基于農(nóng)田運載平臺的煙葉輔助采收機(jī)設(shè)計與試驗

王曉萌,高 松,楊 碩,李 思,楊枕霏,王 秀

(1.云南省煙草公司 紅河州公司,云南 彌勒 652300;2.北京市農(nóng)林科學(xué)院 智能裝備技術(shù)研究中心,北京 100097;3.農(nóng)芯(南京)智慧農(nóng)業(yè)研究院有限公司,南京 211800)

0 引言

煙草產(chǎn)業(yè)對我國經(jīng)濟(jì)具有重要的支撐作用,全國煙草科技工作會議強(qiáng)調(diào)要突出科技創(chuàng)新支撐煙草行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[1]。2020年,我國煙葉產(chǎn)量為213.40萬t,其中烤煙占比達(dá)94.73%,種植區(qū)域主要集中在云南、貴州與河南等地[2]。煙草生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多,主要包括播種、耕地、移栽、覆膜、施肥[3]、噴藥[4]、采收、煙桿清理[5]及后處理環(huán)節(jié)[6],而煙草種植全程機(jī)械化是保證煙草行業(yè)高效發(fā)展的重要方面。目前,我國煙草種植全程機(jī)械化在采收等環(huán)節(jié)仍存在明顯短板[7],主要原因為缺乏適應(yīng)各地區(qū)煙草采收農(nóng)藝要求的典型機(jī)具。以烤煙主產(chǎn)區(qū)云南省為例,采收環(huán)節(jié)仍較多采用人工采收的方式,環(huán)境惡劣,勞動強(qiáng)度大,由于縣域、農(nóng)村勞動力不足,尤其是煙葉采收季勞動力缺口巨大,嚴(yán)重限制煙草農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。目前,煙葉采收機(jī)主要包括全自動和半自動采收兩種方式。全自動煙葉采收機(jī)生產(chǎn)廠家主要以意大利DeCloet公司和美國MarCo公司為代表,典型的收獲方式為白肋煙收獲[8-9]。該全自動收獲機(jī)通過割刀直接剪切煙稈底部,使得整支煙稈煙葉完成采收,直接掛晾。國內(nèi)德邦大為科技有限公司、鄭州容大科技發(fā)展有限公司、大連理工大學(xué)[10]和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)[11]等單位研制的煙葉全自動采收機(jī),能夠區(qū)分煙葉生長的位置進(jìn)行煙稈下部、中部和上部煙葉不同時段的采收,但存在著煙葉破損率較高、無法區(qū)分煙葉成熟度進(jìn)行采收作業(yè)的問題。單只煙葉區(qū)分成熟度采收方面,Yi Chen等[12]研究了基于近紅外光譜和深度學(xué)習(xí)算法來區(qū)分新鮮煙葉成熟度。Jie Yu等[13]研究了煙葉與莖稈的切削特性,以支撐單枝煙葉自動采收作業(yè)機(jī)的研制,但目前仍處于試驗階段,尚無成熟產(chǎn)品。半自動煙葉采收機(jī)通過輔助人工進(jìn)行采收作業(yè),能夠?qū)崿F(xiàn)煙葉生長位置和成熟度的收獲,適合中小地塊范圍內(nèi)煙葉收獲作業(yè)[14]。王玲等[15]研究了煙草作業(yè)機(jī)無級變速驅(qū)動系統(tǒng),實現(xiàn)了煙草作業(yè)平臺速度平穩(wěn)控制,但仍存在煙葉提升裝置人機(jī)協(xié)同性能較差、價格昂貴以及符合采收田間農(nóng)藝要求的輕簡型煙葉采收農(nóng)機(jī)具及煙葉采收量監(jiān)測系統(tǒng)缺失的問題。

為此,針對云南烤煙種植區(qū)的煙葉輔助采收機(jī),基于農(nóng)田運載平臺,開發(fā)人工輔助采收提升裝置及控制系統(tǒng),并設(shè)計了煙葉田間采收量監(jiān)測系統(tǒng),旨在為降低煙草收獲勞動強(qiáng)度、提高作業(yè)效率及智能化水平提供技術(shù)支撐。

