凸輪滑道式油菜梳脫滾筒設(shè)計與試驗

唐勝平，宗望遠(yuǎn),2*，黃小毛,2，馬麗娜,2，詹廣超

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，湖北 武漢 430070)

梳脫又稱摘脫、捋穗，屬于站稈脫粒的收獲方式，梳脫滾筒是梳脫式油菜收獲機割臺的主要工作部件之一[1-2]。收獲作業(yè)時，梳脫滾筒將油菜的果莢和少量莖稈梳刷到割臺內(nèi)，較粗壯的主莖稈則由割刀切斷鋪倒在田間[3-4]。這種作業(yè)方式的優(yōu)點是避免粗壯的主莖稈進(jìn)入收獲機割臺內(nèi)，達(dá)到減輕聯(lián)合收獲機分離清選系統(tǒng)工作負(fù)荷、提高油菜籽清潔率的目的[5-6]。相比全喂入式油菜聯(lián)合收獲機割臺，梳脫式割臺的梳脫滾筒劇烈打擊油菜造成果莢飛濺損失的缺點較為嚴(yán)重，影響了油菜梳脫式收獲效果[7-8]。

為改善梳脫滾筒梳脫性能、降低割臺損失率，國內(nèi)外學(xué)者在氣流場輔助梳脫[9-11]、多滾筒設(shè)計[12-14]、梳脫滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[8]3個方面取得成效。凸輪滑道機構(gòu)在彈齒滾筒撿拾器中得到了成功的應(yīng)用[15]，該機構(gòu)從動件同時具有圍繞軸心的公轉(zhuǎn)和自身自轉(zhuǎn)的運動特性。本文從優(yōu)化梳脫撥指運動規(guī)律的角度出發(fā)，提出在油菜梳脫滾筒中引入凸輪滑道機構(gòu)，分析了油菜梳脫撥指在梳刷、抽離過程中的運動要求，設(shè)計了三段式凸輪滑道。以喂料速度和滾筒轉(zhuǎn)速為試驗因素，通過試驗對比分析了凸輪滑道與圓滑道梳脫滾筒的梳脫率和測試區(qū)果莢收集率，驗證了凸輪滑道式梳脫滾筒設(shè)計的合理性。

1 梳脫收獲作業(yè)過程

如圖1為梳脫式油菜聯(lián)合收獲機，收獲作業(yè)時，順時針旋轉(zhuǎn)的梳脫撥指將油菜果莢從莖稈上梳刷下來拋送至防飛濺罩篷和割臺內(nèi)部，隨后進(jìn)入分離清選系統(tǒng)。梳脫撥指對油菜的梳脫率和拋送效果很大程度上決定了割臺的損失率。凸輪滑道式梳脫滾筒的梳脫撥指在梳刷和抽離時具有不同的運動姿態(tài)：梳刷油菜時，撥指從底莢伸入，調(diào)整傾斜角度并向割臺內(nèi)部加速梳刷；抽離油菜時，撥指逆時針擺動，減小油菜分枝對梳脫滾筒的阻力，促進(jìn)撥指順利脫離進(jìn)入下一次梳刷。

1:撥禾輪;2:梳脫滾筒;3:分禾器;4:割刀;5:脫粒裝置6:輸送器;7:清選系統(tǒng);8:糧箱;9:攪龍;10:防飛濺罩篷1:Reel;2:Stripping rotor;3:Divider;4:Cuter;5:Threshing device;6:Conveyer;7:Cleaning system;8:Grain tank;9:Auger;10:Splashing preventing cover圖1 梳脫式油菜聯(lián)合收獲機總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of rape stripping combine harvester

2 凸輪滑道式梳脫滾筒設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計凸輪滑道式梳脫滾筒如圖2所示。凸輪滑道端蓋和割臺機架通過螺栓固定不隨滾筒轉(zhuǎn)動，兩側(cè)滾筒輪輻(圖中左側(cè)輪輻隱藏)和驅(qū)動軸焊接隨軸轉(zhuǎn)動，曲柄銷軸端與左側(cè)輪輻孔座中的軸承配合，并通過螺栓與撥指輥固定；滾子安裝在曲柄另一端，可隨曲柄沿滑道端蓋內(nèi)的凸輪滑道滑動；撥指輥右端與滾筒輪輻孔座中的軸承配合；工作時，撥指隨撥指輥以驅(qū)動軸為軸心勻速轉(zhuǎn)動，同時滾子沿凸輪軌道滾動使撥指以撥指輥為中心擺動。

