大型輥筒類西葫蘆收獲機(jī)撿拾裝置的改進(jìn)設(shè)計

王 芳，楊 錚，田 超

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

打籽西葫蘆在國內(nèi)11個省和自治區(qū)都有種植，尤其是在甘肅、內(nèi)蒙、新疆和黑龍江地區(qū)。由于西葫蘆種植面積大，機(jī)械化收獲的研究屬于初期階段，人力投入和收獲成本的消耗依然很高，所以機(jī)械化收獲的問題急需解決。

大型輥筒類自走式西葫蘆取籽收獲機(jī)是內(nèi)蒙古巴彥淖爾市五原縣蒙龍機(jī)械設(shè)計有限責(zé)任公司研發(fā)的一款新產(chǎn)品，主要由撿拾輥筒裝置、西葫蘆輸送裝置及西葫蘆破碎取籽裝置3部分構(gòu)成。該機(jī)器相對于以前的葫蘆類收獲機(jī)而言，具有撿拾效率高、漏檢率低、結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高及操作方便等優(yōu)點。

本文通過對撿拾裝置的改進(jìn)設(shè)計，解決該機(jī)器在實際工作中存在的問題：①漏撿現(xiàn)象；②撿拾以后西葫蘆不易脫落；③撿拾過程中雜草容易進(jìn)入破碎取籽裝置，導(dǎo)致破碎取籽裝置損壞。最后，通過田間撿拾試驗檢驗改進(jìn)效果[1-6]。

1 西葫蘆收獲機(jī)工作原理

大型輥筒類自走式西葫蘆收獲取籽一體機(jī)簡圖如圖1所示。西葫蘆收獲機(jī)在收獲工作過程中，位于輥筒前端的分瓜器將西葫蘆分到整個輥筒撿拾裝置的工作幅寬內(nèi)，撿拾輥筒上布滿扎瓜齒，扎瓜齒與西葫蘆接觸時，會扎入到西葫蘆內(nèi)部；撿拾輥筒在拖拉機(jī)的推進(jìn)下會做逆時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，西葫蘆隨著輥筒的前進(jìn)而逐漸向上運(yùn)動，位于輥筒上端的取瓜梳與扎瓜齒形成垂直交錯狀便于西葫蘆脫落，與扎瓜齒分離的西葫蘆會落入與西葫蘆輸送裝置相連接的平臺上；該平臺位于機(jī)架中部，在絞龍的作用下進(jìn)入西葫蘆輸送裝置，將西葫蘆輸送到脫粒取籽裝置中。

1.撿拾輥筒 2.取瓜梳 3.U形架 4.駕駛室 5.輸送裝置 6.破碎取籽裝置 7.物料提升裝置

2 撿拾裝置的改進(jìn)設(shè)計

2.1 扎瓜齒的改進(jìn)設(shè)計

扎瓜齒是撿拾輥筒上的重要零件，目前輥筒類自走式西葫蘆收獲機(jī)在收獲過程中存在扎瓜齒易斷裂和變形、撿拾效率低的現(xiàn)象。其原因在于工作環(huán)境惡劣、土壤中有硬石塊、西葫蘆體積范圍大等。西葫蘆的直徑是決定扎瓜齒的形狀及扎瓜齒在撿拾輥筒上排列的重要因素。調(diào)查“金豐18號”籽用西葫蘆的種植環(huán)境和規(guī)模，對扎瓜齒的材料、長度、排列方式等方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

2.1.1 扎瓜齒材料的改進(jìn)

以前使用的扎瓜齒材料為普通高碳鋼，在長時間工作過程中，扎瓜齒與土地及土壤下的石頭頻繁接觸會造成扎瓜齒變形甚至斷裂，因此需要選用另外一種材料對扎瓜齒進(jìn)行設(shè)計。考慮到生產(chǎn)成本及其他工作要求，對多種材料的扎瓜齒進(jìn)行碰撞對比，最終采用經(jīng)過熱處理的合金鋼材料[7]。

2.1.2 扎瓜齒長度的改進(jìn)

