小型玉米收获机的设计

张 杰

（新乡学院，河南 新乡 453000）

玉米收获机顾名思义就是用来收获成熟玉米果实的机器，传统的农业种植大部分依靠人工，其劳动效率低下，很难产生高经济效益。在地形地貌相对不平坦的丘陵地区，大型联合收割机难以发挥其功用，因此小型玉米收获机的出现在一定程度上缓解了丘陵地区玉米收获效率偏低的问题。我国的机械行业与自动化控制发展日新月异，但是将这些技术运用到实际生活领域之中却又不是一件简单的事情。目前，在平原地区的玉米收获过程中，大中型联合玉米收获机的广泛运用已经显著提升我国的玉米种植以及收获过程的机械化程度，虽然同国际先进水平相比还有差距，但是玉米机械化收获还是给人们带来了一定的经济效益。

1 小型玉米收获机结构的设计

该小型玉米收获机在工作中会先通过摘穗辊分离玉米果实和玉米秸秆，同时被分离下来的玉米果实会在拨禾链上拨禾齿的推动下继续向后运动到剥皮辊内被剥皮，而在摘穗辊中被遗弃的秸秆则会通过下方的粉碎还田装置被粉碎。在剥皮辊中的玉米棒因为在金属辊和橡胶辊上的受力不同，附着在玉米棒上面的果皮则会因为这种不均等的受力被撕碎，直至被剥下。在剥皮装置的最后有一个收集箱，用来装已经被剥好皮的玉米。该小型玉米收获机的主要由一对摘穗辊、粉碎还田对辊、一组剥皮辊以及机架组成。传动系统主要使用齿轮传动和带传动[1]。

2 摘穗装置

2.1 摘穗装置的设计

对于摘穗辊材料的选择，本设计运用当前最为常用的45 号钢，热处理方式为调质处理。先将该钢材加热至850 ℃转化为奥氏体，保温半个小时，冷却时采用冷却速度大的10%盐水溶液冷却至180 ℃后再采用空冷的方式冷却至常温，再高温回火，将钢材加热至600 ℃，并保温1 小时以上，随后空冷。因为我国玉米籽粒的含水率在适合使用小型玉米收获机的西南地区偏高，所以在收获过程当中应当尽量设计出减少冲击的结构，同时还要考虑到高含水率的玉米茎秆需要较大的拉断力而适当采用一些刚性零件[2]。

综合考虑之下，对于摘穗辊的引入段采用调质45 号钢，同时设计出螺旋状的突起引导玉米秸秆顺利进入后面的摘穗段。摘穗段是玉米棒上的籽粒与摘穗装置的直接碰撞接触，靠着摘穗段对茎秆的拖拽实现玉米棒和茎秆的分离，但是较大的冲击必然提高玉米籽粒的受损率，橡胶材质的凸棱与摘穗板对冲击的吸收可以有效降低玉米籽粒的受损率[3]。强拉段则依旧采取调质45 号钢为材料，用强大的压力配合向下的拉力对残余的茎秆进行粉碎，并将在摘穗段未能被完全拽出的玉米茎秆完全拽出。

2.2 摘穗装置的工作原理

引入段利用螺旋的推力将玉米秸秆推入摘穗段，此时，摘穗段向下旋转利用摩擦产生向下的拉应力将玉米棒与茎秆分离。同时两个摘穗辊之间还有一定的缝隙防止玉米茎秆在摘穗段因为压力过大发生断裂，强拉段则是在最后将分离的茎秆与玉米棒彻底拉断，同时碾碎部分残渣防止机械卡死。具体摘穗辊结构图如图1 所示。

图1 摘穗辊结构示意图

2.3 摘穗装置的具体参数设计

根据孙国强[4]在论文中给出的实验数据，考虑一般情况玉米穗的最大直径为45 mm，玉米秸秆的最大直径为28 mm，经过邱岳巍等[5]在论文中的数据分析所得出的关于两个做相向运动的摘穗辊的受力分析公式总结为：

式中，D为摘穗辊直径，mm;dg为玉米果穗直径，mm;dj为玉米秸秆直径，mm;h为两摘穗辊间隙，mm;μg为摘穗辊对果穗抓取系数;μj为摘穗辊对秸秆的抓取系数。

由上述公式可得：(3～5.5)(dg-h)≥D≥(3～5.5)(dj-h)。

分别将h＝(0～0.5)、dg＝50 mm（这里取值大于45 mm 是因为考虑到玉米的个体差异，保证即便是较大的玉米棒依旧能正常通过摘穗辊）、dj＝22 mm（不考虑取最大秸秆直径是为了提升μj），μg＝μj＝0.7～1.1 代入上式中，得90 mm ≥D≥69 mm（两个数值均为保留整数的结果）。综合邱岳巍等[5]在文章中的仿真分析以及该小型玉米收获机的实际设计需求，最终确定摘穗辊直径D＝70 mm，摘穗辊长度L＝420 mm。

