基于人工取盤(pán)原理的食葵取盤(pán)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

韓長(zhǎng)杰 刁宏偉 仇世龍 朱興亮 張 靜 袁盼盼

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052； 2.新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 烏魯木齊 830052)

0 引言

食葵是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，營(yíng)養(yǎng)豐富，常作為休閑食品流通，種植范圍遍及東北、西北、華北等地，種植面積常年在5.0×105hm2左右，產(chǎn)量約1.52×106t[1-3]。目前，新疆普遍種植的食葵品種為“SH363”，采用大小行覆膜種植模式，大行距90 cm，小行距40 cm[4]；由于成熟期食葵的含水率高，采收多采用分段式的收獲模式，由人工割下葵花盤(pán)，將葵稈從中間切斷，再把葵花盤(pán)插到葵稈上進(jìn)行自然晾曬，晾曬5～7 d后進(jìn)行取盤(pán)和脫粒作業(yè)[5-8]；插盤(pán)晾曬后的食葵取盤(pán)作業(yè)主要依靠人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，容易錯(cuò)過(guò)最佳采收期從而導(dǎo)致食葵產(chǎn)量及品質(zhì)下降[9-11]。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的食葵機(jī)械收獲方式分為聯(lián)合式收獲和分段式收獲[12-13]。國(guó)外由于食葵品種及氣候等原因多采用專用割臺(tái)對(duì)食葵進(jìn)行聯(lián)合式收獲作業(yè)，機(jī)械化水平較高[14-17]，如美國(guó)Capello公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的Helianthus9400系列葵花聯(lián)合收獲機(jī)、俄羅斯Rostselmash公司設(shè)計(jì)的Falcon系列葵花收獲專用割臺(tái)、意大利Fantini公司設(shè)計(jì)的G3系列葵花收獲專用割臺(tái)等[18]。國(guó)內(nèi)食葵成熟期含水率較高，不適宜采用聯(lián)合式收獲作業(yè)，多采用分段式收獲方式。分段收獲作業(yè)主要依靠人工取盤(pán)，配合自走式的脫粒機(jī)械完成食葵的收獲作業(yè)，其中具有代表性的食葵收獲機(jī)型有新疆豐達(dá)機(jī)械制造有限公司設(shè)計(jì)的食葵收獲機(jī)，由人工將葵盤(pán)取下拋入與脫粒裝置相連的料斗中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但取盤(pán)作業(yè)依靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度大[19]；內(nèi)蒙古托克托縣宏昌機(jī)械制造有限公司和巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院聯(lián)合研制的4ZXRKS-4型食葵收獲機(jī)，該機(jī)對(duì)傳統(tǒng)谷物聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行改制，撥禾鏈強(qiáng)制喂入以及拉莖輥下拉莖桿的過(guò)程中產(chǎn)生了較大的沖擊，容易造成葵花籽粒的脫落損失[20-21]；文獻(xiàn)[22-23]設(shè)計(jì)的食葵收獲割臺(tái)，可以適應(yīng)食葵分段式收獲的作業(yè)方式，但取盤(pán)過(guò)程中由于撥禾輪的沖擊較大，會(huì)造成食葵盤(pán)掉落及籽粒脫落損失的情況。國(guó)外聯(lián)合式收獲雖然工作效率高，但與國(guó)內(nèi)新疆等地分段式收獲的農(nóng)藝不適配；國(guó)內(nèi)對(duì)小麥、玉米、大豆、油葵等收獲機(jī)械研究較多，但對(duì)食葵收獲機(jī)械的研究較少，因此，研究食葵的機(jī)械化取盤(pán)裝備具有重要意義。

為了減少人力投入、降低取盤(pán)作業(yè)過(guò)程中的籽粒損失，本文基于人工取盤(pán)原理設(shè)計(jì)一種食葵取盤(pán)裝置[24]，主要包括輸送鏈?zhǔn)饺”P(pán)機(jī)構(gòu)和托盤(pán)組件，可以沿豎直方向?qū)⒖P(pán)拔起并拋送至集料倉(cāng)中，確定機(jī)具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，以期為分段式收獲模式下食葵取盤(pán)裝備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