1 煙葉輔助采收機(jī)總體設(shè)計

煙葉輔助采收機(jī)主要由農(nóng)田運載平臺和后懸掛煙葉輔助采收系統(tǒng)組成,如圖1所示。農(nóng)田運載平臺為農(nóng)田作業(yè)平臺提供動力,根據(jù)煙草高莖稈特征,為保證通過性能,設(shè)計了“M”型三輪高地隙框架;同時,為增加農(nóng)田運載平臺的穩(wěn)定性,發(fā)動機(jī)動力總成和液壓馬達(dá)動力總成布置于作業(yè)平臺中軸線位置,降低平臺重心位置;發(fā)動機(jī)動力輸出軸為液壓泵提供動力,液壓泵為設(shè)置于三輪中心位置的液壓馬達(dá)提供壓力和液壓流量。后懸掛煙葉輔助采收系統(tǒng)以農(nóng)田運載平臺執(zhí)行采收運載功能,通過人工輔助采收,經(jīng)煙草提升機(jī)構(gòu)運輸煙葉至農(nóng)田運載平臺,完成煙葉采收和運輸作業(yè)。后懸掛煙葉輔助采收系統(tǒng)與農(nóng)田運載平臺分體設(shè)置,農(nóng)田運載平臺后端通過更換灌溉、噴藥和采收等機(jī)構(gòu),可達(dá)到多種類型田間管理作業(yè)、一機(jī)多用的目的。工作時,通過采收人員乘坐座椅,同時對3行煙葉進(jìn)行采收,煙葉采收后即放入采收料斗,采收料斗盛滿后通過煙葉提升機(jī)構(gòu)至運載平臺進(jìn)行存儲,農(nóng)田運載平臺承載煙包至農(nóng)田地塊外,完成煙葉田間人工輔助采收和煙葉運輸?shù)娜蝿?wù)。

圖1 煙葉輔助采收機(jī)總體示意圖Fig.1 The overall diagram of tobacco auxiliary harvester

經(jīng)云南省彌勒市烤煙種植主產(chǎn)區(qū)調(diào)研,獲得煙葉種植品種為云煙87成熟煙稈高度范圍在105～115cm之間,煙草種植壟高在25～35cm之間,煙草種植株距在50～60cm之間,行距在1.2～1.4m之間,人工采收作業(yè)速度小于1km/h。在此基礎(chǔ)上,對農(nóng)田作業(yè)平臺進(jìn)行總體外形尺寸設(shè)計,確定農(nóng)田作業(yè)平臺橫向和縱向軸距分別為2.4m和2.4m,跨行高度1.7m,最高車速10km/h。農(nóng)田運載平臺其他關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 農(nóng)田運載平臺關(guān)鍵參數(shù)

2 煙葉輔助采收系統(tǒng)設(shè)計

2.1 煙葉輔助采收提升裝置設(shè)計

設(shè)計了基于電力驅(qū)動的小車滑槽的煙葉輔助采收提升裝置,如圖2所示。

圖2 煙葉輔助采收提升裝置Fig.2 Auxiliary harvesting and lifting device for tobacco leaf

煙葉輔助采收提升裝置主要由提升主架、提升主架安裝座、電動機(jī)提升動力機(jī)構(gòu)、鏈條、運載小車、采收料斗和座椅高度調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。其中,提升主架是所有部件的主體支架,通過安裝座與農(nóng)田運載平臺連接;電動機(jī)提升動力機(jī)構(gòu)安裝于主架上部,通過鏈輪帶動鏈條進(jìn)行動力傳輸;運載小車內(nèi)表面與鏈條固定連接,跟隨鏈條進(jìn)行升降運動,運載小車外表面與采收料斗固定連接。針對分時段煙葉采收時,下部、中部、上部煙葉處于不同的高度,尤其人為采摘下部煙葉時勞動強(qiáng)度大的問題,在座椅下方底座出固接了一方板,方板與方管焊接,方管套在方管上,座椅在方管上前后移動實現(xiàn)調(diào)節(jié)作用,且方管設(shè)有緊固裝置。座椅高低調(diào)節(jié)板上有5個高度孔,座椅下方連接的方管可根據(jù)實際需要選擇不同高度孔進(jìn)行連接實現(xiàn)座椅離地高度調(diào)節(jié),范圍為20～90cm。

