辣椒收獲機(jī)復(fù)摘裝置的研究

趙永滿，刁雪洋，陳永成，付 威，熊志遠(yuǎn)

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆種植的辣椒和內(nèi)地對比具有高產(chǎn)量、品質(zhì)高、色澤好及供貨期長等優(yōu)點(diǎn)，許多國內(nèi)食品企業(yè)、提煉色素和辣椒堿的工廠把其視為優(yōu)先選擇原料，市場需求潛力巨大[1-3]。近年來，辣椒的種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，2010年新疆種植線辣椒面積遠(yuǎn)超50 000hm2，新鮮紅辣椒產(chǎn)量已經(jīng)超過150萬t。然而，鮮辣椒的收獲目前完全靠人工采摘，已占到辣椒田間生產(chǎn)總費(fèi)用的30%～50%。按目前棉花、加工番茄等作物機(jī)械收獲費(fèi)用類比，辣椒機(jī)械采收費(fèi)用4 500元/ hm2，人工采收費(fèi)用400元/t，按30t/ hm2產(chǎn)量計(jì)，機(jī)械收獲可節(jié)省采收費(fèi)7 500元/hm2。按目前新疆種植面積50 000hm2算，一年可節(jié)省采收費(fèi)37 500萬元[4,6]。

針對辣椒機(jī)械化收獲的迫切需求，國內(nèi)一些單位自主研發(fā)了牽引式或自走式的辣椒收獲機(jī)[5]。石河子大學(xué)機(jī)電學(xué)院研制了一臺集采摘、清選分離及裝箱的牽引式聯(lián)合收獲機(jī)。從試驗(yàn)效果看，清選裝置對辣椒葉子和細(xì)小的莖稈分選效果良好，但對一些大的莖稈上殘余的辣椒還無法從中采摘下來，后期這些未采凈的辣椒如果不進(jìn)行復(fù)摘和分離，長期堆放時(shí)辣椒容易引起霉變，直接影響辣椒的品質(zhì)；而進(jìn)行人工清選則將增加作業(yè)程序，增加采收成本，從而直接導(dǎo)致農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益降低[6-10]。辣椒采收期正直新疆棉花收獲時(shí)節(jié)，勞動(dòng)力需求十分緊張，椒農(nóng)希望采用機(jī)械收獲時(shí)盡可能完成所有的采收工作，使其后期勞動(dòng)程度降到最低；但是，當(dāng)前的辣椒收獲機(jī)還不能實(shí)現(xiàn)所有的功能，制約了辣椒收獲機(jī)在新疆的推廣。為適應(yīng)新疆線辣椒機(jī)械化收獲的需要，發(fā)展成熟的辣椒收獲機(jī)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定、采摘效果滿意，以及適應(yīng)性強(qiáng)的復(fù)摘分離裝置對快速實(shí)現(xiàn)辣椒機(jī)械化收獲有著深遠(yuǎn)的意義。

1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體與裝置結(jié)構(gòu)

復(fù)摘分離裝置安裝在有采摘頭、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、清選裝置及物料箱等組成的整機(jī)上，如圖1所示。整機(jī)的一級升運(yùn)器的傾斜角度β由收獲機(jī)駕駛室底座空間和辣椒的物理機(jī)械所決定，發(fā)動(dòng)機(jī)的位置固定在底盤上無法移動(dòng)且其高度為900mm；發(fā)動(dòng)機(jī)離物料箱的距離M決定了機(jī)架寬度；二級升運(yùn)器的傾斜角度φ和物料箱的高度N一起決定了機(jī)架C尺寸。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)復(fù)摘分離裝置時(shí)，需要使裝置在整機(jī)中的安裝位置和動(dòng)力傳動(dòng)的路線合理和緊湊，盡量充分利用空間位置，在借鑒國外的辣椒收獲機(jī)對類似復(fù)摘分離裝置的研究中提出了旋轉(zhuǎn)滾筒加定擋齒的形式[11-14]。該裝置由底盤及車輪、接料箱、機(jī)架、星形輪、弧板定擋齒、彈齒滾筒及分隔板等部分組成，如圖2所示。此裝置主要通過滾筒彈指和弧形定擋齒與物料的相互沖擊碰撞作用后，使辣椒從莖稈上分離掉落。

1.2 工作原理

從前期國內(nèi)的辣椒收獲機(jī)收獲情況看，收獲的辣椒混合物中大多數(shù)摻雜了椒葉和未采凈的辣椒莖稈。其中，椒葉可以通過風(fēng)機(jī)將其清選，但未采凈的辣椒莖稈因其外形和密度與辣椒采用的風(fēng)選方式不能將其徹底分離，一般通過星形輪裝置將其進(jìn)行分選，而分選后剩余的辣椒莖稈尚未見相關(guān)裝置將其進(jìn)一步采摘分離。本文設(shè)計(jì)的復(fù)摘分離裝置能有效地將其剩余的辣椒從莖稈上采摘下來，減少了辣椒的損失和采收成本，其裝置緊湊，合理利用了空間。

