1、中国农业大学硕士研究生论文开题报告所在院系 工学院车辆工程系 专 业 车辆工程 学生姓名 入学时间 2010 年 8 月 29 日 导师姓名 课题名称 丘陵山区立辊式玉米收获机改进设计及仿真分析 中国农业大学研究生院制填表时间 2011 年 5 月 11 日一、 立论依据（以下各项均可加页）（包括课题的研究意义，国内外研究现状分析，附主要的参考文献）研究意义玉米是我国三大谷物之一，粮经饲兼用，其种植面积 2450 万公顷，年总产量 1.27 亿吨左右。当前我国已形成三大玉米生产区，若按 50%机收率计算，全国需要玉米收获机 10 万台以上。但现实情况是我国玉米机收率不到 5%，远远低于小麦 7
2、0%和水稻 20%的机收水平。可以说，玉米机械化收获已成为制约农业机械化发展的瓶颈，而推进玉米收获机械化发展对保障我国粮食安全、促进畜牧业和粮食加工业发展，提高经济效益、社会效益和生态效益，实现农业增效和农民增收具有重要战略意义。本课题针对我国西南丘陵山地地块小且不规则，坡陡弯多，种植结构和栽培农艺复杂，经济水平较低，适用农机具短缺，制约区域间均衡发展的现状，试图通过改进立辊式小型玉米收获机，将虚拟样机技术应用于小型玉米收割机的设计，在计算机上实现产品设计、仿真、预估产品性能等，以较经济的成本研制出适用的小型玉米收割机，为攻克西南丘陵山地地区玉米收获机械化生产的难题提供理论依据。国内外现状分析
3、国内现状：2006 年，我国玉米耕、种、收综合机械化水平达到 42.8，其中，机耕水平达到 59.4，机播水平达到 58.7，机收水平达到 4.73。从 60 年代开始，我国研制和生产玉米收获机械及摘穗机构至今出现了三次高潮。第一次是从 60 年代初期开始，到文革开始时被迫中断，期间主要进行了玉米收获机械技术的引进、吸收和理论研究工作；第二次是从 70 年代中期开始，历时十余年，经历从引进、使用、仿制、改进国外机具到自行研制开发生产两个阶段，试制成功玉米收获机械 20 余种。其中，中国农机院与赵光机械厂研制的4YW-2 型牵引式卧辊玉米收获机是典型代表，它是我国自行研制开发的首台玉米收获机，填
4、补了国家的空白；第三次从 90 年代开始延续至今，研制生产单位多达百余家，已生产机具数千台，呈快速发展态势。我国目前的玉米收获机主要分为自走式、牵引式、悬挂式和背负式等类型。自走式机型庞大，价格较贵，投资回收期较长；牵引式机型机组长，达 13-15 米，不适应小地块。背负式机型可以利用现有的拖拉机，一次投资相对较少，作业效益也不低，作业的机动性和操作性都较好，是目前的首选机型。自走式机型具有自行开道的功能，生产效率高。目前研制生产的有 2 行、3 行和 4 行机，其中 3 行机型的品种最多。自走式机型的发动机功率为 44110 千瓦，能适应的玉米收获行距为 6070 厘米，玉米割台的主要摘穗部
5、件都采用摘穗板、拉茎辊结构。2 行和 3 行机一般具有摘穗、果穗收集、茎秆粉碎还田功能，有的 3 行和 4 行机在此基础上增加了剥皮和茎秆回收功能。4 行机的结构比较复杂，其中由中国农机院研制的“八五”重点项目 4YZ- 4 型机，是目前我国收获工艺最完善的玉米联合收获机，具有摘穗、剥皮、果穗装车、茎秆收集切碎并抛送至青饲挂车或抛撒田间的功能。该机的发动机功率为 110 千瓦，每行程能收 4 行玉米，行距 70 厘米，割台采用双层结构，既可收获玉米果穗，又可收集玉米茎秆。玉米果穗被剥皮后送至挂车，玉米茎秆则由切碎滚筒切碎并抛送，抛送筒可旋转 180 度，控制抛撒范围和距离，底盘采用 5 挡无级
