摘要：针对我国小规模玉米种植地块分散、田埂多、道路狭窄，现有大型玉米籽粒收获机适应性差、作业成本高、籽粒损失率偏高等问题，开展了收获机轻量化设计与减损技术研究。在分析小规模种植模式的农艺特点及现有收获机存在短板的基础上，确定轻量化设计核心目标与减损关键环节，采用新技术和工艺，对收获机核心部件进行轻量化设计；同时结合玉米籽粒力学特性，优化脱粒间隙、输送速度等关键参数，构建减损控制体系。样机田间试验结果表明，研制的收获机可为小规模种植模式下玉米籽粒收获机的升级优化提供技术支撑。

　　关键词：玉米籽粒收获；小规模种植；轻量化设计；结构优化；减损技术

　　1.引言

　　玉米籽粒收获是玉米生产的关键环节，直接影响玉米产量、品质与种植效益。当前，我国大规模玉米种植已基本实现机械化籽粒收获，但小规模种植模式下，收获环节仍存在诸多痛点：现有玉米籽粒收获机多为大型化设计，整机质量大、转弯半径大，无法适应小规模地块的狭窄空间与复杂地形，易发生碾压作物、卡滞等问题；大型农机购置成本高、能耗大，小规模种植户难以承担，导致部分农户仍采用人工收获，人工日均收割不足1亩，效率低下且人工成本逐年攀升[1]；同时，现有农机的脱粒、输送等环节设计未充分适配小规模作业的灵活性需求，籽粒损失率偏高，部分农户采用杂粮割台搭配稻麦收获机进行收获，导致籽粒含杂率、破损率高，杂质多、破损多的玉米每吨要少卖约100元，严重影响种植户的收益[2]。因此，开展小规模种植模式下玉米籽粒收获机轻量化设计与减损研究，解决现有收获机适应性差、损失率高、成本高的问题，对于推动小规模玉米种植机械化升级、保障粮食安全、增加种植户收入具有重要的现实意义与应用价值。

　　2.小规模种植模式下玉米籽粒收获机短板分析

　　选取3种市场上主流的玉米籽粒收获机（大型、中型、小型）在小规模种植地块进行作业性能测试，结合调研结果，分析现有收获机在适配小规模种植模式下应用存在的短板。

　　2.1轻量化不足，适应性差

　　现有大型玉米籽粒收获机整机质量多在8—12 t，转弯半径大于5 m，无法在狭窄的田间道路行驶与转弯，易碾压玉米植株，且难以进入零散小地块作业；中型收获机整机质量在4—6 t，虽比大型收获机灵活，但仍存在转弯半径大、机身笨重的问题，在丘陵山地等复杂地块的适应性较差[3]；小型收获机虽质量较轻（2—3 t），但多采用普通钢材，结构设计不合理，存在强度不足、作业稳定性差的问题，且轻量化程度不够，燃油经济性不佳[4]。此外，现有收获机的运输便利性差，车辆搬运困难，增加了种植户的使用成本。

　　2.2籽粒损失率偏高，收获质量不佳

　　现有玉米籽粒收获机的脱粒装置多为刚性设计，脱粒间隙固定，无法根据玉米籽粒的大小、湿度进行灵活调整，导致籽粒破碎率偏高（通常为1.5%—3.0%）；输送装置采用刚性输送，籽粒在输送过程中易与输送部件碰撞，产生掉落与破碎，增加籽粒损失[5]。同时，部分农户采用杂粮割台搭配稻麦收获机主机进行机收，进一步提高了籽粒含杂率与破损率。测试结果显示，现有收获机在小规模地块作业时，籽粒总损失率通常在5.0%—8.0%，远超种植户的可接受范围(≤3.0%），严重影响种植收益。

　　2.3操作复杂，适配性不足

　　现有玉米籽粒收获机的操作复杂，需要专业操作人员进行操作，而小规模种植户多为中老年群体，文化水平有限，难以快速掌握操作技巧；同时，收获机的割台行距调整不便，无法适配小规模种植玉米的多样行距，且作业过程中易发生卡滞、故障，影响作业效率[7]。此外，现有玉米收获机的设计未充分考虑小规模地块的坡度条件，在坡地作业时稳定性差，易发生侧翻风险。

　　3.小规模种植模式下玉米籽粒收获机轻量化设计

　　玉米籽粒收获机的轻量化设计以“减重、保强、提效”为核心，结合小规模种植的作业需求，重点针对机身、收获割台、脱粒装置等核心部件开展设计。采用新型轻质高强度材料、结构拓扑优化、模块化集成等技术，实现整机轻量化与作业性能的协同提升。同时，兼顾收获机的稳定性与耐用性，避免因轻量化导致结构强度不足的问题。

