4YZP-3型自走式玉米收获机设计

张广军，王东伟，李　金, 韩　坤

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109)



4YZP-3型自走式玉米收获机设计

张广军，王东伟，李金, 韩坤

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109)

摘要：针对黄淮海地区和冬麦区玉米栽种特点，借鉴已有的经验，研制了4YZP-3型自走式玉米联合收获机，并介绍了整体机型、传动系统和关键部件的结构设计和技术特点。割台部分采用新型拨禾链分离装置，可将不对行玉米植株及时抓取并稳定送入到摘穗装置中；对剥皮机进行了优化设计和合理配置，大大提高了果穗剥净率,降低了籽粒破碎率和损伤率。田间试验和分析表明：其各项性能指标均符合玉米收获机行业标准，研究成果可为玉米收获机械的研究和发展提供借鉴。

关键词：玉米收获机； 剥皮机；自走式； 不对行

0引言

玉米作为我国重要的粮食作物，分布广泛，耕种面积高达0.24亿hm2。根据农业部农业机械化管理司统计数据，2013年我国玉米机收水平49%；但与水稻机收水平73%、小麦机收水平92%相比，还存在一定的差距[1]。“十二五”发展规划纲要已明确提出，将全程提高玉米机械化收获水平，保持每年7%的增长速度。玉米机收率相对较低这一现实，预示着我国玉米收获机仍有巨大的成长空间。

目前，我国玉米种植区域分布很不均匀，主要以家庭耕作为主，小面积种植较多，行距多样，不易实现大型玉米收获机机械化作业。加之大型自走式收获机价格昂贵、机动性不强及作业时间较短等问题，因此其适用范围受到了很大的限制[2]。同时，小型收割机工作效率低下、机收水平不高，无法满足农户的收获要求。作为玉米收获机发展阶段的重要机型，3行玉米自走式收获机具有结构简单、设计紧凑、价格合理、工作效率高等优点，受到企业和用户的认可，具有广阔的市场推广前景。但是，市场现有的3行玉米收获机机型功能不够完善，存在结构复杂、功耗大、适应性差等问题，不能很好地满足玉米收获的实际要求。因此，针对黄淮海和冬麦区玉米收获特点设计了4YZP-3型自走式玉米收获机，旨在满足用户的使用要求。

1整机设计

4YZP-3型自走式玉米收获机的整机结构如图1所示。

1.割台　2.秸秆切断装置　3.行走底盘

该机可一次性完成玉米的摘穗、秸秆粉碎、输送、剥皮、装箱及还田的全过程作业。前面割台采用新型拨禾器不对行分离装置，摘下的果穗在横向搅龙的作用下送入升运器，再被运送到剥皮机；剥皮机分布在发动机后部，连接升运器和果穗箱；双搅龙除杂装置和单向籽粒收集装置装在剥皮机下方；割台下方设计有秸秆切断装置，中置还田机实现秸秆完全还田；机车尾部安装果穗箱，液压侧翻式升举，具有很强的自净能力。

玉米收获机基本工作原理：机器运转时，首先分禾器接触植株，及时将其扶直收拢，植株被拨禾链快速推到摘穗辊上，果穗与植株经输送搅龙运送到升运器，再经升运器输送到剥皮机里；果穗在剥皮辊作用下，完成剥皮作业，多余的杂质被排除机外，干净的果穗被送至果穗箱；植株经过割台时，秸秆切断装置将植株切断放倒，由中置还田机将秸秆完全切碎还田。整机主要技术参数如表1所示。

表1　主要技术参数

2传动系统

玉米收获机传动系统的设计应该以消耗功率小、动力分配合理为目的，使整体结构紧凑，确保每个部分能够协调工作，获得适当的速度，满足作业要求。

根据各零部件消耗功率的估算，选用发动机总功率88kW，转速为2 400r/min。本机采用分路传动设计方法：第1路发动机直接通过皮带轮传给还田机，还田机位于发动机下方容易接受动力输入，便于控制；第2路传动是主传动，通过链轮分别传给剥皮机、驱动前桥和前部动力输入。其前部动力输入依靠24齿双排链将动力输入到主动轴，主动轴分3路传递动力：①直接通过17齿双排链传给升运器下轴，带动升运器工作；②动力传递到割台前部变速箱，变速箱将动力一部分传输给割台主轴，驱动割台工作；③变速箱将另一部分动力传输给秸秆切断装置，实现割台与秸秆切断同步工作。内部动力传输多采用链传动，便于在复杂环境下正常工作，确保动力供应的持续性与稳定性。具体传动配置如图2所示。

