胡蘿卜聯(lián)合收獲機對頂部件的研究

鹿光耀，尚書旗，王東偉，李建東，韓文平，何曉寧

(1.青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島　266109；2.中機美諾科技股份有限公司，北京　100083)

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胡蘿卜聯(lián)合收獲機對頂部件的研究

鹿光耀1，尚書旗1，王東偉1，李建東2，韓文平1，何曉寧1

(1.青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島266109；2.中機美諾科技股份有限公司，北京100083)

摘要：針對國內(nèi)自主研發(fā)的胡蘿卜聯(lián)合收獲機在對頂切秧作業(yè)時對頂效果差、切割不干凈及損傷率高的問題，研究了國內(nèi)外各式各樣的對頂部件。重點針對胡蘿卜聯(lián)合收獲機皮帶式對頂方式、鏈條式對頂方式進行了研究，并介紹了各種對頂方式的工作原理及優(yōu)缺點。在上述對頂方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種新型的V形滾輪式對頂部件，該部件采用并行排列且可以繞軸轉(zhuǎn)動的兩列橡膠輥作為對頂組件與胡蘿卜接觸，兩列滾輪呈V形排列，從而減輕了滾輪徑向的受力，使得滾輪不至于徑向受力過大而不轉(zhuǎn)動。該裝置不僅實現(xiàn)了對頂作業(yè)，而且極大地降低了傷果率，為胡蘿卜聯(lián)合收獲機的研發(fā)成功提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：胡蘿卜收獲機；切割裝置；對頂部件；滾輪式；鏈條式；皮帶式

0引言

胡蘿卜是我國重要的經(jīng)濟作物之一，富含維生素，能夠防癌抗癌，具有地下“小人參”的稱號。我國是世界上胡蘿卜種植面積和產(chǎn)量最大的國家，約占世界胡蘿卜總種植面積的40%[1]。然而，我國胡蘿卜機械化收獲水平低，基本上依靠人工，或者利用其它根莖類收獲機兼收胡蘿卜，已嚴重制約了我國胡蘿卜的生產(chǎn)發(fā)展[2]。胡蘿卜根深200cm左右，國內(nèi)胡蘿卜種植模式多種多樣，給胡蘿卜收獲機的研究設(shè)計帶來很大困難。

對頂切割裝置是胡蘿卜聯(lián)合收獲機的核心組成部件，其好壞嚴重影響胡蘿卜收獲過程中的傷果率及切凈率等。

要解決胡蘿卜切割過程中的問題，首先應(yīng)考慮的是如何將胡蘿卜的莖葉在被切刀分離前對準刀口。所以，對頂部件的對頂精度直接影響胡蘿卜機械化收獲切割平整度，切割平整度又直接影響胡蘿卜傷果率、切不凈率等，間接影響胡蘿卜的經(jīng)濟價值，而對頂精度又直接影響切割平整度。

本文通過對國內(nèi)外各種形式的對頂部件的研究，成功設(shè)計出一種V形轉(zhuǎn)動滾輪式對頂部件，成功地解決了胡蘿卜對頂過程中易傷果及對頂效果差的問題。

1對頂部件形式

對頂部件是胡蘿卜聯(lián)合收獲機的重要組成部分。對頂是胡蘿卜莖葉被分離前的首要工作步驟，也是胡蘿卜聯(lián)合收獲機切割裝置的難點，只有將莖葉對頂?shù)胶}卜根莖結(jié)合部，才能完成完美的切割作業(yè)。根據(jù)對頂部件有沒有動力驅(qū)動劃分，對頂部件可以分為固定型對頂形式及外接動力型對頂形式；根據(jù)形式劃分，胡蘿卜對頂方式可以分為皮帶型對頂形式、鏈條型對頂形式等。