6、变速装置，可覆盖作业时所需的全部速度，采用独立的液压系统和电器系统，由驾驶员一人控制机器的一切操作，该机还在国内首次采用了自动挂接装置。在自走式机型方面，我国的玉米收获机多数是采用小麦联合收获机的现有底盘，由于受原机构的限制，多机器总体设计不够合理，存在先天不足。另外，由于国产发动机性能不够稳定，液压件、传动件等工作不可靠，产品零部件加工手段落后以及装配质量粗糙等原因，使整机的性能和可靠性都受到严重影响。牵引式机型与拖拉机配套使用，适合在大面积地块作业。由中国农机院和黑龙江省赵光机械厂共同研制的 4YW- 2 机型是我国惟一长期坚持生产的玉米收获机，该机可与 55.8 千瓦拖拉机配套使用，每行
7、程收 2 行，行距 70 厘米，具有摘穗、剥皮、果穗装车、茎秆粉碎还田或收集功能。经过多年不断的完善改进，已从 4YW- 2A 发展到 4YW- 2G 等 7 种机型，可满足不同的收获工艺要求。目前，牵引机型存在作业时机组太长、转弯半径大，而且收获前要预先开道等问题。悬挂式机型是我国近年来自行研制的产品，有 13 行机型，可分别与不同型号的拖拉机配套使用。这种机型的特点是收获结束后不占用动力，拖拉机可继续使用，具有小巧灵活、价格低等特点，适合在农村小面积田块作业。悬挂机型的收获工艺一般为摘穗果穗装箱茎秆粉碎还田。1 行机多为侧悬挂式，可与 1122 千瓦小四轮拖拉机配套作业。摘穗部件采用摘穗辊
8、结构，能适应不同的玉米种植行距，缺点是收获时不能自行开道。2 行机有侧悬挂与正悬挂之分，侧悬挂机型存在与 1 行机相同的开道问题。2 行机的配套动力多为 50 型拖拉机，摘穗部件有摘穗辊和摘穗板两种结构。3 行机型基本采用正悬挂配置，摘穗部件为摘穗板、拉茎辊结构，配套动力为 60、70 或 80 型拖拉机。在自动化程度方面，由于国产玉米收获机以实用为主，主要考虑降低制造成本，对自动化要求不高，因此明显落后于国外产品。目前，在已研制的机型中还有可靠性差、效率低、对作物的不同行距适应能力不强等问题，个别机型的损失率和破碎率还有待进一步降低。我国目前生产的玉米联合收获机大部分都是要求对行收获，而我国
9、各地玉米种植行距又千差万别，现有的玉米收获机区域适应性都受限制，故不对行玉米收获机应是发展主流。不对行玉米收获机适应各种不同的行距，可以从田间不同位置进入作业，作业效率高，非常适用于机手进行跨区机收。目前我国不对行玉米收获机的主要机型有天津富康公司的 4YW-Q 型全幅玉米联合收获机，为天津市农业名牌。此外，生产不对行收获机的还有北京的金乐、河北的农哈哈等。现有不对行玉米收获机形式较多，分为拨禾链式、多行（组）式、寻行式。拨禾链式（强制入行）不对行玉米收获机工作原理是利用链条将一行或两行玉米强制收进一个摘穗机构内进行摘穗收获。多行（组）式是用多于玉米行数的多组摘穗辊完成作业幅宽内玉米的摘穗收获
10、(如用 6 组摘穗辊完成 3 行玉米的收割) 。寻行式是通过调整摘穗机构位置适应不同行距。实际上，各生产厂家使用的多是拨禾链强制入行式，后两种方式的可靠性和性价比尚未得到市场的认可。对于籽粒直收功能，国内目前有三种机型。即以小麦收割机为平台改制的拨禾轮割台式、采用青贮收获机收割方式的割后用大圆盘喂入、摘穗后脱粒式。前两种是将玉米秸秆和玉米穗一起收入脱粒装置。后一种是国外普遍采用的玉米籽粒收获方式，先摘穗后剥皮再脱粒的收获方式在一年一熟地区使用效果较好。国内最先生产拨禾轮割台式玉米籽粒直收型产品的厂家是中国一拖集团收获机有限公司，经过 5 年的市场检验，该公司的籽粒直收机产品已经有一定市场知名度
11、。圆盘式拨禾割台式 2006 年已经出现，目前福田重工、新乡玉神、玉收、玉田、新龙等有产品推出。国内玉米种植特点、农艺特点、收获要求、收获时籽粒含水率等情况千差万别，籽粒直收型市场受到很大限制，只能在北方一年一熟地区使用。随着早熟玉米品种的推广，籽粒直收型需求有逐年增大的趋势。现有的玉米联合收获机都配有秸秆粉碎还田机，即在进行摘穗作业的同时，还将玉米秸秆粉碎后抛洒在地里，实现秸秆还田。但是，由于畜牧养殖业的发展，玉米秸秆作为一种饲料，需求也在不断增加，不少地区的农户要求在收获玉米果穗的时候保留秸秆，或是将粉碎的秸秆回收用于养殖业。因此，目前有些玉米收获机生产企业为此提出了秸秆回收的方案。如天津
