蒲草收割船割臺(tái)的設(shè)計(jì)

王　永，王澤河，馬勝濤，王　偉，袁永偉

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定　071001；2.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊　050000 )

0　引言

蒲草別名蒲菜、蒲草，又稱水燭，屬于香蒲科水生或沼生多年草本植物，植株高多數(shù)在1.4～2.0m范圍內(nèi)，根狀長(zhǎng)而橫生，節(jié)部生須根，老根黃褐色；基部呈長(zhǎng)鞘抱莖，莖圓柱形，直立，質(zhì)硬而中實(shí)；葉扁平帶狀，光滑無毛[1]。蒲菜地下匍匐莖尖尖端的幼嫩部分和假莖部分可以食用，美味可口；成熟的短縮莖、匍匐莖還可以食用或當(dāng)作飼料；雄花花粉又稱“蒲黃”，有滋補(bǔ)和藥用的功效，蒲草也是人造棉和造紙的主要原料，更能夠用于加工坐墊、蒲席等常用的生活用品[2]。

盡管蒲草的利用價(jià)值很大，但蒲草機(jī)械化收割技術(shù)還不成熟，人工收割效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大；使用現(xiàn)有的水草類收割船收割的蒲草凌亂，雖然勞動(dòng)強(qiáng)度明顯減小，但嚴(yán)重?fù)p壞了蒲草各個(gè)部位，收割效果差，不利于后續(xù)蒲草編織等方面應(yīng)用，同時(shí)收割效率也難以保證。為了提高蒲草收割效率和實(shí)現(xiàn)整齊化收割，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于蒲草的收割船。

1　總體設(shè)計(jì)

蒲草收割船主要由平行四桿機(jī)構(gòu)、割臺(tái)、分禾機(jī)構(gòu)、扶禾機(jī)構(gòu)、割刀、液壓控制系統(tǒng)、縱向輸送機(jī)構(gòu)、橫向輸送機(jī)構(gòu)、明輪及船體等組成[3-7]，如圖1所示。

其中，平行四桿機(jī)構(gòu)由兩組四桿組成，中間連接有液壓缸，右端與船體固定，左端與割臺(tái)連接，通過調(diào)節(jié)四桿機(jī)構(gòu)中的液壓缸，水平提升割臺(tái)。

當(dāng)蒲草收割船整體向前行駛時(shí)，調(diào)節(jié)平行四桿機(jī)構(gòu)中的液壓缸，割臺(tái)平動(dòng)，整體水平升降，割臺(tái)前端的分禾機(jī)構(gòu)將蒲草化分為待割區(qū)和切割區(qū)；切割區(qū)的蒲草由扶禾機(jī)構(gòu)進(jìn)行扶直，并把蒲草撥向割刀，通過調(diào)節(jié)割刀上端的液壓缸確定割刀上下位置；被割刀切割后的蒲草在扶禾機(jī)構(gòu)的作用下輸送到擋板處，擋板旁邊的橫向輸送機(jī)構(gòu)將蒲草輸送到右側(cè)；考慮到橫向與縱向機(jī)構(gòu)有一過渡過程，在橫向輸送機(jī)構(gòu)的右端增加一旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)盤，撥動(dòng)盤將蒲草橫向平鋪在縱向輸送結(jié)構(gòu)上，通過縱向輸送機(jī)構(gòu)的作用下傳送到船上，完成蒲草的切割和整齊鋪放。

蒲草收割船是在以割臺(tái)[8]為關(guān)鍵部件，集切割、輸送為一體的設(shè)備。針對(duì)白洋淀蒲草生長(zhǎng)水域及特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定主要技術(shù)參數(shù)如下：

外形尺寸/mm：4 000×2 500×6 000

配用動(dòng)力/kW：30

工作速度/km·h-1：3.2～5.1

生產(chǎn)/hm2·h-1：1.6～2.1

驅(qū)動(dòng)方式：明輪

2　割臺(tái)結(jié)構(gòu)及分析

2.1　割臺(tái)的設(shè)計(jì)

