分段式大蒜收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王利遠(yuǎn),李天華,牛子孺,吳彥強(qiáng),韓 可,楊 青,姜廣民,侯加林

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018; 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018;3.臨沂鳳林農(nóng)機(jī)制造有限公司,山東 臨沂 277700)

0 引言

大蒜是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,具有悠久的種植歷史及極高的食用價(jià)值、藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。我國(guó)是世界上大蒜主產(chǎn)區(qū),產(chǎn)量占世界大蒜產(chǎn)量的70%以上,近幾年大蒜種植面積不斷增加,主要分布在山東、江蘇、河南等地區(qū),大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好。

目前,我國(guó)大蒜聯(lián)合收獲機(jī)研制主要存在以下幾點(diǎn)問題：①我國(guó)大蒜聯(lián)合收獲機(jī)的研制仍處于初步階段,大部分以樣機(jī)試驗(yàn)試制為主,短期內(nèi)難以形成規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用,且大部分大蒜聯(lián)合收獲機(jī)體積較大,難以適應(yīng)不同地區(qū)的大蒜種植模式;②目前研制的大蒜聯(lián)合收獲機(jī)造價(jià)成本較高,對(duì)廣大蒜農(nóng)接受程度較低。因此,我國(guó)大蒜收獲仍以人工收獲為主,但大蒜收獲的時(shí)效性強(qiáng),人工收獲強(qiáng)度高、效率低下、成本高[1]。上述情況不利于我國(guó)大蒜全程機(jī)械化進(jìn)程的積極發(fā)展,所以亟需設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且適用于小地塊的小型大蒜聯(lián)合收獲機(jī)。

針對(duì)上述情況,設(shè)計(jì)了分段式大蒜聯(lián)合收獲機(jī),可一次性完成三行大蒜的收獲作業(yè),且機(jī)器體積輕巧、成本低、操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,能夠適應(yīng)不同地區(qū)的大蒜種植模式[2],對(duì)于我國(guó)大蒜產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。

1 總體機(jī)構(gòu)及工作原理

1.1 總體機(jī)構(gòu)

本機(jī)主要由夾持輸送裝置、挖掘裝置、限深裝置、打捆裝置等組成,可一次性完成三行大蒜的挖掘、夾持輸送、打捆、田間鋪放等收獲作業(yè),如圖1所示。其結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,成本低,作業(yè)效率高,對(duì)不同地區(qū)不同大蒜種植模式的適應(yīng)性強(qiáng)。

1.變速箱 2.傳動(dòng)錐齒輪 3.打捆機(jī)構(gòu) 4.限深臂 5.夾持機(jī)構(gòu) 6..限深輪 7.挖掘立軸 8.挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤 9.手扶拖拉機(jī)圖1 分段式大蒜收獲機(jī)主視圖Fig.1 The main view of the segmented garlic harvester

1.2 工作原理

手扶拖拉機(jī)作為整機(jī)的動(dòng)力輸出源和安裝平臺(tái),其動(dòng)力通過變速箱傳遞給收獲裝置進(jìn)行收獲作業(yè)。工作時(shí),手扶拖拉機(jī)帶動(dòng)整機(jī)前進(jìn),變速箱安裝于手扶拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸上,所輸出的動(dòng)力帶動(dòng)挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)土壤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)松動(dòng),對(duì)大蒜進(jìn)行挖掘。夾持裝置采用夾持鏈條設(shè)計(jì),傳動(dòng)穩(wěn)定,安裝于手扶拖拉機(jī)正后方位置,在變速箱所給動(dòng)力下,夾持裝置的主動(dòng)鏈輪進(jìn)行夾持傳動(dòng)。隨著整機(jī)不斷前進(jìn),夾持鏈條不斷夾持大蒜,進(jìn)而將大蒜撅出土壤向后輸送。限深裝置位于整機(jī)的左后方位置,控制機(jī)器與地面保持一定距離,達(dá)到良好的收獲效果。在夾持裝置最后方,打捆裝置通過鏈條與變速箱動(dòng)力輸出軸連接,對(duì)夾持過來的大蒜進(jìn)行打捆處理,打捆后的大蒜放置于田地上,后期由蒜農(nóng)拾取[3-6]。其工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖Fig.2 Workflow diagram

