楊幼銘，張喜瑞，劉俊孝，董學(xué)虎

（1.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228；2.海南省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定推廣站，海南 ?？?570203）

鮮食玉米是新興的新型玉米品種，以其獨(dú)特的風(fēng)味和豐富的營養(yǎng)風(fēng)靡全國，成為人們餐桌上的新貴.此外，鮮食玉米種植畝效益遠(yuǎn)超普通玉米，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)民脫貧攻堅(jiān)目標(biāo)的有效途徑之一.近年來，中國鮮食玉米種植面積持續(xù)增大，截止到2021 年已達(dá)151 萬hm2［1-2］，這使得中國成為全球最大的鮮食玉米生產(chǎn)國和消費(fèi)國［3］.

鮮食玉米的收獲作業(yè)是整個(gè)生產(chǎn)過程中最重要的一環(huán)，其收獲質(zhì)量和效率會(huì)嚴(yán)重影響鮮食玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量.由于鮮食玉米收獲作業(yè)具有時(shí)間緊、任務(wù)重、季節(jié)性強(qiáng)和易受災(zāi)減產(chǎn)等特點(diǎn)，并且由于使用人工收獲效率低，成本高，因此，鮮食玉米機(jī)械化收獲是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路.然而相較于普通大田玉米收獲機(jī)械，鮮食玉米收獲機(jī)械并不成熟，還存在莖稈剪切不流暢、切斷率低和喂入姿態(tài)成功率低等問題，因此，優(yōu)質(zhì)鮮食玉米收獲裝備缺乏已成為制約其產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的核心瓶頸之一［4-7］.

目前，已有學(xué)者針對(duì)鮮食玉米機(jī)械化收獲的問題開展了相關(guān)研究，黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院齊齊哈爾農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所的張伯韌［8］研制了回轉(zhuǎn)式玉米莖稈切割裝置，該裝置所需能耗較低，切割效率較高；吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院的明哲［9］對(duì)玉米分禾器進(jìn)行了仿真分析，得到了收割機(jī)工作時(shí)分禾器的一系列運(yùn)動(dòng)參數(shù).盡管如此，針對(duì)鮮食玉米收獲機(jī)切割裝置的運(yùn)動(dòng)及受力情況的相關(guān)研究仍相對(duì)較少，鮮食玉米收獲漏割和切斷不完全等問題依然突出［10-12］.鑒于此，針對(duì)鮮食玉米收獲機(jī)具工作時(shí)所存在的莖稈剪切不流暢、切斷率低和喂入姿態(tài)成功率低等問題，對(duì)摘穗臺(tái)關(guān)鍵部件切割器和分禾器進(jìn)行了理論分析，提出了一種天牛上顎式往復(fù)仿生切割器和一種四棱型分禾器，旨在提升摘穗臺(tái)的工作性能和鮮食玉米莖稈喂入成功率，為中國鮮食玉米機(jī)械化收獲裝備的發(fā)展奠定基礎(chǔ).

1 天牛上顎式往復(fù)仿生切割器設(shè)計(jì)

玉米莖稈切割裝置主要有往復(fù)式和圓盤式2種［13］，往復(fù)式切割器切割原理較簡(jiǎn)單，如圖1所示，其占用空間小，目前已得到廣泛應(yīng)用，但其需要進(jìn)行慣性力平衡，而圓盤式切割器因其割幅受圓盤直徑限制，一般不超過1.5 m，故目前應(yīng)用較少，因此，選用往復(fù)式切割器來開展研究.

