基于碰撞特性的鮮食玉米摘穗裝置對(duì)比試驗(yàn)

張紅梅, 陳博, 胡經(jīng)營(yíng), 李志杰, 何勛, 王萬(wàn)章

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南 鄭州 450002)

摘穗部件是玉米裝置中的核心部件之一。由于鮮食玉米收獲于乳熟期,該期間含水量較高,大多通過(guò)糧食玉米機(jī)械進(jìn)行收獲,容易對(duì)高含水率玉米果穗造成較大損傷。因?yàn)榧Z食玉米收獲時(shí)籽粒含水率較低且有一定強(qiáng)度,不易受到損傷。但是對(duì)于高含水率的鮮食玉米果穗[1],其籽粒所受強(qiáng)度低[2-5],受到大的正向拉伸摘穗力時(shí),極易造成果穗底部啃傷和籽粒破損[6-10],嚴(yán)重影響鮮食玉米的質(zhì)量以及后續(xù)的儲(chǔ)存、加工和銷(xiāo)售[11-13]。

李心平等[14-15]對(duì)玉米果穗進(jìn)行了沖擊試驗(yàn),并分析了含水率、果穗受沖擊部位及沖擊方向?qū)τ衩鬃蚜Ｆ茡p率的影響,得出了當(dāng)含水率超過(guò)16%時(shí),以垂直下落施加力時(shí),玉米果穗所受到的破碎位置分別為上、中、下部。李心平等[16]還對(duì)玉米果穗進(jìn)行了抗壓力和破碎方面的測(cè)試,得出果穗的抗壓受玉米芯的含水率影響,抗壓隨著玉米芯含水率的升高而上升,特別是高于25%后玉米果穗的抗壓明顯減弱;受壓時(shí)玉米果穗由內(nèi)向外逐步破裂,先是芯髓,再是外圍體。除此之外,其他學(xué)者對(duì)其他作物的抗壓特性進(jìn)行了深入研究,分別分析了變化規(guī)律和壓縮破壞特征,也為機(jī)構(gòu)對(duì)果穗作用力的大小等參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考[17-20]。

付乾坤等[21-22]分析了玉米果穗和摘穗部件的碰撞過(guò)程,發(fā)現(xiàn)碰撞參數(shù)和結(jié)構(gòu)體影響所接觸的時(shí)間,設(shè)計(jì)了具有緩沖裝置的剛?cè)狁詈嫌衩渍敫钆_(tái),同時(shí)對(duì)剛?cè)狁詈系难b置進(jìn)行了不同材料的試驗(yàn)研究,為玉米割臺(tái)的優(yōu)化提供了思路。賀俊林等[23]為探究玉米損傷的原因,對(duì)輥式裝置進(jìn)行了全方面試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)了影響玉米損傷的主因分別為摘穗高度和拉莖結(jié)構(gòu)。耿愛(ài)軍等[24]針對(duì)輥式玉米收獲機(jī)籽粒損傷高的問(wèn)題,建立了果穗數(shù)學(xué)受力模型,發(fā)現(xiàn)摘穗的摩擦力和加速度是影響籽粒損傷的主要因素。陳美舟等[25]利用高速攝像技術(shù)對(duì)玉米摘穗過(guò)程進(jìn)行分析,得出造成果穗二次損傷的主要原因?yàn)楣朐谡胼伾系摹皬椞爆F(xiàn)象。

綜上所述,雖然許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)玉米果穗的碰撞進(jìn)行了各種試驗(yàn)分析,但是針對(duì)柔性表面的摘穗機(jī)構(gòu)卻鮮有研究,特別是對(duì)柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料表面的試驗(yàn)研究。所以,本研究為探究緩沖彈簧和柔性觸穗表面兩種摘穗機(jī)構(gòu)要素在摘穗過(guò)程中的低損作用及機(jī)制,進(jìn)行了不同表面摘穗機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研究,本研究為鮮食玉米低損收獲裝備的研制提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考。

1 碰撞過(guò)程分析

摘穗裝置與鮮食玉米果穗碰撞會(huì)發(fā)生沖擊力的現(xiàn)象,假定外部力的沖擊量不變,則碰撞時(shí)間Δt的長(zhǎng)短會(huì)嚴(yán)重影響沖擊力峰值。延長(zhǎng)碰撞時(shí)間,可以使碰撞沖擊力明顯降低,從而減小籽粒破損率。將鮮食玉米果穗看作質(zhì)點(diǎn),其碰撞過(guò)程符合沖量-動(dòng)量定理:

(1)

式中:I為玉米果穗受到的沖量,N·s;m為玉米果穗質(zhì)量,kg;a為加速度,m·s-2;t為時(shí)間,s。

由式(1)可知,鮮食玉米果穗在摘穗過(guò)程中受到的沖量除了與自身的重量有關(guān)外,還深受碰撞時(shí)間和碰撞加速度的影響。

記y為鮮食玉米果穗中部在豎直方向的坐標(biāo),則此單自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為:

(2)

在欠阻尼的情況下,式(2)的解為:

y=Ae-λωitsinωst

(3)

式中,

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:λ為黏性阻尼比,λ<1;A為振幅,mm;ωs為有阻尼固有頻率,Hz;ωi為無(wú)阻尼固有頻率,Hz。

在初速度為0的情況下,碰撞時(shí)間由式(8)的最小正根確定:

(8)

可得碰撞時(shí)間為:

(9)

式中:

(10)

式中:λ為黏性阻尼比,λ<1;ωi為無(wú)阻尼固有頻率,Hz;k為摘穗機(jī)構(gòu)剛度,N·m-1。

由式(9)和式(10)可知,碰撞時(shí)間與摘穗機(jī)構(gòu)的無(wú)阻尼固有頻率、黏性阻尼比有關(guān),而這些固有參數(shù)取決于摘穗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和材料。

綜上所述,通過(guò)改變摘穗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和接觸材料,可以改變鮮食玉米果穗與摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞參數(shù)。而碰撞參數(shù)與收獲時(shí)的籽粒破碎率息息相關(guān),因此研究鮮食玉米果穗與不同摘穗機(jī)構(gòu)、不同觸穗表面的碰撞參數(shù)和籽粒破碎率的關(guān)系,探究不同摘穗機(jī)構(gòu)、不同觸穗表面對(duì)籽粒破碎的影響機(jī)制,可為低損傷鮮食玉米收獲裝備的研發(fā)提供參考。

2 試驗(yàn)設(shè)備與材料

對(duì)傳統(tǒng)剛性摘穗機(jī)構(gòu)、柔性摘穗機(jī)構(gòu)進(jìn)行鮮食玉米收獲機(jī)作業(yè)速度下的玉米果穗碰撞試驗(yàn),采集并分析碰撞加速度峰值、碰撞時(shí)間和碰撞沖量等參數(shù)。剛性摘穗機(jī)構(gòu)采用糧食玉米收獲常用的板式摘穗機(jī)構(gòu),柔性摘穗機(jī)構(gòu)則選擇本研究設(shè)計(jì)的由緩沖彈簧和柔性觸穗表面組合的柔性摘穗機(jī)構(gòu),剛性觸穗表面選擇Q235鋼,柔性觸穗表面選用真空橡膠板和EPDM發(fā)泡材料。

2.1 碰撞試驗(yàn)臺(tái)

碰撞試驗(yàn)臺(tái)架包括落料裝置、支撐桿、摘穗機(jī)構(gòu)和支撐底座,如圖1所示。落料裝置可將鮮食玉米果穗固定在試驗(yàn)需要高度,釋放后的鮮食玉米果穗加速下落,當(dāng)達(dá)到與鮮食玉米收獲機(jī)作業(yè)相同的碰撞速度時(shí),然后和固定在落料裝置下方的摘穗機(jī)構(gòu)產(chǎn)生碰撞。

圖1 碰撞試驗(yàn)臺(tái)架

2.2 摘穗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘穗機(jī)構(gòu)為傳統(tǒng)的板式摘穗機(jī)構(gòu)和柔性摘穗機(jī)構(gòu)兩種方式,每種摘穗結(jié)構(gòu)可用3種材料,以剛性觸穗表面、柔性橡膠觸穗表面和柔性發(fā)泡材料觸穗表面的板式摘穗機(jī)構(gòu)和以剛性觸穗表面、柔性橡膠觸穗表面和柔性發(fā)泡材料觸穗表面的柔性摘穗機(jī)構(gòu)的共6種摘穗形式,如圖2所示。