當(dāng)扎瓜齒較長時，雖然很容易撿拾西葫蘆且不易脫落，但容易造成西葫蘆的破碎，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，取瓜梳也很難將其從扎瓜齒上取下來；當(dāng)扎瓜齒較短時，雖然取瓜梳很容易就將西葫蘆從扎瓜齒上取下，但是西葫蘆不易被撿起而且容易脫落，造成漏撿的情況，會加大農(nóng)民的勞動強(qiáng)度。根據(jù)西葫蘆的種植模式及西葫蘆的大小，通過撿拾輥筒樣機(jī)在田間進(jìn)行多次實驗，最終將扎瓜齒的長度確改為225mm。

2.1.3 扎瓜齒形狀的改進(jìn)

目前，輥筒類撿拾機(jī)械扎瓜齒的形狀主要有四棱形、三棱形及圓錐形3種，優(yōu)缺點如表1所示。

表1 3種形狀扎瓜齒優(yōu)缺點比較Table 1 Advantages and disadvantages of three kinds zucchini tooth

綜合上述3種形狀扎瓜齒的優(yōu)缺點，西葫蘆收獲機(jī)最終采用的是圓柱形扎瓜齒。原有的西葫蘆收獲機(jī)中，扎瓜齒與輥筒的連接方式采用的普通焊接方式，在扎瓜齒發(fā)生斷裂、變形及根部發(fā)生損壞時，扎瓜齒更換、維修困難。本次設(shè)計將圓形扎瓜齒根部改為矩形凸臺形，在輥筒上打孔，采用螺紋螺母聯(lián)接方式，根部不易損壞，維修更換方便。關(guān)于扎瓜齒的直徑，當(dāng)直徑過大時，整個撿拾輥筒質(zhì)量增加，成本提升，西葫蘆不易脫落，容易破碎；當(dāng)直徑過小時，雖然西葫蘆容易脫落、撿拾率低、成本降低，但在復(fù)雜惡劣環(huán)境下進(jìn)行撿拾工作時，扎瓜齒容易變形、斷裂。經(jīng)過多次試驗及參考西葫蘆的大小，最終將扎瓜齒直徑確定為11 mm。扎瓜齒如圖2所示。

圖2 扎瓜齒Fig.2 Squash tooth

2.1.4 扎瓜齒排列方式的改進(jìn)

扎瓜齒在輥筒上的排列方式主要有兩種：一種均勻錯位式排列，另一種是田字形排列。兩種排列方式如圖3所示。

1.扎瓜齒 2.輥筒 1.扎瓜齒 2.輥筒

扎瓜齒在輥筒上的排列方式會影響撿拾效率。當(dāng)排列過于密集時，在撿拾過程中容易將西葫蘆扎碎造成浪費(fèi)，取瓜相對困難；當(dāng)排列過于稀疏時，則容易漏檢，撿拾率低。扎瓜齒在輥筒上的排列應(yīng)滿足以下要求：①可以撿起體積較小的西葫蘆，減少扎碎西葫蘆的現(xiàn)象；②便于取瓜梳取瓜；③降低扎瓜齒在工作過程中接觸硬石塊的概率。

扎瓜齒排列方式的優(yōu)缺點比較如表2所示。綜合西葫蘆種植環(huán)境與模式、撿拾效率、取瓜難易程度、扎瓜齒使用壽命等因素，采用傳統(tǒng)田字形排列，一列長、一列短地均勻排列，長度分別為240 mm和190 mm，既保證撿拾效率，又可以減少扎瓜齒接觸石塊的概率。

表2 扎瓜齒優(yōu)缺點比較Table 2 Advantages and disadvantages of zucchini tooth

在田間測量過程中發(fā)現(xiàn)，長徑小于12mm、短徑小于8mm的西葫蘆只占到全部測量數(shù)的5%，所以在設(shè)計扎瓜齒之間的距離時這部分可以忽略掉。同時，為了減少整機(jī)質(zhì)量，避免扎瓜齒接觸石塊產(chǎn)生變形和斷裂等現(xiàn)象，扎瓜齒的總數(shù)應(yīng)盡量減少，扎瓜齒之間的距離應(yīng)為70～100mm。綜合多種因素，扎瓜齒之間的距離選擇為85mm[8]，最終確定扎瓜齒排列方式如圖4所示。