2.2 梳脫滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

常見的梳脫撥指有板齒式、弓齒式、彈齒式等，由于油菜莖稈直徑差異較大、分支較多，因此選用彈齒式梳脫撥指。撥指末端有彈簧結(jié)構(gòu)，梳脫時能起到緩沖作用，可減少對油菜分支的損傷，且對油菜果莢具有較好的拋送效果。圖3為梳脫收獲示意圖，根據(jù)油菜植株尺寸確定梳脫滾筒安裝高度和撥指長度以防止漏梳，滿足

(1)

式中：l撥指長度，mm;k0梳脫滾筒梳刷作用下，油菜傾斜系數(shù);r油菜分支伸展半徑，mm;h滾筒安裝高度，mm;h0油菜分支離地最小高度，mm;a梳脫滾筒半徑，mm。

在梳脫滾筒對油菜的拖拽作用下，植株向梳脫滾筒傾斜，且油菜分支向割臺內(nèi)聚攏，由 “華油雜62號”油菜植株分支平均伸展半徑r=250 mm，油菜分支離地最小高度h0為350 mm[4]，撥禾輪與梳脫滾筒安裝軸距b為375 mm，取傾斜系數(shù)k0=0.7，由式(1)計算得梳脫撥指長度l為175 mm，滾筒安裝高度h為590 mm。

1:滑道端蓋；2:凸輪滑道；3:曲柄；4:滾子；5:撥指輥；6:梳脫撥指；7:滾筒輪輻；8:驅(qū)動軸；9:軸承1:Slide track cover；2:Cam slide track；3:Crank；4:Rollor；5:Spring finger holder；6:Spring finger；7:Cylinder spoke；8:Drive shaft；9:Bearing 圖2 凸輪滑道式梳脫滾筒Fig.2 Stripping rotor with cam slide track

圖3 梳脫收獲示意圖Fig.3 Stripping harvest diagrammatic

為增加梳脫面積，提高梳脫效果，如圖4a、4b所示，單根撥指輥上梳脫撥指均勻排布，相鄰撥指輥上梳脫撥指交叉排布。

圖4 梳脫撥指排布示意圖Fig.4 Configuration diagrammatic sketch of stripping fingers

基于此前本課題組設(shè)計的4L-0.9A小型梳脫式油菜收獲機的割臺結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計與割臺相匹配的梳脫滾筒。表1為梳脫滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)[8]。

表1 梳脫滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 凸輪滑道參數(shù)設(shè)計

梳刷油菜果莢時，梳脫撥指豎直向上的速度不利于果莢收集，若撥指偏離滾筒半徑方向并加速向割臺內(nèi)擺動將有利于提高梳脫率；梳刷完成后與轉(zhuǎn)動方向相反的擺動有利于撥指抽離，并可降低果莢的回帶損失和莖稈纏繞。凸輪滑道機構(gòu)中，凸輪滑道曲線的形狀確定了撥指的擺動規(guī)律，因此通過凸輪滑道曲線的合理設(shè)計可以優(yōu)化撥指運動規(guī)律，從而改善梳脫滾筒的梳脫性能。

圖5 凸輪滑道曲線數(shù)學(xué)模型Fig.5 Mathematical model of cam slide track curve

2.3.1 凸輪滑道曲線數(shù)學(xué)模型的建立 以滾子的運動路徑為研究對象，建立其運動方程的數(shù)學(xué)模型。

如圖5所示，直角坐標(biāo)系X1OY1的X1軸水平，AB為曲柄，AN為撥指，A點繞O點做圓周運動，滾子中心點B沿滑道曲線滾動，初始位置時滾子、曲柄、撥指的位置為B0A0N0，以O(shè)A0為Y軸建立坐標(biāo)系X2OY2，設(shè)任意位置BAN，OA與Y2軸夾角為θ。令LAO=a，LAB=l，

