滑切去頂式甜菜打纓機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李少川,胡周勛,王琳琳,岳仁才,祝 珊,李學(xué)強(qiáng),王相友

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東 淄博 255000;2.山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司,山東 德州 253600)

0 引言

甜菜在我國(guó)是僅次于甘蔗的第二大制糖原料,具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,但目前甜菜的機(jī)械化水平在我國(guó)相對(duì)落后,無(wú)法滿足市場(chǎng)對(duì)于甜菜的大量需求。甜菜在我國(guó)一般采用分段式的收獲方式,包括切頂去葉、挖掘收獲及篩選集箱,而切頂去葉階段是整個(gè)收獲過(guò)程的重要組成部分,影響后續(xù)的收獲過(guò)程和質(zhì)量,但現(xiàn)在仍采用傳統(tǒng)的人工去頂,勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,不能保證良好的作業(yè)效果[1-5]。

國(guó)外由于機(jī)械化程度較高、技術(shù)先進(jìn),在甜菜機(jī)械方面研究起步較早,各方面已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒臁＠?德國(guó)格力莫公司的FT-300前置打葉機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)甜菜的精確切頂,保證了甜菜的收獲質(zhì)量。由于國(guó)外以大田作業(yè)為主,多數(shù)采用聯(lián)合收獲的方式,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制。國(guó)內(nèi)機(jī)械化水平較低,制約了甜菜機(jī)械全程化的發(fā)展,一些專家學(xué)者經(jīng)過(guò)不斷地努力,取得了一定成效。王合等為了提高甜菜的收獲水平,研制的4Q-2型甜菜切頂去葉機(jī),在一定程度上提高了工作效率[6]。福海縣推廣使用的4TG-2型甜菜割葉機(jī),工作部件為單獨(dú)仿形,能夠適應(yīng)多種地塊,且割葉、切頂一次性完成,提高了工作效率[7]。何磊等設(shè)計(jì)了一種集仿形、切頂及切纓為一體的甜菜切頂機(jī),經(jīng)過(guò)田間試驗(yàn)確定最優(yōu)參數(shù)組合,大大提高切頂合格率[8],但在甜菜分段收獲過(guò)程中仍存在著切頂作業(yè)切削損失大、效率低及效果不理想等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種新型的甜菜打纓機(jī),對(duì)其整體進(jìn)行優(yōu)化,使其結(jié)構(gòu)緊湊合理。通過(guò)對(duì)打秧刀的設(shè)計(jì),使打秧質(zhì)量提升;采用平行四桿仿形機(jī)構(gòu)增強(qiáng)切頂能力的同時(shí),使切頂效果更佳,且打秧和仿形切的工作性能及適應(yīng)性方面有較大提高。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)以及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

甜菜打纓機(jī)整機(jī)由機(jī)架總成、護(hù)罩、牽引裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、刀軸總成、地輪總成,以及切頂機(jī)構(gòu)總成等組成,如圖1所示。

工作原理:該甜菜打纓機(jī)采用牽引式的方式與拖拉機(jī)相連,能夠適應(yīng)較復(fù)雜環(huán)境。工作時(shí),動(dòng)力由拖拉機(jī)通過(guò)萬(wàn)向節(jié)式傳動(dòng)軸輸送到該打纓機(jī)變速箱,動(dòng)力經(jīng)變速箱輸出軸傳遞到皮帶,由皮帶驅(qū)動(dòng)刀軸總成旋轉(zhuǎn),為了獲得更好的動(dòng)力傳輸效果,采用兩側(cè)傳動(dòng)的方式。機(jī)具在前進(jìn)過(guò)程中:第1組鋼制刀軸打碎甜菜葉片,在離心力作用下將其拋灑至地面;第2組和第3組橡膠刀,負(fù)責(zé)清除頂端剩余甜菜葉;3組打秧刀工作時(shí),旋轉(zhuǎn)方向兩兩相反,保證清除各個(gè)角度的剩余甜菜葉片。機(jī)具末端裝有切頂?shù)毒哂脕?lái)完成甜菜的切頂作業(yè),通過(guò)液壓提升機(jī)構(gòu)減少損耗和損傷,通過(guò)調(diào)節(jié)切頂?shù)兜母叨燃翱刂婆せ膳ちΦ拇笮≌{(diào)節(jié)平行四桿仿形機(jī)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)精確切頂,各部分互相配合完成打纓切頂作業(yè)。

