赵排航 王克印 黄海英 陈玉昆 王鹏

摘要 分析了玉米收获机械的发展现状，针对现有摘穗装置的缺点，设计了一种利用惯性摘穗的装置，并设计了配套输送装置;利用摘穗原理的创新，从根本上解决了玉米收获机对籽粒造成损伤的问题;理论计算验证了摘穗的可行性，利用仿真分析验证了理论计算结果的正确性;同时分析比较了两种秸秆处理方式的优缺点。

关键词 收获机;摘穗;无损伤;曲柄滑块;运动仿真

中图分类号 S225.5+1  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2015）03-352-03

Design and Analysis of a New Type Maize Harvester Ear Picking Device

ZHAO Paihang，WANG Keyin， HUANG Haiying et al

（Ordnance Engineering College， Shijiazhuang， Hebei 050003）

Abstract The development status of maize harvester was analyzed. Aiming at the existing disadvantages of ear picking device， a kind of picking device by using the inertial force was designed， as well as supporting conveying device. Using the innovation of picking principle， it solved the corn harvest machine on grain damage problem fundamentally. Theoretical calculations show that the feasibility of picking cob， then it tested and verified the validity of the calculation results by simulation analysis. At the same time， this article analyzed two kinds of straw processing mode.

Key words Harvester; Ear picking; No damage; Crankblock; Motion simulation

作者簡介 赵排航（1991- ），男，河南兰考人，在读硕士研究生，研究方向：机械设计及理论。

收稿日期 20141205

随着国家对农业机械化发展的重视，特别是政策上的大力支持和经济上逐渐加大的扶持力度，使我国玉米收获机械得到了快速发展。但是在玉米收获时仍然存在着机械损伤造成玉米籽粒破坏，使收获质量降低，甚至减产的问题。为此，加大玉米收获机械的研发投入，特别是对玉米摘穗装置等关键部件研究的投入很有必要。收获玉米主要是收获玉米籽粒，现有玉米收获机械容易造成玉米籽粒的破坏，从而不利于玉米籽粒的保存，降低收获质量。作为玉米收获机械的核心部件，摘穗装置的性能直接影响收获机整机性能。因此，开展这方面的研究，可以为设计出性能优良、功能齐全的玉米收获机械，提供技术支撑^[1-2]。

1 玉米摘穗装置的应用及研究现状

现有的玉米摘穗装置的机构种类较多，但主流应用都是利用摘穗辊对玉米秆茎和果穗的挤压和拉伸使其分离从而实现摘穗的原理。这种摘穗方式是根据茎秆和果穗的尺寸特性，存在摘穗辊对玉米果穗的挤压损伤问题^[3]，降低了收获的玉米籽粒质量，不利于籽粒的保存，也对粮食造成浪费。摘穗装置是玉米收获机的核心部件，如果摘穗性能不好的话，整机性能就无从谈起。

现有的摘穗方式基本都是利用尺寸特性，秆茎和果穗的直径不同，通过设置摘穗辊间距使其只能通过玉米秆茎而不能通过果穗来实现分离的。这种方式由于分离过程的挤压必然会造成果穗籽粒的损伤。

同时，由于玉米收获机的体型较大，在田间作业的灵活性较差，不适合在山区以及地块较小的地区作业;大型玉米收获机的售价较高，农村的收入水平普遍不高，经济原因也在一定程度上限制了玉米收获机械化发展。因此玉米收获机应该向着小型化发展，提高收获机械的灵活性，降低生产成本，有利于扩大农业机械化程度。

2 设计思路

解决玉米籽粒损伤问题是改进现有收获机摘穗装置的首要目的。玉米摘穗装置的作用是将玉米果穗和茎秆分离，机械化分离要根据其不同特性，实施相应的分离方式来完成。

玉米秆茎和果穗的不同特性包括尺寸和重量不同。从另一个角度思考，根据玉米秆茎和果穗的重量不同，利用惯性进行摘穗。玉米果穗质量比较集中，质量密度比较大，玉米秆茎沿其轴线方向所能承受的压应力也比较大，带穗秆茎保持竖直向上的状态，给其向上的加速度，使果穗在惯性作用下与秆茎脱离。主要利用两者重量特性和秆茎的应力特性，可避免摘穗机械对果穗的挤压，也就从根本上解决了摘穗机构对籽粒的损伤问题。