∠X1OX2=α,∠A0OA=θ，∠B0A0O=ψ0，∠BAO=ψ0+Δφ(θ)。

其中，θ是該位置OA從初始位置OA0旋轉(zhuǎn)的角度，∠B0A0O為曲柄在起始位置時與滾筒半徑OA0的夾角；Δφ(θ)是OA在轉(zhuǎn)角θ位置時曲柄AB與AO夾角相對初始位置時∠B0A0O的增量，是撥指輥旋轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)。

如圖5，在△ABG中∠AGB=θ，則

∠ABG=π-(ψ0+Δφ+θ)

(2)

則可以得到在坐標(biāo)系X2OY2中，滾子中心點B的坐標(biāo)為

X2B=DO=CO-AH=asinθ-lsin(ψ0+Δφ+θ)

(3)

Y2B=EO=BH+FO=acosθ-lcos(ψ0+Δφ+θ)

(4)

坐標(biāo)系X1OY1與X2OY2的X軸夾角為α，B點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為

(5)

滾子中心點軌跡即為凸輪滑道曲線，因此，在坐標(biāo)系X1OY1中，凸輪滑道曲線的坐標(biāo)方程為

(6)

為保證梳刷段開始時撥指所在直線較該位置滾筒半徑所在直線偏向割臺方向，以減少梳刷時飛濺損失，曲柄A0B0在起始位置時與滾筒半徑OA0的夾角ψ0至少為42°，則在△A0B0O中由余弦定理計算得∠α=70°，由表1，由式(5)得到凸輪滑道曲線方程為

(7)

AB：梳刷段工作段;BC：抽離段工作段;CA：緩沖擺動工作段 AB:stripping working segments;BC：separating woking segmengts.;CA：Buffer swinging segments圖6 凸輪工作段Fig.6 Working section of cam

2.3.2 撥指擺動規(guī)律的確定 撥指的運動由圍繞驅(qū)動軸的勻速轉(zhuǎn)動和自身擺動所合成。分析撥指的擺動規(guī)律，如圖5，Δφ(θ)是曲柄AB與滾筒半徑OA夾角∠BAO相對初始位置∠B0A0O的增量。若Δφ(θ)增大，即OB增大，撥指AN順時針擺動；反之，撥指逆時針擺動。因此，選取合適的撥指擺動規(guī)律Δφ(θ)，能夠調(diào)節(jié)撥指擺動從而改變撥指對油菜的作用力方向。

由式(7)可知函數(shù)Δφ(θ)確定了凸輪滑道曲線方程，即從動件梳脫撥指的擺動規(guī)律與凸輪滑道曲線相對應(yīng)。

梳脫撥指的擺動規(guī)律與Δφ(θ)的函數(shù)階次存在對應(yīng)關(guān)系，分別分為以下3種：

(1)Δφ(θ)=C(常數(shù))，撥指不擺動。(2)Δφ'(θ)=C(常數(shù))，撥指以恒定的角速度擺動。(3)Δφ''(θ)=C(常數(shù))，撥指以恒定的角加速度擺動。其中，Δφ'(θ)、Δφ''(θ)分別為撥指擺動規(guī)律Δφ(θ)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)。

在設(shè)計凸輪滑道曲線時，根據(jù)撥指工作要求將三種擺動規(guī)律結(jié)合起來。將梳脫撥指運動分為3個工作段：梳刷段、抽離段和緩沖擺動段。如圖6為與3個工作段對應(yīng)的凸輪滑道曲線分布，梳刷段AB，撥指加速順時針擺動梳刷油菜；抽離段BC，撥指勻速逆時針擺動減緩梳刷直至抽離油菜；緩沖擺動段CA，撥指擺動角從抽離段向梳刷段過渡。

由撥指的擺動規(guī)律劃分和工作要求，設(shè)撥指在AB、BC、CA 3個工作段擺動規(guī)律Δφ(θ)的參數(shù)方程為

(8)

式中，a1,b1,c1,a2,b2,a3,b3為擺動規(guī)律方程系數(shù)。

分析凸輪工作段可知，擺動規(guī)律Δφ(θ)增幅為π/6時撥指在各工作段能滿足平滑過渡的要求，故設(shè)置凸輪滑道曲線各工作段臨界位置Δφ(θ)的值如表2所示。

