天牛上顎式仿生鮮食玉米摘穗臺關鍵部件設計與試驗

楊幼銘，張喜瑞，劉俊孝，董學虎

（1.海南大學 機電工程學院，海南 ?？?570228；2.海南省農業機械鑒定推廣站，海南 ?？?570203）

鮮食玉米是新興的新型玉米品種，以其獨特的風味和豐富的營養風靡全國，成為人們餐桌上的新貴.此外，鮮食玉米種植畝效益遠超普通玉米，是實現農民脫貧攻堅目標的有效途徑之一.近年來，中國鮮食玉米種植面積持續增大，截止到2021 年已達151 萬hm2［1-2］，這使得中國成為全球最大的鮮食玉米生產國和消費國［3］.

鮮食玉米的收獲作業是整個生產過程中最重要的一環，其收獲質量和效率會嚴重影響鮮食玉米的產量和質量.由于鮮食玉米收獲作業具有時間緊、任務重、季節性強和易受災減產等特點，并且由于使用人工收獲效率低，成本高，因此，鮮食玉米機械化收獲是產業發展的必由之路.然而相較于普通大田玉米收獲機械，鮮食玉米收獲機械并不成熟，還存在莖稈剪切不流暢、切斷率低和喂入姿態成功率低等問題，因此，優質鮮食玉米收獲裝備缺乏已成為制約其產業健康發展的核心瓶頸之一［4-7］.

目前，已有學者針對鮮食玉米機械化收獲的問題開展了相關研究，黑龍江省農業機械工程科學研究院齊齊哈爾農業機械化研究所的張伯韌［8］研制了回轉式玉米莖稈切割裝置，該裝置所需能耗較低，切割效率較高；吉林農業科技學院的明哲［9］對玉米分禾器進行了仿真分析，得到了收割機工作時分禾器的一系列運動參數.盡管如此，針對鮮食玉米收獲機切割裝置的運動及受力情況的相關研究仍相對較少，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，針對鮮食玉米收獲機具工作時所存在的莖稈剪切不流暢、切斷率低和喂入姿態成功率低等問題，對摘穗臺關鍵部件切割器和分禾器進行了理論分析，提出了一種天牛上顎式往復仿生切割器和一種四棱型分禾器，旨在提升摘穗臺的工作性能和鮮食玉米莖稈喂入成功率，為中國鮮食玉米機械化收獲裝備的發展奠定基礎.

1 天牛上顎式往復仿生切割器設計

玉米莖稈切割裝置主要有往復式和圓盤式2種［13］，往復式切割器切割原理較簡單，如圖1所示，其占用空間小，目前已得到廣泛應用，但其需要進行慣性力平衡，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，故目前應用較少，因此，選用往復式切割器來開展研究.

圖1 往復式切割器結構圖

1.1 切割器傳動系統的結構設計在割刀的動力傳輸系統中，平衡曲柄連桿機構慣性力有助于保持機構的穩定性，提高機具的使用壽命.往復式切割器由多組曲柄連桿機構配合組成，包括作回轉運動的曲柄銷和連桿，以及作往復式運動的切割器動刀片和連桿.這些運動都會產生不平衡慣性力致使收獲機振動，切割器動刀片的運動速度和收獲機前進速度會影響往復式切割器未切割區域和重復切割區域面積，零件運動產生的振動大小與其運動速度成正比，過大的振動影響收獲機正常工作，增加零件的磨損，影響機器的使用壽命.往復式切割器采用給曲柄增設配重的方式，其目的就是可利用增設配重所產生的離心力來部分平衡切割器運動所產生的往復式慣性力［14-16］.根據設計經驗，連桿的三分之一部分與曲柄銷作圓周運動，其余部分同割刀一起作往復運動，其關系如下：

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

通過對往復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，從而避免機器在垂直方向上振動較大而影響機具工作性能.因此，一般只要求往復慣性力的平衡度λp在0.25～0.5 區間內，即水平方向上的平衡方程為

簡化后得

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

其中，Vm表示收獲機作業速度（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，根據經驗與鮮食玉米物理特性，切割玉米莖稈時，L0≈200～300 J·m-2，Pk與切割器的安裝情況有關，一般每割幅米所需功率為0.6～1.2 kW.

選取收獲機作業速度為2.5 m·s-1，設計的往復式切割器作業割幅為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.經過計算，往復式切割器所需功率為2.0 kW.