该摘穗装置的设计基于收获机械向着小型化发展的设计思路。

3 结构设计及计算

采用曲柄滑块机构从玉米秆茎底端沿秆茎中心轴方向给予加速度，秆茎在输送装置作用下始终保持竖直状态。摘穗装置包括振动台和输送装置两个部分。

3.1 振动台结构设计

振动台的设计采用曲柄滑块机构，将旋转运动转换为直线运动。如图1所示，曲柄AB为主动件，作连续转动时，滑块C作往复直线运动。

图1 振动台原理示意图

振动台的结构如图2所示，由于振动台对玉米秆茎的作用距离较长，设计了3组曲柄滑块机构并行工作，保证了振动台的工作过程稳定性。机器的动力传递到驱动轮，驱动轮转动通过连杆带动振动台的上下往复运动。振动台的斜坡设计目的在于割台割下的带穗秆茎在输送装置带动下能顺利通过振动台，振动台上下往复运动过程中，当振动台运动至最上方位置时其斜坡下沿与割台的衔接部分平起，使带穗秆茎能平稳过渡到振动台。

注：1-振动台;2-连杆;3-驱动轮;4-同步连杆。

图2 摘穗机构简图

3.2 设计计算

3.2.1 玉米果穗惯性力分析。

根据实物图作简图受力分析，假设玉米果穗质量集中在其质心一点上，如图4所示，玉米果穗的重力矩与秆茎所提供的转矩平衡方程：

T=Gl2sinθ（1）

式中：G—玉米果穗重量，l—果穗长度，θ—果穗与秆茎夹角。

设带穗秆茎在惯性摘穗装置作用下加速向上运动的加速度为a，则玉米果穗产生的惯性力矩为：

N′=Ggal2sinθ=Gla2gsinθ（2）

那么此时果穗产生的力矩为：

T+N′=Gl2sinθ+Ggal2sinθ

=（1+ag）Gl2sinθ（3）

当果穗产生的力矩大于秆茎最大承受力矩Tmax时才能实现摘穗，即：

T+N′>Tmax（4）

图3 玉米实物图片

图4 果穗受力分析示意图

3.2.2 曲柄滑块机构加速度计算。

摘穗台利用曲柄滑块机构带动摘穗台产生摘穗加速度，需进一步计算曲柄滑块机构中滑块的加速度，如图5所示。

图5 振动台计算示意图

设：AB、BC、AC长分别为r₁、r₂、r₃，则有

rlsinα=r₂sinβ（5）

rlcosα+r₂cosβ=r₃（6）

令，λ= r₁/r₂，则可推出滑块的运动方程为

x=rlcosωt+r₂1-λ²sin²ωt（7）

将式（7）对时间t求导数，其运算比较繁琐。在工程实际中，λ值通常不大（λ=1/4～1/6），故可将上式中根式展开成λ²的幂级数并略去λ⁴起的各项而作近似计算得：

x=r₁cos（ωt）+r₂（1-0.5）λ²sin²（ωt）

=r₂（1-0.25λ²）+r₁[cos（ωt）+0.25λcos（2ωt）]（8）

（8）式对时间取导数，即可得到速度和加速度表达式：

v=xg=-r₁ω[sin（ωt）+0.5λsin（2ωt）]（9）

a=vg=-r₁ω²[cos（ωt）+λcos（2ωt）]（10）

（10）式进一步计算，令其对时间的倒数等于零，可得当时间t=0时，滑块的加速度a取最大值，即：

amax=-r₁ω²（1+λ）=-ω²r₁（1+r₁/r₂）（11）

负号表明方向与正方向相反，最大加速度的大小取决于曲柄滑块机构的曲柄与连杆长度和曲柄的角速度，因此可通过调整曲柄连杆长度和曲柄角速度找出合适的加速度来满足摘穗条件即（4）式，理论上可实现摘穗功能。

安徽农业科学                         2015年

3.3 运动仿真与分析

仿真分析运动SolidWorks Motion工具，SolidWorks Motion是SolidWorks环境下的运动分析应用插件，可以对SolidWorks构建的模型进行运动仿真分析。

设置机构参数为：l₁=100 mm，l₂=200 mm。首先用SolidWorks软件进行建模，建立模型如图6所示，建模完成后进入运动算例进行仿真分析，为曲柄添加马达驱动，转速设置为ω=60 r/min;将算例类型设为Motion分析，单击计算按钮进行计算仿真;计算完成后，点击结果和图解按鈕设置相应参数可计算结果并生成所需图表^[4]。

