摘要：设计了一种适用于丘陵山区的小型单行玉米收获机摘穗机构，主要由摘穗辊、三角履带底盘及传动系统组成。通过参数优化确定摘穗辊直径70 mm、轴线夹角36°、转速500 r/min，三角履带轨距550 mm以满足15°斜坡通过性。田间试验结果表明，籽粒破损率0.69%，断穗率6.7%，三角履带底盘抗倾覆角度达19.2°,验证了设计的玉米收获机在收获质量与地形适应性上的可行性。

　　关键词：小型玉米收获机；单行摘穗机构；丘陵山区；摘穗辊参数；试验研究

　　丘陵山区玉米种植地块分散、坡度大，传统轮式玉米收获机存在转向困难、重心不稳等问题。当前小型玉米收获机多面临动力分配不合理、通过性不足等挑战，同时现有设备难以满足1400 mm×650 mm×1120 mm尺寸限制及万元内成本要求。针对此类问题，研发适应单行种植、轻量化且高效的玉米收获机摘穗机构，对提升丘陵地区玉米机械化收获水平具有重要意义。

　　1.小型玉米收获机单行摘穗机构设计

　　1.1设计需求

　　根据实地调研，玉米收获机整体尺寸需控制在1400mm×650mm×1120mm以内，采用3.5kW风冷柴油机作为动力源。核心技术指标包括摘穗机构籽粒破损率≤1%，底盘需具有15°以上斜坡通过能力，同时要实现结构轻量化，制造成本控制在万元以内。这些要求决定了设计必须在动力分配、空间布局和材料选择上进行多目标优化。

　　1.2总体方案

　　收获机整机采用模块化布局，主要由传送机构、摘穗机构、秸秆粉碎机构和传动系统组成（图1），整机尺寸（长×宽×高）为1400mm×650mm×1120mm。动力传递路径为柴油机动力输出轴通过V带轮减速后，分两路驱动，一路经齿轮箱变速后带动摘穗辊旋转，另一路通过链传动驱动履带行走系统。作业流程设计为玉米植株经分禾板导向进入拨禾器，由拨禾器将茎秆喂入摘穗机构，摘穗辊对茎秆进行夹持和撕扯，使玉米穗与茎秆分离，分离后的玉米穗通过倾斜式输送带送入收集箱，秸秆则被输送至粉碎刀辊进行切碎还田。这种设计既保证了作业连续性，又便于后期维护和部件更换[1]。

　　1.3关键部件设计

　　摘穗机构是玉米收获机的核心，其性能直接影响收获质量和效率。设计重点包括摘穗辊参数和结构。

　　1.3.1摘穗辊参数优化

　　摘穗辊直径需同时满足茎秆通过性和玉米穗分离需求，通过建立力学模型推导直径范围为：

　　结构强度和动力消耗，选取70mm直径的45号钢辊体，长度520mm以覆盖单行种植宽度。两辊轴线水平夹角通过仿真优化确定为36°,该角度下既能保证茎秆顺利导入，又可使玉米穗受到的分离力均匀分布。

　　1.3.2摘穗动力学分析

　　玉米穗脱离茎秆的力学条件是摘穗辊对穗柄的作用力必须大于穗柄与茎秆的连接力。建立动力学方程如下：

　　1.3.4传动系统匹配

　　动力传动系统需实现柴油机功率的合理分配，柴油机额定转速3600r/min，通过三级减速实现各部件速度匹配。第一级减速为V带传动，主动轮直径100mm，从动轮直径300mm，减速比i1=3；第二级为齿轮箱减速，采用直齿圆柱齿轮传动，齿数比z2/z1=2.4，将转速降至500r/min驱动摘穗辊；行走系统通过链传动实现第三级减速，主动链轮17齿，从动链轮71齿，减速比i3=4.18，履带行走速度1.2m/s。关键传动部件材料选用45号钢，摘穗辊表面采用等离子堆焊耐磨层，硬度达到HRC55，使用寿命提升至500亩以上[2]。

