高地隙玉米收获机的设计与试验.pdf

高 地 隙 玉 米 收 获 机 的 设 计 与 试 验李英杰1,2,李景彬1,2,李树峰1,2,高奎增3,周伦1,2(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子832003;2.现代农业机械兵团重点实验室,新疆 石河子832003;3.山东巨明机械有限公司,山东 淄博256400)摘 要:玉米-大豆带状复合种植模式下,需依次对两侧玉米带进行收获,作业过程繁琐。为此,设计了一种可对两侧玉米带一次性收获的高地隙玉米收获机,并对整机及关键部件进行了设计。为验证车架的可靠性,利用ANSYS Workbench 软件对车架进行了有限元仿真,发现车架的前 6 阶模态频率的最大值为 41.55 Hz,小于车辆在作业状态下的激励频率值,符合设计的安全要求。为验证样机的作业性能,以损失率为指标,在作业速度为 3 km/h 的条件下开展田间试验,结果表明:高地隙玉米收获机样机的总损失率 Sz=18.88%,能够实现在此种农艺模式下骑跨大豆带对两侧玉米带收获作业,简化了玉米收获的作业过程,可为此种农艺模式下玉米收获机的研究提供设计参考。关键词:玉米收获机;高地隙;复合种植中图分类号:S225.5+1 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0102-060 引言玉米-大豆带状复合种植作为一种具有“高低协同”“以上促下”特点的农艺模式,在充分利用种植空间与光热资源的同时可提高玉米和大豆的产量,对促进农业可持续发展具有积极意义1-2。推广玉米-大豆带状复合种植技术可极大地推动我国玉米大豆产业发展,是解决玉米大豆争地矛盾的有效途径,且对于满足消费需求、确保粮食安全具有重大意义3。在玉米-大豆带状复合种植技术的推广过程中,农机与农艺相结合将会更好地提高作业效率4-6。目前,专门适于玉米-大豆带状复合种植技术的大型玉米收获作业机研究较少,多选用两行小型玉米收获机对两侧玉米带进行依次作业,作业过程较为繁琐7。为提高玉米-大豆带状复合种植模式下玉米收获的作业效率,研制相应的玉米收获机械已迫在眉睫8。为此,对此种农艺模式下的专用玉米收获机进行设计研究,通过增加最小离地间隙、割台分侧布置来实现骑跨大豆带对两侧玉米的一次性收获作业,提高了作业效率,可为专用于此种农艺模式的高效玉米收获机的设计提供借鉴。收稿日期:2021-12-21基金项目:四川省区域创新合作项目(2020YFQ0033)作者简介:李英杰(1996-),男,河北保定人,硕士研究生,(E-mail)lyi260218 。通讯作者:李景彬(1980-),男,河南淮阳人,教授,博士生导师,(E-mail)ljb8095 。1 整机设计1.1 设计目标通过对现有玉米-大豆带状复合种植现状进行实地调 研,确 定 了 农 艺 参 数 如 下:玉 米 带 行 距 a=400mm;大豆行数 4 行,大豆行距 c=200mm;玉米带与大豆带间距 b=600mm,大豆带间距离 d=400mm,玉米的株距为 100mm。玉米-大豆带状复合种植模式如图 1 所示。图 1 玉米-大豆带状复合种植模式示意图Fig.1 Schematic diagram of corn soybean strip compound planting mode根据玉米-大豆带状复合种植模式农艺参数,对高地隙玉米收获机进行方案设计,目标是玉米收获机能够骑跨大豆带实现两侧玉米带的一次性收获。具体如下:具有良好的通过性,即底盘最小离地间隙大于大豆植株高度;割台只对玉米收获而不影响大豆,即割台两侧分置,只对玉米进行收获。1.2 整体结构及工作过程1.2.1 整体结构高地隙玉米收获机主要由发动机、割台、升运器、驾驶室、车架、剥皮机及粮仓等组成,整机最小离地间隙为 800mm,高于大豆植株高度,如图 2 所示。其中,2012023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期割台和升运器选择两侧分置的方式进行布置,即左右分别有 1 组割台和升运器,在两侧升运器后设计有集穗搅龙、剥皮机和排杂机。1.割台 2.前轮 3.发动机 4.车架 5.籽粒箱室 6.后轮 7.粮仓8.排杂机 9.剥皮机 10.集穗搅龙 11.升运器 12.驾驶室图 2 高地隙玉米收获机结构示意图Fig.2 Diagram of high gap corn harvester1.2.2 工作过程样机田间作业时,动力由发动机输出,经前桥变速箱、过渡齿轮箱、轮边减速器后传递至前轮,驱动整机前进;同时,动力传递至两侧割台,驱动割台工作。两侧割台分别对两侧玉米带进行收获,后经两侧布置的升运器向后输送至集穗搅龙;果穗经集穗搅龙集中后进入剥皮机进行剥皮处理,苞叶等经排杂机排出,光果穗进入粮仓。机具主要工作参数如表 1所示。表 1 高地隙玉米收获机相关参数Table 1 Table of relevant parameters of high gap corn harvester参数单位数值配套动力kW129外形尺寸(长宽高)mm720039003600作业幅宽mm3100收获行数4最小离地间隙mm800剥皮辊数量组82 关键部件的设计2.1 两侧分置式割台的设计为实现在玉米-大豆带状复合种植模式下玉米的收获,设计了一种两侧分置式割台,主要由摘穗辊、护罩、挂接梁、拨禾链、升运器等组成,如图 3 所示。