1.1皮帶式對頂部件

皮帶式對頂部件是一種由外部輸入動力的對頂方式，采用與斜向夾持部件水平速度相同的皮帶作為對頂組件，結(jié)構(gòu)相對簡單。由于皮帶質(zhì)軟，且皮帶與胡蘿卜的水平方向的速度相同，所以不會出現(xiàn)摩擦的現(xiàn)象。該裝置對胡蘿卜幾乎沒有損傷，但由于皮帶質(zhì)軟，當胡蘿卜被對頂后，受到向上的力較大，極易將皮帶拉彎甚至脫帶。該裝置較早出現(xiàn)在美國，并被應(yīng)用于胡蘿卜聯(lián)合收獲機，能夠基本實現(xiàn)將胡蘿卜莖葉對頂?shù)墓δ埽珜嶋H推廣效果較差。目前，國內(nèi)對皮帶式對頂部件的研究應(yīng)用較少。

1.2鏈條式對頂部件

國外所設(shè)計的胡蘿卜聯(lián)合收獲機針對胡蘿卜機械化收獲切割過程中頂部不能完全對齊的問題，在胡蘿卜斜向向上傳送的過程中設(shè)置1個具有一定間隙的水平夾持導向裝置，如圖1所示。

圖1中，鏈條式對頂部件能夠有效地保證根葉分離裝置完成胡蘿卜根葉切割過程。胡蘿卜植株在進入鏈條式對頂裝置后，在斜向上的輸送帶的作用下，會逐漸被向上拉動，直到使得胡蘿卜根部頂端緊緊貼在夾持鏈的底端，從而達到胡蘿卜根部頂端對齊的目的；然后通過水平傳輸帶的作用，胡蘿卜將被慢慢喂入到切割裝置，通過旋轉(zhuǎn)的雙圓盤刀切割裝置完成根葉分離的切斷過程[3]。這樣不僅使胡蘿卜在逐漸向的運動過程中根部保持對齊，而且使胡蘿卜植株有序喂入到根葉切割分離裝置中。為了抵抗惡劣的工作條件，鏈條式對頂部件的鏈條和鏈輪的材料采用了耐磨耐用、噪音低、質(zhì)量輕的塑料尼龍，如圖2所示。

1.斜向上夾持傳輸帶　2.水平夾持導向裝置

圖2　塑料鏈輪和鏈條

安裝有擋板式對頂部件的胡蘿卜聯(lián)合收獲機進行了多次田間試驗，測試獲得傷果率為1.5%、漏切率為0.2%、切不凈率為0.3%。試驗結(jié)果表明：對頂切割裝置切口平整，基本滿足了胡蘿卜收獲的要求。

2V形滾輪式對頂部件

上述幾種對頂裝置應(yīng)用于胡蘿卜機械化收獲均有利于提高切割平整度，但莖葉位置對頂準確度仍有待于提高。皮帶式對頂容易出現(xiàn)打滑、松動等問題；鏈條式對頂容易對胡蘿卜造成一定程度的損傷，又由于鏈條式對頂部件胡蘿卜與擋板之間是剛性摩擦，所以極易擦傷胡蘿卜，損傷率較高。為了解決這些問題，基于上述擋板對頂裝置,本文成功設(shè)計出一種新形式的V形滾輪式對頂部件，該部件損傷率低、對頂效果好。

2.1結(jié)構(gòu)及工作原理

所設(shè)計的V形滾輪式對頂部件主要由前支撐桿、后支撐桿、右側(cè)滾輪及左側(cè)滾輪等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.前支撐桿　2.后支撐桿　3.右側(cè)滾輪　4.左側(cè)滾輪

上述V形滾輪式對頂部件在擋板式對頂部件的基礎(chǔ)上增加了兩列對稱的滾輪,可以有效地減小對胡蘿卜根莖結(jié)合部的擦傷。前支撐桿與后支撐桿具有定位作用，通過調(diào)節(jié)前后支撐桿上的螺母可以調(diào)節(jié)兩列滾輪之間的間隙，從而使得該部件能夠適應(yīng)不同生長狀況下的胡蘿卜收獲作業(yè)。

