雙行打瓜聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

朱興亮,袁盼盼,鄒 雪,譚升軍,張雪虎

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院;b.圖書館,烏魯木齊 830052)

0 引言

打瓜,又名籽瓜,是葫蘆科西瓜屬普通西瓜的變種,其種植主要為了獲取其瓜籽,是極具地域特色的農(nóng)產(chǎn)品[1]。新疆由于獨(dú)特的自然環(huán)境和水土條件,極適宜打瓜的種植,所生產(chǎn)的瓜籽在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。截至2017年,新疆打瓜種植面積已達(dá)到20萬hm2,已經(jīng)成為新疆農(nóng)民重要增收的經(jīng)濟(jì)作物之一[2-4]。

目前,國(guó)外對(duì)打瓜收獲的研究較少,多是對(duì)西瓜和南瓜的收獲,不適用于國(guó)內(nèi)粗放式的種植模式,打瓜收獲機(jī)大多集中在國(guó)內(nèi)[5-9]。新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制了4ZBL-2型背負(fù)式打瓜收獲機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)打瓜撿拾,但技術(shù)不夠成熟,出現(xiàn)漏檢率高、損失率大等問題[10-11]?，F(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司研制了4ZGJT-500打瓜聯(lián)合收獲機(jī),采用偏牽引,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠有效進(jìn)行打瓜收獲[12-13]。此外,國(guó)內(nèi)佐劍波、毛劍峰等人研制了多種打瓜收獲機(jī),但由于其均采用偏牽引形式、工作效率較低、作業(yè)效率不夠,僅制作了樣機(jī),未能實(shí)際推廣使用[14-15]。國(guó)內(nèi)雖然開展了大量打瓜收獲機(jī)的研制,但由于機(jī)具設(shè)計(jì)存在缺陷,實(shí)際使用中存在各種問題,影響了使用效果。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有打瓜收獲機(jī)在空間布置中,均采用分離清選總成位于拖拉機(jī)正后方,撿拾輥置于側(cè)面的布置方式,在工作過程中,容易出現(xiàn)拖拉機(jī)承受較多側(cè)向力,影響其工作性能[16-17];單側(cè)撿拾輥工作幅寬較小,需要大量的人工集條輔助,工作效率低,部分大幅寬收獲機(jī)由于其分離效率較低,必須降低機(jī)具行走速度以適應(yīng)分離裝置的工作效率[18-19];收獲機(jī)工作過程中藤秧易進(jìn)入收獲機(jī),纏繞旋轉(zhuǎn)部件,增加工作阻力,甚至造成機(jī)器損毀[20]。因此,解決打瓜收獲機(jī)工作中存在的問題,有效提高打瓜收獲機(jī)工作效率是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本文擬針對(duì)新疆打瓜收獲過程中存在的問題,結(jié)合其種植模式,設(shè)計(jì)開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)集條、取籽、清選等為一體的雙行籽瓜聯(lián)合收獲機(jī),并設(shè)計(jì)其總體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)及各工作部件具體結(jié)構(gòu),明確其工作原理,以解決打瓜收獲中存在的各種問題。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

雙行打瓜聯(lián)合收獲機(jī)主要由牽引架、機(jī)架、撿拾輥、螺旋輸送器、分離清選裝置、料箱、提升螺旋及調(diào)節(jié)桿組成,如圖1所示。其中,撿拾輥與機(jī)架之間采用方形套管連接,并由油缸進(jìn)行距離調(diào)節(jié);分離清選裝置、料箱、提升螺旋與機(jī)架之間采用U型卡相連;螺旋輸送箱與分離裝置之間固結(jié)在一起。

打瓜收獲機(jī)運(yùn)輸時(shí),拖拉機(jī)牽引運(yùn)輸牽引架,此時(shí)前運(yùn)輸輪和后運(yùn)輸輪著地;工作時(shí),拖拉機(jī)牽引工作牽引架,此時(shí)左右工作輪著地,前、后運(yùn)輸輪離地。

1.2 工作原理

工作時(shí),雙行打瓜聯(lián)合收獲機(jī)利用工作牽引架與拖拉機(jī)相連并牽引行走,拖拉機(jī)前部集條裝置將其中部打瓜集條至兩側(cè);撿拾輥將打瓜撿拾后,由梳瓜齒將打瓜梳刷至螺旋輸送箱,在進(jìn)入分離清選裝置前被打碎,之后進(jìn)行分離與清選,最終經(jīng)提升螺旋將瓜籽輸送至料箱,完成瓜籽收獲。