(a)剛性板式摘穗機(jī)構(gòu);(b)柔性橡膠板式摘穗機(jī)構(gòu);(c)柔性發(fā)泡材料板式摘穗機(jī)構(gòu);(d)剛性表面的柔性摘穗機(jī)構(gòu);(e)剛性表面的柔性橡膠摘穗機(jī)構(gòu);(f)剛性表面的柔性發(fā)泡材料摘穗機(jī)構(gòu)。

根據(jù)查閱文獻(xiàn)[21-22],剛性表面的板式摘穗機(jī)構(gòu)以傳統(tǒng)糧食玉米板式收獲機(jī)摘穗裝置進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖2(a)所示。剛性摘穗板材料為Q235,屈服強(qiáng)度235 MPa,抗拉強(qiáng)度375 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率26%,厚度4 mm,摘穗板間隙20 mm,因試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定鮮食玉米果穗的下落方式為一定高度自由落下,為滿足試驗(yàn)要求,設(shè)置兩側(cè)摘穗板的長(zhǎng)度和寬度分別為150 mm和120 mm。剛性觸穗表面柔性摘穗機(jī)構(gòu)的摘穗板材料為Q235,厚度4 mm,通過(guò)物料特性測(cè)定、理論計(jì)算及優(yōu)化試驗(yàn)后確定摘穗板的相關(guān)幾何尺寸,摘穗板的長(zhǎng)度為150 mm,寬度為40 mm,如圖2(d)所示。

柔性橡膠板式摘穗機(jī)構(gòu)是在剛性板式摘穗機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加柔性橡膠為觸穗表面,如圖2(b)所示。柔性橡膠表面厚度為4.5 mm,室溫下硬度45 SHA,密度1.6 g·cm-3左右,拉伸強(qiáng)度6 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率300%,橡膠張緊后貼在剛性摘穗板上。剛性表面的柔性橡膠摘穗機(jī)構(gòu)是在剛性表面基礎(chǔ)上添加橡膠,如圖2 (e)所示,橡膠參數(shù)同上。

柔性發(fā)泡材料板式摘穗機(jī)構(gòu)是在剛性板式摘穗機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加柔性發(fā)泡材料為觸穗表面,如圖2(c)所示。表面的柔性發(fā)泡材料為EPDM,柔性發(fā)泡材料表面厚度為4.5 mm,室溫下硬度35 SHA,密度0.87 g·cm-3左右,拉伸強(qiáng)度15 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率400%,發(fā)泡材料張緊后貼在剛性摘穗板上。剛性表面的柔性發(fā)泡材料摘穗機(jī)構(gòu)是在剛性表面的基礎(chǔ)上添加了發(fā)泡材料,如圖2(f)所示,發(fā)泡材料的參數(shù)同上。

柔性摘穗機(jī)構(gòu)由摘穗架、支撐板、支撐軸、上下摘穗板、摘穗板支撐軸、緩沖彈簧等組成。該裝置的作用原理是杠桿,各部分通過(guò)左、右支撐板連接在一起:摘穗板與摘穗板支撐軸位于支撐板前端,摘穗板在緩沖彈簧的作用下保持與鮮食玉米果穗的接觸面積最大;支撐軸位于支撐板中部,支撐板在軸承的作用下可繞支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng);緩沖彈簧安裝在支撐板后部,下端固定在摘穗架上,以最小摘穗力作為緩沖彈簧的設(shè)計(jì)依據(jù),計(jì)算得出緩沖彈簧絲粗為4 mm,中徑為32 mm,高度為104.5 mm。在摘穗架上,焊接有限位塊來(lái)控制摘穗板運(yùn)動(dòng)范圍[26]。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

碰撞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含多通道數(shù)據(jù)采集卡、恒流適配器、計(jì)算機(jī)和壓電式加速度傳感器,如圖3所示,滿足了摘穗機(jī)構(gòu)與鮮食玉米果穗碰撞時(shí)產(chǎn)生的加速度的采集與存儲(chǔ)。

