耿端陽，孫延成，李華彪，牟孝棟，張國棟，王宗源，鹿秀鳳

履帶式坡地玉米收獲機設(shè)計與試驗

耿端陽1，孫延成1，李華彪1，牟孝棟1，張國棟1，王宗源1，鹿秀鳳2

（1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000；2. 山東理工職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，濟寧 272000）

針對中國丘陵山地玉米種植以小地塊、坡地塊較多制約玉米機械化收獲的現(xiàn)狀，設(shè)計了一款履帶式坡地玉米收獲機，實現(xiàn)山地丘陵地區(qū)復(fù)雜地形條件玉米機械化收獲。該收獲機采用橫輥摘穗技術(shù)，解決了傳統(tǒng)摘穗輥喂入性不流暢和復(fù)雜地形下玉米植株的喂入問題，提高割臺的喂入量，有效縮短整機長度0.5～1.2 m左右；并采用可伸縮式履帶行走底盤，通過調(diào)整履帶輪距增大整機重力變化的安全范圍，降低坡地作業(yè)機器側(cè)翻風(fēng)險，使整機在復(fù)雜地形條件下的行駛穩(wěn)定性提高了27.34%；基于液壓控制原理研制了雙向作業(yè)操控系統(tǒng)，實現(xiàn)在山地丘陵等小地塊條件下的轉(zhuǎn)彎掉頭作業(yè)功能；通過正交試驗確定果穗損失率考核指標(biāo)的影響因素，包括機具前進速度、摘穗輥間隙、摘穗輥轉(zhuǎn)速；利用Design-expert建立各影響因素與指標(biāo)間的數(shù)學(xué)回歸模型，確定了最佳參數(shù)組合：機具前進速度為2 km/h、摘穗輥間隙為14 mm、摘穗輥轉(zhuǎn)速為1 000 r/min；在該最優(yōu)參數(shù)組合工況下，果穗損失率為1.25%。該機設(shè)計各項指標(biāo)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足丘陵山地地區(qū)玉米機械化收獲需求。

玉米；收獲機；丘陵山地；橫輥割臺；防側(cè)翻；雙向操作

0 引 言

玉米作為中國三大主要糧食作物之一，具有糧食、飼料等多種用途，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[1-5]。2017年農(nóng)業(yè)部在重慶市召開全國丘陵山地農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展座談會指出全國農(nóng)作物耕種收綜合機械化率已達到66%以上，部分省已達到80%以上，但丘陵山地的農(nóng)業(yè)機械化程度還比較低，甚至不到40%。2019年山東省玉米種植面積400.18萬hm2，占全國的9.69%，總產(chǎn)量2 536.5萬t，占全國的9.72%，但丘陵山地地區(qū)仍以人工收獲為主，部分地區(qū)人工成本已占據(jù)生產(chǎn)成本的74.3%，導(dǎo)致玉米生產(chǎn)效益的虧損[6-9]。現(xiàn)有機型對玉米種植行距要求嚴格，很難適應(yīng)不同行距的玉米收獲、同時由于丘陵山地地形的限制難以在丘陵山地上進行轉(zhuǎn)移和作業(yè)，因此開發(fā)一款能夠適應(yīng)丘陵山地地形和不同行距收獲要求的玉米收獲機成為解決上述問題的關(guān)鍵。

為了解決丘陵山地玉米機械化收獲的問題，國內(nèi)學(xué)者針對上述問題做了基于手扶拖拉機的微型懸掛式玉米收獲機的相關(guān)研究。王升升等研制了與手扶拖拉機配套4YW-1微型玉米收獲機，但存在水平摘穗輥距地面較高容易出現(xiàn)漏收的問題[10]。張奎等開發(fā)了與手扶拖拉機配套的雙行玉米收獲機，但該機配套動力小，僅能實現(xiàn)果穗的摘取過程，作業(yè)效率有待提高[11]。李俊等設(shè)計了一種基于微耕機底盤驅(qū)動的小型玉米收獲機，解決了間套作模式的玉米收獲問題[12]。國外紐荷蘭的CSX7050山地型玉米收獲機能夠在復(fù)雜地形條件下保證收獲機的水平面，通過控住橫向校正與縱向校正兩個獨立的液壓系統(tǒng)并配套相應(yīng)傳感器保持收獲機的水平面。John Deere研發(fā)的12行大型玉米收獲機，通過割臺仿形技術(shù)、后驅(qū)動動力模式以及安裝測試玉米植株位置的行走感應(yīng)系統(tǒng)，使收獲機精確對行收獲[13-15]。