表2 凸輪各工作段臨界值

將表2中臨界位置Δφ(θ)值代入式(8)，解方程組得到撥指三個工作段的擺動規(guī)律為

(9)

確定凸輪滑道曲線方程各參數(shù)數(shù)值之后，運用Solidworks方程驅(qū)動繪制曲線工具生成凸輪滑道曲線如圖6所示。

3 梳脫性能試驗

3.1 材料與方法

3.1.1 試驗材料 試驗油菜為“華油雜62號”，人工收割后保存，主莖稈較完整，試驗前作水分滲透處理，果莢、分支與高速旋轉(zhuǎn)的梳脫滾筒撥指接觸后能迅速脫落，油菜基本特性參數(shù)如表3所示。

表3 試驗油菜基本特性參數(shù)

如圖7所示，梳脫試驗臺由喂料裝置與梳脫裝置兩部分組成。喂料裝置由輸送鏈條和油菜夾持裝置完成油菜植株的輸送。梳脫裝置由電機、皮帶輪、梳脫滾筒、滑道、撥禾輪、罩篷、測試區(qū)接料板和機架組成。梳脫試驗時，喂料裝置保持油菜直立狀態(tài)輸送至梳脫滾筒，模擬田間梳刷作業(yè)。

1.防飛濺罩篷；2.測試區(qū)接料板；3.梳脫滾筒；4.滑道；5.撥禾輪電機；6.梳脫滾筒電機；7.夾持裝置；8.喂料裝置；9.撥禾輪1.Splashing preventing cover；2.Rapeseed board in test area；3.Stripping rotor；4.Slide track；5.Reel motor；6.Stripping rotor motor；7.Clamping device；8.Feeding devive；9.Reel 圖7 梳脫試驗臺Fig.7 Stripping test bench

其他儀器：變頻器(型號H500-0055G3，5.5 kW)、電子稱(型號SF-400，量程為1 kg，精度為0.1 g)、數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速表(型號DM6234P+，量程為99 999 rpm，精度為±0.05%)、塑料盆。

3.1.2 試驗方法 分析凸輪滑道機構(gòu)知，使用滾子軌跡半徑為46 mm的圓滑道能夠維持梳脫撥指所在直線始終與滾筒半徑重合，撥指在圓滑道下不產(chǎn)生擺動，僅圍繞滾筒軸心轉(zhuǎn)動。因此，設(shè)置滾子軌跡半徑為46 mm的圓滑道為對照，比較梳脫滾筒撥指在凸輪滑道機構(gòu)作用下與沒有該機構(gòu)作用時對油菜的梳刷效果。

梳脫試驗時，每次稱取質(zhì)量為m0(200～300 g)的油菜插入喂料裝置的夾持塑膠圓管中，用扎帶沿圓管的開槽處將油菜植株與圓管固定，試驗時先啟動梳脫滾筒，通過變頻器調(diào)速、轉(zhuǎn)速表測量待梳脫滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后啟動喂料裝置。梳刷完成后制動梳脫裝置和喂料裝置的電機，取下夾持裝置上梳脫完畢后的油菜植株莖稈稱重記為m1，將收集板內(nèi)接納的油菜果莢等梳脫物裝袋并稱重記為m2。

3.2 試驗指標(biāo)和因素

梳脫滾筒梳脫性能的評價指標(biāo)為梳脫率和測試區(qū)接料板收集率，梳脫率S1和收集率S2的計算公式為

(10)

(11)

采用綜合加權(quán)評分法，以油菜的梳脫率S1和測試區(qū)接料板的收集率S2的加權(quán)平均數(shù)S為試驗指標(biāo)來衡量梳脫性能的優(yōu)劣，試驗指標(biāo)S的計算方法為

(12)