两侧割台在工作时,摘穗辊高速旋转,将玉米果柄拉断,对果穗进行摘取;摘下后的果穗由割台输送器运送至升运器,两侧玉米带的果穗经两侧割台摘取后分别由两侧升运器向后输送。1.摘穗辊 2.护罩 3.挂接梁 4.拨禾链 5.升运器图 3 两侧分置割台示意图Fig.3 Schematic diagram of split header on both sides两侧割台中心距离设计为 2400mm,使得收获时两侧割台分别位于玉米带中心;两侧割台中间位置宽度为 1000mm,使得机器在行驶过程中能够骑跨大豆带。在此种农艺模式下,玉米的种植密度较传统的种植模式要大 9-12。为实现在此种密植环境下玉米的收获,对割台的作业效率有较高要求,并且不易堵塞,因此选用辊式摘穗装置13-14。其中,摘穗辊直径为70mm,长度为 700mm,割台收获行距为 680mm。2.2 高地隙底盘的设计2.2.1 前桥设计前桥为驱动桥,主要由管梁、前桥变速箱、过渡齿轮箱及轮边减速器等组成,传动路线如图 4 所示。为增大最小离地间隙,将前桥增高,同时在前桥变速箱与轮边减速器之间增加过渡齿轮箱,来实现动力的传输。1.前桥变速箱 2.输入轴 3.输入大锥齿轮 4.左侧轮胎 5.轮边减速器 6.输出联轴器 7.输出大锥齿轮 8.中间轴 9.输入小锥齿轮 10.输出小锥齿轮 11.输出轴12.右侧轮胎 13.过度齿轮箱壳体 14.输入联轴器图 4 前桥传动路线图Fig.4 Diagram of front axle transmission route为保证运转平稳、工作可靠,过渡齿轮箱选用弧形锥齿轮来进行传动15-16,主要包括输入齿轮副、输3012023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期出齿轮副和中间轴。其中,输入轴和输出轴的竖直距离为 520 mm,输入齿轮副和输出齿轮副的大锥齿轮和小锥齿轮的齿数分别为 32 和 13,过渡齿轮箱总传动比 i2=1,前桥变速箱传动比 i1=0.95,轮边减速器传动比 i3=4.5。样机在工作时,动力由前桥变速箱水平输出,输入齿轮副换向后变为竖直传递;随后,由中间轴传递至输出齿轮副;最后,动力经输出齿轮副换向后变为水平输出,传递至轮边减速器,驱动前轮。2.2.2 后桥设计后桥为转向桥,主要由转向桥梁、转轴及后轮等组成,如图 5 所示。为达到最小离地间隙为 800mm 的设计要求,后桥将转轴和回转轴承座加长来增加离地间隙,并用加强筋来进行结构加固;同时,将转向制动臂和转向拉杆安装在转向桥梁上端,避免转向拉杆对大豆产生损伤。1.回转轴承座 2.转轴 3.桥梁 4.加强筋 5.制动轮轴 6.后轮图 5 后桥结构示意图Fig.5 Diagram of rear axle2.3 车架的设计车架为收获机的重要部件,选用边梁式结构,主要由 Q235 槽钢焊接而成,包括横梁、纵梁、立柱、加强筋和 连 接 板 等,整 体 尺 寸 为 5670mm 3260mm 510mm。车架的左右两侧纵梁进行分段设计,将后段纵梁高度降低,降低剥皮机、排杂机和粮仓等部件的高度,进而使得整机的重心降低,有利于提高样机在作业过程中的稳定性。在纵梁分段处通过加强板来对结构进行加固,在割台挂接梁两侧后方增设加强筋来增加结构的稳定性。车架结构如图 6 所示。3 车架的模态分析玉米收获机田间作业条件复杂,受到的激励与发动机、剥皮机等激励引起的振动与冲击引起的频率接近车架固有频率时,将导致共振,加速车架失效17。因此,选用有限元软件对此种分段边梁车架结构进行模态分析,对车架可靠性进行分析。1.立柱 2.割台挂接梁 3.加强筋 4.连接板 5.纵梁6.加强板 7.支架座 8.后横梁 9.粮仓前横梁 10.中横梁 11.发动机横梁 12.前横梁图 6 车架三维图Fig.6 3D drawing of frame3.1 有限元模型建立在 SolidWorks 三维软件中建立车架的三维模型,建模过程中对模型进行简化,忽略不必要的倒角、圆角等18-19。将简化后的模型导入到 ANSYS Work-bench 软件中进行有限元分析,并在 DesignMolder 中生成有限元分析模型。车架的有限元分析模型如图 7所示。图 7 车架的有限元分析模型Fig.7 Diagram of finite element analysis model of frame3.2 材料定义和网格划分材料定义为 Q235,密度 =7.8510-3 kg/m3,杨氏模量 E=2105 MPa,泊松比 V=0.25。在对车架进行网格划分时,选用四面体单元进行划分,网格大小定义为 10mm。网格划分完成后共有实体节点 334635 个、实体单元 159 676 个。3.3 求解与分析模态分析用于确定结构的固有频率和振型,一般而言低阶振动对于结构的动态影响较大,故只需计算前几阶较低固有频率及相应的振型20。