图2　4YZP-3型自走式玉米收获机传动系统示意图

3关键部件设计

3.1割台的设计

为了顺利完成不对行收获作业，设计关键是割台正常工作时确保植株持续有效地送入摘穗区域，且能将倒伏的植株拉起一并拢入拨禾机构中。拨禾机构采用分层式拨禾链，配合分禾器共同控制植株的运动方向，完成有效抓取和喂入。割台内部基本结构如图3所示。

3.1.1拨禾机构的设计

拨禾机构对实现不对行收获起到重要作用。本机构采用分层式拨禾链，如图3所示。该机构包括上层右前拨禾链、左拨禾链及下层右后输送链。割台上3组摘穗机构之间最前面都是上层拨禾链，分禾器将植株拢在一起，上层拨禾链稳定连续地将植株喂入到摘穗部分，实现不对行作业，较传统机型割台长度缩短、结构紧凑。下层输送链部分位于割台的后面，分布在摘穗辊的两侧，由割台变速箱上的主动链轮直接传递动力。左右拨禾链上的拨齿同步向上运动，拨齿之间有一定的间距，可以将任意株距的植株拨入摘穗部分；由于采用了链条拨齿式机构，能够保证传动比不变，避免工作部件之间的相互干涉。拨禾链将植株拨入摘穗部分后，有一段距离只是左拨禾链和摘穗辊起导向作用，这一段距离主要完成摘穗作业。此时，果穗会向后堆积，右后输送链进行快速输送，通过横向搅龙，运送到升运器，最终完成摘穗工作。

1.右前拨禾链　2. 右摘穗辊

3.1.2摘穗机构的设计

摘穗机构的工作性能将对玉米收获机的工作性能和收获效果产生一定的影响[3]。摘穗作业过程分为3部分：喂入、摘穗及除杂。拨禾链工作过程属于喂入作业，由新型分层式拨禾链相对运动来实现；摘穗作业采用拉茎辊式，辊上铸造有螺旋筋，由左右两辊相对运动实现摘穗；除杂作业为摘穗辊顶部，铸造有6根直筋条，筋条表面与辊体平滑过度，并附有细小花纹。根据摘穗辊能抓取秸秆而不能抓取果穗的这一条件来确定摘辊直径。根据公式[4]可知

(1)

其中，D为摘穗辊直径；h为摘穗辊间隙；dg为果穗直径；dj为茎秆直径；μg、μj为摘穗辊对果穗、茎秆的抓取系数。整理可得

(3～5.5)(dg-h)≥D≥(3～5.5)(dj-h)

将μg≈μj=0.7～1.1、h=(0.～0.5)d、dg=50mm、dj=23mm带入可得：90mm≥D≥70mm。本设计取D=80mm。

根据有关资料和多次试验分析可得，摘穗辊的工作长度与接穗高度、割台倾角、摘穗辊直径、传动比及螺旋螺距等因素有关，故确定其工作长度L=750mm,直筋内径D1=8mm,长度h=100mm。

3.2剥皮机的部分优化设计

剥皮机的作业效果将影响整机的作业性能，合理配置剥皮机的结构设计、优化运动参数能够减少制造成本、提高作业效率[5]。该剥皮机主要由剥皮装置、机架、压送器、单向籽粒收集装置和双搅龙除杂装置等组成。

3.2.1剥皮装置

根据市场上现有的形式，螺旋钢辊和橡胶辊组合作为剥皮辊颇多。螺旋钢辊加工简单，制造成本低，但抓取力小，表面容易磨损，不利于剥皮；橡胶辊耐磨，摩擦因数大，增大抓取力，但也使果穗纵向运动阻力增大，生产力下降。因此，本机构采用铸钢与橡胶组合式。主剥皮辊前半段表面加装螺旋钢筋，后半段表面带有螺旋凹槽橡胶辊；从剥皮辊表面带有方形橡胶凸起，如图4所示。这种组合排列方式的优点是果穗不仅沿轴线方向运动，还绕自身轴线方向旋转，以顺利完成剥皮工作。