12、富康公司的秸秆整留回收装置，可将玉米秸秆保留回收；同时，富康公司、金乐公司、向农公司等还开发出秸秆粉碎回收装置，可将摘穗后的秸秆捡拾粉碎并抛洒回收，用于青贮。这些装置需要用户根据当地实际需要提出要求进行配置。常林推出的 4Y-1A 型单行玉米收获机，该机型可与手扶拖拉机配套，可以适用于山地丘陵地区小地块农田作业，是针对细分市场设计的差异化产品。目前国内玉米收获机行业还处于自由竞争时期，行业集中度很低，行业内还没有出现一家市场占有率超过 15%的企业。研究预测，2015 年玉米耕、种、收综合机械化水平将达到 60以上；2020 年达到 70，主产区解决收获机械化问题，基本实现玉米生产机械化。总体
13、上看我国玉米生产机械化正呈现加快发展势头。当前，我国玉米生产机械化存在的主要问题：一是机收获瓶颈尚未完全突破，成为制约玉米生产机械化的最主要因素。二是农艺农机不协调，各地玉米种植模式复杂，多样化的种植行距和套作模式制约了机械化发展。三是示范推动力度不够。国家和地方用于玉米收获机械试验和示范推广的投入较少。四是技术创新滞后。玉米收获、免耕播种等机械基础研发滞后，低水平重复开发严重，适应性、可靠性有待提高。国外现状：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。当前，工业发达国家研制的玉米收获机型主要有
14、：1.在谷物收获机上配专用玉米割台或玉米摘穗脱粒机。目前，美国、法国、加拿大等国家主要采用这种方式收获玉米，其优点是可直接收获玉米籽粒，且生产率高，谷物收获机利用率也高，但要求玉米成熟期一致、籽粒含水低。2.专用玉米收获机。这种机具主要采用大功率、自走式，可同时完成摘穗、果穗除苞叶、果穗收集、茎杆粉碎还田（或收集）作业。同时，机具装有自动对行和自动挂车装置。国外注重通过农艺改革推动玉米收获机械化。在中东欧地区，玉米种植制度是完全统一的，行距 7075 厘米，密度的变化仅仅通过调整株距实现，这就为玉米的机械化收获提供了十分有利的条件。玉米收获作业的时间，是按照玉米子粒的水分含量确定，一般在 24
15、%左右时收获。这样做，不仅大大地方便了玉米收获机设计，而且方便了机械化收获作业，提高了机械化作业的效率。美国是玉米机械化收获机械水平最高的国家，自 1936 年开始推行机械化收获玉米以来，经过短短的二十几年时间就基本上实现了玉米收获机械化。其后又开始大力发展谷物联合收获机配玉米割台在田间直接收获玉米籽粒，割台从二行、三行发展到目前的六行、八行，最多的达到十二行，全国目前谷物联合收获机的保有量达到 60 多万台，大部分配有玉米割台。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
16、 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，主要表现在以下几个特点：1在保证良好性能的前提下，向高效、大型、大功率、大割幅、大喂入量和高速发展。喂入量已由一般的 56 千克/ 秒发展到 1012 千克/ 秒所配发动机的功率最大到 243 千瓦，正在研发的有 276 千瓦；割台最大割幅已超过 9 米。配谷物联合收割机的玉米割台由收割 46 行发展到收割 8 行，发动机功率为 19 千瓦，最高作业速度超过 3.6 千米/小时。2向扩大机器的通用性和提高适应性发展。除发展多种专用割台（大豆、玉米、
