玉米收獲機摘穗切割器的設計與應用

年產量及數量中國是美國的主要玉米種植國家。近年來，玉米年產量達到2450萬h2m，年產量達到12700萬噸。玉米收獲機保有量有猛增趨勢,收割臺是整機的心臟,而摘穗裝置是研究收割臺的的關鍵。1鉗住莖間切割條件分析莖稈切割器的種類很多,最常用的回轉式和往復式兩種,回轉式切割器對于行距的要求比較嚴格,一般用于對行收獲,往復式切割器則不受行距的限制。對于玉米莖稈,尤其是適宜于青貯的品種,往復式切割器應用的也比較廣泛,由于標準II型切割器的鋸齒形刃口和自磨銳性能,在往復式切割器中應用最多。玉米收獲機在作業過程中,切割器的動刀和定刀要有一定的夾角范圍,才能保證動定刀鉗住莖稈進行切割,因此應分析鉗住莖稈進行切割的條件。莖稈與動定刀間的受力情況如圖1所示,假設AB為動刀片刃口,CD為定刀片刃口,夾角α為動刀定刀間對物料的鉗住角,又稱推擠角。當動定刃口開始切割物料時,由于動定刀刃口的幾何形狀和材質的不同,對同一物料引起的摩擦力也各不相同。欲使物料不被擠出而進行穩定切割,應滿足如下條件:其中:f1—定刀刃對物料的摩擦系數;f2—動刀刃對物料的摩擦系數;N1—定刀刃對物料的正壓力;N2—動刀刃對物料的正壓力。由于摩擦系數等于摩擦角的正切,即f1=tgΦ1,f2=tgΦ2得到鉗住莖稈的條件為:其中,Φ1—定刀刃對物料的摩擦角;對于玉米莖稈取Φ1=18°;Φ2—動刀刃對物料的摩擦角;動刀為帶齒刃口取Φ2=20°。由Φ1+Φ2=38°可知,刀片的鉗住角α必須小于Φ1+Φ2才能鉗住物料(即α≤38°),可保證穩定切割。由于該機在設計時,擬采用標準II型割刀,其鉗住角為α=28.2°而且標準II型切割刀片帶有自磨銳的鋸齒齒刃口,更容易抓取莖稈進行切割,因此理論上可以滿足使用要求。2拉莖輥的功能計算玉米摘穗時果穗及莖稈的狀態如圖2所示,圖中可以明顯看出,果穗是在莖稈被拉莖輥和摘穗板的聯合作用下被牽拉實現摘離的。現將摘穗的過程的功耗分為兩部分,即拉莖輥牽拉莖稈所需的功耗W1和穗莖分離所需的功耗W2。則摘穗的過程的功耗W=W1+W2。摘穗過程中,質量為m1的果穗和質量為m2的莖稈被高速旋轉的拉莖輥抓取,并將莖稈向下牽拉時,在垂直于摘穗板的方向上,Δt1時間內,果穗和莖稈的速度由零增至V,假設拉莖輥截面為一理想的圓形,根據沖量定律,莖稈受到的牽拉力(抓取力)為F1:將V=πDn/60代入式(5)得式中,m1—果穗的質量,kg;m2—莖稈的質量,kg;D—拉莖輥的直徑,m;n—拉莖輥的轉速,r/min;V—拉莖輥的線速度,m/s;θ—拉莖輥與水平方向的夾角,°。同樣,還是在垂直于摘穗板的方向上,當質量為m1的果穗被摘下時,在Δt2時間內速度由V驟減至零,則摘穗板對果穗的作用力F2為:將V=πDn/60代入式(7)得:那么,牽拉質量為m1+m2的帶穗玉米植株、以及將質量為m1的果穗摘下所需要的功為:式中,Δβ—拉莖輥轉動的角位移量;r—拉莖輥半徑;m;D—拉莖輥直徑;m。將代入式(9)得出:式中,ti—各作用力的作用時間,s。式(10)中,第一部分和第二部分為拉莖輥牽拉植株所消耗的功,第三部分為摘穗板摘穗所消耗的功。從式(5)至式(10)中可以看出:a.當拉莖輥轉速一定時,拉莖輥牽拉植株所消耗的功與果穗的大小成正比,與拉莖輥的直徑成正比:摘穗板摘穗所消耗的功也與果穗的大小成正比,與拉莖輥的直徑的二次方成正比。b.當拉莖輥直徑一定時,拉莖輥牽拉植株所消耗的功與果穗的大小成正比,與拉莖輥的轉速成正比;摘穗板摘穗所消耗的功也與果穗的大小成正比,與拉莖輥的轉速的二次方成正比。因此拉莖輥的直徑不能設計得很大,轉速不能設計得很高,這些因素設計時應充分考慮。