鲜食玉米是新兴的经济作物，深受消费者喜爱，全世界鲜食玉米种植面积就超过1000万亩。我国地理和气候条件优越，全国均可种植[1][2]。有数据显示，截止到2021年，我国鲜食玉米种植面积已经达到了2200万亩，成为全球最大的鲜食玉米生产国和消费国，且国内种植规模还呈现持续扩大趋势[3]。按照生产潜力、消费水平以及我国人口数量计算，我国种植鲜食玉米潜力将达到3000万亩，每亩创造纯产值按600元计算，将创造90亿元巨大市场。据统计，鲜食玉米生产量只占饱和市场的25%~30%，需求很大。此外，鲜食玉米加工附加值高，经济效益显著，农民收益大幅高于种值粮食作物[4][5]。
因此，本文针对鲜食玉米摘穗台作业过程中茎秆无法顺利排出造成的茎秆堵塞现象开展研究，以期探明鲜食玉米摘穗台茎秆堵塞机理，提高鲜食玉米作业效率，为我国鲜食玉米产业发展奠定基础。
2.机具工作原理
摘穗过程中，决定摘穗装置能否实现所需作业需求的条件包括：1)往复式切割器与夹持拉茎装置的相互合理配合使玉米植株被顺利夹持；2)茎秆拉伸力>玉米茎秆与拉茎带的摩擦力>穗柄断裂力；3)摘穗辊的设计参数(尺寸、位置、倾斜角度等)达到最佳工作效果；4)玉米果穗的喂入角度达到最佳，无挤压玉米果穗的情况发生，该款鲜食玉米收获机经试验验证，茎秆喂入成功率高、果穗损伤率低，根据设计条件，本文重点研究拉茎装置和拨禾装置，确定各部件的最佳安装位置和零件的合理尺寸大小。
1.往复式切割器2.机架3.摘穗装置4.拨禾轮5.分禾器6.张紧轮7.拉茎带8.液压马达
Figure1.4schematicdiagramofthestructureofYZT-2freshcornpickingplatform
3.关键部件优化
3.1.拉茎装置设计
Figure2.4schematicdiagramofthestructureofYZT-2freshcornearpickingplatform
即喂入茎秆时的线速度等于机具前进速度。
(a)(b)
Figure3.Structurediagramofreelingwheel.(a)Workingcoordinationdiagram;(b)Three-dimensionalmodeldiagram
3.2.抛禾装置
Figure4.Workingdiagramofpluckingwheelandpullingbelt
Figure5.Schematicdiagramofinstallationofthrowingdevice
注：图中尺寸单位为mm。
Figure6.Schematicdiagramofthedimensionofreelingwheel
Figure7.Schematicdiagramofguideplatesize
3.3.拉茎带张紧程度优化
利用压力计按压两张紧轮中点的拉茎带，同时倾斜度测量仪测量出倾斜角θa，记录按压力f和倾斜角度θa，则将压力f与拉茎带中点的位移Ea的比值用于评价拉茎带的张紧程度，即张紧度Zj：
式中，Zj为张紧度；f为测试压力，N；Ea为拉茎带中点位移，mm；L为张紧轮圆心距，mm；θa为拉茎带受压后倾斜角。
通过公式可得，调整张紧轮后，通过压力计控制施加于拉茎带中点的作用力，每次测试时控制压力相等，通过倾斜度测量仪记录拉茎带受压后的倾角。通过测量评估，张紧度Zj初始值为300N/mm，将其优化调整为245.1N/mm和217.4N/mm，并观察其工作性能。
注：Sa为最小轴静态负载，N；Ea为拉茎带中点位移，mm；L为张紧轮圆心距，mm；f为测试压力，N；θa为拉茎带受压后倾斜角。
Figure8.Tensiontestdiagram
3.4.拉茎带张紧程度优化
摘穗台机架前后2个互相平行的纵梁I和左右2个互相平行的横梁I组成矩形机架的底框，后侧纵梁I的下表面与摘穗台安装架上的安装架竖轴上表面焊接固连，矩形底框的四个垂直角处焊接有竖梁。距横梁I上表面200mm处布置左右2个互相平行的横梁II，距后侧纵梁I上表面200mm处设置一条间断的纵梁II，间断处焊接安装轴，用于安装玉米摘穗辊，竖梁上表面焊接前后2个互相平行的纵梁III，纵梁III间断处焊接有安装座I，用于安装拉茎架，肋板加强机架的结构强度，前侧纵梁I的内表面焊接有竖板，竖板与2个斜板形成一个漏斗，将摘穗辊掰下的玉米果穗收集，进行后续输送作业。
3.4.1.机架模态优化
为优化共振频率对工作的影响，对结构系统进行模态分析，在无阻尼振动模型中，不计力和阻尼，则：
1.纵梁I2.横梁I3.横梁II4.竖梁5.纵梁II6.安装轴7.纵梁III8.安装座I9.肋板10.竖板11.斜板
Figure9.Rackparametermodelofcornpickingtableinfreshfooddistrict
因此，模态分析过程，即可简化为具有多个自由度的无阻尼振动模型的叠加，即可形成一个简谐振动。
模态分析时，针对机架的三维模型，应该选用特定的分析环境，即ANSYSWorkbench的CAE分析环境。
3.4.2.有限元建模及其网格划分
Table1.Standardtestsystemresultsdata
3.4.3.结果分析
Figure10.Thefirstsixmodalshapesoftherack
式中，f为固有频率，Hz；fi为激励频率，Hz。
3.4.4.优化处理
针对分析结果，优化机架结构，避免机架共振破坏。利用连接板和连接梁将两个拉茎架连为整体，相互吸收振动，提高机架的抗共振性能。
4.试验验证
鲜食玉米摘穗台经过结构优化，在作业机前进速度小于21.6km/h时，没有发生茎秆堵塞现象，作业机前进速度高于21.6km/h时发生茎秆堵塞现象，较优化前作业机工作情况有很大提升。
Figure11.Optimizationtestresultsofpullingstemframe
5.结论
1)针对鲜食玉米摘穗台，出现的茎秆无法顺利抛出、作业速度过快时出现茎秆堵塞现象、玉米植株被连根拔起、少量茎秆被切割后拉茎带抓取失败、茎秆打滑导致摘穗时茎秆被拉扯滑落等问题。对机具关键部件进行改进，并进行试验检验其优化效果。其优化效果分别如下：增加的抛禾装置(后拨禾轮和导向板)起良好的茎秆疏导作用；延长拉茎架以增加拉茎带的工作长度，机具不影响工作效果的极限移速也增大至21.6km/h。
2)利用ANSYSWorkbench软件对小区玉米收获机摘穗台机架的三维参数模型进行模态分析，检验其作业可靠度。仿真结果显示，实际工作过程中，激励频率大于结构发生共振的频率段，机架在作业过程中会发生共振的现象。为了防止共振的发生，连接两拉茎架，增加整体的共振频率，以相互吸收振动。经仿真检验，优化后的机架模型，其第1阶固有频率增加为39.6Hz，其增加幅度为41.7%，大大高于机架发生易共振变形的频率，结构优化合理，显著提高了机具作业的可靠度。
基金项目
本工作得到海南省重点研发计划(编号：ZDYF2020025)项目的支持。