甘藍拔取輸送裝置設計與試驗

楊家豪 杜雅剛 房欣 周成

摘要：為提高甘藍收獲效率，研制適合我國甘藍種植模式的收獲機械，以測定的“秋甜”甘藍品種的基礎物理特性參數為基礎，設計一種可實現甘藍拔取輸送的單行懸掛式收獲裝置。應用SolidWorks軟件對裝置三維建模并導入Adams軟件進行動力學仿真，得到收獲過程甘藍與螺旋凸棱的接觸力和甘藍擺動垂直度的仿真結果，進行正交組合分析表明：裝置的最佳工作參數為機具前進速度0.4m/s、螺旋桿轉速300r/min、螺旋凸棱外徑70mm、限位間距166mm時，收獲甘藍的垂直度最高，通過田間試驗表明該裝置收獲過程甘藍的采凈率和破損率分別為97.6%、8.24%，收獲性能符合預期設計，為研究收獲裝置樣機提供理論基礎。

關鍵詞：甘藍;收獲機械;Adams;運動仿真;正交試驗

中圖分類號：S225.92

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0032-05

收稿日期：2022年10月1日

修回日期：2022年12月13日

*基金項目：黑龍江省重點研發(fā)計劃（GA21B003）

第一作者：楊家豪，男，1996年生，四川廣元人，碩士研究生；研究方向為現代農業(yè)機械設計與試驗。E-mail： yjh0112358@163.com

通訊作者：周成，男，1973年生，黑龍江望奎人，博士，研究員，碩導；研究方向為智慧農業(yè)與智能裝備。E-mail： 03054@zjhu.edu.cn

Design and experimental study of cabbage picking and conveying device

Yang Jiahao¹， Du Yagang²， Fang Xin²， Zhou Cheng³

（1. College of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi， 154007， China; 2. Institute of

Agricultural Engineering， Heilongjiang Province Academy of Land Reclamation Sciences， Harbin， 150000， China;

3. School of Information Engineering， Huzhou Normal University， Huzhou， 313000， China）

Abstract： In order to improve the harvesting efficiency of cabbage， a harvesting machine suitable for Chinas cabbage planting mode was developed. Based on the measured basic physical parameters of the “Autumn Sweet” cabbage variety， a single-row hanging harvesting device that could realize cabbage picking and conveying was designed. SolidWorks software was used to build the three-dimensional model of the device and Adams software was imported for dynamic simulation. The simulation results of the contact force between cabbage and screw convex ridge and the verticality of cabbage swing during harvesting were obtained. The orthogonal combination analysis showed that the best working parameters of the device were as follows： the forward speed of the machine was 0.4 m/s， the screw speed was 300 r/min， the outer diameter of screw convex ridge was 70 mm， and the spacing for limiting displacement was 166 mm， the verticality of harvesting cabbage was the highest， the field test results showed that the harvesting rate and damage rate of cabbage in the harvesting process of this device were 97.6% and 8.24% respectively， and the harvesting performance meets the expected design， which provides a theoretical basis for the study of the prototype of the harvesting device.

Keywords： cabbage; harvesting machinery; Adams; motion simulation; orthogonal test

0 引言

甘藍起源于地中海沿岸，由于其耐寒、易于種植的蔬菜特性，深受北歐農民喜歡。國外對甘藍收獲機械的研究，已超過百年歷史。目前歐美日韓等國對甘藍收獲機械的研究較為成熟，已有甘藍收獲裝置在我國出售和試驗。國外對甘藍收獲機械的研發(fā)設計逐步向智能化、低損化過渡，如日本甘藍自動收獲機^[1]、韓國白菜切根姿態(tài)自動調整收獲機^{[2， 3]}、俄羅斯甘藍無損收獲機^[4]以及丹麥MK-1000型無人協作智能甘藍收獲機等，均完成了相應的田間試驗，收獲效果較為理想。我國甘藍收獲裝備研究相對較晚，現階段高校如甘肅農業(yè)大學^[5]、東北農業(yè)大學^[6]、浙江大學^[7]和黑龍江大學^[8]等，以及科研院所如南京農業(yè)機械化研究所^{[9， 10]}和黑龍江農墾科學院工程研究所^[11]等設計生產的裝置多數處于樣機，對甘藍收獲性能試驗的研究，暫未投產形成大規(guī)模推廣階段。