圖1 往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)圖

1.1 切割器傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在割刀的動(dòng)力傳輸系統(tǒng)中，平衡曲柄連桿機(jī)構(gòu)慣性力有助于保持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高機(jī)具的使用壽命.往復(fù)式切割器由多組曲柄連桿機(jī)構(gòu)配合組成，包括作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲柄銷和連桿，以及作往復(fù)式運(yùn)動(dòng)的切割器動(dòng)刀片和連桿.這些運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生不平衡慣性力致使收獲機(jī)振動(dòng)，切割器動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)速度和收獲機(jī)前進(jìn)速度會(huì)影響往復(fù)式切割器未切割區(qū)域和重復(fù)切割區(qū)域面積，零件運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)大小與其運(yùn)動(dòng)速度成正比，過大的振動(dòng)影響收獲機(jī)正常工作，增加零件的磨損，影響機(jī)器的使用壽命.往復(fù)式切割器采用給曲柄增設(shè)配重的方式，其目的就是可利用增設(shè)配重所產(chǎn)生的離心力來部分平衡切割器運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的往復(fù)式慣性力［14-16］.根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，連桿的三分之一部分與曲柄銷作圓周運(yùn)動(dòng)，其余部分同割刀一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其關(guān)系如下：

其中，Pd表示割刀與2/3連桿部分的往復(fù)式慣性力（N），Pq表示連桿1/3部分的離心慣性力（N），Pp表示加配重后曲柄盤所產(chǎn)生的離心慣性力（N），Md表示割刀質(zhì)量（kg），Ml表示連桿質(zhì)量（kg），MP表示加配重后曲柄盤的質(zhì)量（kg），φ表示曲柄轉(zhuǎn)角（°），r表示曲柄半徑（m），rp表示曲柄盤重心的旋轉(zhuǎn)半徑（m），ω表示曲柄角速度（rad·s-1）.

通過對(duì)往復(fù)式慣性力的部分平衡，避免了在垂直方向上存在較大的離心慣性力，從而避免機(jī)器在垂直方向上振動(dòng)較大而影響機(jī)具工作性能.因此，一般只要求往復(fù)慣性力的平衡度λp在0.25～0.5 區(qū)間內(nèi)，即水平方向上的平衡方程為

簡(jiǎn)化后得

選取λ=0.3，割刀質(zhì)量Md為22.5 kg，曲柄半徑r為0.42 m，連桿質(zhì)量Ml為18.4 kg，曲柄盤重心的旋轉(zhuǎn)半徑rp為0.23 m，通過計(jì)算，平衡慣性力而增設(shè)的曲柄盤配重質(zhì)量為30.3 kg.切割器所需功率P包括切割器空轉(zhuǎn)功率Pk和切割功率Pg，則有

其中，Vm表示收獲機(jī)作業(yè)速度（m·s-1），B表示切割器工作幅度（m），L0表示切割器切割單位面積的莖稈所做的功，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與鮮食玉米物理特性，切割玉米莖稈時(shí)，L0≈200～300 J·m-2，Pk與切割器的安裝情況有關(guān)，一般每割幅米所需功率為0.6～1.2 kW.

選取收獲機(jī)作業(yè)速度為2.5 m·s-1，設(shè)計(jì)的往復(fù)式切割器作業(yè)割幅為1.1 m，切割器切割單位面積的莖稈所做的功為300 J·m-2，Pk為1.2 kW.經(jīng)過計(jì)算，往復(fù)式切割器所需功率為2.0 kW.

1.2 仿生割刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)天牛是多食亞目天?？评ハx的總稱，其口器為咀嚼式，其上顎中獨(dú)特的弧形和凹槽結(jié)構(gòu)具有極佳的粉碎切割能力，能輕易咬斷堅(jiān)硬的樹干，比同樣具有咀嚼式口器的螞蚱和蚜蟲等有更佳的咬切能力.以中國體型最大的大山鋸天牛為仿生原型，將天牛上顎獨(dú)特的結(jié)構(gòu)運(yùn)用于鮮食玉米往復(fù)式切割器刀片中，旨在達(dá)到低阻和切割效果好的目的.

對(duì)天牛上顎口器進(jìn)行了三維掃描，提取了其口器輪廓曲線，刀片的齒廓樣條曲線根據(jù)天牛的上顎擬合而成，在SolidWorks中構(gòu)建起仿生設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)三維模型，其曲線均勻布置于兩側(cè)的刀刃上.為了便于進(jìn)行比較分析，仿生刀片使用了與稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)刀片相同的基質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，即a=78 mm，b=120 mm，c=50 mm，d=27 mm，e=15 mm，h=20 mm，k=6.2 mm，t=2.3 mm.普通刀片和仿生刀片之間的差異主要體現(xiàn)在齒廓、齒距和高度方面.仿生刀片的節(jié)距m為5.0 mm，齒高n為0.9 mm，其輪廓擬合曲線為