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

動(dòng)力經(jīng)拖拉機(jī)后軸輸入至瓜籽螺旋輸送軸,經(jīng)鏈輪分別驅(qū)動(dòng)兩分離軸和清選軸,兩分離軸分別經(jīng)鏈傳動(dòng)依次驅(qū)動(dòng)壓瓜軸、扎瓜軸、換向變速器及萬向傳動(dòng)軸,最終驅(qū)動(dòng)兩側(cè)螺旋輸送箱;清選軸后側(cè)與提升螺旋軸相連,帶動(dòng)提升螺旋進(jìn)行上料,如圖2所示。

2 關(guān)鍵工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 扎瓜齒的設(shè)計(jì)

撿拾輥轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,在下部將打瓜扎取后,輸送至其上部再由梳瓜齒梳下。若采用普通圓柱形很容易在側(cè)面的位置掉落,因此本文設(shè)計(jì)了弧形扎瓜齒,如圖3所示。其中,撿拾輥上布置方形孔,弧形扎瓜齒上方形卡座放置其中并利用螺母進(jìn)行固定。

1.螺旋輸送箱軸 2.碎瓜軸 3.分離軸 4.壓瓜軸 5.提升螺旋軸 6.萬向傳動(dòng)軸 7.換向變速器 8.清選軸 9.瓜籽螺旋輸送軸圖2 打瓜收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.2 Seed-melon combine harvester transmission system

1.螺紋桿 2.方形卡座 3.錐形擋座 4.直桿 5.弧形桿 6.扎瓜桿尖圖3 弧形扎瓜齒結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Curved pickup rod of seed-melon

弧形扎瓜齒安裝如圖4所示。工作時(shí),扎瓜齒接觸到打瓜后進(jìn)行扎取,之后打瓜隨撿拾輥轉(zhuǎn)動(dòng),直至其與梳瓜齒接觸后,完成梳瓜,將打瓜取下。由于扎瓜齒形狀為弧形,在撿拾后,打瓜不易脫落,但其弧形彎曲方向與梳瓜齒相反,便于被梳下。

1.撿拾滾筒 2.扎瓜齒 3.梳瓜齒圖4 弧形扎瓜齒安裝方式Fig.4 Installation method of curved pickup rod

2.2 打瓜集條與清秧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

打瓜收獲過程中,由于其藤秧生長(zhǎng)過程中纏繞較為嚴(yán)重,不利于打瓜撿拾作業(yè),且藤秧進(jìn)入收獲機(jī)后,易纏繞在旋轉(zhuǎn)部件中,影響其工作性能,甚至導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)部件損毀。因此,可靠的集條和清秧機(jī)構(gòu)對(duì)于打瓜聯(lián)合收獲機(jī)具有重要意義。

當(dāng)收獲機(jī)處于運(yùn)輸狀態(tài)時(shí),油缸伸長(zhǎng)頂起撿拾輥,帶動(dòng)集條機(jī)構(gòu)提升鏈和壓秧輥提升鏈將集條機(jī)構(gòu)和壓秧輥提起;工作狀態(tài)時(shí),油缸收縮,集條機(jī)構(gòu)和壓秧輥下落,集條機(jī)構(gòu)將打瓜藤秧分開,撿拾輥扎取打瓜,壓秧輥將藤秧壓住,經(jīng)過清秧機(jī)構(gòu)時(shí),高速旋轉(zhuǎn)的清秧機(jī)構(gòu)將藤秧打斷,完成集條和清秧作業(yè),如圖5所示。

1.撿拾輥 2.集條機(jī)構(gòu)提升鏈 3.集條機(jī)構(gòu) 4.壓秧輥提升鏈 5.壓秧輥 6.清秧機(jī)構(gòu)圖5 打瓜集條與清秧機(jī)構(gòu)運(yùn)行圖Fig.5 Seed-melon collection and vine-clearing mechanism