3摘穗板的設置果穗中的莖稈含雜率也是衡量作業質量的主要指標之一,由于我國玉米產區尤其是兩茬輪作地區玉米收獲時籽粒及莖稈的含水率很高,玉米莖稈較脆,容易造成果穗和上部的短莖稈一起在結穗部位的莖稈下部折斷,使短莖稈和果穗一起進入果穗箱,果穗箱中的短莖稈過多,不僅表面看起來果穗不潔凈,而且運輸很不方便;另外過多的短莖稈摻雜在果穗中,堵塞了果穗間的間隙,容易發熱腐爛,使果穗儲存時間縮短,因此收獲作業時果穗中的莖稈含雜率高低是衡量摘穗機構作業質量好壞的重要指標。影響果穗中的莖稈含雜率的因素很多,除莖稈的含水率、拉莖輥的形狀、直徑以及作業速度等因素外,摘穗板的形狀也是對其影響的關鍵因素之一。近幾年來,玉米收獲機械領域對于摘穗板的研究很多,但均是在摘穗板的厚度以及棱角圓弧等方面進行改動。因此本項目從摘穗機理進行了研究,以徹底解決高含水率玉米收獲時斷莖稈率居高不下的問題。玉米摘穗的主要機理是:摘穗機構中旋轉的拉莖輥鉗住帶穗莖稈的底端并向下拉,在莖稈被下拉的過程中,由于摘穗板的阻擋將果穗和莖稈分離,果穗被摘下。如圖3所示。對于一般玉米莖稈,果穗最薄弱、最容易斷裂的部位在果穗柄與莖稈的連接處或果穗柄與果穗的連接處,但對于一些特殊情況,如莖稈被蟲蛀、干枯、折彎、倒伏等情況,最薄弱的環節可能就不在這些部位,而是在莖稈的某個部位,此時摘穗時產生斷莖稈的可能性就比較大,因此摘穗時應使拉莖輥盡量鉗住果穗柄,這樣可以大大降低果穗的斷稈率,為此設計了折彎的摘穗板,使得果穗大端盡量靠近拉莖輥。實際并非彎的角度越大越好,折彎的角度過大,直徑較小的果穗被摘下后,容易順臥在摘穗板與撥禾鏈的縫隙中,很難被撥禾鏈撥走而極易造成堵塞。果穗柄的長度平均為80mm,根據粱穗柄的長度并考慮到拉莖棍、摘穗板等以及整體摘穗機構的配置,摘穗板的折彎角度設計為15°,折彎長度為30mm。4拉莖輥間隙的確定摘穗裝置是玉米收獲機的心臟,它工作的好壞直接影響收獲質量。對摘穗裝置的要求要有最少的籽粒損失、最低的破碎率、最低的功耗以及足夠的生產率。研究分析和確定影響因素有拉莖輥形狀以及拉莖輥直徑D、長度L、轉速n、摘穗板間隙δ等。拉莖輥與地面的配置角度θ,是收獲機的主要設計參數之一。θ值過小,則需拉莖輥長度增大,這樣便增加了割臺的總體長度。為了不致使得割臺長度過大,同時也給下層的割臺預留出更多的空間,同時考慮到整機的總體配置,拉莖輥的傾角在25°~35°范圍內取θ=33°。兼顧到拉莖的平穩性及抓取能力,拉莖輥截面型式選六棱型,直徑定為:D/d(外徑/內徑)=96/54(mm)。通常摘輥在低轉速時籽粒破碎和籽粒損失最低,但實際作業情況中由于的拉莖輥的轉速為600r/min時生產率很低,為了獲得更高的生產率,綜合考慮效率與損失的關系,選用拉莖輥的轉速為中速600~750r/min之間,取轉速n=673r/min。為了適應不同品種的玉米作業,拉莖輥的間隙設計成可以調整。拉莖輥工作長度的確定關系到割臺的長度,即整機的轉彎半徑,因此在能滿足作業性能的情況下應盡量縮短。作業時,拉莖輥前部的錐體和撥禾鏈將莖稈引導到摘穗段,此后由于輥間隙變小而且越來越小,莖稈受拉開始按拉莖輥的運動規律運動。拉莖輥的圓周速度V,可分解為使莖稈沿軸向移動的相對分速度V1,和使莖稈向下拉伸的相對分速度V2,其值為:若不考慮輥表面形狀對速度的影響,令莖稈沿軸向移過L段的時間與莖稈被拉伸Lg段的時間相等,則可推得拉莖輥工作段的最小長度L。L/(Vtgθ)=Lg/(V/cosθ)則得L=Lgsinθ(14)式中:L—拉莖輥工作段的最小長度;θ—拉莖輥傾角,取θ=33°;Lg—果穗最低結穗與最高結穗的高度差,一般Lg=0.4-0.6m(個別可達1m)則Lmin=500mm。考慮到拉莖時莖稈與拉莖輥的打滑,取Lmin=700mm。5摘穗板間隙設計摘穗板間隙也是影響摘穗質量的主要因素,應根據作物品種的不同可以進行調節。據統計,我國大部分玉米品種結穗處莖稈平均直徑為20mm左右,果穗大端帶苞葉直徑為40~60mm,以此為基數將摘穗板間隙設計為入口處28~40mm可調,出口25~35mm可調,拉莖輥間隙可調,正常