玉米收获机的适应性设计

作者：河北省农科院 籍俊杰 刘焕新 郝金魁 陈德润

欢迎访问e展厅 展厅 4 收获机械展厅 打麦机, 小麦收获机, 玉米收获机, 水稻收割机, 联合收割机, ... 摘要：从设计者的角度，探讨我国玉米收获机设计中应注意的技术关键。提出了适合中国国情的玉米收获机的设计思路，对收获机的适应性设计进行了论述。并对玉米收获机技术的发展方向进行了探讨。 关键词：玉米 收获机 适应性 设计 引言： 五十年来，新中国农机发展可概括为三个发展阶段：50～60年代的农田动力发展阶段，60～80年代的大田机械发展阶段，90年代的小麦、水稻联合收获机发展阶段。那么中国农机发展的下一个高潮是什么：玉米的机械化收获。 玉米是我国三大作物之一，我国玉米年种植面积达到2450万公顷。若按50%的机收率计算，我国需要玉米收获机10万台左右。而现实是目前我国玉米机收率不到2%，远远低于小麦的70%的机收水平。究其原因，是多层面的，但从设计角度考虑，玉米收获机的适应性低是主要原因之一。 一、国外玉米收获机械应用现状 国外玉米收获机的研究与生产技术已经成熟，目前美国、德国、乌克兰、俄罗斯等西方国家，玉米的收获（包括籽粒和秸秆青贮）已基本实现了全部机械化作业。由于其种植方式多为一年一季种植，收获时玉米籽粒的含水率很低，大多数国家均采用玉米摘穗并直接脱粒的收获方式。如美国的John Deere 公司、Case公司、德国的Mengle公司、道依茨公司等的玉米联合收获机，绝大部分是在小麦联合收获机上换装玉米割台，并通过调节脱粒滚筒的转速和脱粒间隙进行玉米的联合收获。 近二十年来，我国相继引进了一些国外机型，如美国Case公司的联合收获机换装玉米割台，一次作业可完成玉米摘穗、脱粒的作业。由于我国北方玉米产区尤其是小麦、玉米一年两茬轮作种植区，玉米收获时籽粒含水率高达35%以上，采用直接脱粒方式收获，籽粒破碎率十分严重，据1980年9月在河北省栾城县万亩方试验站测定，美国Case公司的1440型联合收获机换装玉米割台后收获玉米时，籽粒破碎率平均为14%，最高达到30%，总损失率达到20%。而且这种直接脱粒的收获方式也不利于玉米后熟，使产量降低，并且玉米的茎秆不能粉碎还田或回收利用。因此这类机具不适应我国两茬轮作种植区高含水率玉米的收获作业。 相对而言，乌克兰赫尔松康拜因联合收获机制造公司的KCKY-6型玉米收获机，可以进行摘穗—果穗剥皮—青贮联合作业，适合我国大部分地区的农艺要求。但由于机型庞大，对我国农村广大地区的田间道路情况适应性差。价格昂贵，与我国经济的发展水平不符。 二、国内玉米收获机械发展现状 从90年代开始，我国有许多单位研制了多种玉米收获机，型号多达60多种，申报的有关专利有64项。从结构形式看，归纳起来主要有以下几种机型： a.侧置披挂式玉米收获机 侧置披挂在四轮拖拉机上，代表机型有4YZF-1型、4Y118型等，多为单行玉米收获机，摘穗辊式摘穗机构。一般带有秸秆粉碎装置，一次可以完成玉米的摘穗、集箱和秸秆粉碎等作业。 b.背负式玉米收获机 与36.8～48kW（50—65HP）的拖拉机配套使用，两行机摘穗机构多为摘穗辊式，具有一定的剥皮功能。三行机摘穗机构多为摘穗板式。该机型一次作业可以完成玉米的摘穗、果穗集箱和秸秆粉碎。 C.牵引式玉米收获机 可与履带或轮式拖拉机配套使用。代表机型为丰收-2卧型牵引式玉米收获机。配套动力40～55kW （54～75HP）及其以上的拖拉机，摘穗机构为摘穗辊式且具有剥皮的功能，由于它机组较长，且作业前需人工开道，不适应规模化经营的要求，目前已很少使用。 d.多行自走式玉米联合收获机 代表机型有4YZ-3型、4YF-3型、4YZ-4型。这些型号大都为摘穗板式摘穗机构，并配置58.8～88kW（80—120HP）的发动机，可以实现玉米的摘穗、集箱和秸秆粉碎的功能。如：富路牌4YZ—3型玉米联合收获机，其特点是主要工作部件由生产工艺先进、装备完善、技术成熟的乌克兰赫尔松康拜因公司制造，虽然作业性能和质量与国产机型相同，但使用可靠性较高，得到了用户的认可。金浪牌4YJL—3型玉米联合收获机，其特点是摘穗部件采用滚刀拉茎辊与摘穗板组合式结构，避免了杂草缠棍现象和降低了摘穗动力消耗，机具的适应性和收获质量较好，由于设计了即开即倒式果箱，其工作效率提高了30%。 