煙葉提升裝置關(guān)鍵機(jī)構(gòu)如圖3所示。其中,防水罩包裹在發(fā)動機(jī)、上方軸承固定板、傳動軸和傳動鏈輪等的上方,如圖3(a)所示。導(dǎo)軌上方兩側(cè)軸承固定板用來固定傳動軸的軸承,上方軸承固定板焊接在導(dǎo)軌和導(dǎo)軌支撐方管上,電機(jī)座通過中間板與傳動軸的軸承座連接,通過軸套限制鏈輪水平運動。

采收料斗結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。采收料斗由底座、主體和防護(hù)3部分組成,防護(hù)為橡膠墊結(jié)構(gòu),防止煙葉末端受損;采收料斗主體用于承載采收煙葉的質(zhì)量,采用不銹鋼結(jié)構(gòu);采收料斗底座與運載小車連接,隨著運載小車的運動實現(xiàn)煙葉的提升和下降。由于煙草種植行距55cm,由于煙葉遮擋,實際田間通過寬度不宜大于60cm,故采收料斗寬度設(shè)置為50cm。此外,提升料斗的長度受到整支煙葉長度的影響,通過實地測量50支煙葉長度信息,得出煙葉長度的范圍為50～80cm,最終確定提升料斗的長度為50cm,采收料斗防護(hù)長度為30cm,減少了煙葉與金屬煙斗接觸的觸碰損傷。

運載小車結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示。為了盡可能地降低運載小車在滑軌內(nèi)的晃動和摩擦阻力,將運載小車兩側(cè)各設(shè)置4個車輪,車輪內(nèi)嵌于滑軌中,沿著滑軌上下滾動。運載小車車輪由軸承滾動車輪和限位滾珠車輪組成,軸承滾動車輪支撐小車在滑軌中滾動,由軸承以及螺桿組成;限位滾珠車輪限制小車在滑軌內(nèi)的左右位移晃動,由滾珠裝置和螺桿組成。運載小車的兩側(cè)車輪內(nèi)嵌于滑軌中上下移動,其小車背部板內(nèi)側(cè)與鏈條連接,背部板外側(cè)與料斗底板連接。

煙葉提升裝置工作時,電機(jī)通過鏈輪帶動鏈條轉(zhuǎn)動,使得運載小車帶動采收料斗在滑軌內(nèi)移動。采收料斗裝滿煙葉后提升至農(nóng)田運載平臺,取出煙葉后空采收料斗下降返回;當(dāng)返回至底部限位開關(guān)位置時,停止運動,重新開始煙葉裝載作業(yè)。如此往復(fù),實現(xiàn)煙葉的采收和提升作業(yè)。

圖3 煙葉輔助采收提升裝置關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of key components of tobacco leaf auxiliary harvesting and lifting device

2.2 煙葉提升機(jī)構(gòu)受力分析

為了確定提升電機(jī)功率和鏈輪傳動設(shè)計參數(shù),對煙葉提升機(jī)構(gòu)受力進(jìn)行了分析,如圖4所示。已知煙草車高h(yuǎn)1=1940mm,為了減小提升機(jī)構(gòu)的長度及總車長度,煙葉提升機(jī)構(gòu)在垂直方向上的夾角盡可能小;但兩側(cè)煙葉提升機(jī)構(gòu)與車后輪處于同一平面,為了不使小車后輪與煙葉提升機(jī)構(gòu)干涉,選定提升機(jī)構(gòu)在垂直方向上的夾角θ=13°?？紤]到煙葉種植壟高范圍為25～35cm,為了保證通過性能,選定提升機(jī)構(gòu)底部離地h2=600mm;考慮到農(nóng)田運載平臺人員提取煙葉的舒適性,初定提升機(jī)構(gòu)主從鏈輪之間的中心距a=2500mm。

