雙彈指毛豆采摘裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

涂福泉,李 恒,肖 程,劉謀澤

(武漢科技大學(xué) 冶金裝備與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430081)

0 引言

毛豆因營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、食用方便等特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外農(nóng)副產(chǎn)品中具有廣闊的市場(chǎng)[1],但人工采摘存在效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高和采摘時(shí)效性差等問題,難以滿足人們對(duì)毛豆美食的需求,于是催生一系列毛豆采摘機(jī)器的誕生。美國(guó)的TEN SQUARE INTERNATIONAL INC．(美國(guó)十方國(guó)際公司)生產(chǎn)有OXBO阿克斯波型鮮豆收獲機(jī)和山東等地進(jìn)口的日本勇士牌小型菜用大豆收獲機(jī),都是沿用單個(gè)彈齒滾筒式采摘機(jī)構(gòu),雖然實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化采摘,但存在價(jià)格過高、落莢損失和漏采損失大等問題,無法大面積推廣。國(guó)內(nèi)秦廣明、宋志禹、肖宏儒等人研制出了5TD60型青大豆脫莢機(jī)[2-3],該脫莢裝置主要由兩個(gè)脫莢輥組構(gòu)成,毛豆植株在脫莢過程中經(jīng)過兩次不同方向的柔性脫莢齒擊打,有效解決了脫莢不凈和堵塞等問題;但由于兩脫莢輥在脫莢時(shí)無法保證相同速度,增大了毛豆莢的破損率。分析國(guó)內(nèi)外毛豆采摘機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)發(fā)現(xiàn),毛豆機(jī)械化采摘損失主要由采摘裝置引起的,包括破莢損失、落莢損失及漏采損失。因此,合理改進(jìn)采摘裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù),是降低毛豆采摘損失的重要手段。

本文收集了毛豆植株的株距、行距、株高等數(shù)據(jù),根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出一款雙彈指毛豆采摘裝置,并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì);利用pro/E建立三維模型,在ADAMS中構(gòu)建虛擬樣機(jī)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[4],得出不同彈指末端位移和速度的變化規(guī)律,判斷采摘裝置的可行性。制造樣機(jī),初步試驗(yàn)表明:該采摘裝置具有較高的采摘效率,為大規(guī)模種植毛豆的地區(qū)提供了一種高效的自動(dòng)化采摘裝置。

1 采摘裝置的工作原理

1.1 設(shè)計(jì)原理

針對(duì)毛豆采摘機(jī)在采摘毛豆莢時(shí)易產(chǎn)生破莢損失、落莢損失和漏采損失等問題,研制了一款雙彈指毛豆采摘裝置。該裝置在采摘滾筒上安裝固定彈指和伸縮架,伸縮架上安裝有伸縮彈指,在伸縮架上的固定板兩端設(shè)有滾輪,滾輪安放在偏心輪盤的輪槽中,使得伸縮彈指偏心輪槽的作用下與固定彈指不斷的配合與分開,模仿人工慢速采摘的方式,從而達(dá)到摘莢和卸載豆莢的目的。毛豆采摘原理,如圖1所示。

其優(yōu)點(diǎn)在于摘凈率高、損傷率低、含雜率低和落莢率低。彈指采摘滾筒能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化采摘毛豆,特別是毛豆莢成熟期短,市場(chǎng)需求大,而人工采摘成本高,在毛豆莢大面積成熟時(shí),除彈指采摘滾筒技術(shù)外,尚沒有其它更適合的技術(shù)能大規(guī)模采摘毛豆莢。彈指采摘滾筒是農(nóng)業(yè)收獲領(lǐng)域技術(shù)推廣實(shí)施中出現(xiàn)的新技術(shù),是實(shí)現(xiàn)我國(guó)大面積采摘毛豆的關(guān)鍵技術(shù)。作業(yè)時(shí),采摘裝置掛接在拖拉機(jī)上,利用拖拉機(jī)輸出軸動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)作業(yè)。采摘裝置首次采用雙彈指結(jié)構(gòu),不僅降低了人工成本,提高采摘效率,且通用化程度高,用材及工藝裝備無特殊要求,普通農(nóng)機(jī)使用人員經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn),即可勝任其維護(hù)和維修工作。

1.傳送帶 2.固定彈指 3.伸縮彈指 4.采摘滾筒

1.2 總體設(shè)計(jì)