根據(jù)擬合曲線，仿生刀片為弧形齒和齒背凹槽結(jié)構(gòu)，有別于普通刀片的斜面結(jié)構(gòu).仿生刀片在工作時(shí)，其刀齒首先接觸并擠壓莖稈，并對(duì)莖稈進(jìn)行局部切割，這種弧形齒刃結(jié)構(gòu)大大降低了切割阻力.相鄰弧形齒之間會(huì)形成尖銳的楔形突起，如圖2 所示.楔形突起在作業(yè)時(shí)，首先會(huì)刺破莖稈并夾持莖稈，進(jìn)而橫向劈裂莖稈的木質(zhì)部，使莖稈被完全而又流暢地切割，其次，弧形齒的構(gòu)造會(huì)在齒背處形成凹槽，與莖稈的切割方式為嚙合切割，從而降低了切割阻力.普通刀片無法達(dá)到相同的滑切效果，且不存在類似齒背凹槽的容削空間，故其剪切效果不夠理想.

圖2 仿生切割刀片結(jié)構(gòu)圖

1.3 切割速度分析割刀的動(dòng)刀由曲柄連桿帶動(dòng)，在定刀表面做往復(fù)運(yùn)動(dòng).針對(duì)動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解析，如圖3所示.

圖3 動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)圖解

圖4 分禾器三維模型

在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的刀片上任意選擇參考點(diǎn)，規(guī)定該點(diǎn)的移動(dòng)距離x、移動(dòng)速度υ和加速度ax都是變量，則有

其中，ω表示曲柄旋轉(zhuǎn)角速度（rad·s-1），n表示轉(zhuǎn)速（r·min-1），t表示切割器動(dòng)刀片由起始點(diǎn)a轉(zhuǎn)過的時(shí)間（s）.

切割器動(dòng)刀片的移動(dòng)速度υx與其移動(dòng)距離x的關(guān)系式

由上式可知，動(dòng)刀片的速度遵循橢圓曲線變化規(guī)律，則有

1）x=0，此時(shí)該點(diǎn)位于刀片中點(diǎn)

2）x=±r，刀片移動(dòng)到兩端的極點(diǎn)，υx=υx（min）=0；

3）割刀的實(shí)際工作過程中，刀片切割速度為υx，刀片始終在S點(diǎn)（動(dòng)刀與定刀相遇）與Z點(diǎn)（動(dòng)刀與定刀分離）之間，表明刀具工作時(shí)的剪切速度始終比平均速度大.

其中，υp表示切割器動(dòng)刀的平均速度（m·s-1），υjz表示終切速度（m·s-1），υjs表示始切速度（m·s-1），υjp表示平均剪切速度（m·s-1），S表示割刀行程長(zhǎng)度（mm），r表示曲柄旋轉(zhuǎn)半徑（mm），n表示曲柄轉(zhuǎn)速（r·min-1），b和e表示動(dòng)刀片的底寬和頂寬（mm），f表示定刀片的寬度（mm），Q表示曲柄由起始切點(diǎn)到終點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度（rad）.

切割刀具的關(guān)鍵參數(shù)為動(dòng)刀的平均速度υp，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，切割玉米莖稈的速度υp為0.8 m·s-1.在實(shí)際的試驗(yàn)過程中得知，動(dòng)刀片的每一行程中切斷的莖稈數(shù)量與機(jī)器的前進(jìn)速度υm成正比，因此，確定動(dòng)刀的平均速度的關(guān)系式為

其中，β取0.8，則切割玉米莖稈的動(dòng)刀片的切割速度υp為1.6 m·s-1.

2 四棱式分禾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分禾器結(jié)構(gòu)分析分禾器的作用是保證摘穗臺(tái)在作業(yè)過程中，其尖部可分開田間的玉米植株，同時(shí)能利用其錐形結(jié)構(gòu)聚攏兩分禾器之間的植株，因此，分禾器作用邊緣的夾角必須保證作業(yè)時(shí)玉米植株能向后滑移［17］.

