全喂入聯(lián)合收割機(jī)和打捆機(jī)兩用撿拾器優(yōu)化分析

王國輝 雷良育 胡峰

0 引言

近年來，隨著國家對農(nóng)業(yè)重視程度的提高，在國家支農(nóng)惠農(nóng)政策的激勵(lì)下，越來越多的區(qū)域性農(nóng)場和農(nóng)業(yè)合作社實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)種植[1]。由于大型糧食烘干設(shè)備費(fèi)用昂貴，對于區(qū)域性農(nóng)場和專業(yè)合作社來說，收獲時(shí)，先將水稻用小型放倒農(nóng)業(yè)機(jī)械放倒，經(jīng)太陽曬干后，再用撿拾器配合全喂入聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行撿拾收割，既能減少費(fèi)用支出，又有利于換季小麥播種。但目前市面上的撿拾器撿拾效果普遍不佳，為更好地配合全喂入聯(lián)合收割機(jī)和打捆機(jī)使用推廣，筆者對撿拾器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真分析，以方便更多的農(nóng)機(jī)手使用。

1 撿拾器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 撿拾器結(jié)構(gòu)

撿拾器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該款撿拾器也稱作彈齒式撿拾器，主要由彈齒、皮帶輪、傳動(dòng)主軸、擋板等組成。所匹配的收割機(jī)機(jī)型不同，皮帶輪的位置也不同，有可能在左面，也有可能在右邊。

1.2 撿拾器工作原理

1.2.1 與履帶式全喂入聯(lián)合收割機(jī)配合工作

先將履帶式全喂入聯(lián)合收割機(jī)割臺上的撥禾輪和分禾器拆卸下來，然后將割臺上的割剪的傳動(dòng)帶拆除（因?yàn)樵趽焓斑^程中是不需要割臺剪的），將撿拾器裝在割臺上，將主要?jiǎng)恿斎攵诉B上皮帶。

在田間作業(yè)時(shí)，將收割機(jī)行駛到鋪好的水稻路徑前，將割臺降低至相應(yīng)位置，按照收割的習(xí)慣進(jìn)行撿拾喂入脫粒收割，持續(xù)前進(jìn)，完成連續(xù)作業(yè)。

1.2.2 與自走式打捆機(jī)配合工作

在田間作業(yè)時(shí)，將打捆機(jī)器行駛到水稻秸稈路徑前，調(diào)整打捆機(jī)上草捆長度和草捆密度按鈕，使壓出來的草捆滿足撿拾器撿拾所需要的長度和密度要求。合上工作離合器，機(jī)器開始運(yùn)轉(zhuǎn)、前進(jìn)，撿拾器開始將地面的秸稈撿拾起來并拋向后方喂入打捆機(jī)，持續(xù)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。撿拾器安裝方式如圖2所示。

圖1 撿拾器結(jié)構(gòu)示意圖

2 優(yōu)化分析

2.1 彈齒優(yōu)化

一般的直型彈齒彈力不好，在工作過程中不能將水稻及水稻秸稈全部彈拋起來，造成撿漏率較高，損失較大。優(yōu)化后的彈齒結(jié)構(gòu)能夠大大提高彈齒在撿拾過程中的撿拾彈力，也能保證彈拋不會力度過大。彈齒優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖3所示。優(yōu)化措施：將彈齒指尖做成一定弧度，在撿拾過程中可以最大化地提高撿拾率；在后面彈簧部分加長一小截，對于提高彈力有很大的幫助[2,3]。

圖2 撿拾器安裝示意圖

圖3 彈齒優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 主軸優(yōu)化

對撿拾器的主軸進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，以減輕重量，方便農(nóng)機(jī)手安裝。優(yōu)化措施：將撿拾器的主軸安裝彈齒的那部分設(shè)計(jì)成空心軸，以減輕撿拾器的重量。優(yōu)化后的主軸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的主軸結(jié)構(gòu)圖

3 仿真分析

3.1 建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)一系列的精準(zhǔn)計(jì)算，最終確定撿拾器主軸尺寸。利用SolidWorks對撿拾器主軸整體進(jìn)行三維建模。為方便對主軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，只建立主軸在主體部分的相應(yīng)模型，并將其導(dǎo)入Ansys Workbench15.0中。圖5為導(dǎo)入后的撿拾器主軸模型圖。采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，將試驗(yàn)機(jī)主軸劃分為9 892個(gè)網(wǎng)格單元，以保證仿真分析的準(zhǔn)確性和模擬的精確度。網(wǎng)格劃分后的主軸如圖6所示。

圖5 主軸模型

圖6 網(wǎng)格劃分后的主軸

3.2 結(jié)果分析

該撿拾器主軸材料采用結(jié)構(gòu)鋼，設(shè)置撿拾器中間段的表面受力最大為1 000 N進(jìn)行仿真。設(shè)置主軸旋轉(zhuǎn)速度為2 500 r/min，兩端軸承座處為摩擦固定支撐，所有旋轉(zhuǎn)及受力均與實(shí)際作業(yè)情況相同。Ansys Workbench15.0仿真工藝參數(shù)設(shè)定好以后，通過模擬得到撿拾器主軸結(jié)構(gòu)靜力云圖（見圖7）。由圖7可看出，表面接觸應(yīng)力最大值很小，且肯定在正常范圍內(nèi)，因此優(yōu)化的結(jié)構(gòu)可行。

結(jié)合撿拾器實(shí)際運(yùn)行工況，從結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的角度驗(yàn)證了優(yōu)化后的撿拾器主軸的可靠性和可行性。優(yōu)化樣機(jī)如圖8所示。

圖7 撿拾器主軸云圖

圖8 優(yōu)化后樣機(jī)圖

4 結(jié)語

隨著我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，綠色農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用水平不斷提高，水稻秸稈產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景廣闊，秸稈收集機(jī)械研發(fā)意義重大。對水稻收割和秸稈打捆機(jī)械撿拾器撿拾質(zhì)量影響因素進(jìn)行分析，為降低撿拾器漏拾率，保證水稻秸稈撿拾運(yùn)動(dòng)有效進(jìn)行，對撿拾器主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行模擬實(shí)際作業(yè)情況的仿真。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的全喂入聯(lián)合收割機(jī)和打捆機(jī)兩用撿拾器結(jié)構(gòu)良好，性能優(yōu)越，適宜在區(qū)域性農(nóng)場和合作社推廣應(yīng)用。