1.2 仿生割刀結構設計天牛是多食亞目天?？评ハx的總稱，其口器為咀嚼式，其上顎中獨特的弧形和凹槽結構具有極佳的粉碎切割能力，能輕易咬斷堅硬的樹干，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，將天牛上顎獨特的結構運用于鮮食玉米往復式切割器刀片中，旨在達到低阻和切割效果好的目的.

對天牛上顎口器進行了三維掃描，提取了其口器輪廓曲線，刀片的齒廓樣條曲線根據天牛的上顎擬合而成，在SolidWorks中構建起仿生設計的結構參數三維模型，其曲線均勻布置于兩側的刀刃上.為了便于進行比較分析，仿生刀片使用了與稻麥收割機刀片相同的基質結構參數，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在齒廓、齒距和高度方面.仿生刀片的節距m為5.0 mm，齒高n為0.9 mm，其輪廓擬合曲線為

根據擬合曲線，仿生刀片為弧形齒和齒背凹槽結構，有別于普通刀片的斜面結構.仿生刀片在工作時，其刀齒首先接觸并擠壓莖稈，并對莖稈進行局部切割，這種弧形齒刃結構大大降低了切割阻力.相鄰弧形齒之間會形成尖銳的楔形突起，如圖2 所示.楔形突起在作業時，首先會刺破莖稈并夾持莖稈，進而橫向劈裂莖稈的木質部，使莖稈被完全而又流暢地切割，其次，弧形齒的構造會在齒背處形成凹槽，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 仿生切割刀片結構圖

1.3 切割速度分析割刀的動刀由曲柄連桿帶動，在定刀表面做往復運動.針對動刀片的運動進行解析，如圖3所示.

圖3 動刀片運動圖解

圖4 分禾器三維模型

在往復運動的刀片上任意選擇參考點，規定該點的移動距離x、移動速度υ和加速度ax都是變量，則有

其中，ω表示曲柄旋轉角速度（rad·s-1），n表示轉速（r·min-1），t表示切割器動刀片由起始點a轉過的時間（s）.

切割器動刀片的移動速度υx與其移動距離x的關系式

由上式可知，動刀片的速度遵循橢圓曲線變化規律，則有

1）x=0，此時該點位于刀片中點

2）x=±r，刀片移動到兩端的極點，υx=υx（min）=0；

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

其中，υp表示切割器動刀的平均速度（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表示割刀行程長度（mm），r表示曲柄旋轉半徑（mm），n表示曲柄轉速（r·min-1），b和e表示動刀片的底寬和頂寬（mm），f表示定刀片的寬度（mm），Q表示曲柄由起始切點到終點所轉過的角度（rad）.

切割刀具的關鍵參數為動刀的平均速度υp，根據經驗可知，切割玉米莖稈的速度υp為0.8 m·s-1.在實際的試驗過程中得知，動刀片的每一行程中切斷的莖稈數量與機器的前進速度υm成正比，因此，確定動刀的平均速度的關系式為

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

2 四棱式分禾器結構設計

2.1 分禾器結構分析分禾器的作用是保證摘穗臺在作業過程中，其尖部可分開田間的玉米植株，同時能利用其錐形結構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時玉米植株能向后滑移［17］.

為了滿足鮮食玉米的收獲要求，并保證割臺有對行收獲能力，設計了四棱式分禾器，其結構如圖 4 所示.由下棱板和分禾器尖組成，下棱板保持垂直，并支撐整個分禾器的重量，保證其結構強度并減少分禾器折彎植株的可能性.設計此結構時，下棱板的上邊緣為主要的工作部位，承擔上述主要功能［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，作業時，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W=0～W0時，分禾器的施力方向為向前和傾斜向側方，莖稈與分禾器接觸點會隨時間變化而逐漸偏移，玉米莖稈隨著機具的前進而向后移動，從而使玉米植株逐漸傾斜，因此，分禾器應滿足相應設計要求，即不僅要保證玉米植株不會被推倒或折斷，而且還要保證達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

當玉米植株與分禾器接觸時，其接觸點最終會移動至分禾器邊緣尾部，此時分禾器與植株幾何作用邊緣的關系，如圖6所示.

