玉米收获机摘穗切割器的设计与应用

玉米收获机摘穗切割器的设计与应用

年产量及数量中国是美国的主要玉米种植国家。近年来，玉米年产量达到2450万h2m，年产量达到12700万吨。玉米收获机保有量有猛增趋势,收割台是整机的心脏,而摘穗装置是研究收割台的的关键。1钳住茎间切割条件分析茎秆切割器的种类很多,最常用的回转式和往复式两种,回转式切割器对于行距的要求比较严格,一般用于对行收获,往复式切割器则不受行距的限制。对于玉米茎秆,尤其是适宜于青贮的品种,往复式切割器应用的也比较广泛,由于标准II型切割器的锯齿形刃口和自磨锐性能,在往复式切割器中应用最多。玉米收获机在作业过程中,切割器的动刀和定刀要有一定的夹角范围,才能保证动定刀钳住茎秆进行切割,因此应分析钳住茎秆进行切割的条件。茎秆与动定刀间的受力情况如图1所示,假设AB为动刀片刃口,CD为定刀片刃口,夹角α为动刀定刀间对物料的钳住角,又称推挤角。当动定刃口开始切割物料时,由于动定刀刃口的几何形状和材质的不同,对同一物料引起的摩擦力也各不相同。欲使物料不被挤出而进行稳定切割,应满足如下条件:其中:f1—定刀刃对物料的摩擦系数;f2—动刀刃对物料的摩擦系数;N1—定刀刃对物料的正压力;N2—动刀刃对物料的正压力。由于摩擦系数等于摩擦角的正切,即f1=tgΦ1,f2=tgΦ2得到钳住茎秆的条件为:其中,Φ1—定刀刃对物料的摩擦角;对于玉米茎秆取Φ1=18°;Φ2—动刀刃对物料的摩擦角;动刀为带齿刃口取Φ2=20°。由Φ1+Φ2=38°可知,刀片的钳住角α必须小于Φ1+Φ2才能钳住物料(即α≤38°),可保证稳定切割。由于该机在设计时,拟采用标准II型割刀,其钳住角为α=28.2°而且标准II型切割刀片带有自磨锐的锯齿齿刃口,更容易抓取茎秆进行切割,因此理论上可以满足使用要求。2拉茎辊的功能计算玉米摘穗时果穗及茎秆的状态如图2所示,图中可以明显看出,果穗是在茎秆被拉茎辊和摘穗板的联合作用下被牵拉实现摘离的。现将摘穗的过程的功耗分为两部分,即拉茎辊牵拉茎秆所需的功耗W1和穗茎分离所需的功耗W2。则摘穗的过程的功耗W=W1+W2。摘穗过程中,质量为m1的果穗和质量为m2的茎秆被高速旋转的拉茎辊抓取,并将茎秆向下牵拉时,在垂直于摘穗板的方向上,Δt1时间内,果穗和茎秆的速度由零增至V,假设拉茎辊截面为一理想的圆形,根据冲量定律,茎秆受到的牵拉力(抓取力)为F1:将V=πDn/60代入式(5)得式中,m1—果穗的质量,kg;m2—茎秆的质量,kg;D—拉茎辊的直径,m;n—拉茎辊的转速,r/min;V—拉茎辊的线速度,m/s;θ—拉茎辊与水平方向的夹角,°。同样,还是在垂直于摘穗板的方向上,当质量为m1的果穗被摘下时,在Δt2时间内速度由V骤减至零,则摘穗板对果穗的作用力F2为:将V=πDn/60代入式(7)得:那么,牵拉质量为m1+m2的带穗玉米植株、以及将质量为m1的果穗摘下所需要的功为:式中,Δβ—拉茎辊转动的角位移量;r—拉茎辊半径;m;D—拉茎辊直径;m。将代入式(9)得出:式中,ti—各作用力的作用时间,s。式(10)中,第一部分和第二部分为拉茎辊牵拉植株所消耗的功,第三部分为摘穗板摘穗所消耗的功。从式(5)至式(10)中可以看出:a.当拉茎辊转速一定时,拉茎辊牵拉植株所消耗的功与果穗的大小成正比,与拉茎辊的直径成正比:摘穗板摘穗所消耗的功也与果穗的大小成正比,与拉茎辊的直径的二次方成正比。b.当拉茎辊直径一定时,拉茎辊牵拉植株所消耗的功与果穗的大小成正比,与拉茎辊的转速成正比;摘穗板摘穗所消耗的功也与果穗的大小成正比,与拉茎辊的转速的二次方成正比。因此拉茎辊的直径不能设计得很大,转速不能设计得很高,这些因素设计时应充分考虑。