雙彈指毛豆采摘裝置的結(jié)構(gòu),如圖2所示。

1.支撐軸 2.方孔 3.固定板 4.偏心輪盤 5.傳動(dòng)軸

采摘裝置通過支撐軸連接在拖拉機(jī)最前方,主要由采摘滾筒、伸縮架和偏心輪盤3部分組成。滾筒壁上環(huán)向設(shè)有等間距的方孔、螺紋孔和圓孔;伸縮架上導(dǎo)向桿的一端穿過圓孔,伸縮架上的固定板兩端的滾輪卡在偏心輪盤的輪槽中;偏心輪盤安裝在支撐軸上,工作時(shí)偏心輪盤不隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置動(dòng)力傳動(dòng)由滾筒一端的傳動(dòng)軸接入,滾筒和其兩端的傳動(dòng)軸焊接在一起作為一個(gè)整體。作業(yè)時(shí),傳動(dòng)軸和滾筒作為整體一起轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)滾筒帶動(dòng)固定彈指和伸縮架轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)其中的任何一排伸縮架而言,當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到中心軸正前方時(shí),伸縮彈指隨著伸縮架從滾筒的方孔中伸出,且伸出的長(zhǎng)度最長(zhǎng),與固定彈指配合仿形手指對(duì)毛豆莢進(jìn)行夾取摘莢;當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到滾筒后方時(shí),伸縮架在彈簧的作用下從方孔縮回,即彈指開始分開,此時(shí)毛豆莢失去彈指的托力而掉落到后方傳送帶上,達(dá)到卸載毛豆莢的目的。本裝置采用的是雙彈指結(jié)構(gòu),利用兩彈指的相對(duì)運(yùn)動(dòng)去實(shí)現(xiàn)摘莢和卸莢功能。

其主要技術(shù)參數(shù)如下:

外形尺寸/mm: 1 500×900×900

采摘寬度/mm: 1 000

采摘行距/mm: 20(可調(diào))

采摘彈指間距/mm: 10～20(可調(diào))

采摘高度/mm: 650～750

機(jī)器速度/km·h-1: 1～3

滾筒轉(zhuǎn)速/r·min-1: 60

配套動(dòng)力/kW·h-1: 40kW以上的拖拉機(jī)

采摘形式: 雙彈指采摘滾筒式

2 采摘裝置的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 采摘滾筒

1) 滾筒直徑。根據(jù)實(shí)地考察收集的數(shù)據(jù)及查閱大量文獻(xiàn)[5]可知:毛豆植株高度h平均值為730mm,底莢高度f平均值為74mm,結(jié)莢高度C取平均值為550mm。為使彈指能將整顆植株上的毛豆莢納入梳脫范圍內(nèi),采摘滾筒直徑必須滿足式(1)、式(2),即

(1)

(2)

式中L—固定彈指的長(zhǎng)度;

H—支撐軸離地高度;

D—采摘滾筒直徑;

從式(1)、式(2)中可以看出:D增大,彈指離地位置越高,有利于擴(kuò)大彈指的梳脫范圍;但D過大會(huì)使彈指末端與田地里的泥土和碎石碰撞,降低彈指的使用壽命。

2) 彈指排數(shù)。由于毛豆莢生長(zhǎng)特點(diǎn)呈集聚性,其豆莢寬度w為12mm,需要彈指梳脫n次才能完全采摘下來,查資料[6]可得1≤n≤4。因此,當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為ω,采摘一棵毛豆莢所用時(shí)間t內(nèi),拖拉機(jī)水平位移為w=0.12mm,時(shí)間為

t=w/v

(3)

滾筒轉(zhuǎn)過的角度為

θ=ωt

(4)

滾筒上彈指的排數(shù)為

N=n·2π/θ

(5)

故所設(shè)計(jì)的彈指排數(shù)N應(yīng)滿足式(7)

N=n·2πv/wω

(6)