割臺(tái)是蒲草收割船的關(guān)鍵部件，是實(shí)現(xiàn)蒲草整齊、高效作業(yè)的保障。其主要由分禾機(jī)構(gòu)、扶禾機(jī)構(gòu)、橫向輸送機(jī)構(gòu)、割刀[9]及液壓缸等組成，如圖2所示。割臺(tái)通過平行四桿連接點(diǎn)與外部的平行四桿機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)整體水平平動(dòng)，割刀通過割刀架上的液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)左右往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)；通過割刀架上的液壓缸實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，割刀架上的滑槽沿著割臺(tái)上的固定套筒滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下位移，實(shí)現(xiàn)割深的微調(diào)。扶禾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為縱向向上傾斜，右側(cè)通過液壓缸控制，當(dāng)割刀部分整體向下移動(dòng)時(shí)，能夠切割更深的蒲草莖稈；此時(shí)，為了能夠更好地扶禾，扶禾機(jī)構(gòu)在液壓缸的作用下向上調(diào)整，被切割的蒲草在扶禾機(jī)構(gòu)上的扶禾鏈、撥盤的作用下運(yùn)輸?shù)綋醢逄帲瑱M向輸送機(jī)構(gòu)再把已經(jīng)切割的蒲草平鋪輸送到縱向輸送帶上，縱向輸送帶把蒲草輸送到船上。

1.船體　2.明輪　3.控制室　4.液壓馬達(dá)　5.橫向輸送機(jī)構(gòu)　6.液壓缸 7.縱向輸送機(jī)構(gòu)　8.防落板　9.分禾機(jī)構(gòu)　10.扶禾機(jī)構(gòu)　11.割刀　12.平行四桿機(jī)構(gòu)

1.平行四桿連接點(diǎn)2、3、12.液壓缸4、14.液壓馬達(dá) 5.撥鏈　6.橫向輸送機(jī)構(gòu)　7.擋板　8.撥盤　9.扶禾機(jī)構(gòu) 10.扶禾鏈　11.分禾機(jī)構(gòu)　13.扶禾架　15.割刀　16.割刀架

2.2 　橫向輸送機(jī)構(gòu)

橫向輸送機(jī)構(gòu)是扶禾機(jī)構(gòu)與縱向輸送機(jī)構(gòu)之間的過渡環(huán)節(jié)。蒲草通過扶禾機(jī)構(gòu)的扶持作用輸送到扶禾架后端的橫向輸送機(jī)構(gòu)處，經(jīng)過橫向輸送機(jī)構(gòu)傳送到船體右側(cè)的縱向傳送帶上。橫向輸送機(jī)構(gòu)主要由液壓馬達(dá)、撥鏈、撥鏈架及撥盤組成等組成，如圖3所示。為了避免蒲草在橫向傳送過程中出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，采用兩層輸送，撥鏈架固定在扶禾架上，撥盤是為了更好地把蒲草撥到縱向傳送帶上。

1.液壓馬達(dá)　2.撥鏈盤　3.撥鏈　4.撥盤

2.3　切割機(jī)構(gòu)

切割機(jī)構(gòu)主要由滑塊、液壓缸、傳動(dòng)桿、液壓馬達(dá)及割刀架等組成，如圖4所示。其中，切割機(jī)構(gòu)整體通過上端的液壓缸伸縮實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同深度的蒲草收割；滑塊在外部平行四桿機(jī)構(gòu)活動(dòng)架滑槽內(nèi)上下滑動(dòng)；液壓馬達(dá)通過曲柄滑塊原理帶動(dòng)割刀部分左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，割刀片切割蒲草。

1.滑塊　2.液壓缸　3.傳動(dòng)桿　4.液壓馬達(dá)　5.割刀片　6.割刀架

2.4　平行四桿機(jī)構(gòu)

割臺(tái)的水平平動(dòng)通過平行四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，始終保持割刀與蒲草莖稈垂直、切割面積最小、切割效率最高。平行四桿機(jī)構(gòu)主要由液壓缸，固定架及活動(dòng)架等組成，如圖5所示。調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮，從而實(shí)現(xiàn)活動(dòng)架豎直平動(dòng)。

1.船板　2.液壓缸　3.固定架　4.支撐桿 5.活動(dòng)架　6、7.液壓缸一端　8.滑槽

2.5　割臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析

收割船向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，分禾機(jī)構(gòu)對(duì)蒲草進(jìn)行扶禾作業(yè)。首先，進(jìn)行分禾的是在扶禾機(jī)構(gòu)支撐板外的最低點(diǎn)A；然后，經(jīng)過直線運(yùn)動(dòng)，完成經(jīng)過A-B-C-D的扶禾，如圖6所示。

圖6中：A為開始扶禾作業(yè)的最低點(diǎn)；B為開始直線扶禾的最低點(diǎn)；C為結(jié)束直線扶禾的點(diǎn)；D為扶禾結(jié)束的最高點(diǎn)；α為圓弧扶禾段的夾角；V1為收割船前進(jìn)速度；V2扶禾鏈的線性速度；L3為割刀從開始扶禾到切割時(shí)的前進(jìn)距離；L4為扶禾鏈兩驅(qū)動(dòng)盤中心距；L5為開始扶禾到結(jié)束扶禾的傾斜方向距離；θ為扶禾傾斜面與兩驅(qū)動(dòng)盤中心連線的夾角，β為兩驅(qū)動(dòng)盤中心線與水平面的夾角。