17、向日葵、水稻或捋穗型割台）外，同一台机器还可配不同割幅的割台以适应不同作物和不同单产的需要；改进机体结构（如收割台的仿型机构、清粮室的自动调平装置等），使其更好地适应不同作物和倾斜地面；行走装置配置多种宽度的轮胎、履带，以提高工作的适应能力。3对保持收获中低损失率、高清洁度的主要工作部件的研究更为深入。新型脱粒分离装置的研究以提高生产率、减少谷粒损失为目标，是现代玉米联合收割机最主要的发展趋势。在传统的纹杆切流滚筒及键式逐镐器的脱粒分离装置之后，双滚筒横置的轴流式结构广为应用，继而又研制了单滚筒或双滚筒纵置的轴流式脱粒分离结构，大大提高了脱粒率。4广泛应用机电一体化和自动化技术，向舒适性、使用
18、安全性、操作方便性方向发展。为改善驾驶员工作条件，普遍装有现代化的密闭驾驶室以隔热、隔噪音；转动部件转速、收割机切割高度、谷物损失量、粮箱填充量、排草堵塞等配有信息显示；自控装置包括自动对行、割茬高度自动调节，自动控制车速，自动停车等； 安全生产的警报输出和互锁补偿系统有故障警报、信号报警或语音报警、启动耳锁、单柄操作互锁、运输与收获互锁等功能。5向智能化收获机发展集全球卫星定位系统，地理信息系统和遥感系统于一身的“精准农业”技术在智能化玉米收割机上的应用是当今收获机械化最新、最重要的技术发展 11。参考文献1 李强.我国玉米收获机械的研究现状及发展方向J. 农业科技与装备 ,2009,1:1
19、01-1022 杜爱林庄文玮.虚拟制造技术21 世纪农机制造企业的新技术 J.南方农机,2004,2:26-273 丁国章.浅析玉米收割机械化的发展现状及应用技术J.民营科技,2009,5:864 Joshua Miron, Ephraim Zuckerman, Gabriel Adin. Comparison of two forage sorghum varieties with corn and the effect of feeding their silages on eating behavior and lactation performance of dairy cowsA.A
20、nimal Feed Science and TechnologyC.2007,ANIFEE:116845 D.Ehlert. Advanced Throughput Measurement in Forage HarvestersJ.Biosystems Engineering,2002,83 (1):47536 孙秀花.小型甘蔗收获机运动学、动力学虚拟仿真研究D.广西大学,2005,57 刘新胜,庆华. Pro/Engineer 和 ADAMS 在机构设计仿真中的应用 J.机械制造与自动化,2005,（4）:127-129,1348 杜翠红,张道林 ,李秀亭等 .穗茎兼收型玉米联合收获机的
21、发展现状与展望J.农机化研究,2006(10):11-139 李其昀,周治沽.玉米收获机摘穗辊结构特性研究J. 现代化农业 ,2000(12):23-2510 张春伟,倪长安,师清翔等.玉米收获机摘穗装置主要结构和运动参数研究 J . 河南科技大学学报（自然科学版）,2007,28(06)61-6311 籍俊杰.国外玉米收获机发展趋势.农机推广安全,2006-5:22-2312 范国昌等,影响玉米摘穗过程中籽粒破碎率和籽粒损失率的因素分析 J,农业工程学报,2002,713 胡伟.中国玉米收获机械化发展研究:D.北京:中国农业大学,200514中华人民共和国农业部市场与经济信息司全国农业统计提
22、要（2006 年）EB/OLhttp:/ 2007-09-0315 李云雁等.试验设计与数据处理M 北京,化学工业出版社 ,200516 Hanna H M,Kohl K D,Haden D AMachine losses from conventional versus narrow row corn harvest JApplied Engineering in Agriculture, July, 2002, 18(4), 405-40917 吴子齿,高焕文.玉米茎秆切断速度和切断功耗的试验 J,农业机械学报,2000,32(2).18 郭玉富.卧式玉米摘穗机割台的扶禾装置P 中国专利:
23、ZL01 2 68395.7,2002-07-2419 王荣鑫.数理统计M西安 :西安交通大学出版社,1996,320 贺俊林,佟金,胡伟,等辊型和作业速度对玉米收获机摘穗性能的影响 J农业机械学报,2006, 37(3):46-4921 Lau H Y K, Mak K L, Lu M T H. A virtual design platform for interactive product design and visualization J. Journal of Materials Processing Technology 2003, 139: 402-40722 Maertens
24、 K, Baerdemaeker J D. Design of a virtual combine harvester J. Mathematics and Computers in Simulation 2004, 65: 49-5723 闫少刚. 玉米联合收获机现状和发展趋势J. 农业机械化与电气化 ,2007,（2）:6-724 Lien RM,Haugh CG,Ashman R B,ct. Machines losses in field harvesting cornC. ASAE Paper 74-2157967th,Stillwater,197425 Paulsen MR,Nav
25、e WR. Corn damage from conventional and rotary combinesC. ASAE Paper,7821562,197826 刘光祖. 概率论与应用数理统计M. 北京: 高等教育出版社,200027 贺俊林,佟金,胡伟等. 辊型和作业速度对玉米收获机摘穗性能的影响 J. 农业机械学报,2003,（3）:46-4928 杜翠红. 穗茎兼收型玉米联合收获机立式割台的理论分析与试验研究D. 山东理工大学,2006.429 陈松涛. 背负式玉米收获机的运动参数的研究及计算机辅助设计D. 河南科技大学,2007,530 林清安. Pro/ENGINEER 零件装
26、配与产品设计. 北京: 清华大学出版社,200331 孙江宏,黄小龙等. Pro/ENGINEER 结构分析与运动仿真 Wildfire/2001. 北京:中国铁道出版社,2004.32 刘新胜,庆华. Pro/engineer 和 ADAMS 在机构设计仿真中的应用J. 机械制造与自动化,2005,（4）:127-129,13433 李军,刑俊文,覃文洁. ADAMS 实例教程M. 北京: 北京理工大学出版社,2002.734 李增刚. ADAMS 入门详解与实例 M. 国防工业出版社,2006.435 孙秀花. 小型甘蔗收获机运动学、动力学虚拟仿真研究D. 广西大学,2005,536 翁铸
27、. 小型甘蔗收获机关键部件的虚拟设计和仿真分析的研究D. 华中科技大学. 2006,1037 Ehlert .D. Advanced through put measurement in forage harvesters J. Bio systems Engineering, 2002,83(1):47-53.38 Carlin Jerry F. Electro-hydraulic control of combine header height and reel speed J. SAE Special Publications, 1984:37-41.39 Isaac Nathan E.