在自由状态下,车架的前 6 阶模态为刚体模态,频率值约等于 0,4012023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期因此将第 7 阶模态算作第 1 阶频率,开始提取车架的前 6 阶模态结果进行分析21。车架的模态频率如表2 所示,对应的振型如图 8 所示。车辆在正常状态下行驶时,发动机的转速一般为2300r/min,相应的激励频率为 153.33Hz22。由表 2可知,车架的最大模态频率为 41.279Hz,不会发生共振,满足车架的设计要求。表 2 车架前 6 阶自由模态频率Table 2 Table of first 6 free modal frequencies of frameHz阶次频率阶次频率14.2412216.479321.375421.868525.794641.279图 8 车架前 6 阶振型模态云图Fig.8 Diagram of the first 6 modes of the frame 4 田间试验4.1 试验条件与准备工作为检验所设计的高地隙玉米收获机作业性能,参照玉米收获机械相关标准23,于 2021 年 10 月 15-17日在山东省潍坊市北京大学现代农业研究院解戈庄试验基地进行田间试验。田间试验时以功能验证为主,并测定玉米的损失。在试验田内随机选取 3 个点开展试验地田间调查,对试验田内玉米参数进行采集,并选取区 5 个试验区进行田间试验。试验区包括 20m 的稳定区、20m的测定区和 10m 的停车区,在测定前去除测定区内最低结穗高度在 0.35m 以下的果穗以及自然落粒、落穗。样机试验如图9 所示,试验田玉米参数如表3 所示。图 9 样机田间试验Fig.9 Field experiment process表 3 试验田内玉米的相关参数Table 3 Parameters of test base参数单位数值行距mm400株距mm100株高mm2350最低结穗高度mm860茎秆根部含水率%60收获时的籽粒含水率%694.2 性能试验与结果分析4.2.1 试验方法作业时,高地隙玉米收获机保持 3 km/h 的作业速度,收获时各部件工作平稳,能够实现对两侧玉米带的一次性收获,完成摘穗、运输、剥皮、排杂和收集作业。拣起测定区漏摘和掉落的果穗脱净后称出籽粒质量,同时空转机器,对升运器和籽粒回收箱中收集到的果穗脱净称量籽粒质量,按照式(1)式(4)计算落地籽粒损失率 SL、果穗损失率 SU以及苞叶夹带籽粒损失率 Sb,并按照式(5)计算总损失率 Sz,即SL=mLmz 100(1)5012023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期Sb=mbmz 100(2)SU=mUmz 100(3)Sz=SL+SU+Sb(4)mz=mq+mL+mU+mb+mH(5)式中 SL落地籽粒损失率(%);Sb苞叶夹带籽粒损失率(%);SU果穗损失率(%);Sz总损失率(%);mz籽粒总质量(kg);mq升运器中果穗籽粒和夹带籽粒质量(kg);mL落地籽粒质量(kg);mU漏摘和落地果穗籽粒质量(kg);mb苞叶夹带籽粒质量(kg);mH籽粒回收箱中地籽粒质量(kg)。经测定,玉米损失的相关参数如表 4 所示。每个测定区面积为 56 m2,将每平方米落地籽粒质量换算为每个测定区内落地籽粒质量后为 7.28 kg。按照公式计算得:落地籽粒损失率 SL=13.25%、果穗损失率 SU=5.32%,苞叶夹带籽粒损失率 Sb=0.31%,总损失率Sz=18.88%。表 4 样机玉米损失性相关参数Table 4 Parameters of test basekg参数数值每平方米落地籽粒质量0.13漏摘和落地果穗籽粒质量2.92苞叶夹带籽粒质量0.17升运器中果穗籽粒和夹带籽粒质量0.42籽粒回收箱中的籽粒质量44.144.2.2 结果分析经田间试验验证,高地隙玉米收获机样机能够实现在该种农艺模式下骑跨大豆带对玉米收获的功能,同时也存在损失率高的不足之处。结合试验环境和机具自身情况对存在问题进行分析:从试验环境来看,受收获时间与持续降雨影响,枯熟期玉米存在倒伏严重的情况;另外,持续降雨导致籽粒含水率高,不利于机收,会增加玉米的损失24。从机具自身来看:割台收获行距 680mm 与玉米带行距 400mm 适应性有待提高,且辊式摘穗装置对玉米易产生啃伤,造成割台损失增加25。后期针对损失率高的原因对样机进行改进优化,提高作业效果。5 结论1)针对玉米-大豆带状复合种植模式,设计了一种高地隙玉米收获机,通过提高前桥与后桥来增加离地间隙,并增加过渡齿轮箱来实现动力传递,其最低离地间隙为 800mm,能够满足样机对通过性的要求;割台选用两侧分置的方式来进行布局设计,只对玉米收获而不影响大豆。2)利用有限元软件 ANSYS Workbench 对分段设计的车架进行了模态仿真分析,并提取前 6 阶模态的频率,得到最大模态频率为 41.279Hz,在车架设计的安全范围内。3)对高地隙玉米收获机进行田间试验,作业时能顺利对两侧玉米一次性收获作业而不对大豆产生损伤,简化了玉米收获过程,基本达到预期设计目标。另外,需对割台等关键部件进行优化和改进,从而降低玉米损失率,改善作业效果,提高农机农艺融合度。参考文献:1 杨文钰.