綜上所述，國內(nèi)相關(guān)研究的玉米收獲機存在結(jié)構(gòu)簡單功能少、作業(yè)效率低等問題，而國外大型玉米收獲機難以適應(yīng)小地塊的收獲需要。本文結(jié)合當(dāng)前中國丘陵山地存在小地塊、地形復(fù)雜制約玉米機械化收獲的現(xiàn)狀，提出以橫輥割臺、全液壓傳動、雙向作業(yè)操作、防側(cè)翻相融合的模塊化坡地玉米收獲機設(shè)計方案，并開發(fā)了樣機，以期為丘陵山地玉米高效低損收獲提供裝備支持。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

履帶式坡地玉米收獲機結(jié)構(gòu)如圖1，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。主要結(jié)構(gòu)包括：橫輥摘穗式割臺、果穗縱向升運裝置、果穗剝皮裝置、籽粒回收裝置、果穗收集箱、轉(zhuǎn)盤式連接底盤、可伸縮式履帶行走底盤等組成。其中橫輥摘穗式割臺包括撥指式撥禾鏈、橫向摘穗裝置、果穗橫向輸送裝置等，其中果穗橫向輸送裝置采用大螺距攪龍結(jié)構(gòu)，可提高果穗橫向輸送速度，避免果穗在割臺堆積；縱向輸送裝置采用刮板式輸送方式，減少了果穗與輸送通道的摩擦，降低了果穗損傷；剝皮裝置采用V型槽式布局結(jié)構(gòu)，有效提高了果穗剝皮的生產(chǎn)率；集穗箱用于果穗的收集；籽?；厥昭b置采用振動篩式外排結(jié)構(gòu)，即隨著對苞葉的振動，夾雜于苞葉中的籽粒被分離出來，落入籽?；厥障渫瓿勺蚜；厥盏?。集成上述功能部件形成一個大的模塊，并將其整體裝配在基于液壓驅(qū)動的履帶式底盤上。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

機具在作業(yè)過程可實現(xiàn)分禾、扶禾、夾持喂入、摘穗、剝皮、輸送、收集等工序。工作時，玉米植株首先由分禾器將其向兩邊分開，分禾器下部撥指式撥禾鏈將玉米植株主動引向摘穗裝置，摘穗輥摘下的果穗首先由果穗橫向輸送裝置送向機器右側(cè)的果穗縱向升運器，并由該輸送器縱向輸送到剝皮裝置，完成苞葉與果穗分離后，果穗滑落到集穗箱；而苞葉則通過剝皮輥后落入下方的振動式苞葉輸送裝置，完成苞葉的向外排出，在此過程，隨著苞葉的振動排出，夾雜在苞葉中的籽粒落入其下方的籽?；厥障洌詼p少收獲過程的籽粒損失。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 橫輥摘穗式玉米割臺