1.液壓系統(tǒng) 2.機(jī)架系統(tǒng) 3.牽引裝置 4.傳統(tǒng)系統(tǒng) 5.護(hù)罩

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)具采用牽引式與拖拉機(jī)掛接,整機(jī)距地面高度及工作時(shí)的行距可以根據(jù)甜菜的生長(zhǎng)高度和種植行距進(jìn)行調(diào)節(jié),使甜菜切頂打秧作業(yè)的質(zhì)量提高,且使整機(jī)具有很高的適用性。其具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

續(xù)表1

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和分析

2.1 傳動(dòng)裝置

甜菜打纓機(jī)在田間進(jìn)行打秧作業(yè)時(shí),為了保證3組打秧刀軸運(yùn)行的平穩(wěn)性及使橡膠刀軸的旋轉(zhuǎn)方向相反,采用變速箱向兩端輸出軸輸出相反方向動(dòng)力。其動(dòng)力傳動(dòng)路線:拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸→變速箱→動(dòng)力輸出軸→帶輪→刀軸。

工作過(guò)程中,由于地勢(shì)不平,打秧刀容易和土塊發(fā)生碰撞,極易產(chǎn)生不均勻的載荷沖擊。因此,為了保證平穩(wěn)傳動(dòng)及緩沖載荷沖擊采用帶傳動(dòng)的方式,即使出現(xiàn)過(guò)載,帶傳動(dòng)也能發(fā)生打滑避免機(jī)具其他部位產(chǎn)生損壞,其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1.輸入軸 2.齒輪箱 3.甩刀 4.橡膠刀 5.機(jī)殼

傳動(dòng)比分配[9]。已知拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n1=540r/min,則有

i=n1/n2

(1)

式中i—理論傳動(dòng)比;

n1—拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速(r/min);

n2—刀軸最小工作轉(zhuǎn)速(r/min)。

變速箱中傳動(dòng)方式為單級(jí)圓錐齒輪,兩側(cè)的傳動(dòng)方式為帶傳動(dòng),其傳動(dòng)比為

i1=z1/z2

(2)

i2=d1/d2

(3)

it=i1·i2

(4)

式中i1—I級(jí)傳動(dòng)比;

i2—帶輪傳動(dòng)比;

it—實(shí)際傳動(dòng)比;

z1—從動(dòng)圓錐齒輪齒數(shù);

z2—主動(dòng)圓錐齒輪齒數(shù);

d1—主動(dòng)軸帶輪節(jié)圓直徑(mm);

d2—從動(dòng)刀軸帶輪節(jié)圓直徑(mm)。

作業(yè)過(guò)程中,橡膠刀軸的轉(zhuǎn)速小于鋼刀刀軸的轉(zhuǎn)速,經(jīng)過(guò)理論分析,其傳動(dòng)比小于鋼刀刀軸的傳動(dòng)比。因此,在實(shí)際分析中只考慮鋼刀刀軸的傳動(dòng)比與理論傳動(dòng)比。經(jīng)過(guò)實(shí)際計(jì)算,即甜菜打纓機(jī)的實(shí)際傳動(dòng)比小于理論傳動(dòng)比,滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 打秧刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減小甜菜打纓機(jī)在打秧過(guò)程中對(duì)甜菜的損傷率,需要根據(jù)甜菜的種植和生長(zhǎng)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

