一种新型玉米去雄装置的设计

靳 帅，蔡红光，卢景忠

(1.吉林农业大学 工程技术学院，长春 130118；2.吉林省农业科学院，长春 130033)

0 引言

东北地区是我国重要的商品粮生产基地，也是我国七大玉米制种区之一[1]，同时拥有与美国玉米带、乌克兰玉米带并称为世界三大黄金玉米带的吉林玉米带。

玉米去雄也叫抽除顶花、天花[2]。对于制种行业来说，玉米去雄可以有效提高种子的纯度；对于商品粮种植来说，去雄可以有效的增产，一般每667m2可以增产玉米30～50kg，增产率达10%左右[3]。同时，玉米去雄还能减少病虫害的爆发及农药的使用，有效保护环境，并能够改善通风透光性，提高光能的利用率[4]。在我国玉米去雄主要以人工去雄为主，但存在劳动强度大、效率低下及作业环境恶劣等缺点。玉米去雄具有时间性限制，作业周期短，与人工去雄相比，机械去雄具有作业效率高等优势，但国外玉米去雄机的价格非常昂贵，农民的购买能力低[5],制约了玉米机械化去雄的进程。为此，借助高地隙喷药机的通过优势，在高地隙喷药机上加装新型玉米去雄装置，在不改变高地隙喷药机原有喷施药液功能的前提下，增加去雄的新功能，实现一机多用。

1 设计原理及机构

1.1 设计原理

该玉米去雄装置主要由玉米雄穗切顶器和四杆仿形机构组成，安装在高地隙喷药机上，通过液压油缸的升降带动四杆仿形机构运动，来控制切顶器适应不同高度植株作业的需求。其中，液压马达旋转带动旋转刀盘运动，从而实现切雄作业。

1.2 总体设计

玉米去雄装置结构示意，如图1所示。通过U型螺栓将玉米去雄装置的主架和高地隙喷药机的机架固定，切顶器用U型螺栓固定在升降架上。由于玉米植株受种子、生长环境等多种因素影响，玉米植株高度不一定一致，通过液压油缸的伸缩作用，四杆仿形机构随之运动，升降架随之进行上下运动，并带动切顶器进行上下运动，实现在不同高度范围的调节，满足不同玉米植株高度去雄的需要。切顶器通过液压马达的旋转，带动由联轴器联接的旋转轴进行旋转，通过旋转毂带动刀盘进行旋转，实现高速旋转，分禾器将玉米植株顺利导入到刀盘处，完成玉米植株的去雄作业。

1.机架 2.U型螺栓 3.上连杆 4.液压油缸 5.升降架 6.方管 7.液压马达 8.轴承座 9.旋转轴 10.分禾器 11.刀盘 12.下连杆图1 玉米去雄装置Fig.1 Maize detasseling device

2 主要工作部件的设计

2.1 四杆仿形机构的设计

玉米植株在生长过程中由于受种子、生长环境或其它因素影响往往造成同一行中玉米植株高度不一致的生长特征，切顶器与玉米植株之间需要保持一定距离范围才能获得较好的去雄效果，且有较小的叶片损失率。为了适应玉米植株高度变化的调节，设计了仿形四杆机构采用平行四杆机构[6]，主要由主架、上连杆、下连杆及前悬架组成，如图2所示。

图2 四杆仿形机构Fig.2 Four-bar copying mechanism

简化机架的连接部分，以机架的下铰接点O为坐标原点，前进的水平方向为x轴方向，垂直方向为y方向，建立直角坐标系[7]。由于液压油缸的铰接点A距下连杆轴线OB的距离较近，与其他长度相比，可以忽略不计。近似取OAB在一条直线上，根据平行四杆机构，前悬架中B点的移动位移为切顶部件的移动位移。则B点沿y轴方向的位移为

式中lOA—OA间的距离(mm)；

lOB—OB间的距离(mm)；

lOD—OD间的距离(mm)；

lAD—AD间的距离(mm)。

当液压油缸运动时，B点将连续移动到B′时，则B′的y轴方向位移为

s=vt

式中lOB′—OB′间的距离(mm),lOB′=lOB；

lOA′—OA′间的距离(mm)，lOA′=lOA；

lA′D—A′D间的距离(mm)，lA'D=lAD+s,s为液压油缸的伸缩量，伸长为正，收缩为负(mm)；

v—液压油缸的运动速度(mm/s)；

t—液压油缸的调节时间(s)。

根据上式可以得到B点沿y轴方向的位移

2.2 切顶器

玉米雄穗切顶器主要由方管、液压马达、联轴器、轴承座、旋转轴、刀盘、护罩和分禾器等部分组成，如图3所示。方管与安装液压马达的法兰盘进行焊合，通过改变切顶器的方管在四杆仿形机构的升降架的位置可以适合不同玉米种植模式下的行距变化。