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)大蒜農(nóng)藝和種植模式要求,確定本機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 分段式大蒜收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameter of the segmented garlic harvester

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 挖掘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)構(gòu)是大蒜收獲機(jī)的關(guān)鍵部件之一,對(duì)大蒜收獲的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響,主要功能是將土壤中的大蒜松動(dòng),便于后續(xù)的收獲作業(yè)。大蒜挖掘機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)式挖掘機(jī)構(gòu)設(shè)置,挖掘立軸采用φ80的無縫鋼管,內(nèi)部安裝有旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸,挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤為齒狀圓盤。由于工作環(huán)境惡劣,對(duì)挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤本身材料有更高的要求,故采用65Mn材質(zhì),經(jīng)高溫淬火后,達(dá)到挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤所需的耐磨性、韌性和耐蝕性[7]。挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤安裝在挖掘立軸底部,實(shí)現(xiàn)土壤的松土作業(yè)和大蒜的挖掘過程。挖掘機(jī)結(jié)構(gòu),如圖3所示。其工作過程：手扶拖拉機(jī)作為動(dòng)力輸出源,通過變速箱體傳遞給旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸帶動(dòng)挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤旋轉(zhuǎn),高速旋轉(zhuǎn)的刀盤實(shí)現(xiàn)土壤的松動(dòng)和大蒜的挖掘作業(yè)。

1.挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤 2.挖掘立軸 3.傳動(dòng)錐齒輪 4.橫向傳動(dòng)軸 5.固定支座 6.固定螺栓 7.挖掘傳動(dòng)軸圖3 挖掘機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of the excavator

2.2 夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)包括夾持總架和安裝于夾持總架上的兩組鏈條夾持裝置,每組鏈條夾持裝置包括通過鏈條連接的主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪,主動(dòng)鏈輪安裝于傳動(dòng)軸上,兩組鏈條夾持裝置中的鏈條之間形成夾持空間。夾持總架上還安裝有位于鏈條內(nèi)的預(yù)緊裝置和張緊裝置,預(yù)緊裝置包括一端通過螺栓與夾持總架連接的調(diào)節(jié)桿及安裝在張緊輪桿桿上且輪面與鏈條貼緊的張緊輪[8]。其結(jié)構(gòu)主視圖如圖4所示。

1.主動(dòng)鏈輪 2.夾持鏈條 3.張緊輪桿 4.彈簧 5.主動(dòng)鏈輪 6.預(yù)緊螺栓 7.引導(dǎo)桿 8.夾持總架 9.張緊輪圖4 夾持機(jī)構(gòu)主視圖Fig.4 The main view of the clamping mechanism

本設(shè)計(jì)夾持輸送鏈條的傾角α取23 °,則選擇夾持鏈條夾持點(diǎn)高度為

式中h—夾持鏈條末端相對(duì)于大蒜生長(zhǎng)地面的高度(mm),經(jīng)過多次的田間試驗(yàn)及大蒜莖稈物理特性分析選取h=80mm;

D—鏈輪直徑(mm);

a—鏈輪高出帶輪的高度(mm);

α—夾持輸送帶的傾角(°)。

將參數(shù)全部代入得出夾持點(diǎn)離地面的高度H=100mm。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

試驗(yàn)?zāi)康模貉芯看笏鈯A持鏈條輸送速度、挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角與機(jī)組前進(jìn)速度三因素對(duì)分段式大蒜收獲機(jī)收獲效果的綜合影響,并最終得出最優(yōu)參數(shù)組合[9-10]。

3.1 試驗(yàn)基本條件

田間試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在臨沂市蘭陵縣神山鎮(zhèn)政府大蒜全程機(jī)械化試驗(yàn)田。試驗(yàn)地屬于平原區(qū),土壤為壤土;種植前精細(xì)整地,施足基肥;蒜種采用蒼山大蒜;播種時(shí)開溝栽培,按照株距12cm進(jìn)行播種,開溝、播種、覆土深淺一致,且要是種瓣與土壤密接,把蒜瓣排放溝內(nèi),覆土2cm;播種后進(jìn)行地膜覆蓋。試驗(yàn)樣機(jī)由臨沂鳳林農(nóng)機(jī)制造有限公司生產(chǎn),依據(jù)DB37/T2878.4-2016 農(nóng)產(chǎn)品收獲機(jī)械 通用技術(shù)要求 第 4 部分：大蒜收獲機(jī)械,GB/T5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。其試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖Fig.5 Test in field