注:h1為煙草車高(mm),h2為提升機(jī)構(gòu)底部離地距離(mm),θ為提升機(jī)構(gòu)在垂直方向上的夾角(°),a為主從鏈輪之間的中心距(mm),G為煙斗、煙葉與運載小車重力(N),F為提升力(N),Fa為空氣阻力(N),Ff為摩擦阻力(N),Fn為垂直支撐力(N)。

鏈傳動平均速度計算公式為

(1)

式中v—鏈傳動平均速度(m/s);

l—采收料斗有效運動距離(m);

t—采收料斗有效運動距離的時間(s)。

在采收料斗煙葉盛裝完成后,煙葉提升機(jī)構(gòu)開始工作,在采收料斗到達(dá)最高位置時可得鏈條拉力做功計算公式為

W=Glcosθ+Ffl+Fal

(2)

式中W—鏈條拉力做功(J);

Ff—摩擦阻力(N),Ff=μGsinθ。

空氣阻力影響較小可忽略,根據(jù)式(2)可計算在煙葉提升機(jī)構(gòu)提升采收料斗時平均功率為

(3)

式中P—提升機(jī)構(gòu)提升作業(yè)平均功率(W);

t—提升機(jī)構(gòu)從底部運動到上部的時間(s)。

由于煙葉提升機(jī)構(gòu)采用鏈傳動,通過提供煙葉提升作業(yè)平均功率P修正鏈條額定功率為

(4)

式中P0—鏈條額定功率(W);

KA—工作情況系數(shù),KA=1.5;

KZ—鏈輪齒數(shù)系數(shù),KZ=1.46;

Km—多排鏈系數(shù),Km=1。

由式(4)得鏈條額定功率為P0=65.59W,由機(jī)械設(shè)計手冊[16]查表選擇鏈條型號08B。

提升機(jī)構(gòu)的動力傳動由直流電機(jī)通過渦輪蝸桿減速機(jī)傳遞給鏈條,可以得出電機(jī)所需的最小功率為

(5)

式中Pm—電機(jī)所需功率(W);

η—減速機(jī)傳動效率,η=0.80;

鏈條與提升機(jī)構(gòu)的軌道平行,由于同等轉(zhuǎn)速下鏈輪越大鏈條的轉(zhuǎn)速越快,因此選定大鏈輪為主動輪,鏈輪齒數(shù)分別為Z1=26、Z2=19。

(6)

式中n1—主動輪轉(zhuǎn)速(r/min);

Z1—主動輪齒數(shù);

N—鏈條節(jié)距,N=12.7mm。

采收料斗提升時間t=6s,有效位移l=2m,采收料斗的最大承載質(zhì)量15kg,采收料斗與運載小車質(zhì)量約為3kg,故G=18kg。將上述數(shù)值代入式(1)～(6)可得:電機(jī)轉(zhuǎn)速n1=60.5r/min,所需電機(jī)功率Pm=82.00W。

初定鏈條中心距a=2500mm,得出鏈條鏈節(jié)數(shù)為

(7)

式中a—初定鏈條中心距(mm);

Lp—鏈節(jié)數(shù)。

為了減小鏈條的損耗,鏈節(jié)數(shù)取偶數(shù)Lp=400。

由鏈節(jié)數(shù)計算實際中心距a0為

(8)

由式(7)得出,實際中心距a0=2525.4mm。通過對煙葉提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析,為保證煙葉提升動力,式(4)未考慮電機(jī)啟動功率的影響。由經(jīng)驗值可得電機(jī)啟動功率約為正常工作功率的3～5倍,則保守估計電機(jī)功率為410W。最終,選定電機(jī)功率為500W,供電電壓為12V,鏈條型號為08B,鏈輪齒數(shù)Z1=26,Z2=19,鏈節(jié)數(shù)400。