甘藍在我國種植面積廣泛，是東北、西北和華北地區(qū)^[12]主要蔬菜之一。據聯合國糧農組織（FAO）統(tǒng)計，截至2020年，我國甘藍種植面積居世界第一。目前甘藍收獲仍是以人工為主，機械為輔；人工收獲除成本高外，隨工作時間收獲效率也會降低，機械化收獲是甘藍生產的必然趨勢。但甘藍的拔取輸送是影響機收質量的重要環(huán)節(jié)，甘藍的品種、成熟度、壟上生長直線度、行距和株距等都會影響拔取輸送工作性能；拔取輸送裝置的結構參數和運行參數選擇也會對收獲性能產生顯著影響，如拔取方式有引撥鏟式、螺旋桿式^[11]和圓盤式^[13]，輸送方式有雙螺旋桿式^[6]和夾持輸送式^[7]，參數選擇不合理會導致甘藍堵塞而引起擠壓或切割損傷。

本文以測定的甘藍物理力學特性參數為基礎，對甘藍拔取輸送裝置進行設計，并利用Adams仿真軟件進行虛擬樣機的運動學分析，結合正交試驗，明確拔取輸送裝置最優(yōu)工作參數，為甘藍機械收獲研發(fā)提供參考。

1 甘藍拔取輸送裝置結構與工作原理

1.1 整體結構

甘藍拔取輸送裝置主要由拔取部件、提升輸送部件、傳動系統(tǒng)和機架等組成，如圖1所示。

傳動系統(tǒng)包括驅動輪、傳動輪、齒輪箱、壓頂輸送帶主動輪和鏈條等，其中傳動輪與壓頂輸送帶主動輪共軸，齒輪箱與提升螺旋桿直接連接；拔取部件主要由懸掛總成和兩根不同旋轉方向的階梯軸組成，該軸各焊接一條起始角度相反的螺旋凸棱，為拔取甘藍提供向上的螺旋提升力，以便甘藍被快速地從土壤拔出；提升輸送部件主要由壓頂輸送帶和提升螺旋桿構成，壓頂輸送帶由鏈輪結構、支撐架和多條斜向交叉的高彈性橡膠帶組成；拔取和提升螺旋桿長度和安裝角不同，其余結構參數均相同。裝置采用三點懸掛式與機具連接，具備一定的隨地仿形能力，而且通過調節(jié)限位輪與提升螺旋桿的平行距離能適用于不同尺寸甘藍的收獲，其主要設計參數如表1所示。

1.2 工作原理

機具開始作業(yè)前，通過液壓油缸調節(jié)裝置與地面的平行高度，使位于前端的拔取螺旋桿能浮于地表，又與甘藍底部有效接觸。工作時，驅動輪與地輪共軸，地輪轉動產生的動力通過傳動系統(tǒng)使裝置各部件運行；輸入動力經由軸和鏈條傳動帶動拔取部件和提升輸送部件旋轉實現甘藍的拔取收獲，其中拔取螺旋桿的動力來源是齒輪箱通過萬向節(jié)間接傳遞。隨著機具向前行進，脫離土壤的甘藍在橡膠帶和拔取螺旋桿作用下，進入提升輸送部件中。此后，甘藍球體頂部和底部會受到壓頂輸送帶和提升螺旋桿持續(xù)的擠壓力和支持力，使甘藍沿著壓頂輸送帶和螺旋桿向上輸送，到達導流槽后被拋出裝置，完成提升輸送收獲。

2 甘藍在拔取輸送裝置中的受力分析

2.1 甘藍進入提升輸送部件的受力分析

甘藍在運動到拔取螺旋桿末端時，不能被壓入提升輸送部件內的現象時有發(fā)生，會導致甘藍被卡在提升輸送部件的入口處，堵塞提升輸送部件。為便于分析甘藍進入時的受力狀態(tài)，以進入提升輸送部件入口處的甘藍為例，如圖2所示。

在水平拔取螺旋桿上的甘藍由于受機具的前進和拔取螺旋桿的推力作用沿桿橫向運動，且甘藍頂部逐漸與橡膠帶開始接觸，并在到達水平拐點時，橡膠帶彈性變形最顯著。

在進入過程中，甘藍會受到螺旋桿產生推力F、支持力N、橡膠帶擠壓力F_k以及螺旋桿對甘藍的摩擦阻力F_f等作用力的影響。在不考慮甘藍質點質心位置情況下，簡化剛體受力系統(tǒng)得到甘藍在輸送過程中的受力平衡方程

