玉米收获机设计与分析

第 1 页摘要：玉米作为作为我国第二大农作物，与之相对应的我国玉米收割机发展十分迟滞。本文的出发点正鉴于此，以现有的玉米收割机为什么不能适应中国的玉米种植农艺为出发点，选取最具代表性的前悬挂式玉米收割机进行改进创新设计，使改进后的机型能够让农机与农艺得到最大限度的结合。本文对玉米收割机进行了整体的机构理论研究。分析国内外的各种型号的玉米收割机的使用与现状，找到适应我国情况的相应机型，并对其中的关键部位进行了设计计算，主要包括锥齿轮、摘穗辊和动力输入的传动轴的设计，保证了机构运行的可靠性。关键词：玉米收割机，锥齿轮，摘穗辊第 2 页目 录一、 背景及数据 .31.1 背景 .31.2 数据 .4二、 工艺路线 .5三、 黑箱法分析 .5四、 部件设计 .64.1 玉米收割机割台分析设计 .64.2 玉米收割机得传动部分 .7五、 米收割机的设计计算过程 .85.1 传动计算 .85.2 结构尺寸计算 .85.3 锥齿轮数据计算 .95.4 主轴及轴 1，轴 2，轴 3，轴 4 的设计 .95.5 皮带轮的尺寸设计 .9六、 市场前景 .9七、 参考文献 .10第 3 页一、 背景及数据1.1 背景我国玉米收割机的发展历程我国农村大部分地区的玉米种植特点与欧美等农业机械化技术发达国家相比，我国的玉米种植有以下几个特点： （1）玉米种植地块小;（2）玉米种植行距不统一; （3）玉米收获期籽粒含水率较高。目前，国内自主研发的玉米收获机正处于开发、试验和示范阶段，少数企业的玉米收获机也仅为小批量小规模生产中。在未来 5 年内还主要是发展功能单一、价格低廉、结构简单、可靠性高和易维修的玉米收获机，机型主要以背负式和中小型自走式机为主。功能单一的摘穗还田机也将会有一定市场。其发展大致经历了三个阶段，第一阶段始于二十世纪六十年代，当时几乎还没有形成定型产品。第二次的玉米收获机研发高潮出现在上个世纪 80 年代后期，共有接近 50 家大小企业和科研单位参与其中，研究开发的重点是解决高湿玉米（籽粒含水率高达 35%以上）在收获过程中的籽粒破损率高的收获问题，针对当时农村经济发展状况和经营规模，研制成功了 60 多种机型。到二十一世纪，我国的玉米收获机发展进入第三个阶段。单从技术开发层面上说，当时我国自主研发的玉米收获机已经达到或接近外国农业机械化技术先进国家的水平。但是对我国农村玉米种植小规模经营状况（地块小、玉米品种多、种植行距没有统一规范等）针对性不是很强。另一方面，近几年随着我国农村经济结构的整体调整和畜牧业水平的整体发展，穗茎兼收型玉米联合收获机的需求量正在迅速增加。这将使我国农村地区玉米收获机技术的开发与研究围绕以下几个热点展开：1）不对行收获技术；2）降低收获机动力消耗的技术；3）降低收获后果穗含杂率的技术；4）降低籽粒破碎率的技术。我国玉米收获机械从研制至今，通过农业机械科研、农业生产等各方面单位第 4 页的努力下，已经取得了很好很快速的发展。在局部地区，玉米的机械化收获已经呈现出比较快发展的良好迹象，特别是山东省，2009 年全省玉米联合收获机保有量已达可观的 5873 台，机收水平达到 11。从全国范围来看，玉米机械化收获技术的实践与推广仍然处于发展的初始阶段。2005 年，我国农村地区玉米收获机械化水平不到 3，远远落后于同期小麦收获机械化水平的 80、水稻收获机械化水平的 35的全国收获机械化水平。我国玉米收获机械化仍然存在着许多必须面对的问题。首先表现在基础核心部件研究不足，很多科研单位与生产企业只是注重整机的研制开发，而忽视基础核心部件的设计研发，从而造成众多机型在收获工艺和机构参数上大同小异、重复制造的问题。其次是产品的稳定性、可靠性差，机器故障频繁，从而造成玉米籽粒破碎率、果穗损失率高等问题。