工作過程中，胡蘿卜聯(lián)合收獲機挖掘鏟將胡蘿卜從地下鏟起，同時斜向上夾持輸送裝置將胡蘿卜拔出并斜向上輸送；當輸送到一定高度時，胡蘿卜進入水平放置的對頂部件形成的縫隙中，所設(shè)計縫隙大小僅允許胡蘿卜秧葉能通過，但胡蘿卜無法通過，從而只能沿對頂部件的方向向后運動，直到切刀將胡蘿卜切下為止。

2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

根據(jù)胡蘿卜物理力學特性[4]，對胡蘿卜聯(lián)合收獲機對頂部件進行受力分析，如圖4所示。當胡蘿卜運動至滾輪處時,滾輪受到向上的拉力F1，如果滾子水平放置,則向上的拉力全部轉(zhuǎn)化為滾子所受的徑向力; 但當將滾子轉(zhuǎn)為斜置時，向上的拉力F1就分為徑向力Fr和軸向力Fa，所以所受的徑向力Fr就減少了。當徑向力Fr小時，滾子就容易轉(zhuǎn)動，不僅有利于減少對胡蘿卜莖的擦傷，而且有利于提高胡蘿卜莖葉被對頂?shù)乃俣龋灰锥氯．斎唬瑵L子斜置的角度α不能過大，由于胡蘿卜大小不一，角度α過大會導致對頂?shù)奈恢貌灰粯樱赃x擇斜置的角度對對頂整體效果具有很大影響。

圖4　滾輪受力圖

由受力分析，可得公式為

(1)

式中F1—滾子受到胡蘿卜向上的拉力；

Fa—滾子所受軸向力；

Fr—滾子所受徑向力；

α—滾子傾斜角。

滾子的傾斜角度不僅影響徑向力的大小，而且影響兩排斜置滾輪之間的距離L。胡蘿卜的大小不一，決定滾輪之間的距離不宜過大，也不宜過小。當滾輪之間的夾角α過小時，摩擦力增大，不宜胡蘿卜葉全部通過，影響胡蘿卜莖葉的對頂；當滾輪之間的夾角過大時，尺寸小的胡蘿卜會受到兩排滾輪的碰撞甚至直接通過滾輪，無法實現(xiàn)切割作業(yè)。

把兩滾子之間最遠距離設(shè)定為55mm，根據(jù)圖5所示可得公式為

L=55-39cosα

(2)

圖5　滾輪間距圖

利用測力器測定胡蘿卜在水平夾持過程中所受拉力在較大情況下為2 000N左右，設(shè)定徑向力最大情況下為300N左右。對胡蘿卜聯(lián)合收獲機對頂部件滾子傾斜角與滾子間距、胡蘿卜所受徑向力應(yīng)用MatLab數(shù)據(jù)軟件進行編程分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6　MatLab數(shù)據(jù)分析圖

通過圖6及公式可知：當夾角α減小時，距離L減小；當夾角α增大時，距離L增大。

結(jié)合胡蘿卜形態(tài)特征，經(jīng)多次試驗可確定：夾角α設(shè)定為7°～9°時較適于胡蘿卜莖葉分離，且可以防止胡蘿卜被直接拉起至對頂部件上方，為胡蘿卜聯(lián)合收獲機對頂部件的進一步研究提供了理論基礎(chǔ)。

3性能試驗

3.1試驗條件及方法

對安裝有V形滾輪式對頂部件的胡蘿卜聯(lián)合收獲機進行田間試驗，試驗地點為山東省萊西市胡蘿卜種植試驗園。經(jīng)測定，收獲時氣溫25℃，田地內(nèi)土壤的平均濕度為45%，地形為不平整的壤土。通過查閱可確定，針對胡蘿卜聯(lián)合收獲機V形滾輪式對頂部件的性能指標主要有漏切率、損傷率、切不凈率等。

