立辊式玉米收获机具有茎秆有序输送、果穗与摘穗辊组接触时间短、摘穗后的茎秆易实现集中铡切、切碎物料回收方便、割台结构尺寸小等特点。研究表明,立式玉米收获方法符合旱区全膜双垄沟播玉米机械化收获要求,可以填补目前全膜双垄沟播玉米机械化收获的空白,提高用户的种植积极性与收益。开展立辊式玉米收获摘穗机理与关键技术研究对提高立式玉米收获的摘穗质量和茎秆的适应性具有重要意义。收获时,由于立式割台摘穗间隙的限制立式摘辊对茎秆的压缩程度较大,在一般条件下,工作性能较好,但在茎秆粗大、大小不一致、含水量较多的情况下,茎秆易被拉断而造成摘辊堵塞。为实现立式割台低损摘穗和解决玉米茎秆直径大小的适应性问题,对玉米植株和果穗物理机械特性开展研究,进行了立式割台玉米植株夹持输送机理和摘穗机理研究,设计了间隙自适应立式摘穗装置,通过仿真分析和试验研究,揭示了玉米穗茎兼收植株夹持输送和摘穗机理,研制了适宜西北旱区玉米生产的全膜双垄沟穗茎兼收联合收获机,为玉米穗茎兼收作业性能的提升提供了理论支撑。本文主要在以下几个方面进行了较为深入的研究:(1)进行了玉米植株物理参数测量、植株抗弯特性测试和茎秆的压缩、拉伸、及摘穗过程力学试验测试与分析。获得了植株茎秆的拉伸、压缩以及摘穗过程的载荷-位移曲线图,总结分析了含水率对玉米籽粒力学特性的影响。(2)阐明了立式割台玉米植株夹持输送喂入过程与玉米植株姿态自适应夹持输送机理,设计了间隙夹持输送装置。通过分禾器结构及植株适收行距分析,确定了作业机的对行方式为小垄中心对行收获;通过夹持输送状态理论分析与植株姿态自适应仿真模拟分析,确定了夹持输送装置优化改进方法,并确定了割台布置方案:夹持输送装置左右对称布置,引导段聚拢喂入,选取P=15.875的双排夹持链条,夹持输送通道间隔为127 mm,通道宽度39 mm,拨禾星轮直径335 mm。(3)揭示了立式割台间隙自适应玉米摘穗机理,设计了间隙自适应立式玉米摘穗装置。分析了普通玉米立式摘穗装置的摘穗原理及摘穗装置机械损伤因素。并根据玉米植株的统计数据,确定了摘穗部件的结构参数:摘穗辊基圆直径76 mm,摘穗辊上段长400 mm,下段长200 mm,摘穗凸棱(齿)高6 mm,辊组间隙范围为15~22 mm,根据传动齿轮模数M=3和齿数Z=31确定了摘穗间隙为17 mm。提出了下摘穗间隙不变上摘穗间隙动态可调的间隙自适应摘穗装置。利用ADAMS软件建立了摘穗装置和玉米植株刚柔混合模型,通过运用传感器与脚本控制的方法分析了摘穗过程中摘穗时间、果穗碰撞力随时间的变化关系。通过改变立辊辊组倾角,模拟并统计了割台不同角度下果穗的摘落时间及碰撞力大小,得到了在割台倾角为15°时果穗碰撞力最小。从摘落果穗的运动分析来看,适当增大果穗输送带宽度,采用柔性材质的输送皮带是减少收获损失的有效措施。(4)间隙自适应玉米收获装置试验台架研究。搭建了间隙自适应立式玉米摘穗性能试验台架,通过调节变频电机转速实现植株喂入速度、摘穗辊转速,以及改变挡禾杆安装角度等方法,实现试验过程影响因素的调节。采用Central Composite响应面法设计了二次旋转正交组合试验,以立式摘穗试验台植株输送装置喂入速度、摘穗辊转速、挡禾杆安装角度为影响因素,果穗损失率、籽粒损失率、籽粒破碎率、断茎率为评价指标,研究割台收获性能。利用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行了处理,建立了影响因素与评价指标间的回归模型,分析影响因素对试验指标的影响规律。得到了最优参数组合为:喂入速度为3.84 km/h、摘穗辊转速为1 160 r/min、挡禾杆安装角度为73°,并以最优参数组合进行了室内台架试验,试验表明:在优化参数组合下,果穗损失率为1.86%、籽粒损失率为0.32%、籽粒破碎率为0.25%、断茎率为1.12%,表明间隙自适应玉米摘穗装置符合玉米收获机摘穗割台要求,可以实现玉米植株茎秆直径的适应性,同时明显提升了玉米植株在立式割台的通过性能,符合玉米立式收获割台的设计要求。(5)玉米全膜双垄沟穗茎兼收联合收获机研制与田间试验。在室内台架试验的基础上,研制了适宜西北旱区玉米生产的全膜双垄沟穗茎兼收联合收获机,并对试验样机进行了田间试验,田间试验结果与台架试验结果相近,满足玉米联合收获机作业质量要求。