圖6　扶禾機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化分析圖

扶禾以后的蒲草被后置的割刀切割完成，最后由傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)行輸送到收割船上。為了完成最大扶禾，當(dāng)一個(gè)扶禾齒從最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，割刀正好完成最高點(diǎn)扶禾的蒲草切割。由圖6可得

(1)

化簡(jiǎn)得

(2)

由式(2)可知：收割船的前進(jìn)速度與扶禾速度成正比。其中，比例系數(shù)K1反映了扶禾質(zhì)量。K1過小，扶禾鏈速度小引起扶禾工作段變小，蒲草穩(wěn)定性變差，切割效果差；K1過大，扶禾鏈速度大引起割刀還未來得及切割已被完成扶禾，導(dǎo)致蒲草凌亂，后續(xù)割刀工作效果極差，應(yīng)避免發(fā)生。

本收割船的各項(xiàng)作業(yè)主要依靠液壓缸來完成。為了達(dá)到理想的收割效果，液壓缸的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)是一個(gè)難題，因此液壓缸的伸縮量進(jìn)行計(jì)算分析很有必要。如圖6所示，當(dāng)割刀下降到一定距離切割更深的蒲草時(shí)，扶禾架整體下降，為使扶禾蒲草高度不變，需要對(duì)液壓缸3進(jìn)行調(diào)節(jié)。由圖6可知

(3)

L5sin(θ+β)=H

(4)

由式(3)、式(4)求導(dǎo)得

-2X3dX3=-2L4L5sinθdθ

L5cos(θ+β)dX3=dH

兩式相除化簡(jiǎn)得

(5)

3　收割試驗(yàn)與結(jié)果

3.1　試驗(yàn)基本條件

收割性能試驗(yàn)在河北省中部的保定市安新縣白洋淀進(jìn)行。試驗(yàn)地屬于由海而湖，由湖而陸的反復(fù)演變而形成的湖泊，為沖積平原洼地。年平均降水量5522.7mm，平均氣溫12.1℃，日照2638.3h，無霜期203天。試驗(yàn)地塊蒲草成熟后，蒲草收割船割臺(tái)收割作業(yè)。

試驗(yàn)用蒲草為晚秋季節(jié)池沼域蒲草，莖出水面直立，高可達(dá)2.5m；葉二列式互生，長(zhǎng)0.8～1.3m，寬4～10mm；花黃似蠟燭狀，高達(dá)2.5m，苞葉2～8片，早落。

3.2　試驗(yàn)結(jié)果

本收割船實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2　收割船試驗(yàn)性能結(jié)果

3.2.1扶禾高度及收割數(shù)

在白洋淀湖泊蒲草凌亂直立的情況下，收割質(zhì)量完全滿足后期蒲草功能的農(nóng)藝要求。表2中，平均扶禾高度為80cm，合格率為87%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.91，變異系數(shù)為20.3。本收割船在收割過程中由于船體水中作業(yè)，導(dǎo)致播種變異系數(shù)偏大。

3.2.2蒲草切割截面

由表2可知：蒲草切割截面夾角平均為9°，合格率為95%，這種情況下更有利于蒲草切割機(jī)構(gòu)的收割作業(yè)，保證了切割質(zhì)量。測(cè)量結(jié)果表明：截面夾角不是水平面。其原因是先扶禾后切割產(chǎn)生了距離差。

3.2.3割臺(tái)可行性

本試驗(yàn)在蒲草收割船工作速度4km/h的條件下測(cè)試兩行，每次測(cè)試割幅為120cm,收割效率明顯高于人工收割，可行性高。

4　結(jié)論

1)蒲草收割船通過平行四桿機(jī)構(gòu)使得割臺(tái)保持水平工作狀態(tài)，割刀垂直切割蒲草，提高了切割質(zhì)量和切割效率。

2)分禾機(jī)構(gòu)和橫向輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得蒲草切割整齊，鋪放整齊，減少大量繁瑣勞動(dòng)。

3)液壓缸的伸縮量與割刀升降的計(jì)算，對(duì)智能化控制來實(shí)現(xiàn)收割滿足農(nóng)藝要求研究具有重要意義。收割船扶禾機(jī)構(gòu)，割刀等都有液壓缸，更好地增加了不同水域的適應(yīng)性。

4)蒲草收割船割臺(tái)工作效率高，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化生產(chǎn)；但試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：割臺(tái)穩(wěn)定性差，扶禾高度，切割效果還不能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)想的效果， 需要進(jìn)一步優(yōu)化割臺(tái)機(jī)構(gòu)，保持各構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。