朝天椒收獲裝置的設(shè)計(jì)、分析與驗(yàn)證*

□ 劉 高 □ 林蜀云 □ 吳 荻 □ 唐 勇 □ 徐衛(wèi)平

1.貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 貴陽(yáng) 550001

2.貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所 貴陽(yáng) 550007

1 設(shè)計(jì)背景

目前,貴州朝天椒種植總面積已達(dá)3 500 km2,種植區(qū)域分散,單塊種植區(qū)域面積小。由于貴州山地較多,土地不平整,部分土地坡度較大,因此給朝天椒的機(jī)械化收獲帶來(lái)很大困難[1-5]。國(guó)外朝天椒收獲機(jī)發(fā)展比較成熟,已有200多種機(jī)型、30多項(xiàng)專利,其中,常用的結(jié)構(gòu)形式有滾筒梳指式、展開(kāi)雙螺旋式、傾斜長(zhǎng)桿梳指式、帶狀梳指式。朝天椒的機(jī)械化收獲研究在國(guó)內(nèi)仍處于起步階段,雖然新疆、陜西等地多采用國(guó)外進(jìn)口收獲機(jī),但是手工采摘仍然是主要收獲方式[6-8]。由于受到實(shí)際種植環(huán)境的限制,貴州朝天椒收獲方式多為手工采摘,采摘成本大,收獲周期長(zhǎng),易延誤最佳收獲期,影響朝天椒品質(zhì)[9-11]。

根據(jù)目前貴州朝天椒的收獲現(xiàn)狀,筆者設(shè)計(jì)了一種斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置,并進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

2 收獲裝置設(shè)計(jì)要求

斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置是朝天椒收獲機(jī)的一個(gè)重要部件,決定了朝天椒收獲機(jī)的收獲效果優(yōu)劣。

我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12825—2016《辣椒收獲機(jī)》[12]針對(duì)果形指數(shù)大于8的朝天椒收獲提出了具體要求,收獲地表應(yīng)平坦無(wú)溝渠,朝天椒采摘損失率不高于3%,破損率不高于2%。

貴州氣候溫和多雨,通常種植朝天椒。朝天椒喜溫忌澇,因此貴州的朝天椒農(nóng)藝種植規(guī)范比較特殊,朝椒天多采用壟作栽培的方式。朝天椒包溝起廂為130 cm,廂面寬為80 cm,溝寬為50 cm,壟高為20 cm,廂面株距為35 cm,行距為50 cm。朝天椒種植模式如圖1所示。

▲圖1 朝天椒種植模式

貴州朝天椒種植地比較分散,坡度大,單塊種植區(qū)域面積小。朝天椒含水率為53.48%,采摘過(guò)程中極易破壞。針對(duì)貴州朝天椒種植的特殊環(huán)境、特殊農(nóng)藝,朝天椒收獲裝置需滿足如下技術(shù)要求:

(1) 收獲原理滿足貴州朝天椒壟作栽培方式的要求;

(2) 轉(zhuǎn)速需控制在100～300 r/min之間;

(3) 朝天椒采摘損失率、破損率均不高于5%。

3 收獲裝置工作原理

根據(jù)貴州朝天椒種植戶的種植習(xí)慣及朝天椒研究所制定的農(nóng)藝規(guī)范,朝天椒采用壟作、單行雙株的栽培方式。由于受天氣及環(huán)境影響,壟與壟之間存在深淺、寬窄不同的差異,同時(shí)朝天椒植株及朝天椒結(jié)果位置也高低不一,需要有針對(duì)性地設(shè)計(jì)一種滿足現(xiàn)有農(nóng)藝規(guī)范及地理環(huán)境條件要求的收獲機(jī)。筆者提出斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲原理,并設(shè)計(jì)了斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置,如圖2所示。

當(dāng)朝天椒植株進(jìn)入收獲裝置的兩個(gè)螺旋梳指輥之間時(shí),螺旋梳指輥上的螺旋梳指在梳指輥的帶動(dòng)下自下向上運(yùn)動(dòng),螺旋梳指通過(guò)撞擊朝天椒果實(shí)使出朝天椒果實(shí)與朝天椒稈脫離。朝天椒果實(shí)在慣性力的作用下被拋至兩邊的輸送帶上,可以通過(guò)集料箱將朝天椒果實(shí)收集起來(lái)。