1.液压马达 2.螺栓 3.方管 4.键 5.联轴器 6.轴承 7.轴承座 8.轴承 9.旋转轴 10.护罩 11.螺母 12.分禾器 13.旋转刀盘图3 切顶器Fig.3 Cutting mechanism

2.2.1 液压马达的选取

选用摆线液压马达，额定扭矩为8N·m，额定输出功率为1.3kW，额定流量为14L/min。

2.2.2 联轴器的选择

本文选择的联轴器主要用于连接液压马达的输出轴和旋转轴，用以传递运动与转矩。联轴器的计算转矩位

Tca=KAT=12N·m

式中T—公称转矩(N·m)；

KA—工作情况系数，取KA=1.5。

查机械设计手册选用套取联轴器[8]。

2.2.3 旋转轴的设计

旋转轴是切雄传递动力的重要部件，承受液压马达、刀盘的驱动扭矩，容易产生扭曲、弯曲等组合变形。液压马达通过联轴器带动旋转轴旋转，通过旋转刀片对玉米雄穗进行切割作业。玉米雄穗看做柔性体，可以计算出旋转轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。

式中d—截面处轴的直径(mm)；

P—轴传递的功率(kW)，取P=1.3；

n—轴的转速(r/min)，取n=1K 537；

A0—系数，取A0=126。

其中，在轴的最小直径处开有键槽，应考虑键槽对轴的强度的消弱。在最小轴颈段安装旋转刀盘，有一个键槽，轴颈增大7%，即

d=dmin+7%dmin=12.84mm

2.2.4 分禾器的设计

分禾器主要是将玉米雄穗拢到切顶器刀盘的工作区域内，进而使用刀盘进行切割雄穗，进行去雄。本文设计的分禾器采用喇叭口形式，使用圆钢弯曲制成，焊合在U型卡套上，通过螺栓固定在轴承座上[9]。分禾器的三维模型如图4所示。

图4 分禾器Fig.4 Divider

3 旋转轴模型分析

3.1 模型建立

使用SolidWorks软件建立轴的三维模型，为减少处理时间，提高软件分析效率，对轴上的螺纹进行忽略处理，并利用SolidWorks simulation创建轴的有限元静力学分析算例[10]。

3.2 材料属性

旋转轴选用45号钢调制处理，材料密度为7.85×103kg/m3，泊松比0.3，屈服强度620.4MPa。

3.3 划分网格

划分节点数77 229，单元数51 493，自由度数231 165，如图5所示。

3.4 有限元分析后置处理

应力云图如图6所示。应变云图如图7所示。位移云图如图8所示。

图5 网格化Fig.5 Gridding

图6 应力云图Fig.6 Stress nephogram

图7 应变云图Fig.7 Strain contours

图8 位移云图Fig.8 Displacement fringe

4 试验效果

田间试验在吉林省农业科学院农业资源与环境研究所试验地进行，试验地地势平坦，南北走向，试验地长150m、宽100m。在雄穗完全长出，还未进行授粉时进行试验。采用切顶去雄装置，试验时，配套的高地隙喷药机的工作速度约为4.6km/h，田间作业效果如图9所示。试验后随机选取4个区域(不选取地头和转弯区域)每个区域选取4行，长度为6m，检查母本玉米雄穗是否去除干净，试验结果如表1所示[11]。

试验表明：在母本玉米雄穗长出后，去雄合格率为91.0%。主要原因是玉米植株的生长高度不完全一致，四杆仿形机构在液压油缸响应时间内，出现漏切和未完全切除现象，同时刀盘接触雄穗时，会把接触到的茎叶一起切掉，出现较高的叶片损失率。

图9 试验效果Fig.9 Test results表1 去雄试验统计Table 1 Emasculation statistics

序号抽样区域玉米植株总数/株成功去雄玉米植株总数/株去雄率/%11089890.7211310693.831059287.6411010191.8平均值91.0

5 结论

1)设计的玉米去雄装置采用液压驱动，具有响应速度快，工作稳定的特点[12]。

2)旋转轴通过SoidWorks中Simulation有限元软件分析，得到旋转轴的应力、应变和位移图。

3)通过四杆仿形机构控制切顶器进行不同高度玉米植株去雄作业，使切顶器始终处于最佳作业高度。

4)田间试验表明：去雄合格率为91.0%，满足农艺对机械化去雄作业的要求。机械去雄可以有效提高作业效率，降低人工劳动强度。