圖3 碰撞數(shù)據(jù)采集設(shè)備

碰撞數(shù)據(jù)由多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集,該模塊有8通道,最高采樣率為100 kS·s-1。采用壓電式加速度傳感器,其靈敏度為9.91 mV·g-1,響應(yīng)頻率范圍(±10%)為1～10 000 Hz,測(cè)量峰值范圍為±500 g。由于加速度傳感器不能直接與鮮食玉米果穗相連,所以在鮮食玉米果穗上加裝了一個(gè)不銹鋼圓箍,然后通過(guò)螺栓將加速度傳感器與鮮食玉米果穗連接在一起,保證與鮮食玉米尾端(直徑大的一端)的距離為40 mm,如圖4所示,另一個(gè)加速度傳感器直接磁吸在摘穗機(jī)構(gòu)的工作部件上。

圖4 加速度傳感器固定方式

2.4 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為萬(wàn)糯2018鮮食玉米果穗,于2022年6月2日手工采自河南省新鄉(xiāng)市鮮食玉米種植基地。試驗(yàn)選用大小基本一致生長(zhǎng)狀況良好的鮮食玉米果穗,平均長(zhǎng)度為235 mm,果穗最大處平均直徑為55 mm,玉米籽粒含水率為60%。由于鮮食玉米摘穗機(jī)構(gòu)作用于鮮食玉米果穗的中下部,并不與玉米須集中分布的鮮食玉米果穗上部接觸,未避免玉米須影響玉米果穗在碰撞中的受力,故在試驗(yàn)前去除玉米須,以避免跌落碰撞時(shí)影響果穗受力。此外,測(cè)量前為了避免鮮食玉米果穗的質(zhì)量不同對(duì)碰撞參數(shù)造成影響,將鮮食玉米果穗頂部果穗去除一部分,保證每個(gè)玉米果穗的質(zhì)量均為(420±0.1)g。鮮食玉米果穗上加裝的圓箍質(zhì)量和傳感器質(zhì)量也要計(jì)算在內(nèi),其中傳感器的質(zhì)量為8.2 g,圓箍的質(zhì)量為6.8 g。處理后的試驗(yàn)材料如圖5所示。

圖5 鮮食玉米果穗試樣

3 試驗(yàn)方法與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方法

3.1.1 碰撞參數(shù)確定 摘穗時(shí),柔性摘穗爪在鏈輪的帶動(dòng)下,從上往下運(yùn)動(dòng)作用于鮮食玉米果穗表面,在摘穗?yún)^(qū)間保持近似直線運(yùn)動(dòng),故在鮮食玉米果穗和摘穗板發(fā)生碰撞時(shí),產(chǎn)生的速度約等于鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度,速度計(jì)算公式為:

(11)

式中:v碰為鮮食玉米的果穗碰撞時(shí)的速度,m·s-1;n1為主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速,r·min-1;z1為主動(dòng)鏈輪齒數(shù);p為主動(dòng)鏈輪節(jié)距,mm。

經(jīng)計(jì)算,鮮食玉米果穗與摘穗板碰撞時(shí)鏈輪的線速度為2 m·s-1。把鮮食玉米果穗自由落體運(yùn)動(dòng)的碰撞速度作為試驗(yàn)速度,據(jù)此可以得到果穗的下落高度,其計(jì)算公式為:

(12)

式中:g為重力加速度,取9.8 m·s-2。

經(jīng)計(jì)算,本試驗(yàn)中鮮食玉米果穗下落高度約為204 mm。

3.1.2 碰撞參數(shù)采集方法 在實(shí)際收獲時(shí),對(duì)于單個(gè)鮮食玉米果穗來(lái)說(shuō),其只與單個(gè)摘穗部件發(fā)生碰撞。因此,對(duì)摘穗機(jī)構(gòu)的數(shù)量和位置進(jìn)行調(diào)整,使試驗(yàn)的鮮食玉米果穗僅與其發(fā)生碰撞,調(diào)整后的摘穗機(jī)構(gòu)碰撞試驗(yàn)裝置如圖6所示。

試驗(yàn)時(shí),將鮮食玉米果穗豎直夾持在落料板上,開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)將玉米果穗兩側(cè)的落料板快速抽掉,鮮食玉米果穗和傳感器一起加速下落,到達(dá)摘穗裝置位置時(shí)發(fā)生碰撞。加速度傳感器負(fù)責(zé)采集信號(hào),并通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊輸送到計(jì)算機(jī)。當(dāng)玉米果穗下落到摘穗裝置出現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)后,將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)濾波處理后,繪制碰撞加速度曲線,將加速度積分后乘以鮮食玉米果穗質(zhì)量,即可得到摘穗機(jī)構(gòu)對(duì)鮮食玉米果穗的碰撞沖量。