3.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

試驗(yàn)后,對(duì)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的大蒜進(jìn)行人工撿拾,分別對(duì)已挖掘大蒜、未挖掘大蒜(未完全挖掘出土壤)和機(jī)械損傷大蒜進(jìn)行稱重。試驗(yàn)要求每組試驗(yàn)機(jī)器收獲作業(yè)20m,重復(fù)進(jìn)行3次,取平均值[11-13]。

挖掘率具體計(jì)算公式為

M=M1+M2

式中M—試驗(yàn)大蒜總質(zhì)量(kg);

M1—試驗(yàn)已挖掘大蒜質(zhì)量(kg);

M2—試驗(yàn)未挖掘大蒜質(zhì)量(kg);

M3—試驗(yàn)機(jī)械損傷大蒜質(zhì)量(kg);

P1—漏蒜率;

P2—傷蒜率。

3.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)[14],選取試驗(yàn)因素與水平如表2所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。表3中：k11～k13、k21～k23分別為各因素各水平下測(cè)定指標(biāo)(P1、P2)值的和;R1、R2為極差。

由表3可知：挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角、機(jī)組前進(jìn)速度和夾持鏈條輸送速度對(duì)漏蒜率影響的主次順序?yàn)閵A持鏈條輸送速度﹥挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角﹥機(jī)組前進(jìn)速度,三者水平的較優(yōu)組合為A3B3C1;夾持鏈條輸送速度、機(jī)組前進(jìn)速度和挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角對(duì)傷蒜率影響的主次順序?yàn)闄C(jī)組前進(jìn)速度﹥挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角﹥夾持鏈條輸送速度,三者水平的較優(yōu)組合A3B1C2。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Experimental factor and levels

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Experimental scheme and results

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果利用SPSS軟件[15]進(jìn)行方差分析,顯著性水平為0.05,方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance

由表4方差分析表可知：在顯著性水平為0.05的條件下,對(duì)于漏蒜率指標(biāo),挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角因素值Sig.為0.006,對(duì)漏蒜率指標(biāo)影響極為顯著;夾持鏈條輸送速度因素值Sig.為0.023,對(duì)漏蒜率指標(biāo)影響顯著;機(jī)組前進(jìn)速度因素值Sig.為0.282,對(duì)漏蒜率指標(biāo)影響不顯著。對(duì)于傷蒜率指標(biāo),挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角因素值Sig.為0.047,對(duì)傷蒜率指標(biāo)影響顯著;機(jī)組前進(jìn)速度與夾持鏈條輸送速度對(duì)傷蒜率指標(biāo)影響不顯著[16]。

根據(jù)以上方案,確定A3B3C1為最優(yōu)組合,即挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角14°,機(jī)組前進(jìn)速度1m/s,夾持鏈條輸送速度1.2m/s。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)的分段式大蒜聯(lián)合收獲機(jī)可一次性完成三行大蒜的挖掘、夾持輸送、打捆及田間鋪放等收獲作業(yè),各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 通過三因素三水平正交試驗(yàn)得出：挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角因素對(duì)漏蒜率指標(biāo)影響極為明顯,夾持鏈條輸送速度因素對(duì)漏蒜率指標(biāo)影響明顯,機(jī)組前進(jìn)速度因素對(duì)漏蒜率指標(biāo)影響不明顯;挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角因素對(duì)傷蒜率指標(biāo)影響明顯,機(jī)組前進(jìn)速度與夾持鏈條輸送速度對(duì)傷蒜率指標(biāo)影響不明顯。

3) 確定分段式大蒜收獲機(jī)工作參數(shù)的最優(yōu)組合為挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤傾角14°,機(jī)組前進(jìn)速度1m/s,夾持鏈條輸送速度1.2m/s。