▲圖2 斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置

4 收獲裝置的設(shè)計(jì)

4.1 螺旋梳指輥

螺旋梳指輥的直徑滿足:

(1)

式中:d為螺旋梳指輥直徑,mm;[τT]為材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,MPa;p為螺旋梳指輥傳遞的功率,kW;n為螺旋梳指輥的轉(zhuǎn)速,r/min。

斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置中,螺旋梳指輥傳遞的功率為1 kW,最大轉(zhuǎn)速為300 r/min,由機(jī)械設(shè)計(jì)工藝手冊(cè)查得[τT]取值為15 MPa,計(jì)算得螺旋梳指輥的直徑最小為21.974 mm。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,結(jié)合朝天椒種植農(nóng)藝及設(shè)備空間布局,取螺旋梳指輥直徑為100 mm,可以滿足強(qiáng)度要求。

螺旋梳指輥長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)需要從朝天椒種植農(nóng)藝出發(fā),并結(jié)合貴州朝天椒的物理特性。對(duì)貴州朝天椒進(jìn)行部分物理參數(shù)測(cè)量,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 朝天椒物理參數(shù)

根據(jù)朝天椒平均株高56.68 mm進(jìn)行螺旋梳指輥長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),螺旋梳指輥與地面的夾角為30°,于是得到螺旋梳指輥長(zhǎng)度為1 140 mm。螺旋梳指輥前端與后端的水平距離為987 mm,朝天椒株距為35 cm,工作過(guò)程中螺旋梳指輥平均接觸三株朝天椒。

4.2 螺旋梳指

朝天椒種植地平均傾斜角度為15°,根據(jù)設(shè)備空間布置需要及朝天椒采摘需要,螺旋梳指輥軸線與地面的夾角為30°,左右兩輥分別為左右旋向,因此在螺旋梳指布置角度中,左螺旋角θ為45°,右螺旋角β為-45°。螺旋梳指輥長(zhǎng)度b為1 140 mm,兩輥間距c為900 mm。螺旋梳指輥及螺旋梳指布置如圖3所示。

采用上述螺旋梳指布置方式,能較大程度提高收獲裝置和朝天椒果實(shí)的接觸面積,在工作過(guò)程中可以對(duì)不同植株高度、不同結(jié)果位置高度的朝天椒進(jìn)行充分采摘,降低土地坡度對(duì)采摘的影響。雙輥排列安裝方式還滿足朝天椒的壟作栽培方式,節(jié)省布置所占空間,有利于收獲裝置設(shè)計(jì)小型化。

▲圖3 螺旋梳指輥與螺旋梳指布置

5 仿真分析

5.1 三維仿真模型

根據(jù)斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置在實(shí)際工作過(guò)程中的工作狀態(tài),提取單個(gè)朝天椒及單根螺旋梳指在豎直碰撞時(shí)的情形,建立朝天椒收獲過(guò)程Adams三維仿真模型,如圖4所示。

▲圖4 朝天椒收獲過(guò)程三維仿真模型

根據(jù)對(duì)朝天椒的實(shí)際測(cè)量,得出朝天椒果實(shí)中部平均直徑為12 mm,即朝天椒接觸點(diǎn)平均直徑為12 mm。螺旋梳指直徑為6 mm,螺旋梳指頂端與螺旋梳指輥中心位置距離為300 mm。仿真過(guò)程中,螺旋梳指輥帶動(dòng)螺旋梳指轉(zhuǎn)動(dòng),使螺旋梳指與朝天椒發(fā)生碰撞。

5.2 仿真參數(shù)

在朝天椒機(jī)械采摘過(guò)程中,螺旋梳指對(duì)朝天椒果實(shí)施加一個(gè)碰撞力,這一碰撞力使朝天椒果實(shí)和朝天椒桿之間產(chǎn)生脫離力。脫離力的大小決定了朝天椒果實(shí)是否能從朝天椒稈上脫落下來(lái),且碰撞力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致朝天椒破損。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),筆者在螺旋梳指輥轉(zhuǎn)速為130 r/min、150 r/min、170 r/min、190 r/min、210 r/min五種情況下,對(duì)碰撞力和脫離力進(jìn)行仿真分析。