图6 仿真模型

仿真计算出滑块的速度和加速度的时间变化曲线，如图7和图8所示，根据速度和加速度曲线特性，选取60～1 060 ms作为一个周期进行分析，并将该周期四等分，分析滑块的运动特性如表1所示。

图7 滑块速度曲线

图8 滑块加速度曲线

表1 滑块的运动特性

时间∥ms速度∥v加速度∥a

60～310↑+

310～560↑-

560～810↓+

810～1 060↓-

一个周期为1s，将一个周期按时间等分成4个阶段，见表1所示。分别是加速上升阶段、减速上升阶段、加速下降阶段和减速下降阶段。其中加速上升阶段为有效的摘穗做功阶段，输送装置带动带穗秆茎经过振动平台时，每个振动周期的加速上升阶段沿秆茎径向加速上推秆茎，果穗会在惯性作用下脱离秆茎，果穗重量越大摘穗效果越佳。

将仿真机构参数换算成理论计算对应参数，即：r₁=l₁=100 mm，r₂=l₂=200 mm，ω=60 r/min=2πrad/s;π取值3.14代入到（11）式，得

amax=5.916 m/s²=5 916 mm/s²

仿真分析结果加速度最大值5919与理论计算结果最大值5916在误差允许范围内相一致，通过仿真分析，验证了理论计算公式的正确性。

3.4 输送装置结构设计

输送装置作用是输送被割台剪下后的玉米秆茎运动至各工作部位，输送装置采用传送带夹持方式运动，输送装置对秆茎进行限位输送，使秆茎摘穗时保持竖直状态。输送装置的输送带如图9所示，输送带安装布置如图10所示。

图图9 输送带

注：1-振动台;2-输送带;3-秆茎。

图10 输送带安装布置

输送装置共包括4个输送带，分两组夹持玉米秆茎的上下2个位置，两组夹持机构同时工作对玉米秆茎进行输送，并可以实现边运动边振动摘穗。

4 秸秆处理方案

4.1 打捆

利用惯性摘穗的摘穗方式可以保存完整的玉米秆茎，经摘穗后的秆茎通过传送带进入打捆装置进行自动打捆。打捆装置将定时进行打捆，捆好之后释放秆茎捆，便于装卸、运输等回收利用工作。回收的玉米秸秆可以用于制作牲畜饲料，也可以用于沼气填料，提高农业经济效益。

4.2 打碎还田

现有大型联合收获机大多数为秸秆还田型，经调查，现有的秸秆还田的利用率并不高，由于玉米秸秆

打碎后碎叶较多较大，耕地深度有限，导致耕地完成后松土里混有过量的秸秆碎叶，影响秋季作物耕种，多数农民会选择燃烧一部分秸秆碎叶，这样不仅对环境危害极大，还造成了资源浪费^[5]。

实施秸秆还田必须解决碎叶影响耕种的问题，必须将秸秆叶子完全打碎，耕地时与土混合均匀，碎叶足够小才能不影响农作物耕种;可利用两级打碎装置，在秸秆碎末出口处安装滤网，只允许打碎的秸秆碎末排出，大片秸秆将无法排出直至打碎。另外，秸秆碎叶经收获机械未打碎的原因还有打碎装置效率不高，如果将打碎装置设计成刀切的形式，通过设计刀具装置的运动形式，实现刀具将玉米秸秆切碎还田，这样可以不用清除大片碎叶而直接耕种秋季作物，避免因秸秆焚烧带来的环境污染。

5 结语

该文提出了一种利用果穗惯性力摘穗的玉米收获机摘穗装置设计方案，思路创新，可进一步研究配套装置，完成整机设计;配合秆茎输送装置，可实现摘穗功能，并且对籽粒零损伤。该装置结构简单，便于整机小型化，降低成本，解决了现有大型收获机成本高、籽粒损伤率高等诸多问题，适应了农民群体的消费水平，有利于产品的推广。

参考文献

[1] 范红.玉米收获机的发展现状、问题与对策[J].現代农业装备，2011（5）：59-60.

[2] 王优，张强，于路路.玉米摘穗装置的应用现状与展望[J].农机化研究，2011，33（1）：228-231.

[3] 王小娟.小型玉米收获机摘穗辊的改进设计[J].当代农机，2013（2）：59-61.

[4] 李超 梁晓波.基于Solidworks的连杆步进输送机的设计与仿真[J].科协论坛，2011（8）：43-44.

[5] 韩鲁佳，闫巧娟，刘向阳，等.中国农作物秸秆资源及其利用现状[J].农业工程学报，2002，18（3）：87-91.