1.扎瓜齒(長) 2.扎瓜齒(短) 3.輥筒

2.2 取瓜梳的改進(jìn)設(shè)計

取瓜梳形狀及與扎瓜齒的排列方式是影響收獲效率的重要因素。原有的取瓜梳采用直線型設(shè)計，取瓜困難，經(jīng)過多次試驗，將取瓜梳的形狀改為流線型，將圓柱形取瓜梳改為矩形，在取瓜梳中間掏空便于刀片的安裝[9]；并且與扎瓜齒垂直交錯布置，不僅取瓜方便，保證效率，輥筒直徑還可以減少，減輕了整個機(jī)器的質(zhì)量。取瓜梳的形狀以排列方式如圖5所示。

圖5 取瓜梳形狀及排列方式Fig.5 Shape and arrangement of taking melon comb

2.3 除草裝置的設(shè)計

在西葫蘆撿拾的過程中，莖、葉、雜草等雜物會隨著撿拾輥筒一起轉(zhuǎn)動，有時會伴隨著西葫蘆進(jìn)入破碎取籽裝置，影響工作效率，增加維護(hù)成本，因此除草裝置的設(shè)計也是非常重要的。根據(jù)西葫蘆收獲時的環(huán)境，增加了打秧輥、割草刀和壓莖輥，如圖6～圖8所示。西葫蘆收獲機(jī)工作時，輥筒前方的打秧滾工作，將莖、葉和雜草卷起；然后被壓莖滾壓下，遺漏部分被輥筒后方的第2個打秧輥打下；最后取瓜梳將西葫蘆取下，割刀將剩余的雜草去除。

除草裝置的作用是在撿拾過程中去除雜草，防止雜草進(jìn)入破碎脫籽裝置，減少機(jī)具的后期維護(hù)成本。

圖6 打秧輥Fig.6 Weeding roll

圖8 壓莖輥Fig.8 Presiding grass roll

3 撿拾裝置中輥筒部件的仿真分析

通過對巴彥淖爾市五原縣地區(qū)西葫蘆種植環(huán)境進(jìn)行抽樣調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)種植區(qū)土壤較為平整，但個別種植區(qū)土壤環(huán)境較為惡劣，坑坡處比較多。由此確定西葫蘆收獲取籽一體機(jī)撿拾裝置中輥筒部件的強(qiáng)度分析方案如下：

1)撿拾裝置在正常工作環(huán)境下，對輥筒部件整體進(jìn)行強(qiáng)度分析；

2)撿拾裝置右輪陷入10 cm深坑時，對輥筒部件整體進(jìn)行強(qiáng)度分析；

3)將撿拾裝置整體置于10 cm上坡面時，對撿拾輥筒部件整體進(jìn)行強(qiáng)度分析。

用SolidWorks軟件對撿拾裝置進(jìn)行三維建模，如圖9所示[10-11]。

將撿拾裝置中的輥筒部件的三維裝配圖導(dǎo)入到 ANSYS workbench中，對仿真模型的參數(shù)設(shè)定如下：定義撿拾裝置的材料為結(jié)構(gòu)鋼(Structural Steel)，彈性模量為2.5E×103，抗拉強(qiáng)度(Tensile Ultimate Strength)為4.6E×103，泊松比為0.3。撿拾裝置輥筒部件的網(wǎng)格劃分模型如圖10所示，該模型共有255 756個單元、120 168個節(jié)點[12-13]。

圖9 撿拾裝置的三維裝配圖Fig.9The three-dimensional assembly drawing of the pick-up device

圖10 撿拾裝置的網(wǎng)格劃分Fig.10 Analyze grid of the pick-up device

3.1 正常工作環(huán)境下?lián)焓把b置整體強(qiáng)度分析

撿拾裝置在自然狀態(tài)下只受一個重力作用，應(yīng)力分析如圖11所示。由圖11可知：當(dāng)撿拾裝置輥筒部件正常工作時，所受最大應(yīng)力為108.67MPa，最小應(yīng)力為1.49e-5 MPa，應(yīng)力主要集中在輪輻的支撐軸上。