甜菜可能會(huì)出現(xiàn)高度不同的植株,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法會(huì)使刀軸遇到的阻力較大,因此將甜菜打秧刀在刀軸上的排布設(shè)計(jì)為螺旋排布,可以減小打秧時(shí)的旋轉(zhuǎn)阻力。為了提高效率且達(dá)到更好的打秧效果,設(shè)計(jì)了3組刀軸,第1組安裝鋼制刀片,將鋼制打秧刀以螺旋線的方式分布在刀軸上,能夠?qū)⑻鸩搜泶蛩?并在離心力的作用下拋灑至地面,如圖3所示。

1.刀軸 2.鋼制打秧刀

第2組和第3組分別安裝橡膠刀片,并使旋轉(zhuǎn)方向相反,可使甜菜頂部剩余葉片徹底清除。每個(gè)刀軸安裝6組橡膠刀片,且可以根據(jù)甜菜種植行距的不同進(jìn)行調(diào)節(jié),使每組橡膠刀都能安裝在需要打秧甜菜的頂部,增強(qiáng)了甜菜打纓機(jī)的適應(yīng)性,其整體如圖4所示。

打秧刀是甜菜打纓機(jī)最關(guān)鍵的部件,設(shè)計(jì)的合理性會(huì)影響整機(jī)作業(yè)效率和打秧質(zhì)量。因此,鋼制刀片采用甩刀的設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)如圖5所示。甩刀采用鉸接的方式與銷(xiāo)軸連接,保證刀軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)刀片可以自由甩動(dòng);內(nèi)置有耐磨套,增強(qiáng)甩動(dòng)過(guò)程中的抗磨損性能。將打秧刀的工作面設(shè)計(jì)為圓弧面,既提高了刀片的砍切性能,又利于泥土和秧草碎葉的拋落,使打秧效果更佳。

1.橡膠刀軸 2.橡膠刀

圖5 鋼制打秧刀結(jié)構(gòu)

每一組橡膠刀軸共有36個(gè)橡膠刀,每6個(gè)橡膠刀軸采用鉸接的方式與長(zhǎng)銷(xiāo)軸相連,內(nèi)置橡膠套,對(duì)橡膠刀起一定的保護(hù)作用。6個(gè)長(zhǎng)銷(xiāo)軸兩端通過(guò)刀盤(pán)固定套并用彈性圓柱銷(xiāo)固定在刀盤(pán)上,兩個(gè)半圓形刀盤(pán)通過(guò)螺栓固定于橡膠刀軸上,如圖6所示。橡膠刀的長(zhǎng)度與鋼刀相比較長(zhǎng),既防止鋼刀損傷甜菜塊莖,又保證能夠把剩余甜菜秧清除干凈,使其不影響后續(xù)的切頂過(guò)程。

2.3 切頂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于甜菜在收獲之前需要將甜菜葉和青頂去除,且切除質(zhì)量會(huì)直接影響甜菜的收獲產(chǎn)量,在整機(jī)的后部安裝仿形切頂?shù)稒C(jī)構(gòu)。6組仿形切頂?shù)稒C(jī)構(gòu)通過(guò)固定螺栓安裝在一垂直于前進(jìn)方向的矩形架橫梁上,可以根據(jù)甜菜的種植行距調(diào)節(jié)切頂?shù)稒C(jī)構(gòu)的安裝距離,增強(qiáng)了甜菜打纓機(jī)的適應(yīng)能力。整個(gè)機(jī)構(gòu)的升降可以由液壓油缸進(jìn)行控制,使其具有工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化及操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。切頂裝置主要由矩形架、平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、仿形梳、扭簧及液壓油缸組成,如圖7所示。

圖6 橡膠刀結(jié)構(gòu)

1.矩形架 2.左側(cè)切頂機(jī)構(gòu) 3.右側(cè)切頂機(jī)構(gòu)