　　2.玉米收获机单行摘穗机构试验

　　试验地点选择在山东丘陵地区，土壤类型为棕壤土，玉米品种为郑单958，籽粒含水率23%左右，株高2.2—2.5m，行距55—60cm。试验内容包括去穗性能测试、抗倾覆性能验证和动力学特性评估，通过多组重复试验获取可靠数据。

　　2.1试验方法

　　摘穗性能测试采用随机抽样法，每次选取20株玉米进行模拟收获，重复3次取平均值。测试指标包括籽粒破损率（称量破损籽粒质量占总质量百分比）、断穗率（断穗数量占总穗数百分比）和作业效率（公顷/小时）。抗倾覆性能采用人工堆砌斜坡法，用红砖堆叠形成16.7°（3块砖）和19.2°（4块砖）两种坡度，测试整机爬坡过程中的稳定性。动力学特性测试使用INSTRON 5969型拉力试验机，测定不同茎秆含水率下的穗柄断裂力，加载速率分别设为5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s，分析速度对断裂力的影响。

　　2.2试验结果及分析

　　2.2.1摘穗性能试验结果

　　摘穗性能测试结果显示，籽粒破损率为0.69%，玉米穗撞击损伤率为0.83%，断穗率为6.7%。破损籽粒主要集中在玉米穗顶部，分析原因为摘穗辊出口处导板存在直角过渡，导致玉米穗下落时发生碰撞。断穗样本中，80%的穗柄直径小于8mm，说明细穗柄在夹持过程中易发生断裂。通过高速摄像观察发现，摘穗辊凸棱间距20mm时对茎秆的夹持效果最佳，调整凸棱高度至8mm可进一步减少籽粒挤压损伤[3]。

　　2.2.2抗倾覆性能验证

　　抗倾覆性能试验在人工堆砌的斜坡上进行，坡度分别设置为15°（2块砖）、16.7°（3块砖）和19.2°（4块砖）。在15°和16.7°斜坡上，整机行驶平稳，无侧倾现象；在19.2°斜坡时，右侧履带接地面积减小，机身倾斜角达12°,但未发生倾覆。通过应力传感器监测履带接地压力，在16.7°斜坡时，内侧履带压力增大15%，外侧压力减小10%，压力分布符合理论计算结果。试验表明三角履带底盘的通过性优于设计预期，可适应大部分丘陵地形。

　　2.2.3动力学仿真与试验对比

　　动力学特性对比分析结果如图2所示。Adams仿真得到的穗柄断裂力范围为100—200N，物理试验测得的断裂力为140—570N，仿真值普遍低于试验值，误差范围12%—45%。主要原因是仿真模型未考虑叶片对茎秆的摩擦阻力，以及玉米穗实际形态的随机性。通过修正仿真模型，将叶片摩擦系数设为0.3，重新计算得到断裂力范围200—500N，与试验结果吻合度提高至85%。当摘穗辊转速500r/min时，冲击力合力650N大于最大穗柄连接力570N，满足摘穗需求，同时实际能耗比理论计算高12%，表明传动系统存在优化空间[4]。

　　3.结论

　　设计的小型单行玉米收获机摘穗机构通过摘穗辊参数优化（直径70mm、转速500r/min）与三角履带底盘设计（轨距550mm），实现了籽粒破损率0.69%、断穗率6.7%的收获质量，抗倾覆角度19.2°满足15°坡度要求。动力学试验验证了摘穗冲击力650N大于最大穗柄连接力570N。虽传动系统能耗偏高12%，但整体满足丘陵山区单行玉米收获需求。

　参考文献：

　　[1]王善博.鲜食玉米收获机割台设计与试验研究[D].新疆农业大学,2023.

　　[2]薛世民,付晓丽,杜志高.自走式玉米收获机籽粒回收装置的研制[J].新疆农机化,2024(06):8-10.

　　[3]慕文闯.玉米机械化收获减损技术分析与措施[J].农机质量与监督,2023(09):26-27.

　　[4]马玉松,张立宁,白亮亮,等.天人4YZ-4H1茎穗兼收型鲜食玉米收获机的研制[J].河北农机,2023(3):7-9.