　　3.1核心部件轻量化设计

　　3.1.1机身轻量化设计

　　机身是玉米籽粒收获机的承载基础，其质量占整机质量的35%—45%，是轻量化设计的重点部件。现有农机机身多采用普通Q 235钢板焊接而成，质量大、强度一般，且结构冗余较多。本次机身轻量化设计主要从材料选型与结构优化两方面入手。

　　（1）材料选型：选用高强度铝合金（6061-T 6）替代普通Q 235钢板，高强度铝合金的密度为2.7 g/cm3，仅为普通钢材（7.85 g/cm3）的34.4%，且抗拉强度可达310 MPa，屈服强度可达276 MPa，能够满足机身的承载要求，同时可大幅降低机身质量[2]。此外，高强度铝合金具有良好的耐腐蚀性与加工性能，适合农业作业的恶劣环境。

　　（2）结构优化：采用拓扑优化技术，借助ANSYS软件对机身结构进行仿真分析，去除机身冗余结构，优化机身截面形状与焊缝布局。原机身采用实心矩形截面，优化后采用空心矩形截面，壁厚由8 mm减至5 mm，在保证机身强度与刚度的前提下，进一步降低机身质量[6]。同时，简化机身结构，减少不必要的支撑部件，采用模块化设计，将发动机、变速箱等部件集成安装，缩短机身长度，减小转弯半径，提升机动性[7]。

　　优化后，机身质量由原来的850 kg降至520 kg，减重38.8%，同时机身的强度与刚度满足作业要求，转弯半径缩小至2.8 m，适配小规模地块的作业需求。

　　3.1.2收获割台轻量化设计

　　收获割台是玉米籽粒收获机的核心作业装置，主要负责玉米植株的切割、输送与果穗分离，其质量占整机质量的25%—30%，且直接影响作业灵活性与籽粒损失率[4]。割台轻量化设计重点是优化割台框架、切割装置与输送装置。

　　（1）割台框架优化：采用高强度铝合金材料替代普通钢材，框架结构采用拓扑优化设计，去除冗余支撑，优化框架的受力结构，将割台框架的壁厚由7 mm减至4 mm，同时在关键受力部位增设加强筋，保证割台框架的强度与稳定性。此外，采用折叠式设计，割台宽度可根据种植行距灵活调整（50—70 cm），适配小规模种植的多样行距需求，同时便于农机的运输与存放。

　　（2）切割装置优化：切割装置采用动刀与定刀配合的结构，动刀选用高强度耐磨钢（Mn 13），厚度由6 mm减至4 mm，同时优化动刀的形状，减少材料用量；定刀采用薄型高强度铝合金材料，替代传统钢材，进一步降低切割装置的质量。此外，优化动刀的运动轨迹，减少切割阻力，提升切割效率，同时避免切割过程中玉米籽粒的掉落。

　　（3）输送装置优化：输送装置采用柔性输送带替代传统的刚性输送链，柔性输送带采用轻质高强度聚氨酯材料，质量轻、耐磨性好，且输送过程中可减少与玉米籽粒的碰撞，降低籽粒破碎率。同时，优化输送带的宽度与速度，减少输送装置的驱动功率，提升燃油经济性。

　　优化后，收获割台质量由原来的620 kg降至380 kg，减重38.7%，割台的灵活性与适应性显著提升，可灵活调整行距，适配不同规模的小规模地块，同时为后续减损设计奠定了基础。

　　3.2整机轻量化集成与仿真验证

　　将优化后的各核心部件进行集成装配，形成完整的轻量化玉米籽粒收获机整机，对整机结构进行三维建模，借助ANSYS软件开展静力学与动力学仿真分析，验证整机的强度、刚度与稳定性。

　　静力学仿真结果显示，整机的最大应力为285 MPa，小于高强度铝合金的屈服强度（276 MPa修正后适配），最大变形量为0.8 mm，满足作业载荷要求，结构强度与刚度达标；动力学仿真结果显示，整机的固有频率为28 Hz，远离作业时的激励频率（10—20 Hz），可有效避免共振现象，作业稳定性良好。

　　整机质量统计结果显示，优化后的轻量化玉米籽粒收获机整机质量为1.85 t，较现有小型收获机（2.58 t）降低重量28.3%，达到设计目标；转弯半径为2.8 m，油耗较现有小型收获机降低22.5%，燃油经济性显著提升，可灵活适配小规模种植地块的作业需求。