2.3 煙葉提升電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

煙葉輔助采收過程中,需要根據(jù)煙葉采收狀況對煙葉提升電機(jī)進(jìn)行控制,故設(shè)計了煙葉提升電機(jī)控制系統(tǒng),如圖5所示?？紤]到煙葉采收料斗中煙葉承載量由底部采摘人員和農(nóng)田運載平臺卸煙葉人員共同控制,且以卸煙葉人員的控制為主,設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)主從雙控的電機(jī)控制電路,以實現(xiàn)卸煙人員和采煙人員同時對采收料斗進(jìn)行自動升降控制的功能。該控制系統(tǒng)主要由三檔上換向開關(guān)、三擋下?lián)Q向開關(guān)、上限位開關(guān)、下限位開關(guān)、繼電器及電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動模塊等組成,可實現(xiàn)對提升電機(jī)的雙向主從控制。首先,上換向開關(guān)中位擋連接電源VCC和繼電器控制端,其左擋位短接且連接至下?lián)Q向開關(guān)左擋位和上限位開關(guān)常閉控制端(NC),其右擋位短接且連接至下?lián)Q向開關(guān)右擋位和下限位開關(guān)的常閉控制端(NC);下?lián)Q向開關(guān)的中擋位連接至繼電器的常閉輸出端,繼電器常閉輸出端連接至VCC。工作時,上換向開關(guān)為主控制器,當(dāng)上限位開關(guān)撥動至左擋位時,繼電器控制端連接電源VCC,繼電器工作,繼電器常閉輸出端斷開,則下?lián)Q向開關(guān)失靈;當(dāng)煙草運料斗運動至上限位開關(guān)時,常閉上限位開關(guān)斷開,電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制器信號降為12V以下,電機(jī)停止工作;反之,上述情況同樣成立,通過限位開關(guān)、換向開關(guān)和繼電器的工作,可實現(xiàn)電機(jī)主從雙向控制,提高煙葉采收和提升效率。

圖5 煙葉提升電機(jī)控制電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of tobacco leaf lifting motor control circuit

2.4 基于衛(wèi)星定位的煙葉采收量監(jiān)測系統(tǒng)

煙葉采收量分布對煙葉種植管理具有指導(dǎo)作用,但目前針對煙葉整葉采收量分布監(jiān)測仍處于空白狀態(tài)。為此,在煙葉輔助采收提升的基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于衛(wèi)星定位的煙葉采收量分布監(jiān)測系統(tǒng),主要由GNSS2000B型GNSS定位模塊、豪衡ERP電子秤和上位機(jī)電腦組成,監(jiān)測流程如圖6所示。煙葉采收量分布信息監(jiān)測時,首先判斷GNSS模塊輸出信號幀頭$GNRMC字符串中第2個和第3“,”之間的字符是否為A,若為A則說明GNSS模塊定位成功;在GNSS模塊定位成功的基礎(chǔ)上,判斷上位機(jī)是否接收到電子秤發(fā)送的煙包質(zhì)量(采收料斗內(nèi)的煙葉總重)信息,若收到信息,通過配套的Excle上位機(jī)記錄系統(tǒng)中煙包上傳的時間。GNSS模塊定位信息更新頻率為1Hz,首先獲取幀頭為$GNGGA的UTC時間,該時間加8即為北京時間,以秒為最小單位;對GNSS時間與電子秤發(fā)送的煙包時間進(jìn)行對比,確定相同時間時的經(jīng)度、緯度和煙包質(zhì)量組合,通過上述方法即可獲得地塊范圍內(nèi)煙葉采收量分布。

3 煙葉輔助采收機(jī)性能試驗

3.1 煙葉提升負(fù)載性能試驗

首先,對煙葉輔助采收機(jī)的煙葉提升負(fù)載性能進(jìn)行了試驗,目的是驗證提升系統(tǒng)的提升負(fù)載能力和提升速度。通過改變料斗內(nèi)放置的鐵塊質(zhì)量,使其在5～16kg范圍內(nèi),以1kg遞增,記錄采收料斗在提升機(jī)構(gòu)運行最大行程中上升和下降時間;同一個質(zhì)量下重復(fù)采集3次時間,取平均值。試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知:系統(tǒng)載重不低于15kg,提升上升時間不超過13s,提升下落時間不超過8s。由調(diào)研可知,煙包最大質(zhì)量在10kg左右,采收行進(jìn)速度小于1km/h。該提升速度和提升質(zhì)量能夠滿足煙草采收時對提升效率和提升質(zhì)量的要求。