3 剥皮装置的设计

3.1 剥皮装置的设计

剥皮装置主要用来分离玉米棒上的果皮，此时的执行机构与玉米粒之间存在着直接接触，所以在设计时采用橡胶材料，而相对靠外侧的辊使用金属材料。同时其上还焊有螺旋状的钢筋，这里采用金属是为了能获得将玉米棒向后推送的力，如果采用柔性的材料，玉米棒有可能因为材料本身的变形导致推力下降而无法向前移动造成堆积现象。

至于剥皮辊的排列方式，根据杨红光等[6]的研究可以确定，采用槽式安装进行排列可以在提高玉米剥皮的效率同时保证一定的脱皮率。橡胶材料与钢筋等刚性材料的混合运用所产生的摩擦力的差异也为玉米的剥皮提供便利。并列两排的设计与之前的V型设计也减小了载荷分布不均的现象。该装置如图2所示。

图2 剥皮辊示意图

3.2 剥皮辊的直径和长度的确定

为了能够使玉米的果皮可以被顺利剥下，根据赵德春等[7-8]的研究可以进行如下分析，玉米果穗与剥皮辊之间的受力关系如图3 所示。

图3 玉米果穗和剥皮辊之间的受力关系图

由受力分析图可得受力关系如下：

其中，N1＝T1，N2＝T2，f1＝u1N1，f2＝u2N2。

当u1＝u2＝u（u为定值）时，可得u（N1+N2）cosa＝（N1+N2）sina，即：tana＝u。

式中：N1、N2为剥皮辊对玉米果穗的支持力；f1、f2为玉米果穗分别与剥皮辊的摩擦力；R为剥皮辊直径；r为玉米果穗半径；T1、T2为玉米果穗作用于剥皮辊的力。

式中：D为剥皮辊直径，mm；d为玉米果穗最小直径，mm。

即：

玉米果穗平均直径为45 mm，a是u（为定值），而对于剥皮辊的轴向倾角设计，由于θ角过小会降低玉米苞叶的剥净率，θ角过大时则不利于玉米果穗的通过和喂入，本文中的设计则通过借鉴已有机型的设计选取12°，代入公式得D＝70 mm。根据现有设计资料特点及计算，选定剥皮辐长度为700 mm。

3.3 剥皮装置的功率计算

根据王新年等[9]在研究中的分析结果可知：撕裂苞叶的摩擦力F1＝ 20.05 N。同时，在自转过程中撕裂力F2＝F1f2＝7.02 N。

根据王新年的试验可知，扯断苞叶所需合力：

考虑到机器运行过程中可能同时剥落5 个（最多）的情况，所以剥皮辊所受的扭矩综合最大可能为129.07×0.035×5＝22.58 N·m。而根据王新年等[9]的数据可知剥皮辊的转速以460 r/min 为宜，达到最低的损伤率。

4 粉碎还田装置的主要结构组成

4.1 粉碎还田装置的设计

考虑到玉米剥皮装置中存在一个下拉的力，同时为了保证粉碎还田装置能够更好地运作，将该装置也设计成一对相向转动的辊子，其中将一个辊子设计成带有轴向凹槽的圆柱形辊子，将另一个辊子设计成带有刀片的圆柱形辊子[10]。

在刀片未切入凹槽时，两个辊子之间的凸起挤压秸秆并利用摩擦力将秸秆下拉，当刀片切入凹槽时，刀片将秸秆切断，如此往复不断切碎秸秆。设计出来的粉碎还田装置的图像如图4 所示（一张挤压下拉，一张刀片切入）。

图4 对辊式粉碎机械示意图

4.2 粉碎还田装置的工作原理

收获玉米时，秸秆被摘穗辊下拉，玉米穗和玉米秸秆分离，秸秆继续向下移动至一对相向旋转的带刀辊子和带槽辊子之中。这时的玉米秸秆会再次被夹紧，两辊子配合一边拉茎一边切断秸秆，在此过程中，U 型刀片正好卡入带槽辊子的槽孔内，使得玉米秸秆被完全切断，而这一对辊子中的凸棱则会在切碎完成之后夹住上端还未被切碎的秸秆将其向下拉扯，继续重复上述的过程，进而完成连续不断的切割。

4.3 粉碎还田装置的功率计算

对于旋转速度而言，该刀具选择与摘穗辊同样的660 r/min 的转速，保证摘穗辊下拉秸秆和刀片切削秸秆的速度保持同步。

功率计算如下：

带槽辊子的受力较小但是功率依旧选择和带刀辊子相同，因此：

5 结语

在本次设计中，笔者查找了大量的资料，参照了前人的设计方案和设计思路并通过自身的构思和努力，最终完成了该小型玉米收获机的结构设计。