全自動(dòng)煙葉采收機(jī)方案設(shè)計(jì)

于 潔，褚金奎，吳中心，王云力

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.鄭州容大科技發(fā)展有限公司，鄭州 450000)

0 引言

煙草是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，在我國的國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的67%，是世界上主要的產(chǎn)煙大國之一。在煙葉生產(chǎn)過程中，采收是基礎(chǔ)性的工作，煙葉的采收時(shí)期和采收方法關(guān)系到煙葉產(chǎn)量和煙葉質(zhì)量，所以科學(xué)、及時(shí)地采收煙葉是保證煙葉品質(zhì)的關(guān)鍵[1]。在國外，如美國、意大利、加拿大等發(fā)達(dá)國家，煙草機(jī)械化采收發(fā)展較快，半自動(dòng)、全自動(dòng)化的煙葉采收機(jī)械已批量生產(chǎn)且投入使用，效果良好。然而，目前我國絕大多數(shù)煙農(nóng)還是手工采收，不僅需要消耗大量的勞動(dòng)力和時(shí)間，且采收效率低，很難保證及時(shí)采收。當(dāng)需要在大面積煙田上進(jìn)行采收作業(yè)時(shí)，手工采收顯然已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)要求，而機(jī)械化的煙葉采收機(jī)采收效率高，能夠及時(shí)完成采收作業(yè)。因此，研發(fā)適應(yīng)我國國情的全自動(dòng)煙葉采收機(jī)具有重要意義。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國、意大利、加拿大等國家的煙葉采收機(jī)械化相對(duì)成熟，已經(jīng)開發(fā)出了多種不同類型的煙葉采收機(jī)。加拿大DeCloet公司在1979年制造了世界上第1臺(tái)全自動(dòng)自走式煙葉采收機(jī)，在此基礎(chǔ)上又研發(fā)了較為先進(jìn)的2TTH型煙葉采收機(jī)，實(shí)現(xiàn)了完全機(jī)械化采收，1人操作1臺(tái)采收機(jī)，1次采收兩行煙葉。另外，美國MarCo公司生產(chǎn)了6360型自走式煙葉采收機(jī)，意大利SPAPPERI公司針對(duì)煙葉采收部位的不同生產(chǎn)了RA341等型號(hào)的煙葉采收機(jī)[1]。

雖然我國是煙葉生產(chǎn)大國，但煙葉采收機(jī)械化發(fā)展卻相對(duì)落后，煙葉采收一直處于人工作業(yè)階段。由于各個(gè)國家和地區(qū)間煙草種植行間距、煙草特性等煙田情況的不同，從國外直接引進(jìn)的煙葉采收機(jī)械并不適宜國內(nèi)的煙田種植情況。國內(nèi)很多高校和企業(yè)也在積極研發(fā)適合我國國情的煙葉采收機(jī)，如山東曲阜匯眾機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的小型半機(jī)械化煙葉收割機(jī)，適用于小地塊的煙葉收割；吉林大學(xué)陶永蘭等老師設(shè)計(jì)的“自適應(yīng)行距煙葉收獲機(jī)[2]”，懸掛在拖拉機(jī)等小型機(jī)械上完成收割作業(yè)，屬于半自動(dòng)煙葉收獲機(jī)。隨著國內(nèi)人工費(fèi)用的提高和大塊煙田種植面積的增加，一種高效、適合我國煙田的全自動(dòng)煙葉采收機(jī)的研發(fā)迫在眉睫。

2 全自動(dòng)煙葉采收機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 煙草植株及其采收原理

煙草屬一年生草本植物，種植范圍較廣，煙葉具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，采收煙葉時(shí)根據(jù)其成熟時(shí)間不同而進(jìn)行分時(shí)采收[3]。

煙葉采收的目標(biāo)是分離煙草植株的莖和葉，而且要做到不損傷莖皮和煙葉，避免影響煙株的生長(zhǎng)和烘烤質(zhì)量。機(jī)械采收參考人工采收的動(dòng)作，利用采收機(jī)械產(chǎn)生的外力完成采收作業(yè)，結(jié)合煙葉的傳送與收集，完成煙葉采收機(jī)械化過程。