e.穗茎兼收型玉米收获机 代表机型有4YZ-3型和4YZ-4型两种。4YZ-4型是根据乌克兰赫尔松康拜因制造公司的KCKY-6型玉米收获机原理设计而成，为4行自走式，带有玉米剥皮的功能。4YZ-3型玉米收获机为带果箱的三行自走式穗茎兼收型玉米联合收获机。该机可适应我国广大农村田间道路和中小地块作业的需求。该机型可以及时收获青绿秸杆，达到穗茎兼收的目的。 进十年间，实现玉米机械化收获的呼声高涨，政府、科研单位和企业对玉米收获市场看好，但玉米收获机的推广效果不大。究其原因有政策方面、种植模式等多方面的因素。但机具的适应性差也是主要原因之一。开发适合中国国情的玉米收获机型成为国内玉米收获机械研究的一个新重点。 三、我国玉米收获机械的技术特点 与欧美等发达国家相比，我国的玉米种植有以下几个特点：1、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。因此我国玉米收获机械的设计要求与欧美等发达国家不同。应达到以下几点： 1、设计的玉米收获机在作业、运输、卸粮过程中应十分灵活，适合小地块田间使用。 2、针对当前农民文化素质不高的特点，开发的玉米收获机应尽量操作简便、维修方便， 3、设计的玉米收获机应可进行不对行收获。否则既影响收获质量又降低生产效率。影响了农民购买玉米收割机的积极性。 4、设计的玉米收获机必须能收获高湿玉米（子粒含水率40%左右）,果穗及子粒破碎率不得超过国家标准。 5、为防止霉变，收获的玉米穗中不得有过多的茎叶。 6、机组要有较好的强度和刚度，能适应恶劣的田间道路。 7、收获机能同时对秸秆进行高质量的还田处理。 8、 机组有较高的使用可靠性。 四、玉米收获机的适应性设计 我们知道，中国农民购买玉米收获机不仅仅是为了减少劳动强度，更重要的是挣钱，因此，设计出的玉米收获机，必须做到班次生产率高，使使用者有利可赚。因此提高机具的适应性成为实现中国玉米机械化收获的技术关键。 收获机的适应性设计，要从以下几个方面进行考虑 1、确定合理的总体设计方案 不同形式、不同用途的玉米收获机采用的配置不同。通常玉米收获机由割台、升运器、果穗箱等部分组成。总体设计时应特别注意整机的纵向、横向稳定性，传动系统的合理性以及操纵、运输的安全性。考虑到我国目前农村田间、道路及实际种植情况，作业速度最高速度不超过6公里/小时，运输速度最高速度不超过20公里/小时；为了是发动机在正常情况下工作，保证作业质量，配套动力一般要考虑有20～30%的功率储备。例如，两行玉米收获机，收摘果穗及秸秆粉碎所需功率为26－32kw。加上行走功耗6～８kw。则N总＝32+6=38kw。考虑到升运、输送以及功率储备等因素，选用发动机功率为48kw发动机比较合适。 在设计中还应注意收获机与农艺的匹配：例如，收获机能自行开道，无须人工开道，要适应现有的农村经营体制；在一年两熟地区还要考虑秸秆和根茬的粉碎问题等。 2、 选择适当的摘穗机构 摘穗装置是玉米收获机的心脏，对摘穗装置的要求是籽粒损失小、籽粒破碎率低、断茎秆少、有足够的摘穗能力。 我们知道，茎秆的含水率较高时，由于茎秆较嫩绿粗壮，果穗柄与茎秆的连结力较大，随着茎秆的含水率下降，二者的连结力也逐渐下降，但随着茎秆含水率的继续下降，茎秆就变得比较疲软，果穗柄与茎秆的连结力又增大，等茎秆变得干枯，它与果穗的连结力又达到最小。 目前摘穗机构主要有四种不同的摘穗方式：a、六棱棍+摘穗板式 b、四棱刀+摘穗板式c龙爪型摘穗棍式、d、双棍组合式。从结构上讲：摘穗板式的特点是：①刚性好、独立式结构，方便多行组装；②子粒破碎率低；③消耗功率偏大。摘穗辊式摘穗机构的特点是：①果穗清洁率高；②传动较复杂，单体重量较重；③收获时果穗大端子粒易破损。经过十多年的研究分析，笔者认为影响作业质量的因素是：摘穗辊形状、辊直径D、长度L、转速n、摘穗板形状及间隙δ等有关参数。摘穗辊形状、摘穗板形状及间隙δ尤为重要。摘穗辊形状主要影响子粒的破碎。摘穗板形状及间隙δ影响割台是否正常工作。 我国大部分玉米品种茎秆平均直径为20毫米，果穗大端带苞叶直径为50毫米，以此为基数将摘穗板间隙设计为入口处28-40毫米可调，出口处22-25毫米可调。