高地隙玉米收获机的设计与试验.pdf
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1、高 地 隙 玉 米 收 获 机 的 设 计 与 试 验李英杰1,2,李景彬1,2,李树峰1,2,高奎增3,周伦1,2(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子832003;2.现代农业机械兵团重点实验室,新疆 石河子832003;3.山东巨明机械有限公司,山东 淄博256400)摘 要:玉米-大豆带状复合种植模式下,需依次对两侧玉米带进行收获,作业过程繁琐。为此,设计了一种可对两侧玉米带一次性收获的高地隙玉米收获机,并对整机及关键部件进行了设计。为验证车架的可靠性,利用ANSYS Workbench 软件对车架进行了有限元仿真,发现车架的前 6 阶模态频率的最大值为 41.55 Hz,小
2、于车辆在作业状态下的激励频率值,符合设计的安全要求。为验证样机的作业性能,以损失率为指标,在作业速度为 3 km/h 的条件下开展田间试验,结果表明:高地隙玉米收获机样机的总损失率 Sz=18.88%,能够实现在此种农艺模式下骑跨大豆带对两侧玉米带收获作业,简化了玉米收获的作业过程,可为此种农艺模式下玉米收获机的研究提供设计参考。关键词:玉米收获机;高地隙;复合种植中图分类号:S225.5+1 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0102-060 引言玉米-大豆带状复合种植作为一种具有“高低协同”“以上促下”特点的农艺模式,在充分利用种植空间与光热资源的同时可提高玉米
3、和大豆的产量,对促进农业可持续发展具有积极意义1-2。推广玉米-大豆带状复合种植技术可极大地推动我国玉米大豆产业发展,是解决玉米大豆争地矛盾的有效途径,且对于满足消费需求、确保粮食安全具有重大意义3。在玉米-大豆带状复合种植技术的推广过程中,农机与农艺相结合将会更好地提高作业效率4-6。目前,专门适于玉米-大豆带状复合种植技术的大型玉米收获作业机研究较少,多选用两行小型玉米收获机对两侧玉米带进行依次作业,作业过程较为繁琐7。为提高玉米-大豆带状复合种植模式下玉米收获的作业效率,研制相应的玉米收获机械已迫在眉睫8。为此,对此种农艺模式下的专用玉米收获机进行设计研究,通过增加最小离地间隙、割台分侧
4、布置来实现骑跨大豆带对两侧玉米的一次性收获作业,提高了作业效率,可为专用于此种农艺模式的高效玉米收获机的设计提供借鉴。收稿日期:2021-12-21基金项目:四川省区域创新合作项目(2020YFQ0033)作者简介:李英杰(1996-),男,河北保定人,硕士研究生,(E-mail)lyi260218 。通讯作者:李景彬(1980-),男,河南淮阳人,教授,博士生导师,(E-mail)ljb8095 。1 整机设计1.1 设计目标通过对现有玉米-大豆带状复合种植现状进行实地调 研,确 定 了 农 艺 参 数 如 下:玉 米 带 行 距 a=400mm;大豆行数 4 行,大豆行距 c=200mm;
5、玉米带与大豆带间距 b=600mm,大豆带间距离 d=400mm,玉米的株距为 100mm。玉米-大豆带状复合种植模式如图 1 所示。图 1 玉米-大豆带状复合种植模式示意图Fig.1 Schematic diagram of corn soybean strip compound planting mode根据玉米-大豆带状复合种植模式农艺参数,对高地隙玉米收获机进行方案设计,目标是玉米收获机能够骑跨大豆带实现两侧玉米带的一次性收获。具体如下:具有良好的通过性,即底盘最小离地间隙大于大豆植株高度;割台只对玉米收获而不影响大豆,即割台两侧分置,只对玉米进行收获。1.2 整体结构及工作过程1.2
6、.1 整体结构高地隙玉米收获机主要由发动机、割台、升运器、驾驶室、车架、剥皮机及粮仓等组成,整机最小离地间隙为 800mm,高于大豆植株高度,如图 2 所示。其中,2012023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期割台和升运器选择两侧分置的方式进行布置,即左右分别有 1 组割台和升运器,在两侧升运器后设计有集穗搅龙、剥皮机和排杂机。1.割台 2.前轮 3.发动机 4.车架 5.籽粒箱室 6.后轮 7.粮仓8.排杂机 9.剥皮机 10.集穗搅龙 11.升运器 12.驾驶室图 2 高地隙玉米收获机结构示意图Fig.2 Diagram of high gap corn harvester1
7、.2.2 工作过程样机田间作业时,动力由发动机输出,经前桥变速箱、过渡齿轮箱、轮边减速器后传递至前轮,驱动整机前进;同时,动力传递至两侧割台,驱动割台工作。两侧割台分别对两侧玉米带进行收获,后经两侧布置的升运器向后输送至集穗搅龙;果穗经集穗搅龙集中后进入剥皮机进行剥皮处理,苞叶等经排杂机排出,光果穗进入粮仓。机具主要工作参数如表 1所示。表 1 高地隙玉米收获机相关参数Table 1 Table of relevant parameters of high gap corn harvester参数单位数值配套动力kW129外形尺寸(长宽高)mm720039003600作业幅宽mm3100收获行