食葵取盤(pán)裝置主要由分禾器、轉(zhuǎn)向輪、取盤(pán)機(jī)構(gòu)、地輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、集料倉(cāng)、牽引架、機(jī)架等組成，如圖1所示。分禾器位于機(jī)具最前方，分禾器后方裝有取盤(pán)機(jī)構(gòu)，取盤(pán)機(jī)構(gòu)末端下方為集料倉(cāng)，地輪、轉(zhuǎn)向輪、牽引架及其他相關(guān)輔助部件安裝在機(jī)架上。

圖1 食葵取盤(pán)裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of edible sunflower plate taking device1.分禾器 2.轉(zhuǎn)向輪 3.取盤(pán)機(jī)構(gòu) 4.地輪 5.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 6.集料倉(cāng) 7.牽引架 8.機(jī)架

取盤(pán)裝置的動(dòng)力由地輪提供，地輪通過(guò)鏈傳動(dòng)與中間傳動(dòng)軸相連，中間傳動(dòng)軸上的齒輪與取盤(pán)機(jī)構(gòu)主動(dòng)鏈輪軸上的齒輪嚙合，改變動(dòng)力的方向并把動(dòng)力傳遞給輸送鏈條。取盤(pán)裝置工作時(shí)，插盤(pán)狀態(tài)下的葵稈在分禾器作用下進(jìn)入取盤(pán)機(jī)構(gòu)，葵盤(pán)被取盤(pán)機(jī)構(gòu)拔起并拋送至集料倉(cāng)中，完成插盤(pán)狀態(tài)下的食葵盤(pán)收取作業(yè)。

該裝置模擬人工取盤(pán)時(shí)沿葵稈方向拔起葵盤(pán)的動(dòng)作和路徑(圖2)，利用托盤(pán)桿和輸送鏈條形成的托盤(pán)網(wǎng)格將葵盤(pán)托住，通過(guò)設(shè)置地輪與輸送鏈條之間的傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)沿葵稈方向向上拔起葵盤(pán)，拋送位置下方設(shè)置集料倉(cāng)及時(shí)接住葵盤(pán)和脫落的籽粒，實(shí)現(xiàn)插盤(pán)食葵的喂入、拔起、輸送、拋送、收集過(guò)程。

圖2 人工取盤(pán)示意圖Fig.2 Schematic of manual plate taking1.葵稈 2.葵盤(pán) 3.籽粒 a.抓取過(guò)程 b. 拔起過(guò)程 c. 拋送過(guò)程

綜合考慮食葵物理特性、種植模式、收獲要求，并參照葵花生產(chǎn)操作技術(shù)規(guī)范，確定了整機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main parameters

2 取盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

取盤(pán)機(jī)構(gòu)主要包括前翻轉(zhuǎn)控制凸輪、輸送鏈條、主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、張緊輪、后翻轉(zhuǎn)控制凸輪、托盤(pán)組件、鏈條支承板、限位導(dǎo)桿等，如圖3所示。作業(yè)時(shí)，葵稈進(jìn)入兩輸送鏈條之間的取盤(pán)通道內(nèi)，托盤(pán)桿和輸送鏈條形成托盤(pán)網(wǎng)格將葵稈包住，并沿葵稈方向逐漸將葵盤(pán)拔起與葵稈完全分離，取下的葵盤(pán)隨輸送鏈條運(yùn)動(dòng)至取盤(pán)機(jī)構(gòu)后方并被拋送至集料倉(cāng)中。

圖3 取盤(pán)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of plate taking mechanism1.前翻轉(zhuǎn)控制凸輪 2.從動(dòng)鏈輪 3.托盤(pán)組件 4.鏈條支承板 5.張緊輪 6.輸送鏈條 7.限位導(dǎo)桿 8.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 9.機(jī)架 10.后翻轉(zhuǎn)控制凸輪 11.主動(dòng)鏈輪