2.2 總體結(jié)構(gòu)方案

1.駕駛室 2.主機(jī)架 3.風(fēng)機(jī) 4.煙筐 5.傳送機(jī)構(gòu) 6.采收機(jī)構(gòu)

2.3 總體動(dòng)力方案

在工程機(jī)械中，主要有以下4種傳動(dòng)方式：機(jī)械傳動(dòng)、液力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電力傳動(dòng)。

1)機(jī)械傳動(dòng)。純機(jī)械傳動(dòng)通常只能進(jìn)行有級(jí)變速，且它的布置方式有局限[4]；但機(jī)械傳動(dòng)制造成本低，早期收獲機(jī)械常采用機(jī)械傳動(dòng)。

2)液力傳動(dòng)。液力傳動(dòng)采用液力變矩器或液力耦合器實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的離合，液力變矩器使傳動(dòng)系統(tǒng)獲得自動(dòng)、無級(jí)變速和變矩能力[5]，突出優(yōu)點(diǎn)是有近似雙曲線的輸出扭矩—轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)；但其布置方式有局限，變矩范圍窄、制動(dòng)能力較差、效率低，不適用于需求速度穩(wěn)定的情況。

3)液壓傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)使用液體(一般為礦物油)作為工作介質(zhì)傳遞動(dòng)力和信號(hào)，相比于機(jī)械傳動(dòng)和液力傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)更易控制其運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)，有優(yōu)良的低速負(fù)載特性[6]。由于液壓元件功率大、易于受控、安裝方便、操作簡(jiǎn)單且故障率低，因此十分適用于結(jié)構(gòu)多變、大功率傳遞及工作條件惡劣的大型收獲機(jī)械。其結(jié)合電子技術(shù)，更易調(diào)節(jié)和控制，進(jìn)一步提高了收獲機(jī)械的操縱性、舒適性、方便性和智能化水平[7]。

4)電力傳動(dòng)。電力傳動(dòng)由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，調(diào)速范圍廣，便于遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制；但由于技術(shù)受限、成本高，適用于行走機(jī)械的功率電元件還沒有成熟和普及。

綜上所述，相對(duì)于其它幾種傳動(dòng)方式，液壓傳動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，適用性廣，經(jīng)濟(jì)性較好，更適合用于工作條件惡劣的農(nóng)用收獲機(jī)械。

奧巴馬借信“滅火”，彌補(bǔ)私人關(guān)系的效果未知。而細(xì)數(shù)那些曾被麥克風(fēng)“出賣”的政要，美國的歷任總統(tǒng)“中招率”卻高得驚人。

3 關(guān)鍵部件方案設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)鍵部件機(jī)構(gòu)方案

3.1.1 煙葉采收機(jī)構(gòu)

煙葉采收相對(duì)于其它作物采收有其特殊性，煙葉具有易破損的特點(diǎn)，采收時(shí)要保證其較小的破損率，否則其經(jīng)濟(jì)價(jià)值會(huì)大大下降。由于煙草植株各個(gè)高度的煙葉成熟時(shí)間不同，需要分時(shí)、分部采收，類比人工采收煙葉的動(dòng)作，采用1對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的柔性采收刀來采收煙葉，如圖2所示[8-13]。

1.采收馬達(dá) 2.采收刀

煙葉采收的重要指標(biāo)一個(gè)是破損率，另一個(gè)是采凈率。為了提高煙葉采凈率和降低煙葉破損率，從采收刀的形狀、材料和安裝位置三方面來考慮。

1)采收刀的形狀。采收刀形狀會(huì)對(duì)煙葉采凈率有一定影響，相比于矩形采收刀，采用波形的采收刀能增大采凈率。

2)采收刀的材料。刀片材質(zhì)對(duì)采凈率和破損率都有一定影響，偏硬的材料更容易采凈煙葉，但容易造成煙葉的破損，因此選用合適的塑膠等柔性材料。

3)采收刀的安裝位置。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)的張秀麗等人發(fā)表的“下部煙葉機(jī)械采收的最佳施力方式實(shí)驗(yàn)[14]”一文中表明，成熟煙葉最佳施力方式為斜向施力，安裝采收刀時(shí)若與地面有一定夾角，采收效果會(huì)更佳。

