大蒜打捆收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

申世龍，尚書(shū)旗，王東偉，何曉寧，劉 濤，田連祥

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

大蒜作為我國(guó)典型的經(jīng)濟(jì)作物，種植面積居世界首位。大蒜具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，富含多種元素，可加工多種產(chǎn)品，可作為調(diào)味劑、美容化妝品的原料。其次，大蒜有較高的醫(yī)學(xué)價(jià)值，有抗腫瘤的作用[1]。因此，大蒜在國(guó)際市場(chǎng)中成為主導(dǎo)產(chǎn)品。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大蒜以山東、河南和江蘇為大蒜種植主產(chǎn)區(qū)，總面積約80萬(wàn)hm2。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)“三農(nóng)”的幫扶與政策支持及我國(guó)大蒜深加工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，大蒜的種植面積將以每年約3%～5%的速度增加[2]。因此，大蒜收獲問(wèn)題成為社會(huì)焦點(diǎn)，大蒜機(jī)械化收獲成為我國(guó)大蒜產(chǎn)業(yè)需求和研究的重點(diǎn)[3]。目前，我國(guó)大蒜的收獲方式以人工或半機(jī)械半人工為主，生產(chǎn)率低[4]。其次，大蒜在種植我國(guó)山東、河南及江蘇等地種植農(nóng)藝存在差別，壟距、行距不統(tǒng)一，平作、壟作、間作均有，嚴(yán)重影響收獲機(jī)械的適用性[5-6]。20世紀(jì)90年代，我國(guó)自主研發(fā)了一臺(tái)4DS-75A型大蒜收獲機(jī)；隨后，各大企業(yè)和科研所相繼研制4S-1型大蒜挖掘機(jī)、4S-60型大蒜收獲機(jī)、4DS-1000型大蒜挖掘機(jī)等多種大中型大蒜收獲機(jī)，但同發(fā)達(dá)國(guó)家收獲水平仍有較大差距，技術(shù)落后和收獲機(jī)械適應(yīng)性差問(wèn)題有待解決[7-8]。

針對(duì)山東省大蒜種植的現(xiàn)狀和收獲問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種大蒜打捆收獲機(jī)，旨在提高收獲效率，適應(yīng)我國(guó)多種種植模式下的大蒜收獲[9]。

1 設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)及原理

1.1 整機(jī)機(jī)構(gòu)

大蒜打捆收獲機(jī)主要包括液控對(duì)行裝置、限深-挖掘機(jī)構(gòu)、柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)、側(cè)向歸集機(jī)構(gòu)、打捆裝置及配套的懸掛部件等重要結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.限深輪 2.挖掘鏟 3.柔性?shī)A送機(jī)構(gòu) 4.打捆裝置 5.側(cè)向輸送帶 6.側(cè)向輸送鏈 7.油箱 8.油管 9.液控對(duì)行機(jī)構(gòu) 10.機(jī)架 11.液壓馬達(dá) 12.線盒

1.2 工作原理

整機(jī)配套8～12kW拖拉機(jī)，采用前懸掛的方式。整機(jī)發(fā)動(dòng)后，機(jī)手根據(jù)大蒜的行距大小，調(diào)節(jié)手動(dòng)換向閥控制液控對(duì)行裝置的液壓缸推動(dòng)柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)隨行平移；挖掘鏟進(jìn)入地下15cm左右，切斷大蒜的埋在土壤的根。整機(jī)開(kāi)動(dòng)后，柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)將挖掘后的大蒜秧蔓從土壤中拔出，大蒜與土壤分離[10]；大蒜在柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)的作用下往上輸送到側(cè)向歸集機(jī)構(gòu)，側(cè)向歸集機(jī)構(gòu)將大蒜秧蔓有序直立，歸集到集束打捆裝置中；集束打捆裝置的收集機(jī)構(gòu)將輸送而來(lái)的大蒜進(jìn)行有序歸集，送繩機(jī)構(gòu)和系扣機(jī)構(gòu)共同作用實(shí)現(xiàn)大蒜的扎捆，打捆后的大蒜被彈叉拋送田間。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 限深-挖掘機(jī)構(gòu)