根據(jù)食葵盤(pán)直徑為150～330 mm，托盤(pán)桿與輸送鏈條形成的托盤(pán)網(wǎng)格長(zhǎng)度和寬度需小于150 mm，取左右交錯(cuò)布置的兩相鄰?fù)斜P(pán)桿間距為130 mm；根據(jù)食葵種植小行距為400 mm，設(shè)置取盤(pán)機(jī)構(gòu)機(jī)架內(nèi)側(cè)間距為350 mm；鏈條支承板起到支承鏈條的作用，使鏈條保持傾斜直線狀態(tài)；根據(jù)食葵莖稈直徑為22～75 mm，設(shè)計(jì)兩輸送鏈條之間形成的取盤(pán)通道寬度為100 mm；限位導(dǎo)桿位于輸送鏈條邊緣，保持葵稈處于取盤(pán)通道中間位置，防止葵稈橫向傾斜被輸送鏈條松邊的鏈條鏈耳回帶造成沖擊，導(dǎo)致籽粒脫落損失。參考田間食葵的插盤(pán)高度及前期測(cè)定的葵盤(pán)在鋼板上的摩擦角，根據(jù)整機(jī)空間位置設(shè)置主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)鏈輪軸心的水平距離為1 000 mm、豎直距離為365 mm，從動(dòng)鏈輪軸心離地高度為585 mm，取盤(pán)高度可調(diào)。

2.1 工作過(guò)程

根據(jù)人工取盤(pán)作業(yè)時(shí)的動(dòng)作和路徑，設(shè)計(jì)食葵取盤(pán)裝置的工作過(guò)程主要分為喂入階段、拔起階段、輸送階段和拋送階段，如圖4所示。取盤(pán)作業(yè)過(guò)程中托盤(pán)桿在輸送鏈條上方保持伸出狀態(tài)，用于拔起葵盤(pán)；在輸送鏈條下方保持收回狀態(tài)，避免推倒未收獲的葵稈。

圖4 取盤(pán)輸送原理圖Fig.4 Schematic of plate taking and conveying1.前翻轉(zhuǎn)控制凸輪 2.葵稈 3.葵盤(pán) 4.托盤(pán)桿(收回狀態(tài)) 5.輸送鏈條 6.托盤(pán)桿(伸出狀態(tài)) 7.后翻轉(zhuǎn)控制凸輪 8.主動(dòng)鏈輪

喂入階段：隨著機(jī)具前進(jìn)，葵稈在點(diǎn)A進(jìn)入取盤(pán)通道，托盤(pán)桿碰到前翻轉(zhuǎn)控制凸輪發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，與輸送鏈條形成托盤(pán)網(wǎng)格，并將葵稈喂入托盤(pán)網(wǎng)格內(nèi)。

拔起階段：點(diǎn)B至點(diǎn)C為葵盤(pán)的拔起階段，隨機(jī)具前進(jìn)，托盤(pán)桿逐漸靠近葵盤(pán)底部，直至托住葵盤(pán)沿葵稈方向運(yùn)動(dòng)，將葵盤(pán)完全拔起與葵稈分離，完成拔起作業(yè)。托盤(pán)桿對(duì)葵盤(pán)的拔起運(yùn)動(dòng)是輸送鏈條的傾斜直線運(yùn)動(dòng)與機(jī)具水平直線運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，機(jī)具的水平直線運(yùn)動(dòng)對(duì)葵稈產(chǎn)生向前的推力F1，輸送鏈條的傾斜直線運(yùn)動(dòng)對(duì)葵稈產(chǎn)生斜向后的拉力F2，F(xiàn)3是F2的豎直分力，葵盤(pán)與葵稈間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了表面摩擦力F4。

拔起階段葵稈受到機(jī)具前進(jìn)的推力F1和輸送鏈條斜向后的拉力F2作用，當(dāng)拉力的水平分力與推力大小相等時(shí)，葵稈保持豎直狀態(tài)，葵盤(pán)受力滿足F3>F4+G，葵盤(pán)被拔起。當(dāng)葵稈所受拉力的水平分力與機(jī)具前進(jìn)推力不相等時(shí)，葵稈逐漸傾斜，葵盤(pán)與葵稈間摩擦力的方向沿葵稈傾斜方向。

輸送階段：點(diǎn)C至點(diǎn)D為葵盤(pán)的輸送階段，葵盤(pán)被托盤(pán)桿拔起至完全與葵稈分離后，葵盤(pán)鋪放在托盤(pán)桿上，此時(shí)葵盤(pán)受到托盤(pán)桿支持力F6、重力G、葵盤(pán)與托盤(pán)桿之間的摩擦力F5作用，葵盤(pán)隨輸送鏈條向后方輸送。