為了滿足鮮食玉米的收獲要求，并保證割臺(tái)有對(duì)行收獲能力，設(shè)計(jì)了四棱式分禾器，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示.由下棱板和分禾器尖組成，下棱板保持垂直，并支撐整個(gè)分禾器的重量，保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并減少分禾器折彎植株的可能性.設(shè)計(jì)此結(jié)構(gòu)時(shí)，下棱板的上邊緣為主要的工作部位，承擔(dān)上述主要功能［18］.

由于鮮食玉米品種及種植模式有差異，存在玉米行距不完全相同的情況，因此，作業(yè)時(shí)，分禾器中心線與玉米植株的垂直距離W各不相等.分禾器的寬度為2W0，因分禾器部位無夾持鏈配合工作，所以其作用邊緣為下棱板的上下棱邊.當(dāng)W=0～W0時(shí)，分禾器的施力方向?yàn)橄蚯昂蛢A斜向側(cè)方，莖稈與分禾器接觸點(diǎn)會(huì)隨時(shí)間變化而逐漸偏移，玉米莖稈隨著機(jī)具的前進(jìn)而向后移動(dòng)，從而使玉米植株逐漸傾斜，因此，分禾器應(yīng)滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)要求，即不僅要保證玉米植株不會(huì)被推倒或折斷，而且還要保證達(dá)到最佳的玉米植株收聚效果，如圖5所示.

圖5 分禾器與玉米植株位置示意圖

當(dāng)玉米植株與分禾器接觸時(shí)，其接觸點(diǎn)最終會(huì)移動(dòng)至分禾器邊緣尾部，此時(shí)分禾器與植株幾何作用邊緣的關(guān)系，如圖6所示.

圖6 植株與分禾器的幾何關(guān)系圖

由圖6可知

其中，參數(shù)L和W0與分禾器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，參數(shù)H和β0與莖稈切割高度相關(guān)，設(shè)計(jì)的鮮食玉米收獲割臺(tái)中，β0、W0、H和L均為固定值.在不計(jì)玉米植株彈性變形的前提下分析分禾器機(jī)構(gòu)，當(dāng)夾角α小于玉米植株偏折角時(shí)，玉米植株不會(huì)折斷.為簡(jiǎn)化研究模型，在分析玉米植株與分禾器的相互作用過程中，可不計(jì)玉米莖稈彈塑性變形與莖稈直徑.

2.2 分禾器工作受力分析如圖7所示，分析分禾器工作時(shí)的受力過程中，應(yīng)保證玉米莖稈與分禾器間無相對(duì)滑動(dòng).

圖7 莖稈與分禾器間無相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的受力分析

由圖7可得

其中，f為分禾器與玉米莖稈之間的摩擦因素系數(shù)，取0.2～0.6［19］.為使分禾器正常作業(yè)，其分禾器兩作用邊緣夾角的幾何條件為

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與方法試驗(yàn)地點(diǎn)選在海南省樂東縣，試驗(yàn)田面積為0.20 hm2，鮮食玉米品種為粵甜10號(hào)，試驗(yàn)場(chǎng)地地勢(shì)平坦，鮮食玉米摘穗臺(tái)性能試驗(yàn)測(cè)試按照《玉米收獲機(jī)械試驗(yàn)方法：GB/T 21962-2020》進(jìn)行.為探明各因素對(duì)天牛上顎式往復(fù)仿生切割器作業(yè)效果的影響，以莖稈漏割率SE為目標(biāo)值，以切割器動(dòng)刀片切割速度υp和作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度υM為因素的兩組單因素試驗(yàn).考慮到作業(yè)機(jī)工作效率及作業(yè)收獲質(zhì)量問題，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度υM的試驗(yàn)范圍為0.7～3.5 m·s-1，由式（8）和（9）可知，切割器動(dòng)刀片切割速度快慢會(huì)影響作業(yè)效果，因此設(shè)置動(dòng)刀片切割速度υp的試驗(yàn)范圍為0.8～2.4 m·s-1.為了試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確率，將切割不完全植株和連根拔起的植株視為漏割植株，共設(shè)置5組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)做3次，取其平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示.分禾器收攏植株效果主要與分禾器結(jié)構(gòu)和作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度有關(guān)［20］，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度υM的試驗(yàn)范圍為0.7～3.5 m·s-1，將作業(yè)機(jī)收獲后未收聚植株視為未收攏植株，共設(shè)置5組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)做3次，取其平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表1 仿生刀片與普通刀片莖稈漏割效果對(duì)比