收獲后的所有辣椒混合物通過一級升運(yùn)器輸送到圖1裝置的左邊的星形輪式清選部分，星形輪式清選部分利用辣椒與莖稈的外形尺寸的差異，從地里收獲起來的所有物料掉落在其上方后，所有星形輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，物料在星形輪的旋轉(zhuǎn)作用下分離出干凈的辣椒從星形輪之間的間隙掉落到下方的接料箱中，最后被二級升運(yùn)器輸送到后方的物料箱中；收獲上來一些未采凈的辣椒莖稈會在星形輪的作用下自左向右運(yùn)送到右邊的復(fù)摘分離裝置，辣椒的莖稈輸送到弧板定擋齒處后，定擋齒之間的間距介于辣椒莖稈和辣椒寬度之間，在旋轉(zhuǎn)滾筒的梳刷和沖擊作用下，辣椒果柄便會從辣椒莖稈處斷裂，辣椒與莖稈分離；分離后的辣椒從弧板下的間隙處掉落到下方的接料箱中，莖稈在旋轉(zhuǎn)滾筒作用下把莖稈拋到裝置外掉落到地上。

復(fù)摘分離裝置工作時(shí)，因滾筒彈指與下方的定擋齒之間的間隙小于物料的徑向尺寸，此時(shí)物料在弧板中的排列呈無規(guī)則形態(tài)，當(dāng)滾筒彈指旋轉(zhuǎn)沖擊物料時(shí)彈指與物料接觸作用時(shí)可能與辣椒果實(shí)、辣椒莖稈、辣椒果柄發(fā)生碰撞，這樣在滾筒彈指的沖擊下辣椒果實(shí)隨機(jī)地與果柄發(fā)生斷裂從而完成復(fù)摘分離的過程。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

辣椒收獲機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)按照水平對置安放，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和機(jī)器行走的方向一致，復(fù)摘分離裝置機(jī)架的安裝位置和機(jī)器行走的方向互相垂直。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞到裝置時(shí)，可通過減速器進(jìn)行換向，清選裝置和復(fù)摘分離裝置運(yùn)動(dòng)相反，整個(gè)過程要實(shí)現(xiàn)滾筒的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)。裝置的動(dòng)力傳遞選擇鏈傳動(dòng)，其傳動(dòng)系統(tǒng)過程如圖3所示。

1.減速器輸入帶輪 2.減速器輸出帶輪 3.裝置動(dòng)力帶輪 4.動(dòng)力輸入端鏈輪 5.張緊鏈輪 6.墮輪 7.滾筒端大鏈輪 8.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)鏈輪 9.清選端動(dòng)力輸入鏈輪 10.星形輪端鏈輪

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及部件設(shè)計(jì)

3.1 弧板及定擋齒的設(shè)計(jì)

弧板及定擋齒尺寸參數(shù)主要包括弧板的開合角度及圓弧弧尺寸半徑、安裝定擋齒的角鋼長度和及其上孔的排列尺寸，以及定擋齒的長度、排數(shù)、排列組合關(guān)系。其裝配示意如圖4所示。圖5為是弧板尺寸。其中，α1=153°，α2=20°，α3=35°，α4=35°，α5=35°，R1=385mm，R2=345mm。

1.弧板 2．角鋼 3．定擋齒

圖5 弧板尺寸

3.2 復(fù)摘滾筒設(shè)計(jì)

復(fù)摘滾筒的作用是安裝固定彈指，彈指復(fù)摘辣椒，并輸送果實(shí)到清選部分。辣椒復(fù)摘裝置關(guān)鍵部件為彈指滾筒，結(jié)構(gòu)如圖6所示。其主要由兩端軸、彈指(見圖7)及滾筒組成。

1.兩端軸 2.彈指 3．.滾筒

圖7 滾筒彈指尺寸

彈指主要尺寸L1=70、L2=130、L3=20，綜合考慮滾筒中心距離地面高度、辣椒植株平均高度及平均結(jié)椒高度而確定，確保從結(jié)椒位置采摘辣椒。彈指末端成一定弧度，取β=165°，便于抓取植株上的辣椒及后續(xù)拋送辣椒。

3.3 滾筒彈指與物料作用力分析

3.3.1 對物料運(yùn)動(dòng)的簡化假設(shè)

1)喂入的物料(受力系統(tǒng))看作單株物料，稱作物料系統(tǒng)。

2)物料系統(tǒng)所承受的推動(dòng)力主要是滾筒彈指的沖擊。物料在喂入的瞬間與其他元件無關(guān)，視作無約束系統(tǒng)。對于互相纏繞在一起并且受定擋齒限制了碰撞速度和方向的物料稱為受約束系統(tǒng)。

3)物料在受沖擊后作減速運(yùn)動(dòng)，其切向速度小于滾筒彈指，所以一縷物料會受到多次的沖擊，其平均沖擊周期，靠近滾筒的內(nèi)層時(shí)間短，外層的時(shí)間比內(nèi)層長。物料在滾筒內(nèi)隨機(jī)地完成分離過程。