拋送階段：葵盤(pán)在點(diǎn)D進(jìn)入拋送階段，葵盤(pán)運(yùn)動(dòng)至輸送鏈條后上方，托盤(pán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至主動(dòng)鏈輪圓周位置進(jìn)行整體翻轉(zhuǎn)，葵盤(pán)在自身重力和托盤(pán)桿推力作用下，被拋送至集料倉(cāng)內(nèi)，此時(shí)葵盤(pán)受到的離心力大于葵盤(pán)與托盤(pán)桿之間的摩擦力。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為保證取盤(pán)裝置工作時(shí)籽粒損失少，輸送鏈條速度需要與機(jī)具前進(jìn)速度相匹配。以插盤(pán)狀態(tài)下的葵稈為研究對(duì)象，對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析，如圖5所示。A0為葵稈喂入時(shí)托盤(pán)桿與葵稈接觸的初始位置；A1、A2、A3為葵稈后傾、豎直、前傾時(shí)點(diǎn)A0沿水平方向移動(dòng)后的位置；B1、B2、B3為葵稈后傾、豎直、前傾時(shí)點(diǎn)A0沿輸送鏈條方向移動(dòng)后的位置；D3為葵稈前傾時(shí)托盤(pán)桿與第2根葵稈的接觸位置；va1、vb1、vc1為葵稈后傾時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度、輸送鏈條速度、托盤(pán)桿絕對(duì)速度；va2、vb2、vc2為葵稈豎直時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度、輸送鏈條速度、托盤(pán)桿絕對(duì)速度；va3、vb3、vc3為葵稈前傾時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度、輸送鏈條速度、托盤(pán)桿絕對(duì)速度；S1為輸送機(jī)構(gòu)從動(dòng)鏈輪軸心的離地高度；S2、S3為輸送機(jī)構(gòu)主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)鏈輪軸心的豎直距離、水平距離；O1、O2為相鄰兩葵稈與地面接觸點(diǎn)；θ為葵稈傾斜角度；L為葵稈長(zhǎng)度；α為輸送鏈條與水平面的夾角，α=20°。

圖5 取盤(pán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5 Motion diagrams of plate taking mechanism

取盤(pán)時(shí)固定在輸送鏈條上的托盤(pán)桿對(duì)葵盤(pán)及葵稈的速度是輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的合成速度，其滿足條件

vc=va+vb

(1)

(2)

式中va——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

vb——輸送鏈條線速度，m/s

vc——托盤(pán)桿絕對(duì)速度，m/s

λ——輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度速比

在合速度作用下，葵稈會(huì)形成后傾、豎直、前傾3種姿態(tài)?？捄髢A時(shí)，vb的水平分速度大于機(jī)具前進(jìn)速度va，托盤(pán)桿的絕對(duì)速度vc斜向后，在輸送鏈條緊邊，葵稈被托盤(pán)桿向后推，葵盤(pán)與輸送鏈條為側(cè)邊接觸，接觸位置受到斜向后的沖擊，葵盤(pán)籽粒面發(fā)生20°+θ的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度較大，但輸送效率較快；葵稈豎直時(shí)，vb的水平分速度與機(jī)具前進(jìn)速度va大小相等方向相反，此時(shí)在輸送鏈條緊邊，托盤(pán)桿的絕對(duì)速度vc沿豎直向上方向，托盤(pán)桿相對(duì)葵稈不發(fā)生水平方向移動(dòng)，對(duì)葵稈不產(chǎn)生沖擊，但葵盤(pán)被收取時(shí)，葵盤(pán)與輸送鏈條為側(cè)邊接觸，接觸位置受到豎直方向的沖擊，葵盤(pán)籽粒面發(fā)生20°的翻轉(zhuǎn)；葵稈前傾時(shí)，vb的水平分速度小于機(jī)具前進(jìn)速度va，托盤(pán)桿的絕對(duì)速度vc斜向前，在輸送鏈條緊邊，葵稈被托盤(pán)桿向前推，葵盤(pán)與輸送鏈條為底面接觸，接觸位置受到斜向前的沖擊，葵盤(pán)籽粒面發(fā)生20°-θ的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度較小，但輸送效率較低。當(dāng)θ=20°時(shí)，即葵稈后傾(-20°)、豎直(0°)、前傾(20°)3種狀態(tài)下，輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的速比關(guān)系為

(3)

(4)

(5)