1.2 数据表 1-1 玉米植株数据名称 理论数据（mm） 设计参考数据(mm)玉米株高 10004000 2000玉米茎粗 3050 40结穗高度 3/5 玉米株高 1200玉米穗直径 6070 60表 1-2 拖拉机及发动机参数机型 东方红 X1304型式 4 4外型尺寸（ mm ） 4900 2330 2960轴距（ mm ） 2688.5前轮轮距（可调） （ mm ） 18222153最小离地间隙（ mm ） 495速度范围 前进（ km/h ） 2.3430.55发动机型号 LR6108ZT52形式 六缸、立式、水冷、四冲程直喷增压柴油机标定功率 (kW) 95.6额定转速 (r/min) 2400动力输出轴转速 (r/min) 520/1000动力输出轴最大功率 (kW) 81.7第 5 页二、 工艺路线割径-摘取果穗-输送果穗-收集-暂存三、 黑箱法分析整株玉米拖拉机人为操作玉米收获机土壤 湿度玉米穗玉米壳玉米杆四、 部件设计4.1 玉米收割机割台分析设计玉米收割机是一种结合摘取果穗，输送果穗，收集果穗为一体的自动化机械装置，在它设计之前应该进行严谨的构思设想与实地调查。我认为玉米收割机的核心部件主要在其收割台部分。根据在报纸杂志，相关书刊以及网络上查阅的相关资料，最终构思出以下两个设计思路。1、倒伏式。 这种思路的原理是在拖拉机前加装一个宽度与适合的 W 型的导轨，使导轨的间距等于玉米的行距，并且从导轨前端到导轨的后端导轨之间的间隙逐渐变窄，最后的宽度只能容纳玉米杆通过而不能容纳玉米通过，导轨与地面呈 30 度角安装。这样在拖拉机前进过程中，两行导轨对准两行玉米杆，废气 噪声 振动第 6 页两行玉米杆会进入两个导轨中，拖拉机向前运动，玉米杆会向前倒伏，并且玉米穗会被导轨末端卡住，直到玉米穗被拔下，玉米穗向后滚入收纳箱并进入输送装置输送值后面的收集箱中。这个思路的优点是原理简单，易于理解和设计，但是它的缺点在于：1) 有可能在把玉米穗拔下之前就把玉米杆连根拔起；2) 不能将玉米杆切碎；3) 收割效率低下。2、辊子式 这种设计的思路主要是设置四个并排等距离安装的辊子，每个辊子前端呈圆锥形上每个辊子都带有螺旋式的突出螺纹，辊子 1 与辊子 2 的螺纹方向相反平行且相向向内转动，辊子 3 与辊子 4 的螺纹方向相反平行且相向向内转动，辊子 1 与辊子 3 转动方向相同，辊子 2 与辊子 4 转动方向相同，辊子1-辊子 2 与辊子 3-辊子 4 分别为两个辊子组，这样的设计可以收割两行玉米，当拖拉机向前运动时，两行玉米杆因辊子前得圆锥形状和拨禾器的作用分别进入两组辊子组的缝隙中，玉米杆被辊子组夹住向下运动并且因为螺纹的作用向相对拖拉机运动方向相反的方向运动，这样玉米杆在运动过程中，玉米穗就会被辊子组的作用力拔下，在每组辊子下安装高速旋转的圆形刀片，在玉米杆运动过程中就会被切碎并且还田。这个思路的优点在于辊子组的设计思路相对第一个思路合理且可以将玉米杆切碎还田 但缺点是：1) 玉米穗不易被拔下；2) 玉米穗不易将其运输至后方的储存箱内。两种设计思路的优缺点都很明显突出，在研究资料并考虑设计思路后，我决定将两种方案合二为一，取长补短，所以有了下面的思路保留方案 2 中辊子组与切割刀的思路，这样保证玉米杆可以切碎还田也可以保证玉米穗可以被拔下，在辊子组上加装一个挡板，在辊子组缝隙上方留有一个小于辊子组缝隙的导轨，在挡板上装向后转动的链条，使得玉米杆被辊子组夹住向下运动并且因为螺纹的作用向相对拖拉机运动方向相反的方向运动时，玉米穗会因挡板的缝隙小于玉米穗的直径而被拔下并被向后方旋转链条传送至第 7 页后方的传送带上从而被输送至收纳箱中。通过两种方案的融合后，我得出了我的最终方案，这个方案及保证玉米穗被顺利的摘下并运送到传送带上从而得到收集，也保证玉米杆被切碎还田。4.2 玉米收割机得传动部分传动部分的设计思路主要由以下几个零件完成，一根主轴，四个传动轴轴1, 轴 2, 轴 3, 轴 4 分别与辊子 1, 辊子 2, 辊子 3, 辊子 4 四个辊子相连，机械动力由发动机通过皮带轮转送到主轴上使主轴旋转给轴 1, 轴 2, 轴 3, 轴 4输出动力。在主轴上的相应部位安装两个锥齿轮，在轴 1 和轴 4 轴端安装两个锥齿轮，两锥齿轮啮合，使主轴动力传动到轴 1 和轴 4 上使轴 1 和轴 4 能得到动力旋转，并由轴 1 和轴 4 上的链轮分别传动到轴 3 与轴 2 上这样可以是轴1，轴 2, 轴 3, 轴 4 上的辊子满足上面所说的相对转动方式与工作方式，在轴1，轴 2，轴 3，轴 4 上分别安装锥齿轮，使动力可以传送到收割台用以输送玉米穗的链条上，在轴 1 与轴 4 的锥齿轮 1 下有锥齿轮啮合使动力可以传送到下方的切割刀上使得切割刀可以高速旋转从而达到切碎玉米杆的目的。机械结构如图 4-1。图 2-1 整体传动方案预览1主轴 2.轴 1 3.轴 2 4.轴 3 5.