一種新型玉米去雄裝置的設(shè)計(jì)

靳 帥，蔡紅光，盧景忠

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，長(zhǎng)春 130033)

0 引言

東北地區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，也是我國(guó)七大玉米制種區(qū)之一[1]，同時(shí)擁有與美國(guó)玉米帶、烏克蘭玉米帶并稱為世界三大黃金玉米帶的吉林玉米帶。

玉米去雄也叫抽除頂花、天花[2]。對(duì)于制種行業(yè)來說，玉米去雄可以有效提高種子的純度；對(duì)于商品糧種植來說，去雄可以有效的增產(chǎn)，一般每667m2可以增產(chǎn)玉米30～50kg，增產(chǎn)率達(dá)10%左右[3]。同時(shí)，玉米去雄還能減少病蟲害的爆發(fā)及農(nóng)藥的使用，有效保護(hù)環(huán)境，并能夠改善通風(fēng)透光性，提高光能的利用率[4]。在我國(guó)玉米去雄主要以人工去雄為主，但存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下及作業(yè)環(huán)境惡劣等缺點(diǎn)。玉米去雄具有時(shí)間性限制，作業(yè)周期短，與人工去雄相比，機(jī)械去雄具有作業(yè)效率高等優(yōu)勢(shì)，但國(guó)外玉米去雄機(jī)的價(jià)格非常昂貴，農(nóng)民的購(gòu)買能力低[5],制約了玉米機(jī)械化去雄的進(jìn)程。為此，借助高地隙噴藥機(jī)的通過優(yōu)勢(shì)，在高地隙噴藥機(jī)上加裝新型玉米去雄裝置，在不改變高地隙噴藥機(jī)原有噴施藥液功能的前提下，增加去雄的新功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

該玉米去雄裝置主要由玉米雄穗切頂器和四桿仿形機(jī)構(gòu)組成，安裝在高地隙噴藥機(jī)上，通過液壓油缸的升降帶動(dòng)四桿仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，來控制切頂器適應(yīng)不同高度植株作業(yè)的需求。其中，液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)切雄作業(yè)。

1.2 總體設(shè)計(jì)

玉米去雄裝置結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示。通過U型螺栓將玉米去雄裝置的主架和高地隙噴藥機(jī)的機(jī)架固定，切頂器用U型螺栓固定在升降架上。由于玉米植株受種子、生長(zhǎng)環(huán)境等多種因素影響，玉米植株高度不一定一致，通過液壓油缸的伸縮作用，四桿仿形機(jī)構(gòu)隨之運(yùn)動(dòng)，升降架隨之進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)切頂器進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在不同高度范圍的調(diào)節(jié)，滿足不同玉米植株高度去雄的需要。切頂器通過液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)由聯(lián)軸器聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)轂帶動(dòng)刀盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，分禾器將玉米植株順利導(dǎo)入到刀盤處，完成玉米植株的去雄作業(yè)。

1.機(jī)架 2.U型螺栓 3.上連桿 4.液壓油缸 5.升降架 6.方管 7.液壓馬達(dá) 8.軸承座 9.旋轉(zhuǎn)軸 10.分禾器 11.刀盤 12.下連桿圖1 玉米去雄裝置Fig.1 Maize detasseling device

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 四桿仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

玉米植株在生長(zhǎng)過程中由于受種子、生長(zhǎng)環(huán)境或其它因素影響往往造成同一行中玉米植株高度不一致的生長(zhǎng)特征，切頂器與玉米植株之間需要保持一定距離范圍才能獲得較好的去雄效果，且有較小的葉片損失率。為了適應(yīng)玉米植株高度變化的調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了仿形四桿機(jī)構(gòu)采用平行四桿機(jī)構(gòu)[6]，主要由主架、上連桿、下連桿及前懸架組成，如圖2所示。

圖2 四桿仿形機(jī)構(gòu)Fig.2 Four-bar copying mechanism

簡(jiǎn)化機(jī)架的連接部分，以機(jī)架的下鉸接點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，前進(jìn)的水平方向?yàn)閤軸方向，垂直方向?yàn)閥方向，建立直角坐標(biāo)系[7]。由于液壓油缸的鉸接點(diǎn)A距下連桿軸線OB的距離較近，與其他長(zhǎng)度相比，可以忽略不計(jì)。近似取OAB在一條直線上，根據(jù)平行四桿機(jī)構(gòu)，前懸架中B點(diǎn)的移動(dòng)位移為切頂部件的移動(dòng)位移。則B點(diǎn)沿y軸方向的位移為

式中l(wèi)OA—OA間的距離(mm)；

lOB—OB間的距離(mm)；

lOD—OD間的距離(mm)；

lAD—AD間的距離(mm)。

當(dāng)液壓油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，B點(diǎn)將連續(xù)移動(dòng)到B′時(shí)，則B′的y軸方向位移為

s=vt

式中l(wèi)OB′—OB′間的距離(mm),lOB′=lOB；

lOA′—OA′間的距離(mm)，lOA′=lOA；

lA′D—A′D間的距離(mm)，lA'D=lAD+s,s為液壓油缸的伸縮量，伸長(zhǎng)為正，收縮為負(fù)(mm)；

v—液壓油缸的運(yùn)動(dòng)速度(mm/s)；

t—液壓油缸的調(diào)節(jié)時(shí)間(s)。

根據(jù)上式可以得到B點(diǎn)沿y軸方向的位移

2.2 切頂器

玉米雄穗切頂器主要由方管、液壓馬達(dá)、聯(lián)軸器、軸承座、旋轉(zhuǎn)軸、刀盤、護(hù)罩和分禾器等部分組成，如圖3所示。方管與安裝液壓馬達(dá)的法蘭盤進(jìn)行焊合，通過改變切頂器的方管在四桿仿形機(jī)構(gòu)的升降架的位置可以適合不同玉米種植模式下的行距變化。