式中λ1——葵稈后傾(-20°)時(shí)輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的速比

λ2——葵稈豎直(0°)時(shí)輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的速比

λ3——葵稈前傾(20°)時(shí)輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的速比

根據(jù)田間食葵的插盤(pán)高度取葵稈L=1 000 mm，依據(jù)機(jī)具設(shè)計(jì)尺寸S1=585 mm，S2=365 mm，S3=1 000 mm，根據(jù)式(3)～(5)利用作圖法求得λ1=1.99，λ2=1.06，λ3=0.73。葵稈后傾、豎直時(shí)輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的速比均大于1，在輸送鏈條上不會(huì)發(fā)生葵盤(pán)擁堵重疊現(xiàn)象；葵稈前傾20°時(shí)，根據(jù)食葵種植株距SO1O2=500 mm，相鄰兩葵稈在輸送鏈條上的距離為SB3D3=362.75 mm，大于葵盤(pán)的最大直徑，同樣不會(huì)發(fā)生擁堵重疊現(xiàn)象。

2.3 托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)機(jī)理分析

2.3.1托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)過(guò)程

托盤(pán)組件安裝在輸送鏈條上，起托住葵盤(pán)的作用，主要包括托盤(pán)桿、限位凸起、限位彈簧、安裝座、連接螺栓。托盤(pán)桿位于4個(gè)半球形限位凸起形成的限位凹槽內(nèi)，使托盤(pán)桿不受外力時(shí)保持伸出或收回狀態(tài)，限制其相對(duì)位置，在前后翻轉(zhuǎn)控制凸輪位置托盤(pán)桿受推力發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程如圖6所示。

圖6 托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)過(guò)程示意圖Fig.6 Schematic of tray rod rotation process1.托盤(pán)桿 2.限位凸起 3.連接螺栓 4.安裝座 5.限位彈簧

托盤(pán)桿在起始位置和終止位置受到限位彈簧的拉力、安裝座和限位凸起的支持力作用，保持靜止?fàn)顟B(tài)；受到外力作用旋轉(zhuǎn)時(shí)，在起始位置至中間位置階段，限位凸起對(duì)托盤(pán)桿產(chǎn)生阻礙其運(yùn)動(dòng)的摩擦力和推力；在中間位置至終止位置階段，托盤(pán)桿越過(guò)限位凸起最高點(diǎn)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在限位彈簧的拉力作用下完成旋轉(zhuǎn)過(guò)程。

2.3.2托盤(pán)桿與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪碰撞過(guò)程

托盤(pán)桿隨輸送鏈條運(yùn)動(dòng)至前翻轉(zhuǎn)控制凸輪位置時(shí)受到前翻轉(zhuǎn)控制凸輪的推力作用發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)位置影響了對(duì)葵稈的沖擊范圍，如圖7所示。托盤(pán)桿在點(diǎn)E、G旋轉(zhuǎn)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)半徑在水平方向的分運(yùn)動(dòng)最大為L(zhǎng)b=Lacosα；在點(diǎn)F旋轉(zhuǎn)時(shí)，可看作豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)半徑在水平方向的分運(yùn)動(dòng)最小可視為0。點(diǎn)E至點(diǎn)F，托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)半徑在水平方向的分運(yùn)動(dòng)逐漸變小，即對(duì)葵稈的沖擊范圍逐漸變??；點(diǎn)F至點(diǎn)G，托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)半徑在水平方向的分運(yùn)動(dòng)逐漸變大，托盤(pán)桿在F點(diǎn)旋轉(zhuǎn)對(duì)葵稈沖擊范圍最小，因此點(diǎn)F為托盤(pán)桿最佳旋轉(zhuǎn)位置。根據(jù)托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)位置點(diǎn)F，設(shè)置前翻轉(zhuǎn)控制凸輪豎直方向的位置。

圖7 托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)位置示意圖Fig.7 Schematic of rotation position of tray rod

為了避免托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)完成后，前翻轉(zhuǎn)控制凸輪阻礙托盤(pán)桿隨輸送鏈條運(yùn)動(dòng)，托盤(pán)桿與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪的位置和尺寸關(guān)系如圖8所示，O1為托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)中心，需滿足關(guān)系式

圖8 前翻轉(zhuǎn)控制凸輪與托盤(pán)桿位置及尺寸關(guān)系示意圖Fig.8 Schematic of position and size relationship between front stop and tray rod1.托盤(pán)桿(收回狀態(tài)) 2.托盤(pán)桿(伸出狀態(tài)) 3.前翻轉(zhuǎn)控制凸輪