圖11 撿拾裝置自然狀態(tài)下的應(yīng)力分析Fig.11 Stress analysis of picking device in natural state

3.2 撿拾輥筒右輪陷入10cm坑時的強(qiáng)度分析

撿拾裝置右輪陷入10 cm坑時的應(yīng)力分析如圖12所示。由圖12可知：當(dāng)撿拾裝置輥筒部件正常工作時，最大應(yīng)力135.837MPa，最小應(yīng)力為1.12e-9 MPa，陷入10cm深坑時應(yīng)力與正常工作環(huán)境下的情況基本相同，主要集中在輪輻的支撐軸上。

圖12 撿拾裝置右輪陷入10 cm坑時的應(yīng)力分析Fig.12 Stress analysis when the right wheel of the pick-up device falls into the 10cm pit

3.3 撿拾裝置整體置于10 cm上坡面時的強(qiáng)度分析

撿拾裝置整體置于10cm上坡面時的應(yīng)力分析如圖13所示。由圖13可知：當(dāng)撿拾裝置正常工作時，最大應(yīng)力為127.43MPa，最小應(yīng)力為0.000 13MPa，應(yīng)力主要集中在兩個輥筒輪上的支撐軸上。

圖13 撿拾裝置整體置于10cm上坡面時的應(yīng)力分析Fig.13 Stress analysis of the pick-up device as a whole on a 10 cm uphill

3.4 撿拾裝置輥筒部件強(qiáng)度校核

查閱有關(guān)資料可以得到，撿拾輥筒部件材料屈服極限σs=310MPa,農(nóng)業(yè)機(jī)械中安全系數(shù)為1.3～1.5，本次校核采用安全系數(shù)為1.4。根據(jù)最大剪應(yīng)力理論可知強(qiáng)度條件為

其中，[σ]為許用應(yīng)力，n為安全系數(shù)。

1)撿拾輥筒部件正常工作時，根據(jù)分析可知最大應(yīng)力為108.67MPa，由于[σ]<[σs]，所以在正常工作情況下?lián)焓拜佂膊考?qiáng)度合格，滿足工作要求。

2)撿拾輥筒部件右輪陷入10cm深坑時，根據(jù)分析可知最大應(yīng)力為135.837MPa，由于[σ]<[σs]，所以在陷入10 cm深坑情況下?lián)焓拜佂膊考?qiáng)度合格，滿足工作要求。

3)當(dāng)撿拾輥筒部件置于10cm上坡面時，根據(jù)分析可知最大應(yīng)力為127.43MPa，由于[σ]<[σs]，所以在情況下?lián)焓拜佂膊考?qiáng)度合格，滿足工作要求。

4 結(jié)論

1)針對大型輥筒類自走式西葫蘆收獲機(jī)在工作時存在的問題，提出了改進(jìn)方案，并利用ANSYS Workbench 對撿拾裝置在改進(jìn)后不同工作環(huán)境下進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析，驗證改進(jìn)后的強(qiáng)度是否滿足工作要求。

2)改進(jìn)設(shè)計出了圓柱形扎瓜齒，扎瓜齒長度改進(jìn)設(shè)計為225 mm，優(yōu)化了扎瓜齒在輥筒上的排列方式，加大了撿拾效率，將取瓜梳優(yōu)化為流線型，增加了除草裝置。

3)利用SolidWorks對撿拾輥筒部件進(jìn)行三維建模，接著利用ANSYS Workbench對撿拾輥筒部件改進(jìn)后在不同工作情況下進(jìn)行靜力學(xué)分析，并校核強(qiáng)度。結(jié)果表明，改進(jìn)后輥筒部件強(qiáng)度滿足要求。

4)樣機(jī)田間撿拾作業(yè)試驗表明：工作穩(wěn)定性良好，平均有效撿拾率為97.2%，達(dá)到國家收獲類農(nóng)機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。