1.液壓馬達(dá) 2.螺栓 3.方管 4.鍵 5.聯(lián)軸器 6.軸承 7.軸承座 8.軸承 9.旋轉(zhuǎn)軸 10.護(hù)罩 11.螺母 12.分禾器 13.旋轉(zhuǎn)刀盤圖3 切頂器Fig.3 Cutting mechanism

2.2.1 液壓馬達(dá)的選取

選用擺線液壓馬達(dá)，額定扭矩為8N·m，額定輸出功率為1.3kW，額定流量為14L/min。

2.2.2 聯(lián)軸器的選擇

本文選擇的聯(lián)軸器主要用于連接液壓馬達(dá)的輸出軸和旋轉(zhuǎn)軸，用以傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩。聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩位

Tca=KAT=12N·m

式中T—公稱轉(zhuǎn)矩(N·m)；

KA—工作情況系數(shù)，取KA=1.5。

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選用套取聯(lián)軸器[8]。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)軸是切雄傳遞動(dòng)力的重要部件，承受液壓馬達(dá)、刀盤的驅(qū)動(dòng)扭矩，容易產(chǎn)生扭曲、彎曲等組合變形。液壓馬達(dá)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)刀片對(duì)玉米雄穗進(jìn)行切割作業(yè)。玉米雄穗看做柔性體，可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。

式中d—截面處軸的直徑(mm)；

P—軸傳遞的功率(kW)，取P=1.3；

n—軸的轉(zhuǎn)速(r/min)，取n=1K 537；

A0—系數(shù)，取A0=126。

其中，在軸的最小直徑處開有鍵槽，應(yīng)考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的消弱。在最小軸頸段安裝旋轉(zhuǎn)刀盤，有一個(gè)鍵槽，軸頸增大7%，即

d=dmin+7%dmin=12.84mm

2.2.4 分禾器的設(shè)計(jì)

分禾器主要是將玉米雄穗攏到切頂器刀盤的工作區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而使用刀盤進(jìn)行切割雄穗，進(jìn)行去雄。本文設(shè)計(jì)的分禾器采用喇叭口形式，使用圓鋼彎曲制成，焊合在U型卡套上，通過螺栓固定在軸承座上[9]。分禾器的三維模型如圖4所示。

圖4 分禾器Fig.4 Divider

3 旋轉(zhuǎn)軸模型分析

3.1 模型建立

使用SolidWorks軟件建立軸的三維模型，為減少處理時(shí)間，提高軟件分析效率，對(duì)軸上的螺紋進(jìn)行忽略處理，并利用SolidWorks simulation創(chuàng)建軸的有限元靜力學(xué)分析算例[10]。

3.2 材料屬性

旋轉(zhuǎn)軸選用45號(hào)鋼調(diào)制處理，材料密度為7.85×103kg/m3，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度620.4MPa。

3.3 劃分網(wǎng)格

劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)77 229，單元數(shù)51 493，自由度數(shù)231 165，如圖5所示。

3.4 有限元分析后置處理

應(yīng)力云圖如圖6所示。應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。位移云圖如圖8所示。

圖5 網(wǎng)格化Fig.5 Gridding

圖6 應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram

圖7 應(yīng)變?cè)茍DFig.7 Strain contours

圖8 位移云圖Fig.8 Displacement fringe

4 試驗(yàn)效果

田間試驗(yàn)在吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所試驗(yàn)地進(jìn)行，試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，南北走向，試驗(yàn)地長(zhǎng)150m、寬100m。在雄穗完全長(zhǎng)出，還未進(jìn)行授粉時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。采用切頂去雄裝置，試驗(yàn)時(shí)，配套的高地隙噴藥機(jī)的工作速度約為4.6km/h，田間作業(yè)效果如圖9所示。試驗(yàn)后隨機(jī)選取4個(gè)區(qū)域(不選取地頭和轉(zhuǎn)彎區(qū)域)每個(gè)區(qū)域選取4行，長(zhǎng)度為6m，檢查母本玉米雄穗是否去除干凈，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示[11]。

試驗(yàn)表明：在母本玉米雄穗長(zhǎng)出后，去雄合格率為91.0%。主要原因是玉米植株的生長(zhǎng)高度不完全一致，四桿仿形機(jī)構(gòu)在液壓油缸響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)漏切和未完全切除現(xiàn)象，同時(shí)刀盤接觸雄穗時(shí)，會(huì)把接觸到的莖葉一起切掉，出現(xiàn)較高的葉片損失率。

圖9 試驗(yàn)效果Fig.9 Test results表1 去雄試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Table 1 Emasculation statistics

序號(hào)抽樣區(qū)域玉米植株總數(shù)/株成功去雄玉米植株總數(shù)/株去雄率/%11089890.7211310693.831059287.6411010191.8平均值91.0

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的玉米去雄裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定的特點(diǎn)[12]。

2)旋轉(zhuǎn)軸通過SoidWorks中Simulation有限元軟件分析，得到旋轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力、應(yīng)變和位移圖。

3)通過四桿仿形機(jī)構(gòu)控制切頂器進(jìn)行不同高度玉米植株去雄作業(yè)，使切頂器始終處于最佳作業(yè)高度。

4)田間試驗(yàn)表明：去雄合格率為91.0%，滿足農(nóng)藝對(duì)機(jī)械化去雄作業(yè)的要求。機(jī)械去雄可以有效提高作業(yè)效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。