以每次試驗收獲面積0.03hm2為1個單位，同等條件下重復6次；分別記錄每次試驗所收獲的胡蘿卜總個數(shù)、漏切個數(shù)、損傷個數(shù)及切不干凈的胡蘿卜個數(shù)；用每個單位漏切個數(shù)、損傷個數(shù)及切不凈率分別除以胡蘿卜總個數(shù)，獲得每個單位的漏切率、損傷率、切不凈率；然后計算其平均數(shù)，即可獲得相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)。

3.2試驗結(jié)果及分析

根據(jù)以上試驗方法，計算6組數(shù)據(jù)的平均數(shù)，獲得如下與對頂部件有關(guān)的數(shù)據(jù)，則

(3)

式中X—單位漏切率；

Y—單位損傷率；

Z—單位切不凈率；

a—單位胡蘿卜總個數(shù)；

b—單位胡蘿卜漏切個數(shù)；

c—單位胡蘿卜損傷個數(shù)；

d—單位胡蘿卜切不凈個數(shù)。

表1　試驗數(shù)據(jù)

據(jù)以上試驗計算出的數(shù)據(jù)(見表1)，與胡蘿卜聯(lián)合收獲機鏈條式對頂方式所試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)進行對比試驗，如表2所示。

表2　對比試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)對比可知：安裝于雙行自走式胡蘿卜聯(lián)合收獲機上的V形滾輪式對頂方式在降低漏切率、損傷率及切不凈率等多個指標上均優(yōu)于鏈條式對頂。

4結(jié)論

1) 針對胡蘿卜聯(lián)合收獲機皮帶式對頂方式、鏈條式對頂方式等進行了研究，系統(tǒng)分析了胡蘿卜各種對頂部件的工作原理及優(yōu)缺點，為胡蘿卜聯(lián)合收獲機的進一步研發(fā)提供理論依據(jù)。

2)設(shè)計出的新型V形滾輪式對頂部件利用斜置的滾輪，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)將胡蘿卜莖葉在切割前被對頂，降低了切傷率，而且有效減小了胡蘿卜與裝置之間的摩擦，極大地降低了損傷率。通過與擋板式對頂部件進行對比性能試驗可知：漏切率為0.15%，切不凈率為0.2%，損傷率為1.0%。

3)新型V形滾輪式對頂部件結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工作性能好，應(yīng)用于胡蘿卜聯(lián)合收獲機中能夠有效改善對頂切割性能，達到胡蘿卜收獲的有關(guān)標準，并極大地提高了胡蘿卜機械化收獲的質(zhì)量。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0119-EA

Study on Lacy Components of Carrot Harvester

Lu Guangyao1， Shang Shuqi1， Wang Dongwei1， Li Jiandong2， Han Wenping1， He Xiaoning1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 2. MENOBLE Co.Ltd.,Beijing 100083, China)

Abstract：In view of the domestic invention-independently, carrot Combine harvester, whoes cutting effect is poor when zazing seedings, cutting not completely as well as high damage, this paper studies various zazi parts both at home and abroad, which mainly focuses on Belt-typed zazi, chain-pulled two ways, introduces various working principles , advantages and disadvantages. On the basis of in the neat way , design a new zazi parts, v-shaped roller, which parallels alignmently with two rubber rollers which columns circuition as zazing components in contact with the carrots. The two columns of roller are arranged in V-shape to reduce the radial stress, in case it not turn . The device not only realizes the zazi assignments, and greatly reduces the fruit injury , provides a theoretical basis for the success of carrot combine harvester.

Key words：carot harvester； cutting device; zazi parts; roller-typed; chain-pulled; belt type

文章編號：1003-188X(2016)02-0119-04

中圖分類號：S225.7+2

文獻標識碼：A

作者簡介：鹿光耀(1989-)，男，山東巨野人，碩士研究生，(E-mail)519359187@qq.com。通訊作者：尚書旗(1958-)，男，山東青州人，教授，博士生導師, (E-mail)sqshang@qau.edu.cn。

基金項目：國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203028.4);青島農(nóng)業(yè)大學研究生創(chuàng)新計劃項目(QYC201416)

收稿日期：2015-01-15