8、数4最小离地间隙mm800剥皮辊数量组82 关键部件的设计2.1 两侧分置式割台的设计为实现在玉米-大豆带状复合种植模式下玉米的收获,设计了一种两侧分置式割台,主要由摘穗辊、护罩、挂接梁、拨禾链、升运器等组成,如图 3 所示。两侧割台在工作时,摘穗辊高速旋转,将玉米果柄拉断,对果穗进行摘取;摘下后的果穗由割台输送器运送至升运器,两侧玉米带的果穗经两侧割台摘取后分别由两侧升运器向后输送。1.摘穗辊 2.护罩 3.挂接梁 4.拨禾链 5.升运器图 3 两侧分置割台示意图Fig.3 Schematic diagram of split header on both sides两侧割台中心距离设计为
9、2400mm,使得收获时两侧割台分别位于玉米带中心;两侧割台中间位置宽度为 1000mm,使得机器在行驶过程中能够骑跨大豆带。在此种农艺模式下,玉米的种植密度较传统的种植模式要大 9-12。为实现在此种密植环境下玉米的收获,对割台的作业效率有较高要求,并且不易堵塞,因此选用辊式摘穗装置13-14。其中,摘穗辊直径为70mm,长度为 700mm,割台收获行距为 680mm。2.2 高地隙底盘的设计2.2.1 前桥设计前桥为驱动桥,主要由管梁、前桥变速箱、过渡齿轮箱及轮边减速器等组成,传动路线如图 4 所示。为增大最小离地间隙,将前桥增高,同时在前桥变速箱与轮边减速器之间增加过渡齿轮箱,来实现动力
10、的传输。1.前桥变速箱 2.输入轴 3.输入大锥齿轮 4.左侧轮胎 5.轮边减速器 6.输出联轴器 7.输出大锥齿轮 8.中间轴 9.输入小锥齿轮 10.输出小锥齿轮 11.输出轴12.右侧轮胎 13.过度齿轮箱壳体 14.输入联轴器图 4 前桥传动路线图Fig.4 Diagram of front axle transmission route为保证运转平稳、工作可靠,过渡齿轮箱选用弧形锥齿轮来进行传动15-16,主要包括输入齿轮副、输3012023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期出齿轮副和中间轴。其中,输入轴和输出轴的竖直距离为 520 mm,输入齿轮副和输出齿轮副的大锥齿轮
11、和小锥齿轮的齿数分别为 32 和 13,过渡齿轮箱总传动比 i2=1,前桥变速箱传动比 i1=0.95,轮边减速器传动比 i3=4.5。样机在工作时,动力由前桥变速箱水平输出,输入齿轮副换向后变为竖直传递;随后,由中间轴传递至输出齿轮副;最后,动力经输出齿轮副换向后变为水平输出,传递至轮边减速器,驱动前轮。2.2.2 后桥设计后桥为转向桥,主要由转向桥梁、转轴及后轮等组成,如图 5 所示。为达到最小离地间隙为 800mm 的设计要求,后桥将转轴和回转轴承座加长来增加离地间隙,并用加强筋来进行结构加固;同时,将转向制动臂和转向拉杆安装在转向桥梁上端,避免转向拉杆对大豆产生损伤。1.回转轴承座 2
12、.转轴 3.桥梁 4.加强筋 5.制动轮轴 6.后轮图 5 后桥结构示意图Fig.5 Diagram of rear axle2.3 车架的设计车架为收获机的重要部件,选用边梁式结构,主要由 Q235 槽钢焊接而成,包括横梁、纵梁、立柱、加强筋和 连 接 板 等,整 体 尺 寸 为 5670mm 3260mm 510mm。车架的左右两侧纵梁进行分段设计,将后段纵梁高度降低,降低剥皮机、排杂机和粮仓等部件的高度,进而使得整机的重心降低,有利于提高样机在作业过程中的稳定性。在纵梁分段处通过加强板来对结构进行加固,在割台挂接梁两侧后方增设加强筋来增加结构的稳定性。车架结构如图 6 所示。3 车架的模
13、态分析玉米收获机田间作业条件复杂,受到的激励与发动机、剥皮机等激励引起的振动与冲击引起的频率接近车架固有频率时,将导致共振,加速车架失效17。因此,选用有限元软件对此种分段边梁车架结构进行模态分析,对车架可靠性进行分析。1.立柱 2.割台挂接梁 3.加强筋 4.连接板 5.纵梁6.加强板 7.支架座 8.后横梁 9.粮仓前横梁 10.中横梁 11.发动机横梁 12.前横梁图 6 车架三维图Fig.6 3D drawing of frame3.1 有限元模型建立在 SolidWorks 三维软件中建立车架的三维模型,建模过程中对模型进行简化,忽略不必要的倒角、圆角等18-19。将简化后的模型导入
14、到 ANSYS Work-bench 软件中进行有限元分析,并在 DesignMolder 中生成有限元分析模型。车架的有限元分析模型如图 7所示。图 7 车架的有限元分析模型Fig.7 Diagram of finite element analysis model of frame3.2 材料定义和网格划分材料定义为 Q235,密度 =7.8510-3 kg/m3,杨氏模量 E=2105 MPa,泊松比 V=0.25。在对车架进行网格划分时,选用四面体单元进行划分,网格大小定义为 10mm。网格划分完成后共有实体节点 334635 个、实体单元 159 676 个。3.3 求解与分析模态分
15、析用于确定结构的固有频率和振型,一般而言低阶振动对于结构的动态影响较大,故只需计算前几阶较低固有频率及相应的振型20。在自由状态下,车架的前 6 阶模态为刚体模态,频率值约等于 0,4012023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期因此将第 7 阶模态算作第 1 阶频率,开始提取车架的前 6 阶模态结果进行分析21。车架的模态频率如表2 所示,对应的振型如图 8 所示。车辆在正常状态下行驶时,发动机的转速一般为2300r/min,相应的激励频率为 153.33Hz22。由表 2可知,车架的最大模态频率为 41.279Hz,不会发生共振,满足车架的设计要求。表 2 车架前 6 阶自由模
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