式中權(quán)系數(shù)k1、k2根據(jù)梳脫率和測試區(qū)接料板收集率對梳脫性能的重要性選取，梳脫率是梳脫性能首要的指標(biāo)，由于梳脫試驗臺結(jié)構(gòu)限制，試驗臺架設(shè)置的測試區(qū)接料板在梳脫滾筒正后方，接料板收集率局部反映了梳脫滾筒向割臺內(nèi)拋送果莢的效果優(yōu)劣，并不是割臺內(nèi)所有脫落果莢的收集率，因此k1取0.6、k2取0.4來計算梳脫性能加權(quán)平均數(shù)。

影響梳脫滾筒試驗裝置梳脫性能的因素為喂料速度v(m·s-1)、滾筒轉(zhuǎn)速ω(r·min-1)。4L-0.9A梳脫式油菜聯(lián)合收獲機梳脫滾筒轉(zhuǎn)速為220～280 r/min，收獲機前進(jìn)速度為0.4～1.0 m/s[12]，如表4，各因素取4個水平。試驗按凸輪滑道試驗和圓滑道試驗分別進(jìn)行，命名凸輪滑道為滑道Ⅰ，圓滑道為滑道Ⅱ，每個水平做3次重復(fù)試驗。

表4 因素水平表

上方曲面為凸輪滑道梳脫性能加權(quán)平均數(shù)；下方曲面為圓滑道加權(quán)平均數(shù)。 Surface on the top shows weighted average value of cam slide track stripping performance,and below is of round.圖8 凸輪滑道與圓滑道梳脫性能對比Fig.8 Contrast of stripping performance between cam and round slide track

試驗結(jié)果如表5，圖8為凸輪滑道和圓滑道梳脫性能對比圖，由圖可知：

(1)喂料速度一定，凸輪滑道梳脫滾筒和圓滑道梳脫滾筒梳脫性能加權(quán)平均數(shù)均呈現(xiàn)逐漸增長至峰值后逐漸減小的趨勢。

(2)喂料速度和滾筒轉(zhuǎn)速相同時，凸輪滑道式梳脫滾筒梳脫性能加權(quán)平均數(shù)均高于圓滑道梳脫滾筒。

(3)當(dāng)喂料速度為0.6 m/s，滾筒轉(zhuǎn)速為260 r/min時，凸輪滑道式梳脫滾筒梳脫性能加權(quán)平均數(shù)達(dá)到峰值44.0%，比圓滑道梳脫滾筒最佳工作參數(shù)時梳脫性能加權(quán)平均數(shù)高10.7%。

試驗結(jié)果表明凸輪滑道梳脫滾筒在梳刷段加速梳刷油菜、在抽離段減速抽離油菜的工作方式能有效提高梳脫滾筒的梳脫性能。

4 結(jié)論與討論

針對梳脫式油菜聯(lián)合收獲機梳脫滾筒梳脫率不高，拋送效果不佳，容易造成果莢飛濺和回帶損失等問題，本文對梳脫滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，設(shè)計了彈齒型式的梳脫撥指及其排布方法。通過增加凸輪滑道機構(gòu)優(yōu)化了梳脫撥指的運動規(guī)律，對凸輪滑道機構(gòu)進(jìn)行理論分析后，得到了梳脫滾筒凸輪滑道曲線方程的數(shù)學(xué)模型。介紹了梳脫撥指梳刷和抽離動作的運動規(guī)律，結(jié)合數(shù)學(xué)模型設(shè)計了三段式凸輪滑道曲線，實現(xiàn)了撥指梳刷油菜時向割臺內(nèi)擺動以加速梳脫，抽離油菜時向運動的反方向擺動減速抽離。

加工制造了梳脫試驗裝置和夾持喂料裝置，以滾子軌跡半徑為46 mm的圓滑道為對照進(jìn)行了滾筒梳脫性能對比試驗，試驗結(jié)果表明凸輪滑道、曲柄、撥指組成的凸輪滑道機構(gòu)使梳脫滾筒梳脫性能加權(quán)平均數(shù)提高了10.7%，改善了梳脫滾筒的梳脫性能，為油菜聯(lián)合收獲機性能優(yōu)化提供了新的思路。

致謝:感謝導(dǎo)師宗望遠(yuǎn)教授在理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、實驗方案設(shè)計上的悉心指導(dǎo)，感謝工科基地凌旭平師傅在裝置加工方面的支持與幫助，在此鄭重的致以謝意！