(6)

式中La——托盤(pán)桿長(zhǎng)邊長(zhǎng)段長(zhǎng)度(長(zhǎng)邊端面至旋轉(zhuǎn)中心的距離)，mm

Ls——托盤(pán)桿長(zhǎng)邊長(zhǎng)度，mm

Lt——托盤(pán)桿短邊長(zhǎng)度，mm

Lx——前翻轉(zhuǎn)控制凸輪對(duì)稱中心至伸出狀態(tài)托盤(pán)桿短邊邊緣的距離，mm

R2——前翻轉(zhuǎn)控制凸輪半徑，mm

D1——托盤(pán)桿直徑，mm

取盤(pán)通道寬度為100 mm，為與輸送鏈條形成托盤(pán)網(wǎng)格防止葵盤(pán)從取盤(pán)通道間隙掉落，托盤(pán)桿長(zhǎng)邊長(zhǎng)段長(zhǎng)度La應(yīng)滿足

La-D1/2>100 mm

(7)

為減輕輸送機(jī)構(gòu)質(zhì)量，托盤(pán)桿選外徑為20 mm的空心圓管，即D1=20 mm，根據(jù)加工工藝要求圓管厚度取2.5 mm，由式(7)可得La>110 mm，為減少托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)葵稈的沖擊范圍，取La=130 mm。因托盤(pán)桿安裝板為50 mm×50 mm的方板，需保證托盤(pán)桿在安裝板上旋轉(zhuǎn)時(shí)為直線段旋轉(zhuǎn)，同時(shí)根據(jù)取盤(pán)機(jī)構(gòu)機(jī)架內(nèi)寬為350 mm，可得

(8)

根據(jù)式(6)、(8)，取Ls-La=70 mm，R2=10 mm，則Lx≥10 mm，Lt-D1/2≥80 mm，取Lt-D1/2=90 mm，即Ls=200 mm，Lt=100 mm。

托盤(pán)桿在最佳旋轉(zhuǎn)位置點(diǎn)F與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪碰撞時(shí)，受到前翻轉(zhuǎn)控制凸輪正壓力N1和前翻轉(zhuǎn)控制凸輪作用于托盤(pán)桿上摩擦力f1作用，為減少旋轉(zhuǎn)阻力，采用滑推原理對(duì)前翻轉(zhuǎn)控制凸輪輪廓線進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于前翻轉(zhuǎn)控制凸輪相對(duì)于機(jī)架靜止不動(dòng)，托盤(pán)桿繞從動(dòng)鏈輪進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，為便于分析將托盤(pán)桿視為靜止?fàn)顟B(tài)，前翻轉(zhuǎn)控制凸輪繞從動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)軸心做圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)托盤(pán)桿與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪的碰撞過(guò)程進(jìn)行滑推分析，如圖9所示。直線MN為前翻轉(zhuǎn)控制凸輪與托盤(pán)桿接觸的滑推輪廓線，ω0為從動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)角速度，vd為接觸點(diǎn)處托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)速度，得到托盤(pán)桿的動(dòng)力學(xué)方程

圖9 托盤(pán)桿與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪接觸點(diǎn)受力分析Fig.9 Stress analysis of contact point between tray rod and front stop1.前翻轉(zhuǎn)控制凸輪 2.托盤(pán)組件旋轉(zhuǎn)輪廓 3.托盤(pán)桿

N1=mae1cosε1

(9)

f1=mae1sinε1-mar1

(10)

托盤(pán)桿與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪之間的滑動(dòng)摩擦力和正壓力成正比關(guān)系，即滿足

f1=N1tanφ

(11)

由式(9)～(11)可得

ar1=ae1(tanε1-tanφ)cosε1

(12)

式中ae1——托盤(pán)桿牽連加速度，m/s2

m——托盤(pán)桿質(zhì)量，kg

由式(12)可知，相對(duì)加速度ar1的大小與方向由正壓力N1、摩擦角φ、推角ε1決定。根據(jù)設(shè)計(jì)目的，前翻轉(zhuǎn)控制凸輪要使托盤(pán)桿發(fā)生旋轉(zhuǎn)，需要相對(duì)加速度ar1方向向右，即ar1>0。根據(jù)式(12)可知，當(dāng)ε1>φ時(shí)，ar1>0，托盤(pán)桿受到向右的相對(duì)加速度，ε1越大，ar1越大，但隨著ar1的增大，托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)對(duì)葵稈造成的瞬時(shí)沖擊會(huì)越大，因此ε1不宜過(guò)大。取前翻轉(zhuǎn)控制凸輪與托盤(pán)桿之間的摩擦因數(shù)為0.3[25]，即ε1>16.7°，設(shè)計(jì)的推角為20°，滿足要求，即前翻轉(zhuǎn)控制凸輪輪廓線MN與水平方向的夾角為20°。