2.1.1 主要結(jié)構(gòu)及工作過程

為了提高坡地作業(yè)的適應(yīng)性，本機采用橫輥摘穗方式，相比傳統(tǒng)的縱臥輥式摘穗方式有效縮短整機長度0.5～1.2 m左右。履帶式坡地玉米收獲機的橫輥摘穗式玉米割臺如圖2所示。其主要由左右側(cè)分禾器、中分禾器、撥禾指、撥禾鏈、摘穗單元體、果穗輸送裝置組成。位于割臺前部的分禾裝置，主要由分禾器、撥禾鏈組成；摘穗輥由一組長、短2個橫向分布的摘穗輥組成摘穗單元體，摘穗輥軸向相互平行，摘穗輥布局上采用前高后低分布方式，減少了摘下果穗向外掉落的收獲損失，同時還可防止摘穗輥對果穗的啃傷；每個摘穗輥分為三部分，前段為帶有較高葉片的螺旋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)玉米莖稈強制喂入，可以保證撥禾指導(dǎo)來玉米能快速送向摘穗輥間隙；中段為變螺距、旋向相反、錯位布置的螺旋凸棱組成，提高了對莖稈的抓取和摘穗能力，防止莖稈在此堵塞；后段為強拉筋以確保在前2個階段未被摘掉的果穗的玉米植株在此處被擠斷，保證摘穗過程的順利進行。分禾器將待收獲玉米的引導(dǎo)分流，并將位于分禾器下部的撥指式撥禾鏈強制將其送向橫輥摘穗入口，果穗在摘穗輥的作用下進行摘落，摘下的果穗在重力作用和機器前進慣性力作用下向后落入果穗橫向輸送收集槽，并在該處橫向輸送攪龍作用下送往果穗縱向器。

2.1.2 橫輥摘穗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘穗裝置是果穗收獲型玉米收獲機的核心部件，為了適應(yīng)丘陵山地地形復(fù)雜和面積偏小的條件，本機采用了橫輥摘穗結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

為提高玉米收獲的對行性，橫輥摘穗裝置采用前短后長擴大喂入口尺寸結(jié)構(gòu)，即前輥較后輥長度短15～20 cm，從而使喂入口尺寸大于傳統(tǒng)縱臥輥式結(jié)構(gòu)（縱臥結(jié)構(gòu)的喂入口大約7～10 cm），有效提高了機具對行距的適應(yīng)性和植株喂入的順暢性；又為了在植株遇到后輥后能強制改變運動方向，即由原來的沿著機器作業(yè)方向的縱向運動，變?yōu)檠刂胼佪S向的橫向運動，所以摘穗輥上設(shè)置了強制喂入的螺旋葉片，且前后兩輥的螺旋葉片旋向相反，保證了即使莖稈未能喂入喂入口，也能被前輥的螺旋葉片強制引導(dǎo)到喂入口，防止了玉米植株在此擁堵。摘穗輥由變螺距、旋向相反、錯位布置的螺旋凸棱組成，提高了對莖稈的抓取和摘穗能力，防止莖稈在此堵塞；后段為強拉筋以確保在前2個階段未被摘掉的果穗的玉米植株在此處被擠斷，保證摘穗過程的順利進行。

1）摘穗輥直徑確定

摘穗輥直徑按照傳統(tǒng)理論來設(shè)計[16]，即保證摘穗輥能抓取莖稈而不抓取果穗。

式中為果穗直徑，mm；為莖稈直徑，mm；為摘穗直徑，mm；為摘穗輥直徑，mm；、為摘穗輥對果穗和莖稈的抓取系數(shù)；對于鑄鐵摘穗輥，查農(nóng)業(yè)機械手冊，==0.7～1.1。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，則可得：

計算得：72≤≤100

結(jié)合生產(chǎn)實際，雖然較大的摘輥間隙有利于提升莖稈的攝取能力，但同樣對果穗有較強的抓取能力，即容易導(dǎo)致果穗籽粒損傷和損失的增加, 因此應(yīng)選取合理摘輥直徑，保證摘穗輥的摘穗能力，本機摘穗輥直徑確定為82 mm。

2）摘穗輥輥型的確定

為了保證待收玉米植株能強制進入摘穗輥間隙，所以在摘穗輥表面設(shè)有螺旋凸棱，考慮黃淮海地區(qū)玉米植株株距多為15～23 cm，平均株距為20 cm，所以設(shè)計時為了防止植株滑脫螺旋凸棱，螺旋凸棱高度設(shè)計為大于莖稈間隙的一半，即選取螺旋凸棱高度為8～15 mm，同時為保證玉米果穗能夠低損傷摘落，結(jié)合前人設(shè)計經(jīng)驗橫輥式摘穗輥摘輥間隙選取12～16 mm[17]。

