摘要：小型玉米收获机在丘陵山地作业时存在割台升降机构举升力不足、液压缸易干涉、结构笨重等问题。在分析典型工况下割台升降机构的运动学与动力学特性基础上，提出一种基于多连杆机构的割台升降系统优化设计方案。建立以液压缸最小驱动力为目标、以杆长参数与铰点位置为设计变量的优化模型，采用遗传算法进行参数寻优。优化后，液压缸最大驱动力降低18.7%，机构整体质量减轻12.3%，升降过程中割台姿态角变化范围减小至±1.5°,有效改善了收获机在坡地作业时的通过性与割台仿形能力。样机试验验证了优化方案的有效性，为小型玉米收获机割台的轻量化与性能提升提供了参考。

　　关键词：玉米收获机；割台升降机构；多连杆机构；遗传算法；结构优化

　　1.引言

　　玉米是我国第一大粮食作物，丘陵山地种植面积约占三分之一。小型玉米收获机是山地机械化收获的重要装备，其割台升降机构直接影响地形适应能力与割茬精度。目前常用的液压缸直接驱动结构存在举升力不足、易发生运动干涉、结构笨重等问题。现有研究多将升降机构独立优化，未充分考虑与液压系统的耦合及割台姿态变化。本文以某小型玉米收获机为对象，建立运动学与动力学模型，以液压缸驱动力最小、机构质量最轻、割台姿态变化最小为目标，采用遗传算法优化杆长与铰点位置，并通过仿真与样机试验验证，为性能提升提供技术支撑[1]。

　　2.现有升降机构分析

　　2.1结构形式与工作原理

　　某小型玉米收获机割台升降机构采用液压缸驱动的双摇杆机构，主要由割台框架、举升臂、拉杆、液压缸、机架组成。割台框架和举升臂前端铰接，举升臂后端和机架铰接，拉杆两端分别和割台框架和机架铰接，液压缸两端分别和举升臂中部和机架铰接。液压缸伸缩时，带动举升臂绕机架铰点转动，通过拉杆约束割台框架的运动，使割台在升降过程中保持近似平动的姿态。

　　该结构的优点是机构简单、制造成本低、易于维护。但是设计阶段没有进行系统的优化计算，主要依靠经验公式来确定杆长和铰点位置。

　　2.2存在的主要问题

　　经过现场实测和仿真分析，目前的割台机构存在三个主要问题：第一，液压缸的驱动力过大。割台处于最低位置时，液压缸与举升臂夹角小，有效驱动力矩小，液压缸需要输出较大的推力才能把割台举升。实测结果表明，在额定载荷下液压缸最大工作压力达到16.8 MPa，接近系统额定压力18 MPa，存在过载风险。

　　第二，液压缸和机架有运动干涉。当割台升到最高位置时，液压缸活塞杆与机架横梁间隙小于5 mm，制造误差或者使用过程中机架变形很容易造成干涉，限制了割台的最大升程。第三，机构质量大。为了保证强度，举升臂和拉杆采用较厚的矩形钢管，机构总质量达到68 kg，占割台总质量的28%，不利于整机轻量化。

　　以上问题集中体现出现有机构设计上的不足，需要通过优化设计来加以改进。

　　3.升降机构运动学与动力学建模

　　3.1机构简化与坐标系建立

　　为了便于分析，把割台升降机构简化为平面多连杆机构。建立固定坐标系Oxy，原点O在机架和举升臂的铰接点，x轴水平向后，y轴竖直向上。机构由五个活动构件组成，分别为举升臂、拉杆、割台框架、液压缸缸筒和活塞杆，各构件之间用旋转副连接。液压缸简化为一个移动副和两个旋转副的组合，长度变化由驱动力决定[2]。

　　3.2运动学分析

　　采用闭环矢量法建立机构运动学方程。设举升臂与水平方向夹角为θ1，拉杆与水平方向夹角为θ2，割台框架与竖直方向夹角为θ3，液压缸长度为Lh。根据机构的几何关系可以建立如下约束方程：

