t）

y=（r1+l）sin（ω2t）

（11）

式中：

v0——整机前进速度，m/s；

ω2——甩刀转动角速度，rad/s；

l——甩刀的长度，mm。

图6 甩刀端点运动轨迹图

Fig. 6 Motion trajectory of endpoint of flail knife

甩刀端点A的运动轨迹构成一条余摆线［16］，整机前进速度决定了余摆线环扣的密度，由此可知整机前进速度对茎秆粉碎具有较大的影响，在保证机器工作效率的情况下，整机前进速度越慢，茎秆切碎效果越好。根据《大豆玉米带状复合种植机械化收获减损技术指导意见》并结合丘陵地区土地状况，确定整机前进速度范围为0.35～0.85 m/s，在生产率为0.8 hm2/d，整机前进速度为0.56 m/s。

对式（11）求导可得甩刀端点的速度如式（12）所示。

vx=dxdt=v0-（r1+l）ω2sin（ω2t）

vy=dydt=（r1+l）ω2cos（ω2t）

（12）

由此可得甩刀端点A的绝对速度如式（13）所示。

vm

=vx2+vy2

=v02+ω22（r1+l）2-2ω2（r1+l）v0sin（ω2t）

（13）

当ω2t=2kπ+π/2（k∈N）时，甩刀端点A处线速度方向与整机前进速度方向相反，vmmin=（r1+l）ω2-v0，因此可得甩刀中心轴转速最小值为

n2=30（vmmin+v0）π（r1+l）

（14）

计算可得n2=1 975 r/min，即甩刀转速可取整为2 000 r/min。

2.3 分禾拨禾装置结构设计

分禾拨禾装置作为整机结构的一部分，虽然结构简单，但却不可或缺［17］。由于种植行距的偏差，对垄作业时将会有一定的玉米植株在分禾器的作用下经拨禾器送入摘穗装置中，同时也可将其他行的玉米植株分离，提高玉米摘穗效率。拨禾器由拨禾曲杆和套筒组成，其中拨禾曲杆呈“Y”型分布，如图7所示为分禾拨禾装置结构图。

拨禾器工作时运动是由绕拨禾轮轴的圆周运动与机器的前进运动的合成运动，其外端点的运动轨迹也是余摆线，根据拨禾器外端在圆周上不同位置和拨禾器回转一圈时整机的位移S的关系，可得拨禾器转速如式（15）所示。

S=v0n3

（15）

式中：

n3——拨禾器转速，r/min。

在生产率为0.8 hm2/d，可计算得出拨禾器转速为93 r/min。

3 田间试验与结果分析

3.1 试验条件及试验方法

为验证自走式小型玉米摘穗机的作业性能、确定机具最优工作参数，于2022年6—8月进行样机试制，首先通过Creo8.0完成了整机的三维建模与装配，并将需要加工的非标零件如拨禾曲杆、车架等委托重庆市北碚区歇马镇加工工厂进行加工，并购买样机所需标准件如发动机、轴承座、甩刀等，之后在重庆市北碚区歇马镇川仪十厂附近某工厂将样机组装完毕，并于2022年8月在重庆市渝北区大盛镇进行田间试验，玉米品种为渝单821，玉米植株种植行距为400 mm，株距为120 mm，玉米茎秆根部直径为29.73 mm，顶部直径为8.66 mm，植株平均高度为2 947 mm。田间试验及作业效果如图8所示。

3.2 试验指标

3.2.1 茎秆粉碎长度合格率

粉碎后玉米茎秆长度不大于100 mm视为合格，根据G8/T 24675.6—2021《保护性耕作机械第6部分：茎秆粉碎还田机》［18］设定茎秆粉碎长度合格率测量方式为：每个行程在测区长度方向上等间距测定3点，共6点，每点随机测定1 m3面积，捡拾所有茎秆称重。从中挑出粉碎长度不合格的茎秆进行称重，计算出各点茎秆粉碎长度合格率后求均值，则茎秆粉碎长度合格率计算公式如式（16）所示。

z1=16∑6i=1MZi-MBiMZi×100%

（16）

式中：

MZi——

试验中各点所有粉碎茎秆总质量；

MBi——

试验中各点粉碎后不合格茎秆质量；

z1——粉碎长度合格率平均值。

3.2.2 果穗损失率

根据GB/T 21962—2020《玉米收获机械》［19］国家标准规定可知，在每个行程测区长度方向上收集漏摘和落地的果穗（包括5 cm以上的果穗段），将该类玉米及收集装置中的玉米分别脱粒称重，则果穗损失率计算公式如式（17）所示。

z2=mumz×100%

（17）

mz=mu+mq+ml

（18）

式中：

mu——漏摘和落地的果穗籽粒质量；

mz——每个行程中玉米籽粒总质量；

mq——收集装置中的果穗籽粒质量；

ml——果穗掉落籽粒的质量。

3.2.3 籽粒破碎率

根据GB/T 21962—2020《玉米收获机械》［19］国家标准规定可知，将收集装置中的玉米脱粒后，从中随机取出定量的籽粒（大于2 000 g），之后清理干净，并从中拣出机器损伤、有明显裂纹及破皮的籽粒，分别称出破损籽粒质量及样品籽粒总质量，并进行多次重复试验，则籽粒破碎率计算公式如式（19）所示。

z3=msmi×100%

（19）

式中：

ms——

破碎的籽粒、有明显裂纹的籽粒质量；

mi——第i次樣品籽粒总质量。

目前单行小型玉米收割机的生产率为0.67～1.23 hm2/d（根据地况，每天工作10 h），丘陵山区地块碎小，地况复杂，其生产率能达到0.8 hm2/d便属高效。为验证本文所设计的自走式小型玉米摘穗机的作业性能，在生产率为0.8 hm2/d、果穗籽粒含水率为26.38%、茎秆含水量为71.25%的条件下进行3组试验，每组试验进行3个行程（每半个行程为100 m，1个来回为1个行程），1组试验完成后记录数据并统计各指标。

3.3 试验结果与分析

试验过程中样机各装置工作运行良好，摘穗装置和茎秆粉碎装置运行平稳，摘穗效果好、粉碎质量高，试验结果如表2所示。

由表2可知，自走式小型玉米摘穗机在高效状态下工作时（生产率为0.8 hm2/d），平均茎秆粉碎长度合格率为92.4%、平均果穗损失率为2.06%、平均籽粒破碎率为0.61%，以上指标均符合GB/T 21962—2020《玉米收获机械》、G8/T 24675.6—2021《保护性耕作机械第6部分：茎秆粉碎还田机》里的国家标准，均在规定范围内，从而验证了自走式小型玉米摘穗机设计合理性、工作可靠性。

4 结论

1）  根据丘陵山区大豆玉米带状种植模式的农艺要求设计了一款自走式小型玉米摘穗机，该机由行走装置、分禾拨禾装置、摘穗装置、输送装置及粉碎装置组成。通过对摘穗过程及茎秆粉碎过程的动力学分析，确定了该机生产率为0.8 hm2/d的摘穗辊转速为950 r/min，整机行走速度为0.56 m/s，甩刀转速取整为2 000 r/min，拨禾器转速为93 r/min。

2）  在生产率为0.8 hm2/d、果穗籽粒含水率为26.38%、茎秆含水量为71.25%的条件下进行试验茎秆粉碎长度合格率为92.4%、果穗损失率为2.06%、籽粒破碎率为0.61%，从而验证了自走式小型玉米摘穗机设计合理性。

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