為提高對玉米品種的適應(yīng)性，結(jié)合本機的摘穗輥較常規(guī)摘穗輥長度短了一半，即本研究中長摘穗輥長度為50～60 cm，為保證摘穗效果其轉(zhuǎn)速應(yīng)該大于傳統(tǒng)縱臥式玉米摘穗輥轉(zhuǎn)速，參照傳統(tǒng)縱臥式玉米摘穗輥轉(zhuǎn)速[18-23]，選取橫輥式玉米摘穗輥的轉(zhuǎn)速范圍為800～1 000 r/min。

設(shè)機器作業(yè)時速度（m/s），玉米種植株距為（m），為了降低摘穗過程的功率消耗，盡量保證摘穗輥每次只有一株莖稈在摘穗輥中，所以機器作業(yè)時前進一個株距所用的時間為，則有：

=/v（3）

假設(shè)摘穗輥轉(zhuǎn)速為（r/min），玉米植株結(jié)穗高度為（m），為了保證在一個株距進距時間能使植株脫離摘穗輥，則有：

化簡后有：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)得螺距0=0.038 mm。轉(zhuǎn)化為螺旋角為：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算后，則螺旋角=20.79°。

2.2 可伸縮式履帶行走底盤設(shè)計

針對坡地作業(yè)地形復(fù)雜容易導(dǎo)致收獲機側(cè)翻的問題，本機底盤采用可伸縮式底盤，為了增強機具接觸地表面積，選用了履帶式行走裝置，提高收獲機與地表的接觸面積，減小對地面的碾壓破壞。同時履帶采取橫向可伸縮結(jié)構(gòu)，擴大履帶與地表接觸所形成的重力安全變化區(qū)域，防止發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象[24-28]。

可伸縮履帶底盤，主要由左行走梁、伸縮架和右行走梁組成。其中伸縮架呈工字型布置，伸縮架的4個伸縮臂內(nèi)均安裝有液壓缸，其中2個液壓缸的活塞桿與左行走梁相連，另外2個液壓缸的活塞桿與右行走梁相連，伸縮架的4個伸縮臂與對應(yīng)的左、右行走梁的伸縮孔相配合，左、右行走梁上均安裝有履帶，在伸縮臂的側(cè)壁上安裝有耐磨板，在左、右行走梁的前端安裝有驅(qū)動輪負責(zé)驅(qū)動履帶行走，在左、右行走梁的后端安裝有引導(dǎo)輪，在左、右行走梁的下端安裝有支重輪負責(zé)承受整機質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

考慮到在坡地作業(yè)時行駛負載及收割作業(yè)時受到的阻力會直接影響整機在田間的行走、越梗、轉(zhuǎn)向等功能，為達到坡地玉米收獲機的作業(yè)要求，參照其他小型履帶式收獲機的設(shè)計經(jīng)驗[29-30]，采用10 t級工程車輛液壓系統(tǒng)以滿足收獲時的作業(yè)要求。

為分析該結(jié)構(gòu)對作業(yè)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，將整機進行簡化，并對其進行受力分析，如圖5所示。

設(shè)初始狀態(tài)下履帶受到地面的支持力為1（N），輪距擴展后其受力為2（N），則：在平整地面作業(yè)時，顯然，履帶受到的地面支撐力為重力的一半，即：

1=/2 （8）

顯然，由

從而有：

其翻轉(zhuǎn)力矩為：

因此對履帶輪距未擴展前，其臨界翻轉(zhuǎn)角度為：

由該式可以看出，在坡地工作的玉米收獲機，其翻轉(zhuǎn)與重力位置和履帶跨距有關(guān)，且隨著裝備重心位置的提高，則其翻轉(zhuǎn)角度變小，即在坡度地面作業(yè)時翻轉(zhuǎn)風(fēng)險較大；相反則較小，這就是在設(shè)計裝備時力求降低重心位置的原因。隨著履帶跨距的增加，則其翻轉(zhuǎn)角度增大，即在坡度作業(yè)時翻轉(zhuǎn)風(fēng)險更?。幌喾?，則增大了裝備傾覆的風(fēng)險。