1.加速度傳感器Ⅰ;2.落料裝置;3.鮮食玉米試樣;4.加速度傳感器Ⅱ;5.摘穗機(jī)構(gòu);6.恒流適配器;7.多通道數(shù)據(jù)采集卡;8.計(jì)算機(jī)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)碰撞力的加速度曲線,可以對(duì)鮮食玉米果穗與摘穗機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞時(shí),鮮食玉米果穗和摘穗機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析。鮮食玉米果穗與不同摘穗裝置、同一摘穗裝置不同觸穗表面的碰撞加速度曲線呈現(xiàn)出較大的差異性。

3.2.1 鮮食玉米果穗與剛性摘穗機(jī)構(gòu)碰撞曲線 鮮食玉米果穗與剛性摘穗機(jī)構(gòu)碰撞加速度曲線如圖7所示。由圖7可知,剛性表面對(duì)鮮食玉米果穗的加速度值變化最大,說(shuō)明鮮食玉米果穗受到的沖擊較大,容易造成籽粒破損。加速度從0到峰值再降至0所消耗的時(shí)間較短,說(shuō)明碰撞是在較短時(shí)間內(nèi)完成的,碰撞時(shí)間的縮短,加劇了鮮食玉米果穗的破損。圖7中,相比較于剛性表面,柔性橡膠表面的峰值明顯降低且碰撞時(shí)間也被延長(zhǎng),顯示的曲線也比較平緩。柔性發(fā)泡材料表面的加速度峰值更低,碰撞時(shí)間更長(zhǎng),曲線也更加平緩。

圖7 鮮食玉米果穗與剛性摘穗機(jī)構(gòu)碰撞加速度曲線

3.2.2 鮮食玉米果穗與柔性摘穗機(jī)構(gòu)碰撞曲線 鮮食玉米果穗與柔性摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞加速度曲線如圖8所示。由圖7和圖8對(duì)比得出,鮮食玉米果穗在柔性摘穗機(jī)構(gòu)上的加速度峰值略低于板式摘穗機(jī)構(gòu),但加速度峰值上升和下降的時(shí)間被明顯縮短。在加速度降到0后,曲線有明顯波動(dòng),表明鮮食玉米果穗在柔性摘穗結(jié)構(gòu)的作用下產(chǎn)生了較大的反向加速度。鮮食玉米果穗與柔性橡膠表面摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞加速度峰值遠(yuǎn)低于剛性表面柔性摘穗機(jī)構(gòu),碰撞時(shí)間也在柔性材料橡膠的作用下被延長(zhǎng)。在加速度降至0以后,仍出現(xiàn)了較為明顯的波動(dòng),說(shuō)明鮮食玉米果穗仍受到一定的反方向的速度。鮮食玉米果穗與柔性發(fā)泡材料表面的碰撞加速度峰值更是明顯降低,碰撞時(shí)間也被大大加長(zhǎng)。在加速度降至0以后,曲線同樣存在波動(dòng),但鮮食玉米果穗受到的反向加速度較小。

圖8 鮮食玉米果穗與柔性摘穗機(jī)構(gòu)碰撞加速度曲線

3.2.3 摘穗機(jī)構(gòu)加速度曲線 板式摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞加速度曲線如圖9所示。由圖9可知,對(duì)于板式摘穗機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),柔性觸穗表面的加速度峰值低于剛性觸穗表面的加速度峰值,說(shuō)明柔性材料可以吸收部分的碰撞沖擊力,實(shí)現(xiàn)碰撞的緩沖。且柔性觸穗表面的振動(dòng)周期比剛性觸穗表面的振動(dòng)周期長(zhǎng),則柔性觸穗表面的振動(dòng)頻率比剛性觸穗表面的振動(dòng)頻率低。

