垅作大豆全地形收割裝置的開發(fā)研究*

王金雙，陳 郁，陳 霓，熊永森，周翎霄

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，浙江金華321000;2.浙江四方集團(tuán)公司，浙江永康321300)

0 引 言

我國南方研發(fā)生產(chǎn)的全喂入稻麥聯(lián)合收割機(jī)已大量應(yīng)用于東北地區(qū)的水稻收獲，為擴(kuò)大作業(yè)功能需配置大豆收獲裝置進(jìn)行大豆聯(lián)合收獲。大豆是我國主要的油料作物，2013年我國種植面積達(dá)9.33×106hm2(約1.4億畝)。東北地區(qū)是我國大豆的主要產(chǎn)區(qū)，僅黑龍江省就種植2.6×106hm2(4 000萬畝)的面積。大豆普遍實(shí)行采用“垅三”載培法，垅距(行距)65 cm～70 cm，垅臺(tái)高14 cm～17 cm。由于垅臺(tái)系多次中耕培土形成，相鄰垅臺(tái)之間高度差可達(dá)3 cm～8 cm甚至更大。大豆植株的生物學(xué)特征是結(jié)莢部位低、收割時(shí)易炸莢。由于上述原因，用現(xiàn)有全喂入聯(lián)合收割機(jī)收獲時(shí)，因切割器是與收割臺(tái)剛性聯(lián)結(jié)的整體式結(jié)構(gòu)，在高低不平的垅臺(tái)上進(jìn)行收割時(shí)必然出現(xiàn)高割茬。割茬高了引起炸莢(割到豆莢)、拉莢((豆莢未割下)、掉技(豆技未進(jìn)割臺(tái))等損失，損失率可達(dá)5% ～7%。為了開發(fā)適用于大豆收獲的切割器，半個(gè)多世紀(jì)以來，國內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量的研究［1-4］，取得許多成果，較成功的有美國早期開發(fā)的切割器整體上下浮動(dòng)的Hart-Carter(由2根連桿驅(qū)動(dòng))，當(dāng)前市場(chǎng)上廣為應(yīng)用的也是在此基礎(chǔ)上研發(fā)的200系列撓性割臺(tái)［5-6］。由于在整個(gè)割幅內(nèi)存在垅臺(tái)差，割茬必然參差不齊，整體切割器很難解決因高割茬引起的損失。

本研究將金地形切割技術(shù)應(yīng)用到往復(fù)式切割器中，開展具有分段式往復(fù)切割器和雙自由度仿形機(jī)構(gòu)的金地形收割裝置的研究。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

收獲大豆時(shí)大都應(yīng)用往復(fù)式切割器，全地形往復(fù)式切割裝置作業(yè)時(shí)，要求切割器能緊貼每個(gè)垅臺(tái)切割大豆莖稈，因此必須利用“兩點(diǎn)支承一根桿件”的原理，采用一組切割器收割兩垅大豆的結(jié)構(gòu)，并給刀床施以一定壓力使切割器緊貼垅臺(tái)工作獲得最低割茬。為此刀床必須是能浮動(dòng)的，為此本研究設(shè)計(jì)了一套仿形系統(tǒng)，使刀床縱向能隨垅臺(tái)高度上下浮動(dòng)，同時(shí)使刀組兩端能繞刀組中心偏轉(zhuǎn)，以適應(yīng)橫向兩個(gè)垅臺(tái)不同的高度而貼緊每個(gè)垅臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全地形作業(yè)。為控制浮動(dòng)范圍，本研究設(shè)有縱向和橫向限位裝置。刀床接觸垅臺(tái)的壓力必須適當(dāng)以免破壞垅臺(tái)。根據(jù)機(jī)器割幅可以設(shè)置若干組刀床。割下的豆枝通過旋轉(zhuǎn)輥送入收割臺(tái)，旋轉(zhuǎn)輥和收割臺(tái)之留有空，以防止泥土進(jìn)入收割臺(tái)污染大豆。

裝有兩組切割器的垅作大豆全地形收割臺(tái)如圖1所示。

圖1 垅作大豆全地形切割器結(jié)構(gòu)示意圖

2 垅作大豆全地形收割裝置設(shè)計(jì)