1.螺旋钢筋　2. 橡胶凹槽　3. 橡胶辊

现有的剥皮辊配置方式主要为W槽型、V型和水平式[6]。本机采用W槽型配置方式，均匀分布5对主从剥皮辊，确保在作业过程中玉米果穗有序排列，减少果穗与剥皮辊打滑，提高剥净率。

1)主从动辊之间高度差H的分析。由图5(a)受力分析可知：主动辊与从动辊中心线之间存在一定距离H。由于H的存在，使得T1、T2方向相反，在T1、T2的作用下，产生一个旋转力偶，促使果穗绕自身轴线旋转，增加果穗剥皮次数，提高了剥净率。H值的大小与剥净率有关：H值增大，剥净率也增大；当大到超过摘穗辊半径时，果穗受力不均匀，会偏向主动辊，导致从动辊无效抓取，降低了剥净率。根据有关资料，当果穗的质心在主动辊与从动辊水平中心距的中点附近时，便于稳定果穗，形成旋转力偶。

(2)

其中，D1为剥皮辊直径；C为两剥皮辊水平中心距。取D1=90mm，则H<45mm,确定H=40mm。带入公式(2)，可得C=80.6mm。

由式(2)可知：剥皮辊直径和H值确定后，主从动辊的水平中心距也随之确定。

2)确定剥皮辊轴向倾角θ。根据图5(b)分析，果穗沿轴向运动的条件是：果穗轴向受力Q1必须大于其轴向摩擦力T，即Q1>T。由于Q1=Qsinθ，因此θ减小时Q1减小。果穗在轴线运动速度减小，剥皮时间增长，提高剥净率，但降低了生产率；θ增大时，使整机尺寸增高，升运器长度加大，不利于果穗喂入。根据多次试验，剥皮机装上压送器，剥皮辊轴向倾角θ为8°～15°时剥皮效果最佳，故取θ=13°。

3)选择剥皮辊长度L。剥皮辊长度对剥净率和籽粒损伤率都有一定的影响。目前，国内外常用的剥皮辊长度900～1 100mm内。根据文献[5]，剥皮辊长度增长，其剥净率稍有提高；但随着长度的增加，果穗损伤率和破碎率也会上升，影响生产率。综合考虑，在增加剥净率的基础上，减少损伤率和破碎率，确定本机剥皮辊长度为1 000mm。

1.主动辊　2.果穗　3.从动辊

3.2.2压送器的设计

压送器作为剥皮机主要组成部分，其作用是将果穗压在剥辊表面，产生一个向下的压力，促进两者相互摩擦，使苞叶脱落，提高了剥净率和生产率。根据市场调研和试验分析，指盘式压送器叶片尖端采用橡胶制成，成本较低，压送效果明显，能够快速、有效地划开苞叶，并拽起拨松，便于剥皮辊抓取苞叶。本机采用指盘式压送器，在满足工作要求的情况下，选取压送器最大回转直径为Φ240mm，能够稳定地拨动果穗，作业顺畅。实际作业中，压送轮的转速对剥皮辊的作业效果不大，故确定压送轮的转速为80 r/min。该压送轮动力传动采用传统的三级变速，主传动轴与三级压送轮从动轴采用不同的传动比。其中，第1组传动比最大，转速最高，更能快速喂入果穗；第2组转速最低，使果穗停留时间较长，提高剥净率，相对降低果穗损伤率，达到理想效果；第3组转速有所提高，快速排出果穗，提高工作效率[7]。