在朝天椒和螺旋梳指的碰撞模型中,碰撞力用接觸力代替,接觸力發(fā)生在螺旋梳指與朝天椒果實(shí)碰撞時(shí)。應(yīng)用Adams軟件仿真時(shí),根據(jù)赫茲接觸理論對(duì)接觸力進(jìn)行計(jì)算。

(2)

(3)

(4)

式中:Fni為法向接觸力,N;K為接觸剛度,N/mm;δi為穿透深度,mm;e為力指數(shù);C為阻尼系數(shù),N·s/mm;Vi為接觸點(diǎn)相對(duì)速度,m/s;Ri為接觸體半徑,mm;μi為泊松比;Ei為彈性模量,MPa。

在朝天椒采摘過(guò)程中,為了降低朝天椒的破損率,需要為螺旋梳指套上橡膠材料,力指數(shù)取2.5,穿透深度取3 mm。將朝天椒模型設(shè)置為柔性體,并添加朝天椒、螺旋梳指的質(zhì)量屬性和運(yùn)動(dòng)屬性。

在仿真中,脫離力用套筒力代替,套筒力兼具彈簧和阻尼器的特點(diǎn)。在Adams軟件中,套筒力的大小主要通過(guò)力作用過(guò)程中X、Y、Z三個(gè)方向的力和力矩來(lái)定義,其矩陣方程為:

(5)

式中:FX、FY、FZ依次為X、Y、Z方向的套筒力,N;TX、TY、TZ依次為X、Y、Z方向的套筒力力矩,N·m;kP1、kP2、kP3依次為X、Y、Z方向的變形剛度因數(shù);kP4、kP5、kP6依次為X、Y、Z方向的扭轉(zhuǎn)剛度因數(shù);x、y、z依次為X、Y、Z方向的變形量,mm;a、b、c依次為X、Y、Z方向的扭轉(zhuǎn)變形量,mm;cP1、cP2、cP3依次為X、Y、Z方向的變形阻尼因數(shù);cP4、cP5、cP6依次為X、Y、Z方向的扭轉(zhuǎn)阻尼因數(shù);VX、VY、VZ依次為X、Y、Z方向的碰撞速度,m/s;ωX、ωY、ωZ依次為X、Y、Z方向的碰撞角速度,rad/s;F1、F2、F3依次為X、Y、Z方向的載荷,N;T1、T2、T3依次為X、Y、Z方向的載荷力矩,N·m。

阻尼因數(shù)與剛度因數(shù)為線性關(guān)系,取各剛度因數(shù)為1,各阻尼因數(shù)為0.008。

5.3 仿真結(jié)果

在Adams軟件中導(dǎo)入仿真模型[13],通常貴州朝天椒的平均質(zhì)量為0.002 8 kg,因此設(shè)置朝天椒模型質(zhì)量為0.002 8 kg。選取可鍛鑄鐵密度為7.4 g/cm3,計(jì)算得螺旋梳指模型質(zhì)量為0.026 5 kg。

定義朝天椒稈和地面固定,朝天椒稈與朝天椒果實(shí)之間采用套筒力連接,同時(shí)設(shè)置螺旋梳指與朝天椒果實(shí)之間的接觸力。

為便于分析,需要測(cè)量仿真過(guò)程中碰撞力和脫離力的幅值。設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為0.2 s,仿真步數(shù)為300步,記錄仿真結(jié)果。不同轉(zhuǎn)速下朝天椒果實(shí)和螺旋梳指之間產(chǎn)生的碰撞力如圖5所示,不同轉(zhuǎn)速下朝天椒果實(shí)和朝天椒稈之間產(chǎn)生的脫離力如圖6所示,不同轉(zhuǎn)速下碰撞力和脫離力折線圖如圖7所示。