2.1 垅臺(tái)地面特征及對(duì)仿形系統(tǒng)的要求

經(jīng)測(cè)定，收獲期垅臺(tái)有如下特征:①經(jīng)多次中耕培士后，垅臺(tái)表層土壤強(qiáng)度［σ］=0.05 MPa～0.07 MPa，要求刀床仿形板的接觸比壓應(yīng)小于該值;②同一截面上相鄰垅臺(tái)高度差平均為5 cm，最高達(dá)8 cm，要求刀床在該位置能傾斜切割;③同一垅臺(tái)上，相距100 cm的兩個(gè)垅臺(tái)截面的平均高度差為3.5 cm，要求刀床能縱向浮動(dòng)。因此，全地形垅作大豆切割器的仿形系統(tǒng)必須具備上、下平動(dòng)和繞刀組中心轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度，以適應(yīng)縱向和橫向不同垅臺(tái)高度而貼緊每個(gè)垅臺(tái)作業(yè)。

2.2 全地形切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如上所述，全地形切割器一組切割器(簡稱分刀組，下同)收割兩垅大豆，割幅為2.5 m的收割臺(tái)，收割行距為65 cm時(shí)的垅作大豆時(shí)，可配備2組切割器。分刀組由扁鋼制造的刀床以及安裝其上的標(biāo)I形往復(fù)式切割器各種元件構(gòu)成，分刀組動(dòng)刀桿中心設(shè)有球形驅(qū)動(dòng)頭，通過分連桿與主刀桿以肖軸相連。分刀組通過安裝在刀床上的肖軸與仿形杠桿頭部軸套相連，分刀組可繞軸套轉(zhuǎn)動(dòng)，以適應(yīng)正收割的兩個(gè)垅臺(tái)的高差。分刀組下部與垅臺(tái)接觸處裝有仿形板，以減輕分刀組對(duì)垅臺(tái)的壓力以免破壞垅臺(tái)。主刀桿通過5組滾輪安裝在收割臺(tái)上，由切割器驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。分刀組與收割臺(tái)之間設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)輥，用以將割下的豆枝送入收割臺(tái)并防止泥土進(jìn)入割臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)輥由驅(qū)動(dòng)撥禾輪的皮帶輪通過V形傳動(dòng)帶傳動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)輥外套有膠管以增加摩擦力，轉(zhuǎn)動(dòng)輥外徑φ=75 mm，轉(zhuǎn)速n=350 r/min。

2.3 仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿形機(jī)構(gòu)由仿形杠桿、仿形彈簧組件、縱向和橫向限位裝置等構(gòu)成。仿形杠桿位于收割臺(tái)下部，其中部通過軸套與收割臺(tái)鉸接。其后端裝有仿形彈簧組件以平衡分刀組對(duì)垅臺(tái)的壓力。彈簧預(yù)應(yīng)力可調(diào)，使分刀組對(duì)垅臺(tái)的壓強(qiáng)σ＜0.05 MPa的設(shè)計(jì)要求。仿形彈簧通過彈簧架安裝在仿形杠桿上，另一端固定在收割臺(tái)上，作業(yè)時(shí)仿形機(jī)構(gòu)位于垅溝，履帶行走在垅溝中有助于提高作業(yè)質(zhì)量。

仿形機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)及受力情況如圖2所示。

圖2 仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 垅臺(tái)壓力P分析計(jì)算

機(jī)器作業(yè)時(shí)，全地形切割器(分刀組)對(duì)垅臺(tái)的壓力P由兩個(gè)垅臺(tái)承擔(dān)，分刀組對(duì)垅臺(tái)的壓力P由分刀組對(duì)垅臺(tái)的靜壓力P1和對(duì)垅臺(tái)的動(dòng)壓力P2構(gòu)成，以每個(gè)垅臺(tái)承擔(dān)1/2計(jì)，則:

3.1 靜壓力P1計(jì)算

分刀組安裝在仿形杠桿頭部，仿形杠桿各處受力構(gòu)成平行力系，根據(jù)力系平衡原理，∑M0=0，有:

式中:F1—分刀組與仿形杠桿O點(diǎn)左段的質(zhì)量所引起的重力由索多邊形合成后的合力，F(xiàn)1=224.50 N;F2—仿形杠桿O點(diǎn)右段和彈簧架質(zhì)量所引起的重力由索多邊形合成后的合力，F(xiàn)2=37.73 N;F3—平衡彈簧張力，N;當(dāng) α =0°～11°，F(xiàn)3=49.0 N ～88.2 N;l1，l2，l3—F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3與O點(diǎn)的距離，l1=450 mm，l2=240 mm，l3=320 mm;l—P'1作用線與O點(diǎn)的距離，l=500 mm;P'1—垅臺(tái)反作用力，N，其反向的力即為對(duì)垅臺(tái)力P1;α—刀組升降平衡彈簧上掛結(jié)點(diǎn)O1與O點(diǎn)連線的夾角，α =0°～11°。

圖3 仿形系統(tǒng)平行力系示意圖

令A(yù)=F1l1-F2l2，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得:A=92.56 N·m。

故:

式中:C—彈簧剛度，N/mm，C=1.1，即C=1 100 N/m;ε—平衡彈簧變形系數(shù)，ε=l3/l1=1.36;Δh2—切割器縱向浮動(dòng)量，Δh2(0～50 mm)。

分刀組對(duì)垅臺(tái)的壓力為P'1的反作用力，與P'1大小相等，方向相反。

3.2 動(dòng)壓力P2計(jì)算

機(jī)器作業(yè)時(shí)，分連桿驅(qū)動(dòng)切割器作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與刀床夾角β隨刀床的傾斜度變化。分連桿與分刀桿的連接點(diǎn)(驅(qū)動(dòng)點(diǎn))為球形鉸接，因此驅(qū)動(dòng)刀R可分解為沿著刀床對(duì)切割器的驅(qū)動(dòng)力和垂直刀床、通過仿形板垅臺(tái)的分力P2，作于垅臺(tái)的動(dòng)壓力垂直分力如圖4所示［7］。

圖4 作于垅臺(tái)的動(dòng)壓力垂直分力

從圖4可知:

式中:R—分連桿驅(qū)動(dòng)力，N，用于克服切割時(shí)的工作阻力;β—分連桿與刀床夾角，β=0～8°;Pf—分刀組切割器摩擦力，動(dòng)刀桿能用手推拉時(shí)可忽略不計(jì)，即Pf=0;Δh1——切割器橫向偏轉(zhuǎn)相鄰垅臺(tái)高度差(0～60 mm);l4——垅距，l4=65 cm。

根據(jù)切割器理論:

式中:Pc—平均切割阻力，且:

式中:B—分刀組割幅，B=1.18 m;H—切割器進(jìn)距，H=30Vm/n=0.064 m;Q—切割單位面積作物所作的功，J，收獲大豆Q=100 Nm/m2=100 J/m2;XH—切割器動(dòng)刀片有效行程，mm，XH=0.031(標(biāo)準(zhǔn)型);Pd—切割器慣性力，N，且:

式中:M—分連桿和分動(dòng)刀的質(zhì)量，kg，M=4.5;amax—?jiǎng)拥蹲畲蠹铀俣?，m/s2，分連桿向地面運(yùn)動(dòng)為“+”反之為“-”;且:

式中:r—曲柄半徑，m;ω—曲柄角速度，1/s。

r=0.036，ω =47代入公式(9)可得，amax=79.52。

將式(7，8)式代入式(6)可得:

3.3 垅臺(tái)壓力P

將式(4，10)代入式(1)，可得切割器對(duì)垅臺(tái)的總作用力P:

式中:函數(shù)P有 4 個(gè)變量，即 Δh2、Δh1、α、β，即P=f(Δh1，Δh2，α，β)，為四元函數(shù)，不能用二元函數(shù)二階偏導(dǎo)的B2-4AC≥0來判斷極大值和極小值，故可以駐點(diǎn)和邊界值求得，即在4個(gè)變量的定義域內(nèi)，函數(shù)P有定值，因此，為了求得極值可根據(jù)費(fèi)馬定理，求函數(shù)P對(duì)各變量的偏導(dǎo)，確定該函數(shù)極值的“駐點(diǎn)”［8］。

得 β=0;Δh1=0;

得α=0;

得 α=π/2，Δh2=0;

得β=π/2。

將位于駐點(diǎn)內(nèi)的值 β=0，Δh1=0，α=π/2，Δh2=0及設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(11)，可得:

取右邊界值，β =8，α =11，Δh2=60 mm，Δh1=50 mm及設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(11)，當(dāng)分連桿向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖4所示分連桿向左運(yùn)動(dòng)(朝向地面)P1、P2同向，amax為“+”值，可得P=82.38 N。