在本機中，由于輪距初始值為1.36 m，重力高度為0.65 m，則其翻轉(zhuǎn)角度=46.29°；為了驗證不同輪距對翻轉(zhuǎn)角度的影響在同一坡地下輪距在初始輪距的基礎(chǔ)上分別擴展0.2、0.4、0.6、0.8 m得到擴展后的輪距與翻轉(zhuǎn)角度的變化曲線如圖6所示。

采用輪距擴展后，當(dāng)向外擴展距離為0.8 m時，則其翻轉(zhuǎn)角度=58.95°，顯然其翻轉(zhuǎn)風(fēng)險降低了（58.95?46.29）/ 46.29×100%=27.34%，即顯著降低了機器在坡地作業(yè)時出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的風(fēng)險，或者說有效提高了機器對復(fù)雜坡地的適應(yīng)能力。

2.3 雙向作業(yè)操控系統(tǒng)設(shè)計

針對丘陵山地地區(qū)地塊面積小，難以滿足大回轉(zhuǎn)半徑的轉(zhuǎn)彎/調(diào)頭要求，因此開發(fā)了轉(zhuǎn)盤式連接底盤裝置。將底盤與玉米收獲裝置通過可大角度調(diào)控的轉(zhuǎn)盤進行連接，實現(xiàn)了地頭底盤不轉(zhuǎn)而功能部件隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動360°的功能，該底盤具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

為了保證雙向作業(yè)操控系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，雙向作業(yè)操控系統(tǒng)采用液壓傳動，參照其他雙向作業(yè)操控系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗[31-32]，雙向作業(yè)操控系統(tǒng)液壓傳動原理圖如圖8所示。

當(dāng)操縱履帶式坡地玉米收獲機進行轉(zhuǎn)向/掉頭作業(yè)時，回轉(zhuǎn)油泵將輸出的壓力油輸送到回轉(zhuǎn)操縱閥一側(cè)，推動回轉(zhuǎn)操縱閥閥芯移動，打開回轉(zhuǎn)操縱閥的油路，回轉(zhuǎn)油泵的壓力油經(jīng)回轉(zhuǎn)換向閥到回轉(zhuǎn)馬達中，驅(qū)動回轉(zhuǎn)馬達旋轉(zhuǎn)。同時回轉(zhuǎn)油泵中的壓力油進入到制動器控制閥，使回轉(zhuǎn)油泵中的壓力油進入到回轉(zhuǎn)制動器，將回轉(zhuǎn)制動器中的制動活塞頂起，回轉(zhuǎn)馬達方可驅(qū)動連接轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。相比輪式玉米收獲機在大田中平均轉(zhuǎn)彎掉頭時間在40 s左右，由于丘陵山地地形條件的限制將會進一步增加轉(zhuǎn)彎掉頭時間，而具有雙向作業(yè)操作系統(tǒng)的坡地玉米收獲機在測試時轉(zhuǎn)向時間僅需7 s左右，使整機轉(zhuǎn)彎掉頭效率提高了90%以上。

考慮玉米收獲機功能集成模塊雖然質(zhì)量較大，但是帶動其轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤阻力?。L動摩擦）、速度慢，在工作中又是短時工作，所以根據(jù)系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)動角度，選擇了派樂士P6系列雙聯(lián)齒輪泵和雙葉片擺動液壓回轉(zhuǎn)馬達BMS-110，其中雙聯(lián)齒輪泵壓力可達25 MPa、排量540 mL/r，雙葉片擺動液壓回轉(zhuǎn)馬達BMS-110其實際轉(zhuǎn)矩為1 114 N·m、額定轉(zhuǎn)速為125 r/min，輸入功率11 kW，輸出功率2.3 kW、排量354 mL/r，其轉(zhuǎn)矩在徑向尺寸和液壓油壓力相同的條件下，可以達到單葉片擺動馬達的2倍；加之其轉(zhuǎn)角可以達到270°，所以完全滿足生產(chǎn)使用要求。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗地點在山東省濟寧市兗州區(qū)大安鎮(zhèn)山東國豐機械有限公司試驗田進行，試驗田為山東玉米的較高產(chǎn)地帶，示范基地玉米種植行距為600 mm，其試驗地長度大約75 m、寬度20 m，適合機械化收獲，試驗過程如圖9所示。