▲圖5 不同轉(zhuǎn)速下朝天椒果實(shí)和螺旋梳指碰撞力

▲圖6 不同轉(zhuǎn)速下朝天椒果實(shí)和朝天椒稈脫離力

由仿真結(jié)果可以看出,朝天椒所受碰撞力、脫離力均隨螺旋梳指轉(zhuǎn)速的加快而增大,碰撞力越大,朝天椒越容易破損。因此,在保證朝天椒能被采摘的前提下,應(yīng)盡量選擇較小的碰撞力。筆者在仿真前對(duì)朝天椒果實(shí)和朝天椒稈之間的脫離力進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量,測(cè)量得到的平均脫離力為11.5 N。圖5和圖6仿真結(jié)果表明,當(dāng)螺旋梳指輥轉(zhuǎn)速為170 r/min時(shí),朝天椒果實(shí)和螺旋梳指之間的碰撞力為15.873 0 N,對(duì)應(yīng)的脫離力為11.149 9 N,這一脫離力小于朝天椒果實(shí)和朝天椒稈之間的實(shí)際脫離力,不能使朝天椒果實(shí)從朝天椒稈上脫離下來(lái)。當(dāng)螺旋梳指輥轉(zhuǎn)速為190 r/min時(shí),對(duì)應(yīng)的碰撞力為17.080 8 N,脫離力為11.933 0 N,脫離力大于朝天椒果實(shí)與朝天椒稈之間的實(shí)際脫離力,能夠?qū)⒊旖饭麑?shí)從朝天椒稈上采摘下來(lái)。當(dāng)螺旋梳指輥轉(zhuǎn)速為210 r/min時(shí),對(duì)應(yīng)的碰撞力為19.188 4 N,脫離力為12.608 8 N,脫離力增大,同時(shí)碰撞力也增大,會(huì)提高朝天椒果實(shí)的破損率。因此,從仿真結(jié)果可以得出,螺旋梳指輥的轉(zhuǎn)速選取190 r/min為宜。

▲圖7 不同轉(zhuǎn)速下碰撞力和脫離力折線圖

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置的可行性及設(shè)計(jì)、仿真參數(shù)的合理性,設(shè)計(jì)了斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置試驗(yàn)臺(tái),這一試驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)螺旋梳指輥轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、間距調(diào)節(jié)、傾斜角度調(diào)節(jié)功能。這一試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)架、雙螺旋梳指輥、分禾器及分禾器調(diào)節(jié)架、減速電機(jī)、鎮(zhèn)壓輪等組成,整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。試驗(yàn)臺(tái)工作過(guò)程中,由調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力,齒輪傳動(dòng)組件為螺旋梳指輥傳遞動(dòng)力,并改變一根螺旋梳指輥的轉(zhuǎn)向,使兩根螺旋梳指輥反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

▲圖8 斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

采用斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)于2019年8月在遵義市綏陽(yáng)縣風(fēng)華鎮(zhèn)試驗(yàn)田中進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)天氣晴,環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到朝天椒的破損率、采摘損失率等參數(shù),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置轉(zhuǎn)速為130 r/min時(shí),朝天椒采摘損失率最高,破損率最低。當(dāng)轉(zhuǎn)速為210 r/min時(shí),朝天椒采摘損失率最低,而破損率最高。當(dāng)轉(zhuǎn)速為190 r/min時(shí),朝天椒采摘損失率、破損率都相對(duì)較低,滿足設(shè)計(jì)要求。從試驗(yàn)實(shí)際情況來(lái)看,當(dāng)斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置轉(zhuǎn)速為210 r/min時(shí),試驗(yàn)臺(tái)整機(jī)振動(dòng)較大,裝置運(yùn)行不穩(wěn)定,朝天椒破損率高,因此仿真結(jié)論為斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置轉(zhuǎn)速為190 r/min時(shí)具有最佳的收獲效果。

綜合仿真和試驗(yàn)結(jié)果,這一斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置滿足朝天椒收獲的需求,同時(shí)在破損率、采摘損失率等指標(biāo)上滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)貴州朝天椒收獲中現(xiàn)有收獲機(jī)無(wú)法滿足收獲需求的問(wèn)題,提出了斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲原理,設(shè)計(jì)了斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置,適用于貴州朝天椒壟作栽培方式,減小土地坡度對(duì)采摘效果的影響。

應(yīng)用Adams仿真軟件對(duì)斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證了裝置的有效性。利用斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符。應(yīng)用斜置雙螺旋梳指式朝天椒收獲裝置,當(dāng)轉(zhuǎn)速為190 r/min時(shí),朝天椒破損率、采摘損失率均滿足設(shè)計(jì)要求,朝天椒收獲效果良好。