0 引 言

玉米是中国种植面积最大、产量最高的的粮食作物[1]。实现玉米高效、低损的机械化生产，对于中国粮食安全具有重要的现实意义。摘穗是玉米收获的首要步骤，摘穗割台是玉米机械化收获的主要工作部件[2]。国家标准对割台作业的适用含水率及果穗损失率、籽粒损失率及籽粒破碎率等性能指标做了明确规定[3]，但在实际生产中，摘穗割台并未完全满足以上技术指标，果穗与割台的高速直线撞击引发果穗啃伤、籽粒飞溅及破碎等问题[4-5]，此外，拉伸摘穗作业功耗较大，摘穗后苞叶残留较多，增加籽粒直收型玉米收获机的剥皮、清选难度[6-7]。

针对割台损失，张海勇等[8]分析了影响割台籽粒损失的因素，认为果穗与摘穗部件的接触方式是主因；陈美舟等[9]运用高速摄像试验发现，果穗被摘下时受到的摩擦和碰撞，及在摘穗部件上弹跳，造成了籽粒损失和损伤；耿爱军等[10]建立了摘穗时果穗受力数学模型，发现果穗被摘下时受到的摩擦和获得的加速度，是籽粒损失损伤的主因；贺俊林等[11]用5种摘穗辊型做了3种作业速度下的组合试验，发现摘穗凸棱和拉茎段参数是影响籽粒损失损伤的主要因素。为避免碰撞与摩擦造成的损失，张道林等[12-15]设计了立棍式摘穗机构，并对辊型和运动参数进行优化，试验效果较好；张智龙等[16]设计了梳齿式摘穗机构，采用向上梳脱的方式将果穗摘下；美国DRAGO公司开发了具有缓冲弹簧的摘穗板来降低果穗碰撞造成的籽粒损失[17]；JOHN DEERE公司的700C系列割台，配置了液压式摘穗板，可根据茎秆和果穗尺寸调节工作参数[18]；OXBO 3000系列割台采用锥形刀辊，以降低果穗与摘穗板的冲击加速度，降低籽粒损失[19]。

根据仿生学原理，张莉等[20-22]分别根据人工单手摘穗原理，设计了由上向下施力的摘穗机构，可有效降低载荷，减少摘穗损失；但摘穗部件行程大，运动复杂，果穗苞叶残留较多。而在人工双手摘穗时，以一手支撑、另一手施加弯矩掰穗，可避免损失损伤、高能耗和苞叶残留等问题，但目前对双手摘穗中支撑手的作用缺乏研究，对穗柄在弯曲变形断裂的认识不足。

综上，本研究将以人工双手摘穗时穗柄受力为原型，构建玉米穗柄的受力断裂模型，对该模型下的穗柄断裂行为进行分析，探究不同含水率、不同果穗位姿下玉米穗柄的断裂规律，以确定基于果穗位姿变化的仿生摘穗机构的结构与运动参数，为新型玉米摘穗装置的设计与优化提供理论依据和数据支撑。

1 玉米穗柄受力模型研究

目前应用范围较广的摘穗辊式割台和拉茎辊-摘穗板组合式割台上，玉米果穗穗柄的断裂方式为单一拉伸断裂，且茎秆的拉伸方向为垂直向下。而在人工双手摘穗时，同时对玉米穗柄施加弯曲载荷和拉伸载荷，相较于单一的拉伸方式，玉米穗柄更容易断裂，且摘穗后苞叶残留量显著降低。与当前采用的摘穗割台相比，人工双手摘穗的主要特点在于，施力手施加的弯矩引起果穗的位姿变化，导致了穗柄的断裂行为产生变化。

人工双手掰穗的原理如图1a所示。作业中以支撑手握住穗柄及茎秆，对玉米果穗的穗柄下部形成固定作用；以施力手在果穗顶端向下压，对果穗施加绕支撑手旋转的力矩。由于断裂点位于穗柄中上部，因此在果穗被摘下时，大部分苞叶会与未摘下的穗柄一起遗留在玉米茎秆上，使果穗上附带的苞叶层数显著减少，从而降低了后续的剥皮、脱粒作业的工作量。

玉米果穗被摘下瞬间，穗柄的受力如图1b所示。施力手对果穗上部施加压力时，支撑手对果穗下部形成支撑作用，在支撑手的杠杆作用下，果穗对底部穗柄施加向上的拉力T。穗柄下端生长在玉米茎秆上，茎秆对穗柄产生向下的拉力P。同时，施力手驱动果穗弯曲时，通过果穗对穗柄施加弯矩M’。

实际生产中，欲通过机械部件握持穗柄并对果穗施加弯矩完成摘穗，存在较大设计难度。按照仿生设计中目标功能有效实现的准则，将模本功能的实现作为设计的首要目标[23]。通过改变玉米果穗受力时的位置姿态，使其发生一定角度的偏转，对茎秆施加向下的拉力，穗柄即受到拉力和弯矩的共同作用。其与手工摘穗的不同点在于：手工摘穗时，穗柄受力以弯矩为主，拉力次之；而在不同玉米位姿下对茎秆施加拉力，穗柄受力以拉力为主，弯矩次之。若能通过改变果穗位姿，通过对茎秆施加拉力，实现穗柄在较小拉力下的断裂，则模本的核心功能即得到了有效实现。在现有拉茎辊-摘穗板式玉米割台基础上，参照人工双手摘穗时穗柄的受力模型，按照上述仿生模本目标功能实现的准则，设计出预先改变果穗位姿的玉米摘穗机构，如图2所示。该摘穗机构在玉米果穗接触割台时，对果穗底部施加侧向力，引起果穗的位姿变化，使其偏转一个角度，同时使穗柄产生弯曲变形，然后在拉茎辊的拉力下完成玉米果穗的摘取。该摘穗机构的设计目标是减小穗柄拉断力，降低割台功耗，减少剥皮机作业量，降低脱粒机脱出物的含杂率，提高玉米机械化收获的效率和质量。