2.3.3托盤(pán)桿與后翻轉(zhuǎn)控制凸輪碰撞過(guò)程

托盤(pán)桿與后翻轉(zhuǎn)控制凸輪接觸時(shí)，托盤(pán)桿受到后翻轉(zhuǎn)控制凸輪的推力和后翻轉(zhuǎn)控制凸輪作用于托盤(pán)桿上的摩擦力作用，托盤(pán)桿受力如圖10所示。

圖10 托盤(pán)桿與后翻轉(zhuǎn)控制凸輪接觸點(diǎn)受力分析Fig.10 Stress analysis of contact point between tray rod and rear gear rod1.后翻轉(zhuǎn)控制凸輪 2.托盤(pán)桿(伸出狀態(tài)) 3.主動(dòng)鏈輪

為保證托盤(pán)桿碰到后翻轉(zhuǎn)控制凸輪時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，需滿足切向加速度ar2>0，分析過(guò)程與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪處相同，即推角ε2需要大于摩擦角φ，即ε2>16.7°，設(shè)計(jì)的推角為20°滿足托盤(pán)桿旋轉(zhuǎn)要求。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)過(guò)程中使用的儀器設(shè)備有土槽車(chē)(TCC-3.0型)、米尺(量程3 m)、皮尺(量程50 m)、精密電子天平(OHAUSCP3102型，量程：0～3100 g，精度0.01 g)、保鮮袋、標(biāo)簽紙等。

試驗(yàn)材料為采摘自新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊縣公盛村三隊(duì)的食葵品種SH363，食葵種植時(shí)間為2021年5月7日，成熟時(shí)間為2021年9月20日，采樣時(shí)間為2021年9月22日。食葵盤(pán)樣品含水率為34%～40%，葵盤(pán)直徑為150～330 mm，單個(gè)葵盤(pán)質(zhì)量為400～1 100 g，共采集300個(gè)葵盤(pán)，約210 kg。試驗(yàn)時(shí)將食葵取盤(pán)裝置掛接在土槽車(chē)的懸掛點(diǎn)，如圖11所示，通過(guò)平臺(tái)監(jiān)測(cè)控制食葵取盤(pán)裝置的前進(jìn)速度。

圖11 食葵取盤(pán)裝置土槽試驗(yàn)Fig.11 Soil tank test of edible sunflower plate taking device1.葵稈 2.葵盤(pán) 3.食葵取盤(pán)裝置 4.土槽車(chē)

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1試驗(yàn)方案

由前文分析可知，取盤(pán)過(guò)程中托盤(pán)桿推動(dòng)葵稈后傾(-20°)、豎直(0°)、前傾(20°)3種狀態(tài)對(duì)食葵取盤(pán)總損失率有較大影響，因此，根據(jù)理論分析、整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)試驗(yàn)等情況，選取機(jī)具前進(jìn)速度(土槽車(chē)行走變頻器控制)、推桿角度(托盤(pán)桿推動(dòng)葵稈偏離豎直方向的角度)、插盤(pán)高度(葵盤(pán)底部距地面的豎直距離)為試驗(yàn)因素。

試驗(yàn)參考 GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)[26]，試驗(yàn)區(qū)域由3部分組成，分別為穩(wěn)定區(qū)、測(cè)定區(qū)、停車(chē)區(qū)，穩(wěn)定區(qū)3 m、測(cè)定區(qū)10 m、停車(chē)區(qū)2 m。每次試驗(yàn)開(kāi)始前檢查清理地表存在的葵籽，試驗(yàn)結(jié)束后清除掉落至地面的葵盤(pán)及葵籽，更換折斷的葵稈，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

以三因素三水平正交試驗(yàn)為試驗(yàn)方法[27-30]，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of test factors

3.2.2試驗(yàn)指標(biāo)