當(dāng)分連桿向右運(yùn)動(dòng)(離開地面)，amax為“-”值，可得P=32.28 N，即對(duì)垅臺(tái)的最大壓力Pmax=102.84 N，最小壓力Pmin=32.28 N。

3.4 切割器對(duì)垅臺(tái)壓強(qiáng)σ

切割器對(duì)垅臺(tái)壓強(qiáng)σ［9］為:

式中:S—仿形板接地面積，m2，S=0.007。

當(dāng)動(dòng)刀組處于最高位置(水平位置)，由于F3為最小值，動(dòng)刀組質(zhì)量由垅承擔(dān)P=Pmax代入式(12)，σ=Pmax/2S=0.007 MPa＜［p］=0.05 MPa。

當(dāng)動(dòng)刀組處于最低位置，動(dòng)刀組質(zhì)量由彈簧平衡，F(xiàn)3為最大值，P=Pmin，代入式(12)，σ =Pmin/2SMPa＜［p］=0.05 MPa。

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 概述

試驗(yàn)機(jī)型為4LZ—2.5履帶式全喂入聯(lián)合收割機(jī)，橫軸流，割幅2.5 m，裝有兩組切割器。大豆株高70 cm～75 cm，垅距65 cm，密度約35萬株/hm2，予測(cè)產(chǎn)量2 100 kg/hm2，籽粒含水率18% ～20%，百粒重15.05 g，豆莢下垂后最低點(diǎn)離地高度50 cm～67 cm，垅距65 cm，9測(cè)點(diǎn)截面相鄰垅高差3.5 cm～7.7 cm，機(jī)器前進(jìn)速度1 m/s［10］。田間測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 垅作大豆全地形收割裝置割臺(tái)損失測(cè)定表

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)全地形切割器能在相鄰垅臺(tái)存在垅高差的情況下，刀組能自由浮動(dòng)并始終緊貼每個(gè)垅臺(tái)作業(yè)，因此能獲得低割茬。經(jīng)測(cè)定平均割茬為4.37 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.01 cm，變異系數(shù)為0.23，效果較好。

(2)有關(guān)研究表明，收割臺(tái)損失占大豆收獲總損失的80%，收割臺(tái)損失主要有5項(xiàng)，即“掉技”(豆枝雖巳割下但未進(jìn)入割臺(tái));“掉莢”(已割下的豆莢掉在地上)、“炸莢”(豆莢炸裂飛濺);“拉莢”(俗稱“拉馬耳朵"，留在割茬上的豆莢);“拉技”(俗稱“漏胡子”，未割下的豆枝)，而高割茬是引起這些損失的主要因素之一。由于全地形切割裝置能獲得低割茬，收割臺(tái)5項(xiàng)損失均獲得不同程度減少，收割臺(tái)總損失僅為1.90%。

(3)由于切割器刀組下設(shè)仿形板與垅臺(tái)接觸，切割通過后垅臺(tái)光滑平整，可為下一熟玉米垅上播種創(chuàng)造良好條件。

5 結(jié)束語

(1)本研究以“兩點(diǎn)支承一桿件”的原理研發(fā)的大豆全地形往復(fù)式切割裝置替代整體式切割器，可在整機(jī)割幅內(nèi)可基本消除因垅高差引起的高割茬，以及由此產(chǎn)生的損失。由于一刀只割兩垅，切割器只有在兩垅臺(tái)支持下才能穩(wěn)定工作，達(dá)到刀床緊貼每個(gè)垅臺(tái)作業(yè)，從而獲得了低割茬。

(2)切割器對(duì)垅臺(tái)壓強(qiáng)σ=0.007 MPa～0.05 MPa＜［p］=0.05 MPa，在正常作業(yè)狀態(tài)下，不會(huì)破壞垅臺(tái)表面。

(3)切割器在田間作業(yè)中能隨垅臺(tái)高差的變化而靈活浮動(dòng)，使切割器獲得最低割茬，其均值為4.37 cm，消除了因高割茬引起的“拉莢”損失，減輕了因高割茬引起的其他4項(xiàng)收割臺(tái)損失，割茬和收割臺(tái)損失都達(dá)到了技術(shù)要求。

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