收獲玉米品種為鄭單958號，其收獲期的物理特性為：收獲籽粒含水率33.5%左右，莖稈含水率89%以上，果柄含水率52%以上，百粒質(zhì)重40～51 g，植株倒伏率低于5%，果穗下垂率低于5%，行距55 cm，最低結(jié)穗高度大于350 mm。

3.2 試驗方法

根據(jù)GBT21961-2008《玉米收獲機械-試驗方法》，GBT 21962-2008 《玉米收獲機械-技術(shù)條件》以及NY/T645-2002《玉米收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》對履帶式坡地玉米收回及進行試驗測試。為獲取果穗損失率所使用的主要檢測設(shè)備包括：30 m卷尺、TL-4型智能水分測試儀、J9-2型電子秒表、HCS-50型電子吊秤、JJ3000型電子天平、TEST0410-2型數(shù)字式風(fēng)速儀。

在測定區(qū)，收集摘漏和掉落的果穗，脫凈后稱質(zhì)量，其中果穗的損失率為：

式中1為果穗損失率，%；1為測定區(qū)斷、碎和落地果穗的質(zhì)量，kg；2為測定區(qū)內(nèi)果穗質(zhì)量，kg。

3.3 試驗方案與試驗結(jié)果分析

3.3.1 整機性能測試試驗

為了得到最佳的工作參數(shù)組合，同時考慮到丘陵山地整機的作業(yè)速度較低，盲目的增加作業(yè)速度會對果穗造成較大的損傷[33-34]。為了得到合理的作業(yè)速度選取履帶式坡地玉米收獲機正常作業(yè)速度范圍1.9～2.8 km/h，而且由于履帶式坡地玉米收獲機尚屬于新機型，整機其他結(jié)構(gòu)未做重大改進而割臺作為影響果穗損失率的關(guān)鍵因素進行相關(guān)改進，因此選取影響割臺性能的主要參數(shù)進行整機測試試驗。根據(jù)前期理論設(shè)計的結(jié)果，選取橫輥式摘穗輥摘輥間隙選取為12～16 mm、選取橫輥式玉米摘穗輥的轉(zhuǎn)速范圍為800～1 000 r/min。因此設(shè)機器前進速度1、摘穗輥間隙2、摘穗輥轉(zhuǎn)速3，考核指標(biāo)為果穗損失率1，對其進行3因素3水平正交試驗，試驗因素編碼表如表2所示。

表2 試驗因素與水平

3.3.2方差分析

為了探尋履帶式玉米收獲機最佳工作參數(shù)，利用Design Expert軟件對試驗結(jié)果進行二次回歸分析[35-36]，并進行多元回歸擬合，得到果穗損失率試驗指標(biāo)的回歸方程，并對其進行方差分析，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗方案和結(jié)果

通過對數(shù)據(jù)進行分析，得到果穗損失率的方差如表4所示，同時對試驗結(jié)果進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合得到各因素與考核指標(biāo)間的回歸方程如下：

式中1為整機前進速度，km/h；2為摘穗輥的間隙，mm；3為摘穗輥轉(zhuǎn)速，r/min；1為果穗損失率，%。

表4 果穗損失率的方差分析

注：**代表試驗因素在0.01顯著性水平下顯著；*代表試驗因素在0.05顯著性水平下顯著。

Note: ** representative test factors are significant at 0.01 significance level; * representative test factors are significant at 0.05 significance level.