限深-挖掘機(jī)構(gòu)主要包括鏟刀、限深輪、挖掘架和地面仿形部件。該機(jī)構(gòu)主要是將大蒜鏟刀深入一定深度后，切斷埋在土壤中的大蒜根系，易于大蒜夾持；大蒜鏟刀與挖掘架之間采用螺栓聯(lián)結(jié)，改變大蒜鏟刀與挖掘架相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)挖掘深度功能。為了保證限深輪對(duì)地面的接觸，實(shí)現(xiàn)限深-挖掘機(jī)構(gòu)對(duì)不同地面的仿形功能，在限深-挖掘機(jī)構(gòu)上方安裝地面仿形部件[11]。運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)限深-挖掘機(jī)構(gòu)三維成型，如圖2所示。

圖2 限深-挖掘機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 側(cè)向歸集機(jī)構(gòu)

側(cè)向歸集機(jī)構(gòu)主要包括上、下兩條同步側(cè)向輸送鏈、側(cè)向傳送帶和側(cè)向傳動(dòng)軸。通過(guò)對(duì)成熟的大蒜生長(zhǎng)特性參數(shù)測(cè)定得出：蒜株平均高度為35cm，大蒜頭平均質(zhì)量25g。為保證大蒜在側(cè)向運(yùn)輸過(guò)程秧蔓的直立性和穩(wěn)定性，上、下兩條同步側(cè)向輸送鏈間距為16cm。在側(cè)向輸送鏈下方增加側(cè)向傳送帶，用于托住大蒜頭，與側(cè)向輸送鏈同步將大蒜輸送到打捆裝置進(jìn)行打捆，如圖3所示。側(cè)向歸集機(jī)構(gòu)動(dòng)力由配套的拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)變速箱傳遞。

圖3 側(cè)向歸集機(jī)構(gòu)原理圖

2.3 液控對(duì)行裝置

液控對(duì)行裝置主要由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、滑套和導(dǎo)軌梁組成。該裝置利用液壓傳動(dòng)原理，兩個(gè)液壓缸同步推動(dòng)兩滑套(與柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)相連接)在導(dǎo)軌梁上滑動(dòng)，從而帶動(dòng)柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)左右移動(dòng)。其中，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括齒輪泵、雙作用液壓缸、換向控制閥、調(diào)速閥、油箱和各路油管等。圖4為大蒜樣機(jī)的液壓系統(tǒng)控制回路。

圖4 液壓控制系統(tǒng)

柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235方管焊接制作，由彈簧測(cè)力器測(cè)得重力為162N。柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)通過(guò)滑套安裝在導(dǎo)軌梁上，對(duì)導(dǎo)軌梁產(chǎn)生徑向壓力，受力情況如圖5所示。若柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)的產(chǎn)生的壓力過(guò)大，導(dǎo)軌梁會(huì)發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形，影響滑套在導(dǎo)軌梁上的滑動(dòng)。因此，有必要對(duì)柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌梁進(jìn)行靜力學(xué)分析。

圖5 柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)受力圖

柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌梁上受力平衡，由圖5得出其滿足如下力學(xué)關(guān)系：

根據(jù)∑Fx=0可得

FAcosα-FBcosβ=0

由以上公式得

根據(jù)∑Fy=0可得

G-FBsina-FAsinβ=0

由以上公式得

兩式聯(lián)立得

根據(jù)機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系可得

式中FA——A點(diǎn)受的力(N)；

FB——B點(diǎn)受的力(N)；

H——A點(diǎn)到B點(diǎn)的豎直距離(m)；

H1——O重心到B點(diǎn)的水平距離(m)；

H2——A點(diǎn)到B點(diǎn)的水平距離(m)；

H3——O重心到A點(diǎn)的豎直距離(m)；

G——夾送機(jī)構(gòu)的重力(N)。

導(dǎo)軌梁主要對(duì)柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)起到滑動(dòng)和支撐作用。根據(jù)柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)導(dǎo)軌梁設(shè)計(jì)選用材料碳素結(jié)構(gòu)鋼，外徑為Φ60mm、內(nèi)徑為Φ50mm的表面光滑的圓管，其兩段焊接固定在機(jī)架上，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)軌梁示意圖