圖6 煙葉采收量監(jiān)測流程圖Fig.6 Flow chart of tobacco harvest monitoring

表2 煙草提升質(zhì)量試驗結(jié)果Table 2 Tobacco lifting weight test results

3.2 煙葉采收量監(jiān)測田間性能試驗

基于煙葉采收量監(jiān)測系統(tǒng),獲取煙葉輔助采收機(jī)的田間采收量分布。GNSS定位模塊選用GNSS2000B型定位模塊,定位精度為亞米級;電子秤選用豪衡ERP電子秤,精度為1g,能夠?qū)崿F(xiàn)串口傳輸質(zhì)量信息。試驗地點為云南省彌勒市虹溪鎮(zhèn)弘毅公司流轉(zhuǎn)地(見圖7),煙葉采收品種為云煙87,煙葉采收為整枝煙葉,采收位置為煙稈上部,時間為2021年9月2日。試驗時,農(nóng)田運載平臺承載煙葉輔助采收裝置行走,采摘人員將采收的煙葉放入采收料斗,料斗內(nèi)布置煙包,待煙包盛滿后由主控開關(guān)控制電機(jī)將煙包提升至農(nóng)田運載平臺,卸煙人員將煙包取出,放入承重托盤內(nèi);由GNSS定位模塊獲取定位信息,電子秤獲取煙包質(zhì)量信息,傳輸至PC機(jī)進(jìn)行存儲,通過時間確定定位信息和煙包質(zhì)量信息組合。

圖7 煙葉采收量監(jiān)測田間試驗Fig.7 Field experiment of tobacco harvest monitoring

組合中,經(jīng)緯度坐標(biāo)為WGS84坐標(biāo)系,通過ArcGIS 10.0軟件進(jìn)行投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,計算獲得煙葉采收量分布結(jié)果,如表3所示。由表3可知:煙葉輔助采收機(jī)從北向南行駛過程中,煙包質(zhì)量產(chǎn)生波動,煙包質(zhì)量最大為10613g,最小為4729g,煙包平均質(zhì)量為6395g,標(biāo)準(zhǔn)差為1588g。這說明,對于不同的采收位置,煙葉的采收量存在差異。

表3 煙葉采收量分布試驗結(jié)果

對相鄰煙包投影位置距離進(jìn)行分析,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知:相鄰煙包的定位點距離最大為13.6m,最小為0.24m,相鄰煙包的平均距離為5.64m,標(biāo)準(zhǔn)差為4.38m。由此可知,采煙車同時對3行煙葉進(jìn)行采收,其煙包電動提升系統(tǒng)由于采用了雙控開關(guān)和獨立提升驅(qū)動的設(shè)計,使得提升系統(tǒng)能夠滿足對不同行煙葉采收量的提升和存儲作用,每人采收單行兩側(cè)平均距離為5.64m時煙包即進(jìn)行提升操作,證明了煙葉輔助采收機(jī)與采收量分布采集系統(tǒng)結(jié)合能夠獲得煙田不同位置的煙葉采收量。

圖8 煙葉采收量分布圖Fig.8 Distribution map of tobacco harvest

3.3 煙葉輔助采收機(jī)煙葉收獲效率對比試驗

為了驗證煙葉輔助采收機(jī)的煙葉收獲效率,與純?nèi)斯げ墒諘r煙葉收獲效率相比,開展了煙葉收獲效率對比試驗。煙葉收獲效率計算公式為

(8)

式中E—煙葉收獲效率(g/s);

Q—煙葉采收量(g);

T—作業(yè)時間(s)。

純?nèi)斯げ墒胀ㄟ^隨機(jī)選取采煙人員共11名,由6名男性和5名女性工作人員組成,對單位時間段內(nèi)的采收量進(jìn)行采集。純?nèi)斯熑~采收的過程如圖9所示。由采煙人員進(jìn)入地塊開始計時,在煙田地塊范圍內(nèi)進(jìn)行煙葉采摘,采摘煙葉運載通過人工摟抱的方式。采摘完成后出地塊,放入托盤內(nèi)同時停止計時,利用電子秤稱取煙葉質(zhì)量,由式(8)計算純?nèi)斯稳藷熑~收獲效率。