3) 彈指間距。采摘滾筒上開設(shè)有螺紋孔、方孔和圓孔,固定彈指通過螺紋孔與滾筒連接,方孔是伸縮彈指的通道,而圓孔則是導(dǎo)向桿的安裝工位;螺紋孔、方孔和圓孔在滾筒同一角度,可以保證伸縮彈指與固定彈指在作業(yè)時(shí)處于同一平面內(nèi)。其中,螺紋孔和方孔等距交錯(cuò)排列,可以保證在摘莢和卸莢階段彈指間距不同,避免堵塞。由于彈指間距是影響植株摘凈率的重要因素,而間距參數(shù)取決于毛豆莢的大小,測(cè)量得豆莢長(zhǎng)度L=50mm,寬度w為11～16mm,厚度T為7.7～11mm。為了避免彈指間距過小彈指易摘下癟莢,彈指間距過大造成漏采和落莢,降低采摘效率,故設(shè)固定彈指和伸縮彈指間距為20mm,保證不同彈指在摘莢階段間距為10mm,在卸莢階段間距為20mm,提高了摘凈率,降低了落莢率。滾筒上螺紋孔和方孔的排布方位如圖3所示。

圖3 不同彈指排布方位圖

2.2 伸縮架

伸縮架包括固定板、伸縮彈指和導(dǎo)向桿,如圖4所示。

1.滾輪 2.導(dǎo)向桿 3.固定板 4.伸縮彈指

固定板兩端設(shè)有滾輪,保證伸縮彈指按偏心輪盤的輪槽運(yùn)動(dòng),固定板上表面設(shè)有等間距排列的螺紋孔,其間距與方孔間距一樣,是伸縮彈指的安裝工位,兩端各設(shè)有一個(gè)螺紋孔是導(dǎo)向桿的安裝工位,螺紋孔保證彈指和導(dǎo)向桿在折斷損壞后便于拆卸與安裝。

伸縮彈指和固定彈指是模擬人手指采摘,故將彈指設(shè)計(jì)為形狀相同、長(zhǎng)度不同的樣式。以伸縮彈指為例,彈指材料采用φ6mm的鋼筋,彈指首端均設(shè)有螺紋,彈指末端彎曲一定弧度,這樣可以抵消彈指旋轉(zhuǎn)采摘時(shí)對(duì)毛豆莢的離心力,減少采摘時(shí)的破莢損失。式(7)為彈指彎曲弧度采用的公式,即

l=l0+σcosα

(7)

式中l(wèi)—伸縮彈指上的任一點(diǎn)M的旋轉(zhuǎn)半徑(極徑);

l0—伸縮彈指彎曲前半徑;

σ—伸縮彈指彎曲長(zhǎng)度;

α—伸縮彈指彎曲角度(極角)。

作業(yè)時(shí),伸縮彈指伸出的長(zhǎng)度對(duì)摘莢與卸莢起到關(guān)鍵作用。其伸出的長(zhǎng)度滿足式(8),記伸縮彈指末端處于水平最右邊時(shí)為0時(shí)刻,則伸縮彈指的伸出長(zhǎng)度S隨時(shí)間t變化的關(guān)系為

(8)

式中t—采摘滾筒轉(zhuǎn)過的時(shí)間;

l—伸縮彈指長(zhǎng);

e—偏心輪的偏心距;

ω—滾筒的轉(zhuǎn)速。

2.3 其他

本裝置采用的是雙彈指結(jié)構(gòu),把彈指分別安裝到采摘滾筒和伸縮架上,利用偏心輪槽使得伸縮彈指與滾筒做相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而配合固定彈指,模仿人工慢速采摘的方式,達(dá)到無損傷毛豆莢的目的。采用雙彈指結(jié)構(gòu)的采摘裝置不僅提高了摘凈率,降低了破損率,而且隨著兩彈指不斷地配合與分開,減少了田地內(nèi)的纏繞物,降低了含雜率及后續(xù)豆葉分離的難度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),為了防止彈指末端與田地里的泥土和碎石碰撞,一般安裝時(shí)支撐軸應(yīng)安裝在距地面500mm左右的高度[7]。

3 仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 構(gòu)建虛擬樣機(jī)

為了驗(yàn)證該裝置的采摘效果,應(yīng)用ADAMS軟件構(gòu)建虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬。將三維模型導(dǎo)入ADAMS仿真分析軟件中,首先定義各部件的運(yùn)動(dòng)副,隨后在采摘裝置的傳動(dòng)軸中心添加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和平移驅(qū)動(dòng)來模擬彈指在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還向前平移的工作狀態(tài)。