食葵取盤(pán)裝置作業(yè)質(zhì)量參考文獻(xiàn)[31]，選用取盤(pán)過(guò)程中總損失率作為試驗(yàn)指標(biāo)?？倱p失率計(jì)算公式為

(13)

式中Z——食葵取盤(pán)總損失率，%

Wa——試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)損失的籽粒質(zhì)量，kg

Wb——試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)收獲的籽粒質(zhì)量，kg

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)取盤(pán)裝置進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，表中A、B、C為因素編碼值，以食葵取盤(pán)總損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，總損失率越小，代表取盤(pán)效果越好。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可得影響取盤(pán)效果的主次因素為推桿角度、前進(jìn)速度、插盤(pán)高度，最優(yōu)水平組合為A1B1C3，即機(jī)具前進(jìn)速度為0.4 m/s、推桿角度為20°、插盤(pán)高度為1 000 mm，在此最優(yōu)參數(shù)組合下取盤(pán)效果最佳。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test plan and results

為判斷各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)顯著性的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析，如表4所示。

表4 取盤(pán)總損失率方差分析Tab.4 Variance analysis results

由表4可知，以取盤(pán)總損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，前進(jìn)速度、推桿角度、插盤(pán)高度均為顯著影響，顯著性影響由大到小為B、A、C。

由于總損失率由托盤(pán)桿接觸葵稈時(shí)的瞬時(shí)加速度及葵盤(pán)鋪放到托盤(pán)桿上的翻轉(zhuǎn)角決定。接觸瞬時(shí)加速度由輸送鏈條速度決定，而輸送鏈條速度由推桿角度(輸送鏈條與地輪之間總傳動(dòng)比變化引起)及前進(jìn)速度決定，推桿角度和前進(jìn)速度越大瞬時(shí)加速度越大，總損失率越大，反之瞬時(shí)加速度越小，損失率越小?？P(pán)鋪放到托盤(pán)桿上的翻轉(zhuǎn)角由推桿角度及插盤(pán)高度決定，插盤(pán)高度越低，推桿角度變化越小，推桿角度越趨向于0°，總損失率受翻轉(zhuǎn)角影響越小，翻轉(zhuǎn)角越趨向20°；插盤(pán)高度越高，推桿角度變化越大，總損失率受翻轉(zhuǎn)角影響越大。

3.4 最優(yōu)組合試驗(yàn)

根據(jù)取盤(pán)裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了取盤(pán)裝置重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，以前進(jìn)速度0.4 m/s、推桿角度20°、插盤(pán)高度1 000 mm為試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行食葵取盤(pán)裝置取盤(pán)驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，取盤(pán)總損失率分別為1.15%、1.27%、1.24%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，食葵取盤(pán)裝置以前進(jìn)速度0.4 m/s、推桿角度20°、插盤(pán)高度1 000 mm的參數(shù)組合進(jìn)行作業(yè)時(shí)，取盤(pán)平均總損失率為1.22%，滿足分段式收獲模式下食葵收獲要求[31]。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)新疆食葵分段式收獲的需要，基于人工取盤(pán)原理，設(shè)計(jì)了食葵取盤(pán)裝置，相比傳統(tǒng)谷物聯(lián)合收獲機(jī)改制的食葵收獲機(jī)械，該裝置取盤(pán)過(guò)程中對(duì)葵盤(pán)及葵稈的沖擊較小，降低了取盤(pán)損失率。

(2)根據(jù)食葵物理特性參數(shù)，設(shè)計(jì)了取盤(pán)機(jī)構(gòu)及托盤(pán)組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過(guò)理論分析確定了前翻轉(zhuǎn)控制凸輪和后翻轉(zhuǎn)控制凸輪的推角范圍及推桿角度范圍。

(3)以機(jī)具前進(jìn)速度、推桿角度、插盤(pán)高度為試驗(yàn)因素，以取盤(pán)總損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，開(kāi)展了食葵取盤(pán)正交試驗(yàn)。結(jié)果表明，最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為前進(jìn)速度0.4 m/s、推桿角度20°、插盤(pán)高度1 000 mm，試驗(yàn)因素對(duì)取盤(pán)總損失率的顯著性影響依次為推桿角度、前進(jìn)速度、插盤(pán)高度。在最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合下食葵取盤(pán)總損失率為1.22%，滿足分段收獲模式下食葵收獲作業(yè)要求。