4田间试验

4.1试验条件

试验地点选在山东省龙口市崖头村龙口润禾民悦农业装备有限公司试验田进行。试验田应具有一定代表性，地块面积均符合试验田标准，测试相关数据并进行分析。玉米种植品种为莱农14号，平均株高2 450mm，茎秆平均直径26mm，株距28mm,果穗长度210mm,植株倒伏率低于5%，果穗下垂率低于5%，最低接穗高度890mm，籽粒含水率29.6%，茎秆含水率53.1%，土壤含水率12.2%。采用配套动力88kW，Ⅱ挡作业速度2.5km/h,收获3行，理论工作效率为0.33～0.6hm2/h。

4.2试验方法

根据GB/T21962-2008《玉米收获机械 试验方法》进行试验，选择测试区长25m,测定区前有20m长稳定区,测定区后有15m长停车区，选定试验区重复3次试验，机械接取和处理样品，测试相关数据，保证精确度。试验样机符合基本作业要求，驾驶员能够熟练操作机车。

4.3试验结果

整机总体设计符合要求，总损失率小于4%；该机采用卧辊式割台，具有对行效果好、机动灵活；还田机切碎效果明显，抛撒均匀；剥皮机剥净率达到90%以上，收获质量高；集果箱设计合理，液压控制升降，自净效果好，工作效率高。试验结果如表2所示。

表2　试验结果

5结论

1)该机型可适用于3行的玉米收获，可一次性完成摘穗、升运、剥皮、集果、卸粮及秸秆还田等联合作业，特别针对黄淮海和冬麦区的生产规模和种植模式而设计。

2)割台装置设计了新型拨禾链，在拨禾链与输送链之间存在的一段间距，有效地提高了摘穗和拨禾速度及工作效率，利于割台的不对行作业。

3)根据市场现有的机型和相关设计经验，优化了剥皮机设计参数；压送部分采用指盘式压送器，简化了内部结构，大大提高了剥净率和生产率。

4)该机型尺寸较小、质量轻、灵活方便，而且割台、秸秆还田机、果穗箱等部件升降采用液压控制，作业效率高。

参考文献：

[1]班春华.我国玉米收获机械化发展剖析[J].农业科技与装备,2013(7):78-80.

[2]于丽颖. 4YD-2型玉米收获机的设计[J]. 农机化研究,2010,32(8):74-78.

[3]章慧全. 茎穗兼收型玉米收获机摘穗装置设计[J]. 农业科技与装备,2012(1):30-32,34.

[4]章慧全.茎穗兼收型玉米收获机摘穗装置设计[J].农业科技与装备,2012(1):30-32,34.

[5]陈国武,毛善义,侯凯州.玉米联合收割机剥皮装置的设计[J].新疆农机化, 2008(4):5-6.

[6]韩述志,张建民,孙成金,等. 4YZP-2A型自走式玉米收获机设计[J].农业工程, 2012(12):49-53,60.

[7]徐丽明,王应彪,张东兴,等.玉米通用剥皮机构设计与试验[J].农业机械学报， 2011(S1):14-20.

Design of 4YZP-3 Type Self -propelled Corn Harvester

Zhang Guangjun, Wang Dongwei, Li Jin , Han Kun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109, China)

Abstract：According to the characteristics of the huang-huai-hai region and winter wheat area corn plant, this paper has learned from the existing experience, developed the 4YZP-3-type self-propelled corn harvester. Structural design and technical characteristics of the overall model, transmission system and the key components were mainly introduced. Picher header adopted a new conveying chain and separating device, and no-row corn plants would be timely crawled and stably fed into ear picking device.And the corn husker was optimized and reasonable configuration, it greatly improved the ear peeling rate, reduced the grain crushing rate and damage rate. Through the field testing and analysis, the performance indicators were in line with the industry standard of corn harvester. The research results can provide a reference for the research and development of corn harvester.

Key words：corn harvesber; corn husker; self-propelled; no-row

文章编号：1003-188X(2016)02-0082-05

中图分类号：S225.5+1

文献标识码：A

作者简介：张广军(1988-)，男，山东东平人，硕士研究生，(E-mail)2008.zhangguangjun@163.com。通讯作者：王东伟(1981-)，男，山东城阳人，副教授，博士，(E-mail) W88030661@163.com。

基金项目：青岛市公共领域科技支撑计划项目(12-1-3-43-nsh)；公益性行业(农业)科研专项(201203028)

收稿日期：2015-01-09