       分析表明，液压缸驱动力随割台升降高度呈现非线性变化，在最低位置和最高位置附近出现峰值。优化设计的核心在于调整杆长与铰点位置，使驱动力峰值降低并均匀分布。

　　4.优化模型建立

　　4.1设计变量

　　根据机构结构与约束条件，选取以下参数作为优化设计变量。举升臂长度L 1，拉杆长度L 2，举升臂与机架铰点坐标xA,yA，拉杆与机架铰点坐标xB,yB，液压缸与机架铰点坐标xC,yC，液压缸与举升臂铰点坐标xD,yD。考虑到对称性与加工工艺要求，部分参数存在关联约束。

　　4.2目标函数

　　为全面改善机构性能，建立多目标优化函数。

　　第一，液压缸峰值驱动力最小化。在割台整个升降行程内，液压缸驱动力峰值应尽可能小，以降低液压系统压力等级：

　　4.4优化算法

　　采用遗传算法进行参数寻优。遗传算法具有全局搜索能力强、不依赖于梯度信息等优点，适用于多变量、非线性、多约束的优化问题。

　　编码方式采用实数编码，每个个体对应一组设计变量。初始种群规模设为100，交叉概率取0.8，变异概率取0.1，最大进化代数为200。适应度函数取目标函数的倒数，以适应度最大化为优化方向[4]。

　　5.优化结果与验证

　　5.1优化结果

　　经过遗传算法迭代优化，得到最优设计参数如表1所示。

　　优化后举升臂长度略有增大，拉杆长度减小，液压缸铰点位置向举升臂根部移动，改善了液压缸与举升臂的夹角，增大了有效驱动力臂。

　　5.2仿真分析

　　采用ADAMS软件建立优化前后的机构虚拟样机模型，进行运动学和动力学仿真分析。

　　驱动力对比。优化前液压缸最大驱动力在割台最低位置，为18.6 kN。优化后，最大驱动力降至15.1 kN，降幅为18.7%。同时整个升降行程内的驱动力分布更加均匀，液压缸工作压力控制在14 MPa以内，留有足够大的安全裕度。

　　割台姿态变化对比。优化前割台从最低升到最高时，割台框架与水平方向夹角变化范围为±3.2°。优化后变化范围缩小到±1.5°,割台近似平动性能明显提高。这对于丘陵山地作业来说具有十分重要的意义，可以很好地控制割茬高度的一致性。

　　运动干涉检查。优化后，液压缸和机架的最小间隙由原来的4.8 mm增大到12.5 mm，割台框架和液压缸的最小间隙由原来的6.2 mm增大到11.8 mm，消除了运动干涉的风险。

　　5.3样机试验

　　按照优化参数加工试制样机，在试验田进行作业测试。测试工况有平地作业、坡度8°横向作业、坡度8°纵向作业三种典型工况。

　　测试结果表明，优化后的升降机构在各种工况下均运行平稳，液压系统工作压力最高为13.5 MPa，远低于额定压力18 MPa。割台升降响应时间由原来的4.2秒缩短到3.5秒，作业效率提高约16.7%。割茬高度合格率由优化前的87%提高到94%，收获质量明显提高。

　　6.结论

　　对小型玉米收获机割台升降机构进行系统分析，发现目前的机构存在液压缸驱动力过大、运动干涉、结构笨重等问题。建立了以液压缸驱动力最小、机构质量最轻、割台姿态变化最小为目标的优化模型。

　　采用遗传算法求解优化模型，得到最优杆长参数与铰点坐标。优化后，液压缸最大驱动力降低18.7%，机构质量减轻12.3%，升降过程中割台姿态角变化范围由±3.2°缩小至±1.5°。

　　样机试验验证了优化方案的有效性，液压系统工作压力降至额定压力的75%，割茬高度合格率提升至94%。优化方法可为小型玉米收获机其他关键部件的轻量化与性能改进提供参考。

参考文献：

　　[1]唐可记，孙文磊，杨炀，等.玉米收获机发动机服役状态趋势分析与预警[J].中国农机化学报,2024,45(07):160-165.

　　[2]王鑫鑫,王洪君,宫增民,等.基于PLC的丘陵山地小型玉米收获机割台仿形控制系统研究[J].河北农机,2025(21):1-3.

　　[3]黄毅,周涛,周志红,等.联合收获机割台纵向高度-横向倾角协同仿形系统设计与试验[J].中国机械工程,2025,36(10):2413-2422.

　　[4]顾小小,许智棣,戴勤珍,等.鲜食玉米收获机技术现状与发展建议[J].现代农业装备,2026,47(1):17-21.