杨峰.发展玉豆带状复合种植,保障国家粮食安全J.中国农业科学,2019,52(21):3748-3750.2 苏本营,陈圣宾,李永庚,等.间套作种植提升农田生态系统服务功能J.生态学报,2013,33(14):4505-4514.3 杨文钰,杨峰.发展玉豆带状复合种植,保障国家粮食安全J.中国农业科学,2019,52(21):3748-3750.4 杨文钰.玉米大豆传统间套作的传承与创新发展C/2017 年中国作物学会学术年会摘要集.北京:中国作物学会,2017.5 段斌,余永昌.玉米、大豆密植套种栽培模式及配套机械化J.农业工程,2013(6):3.6 杨文钰,雍太文,王小春,等.玉米-大豆带状复合种植技术体系创建与应用J.中国科技成果,2020(15):4.7 张黎骅,蔡金雄,李雨涵,等.玉豆带状复合种植全程机械化技术与装备研究进展J.西华大学学报(自然科学版),2020,39(5):91-97.8 王波,李唯阳.带状复合种植技术有望成倍提高我国大豆产量四川农大等 3 所高校联合攻关玉米大豆间作机械装备J.当代农机,2020(8):17.9 束林华.玉米大豆带状复合种植技术J.农家致富,2021(9):22-23.10 车刚,张伟,何树国,等.大豆暗垄密植栽培技术模式及配套机械化系统研究C/2005 年农垦农机化学术交流会论文集,南京:中国农业机械学会,2005.11 王小春,杨文钰.实现玉米套大豆双丰收的玉米栽培关键技术J.四川农业科技,2011(4):15.12 马振亚.玉米、大豆套种轮作机械化增产技术J.农业工程,2013(1):17-18.6012023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期13 倪国庆,朱金光,王乐刚,等.玉米收获机产品重点功能部件结构设计要素的选择分析与应用探讨J.农业机械,2017(12):88-90.14 许锐,王姿莉,窦亮,等.玉米收获机械摘穗台不对行收获技术J.农业机械,2020(9):105-107.15 赵永刚.基于 ANSYS 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sides needs to be harvested in turn,and the operation process is cumbersome.In this paper,a high gap corn harvester which can harvest corn belts on both sides at one time is designed,and the whole machine and key components are designed.In order to verify the relia-bility of the frame,the finite element simulation of the frame is carried out by using ANSYS Workbench software.It is found that the maximum value of the first six modal frequencies of the frame is 41.55 Hz,which is less than the excita-tion frequency value of the vehicle in the working state,which meets the safety requirements of the design.In order to verify the operation performance of the prototype,taking the loss rate as the index,the field test was carried out under the condition of operating speed of 3 km/h.The results showed that the total loss rate SZ=18.88%of the prototype of high gap corn harvester could realize the harvest operation of riding across the soybean belt on both sides of the corn belt under this agronomic mode,and simplify the operation process of corn harvest.This paper can provide design reference for the research of corn harvester under this agronomic mode.Key words:corn harvester;highland gap;compound planting7012023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期