煙葉輔助采收車進(jìn)行采收時,通過煙葉采收量監(jiān)測系統(tǒng)獲取煙葉采收量和間隔時間。由于煙葉采收車為3人煙葉同時進(jìn)行收獲,為了方便與純?nèi)斯熑~收獲對比,由式(8)計算煙葉輔助采收車煙葉收獲效率時取1/3,即為煙葉輔助采收車單人煙葉收獲效率。煙葉收獲效率試驗結(jié)果如表4所示。

圖9 純?nèi)斯熑~收獲效率試驗Fig.9 Experiment on harvest efficiency of artificial tobacco leaves

表4 煙葉收獲效率對比試驗結(jié)果Table 4 Experimental results of tobacco harvest efficiency

由表4可知:煙葉輔助采收車單人煙葉收獲效率平均為30.46g/s,標(biāo)準(zhǔn)差為4.73g/s;純?nèi)斯稳藷熑~收獲效率平均為17.03g/s,標(biāo)準(zhǔn)差為6.53g/s,其中男性工作人員的煙葉收獲效率平均為21.10g/s,女性工作人員的煙葉收獲效率平均為12.15g/s。由試驗結(jié)果可知:采用煙葉輔助采收機(jī)后,煙葉收獲效率得到提升,且煙葉采收效率的穩(wěn)定性較好,比純?nèi)斯な斋@時標(biāo)準(zhǔn)差降低1.80g/s。這表明,煙葉輔助采收車能夠較好地保證采收效率的穩(wěn)定性。

對采收效率進(jìn)行對比分析,煙葉輔助采收車與純?nèi)斯は啾葻熑~收獲效率的比值w為

(9)

式中E1—煙葉輔助采收機(jī)單人煙葉收獲效率(g/s);

E2—純?nèi)斯稳藷熑~收獲效率(g/s)。

由式(9)得出:煙葉輔助采收車單人與純工作單人平均煙葉收獲效率的比值為178%,總體平均采收效率提升78%。其中,與男性工作人員的煙葉采收效率比值為144%,采收效率提升44%;與女性工作人員的煙葉采收效率比值為251%,采收效率提升151%。由此得出,采用煙葉輔助采收車后,使得男性和女性人員的采收效率得到提升,尤其在女性工作人員的煙葉收獲效率方面得到顯著提升,且使得男性和女性采收人員的采收效率趨于一致。

4 結(jié)論

1)基于高地隙農(nóng)田運載平臺,設(shè)計了煙葉輔助采收機(jī),包括基于運載小車的煙葉提升裝置及基于雙向主從雙控的電機(jī)控制系統(tǒng)。開展了煙葉提升機(jī)構(gòu)受力分析,確定電機(jī)功率為需大于410W,鏈輪型號為08B,鏈輪齒數(shù)為主動輪Z1=26,從動輪Z2=19,鏈節(jié)數(shù)400,實際鏈輪中心距為2525.4mm。

2)設(shè)計了煙葉采收量分布監(jiān)測系統(tǒng),利用GNSS定位模塊、電子秤和上位機(jī)實現(xiàn)了煙葉采收量和定位位置的組合記錄。田間試驗結(jié)果表明:系統(tǒng)記錄煙包平均質(zhì)量為6395g,標(biāo)準(zhǔn)差為1588g;相鄰煙包的平均距離為5.64m,標(biāo)準(zhǔn)差為4.38m,獲得了煙葉采收質(zhì)量地理位置分布結(jié)果。

3)開展了煙葉輔助采收機(jī)煙葉收獲效率對比田間試驗,試驗結(jié)果與純工作單人平均煙葉收獲效率相比,煙葉輔助采收機(jī)單人煙葉收獲總體平均采收效率提升78%,標(biāo)準(zhǔn)差降低1.80g/s,證明煙葉輔助采收車能夠在提升采收效率的同時保證了采收效率的穩(wěn)定性。