一般情況下,切頂?shù)稒C(jī)構(gòu)采用仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),傳統(tǒng)的仿形分劃掌式和圓盤(pán)式,但都具有自身的缺點(diǎn),如圓盤(pán)式仿形機(jī)構(gòu)高度固定,在工作過(guò)程中不能根據(jù)甜菜的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以,設(shè)計(jì)了一款平行四桿機(jī)構(gòu),能夠保證該機(jī)構(gòu)在切割過(guò)程中一直處于水平狀態(tài)從而獲得更好的切頂效果。切頂高度可以通過(guò)改變扭簧與仿形梳的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)節(jié),而仿形梳的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)精確切頂,使切頂質(zhì)量大大提高。平行四桿仿形機(jī)構(gòu)主要由連接板、仿形彎板、仿形平板、導(dǎo)向滑板及切頂?shù)督M成,如圖8所示。

1.連接板 2.仿形彎板 3.仿形平板 4.導(dǎo)向滑板 5.切頂?shù)?/p>

為了使切頂?shù)对谇许斶^(guò)程中有較小的阻力,采取滑切的方式,在減少阻力的情況下,還能夠降低甜菜塊根的損傷率及損失率。對(duì)于安裝好的切頂?shù)哆M(jìn)行受力分析,如圖9所示。

圖9 切頂?shù)妒芰Ψ治龊?jiǎn)圖

圖9中,∠B為切頂?shù)杜c前進(jìn)方向的夾角,且∠A與∠B互余,由力的平衡條件得

f=T·sinB

(5)

式中f—甜菜塊根切削阻力;

T—切削牽引力;

B—切頂?shù)杜c前進(jìn)方向的夾角。

其中,夾角B的大小與切頂仿形機(jī)構(gòu)的仿形性能、切削質(zhì)量的穩(wěn)定性有關(guān),B值大,有利于保證切削質(zhì)量穩(wěn)定;但隨著B(niǎo)值的增大,切刀的滑切作用降低,切削阻力變大[10]。因此,需要合理設(shè)計(jì)夾角B,參考相關(guān)文獻(xiàn)知,B=45°～55°,切削效果較好,所以B=50°。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

在甜菜收獲前,選用配套動(dòng)力為90kW的拖拉機(jī),作業(yè)速度為8km/h,鋼制打秧刀刀軸的轉(zhuǎn)速為1 000r/min,進(jìn)行多行甜菜打秧試驗(yàn)。在進(jìn)行正常的田間試驗(yàn)之前,首先根據(jù)甜菜的種植行距對(duì)橡膠刀刀組及后面安裝的切頂?shù)稒C(jī)構(gòu)調(diào)整到合適的距離,同時(shí)調(diào)整地輪,使地輪位于合適的位置,達(dá)到不影響打纓切頂效果及不損壞甜菜的目的。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

甜菜打纓機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 甜菜打纓機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果

田間試驗(yàn)表明:各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn),在工作性能上有較大的提升,在塊根損傷率方面測(cè)試效果不好,但基本符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1)在國(guó)外的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了甜菜打纓機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)多行打纓作業(yè)。其橡膠刀組之間的距離及切頂機(jī)構(gòu)之間的距離可以根據(jù)甜菜種植的行距進(jìn)行調(diào)節(jié),使其位于甜菜的上部,實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)打秧,大大提升了工作效率及其適應(yīng)性;鋼制打秧刀在刀軸上呈現(xiàn)螺旋分布,提高了打秧效果。

2)采用鋼制及橡膠兩種材質(zhì)的打秧刀,鋼制刀具能使秧葉破碎,橡膠刀具能夠清除剩余甜菜秧,把兩種刀具設(shè)計(jì)為不同長(zhǎng)度,既降低甜菜塊根的損傷率,又能保證甜菜的打秧效果。

3)該機(jī)后部安裝切頂裝置,采用仿形平行四桿機(jī)構(gòu),使用滑切的方式進(jìn)行切頂,提高了切頂合格率。設(shè)計(jì)切頂?shù)杜c前進(jìn)方向的夾角為50°,既保證切削質(zhì)量穩(wěn)定,又將切削阻力控制在合理的范圍之內(nèi)。

4)田間試驗(yàn)表明:甜菜打纓機(jī)的各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均達(dá)到指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)合理,基本滿足甜菜打纓切頂作業(yè)的要求。