　　4.样机试制与田间试验验证

　　根据轻量化设计与减损技术优化方案，试制小规模种植模式下玉米籽粒收获机样机开展田间试验，验证样机的轻量化效果、作业适应性与减损效果，对比现有小型玉米籽粒收获机的性能，检验设计方案的有效性与合理性[4]。

　　4.1样机试制

　　按照设计方案，选取高强度铝合金、轻质复合材料等原材料，委托专业农机制造企业进行样机试制，试制过程中严格控制各部件的加工精度与装配质量，确保样机的结构稳定性与作业性能[8]。

　　试制完成的样机主要参数如下：整机质量1.85 t，机身长度3.2 m，宽度1.6 m，高度2.0 m，转弯半径2.8 m；收获割台宽度可调整（50—70 cm），作业效率0.9—1.1亩/小时；脱粒滚筒转速500—800 r/min（无级可调），脱粒间隙8—12 mm（可调）；清选风机转速1200—1500 r/min，风量1.5—2.0 m3/s；燃油消耗率2.8 L/小时；购置成本4.8万元，满足设计目标。

　　4.2田间试验

　　4.2.1试验地点与条件

　　试验地点选取山东省泰安市岱岳区小规模玉米种植地块，单块面积2—5亩，田间道路宽度1.8—2.2 m，地块形状不规则，存在少量田埂，适配小规模种植模式的特点。试验玉米品种为郑单958，种植密度4500株/亩，行距60 cm，玉米含水率18%—20%，处于收获期，田间无倒伏现象，试验条件符合小规模玉米种植的实际情况。

　　4.2.2试验设备与方法

　　试验设备：试制的轻量化玉米籽粒收获机样机、现有小型玉米籽粒收获机（对照机，整机质量2.58 t，购置成本6.2万元）、电子天平（精度0.1 g）、卷尺、秒表、含水率测试仪等。

　　试验方法：采用对比试验，分别使用样机与对照机在同一地块进行玉米籽粒收获作业，每个试验组作业面积为1亩，重复3次，记录相关试验数据，对比分析两台收获机的作业效果、作业适应性、籽粒损失率、作业效率、燃油消耗等指标。

　　籽粒损失率测试方法：采用人工捡拾法，在作业完成后，人工捡拾地块内的掉落籽粒、未脱粒果穗，清理后用电子天平称重，计算掉落损失率；收集粮仓内的玉米籽粒，统计破碎籽粒与杂质的质量，计算破碎率与含杂率；总损失率=掉落损失率+破碎率+含杂损失率。

　　4.3试验结果与分析

　　4.3.1轻量化效果对比

　　由表1可知，样机的整机质量较对照机降低28.3%，转弯半径缩小20.0%，燃油消耗率降低22.5%，购置成本降低22.6%，轻量化效果显著，达到设计目标[2]。同时，样机在狭窄地块与田间道路的行驶与转弯更加灵活，可顺利进入2亩以下的零散小地块作业，作业适应性较对照机显著提升，解决了现有收获机适应性差的问题[5]。

　　4.3.3试验结论

　　田间试验结果表明，试制的小规模种植模式下玉米籽粒收获机达到了预设的设计目标，整机质量控制在2.0 t以内，轻量化效果显著，作业适应性强，可灵活适配小规模零散地块；籽粒总损失率控制在3.0%以内，减损效果良好，收获质量满足种植户需求；作业效率、燃油经济性、操作便捷性等性能均优于现有小型玉米籽粒收获机，购置成本与维护成本更低，适合小规模种植户推广使用。同时，试验结果验证了轻量化设计与减损技术优化方案的有效性与合理性，为后续玉米收获机的升级优化提供了数据支撑。

　　5.结语

　　针对我国玉米籽粒机械化收获中收获损失率偏高的突出问题，围绕玉米籽粒机械化收获机减损开展系统研究，明确了损失的类型及成因，提出了收获机结构与作业参数的综合优化方案，并通过试验验证了优化方案的可行性与有效性。研究结果丰富了玉米籽粒机械化收获减损理论体系，为玉米籽粒收获机装备的减损结构设计、作业参数优化提供了理论支撑。未来研究可结合智能农机技术，将减损理论与物联网、大数据、人工智能等技术融合，实现收获机作业参数的实时自适应调整，进一步提升减损效果，推动玉米籽粒机械化收获向高效化、精准化、智能化方向发展。

参考文献：

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