3.1.2 煙葉傳送機(jī)構(gòu)

為了將采摘下的煙葉傳送到煙筐中，需要一套適應(yīng)整機(jī)的煙葉傳送系統(tǒng)。采摘下的煙葉需要傳送到機(jī)器上部的煙筐，因此需要提升傳送裝置。采用輥輪加傳送帶的方式可以保證采摘的煙葉準(zhǔn)確地輸送至煙筐。云南昆船電子設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)了一種垂直提升機(jī)構(gòu)，由固定輸送帶和下端由拉伸彈簧連接的可活動(dòng)的輸送帶組成，當(dāng)煙葉由輸送輥輪送至提升機(jī)構(gòu)時(shí)，被兩條輸送帶夾住向上提升[15-17]，這種傳送機(jī)構(gòu)的方案能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)煙葉的傳送，但煙葉需要完全克服重力輸送至煙筐。為此，本文提出了一種改進(jìn)方案，增加一條水平傳送帶，并在機(jī)器允許的空間內(nèi)將提升傳送帶設(shè)置一定的傾斜角度，使煙葉能夠更順利地輸送到煙筐，如圖3所示。

1.水平傳送帶 2.活動(dòng)提升傳送帶 3.鏈輪傳動(dòng) 4.固定提升傳送帶 5.鏈輪傳動(dòng)

3.1.3 其他機(jī)構(gòu)

除了采收機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)外，全自動(dòng)煙葉采收機(jī)還需要一些輔助機(jī)構(gòu)，如煙筐收集機(jī)構(gòu)和采收臺(tái)升降機(jī)構(gòu)。這兩種機(jī)構(gòu)普遍存在于其他農(nóng)用收獲機(jī)械中，屬于農(nóng)用機(jī)械通用部分，方案都比較成熟。

農(nóng)用機(jī)械的卸料系統(tǒng)通常采用升降機(jī)構(gòu)或翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，因此采用煙筐升降機(jī)構(gòu)或煙筐翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將煙葉轉(zhuǎn)移。由于煙草植株各個(gè)高度的煙葉成熟時(shí)間不同，因此將煙葉劃分為上中下三部分來進(jìn)行分時(shí)分部采收，針對(duì)農(nóng)作物不同高度的收割，通常采用升降機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于農(nóng)用機(jī)械的升降機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，目前國內(nèi)外大都采用液壓缸實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱省力、動(dòng)作平穩(wěn)、故障率低，十分適用于大功率、工作條件惡劣的農(nóng)用機(jī)械。

3.2 關(guān)鍵部件動(dòng)力方案

3.2.1 全液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)全自動(dòng)煙葉采收機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，借鑒了其他較成熟農(nóng)用機(jī)械。在張志起等人發(fā)表的“4YX-4型全液壓自走式玉米收獲機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[18]”一文中，其收獲機(jī)液壓行走系統(tǒng)由1個(gè)液壓泵驅(qū)動(dòng)1個(gè)液壓馬達(dá)組成，具有較好的無級(jí)調(diào)速能力。在此基礎(chǔ)上，為使煙葉收獲機(jī)械更好地適應(yīng)多種作業(yè)環(huán)境的要求，選用如圖4所示的三輪液壓驅(qū)動(dòng)的容積調(diào)速回路，其優(yōu)點(diǎn)為調(diào)速范圍大，被廣泛用于大功率液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。