3.2 仿真結(jié)果分析

選取固定彈指和伸縮彈指末端上一點(diǎn)建立MARKER.24和MARKER.25,并設(shè)置了軌跡跟蹤;設(shè)置平移驅(qū)動(dòng)的速度為1m/s,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速為60r/min,方向?yàn)槟鏁r(shí)針;設(shè)置仿真時(shí)間2s、步數(shù)200進(jìn)行仿真。仿真后得到彈指末端的位移曲線如圖5所示,速度曲線如圖6所示。

圖5 不同彈指末端位移軌跡圖

由圖5中可以看出:兩彈指曲線有一段近似重合,表示采摘裝置正處于摘莢階段,保證了兩彈指在采摘時(shí)其位移差小于豆莢寬度,此段高度為570mm,略大于結(jié)莢高度,保證裝置不至于漏采;兩彈指曲線還有一段位移差遠(yuǎn)大于豆莢寬度,為卸莢階段,方便彈指將毛豆莢撥送到后方傳送帶上。分析彈指位移曲線可知,彈指的運(yùn)動(dòng)軌跡符合采摘農(nóng)藝要求。

圖6 不同彈指速度曲線圖

由圖6中可以看出:裝置的采摘周期為1s,卸莢階段為0～0.5s。此階段兩彈指速度增大且相差越來越大, 因?yàn)樗俣炔煌瑫r(shí),兩彈指末端位移變大,此時(shí)摘取下的毛豆莢從固定彈指的間隙掉落到后方傳送帶上,不至于卡在兩彈指中間,造成落莢損失。摘莢階段為0.5～1s,在0.5～0.63s過程中,兩彈指速度轉(zhuǎn)而向下,伸縮彈指從滾筒內(nèi)伸出;在0.63～0.78s的過程中,兩彈指以相同速度開始摘莢,因?yàn)橐酝購(gòu)牟煌较蚴崦撁骨v時(shí),能減少?gòu)椫笇?duì)毛豆莢的摩擦力、降低毛豆莢的損傷率,避免造成破莢損失;在0.78～1s過程中,此時(shí)活動(dòng)彈指縮回滾筒內(nèi),減少雜物隨毛豆莢進(jìn)入后方傳送。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中,彈指的運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合使用要求。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)基本條件

在仙桃市張溝鎮(zhèn)肖腦村的毛豆田地進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)品種為“綠寶石”,5月下旬至6月上旬播種。成熟后毛豆植株的株高為700mm,結(jié)莢高度為550mm,行距為330mm,單株平均結(jié)莢約18莢,底莢高度為150mm左右,單株豆莢產(chǎn)量約50g。本裝置作業(yè)幅寬為1 000mm,可一次收獲3株毛豆莢。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明:本裝置試驗(yàn)采摘的毛豆植株共6 000株,植株摘凈率≥98%,豆莢落莢率≤1%,豆莢破損率≤0.6%,豆莢含雜率≤1%,采摘效率優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其原因是采用雙彈指采摘結(jié)構(gòu),可改變彈指間距,提高摘凈率,降低落莢率;對(duì)彈指末端進(jìn)行折彎設(shè)計(jì),降低了破損率,利用伸縮彈指的伸縮運(yùn)動(dòng),降低了含雜率。分析結(jié)果表明:其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求[8]。

5 結(jié)論

1)提出了采用雙彈指采摘結(jié)構(gòu),使得摘莢與卸莢時(shí)彈指間距可變。對(duì)采摘裝置中影響采摘因素的關(guān)鍵部件進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì),并利用Creo2.0軟件對(duì)采摘裝置進(jìn)行三維建模。

2)將三維模型導(dǎo)入Adams中構(gòu)建虛擬樣機(jī),運(yùn)用Adams軟件模擬仿真采摘工況,分析各關(guān)鍵部件對(duì)采摘效率的影響。仿真結(jié)果表明:彈指的位移和速度滿足采摘毛豆的作業(yè)要求。

3) 根據(jù)仿真結(jié)果制成試驗(yàn)裝置,進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:摘凈率高和落莢率低使得毛豆產(chǎn)量增加,破損率和含雜率低大大減少了后續(xù)篩分時(shí)間;但試驗(yàn)過程中滾輪與偏心輪盤的摩擦力過大,需要進(jìn)一步優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu),減小滾輪與偏心輪輪槽間的摩擦力。