圖6 植株與分禾器的幾何關系圖

由圖6可知

其中，參數L和W0與分禾器的結構有關，參數H和β0與莖稈切割高度相關，設計的鮮食玉米收獲割臺中，β0、W0、H和L均為固定值.在不計玉米植株彈性變形的前提下分析分禾器機構，當夾角α小于玉米植株偏折角時，玉米植株不會折斷.為簡化研究模型，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，分析分禾器工作時的受力過程中，應保證玉米莖稈與分禾器間無相對滑動.

圖7 莖稈與分禾器間無相對滑動時的受力分析

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，取0.2～0.6［19］.為使分禾器正常作業，其分禾器兩作用邊緣夾角的幾何條件為

3 田間試驗

3.1 試驗條件與方法試驗地點選在海南省樂東縣，試驗田面積為0.20 hm2，鮮食玉米品種為粵甜10號，試驗場地地勢平坦，鮮食玉米摘穗臺性能試驗測試按照《玉米收獲機械試驗方法：GB/T 21962-2020》進行.為探明各因素對天牛上顎式往復仿生切割器作業效果的影響，以莖稈漏割率SE為目標值，以切割器動刀片切割速度υp和作業機前進速度υM為因素的兩組單因素試驗.考慮到作業機工作效率及作業收獲質量問題，作業機前進速度υM的試驗范圍為0.7～3.5 m·s-1，由式（8）和（9）可知，切割器動刀片切割速度快慢會影響作業效果，因此設置動刀片切割速度υp的試驗范圍為0.8～2.4 m·s-1.為了試驗結果準確率，將切割不完全植株和連根拔起的植株視為漏割植株，共設置5組試驗，每組試驗重復做3次，取其平均值，試驗結果如表1 所示.分禾器收攏植株效果主要與分禾器結構和作業機前進速度有關［20］，作業機前進速度υM的試驗范圍為0.7～3.5 m·s-1，將作業機收獲后未收聚植株視為未收攏植株，共設置5組試驗，每組試驗重復做3次，取其平均值，試驗結果如表2所示.

表1 仿生刀片與普通刀片莖稈漏割效果對比

表2 四棱分禾器與普通分禾器莖稈未收聚效果對比

由于試驗條件限制，通過統計試驗區內玉米植株總數，檢測收獲時玉米莖稈的漏割數，以及切斷不完全植株數來確定莖稈漏割率，檢測收獲時植株被推倒或折斷株數來確定植株未收聚率，每次試驗隨機選取200棵植株，試驗重復進行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量（株），GZ為試驗區內玉米總株數（株），WP為收割機作業時未收攏的玉米植株數（株）.

3.2 結果與分析

3.2.1 莖稈漏割率

由表1可知，隨著作業機前進速度和動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，是由于動刀片切割速度慢，不能完全切斷植株莖稈而產生連根拔起的緣故.當作業機前進速度過大時，單位時間內進入作業機的植株數量過多，莖稈漏割率增加；當動刀片切割速度過大時，動刀片頂端與莖稈會發生劇烈碰撞，從而導致莖稈彎折，致使莖稈漏割率增加；當動刀片切割速度為1.6 m·s-1與2.0 m·s-1時，仿生刀片切割器的莖稈漏割率相同.考慮到作業效率，選取作業機前進速度為2.1 m·s-1，仿生往復式切割器動刀片切割速度為1.6 m·s-1時，其工作性能最佳，與普通往復式切割器作業效果相比，莖稈漏割率大幅度降低.

3.2.2 植株未收聚率

由表2 可知，隨著作業機前進速度的增加，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.考慮到作業效率因素，選擇作業機前進速度為2.1 m·s-1較為適宜.

綜合兩次單因素試驗可得，作業機前進速度為2.1 m·s-1，仿生往復式切割器動刀片切割速度為1.6 m·s-1時，四棱式分禾器的莖稈未收聚率為2.5%，不僅顯著優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條件下摘穗臺的作業效果，如圖8所示.

圖8 田間試驗效果圖

4 小 結

1）針對中國鮮食玉米收獲機收獲時收割裝置切割莖稈不完全和不流暢的現狀，設計了一種天牛上顎式往復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：曲柄半徑為0.42 m，曲柄盤重心的旋轉半徑為0.23 m，曲柄盤配重質量為30.3 kg，往復式切割器所需功率為2.0 kW，切割玉米莖稈的動刀片的切割速度為1.6 m·s-1.田間試驗表明：當作業機前進速度為2.1 m·s-1時，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）針對莖稈收聚過程進行了理論分析，設計了四棱式分禾器，提升了在高速作業條件下的莖稈收聚率.