圖9 板式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞加速度曲線

柔性摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞加速度曲線如圖10所示。由圖10可知,對(duì)于柔性摘穗機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),剛性表面的加速度峰值明顯高于兩種柔性表面的峰值,說(shuō)明柔性材料相對(duì)于剛性材料確實(shí)可以降低沖擊力。而對(duì)比兩種柔性表面,柔性發(fā)泡材料與鮮食玉米果穗的碰撞加速度相對(duì)于柔性橡膠的峰值更小,且周期更長(zhǎng),說(shuō)明柔性發(fā)泡材料降低沖擊力的效果更明顯。此外,不同觸穗表面的柔性摘穗機(jī)構(gòu)均在碰撞激勵(lì)下產(chǎn)生頻率較高的阻尼,可以明顯減少碰撞時(shí)間。

圖10 柔性摘穗機(jī)構(gòu)碰撞加速度曲線

3.2.4 鮮食玉米果穗碰撞參數(shù)對(duì)比 (a)碰撞時(shí)間 鮮食玉米果穗與六種摘穗機(jī)構(gòu)的平均碰撞時(shí)間分別為2.13、3.81、3.95、0.72、1.14、1.18 ms。從不同觸穗表面材料來(lái)說(shuō),對(duì)于板式摘穗機(jī)構(gòu),鮮食玉米果穗與柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面的碰撞時(shí)間比剛性觸穗表面分別增加了78.9%和85.6%。對(duì)于柔性摘穗機(jī)構(gòu),鮮食玉米果穗與柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面的碰撞時(shí)間比剛性觸穗表面分別增加了58.7%和63.2%。從不同摘穗機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),鮮食玉米果穗有剛性、柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面柔性摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞時(shí)間分別比對(duì)應(yīng)表面材料的板式摘穗機(jī)構(gòu)降低了66.2%、70.1%和70.1%。

(b)加速度峰值 鮮食玉米果穗與6種摘穗機(jī)構(gòu)的平均碰撞加速度峰值分別為1 645.5、873.8、809.6、1 492.7、559.8、467.2 m·s-2。從不同觸穗表面材料來(lái)說(shuō),對(duì)于板式摘穗機(jī)構(gòu),鮮食玉米果穗與柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面碰撞的加速度峰值,分別比剛性觸穗表面降低了46.9%和50.8%。對(duì)于柔性摘穗機(jī)構(gòu),鮮食玉米果穗與柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面碰撞的加速度峰值,分別比剛性觸穗表面降低了62.5%和68.7%。從不同摘穗機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),當(dāng)觸穗表面材料相同時(shí),柔性摘穗機(jī)構(gòu)并不能比板式摘穗機(jī)構(gòu)更加有效地降低摘穗沖擊力。

(c)碰撞沖量 鮮食玉米果穗與6種摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞沖量分別為1.02、0.86、0.74、0.33、0.19、0.15 kg·m·s-1。從不同觸穗表面材料來(lái)說(shuō),對(duì)于板式摘穗機(jī)構(gòu),鮮食玉米果穗與柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面的碰撞沖量,分別比剛性觸穗表面降低了15.7%和27.5%。對(duì)于柔性摘穗機(jī)構(gòu),鮮食玉米果穗與柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面的碰撞沖量,分別比剛性觸穗表面降低了42.4%和54.5%。從不同摘穗機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),鮮食玉米果穗與剛性、柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面柔性摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞沖量,相較于對(duì)應(yīng)觸穗表面板式摘穗機(jī)構(gòu),分別降低了67.6%、77.9%和79.7%?？芍?柔性摘穗機(jī)構(gòu)(緩沖彈簧和柔性觸穗表面組合)可降低鮮食玉米果穗在摘穗機(jī)構(gòu)上的碰撞沖量。

(d)籽粒破損率 鮮食玉米果穗與6種摘穗機(jī)構(gòu)碰撞的籽粒破碎率分別為1.32%、0.78%、0.73%、0.38%、0.2%、0.12%。從不同觸穗表面材料來(lái)說(shuō),對(duì)于板式摘穗機(jī)構(gòu),鮮食玉米果穗與柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面的籽粒破碎率,分別比剛性觸穗表面降低了40.9%和44.7%。對(duì)于柔性摘穗機(jī)構(gòu),鮮食玉米果穗與柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面的籽粒破碎率,分別比剛性觸穗表面降低了47.4%和68.4%。從不同摘穗機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),鮮食玉米果穗與剛性、柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面柔性摘穗機(jī)構(gòu)的籽粒破碎率,相較于對(duì)應(yīng)觸穗表面板式摘穗機(jī)構(gòu),分別降低了71.2%、51.3%和83.6%。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果討論