表2 四棱分禾器與普通分禾器莖稈未收聚效果對(duì)比

由于試驗(yàn)條件限制，通過統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)玉米植株總數(shù)，檢測(cè)收獲時(shí)玉米莖稈的漏割數(shù)，以及切斷不完全植株數(shù)來確定莖稈漏割率，檢測(cè)收獲時(shí)植株被推倒或折斷株數(shù)來確定植株未收聚率，每次試驗(yàn)隨機(jī)選取200棵植株，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取平均值.

其中，莖稈漏割率為

植株未收聚率為

其中，GS為漏割或切割不完全的植株數(shù)量（株），GZ為試驗(yàn)區(qū)內(nèi)玉米總株數(shù)（株），WP為收割機(jī)作業(yè)時(shí)未收攏的玉米植株數(shù)（株）.

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 莖稈漏割率

由表1可知，隨著作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度和動(dòng)刀片切割速度的增大，仿生刀片切割器的莖稈漏割率先減小后增大，是由于動(dòng)刀片切割速度慢，不能完全切斷植株莖稈而產(chǎn)生連根拔起的緣故.當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度過大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入作業(yè)機(jī)的植株數(shù)量過多，莖稈漏割率增加；當(dāng)動(dòng)刀片切割速度過大時(shí)，動(dòng)刀片頂端與莖稈會(huì)發(fā)生劇烈碰撞，從而導(dǎo)致莖稈彎折，致使莖稈漏割率增加；當(dāng)動(dòng)刀片切割速度為1.6 m·s-1與2.0 m·s-1時(shí)，仿生刀片切割器的莖稈漏割率相同.考慮到作業(yè)效率，選取作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為2.1 m·s-1，仿生往復(fù)式切割器動(dòng)刀片切割速度為1.6 m·s-1時(shí)，其工作性能最佳，與普通往復(fù)式切割器作業(yè)效果相比，莖稈漏割率大幅度降低.

3.2.2 植株未收聚率

由表2 可知，隨著作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度的增加，四棱分禾器未收聚率明顯小于普通分禾器未收聚率，其收聚效果較普通分禾器的收聚效果大幅度提升.考慮到作業(yè)效率因素，選擇作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為2.1 m·s-1較為適宜.

綜合兩次單因素試驗(yàn)可得，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為2.1 m·s-1，仿生往復(fù)式切割器動(dòng)刀片切割速度為1.6 m·s-1時(shí)，四棱式分禾器的莖稈未收聚率為2.5%，不僅顯著優(yōu)于普通分禾器的莖稈未收聚率，而且極大地提升了高速作業(yè)條件下摘穗臺(tái)的作業(yè)效果，如圖8所示.

圖8 田間試驗(yàn)效果圖

4 小 結(jié)

1）針對(duì)中國鮮食玉米收獲機(jī)收獲時(shí)收割裝置切割莖稈不完全和不流暢的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種天牛上顎式往復(fù)仿生切割器和一種四棱式分禾器，顯著提升了切割性能.

2）通過理論分析確定了切割器的主要參數(shù)：曲柄半徑為0.42 m，曲柄盤重心的旋轉(zhuǎn)半徑為0.23 m，曲柄盤配重質(zhì)量為30.3 kg，往復(fù)式切割器所需功率為2.0 kW，切割玉米莖稈的動(dòng)刀片的切割速度為1.6 m·s-1.田間試驗(yàn)表明：當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為2.1 m·s-1時(shí)，該摘穗裝置的莖稈漏割率為2.5%，與普通割刀相比減少了漏割率.

3）針對(duì)莖稈收聚過程進(jìn)行了理論分析，設(shè)計(jì)了四棱式分禾器，提升了在高速作業(yè)條件下的莖稈收聚率.