1.低壓溢流閥 2.變量液壓泵 3～6.單向閥 7～9.前后輪變量液壓馬達(dá) 10.高壓溢流閥 11.補(bǔ)油液壓泵

3.2.2 收獲機(jī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的全液壓轉(zhuǎn)向器根據(jù)工作原理，可分為開芯轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、閉芯轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、無反應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、有反應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其中，閉芯轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要用于重載大型行走機(jī)械，有反應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油缸必須采用雙桿結(jié)構(gòu)形式，負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)較其他系統(tǒng)有節(jié)能降耗、響應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂。因此，在全自動(dòng)煙葉采收機(jī)中選擇開芯無反應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種性價(jià)比較高的方案，不僅能夠滿足使用要求，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低。

3.2.3 收獲機(jī)液壓操縱系統(tǒng)

對(duì)全自動(dòng)煙葉采收機(jī)而言，其液壓操縱系統(tǒng)控制煙葉采收、傳送、收集和采收臺(tái)升降，通過液壓馬達(dá)和液壓缸實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于煙葉的采收和傳送，采用液壓馬達(dá)控制。采收刀馬達(dá)串聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)采收刀的相向轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)速相同。在此基礎(chǔ)上，考慮到采收刀與傳送系統(tǒng)同時(shí)工作，將傳送馬達(dá)并入采收回路中，不僅能夠簡(jiǎn)化油路，還能保證煙葉采收和傳送的協(xié)作性能，如圖5所示。

1.傳送馬達(dá) 2～5.采收馬達(dá)

對(duì)于煙葉的收集與采收臺(tái)的升降，采用鎖緊回路，如圖6所示。雙向液壓鎖的鎖緊回路的優(yōu)點(diǎn)是活塞可在任意位置被鎖緊，能夠防止停止運(yùn)動(dòng)后因外界因素而發(fā)生竄動(dòng)。由于液控單向閥是錐閥式結(jié)構(gòu)，所以密封性好，泄露極少，常用在工程機(jī)械、汽車起重機(jī)支腿和飛機(jī)起落架等回路上。

1.液壓缸 2.液壓鎖圖

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)基本條件

鄭州容大科技發(fā)展有限公司試制的全自動(dòng)煙葉采收機(jī)樣機(jī)田間性能試驗(yàn)在河南省許昌市襄城縣雙廟鄉(xiāng)煙田和河南省禹州市小呂鄉(xiāng)煙田進(jìn)行，試驗(yàn)用煙為中煙100，株距平均為50cm。2017年7月20日至2017年9月20日進(jìn)行煙葉收獲作業(yè)，每次采收2～3片煙葉，一次采收兩行，作業(yè)速度為70～90m/min，如圖7所示。

圖7 田間試驗(yàn)Fig.7 Field test

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試制的全自動(dòng)煙葉采收機(jī)在田間通過性良好，主要針對(duì)煙葉采凈率和煙葉破損率兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

表1 全自動(dòng)煙葉采收機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果Table 1 Experimental performance results of the automatic tobacco harvester

從試驗(yàn)結(jié)果來看，煙葉采凈率和破損率在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，滿足農(nóng)藝要求，但仍有改進(jìn)的空間。煙葉采凈率和破損率不僅與采收刀的形狀、材料、安裝位置有關(guān)，還與采收刀的轉(zhuǎn)速、喂入速度等有很大關(guān)系，不合適的轉(zhuǎn)速和喂入速度也會(huì)導(dǎo)致煙葉的漏摘和破損。

5 結(jié)論與展望

整機(jī)采用全液壓傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了煙葉的全自動(dòng)采收，節(jié)省了人力，提高了效率，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、操作方便。柔性采收刀的設(shè)計(jì)保證了較高的煙葉采凈率和較低的煙葉破損率。水平傳送帶與提升傳送帶的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了煙葉從采收裝置到煙筐的傳送。

在未來的研究中，需要完善我國各個(gè)地區(qū)煙草莖、葉的物理特性研究，獲得煙葉的低損傷機(jī)理，為煙葉采收機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。為提高收獲機(jī)的智能性，還需進(jìn)一步研究其機(jī)電液一體化技術(shù)，可引入機(jī)器視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別煙葉成熟度。在滿足使用要求的前提下，還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化與優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。