∑X=0，Fcosγ+F_ksinψ－F_f=0

∑Y=0，N+Fsinγ－G－F_kcosψ=0（1）

式中： G——甘藍自身重力，N；

γ——螺旋凸棱的螺旋升角，（°）；

ψ——提升螺旋桿與地面的傾角，（°）。

甘藍沿著提升螺旋桿運動的條件為∑X>0，則

Fcosγ>F_f-F_ksinψ

F_f=μ（G+F_kcosψ）（2）

式中： μ——甘藍與螺旋桿間的摩擦系數。

ψ>arcsinF_kμ（N+Fsinγ）－Fcosγ（3）

2.2 甘藍在提升輸送部件中平穩(wěn)輸送受力分析

在甘藍被平穩(wěn)輸送時，甘藍受到提升螺旋桿N′的支持力和橡膠帶F_k擠壓力的方向都垂直于提升螺旋桿，甘藍自身重力方向與提升螺旋桿呈一定角度，如圖3所示。

∑X=Fcosγ-Gsinψ-F_f=0

∑Y=N′+Fsinγ-F_k-Gcosψ=0（4）

甘藍平穩(wěn)輸送條件為∑X≥0，則

Fcosγ≥Gsinψ+F_f

F_f=μ（F_k+Gcosψ）（5）

ψ≤arcsinGFcosγ－μ（Fsinγ+N′）（6）

綜上，ψ∈arcsinF_kμ（N+Fsinγ）－Fcosγ，arcsinGFcosγ+μ（Fsinγ+N′）。

通過圖2可知，在實際的提升輸送部件中，F_k受橡膠帶的彈性形變位移dp影響，通過調節(jié)限位輪位置使壓頂輸送帶與提升螺旋桿間的距離變化為Δx，相應的dp的形變位移量也會變化Δh，所以F_k的大小應受限位輪位置約束。結合受力分析，在整個提升輸送階段，當螺旋桿推力F和甘藍球縱徑一定時，適度調節(jié)限位輪位置，會使擠壓力F_k增大，便于甘藍球快速進入提升輸送部件，但過大的擠壓力不僅會對甘藍球造成擠壓損傷，同時隨著擠壓力增加也會導致傾角增大。過大的傾角會造成甘藍球在平穩(wěn)輸送過程中存在沿提升螺旋桿向下滑落的現象，從而使甘藍球脫離出部件或者堵塞在入口處。參照文獻[6， 14]與農業(yè)機械設計手冊螺旋輸送器傾斜輸送系數表，提升螺旋桿的傾角ψ設置為17°適宜。

3 仿真分析

3.1 建立仿真模型

為了模擬收獲裝置在田間拔取收獲甘藍的動力學狀況，依據前文對收獲裝置關鍵部件設計分析得出的參數，使用SolidWorks軟件對收獲裝置和甘藍植株進行了建模，并保存為“.x_t”格式導入Adams中。在保證仿真可執(zhí)行性和精確性的條件下，對仿真模型進行簡化：（1）由于本裝置工作方式為懸掛式，在進行仿真試驗時，為便于調節(jié)機具前進速度，對原始模型添加了四個輪子。（2）刪除導流槽、齒輪箱和驅動輪等零件，改為直接在螺旋桿和壓頂輸送帶主動輪上添加運動副。（3）橡膠帶受力會發(fā)生變形，通過Adams中的離散柔性連桿工具將橡膠帶建立成柔性體。通過查閱資料^{[7， 15， 16]}，確定甘藍模型材料屬性和橡膠帶材料屬性如表2所示。

將仿真模型簡化后，對模型添加零部件約束及驅動設置進行運動學仿真分析，仿真時間設置3s，步長300，仿真模型添加結果如圖4所示。

3.2 試驗結果與分析

根據對關鍵部件設計的結論，以機具前進速度、螺旋桿轉速、螺旋凸棱外徑和限位間距（限位輪與提升螺旋桿之間距離）作為仿真試驗因素，各因素選取3個水平（表3）；選取甘藍模型與螺旋凸棱的接觸力（y₁）和在提升輸送部件中的甘藍球部垂直度（y₂）作為評價指標。其中y₁為螺旋凸棱受來自甘藍模型的重力、摩擦力、赫茲接觸力和橡膠帶對甘藍模型擠壓力的總和力；y₂是為機械化收獲中切根工序做準備的，垂直度越高，甘藍植株在切根時切割損傷越??；反之亦然。