通過(guò)以上碰撞試驗(yàn)結(jié)果可以得到:從不同觸穗表面材料來(lái)說(shuō),柔性觸穗表面如柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料等可以使摘穗裝置的表面變?yōu)槿嵝越佑|,增加阻尼系數(shù),降低碰撞系統(tǒng)的固有頻率,因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的固有頻率與碰撞時(shí)間息息相關(guān),固有頻率越高,碰撞時(shí)間越短。從上述試驗(yàn)結(jié)果顯示,鮮食玉米果穗與剛性、柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料柔性摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞時(shí)間分別比對(duì)應(yīng)表面材料的板式摘穗機(jī)構(gòu)降低了66.2%、70.1%和70.1%,表明本研究所設(shè)計(jì)的柔性摘穗機(jī)構(gòu)能夠明顯降低碰撞時(shí)間,即相對(duì)于板式摘穗機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),柔性摘穗結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的固有頻率被明顯提高。故在碰撞沖量不變的前提下,可有效降低鮮食玉米果穗的碰撞加速度。各種摘穗機(jī)構(gòu)碰撞過(guò)程中的加速度峰值大小與玉米籽粒破碎率的高低具有較強(qiáng)的相似性,說(shuō)明鮮食玉米籽粒破碎率受摘穗過(guò)程中碰撞沖擊力的影響較大。從不同摘穗機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),柔性摘穗機(jī)構(gòu)受到鮮食玉米果穗碰撞時(shí),緩沖彈簧被壓縮并產(chǎn)生高頻率振動(dòng),且振動(dòng)周期遠(yuǎn)小于板式摘穗機(jī)構(gòu),大大縮短摘穗爪與鮮食玉米果穗的碰撞接觸時(shí)間,由動(dòng)量定理可知,碰撞接觸時(shí)間縮短可使鮮食玉米果穗受到的碰撞沖量減小,從而降低鮮食玉米籽粒破碎率。

綜上所述,相對(duì)于傳統(tǒng)收獲用剛性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),具有緩沖彈簧和柔性觸穗表面的柔性摘穗機(jī)構(gòu)可以有效改變與鮮食玉米果穗的碰撞參數(shù),可實(shí)現(xiàn)降低玉米籽粒破碎率的目的。

4 結(jié)論

(1)采用緩沖彈簧和柔性觸穗表面組合的柔性摘穗機(jī)構(gòu),能夠有效改變鮮食玉米果穗與摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞時(shí)間,柔性觸穗表面可有效降低鮮食玉米果穗的碰撞加速度。柔性摘穗機(jī)構(gòu)可產(chǎn)生高頻率振動(dòng),縮短碰撞接觸時(shí)間。兩者組合可有效降低鮮食玉米果穗受到的碰撞沖量,從而降低收獲時(shí)的鮮食玉米籽粒破碎率。

(2)從不同觸穗表面材料來(lái)說(shuō),對(duì)于板式摘穗機(jī)構(gòu),鮮食玉米果穗與柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料的碰撞時(shí)間比剛性表面分別延長(zhǎng)了78.9%和85.6%。碰撞的加速度峰值,分別降低了46.9%和50.8%。碰撞沖量,分別降低了15.7%和27.5%。籽粒破碎率,分別降低了40.9%和44.7%。對(duì)于柔性摘穗機(jī)構(gòu),鮮食玉米果穗與柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料的碰撞時(shí)間比剛性表面分別延長(zhǎng)了58.7%和63.2%。碰撞的加速度峰值,分別降低了62.5%和68.7%。碰撞沖量,分別降低了42.4%和54.5%。籽粒破碎率,分別降低了47.4%和68.4%。

(3)從不同摘穗機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),當(dāng)觸穗表面材料相同時(shí),柔性摘穗機(jī)構(gòu)并不能比板式摘穗機(jī)構(gòu)更有效地降低果穗沖擊力。鮮食玉米果穗與剛性、柔性橡膠、柔性發(fā)泡材料觸穗表面柔性摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞時(shí)間分別比對(duì)應(yīng)表面材料的板式摘穗機(jī)構(gòu)降低了66.2%、70.1%和70.1%。碰撞沖量分別降低了67.6%、77.9%和79.7%。籽粒破碎率分別降低了71.2%、51.3%和83.6%。