由方差分析可知，機器的前進速度、摘穗輥間隙、摘穗輥轉(zhuǎn)速對果穗損失率的影響性不同。通過果穗損失率方差分析結(jié)果可知，試驗?zāi)Ｐ惋@著（<0.01），其中機器前進速度的失擬項<0.000 1，表明機器前進速度果穗損失率影響極顯著；摘穗輥間隙的失擬項=0.007 2<0.01，表明摘穗輥的間隙對果穗損失率影響極顯著；摘穗輥轉(zhuǎn)速的失擬項=0.014 9<0.05，故摘穗輥轉(zhuǎn)速對果穗損失率影響顯著。

由于在玉米植株收獲的過程中，機器前進速度的越大，喂入量越大，易造成擁堵，導(dǎo)致果穗與割臺、果穗與果穗間的碰撞概率增加造成果穗損失率增大；摘穗輥間隙較小時，在摘取果穗的過程中，玉米果穗易于摘穗輥發(fā)生碰撞，導(dǎo)致玉米果穗落粒和啃傷的現(xiàn)象發(fā)生。但摘穗輥間隙較大時，在玉米果穗摘取過程中，摘穗輥對玉米植株的夾持效果不穩(wěn)定，玉米植株輸送效果差，導(dǎo)致果穗啃傷、落粒、以及莖稈推倒或滑脫造成了果穗掉落；由于割臺采用的是橫輥式摘穗輥，摘穗輥長度較常規(guī)摘穗輥長度短一半，轉(zhuǎn)速較低時會導(dǎo)致多株莖稈進入同時摘穗以及摘穗輥對莖稈的抓取力不足，存在循環(huán)抓取的現(xiàn)象發(fā)生，使果穗與摘穗輥的碰撞次數(shù)增多，導(dǎo)致果穗損失率增大。而隨著摘穗輥轉(zhuǎn)速增加，摘穗輥的拽拉力不斷增大從而使莖稈更易折斷，玉米果穗伴隨折斷玉米莖稈掉落，降低了果穗損失率。

通過方差分析結(jié)果可知表明所選3個參數(shù)都是影響果穗損失率的主要因素。

3.4 驗證試驗

在上述研究的基礎(chǔ)上，為得到最佳水平參數(shù)組合，對試驗進行優(yōu)化設(shè)計，建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，對果穗損失率的回歸方程進行分析，根據(jù)實際作業(yè)及相關(guān)理論依據(jù)選擇優(yōu)化約束條件，其目標(biāo)與約束函數(shù)如式（16）所示

對目標(biāo)函數(shù)進行圓整優(yōu)化，得到結(jié)果為：當(dāng)機具前進速度為2 km/h，摘穗輥間隙為14 mm，摘穗輥轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，果穗損失率為1.27%。

為驗證優(yōu)化分析結(jié)果，在最佳水平參數(shù)組合下對果穗損失率進行驗證試驗，為消除隨機誤差，試驗重復(fù)5次，試驗結(jié)果取平均值，結(jié)果表明果穗損失率為1.25%，圓整優(yōu)化結(jié)果可信。

4 結(jié) 論

1）針對中國丘陵山地玉米種植地塊小、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜制約玉米機械化收獲的現(xiàn)狀，研制了一款履帶式坡地玉米收獲機，可實現(xiàn)在山地丘陵地區(qū)復(fù)雜地形條件下玉米機械化收獲。

2）開發(fā)了橫輥摘穗技術(shù)，解決了傳統(tǒng)摘穗輥喂入適應(yīng)性不強和復(fù)雜地形下玉米植株的喂入問題，提高了割臺的喂入量；有效縮短整機長度0.5～1.2 m左右；研究了可伸縮式履帶行走底盤，通過調(diào)整履帶輪距增大了整機重力變化的安全范圍，降低坡地作業(yè)機器側(cè)翻風(fēng)險；使整機在復(fù)雜地形條件下的行駛穩(wěn)定性提高了27.34%；基于液壓控制原理研制了雙向作業(yè)操控系統(tǒng)滿足了履帶式坡地玉米收獲機在山地丘陵等小地塊條件下的轉(zhuǎn)彎掉頭需求，使整機轉(zhuǎn)彎掉頭效率提高90%以上。