通過正交試驗設計表（表4），按照試驗號中因素水平，將測試模型導入Adams中獲取指標數值。A、B、C、D為各因素編碼值。

利用極差分析法來評價4個因素分別對接觸力與垂直度的影響程度，通過極差值R確定4個因素分別對兩指標影響的主次關系。極差分析表如表5所示。

從表5可看出，4個試驗因素中螺旋桿轉速B和螺旋凸棱外徑C對接觸力的影響最大，其次是機具前進速度A，再次是限位間距D。各因素極差值R₁分別為：65.09N、75.10N、71.96N、58.23N。對接觸力影響關系為：螺旋桿轉速B>螺旋凸棱外徑C>機具前進速度A>限位間距D。以接觸力為指標時，其數值越小表示甘藍在拔取輸送過程中受到的擠壓損傷越小，故K值越小對應的水平最佳，即對接觸力的最優(yōu)組合為A₁B₃C₃D₁；4個試驗因素中限位間距D和螺旋桿轉速B對垂直度的影響最大，其次是螺旋凸棱外徑C和機具前進速度A對垂直度影響較小。各因素極差值R₂分別為：6.3%、19.8%、15.5%、20.4%。對垂直度影響關系為：限位間距D>螺旋桿轉速B>螺旋凸棱外徑C>機具前進速度A。以垂直度為指標時，K值越大對應的水平最佳，即對垂直度的最優(yōu)組合為A₂B₂C₂D₂。機械化收獲甘藍的過程中，甘藍受到擠壓損傷是不可避免的，主要表現為甘藍最外層葉片破損。但甘藍的切割損傷則會傷害到甘藍球體內部，嚴重影響收獲質量，因此，9次試驗中對接觸力和垂直度的影響最符合實際的組合為A₂B₂C₂D₂。

將A₂B₂C₂D₂組合的試驗模型在Adams中進行仿真分析，以甘藍模型質心“.cm”marker點為標記點，繪制甘藍模型在收獲中的運動軌跡曲線，如圖5所示。通過后處理觀察，甘藍根部始終與提升螺旋桿垂直，且甘藍在提升輸送部件平穩(wěn)輸送狀態(tài)符合理論分析。

4 田間試驗

2022年10月19日，在哈爾濱呼蘭區(qū)小果家窩堡進行田間試驗，試驗地長約100m，寬約10m。選擇的甘藍品種為中甘21甘藍，采用單壟種植，行距670mm，株距300～400mm，株高245～270mm，甘藍球橫、縱徑為160～220mm和170～195mm，甘藍成熟度較好，符合收獲要求。

依據GB/Z 26582—2011《結球甘藍生產技術規(guī)范》和NY/T 4073—2022《結球甘藍機械化生產技術規(guī)程》，選取采凈率和破損率為甘藍收獲裝置的評價指標。在試驗地機具以1.5km/h的作業(yè)速度對單壟上的甘藍連續(xù)采收，記錄采收后甘藍切割破損顆數和甘藍球顆數。

田間試驗結果表明，拔取輸送裝置收獲甘藍的平均采凈率為97.6%，破損率為8.24%。樣機收獲作業(yè)流暢，能夠一次性完成甘藍拔取、切根和輸送等收獲任務，裝置拔取效果良好，垂直度較高，田間收獲效果和性能指標基本符合機械化生產規(guī)范要求（NY/T 4073—2022，采凈率≥95%，破損率≤5%）。

5 結論

1） 本文研究一種甘藍拔取輸送裝置，介紹其結構組成、工作原理和技術參數，對甘藍在裝置內運動狀態(tài)進行受力分析。

2） 建立甘藍拔取輸送裝置與甘藍植株模型，借助Adams仿真軟件對裝置收獲甘藍的過程進行多體動力學仿真分析和試驗驗證，以機具前進速度、螺旋桿轉速、螺旋凸棱外徑和限位間距作為試驗因素，以接觸力和垂直度作為指標，進行四因素三水平正交試驗，通過試驗結果可知，當拔取輸送裝置的工作參數為：機具前進速度0.4 m/s，螺旋桿轉速300 r/min，螺旋凸棱外徑70 mm，限位間距166 mm時，收獲甘藍的垂直度最高，該組合為拔取輸送裝置的最佳參數組合。

3） 該樣機整體結構合理，能夠達到甘藍機收的預期目標和部分性能指標。后續(xù)研究可根據分析甘藍球切割損傷部位和球橫、縱徑，進一步對樣機結構進行優(yōu)化試驗，以提高收獲的自適應性和低損傷性，為后續(xù)甘藍機收裝備設計與優(yōu)化提供參考。

參 考 文 獻

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