轴 4五、 米收割机的设计计算过程5.1 传动计算第 8 页经实地考察与数据参数的分析，辊子转速一般大于 40r/min 并且小于 45 r/min 达到最好的收割效率,因此取 42 r/min。收割台链轮转速大致与棍子转速相同取 42 r/min。因此轴 1,2,3,4 的转速为分别 42 r/min。切割刀的转速为 200 r/min，取210 r/min，所以各轴锥齿轮 1 与锥齿轮 2 之间的传动比为 1:1，轴 1 与轴 4 的锥齿轮 1 与锥齿轮 3 的传动比为 1:5。发动机的动力轴输出转速为 520 r/min，确定发动机与主轴用皮带轮完成动力传递，传动比为 4:1，因此主轴转速为 130 r/min，则主轴锥齿轮与轴 1 和轴 4 的传动比为 3:15.2 结构尺寸计算根据拖拉机尺寸参数及玉米株参数，确定收割台得宽度为 1300mm,辊子直径200mm,辊子之间的距离为 30mm，沿收割台左侧均匀分布，左侧辊子与左侧边缘留有 30mm 距离。根据玉米植株数据参数统计，摘穗台链条间距离应大于 30mm 小于 60mm，取55mm。由此可以确定各轴中心线的距离是 430mm， 。收割台上的链轮直径为 155mm，这样才可以符合原理尺寸要求。由此可以得知，轴 4 上传动带轮的直径应小于 230mm。5.3 锥齿轮数据计算5.4 主轴及轴 1，轴 2，轴 3，轴 4 的设计5.5 皮带轮的尺寸设计六、 市场前景就目前我国农村大部分地区的玉米收割机机械化水平来看，我国玉米机械化收获水平有了很大发展，根据各地玉米种植行距、农艺要求的不同，各科研单位与生产企业设计开发了众多不同原理不同工艺的机型。但根据我国农村经济的实际情况和市场要求，今后一段时间我国玉米收获机械产品开发的重点主要是以下几点：（1）从我国玉米收获作业功能上考虑，应将重点放在开发穗茎兼收型玉米联合收获机上。第 9 页随着我国农业结构的大范围调整，畜牧业的发展，收割后的作物秸秆作为饲料饲喂牲畜是秸秆过腹还田的自然途径，也是秸秆饲料价值和肥料价值的最重要体现。穗茎兼收型玉米联合收获机一次完成玉米果穗、玉米茎秆的收获，适应农民传统收获玉米的习惯，又增加了茎秆青贮收获，为广大农村发展畜牧业提供丰富的饲料资源，是今后发展的热点之一。（2）对于近几年市场需求较大的悬挂式（背负式）玉米联合收获机应尽快完善 3 行机型。悬挂式（背负式）玉米联合收获机可一次性完成玉米摘穗、果穗输送、果穗集箱、秸秆还田等作业，具有结构简单、性能可靠、维修方便、价格适中等优点。该机型具有有效的提高我国广大农村地区拖拉机动力的利用率，大大缩短农民投资回收期的优点。所以从我国农村现阶段的经营管理模式、经济发展水平、农民朋友购买能力、农村现有的可利用动力情况来看，悬挂式（背负式）玉米联合收获机在今后一段时间仍将在农村占有较大的市场份额。(3)开发与谷物联合收获机相匹配的玉米割台，实现一机多用化，提高机械机具利用效率。目前为止，一些科研单位和生产企业已开发出与谷物联合收获机相匹配的玉米割台，与 6080 马力的谷物联合收获机进行割台互换。从试验示范效果看，农民对这种可互换割台表现出了极大的兴趣，由于自走式谷物联合收获机品种较多，一种机型只有一种配套挂接方式，挂接装置很难标准化。如果谷物联合收获机生产企业能和玉米割台生产企业合作研发，玉米割台市场需求的潜力将会非常巨大。（4）为适应现阶段我国农村规模经济发展，继续完善与提高现有的 3 行以上自走式玉米联合收获机。随着现阶段我国农村经济实力的逐步提高和规模经济的逐步发展，自走式玉米联合收获机因其机构紧凑、工作性能良好、工作作业效率高等优点，将会得到较大需求。目前自走式玉米联合收获机的研制与完善已被列入国家“十一五”发展规划科技攻关项目。在现有的机型上，完善其三行以上机型的工作作业可靠性、稳定性，并在此基础上应用液压、机械、电气自动化技术结合开发出具有中国特色和较高机械化技术水平的大型自走式玉米联合收割机机型，是我国第 10 页玉米联合收获机发展的必然选择。七、 参考文献1赫俊林,佟金.我国玉米收获机的现状及其发展J.农机化研究.2006.(2): 29-31,362郝用兴，杨杰，华林等.背负式纵卧辊玉米收获机整体配置优化研究J.农机画研究.2005.(4):84-863北京农业工程大学.农业机械学(上册,下册)M.北京.农业出版社.19994中国农业机械化科学研究所.农业机械设计手