正常情况下取中间值，为了减少对果穗的挤伤和减少断茎秆，摘穗板边缘设计成圆弧形。 总之，设计时根据不同的需求可采用不同形式的摘穗机构。对于收获时子粒含水率低的地区建议使用龙爪型摘穗棍式，对于收获时子粒含水率高的地区可使用摘穗板式。 3、设计不对行收获割台 目前玉米行距的不统一是影响玉米收获机应用推广的主要因素之一。我国中部地区大部分采用的行距为400-600mm。而河南等地采用的是大小垅，小垅距300mm,大垅距700mm。山东部分地区的种植行距可达800 mm。由于结构的原因，过去的玉米收获机只有玉米行距在600-700mm时才能正常收获。不仅影响收获质量又大大降低生产效率。因此设计不对行收获割台是提高玉米收获机适应性的重要方法。 近一两年，众多厂家加大了不对行玉米收获机的研究力度。2002年我国开发生产的玉米收获机有二十余种型号，其中不对行玉米收获机就有八种。有中国收获总公司藁城分厂、山西信联集团的自走式玉米收获机；有河北农哈哈机械有限公司、天津富康农业开发有限公司、北京市金乐农业机械有限公司配套中拖（50-80马力）的背负式玉米收获机以及河北省宁晋县农机化所、河北省藁城县大农机械公司、河北邱县机械厂等生产厂家开发的配套小拖（15-25马力）的背负式玉米收获机（摘穗机）。 现有不对行玉米收获机玉米收割机形式较多，但主要分为寻行式、多行式以及拨禾链式三种。寻行式不对行玉米收获机又分为液压式和手动式，其工作原理是通过随时调整摘穗机构的左右位置适应不同的行距。石家庄农机厂、北汽福田等厂家进行了此类机具的开发。多行式不对行玉米收获机是用多于玉米行数的多组摘辊完成几行玉米的收割（如用六组摘辊完成三行玉米的收割）。山西信联公司的玉米收获机采用这种机构。拨禾链式不对行玉米收获机的工作原理是利用两条（三条）敞口型链条或胶带把一行或两行玉米收进一个摘穗机构内进行收获作业。目前较多的厂家采用了这种机构，其优点是结构简单、重量轻、割台刚性好。河北农哈哈机械厂、天津富康公司、北京金乐公司、中收藁城收割机厂的收获机都采用了此类结构。为了保证喂入性能，农哈哈机械厂的4YB-3型玉米收获机还设计了拨禾轮，天津富康公司的收获机设计了中间扶禾杆。 以上几种收割机从理论上都可实现玉米的不对行收获，某些收割机还可进行垂直于种植行的横向收获。但使用可靠性、性价比还有待在实际应用中市场的认可。作为设计者应力求产品的简单而使用。 五、我国未来几年玉米收获机主要发展方向及设计重点： 作为三大主要粮食作物之一,玉米不仅用途广泛而且增产潜力巨大。随着加入WTO，作为畜牧业发展的主要饲料之一，玉米今后仍将继续保持较大的种植面积，农业部已把发展玉米机械化收获列为“十五”发展的重要项目。但未来的玉米收获机不会仅以摘穗为目的，一些专用型收获机将占有一定比例。例如青贮型专用玉米联合收获机、糯玉米收获机等。其中青贮型专用玉米联合收获机的开发已经开始。目前代表机型有中国农机院的XDNZ－2008型自走式青贮饲料收获机，河北农哈哈机械有限公司的4QP-10型自走式青贮饲料收获机等机型。主要用于玉米的带穗秸秆的切割、切碎、抛送作业。配套动力为100～150kW（136～200HP）。 可以肯定，高性能的自走式玉米收获机是我国玉米实现收获机械化的主力机型。但我们预计，就当前我国的现实情况看，与拖拉机配套使用的背负式收获机的性价比要高于自走式。不对行背负式收获机由于较高的适应性和班次生产率将成为亮点。近几年内适合我国国情的结构简单、成本低、适应性广的背负式不对行玉米收获机会有较大发展。 作者简介 籍俊杰 男 1962年出生 研究员 中国农机协会农机化分会委员 河北省有突出贡献中青年专家。河北省农科院。获国家专利6项。获国家级科技进步奖一项，省部科技进步奖四项。编著《玉米联合收获机运用技术》一书，中国农学会青年科技奖获得者。先后主持设计自走式、背负式玉米收获机十多个型号。其中4YF-3型获农业部科技进步二等奖。 联系电话：0311-7670627 13503211982 E-mail： ji-junjie@126.com (end)

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