3摘穗板的设置果穗中的茎秆含杂率也是衡量作业质量的主要指标之一,由于我国玉米产区尤其是两茬轮作地区玉米收获时籽粒及茎秆的含水率很高,玉米茎秆较脆,容易造成果穗和上部的短茎秆一起在结穗部位的茎秆下部折断,使短茎秆和果穗一起进入果穗箱,果穗箱中的短茎秆过多,不仅表面看起来果穗不洁净,而且运输很不方便;另外过多的短茎秆掺杂在果穗中,堵塞了果穗间的间隙,容易发热腐烂,使果穗储存时间缩短,因此收获作业时果穗中的茎秆含杂率高低是衡量摘穗机构作业质量好坏的重要指标。影响果穗中的茎秆含杂率的因素很多,除茎秆的含水率、拉茎辊的形状、直径以及作业速度等因素外,摘穗板的形状也是对其影响的关键因素之一。近几年来,玉米收获机械领域对于摘穗板的研究很多,但均是在摘穗板的厚度以及棱角圆弧等方面进行改动。因此本项目从摘穗机理进行了研究,以彻底解决高含水率玉米收获时断茎秆率居高不下的问题。玉米摘穗的主要机理是:摘穗机构中旋转的拉茎辊钳住带穗茎秆的底端并向下拉,在茎秆被下拉的过程中,由于摘穗板的阻挡将果穗和茎秆分离,果穗被摘下。如图3所示。对于一般玉米茎秆,果穗最薄弱、最容易断裂的部位在果穗柄与茎秆的连接处或果穗柄与果穗的连接处,但对于一些特殊情况,如茎秆被虫蛀、干枯、折弯、倒伏等情况,最薄弱的环节可能就不在这些部位,而是在茎秆的某个部位,此时摘穗时产生断茎秆的可能性就比较大,因此摘穗时应使拉茎辊尽量钳住果穗柄,这样可以大大降低果穗的断秆率,为此设计了折弯的摘穗板,使得果穗大端尽量靠近拉茎辊。实际并非弯的角度越大越好,折弯的角度过大,直径较小的果穗被摘下后,容易顺卧在摘穗板与拨禾链的缝隙中,很难被拨禾链拨走而极易造成堵塞。果穗柄的长度平均为80mm,根据粱穗柄的长度并考虑到拉茎棍、摘穗板等以及整体摘穗机构的配置,摘穗板的折弯角度设计为15°,折弯长度为30mm。4拉茎辊间隙的确定摘穗装置是玉米收获机的心脏,它工作的好坏直接影响收获质量。对摘穗装置的要求要有最少的籽粒损失、最低的破碎率、最低的功耗以及足够的生产率。研究分析和确定影响因素有拉茎辊形状以及拉茎辊直径D、长度L、转速n、摘穗板间隙δ等。拉茎辊与地面的配置角度θ,是收获机的主要设计参数之一。θ值过小,则需拉茎辊长度增大,这样便增加了割台的总体长度。为了不致使得割台长度过大,同时也给下层的割台预留出更多的空间,同时考虑到整机的总体配置,拉茎辊的倾角在25°~35°范围内取θ=33°。兼顾到拉茎的平稳性及抓取能力,拉茎辊截面型式选六棱型,直径定为:D/d(外径/内径)=96/54(mm)。通常摘辊在低转速时籽粒破碎和籽粒损失最低,但实际作业情况中由于的拉茎辊的转速为600r/min时生产率很低,为了获得更高的生产率,综合考虑效率与损失的关系,选用拉茎辊的转速为中速600~750r/min之间,取转速n=673r/min。为了适应不同品种的玉米作业,拉茎辊的间隙设计成可以调整。拉茎辊工作长度的确定关系到割台的长度,即整机的转弯半径,因此在能满足作业性能的情况下应尽量缩短。作业时,拉茎辊前部的锥体和拨禾链将茎秆引导到摘穗段,此后由于辊间隙变小而且越来越小,茎秆受拉开始按拉茎辊的运动规律运动。拉茎辊的圆周速度V,可分解为使茎秆沿轴向移动的相对分速度V1,和使茎秆向下拉伸的相对分速度V2,其值为:若不考虑辊表面形状对速度的影响,令茎秆沿轴向移过L段的时间与茎秆被拉伸Lg段的时间相等,则可推得拉茎辊工作段的最小长度L。L/(Vtgθ)=Lg/(V/cosθ)则得L=Lgsinθ(14)式中:L—拉茎辊工作段的最小长度;θ—拉茎辊倾角,取θ=33°;Lg—果穗最低结穗与最高结穗的高度差,一般Lg=0.4-0.6m(个别可达1m)则Lmin=500mm。考虑到拉茎时茎秆与拉茎辊的打滑,取Lmin=700mm。5摘穗板间隙设计摘穗板间隙也是影响摘穗质量的主要因素,应根据作物品种的不同可以进行调节。据统计,我国大部分玉米品种结穗处茎秆平均直径为20mm左右,果穗大端带苞叶直径为40~60mm,以此为基数将摘穗板间隙设计为入口处28~40mm可调,出口25~35mm可调,拉茎辊间隙可调,正常