根據(jù)上述求得柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)在A、B點(diǎn)對(duì)導(dǎo)軌梁的作用，運(yùn)用Workbench對(duì)導(dǎo)軌梁進(jìn)行靜態(tài)學(xué)分析。將SolidWorks建模成型的導(dǎo)軌梁導(dǎo)入workbench軟件中，并依此對(duì)導(dǎo)軌梁進(jìn)行材料、劃分網(wǎng)格、施加載荷，最后得出導(dǎo)軌梁的總變形圖像[12]，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)軌梁總變形圖

由圖7中看出：導(dǎo)軌梁的最大變形量在中心位置，最大位移為0.011 09mm，變形很小。因此，該結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)合理。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

試驗(yàn)地點(diǎn)選威海文登區(qū)文登營(yíng)鎮(zhèn)東杜里村大蒜示范區(qū)，示范面積3.3hm2。對(duì)大蒜種植示范區(qū)的大蒜生長(zhǎng)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并記錄，如表1所示。

表1 大蒜的生長(zhǎng)特性

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)大蒜試驗(yàn)區(qū)分別取得前進(jìn)速度、夾持高度、夾持輸送速度和挖掘深度為四因素進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平表如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素水平表

選用L9(34)正交表安排試驗(yàn)，計(jì)算得每組的不合格率、傷蒜率和漏蒜率，并利用極差法計(jì)算的每組數(shù)據(jù)填入表3。不考慮各因素之間的交互作用，通過(guò)表中的試驗(yàn)結(jié)果判斷各因素對(duì)性能指標(biāo)的影響程度，從而確定整機(jī)的最優(yōu)組合[13]。

表3 大蒜打捆收獲機(jī)試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

該試驗(yàn)為多指標(biāo)正交試驗(yàn)，采用加權(quán)評(píng)分法將三指標(biāo)整合為綜合指標(biāo)[14]。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，3個(gè)指標(biāo)越小越好。由表3得出：前進(jìn)速度為0.013 8m/s、挖掘深度為0.10m、夾持高度為0.035m、夾送速度為0.018m/s時(shí)，收獲機(jī)獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，為后期樣機(jī)的調(diào)試與優(yōu)化提供依據(jù)。

4 結(jié)論

1) 創(chuàng)新設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)與柔性?shī)A送機(jī)構(gòu)組合的液控對(duì)行裝置，設(shè)計(jì)了兩個(gè)液壓缸同步運(yùn)行推動(dòng)夾送機(jī)構(gòu)短程移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾送機(jī)構(gòu)的對(duì)行功能，解決了大蒜收獲機(jī)械因種植模式多樣化而不適用的收獲問(wèn)題，滿足了農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的要求。

2) 運(yùn)用Workbench軟件對(duì)導(dǎo)軌梁進(jìn)行劃分網(wǎng)格，施加載荷約束，從而得到了導(dǎo)軌梁的總變形云圖，比較直觀地展現(xiàn)導(dǎo)軌梁變形量，為結(jié)構(gòu)的合理性提供了依據(jù)。

3) 通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集，采用多指標(biāo)正交試驗(yàn)，確定了整機(jī)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)前進(jìn)速度為0.013 8m/s、挖掘深度為0.15m、夾持高度為0.035m、夾送速度為0.018m/s時(shí)，大蒜打捆收獲機(jī)打捆不合格率、漏蒜率和傷蒜率等性能參數(shù)最低，為后續(xù)樣機(jī)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。