3.3.2 無約束的沖擊碰撞分析

物料無約束碰撞的主要形式是斜碰撞，圖8中碰撞瞬時(shí)接觸點(diǎn)為o，y為滾筒彈指運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)切向，z為滾筒的軸向。假設(shè)碰撞速度為滾筒元件與作物的速度差ν。設(shè)滾筒彈指固定，作物相對滾筒彈指運(yùn)動(dòng)，且令入射角為φ，反射角為φ；碰撞后作物的速度為u，與ν在同一平面內(nèi)，則物料速度的切向分量y'和軸向分量z'為

當(dāng)物料含水率高時(shí)，恢復(fù)系數(shù)為0，出現(xiàn)塑性碰撞,即物料勾掛在滾筒彈指上。

3.3.3 受約束的沖擊碰撞分析

作物受約束系統(tǒng)的碰撞運(yùn)動(dòng)的特殊情況如圖9所示。假定有3株作物AB、BC和CD ,簡化為等長均質(zhì)桿,質(zhì)量均為m,相互牽連狀態(tài)在瞬時(shí)視為光滑絞相連。若在滾筒彈指同一線內(nèi)時(shí)，物料AB的A點(diǎn)受到一彈指的沖擊，沖量為P，其方向與AB垂直，p、q、r、s分別為A、B、C、D處的速度，均垂直于桿系。根據(jù)離散分析動(dòng)力學(xué)知，均勻直鋼桿的動(dòng)能W可表示為兩端速度的函數(shù)，即

圖8 物料與滾筒彈指斜碰撞

圖9 受約束物料

應(yīng)用沖擊運(yùn)動(dòng)的高斯最小約束原理,得

計(jì)算表明：直接受碰撞物料纏繞的物料在碰撞發(fā)生后速度也發(fā)生改變，但其值和直接受碰撞物料相比要小得多，且方向并不全與沖量相同，其距離沖擊點(diǎn)越遠(yuǎn)速度越低。

3.4 物料受循環(huán)沖擊碰撞分析

當(dāng)物料的含水率過高時(shí)，此時(shí)受到?jīng)_擊后恢復(fù)系數(shù)為0，容易掛在滾筒彈指上，物料受到循環(huán)沖擊。設(shè)物料承受沖擊的平均周期為T，即t=T時(shí)，物料承受沖擊，而在兩次沖擊之間，物料做減速運(yùn)動(dòng)。其微分方程：

當(dāng)t=(i-1)T時(shí)，有

當(dāng)(i-1)·T

μK1—物料之間的動(dòng)摩擦因數(shù)；

μK2—物料與弧板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)；

μK3—物料與定擋齒的動(dòng)摩擦因數(shù)；

R—滾筒彈指半徑；

V—彈指的線速度。

4 滾筒彈指的有限元分析

滾筒彈指作為復(fù)摘分離裝置中的主要零件，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮與物料進(jìn)行碰撞時(shí)容易導(dǎo)致其產(chǎn)生或者斷裂，其承受外力沖擊后的變形是設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)。零件的受力情況可以用借助SolidWorks選擇應(yīng)力分析進(jìn)行仿真分析。

滾筒彈指材料選擇冷拔鋼筋，相關(guān)參數(shù)為泊松比0.29NA，抗剪模量8×1010N/m2，密度7.85×103kg/m3，如表1所示。

辣椒莖稈斷裂時(shí)所需的力最大值為97.6N，即滾筒彈指所受到的反作用力大小，滾筒受力如圖10所示。

仿真分析得彈指的應(yīng)力(見圖11)及位移圖(見圖12)。從圖11可以看出：滾筒彈指與物料碰撞后最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈指與滾筒相接處，即彈指根部，最大值為2.5×108N/m2小于冷拔鋼筋的抗剪模量，理論上根部不會發(fā)生斷裂。如果使用小于2.5×108N/m2材料時(shí)，彈指會從根部發(fā)生斷裂。對圖12進(jìn)行分析，得到彈指受碰撞后最大變形量發(fā)生在與物料接觸的彈指前端，最大值為5.79mm。彈指受到外力時(shí)可看做懸臂梁的受力分析，為了提高彈指的安全系數(shù)，在不改變其質(zhì)量前提下，對其彈指前方的彎曲角度進(jìn)行調(diào)整，由原來的165°調(diào)整為160°。

表1 滾筒彈指材料屬性

圖10 彈指受力及約束情況

圖11 滾筒彈指受載荷后應(yīng)力圖

圖12 滾筒彈指受載荷后位移圖

5 結(jié)論

辣椒收獲機(jī)復(fù)摘分離裝置的研究，為研發(fā)先進(jìn)適用、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的辣椒收獲機(jī)打下良好的基礎(chǔ)，為我國農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械化的發(fā)展提供了一種研究方法，為農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械化裝備的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。同時(shí)，本研究設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定，采摘效果滿意及適應(yīng)性強(qiáng)的復(fù)摘分離裝置，以實(shí)現(xiàn)辣椒機(jī)械化收獲有著深遠(yuǎn)的意義。

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