3）通過正交試驗確定果穗損失率考核指標(biāo)的影響因素有機具前進速度、摘穗輥間隙、摘穗輥轉(zhuǎn)速，利用Design-expert建立各影響因素與指標(biāo)間的數(shù)學(xué)回歸模型，確定了最佳參數(shù)組合：在機具前進速度為2 km/h、摘穗輥間隙為14 mm、摘穗輥轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，果穗損失率為1.25%。所設(shè)計的玉米收獲機各項指標(biāo)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足丘陵山地地區(qū)玉米機械化收獲需求。

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Design and experiment of crawler corn harvester for sloping fields

Geng Duanyang1, Sun Yancheng1, Li Huabiao1, Mou Xiaodong1, Zhang Guodong1, Wang Zongyuan1, Lu Xiufeng2

(1.,255000,;2.272000,)

In view of the fact that small plots and more slope plots restrict corn mechanized harvesting in hilly region of China, a crawler corn harvester was designed to realize corn mechanized harvesting under complex terrain conditions in hilly region. In order to ensure the ear-catching rate, the key parameters were designed and the optimal parameters combination was obtained that the diameter of the ear picking roller is 82 mm, the height of the spiral ridge on the surface of the ear picking roller is 8-15 mm, the length of the long ear picking roller is 50-60 cm, and the spiral angle of the ear picking roller is 20.79°. It can solve the feeding problems of corn plant in the complex terrain and the unsmooth feeding performance of traditional ear-picking roller, increase the feeding amount of header, and effectively shorten the length of the whole machine by about 0.5-1.2 m. Through structure simplification and mechanical analysis, it was concluded that the turnover of corn harvester working on the slope is related to the gravity position and the track span, and the turnover angle becomes smaller with the increase of the center of gravity of the equipment, that is, the turnover risk is greater when working on the slope ground. Therefore, adjusting the width between the two tracks can increase the safety range of gravity variation of the whole machine, reduce the rollover risk of the machine working on the slope. The running stability of the whole machine in the complex terrain conditions can be improved by 27.34% when the width between the two tracks expands with 0.8 m. The hydraulic system of 10 t engineering vehicle was used to solve the problem of driving load in slope operation and the resistance in harvesting operation, which will directly affect the function of the whole machine in the field, such as walking, overtaking and steering. Based on the principle of hydraulic control, a two-way operation control system was developed, which can meet the turning and turning requirements in small plots such as mountains and hills, and improve the turning efficiency of the whole machine by more than 90%. Zhengdan 958 maize cultivars with grain moisture content of 33.5%, stem moisture content of >89% and fruit stalk moisture content of >52% were selected to test ear loss rate. The assessment indices of influencing factors of ear loss rate were determined by orthogonal test, including machine forward speed, ear picking roller clearance and ear picking roller speed. The mathematical regression model between the influencing factors and indicators was established by using Design Expert, and through the analysis of variance to verify the significance of the assessment indicators, the best combination of operation parameters was determined that the forward speed of the machine is 2 km/h, the clearance of the ear picking roller is 14 mm, and the speed of the ear picking roller is 1 000 r/min. Under the optimal combination of the operation parameters, the ear loss rate was 1.25%. The design indicators of the machine can meet the relevant national standards, and can satisfy the needs of corn mechanized harvesting in hilly and mountains region.

corn; harvester; hilly and mountains region; transverse roll header; anti rollover structure; two-way operation

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10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.002 http://www.tcsae.org

Geng Duanyang, Sun Yancheng, Li Huabiao, et al. Design and experiment of crawler corn harvester for sloping fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(13): 11-19. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.002 http://www.tcsae.org

2021-03-14

2021-05-07

山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項目（SD2019XM001）和山東省農(nóng)機裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目（2017YF004）

耿端陽，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為新型農(nóng)業(yè)機械裝備開發(fā)研究。Email：dygxt@sdut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.002

S2225.5*1

A

1002-6819(2021)-13-0011-09