28、, Graeme R etc. Combine harvester econometric model with forward speed optimizationJ.Applied Engineering in Agriculture 2006, 22(1):25-31.40 Earl R, Wheeler P.N, Black more Godwin R J. Precision farming the management of variability J. Landwards, 1996, 51(4): l-23.41 Lopesl G.T., Magalhaesl P.S.G.,
29、Nobrega E.G. Optimal header height control system for combine harvesters J. Biosystems Engineering, 2002, 81(3):261-272.42 贾素梅,范国昌,刘焕新等.4Y-3 型自走式玉米联合收获机的设计与试验 J.农业工程学报,1999,15(1):244-245.43 赵树智.4SHY-2 小型不对行玉米联合收获机的研究J.山西农业大学学报:自然科学版,2005,3:171.44 DAntonino Faroni, Leda Rita, Alves Wederson Marcos, D
30、e Queiroz, Daniel Marcal, Correa Paulo Cesar. Effects of the drying temperature and the harvesting moisture content on the corn quality. 2000 ASAE Annual International Meeting, 2000, Milwaukee, 141150.45 任露泉.试验优化设计与分析 M.长春: 吉林科学技术出版社 ,2001:159.46 Kevin J. Shinners, Ben N. Binversie.Fractional yield
31、and moisture of corn stover biomassproduced in the 47 Northern US Corn BeltJ.Biomass and Bioenergy,2007 (31):576584.48Reed L. Hoskinson,Douglas L. Karlen,Stuart J. Birrell.Engineering, nutrient removal, and feedstock conversion evaluations of four corn stover harvest scenariosJ.Biomass and Bioenergy
32、,2007(31): 126136.49 G.T.Lopes,P.S.G.Magalhaes,E.G.O.Nobrega.Optimal Header Height Control System for Combine HarvestersJ.Biosystems Engineering,2002,81(3): 261272.50 T.Coen,A.Vanrenterghem,W.Saeys.Autopilot for a combine harvesterJ. computers and electronics in agriculture, 2008,COMPAG-2099.51 闫洪余,
33、陈晓光,吴文福.立辊式玉米收获机试验台的设计 J.农机化研究,2008(12).52 佟金,贺俊林,陈志等.玉米摘穗辊试验台的设计和试验 J.农业机械学报,2007,38（11）:48-51二、研究方案（以下各项均可加页）（包括研究目标、研究内容、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析和预期的研究进展）研究目标针对常林公司的 4Y-1A 单行丘陵山地地区玉米收获机物理样机建立数字样机，将单行收获改为双行共用一套摘穗辊收获的玉米收获机，同时进行作业性能的仿真分析、对样机结构进行改进，为丘陵山地玉米收获机的改进设计提供技术支持。研究内容1.根据常林公司提供的 4Y-1A 单行玉米收获机结
34、构参数，运用 3D 建模软件Pro/E 建立各功能部件的三维模型，并进行虚拟装配，完成整机数字样机的建立。 2.将数字样机改为双行共用一套摘穗辊收获的玉米收获机。3.用 ADAMS 对样机进行运动性和动力性分析。4.对样机的结构进行改进设计，使其符合丘陵山地地区的玉米收获和使用要求。研究方法小型玉米收割机“自下而上”虚拟样机建模及改进方法:玉米收割机核心部件虚拟设计及仿真的思路是分析各部件功能要求，在对各工序过程进行运动分析和受力分析的基础上，通过对虚拟设计模型、仿真选定执行机构的发散创新设计，进行虚拟装配和运动仿真分析。通过调整运动范围或改进机构参数使虚拟样机达到性能、功能设计要求。通过对各
35、方案仿真分析比较，不断改进直至获得最优设计方案。技术路线总体路线为：常林 4Y-1A 单行玉米收获机实车测绘Pro/E 仿真建模针对 2011 年重庆实验，改单行收获为双行共用一套摘穗辊收获ADAMS 性能分析改进设计。详见下图：结果分析最优设计实车测绘Pro/E ADAMS虚拟装配三维建模 运动仿真分析动力仿真分析优化设计不对行收获改进实验方案及可行性分析本课题用 Pro/E 对常林 4Y-1A 单行玉米收获机建模，通过动力学软件 ADAMS进行运动学、动力学分析，研究方法和试验方案比较清晰，仿真结果能够为进一步改进设计打开思路。在建模仿真过程中，Pro/E 及 ADAMS 等软件功能强大、
36、性能稳定，可以实现虚拟样机的建模、仿真分析，为玉米收获机的改进提供技术支持。预期研究进展1. 5 月 13 日5 月 25 日 文献整理及实车测绘2. 5 月 26 日7 月 26 日 部件及总成建模3. 7 月 27 日8 月 11 日 完成整车装配4. 8 月 12 日9 月 30 日 改进割台部件5. 10 月 1 日2 月 29 日 ADAMS 分析6. 3 月 1 日3 月 30 日 针对不足进行改进设计7. 4 月 1 日4 月 15 日 后期整理，与课题组内其他成员进行对接8. 4 月 16 日4 月 30 日 论文初稿9. 5 月 1 日6 月 20 日 论文修改、定稿及答辩三、 经费预算支出科目 金额（万元） 计算根据及理由注：预算支出科目按下列顺序填写：1、论文课题业务费 2、实验材料费、3、仪器设备费