集條機(jī)構(gòu)主要由提升鏈、集條架、集條桿、集條圓盤及集條翼等組成,如圖6所示。其中,集條架與機(jī)架之間采用套管連接,可上下移動(dòng);集條架與集條斜架、集條斜架與集條翼之間采用鉸接;集條架與機(jī)架、集條斜架和集條翼之間分別采用彈簧連接進(jìn)行仿形;集條圓盤、導(dǎo)秧?xiàng)U均固定于集條斜架之上,且集條圓盤可轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)提升鏈提升時(shí),集條架沿與機(jī)架相連的套管向上移動(dòng),提升彈簧壓縮;當(dāng)提升鏈下落時(shí),集條架在提升彈簧作用下下降,集條圓盤接地,集條仿形彈簧壓縮,集條圓盤對(duì)地仿形。機(jī)器行進(jìn)過程中,導(dǎo)秧?xiàng)U和集條圓盤將所遇打瓜分開,并由集條翼將打瓜推至撿拾輥可撿拾范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)集條作業(yè)。

2.3 對(duì)轉(zhuǎn)式分離滾筒的設(shè)計(jì)

已破碎的打瓜在分離過程中,影響其分離率的主要因素就是轉(zhuǎn)速,但由于農(nóng)業(yè)機(jī)械制造較粗糙,沒有進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn),各旋轉(zhuǎn)部件不宜過高,為提高瓜籽分離率,設(shè)計(jì)了對(duì)轉(zhuǎn)式分離滾筒。對(duì)轉(zhuǎn)式分離滾筒主要由分離軸、前半篩及后全篩等組成,如圖7所示。

1.導(dǎo)秧?xiàng)U 2.集條圓盤 3.集條斜架 4.集條架 5.提升彈簧 6.提升鏈 7.機(jī)架 8.集條仿形彈簧 9.集條翼彈簧 10.集條翼圖6 集條機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Schematic diagram of seed-melon collection mechanism

1.入料總成 2.分離軸 3.前半篩 4.后全篩 5.外殼 6.機(jī)架圖7 對(duì)轉(zhuǎn)式分離滾筒Fig.7 Counter-rotating separation roller

對(duì)轉(zhuǎn)式分離裝置工作時(shí),經(jīng)破碎軸破碎后的打瓜進(jìn)入前半篩,此時(shí)分離軸轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)行初步低速分離;之后初分離物進(jìn)入后全篩,后全篩由瓜籽螺旋輸送軸后側(cè)齒輪傳動(dòng)傳遞至換向軸,進(jìn)而由鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)其反向轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)行高速分離,如圖8所示。前部半篩的設(shè)計(jì)可便于入料并防止分離裝置工作過程中產(chǎn)生擁堵;后部全篩可增加工作效率和分離率,降低損失。

1.分離軸 2.前半篩 3.后全篩 4.換向軸 5.瓜籽螺旋輸送軸圖8 對(duì)轉(zhuǎn)式分離滾筒傳動(dòng)圖Fig.8 The transmission system of separation roller

2.4 車輪控制機(jī)構(gòu)

由于雙行打瓜收獲機(jī)在工作時(shí)采用工作牽引架及工作輪,在運(yùn)輸時(shí)采用運(yùn)輸牽引架和運(yùn)輸輪,因此需要對(duì)收獲機(jī)工作輪和運(yùn)輸輪控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置,確保其能夠簡(jiǎn)單方便地切換工作和運(yùn)輸狀態(tài)。收獲機(jī)車輪控制機(jī)構(gòu)如圖9所示。

1.調(diào)節(jié)油缸 2.調(diào)節(jié)板 3.輪胎架 4.機(jī)架 5.輪胎圖9 收獲機(jī)車輪控制機(jī)構(gòu)Fig.9 Harvester wheel control mechanism

當(dāng)收獲機(jī)運(yùn)輸至地頭開始工作時(shí),工作輪調(diào)節(jié)油缸先行伸長(zhǎng),驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)板、輪胎架,進(jìn)而將輪胎著地。此時(shí),運(yùn)輸輪油缸收縮,將運(yùn)輸輪收起,拖拉機(jī)牽引其工作牽引架,進(jìn)行收獲作業(yè);收獲結(jié)束后,工作輪放下,運(yùn)輸輪收起,拖拉機(jī)牽引其運(yùn)輸牽引架,進(jìn)行運(yùn)輸。

3 田間試驗(yàn)

2017年7月,對(duì)該機(jī)具進(jìn)行了試制,并在農(nóng)八師石河子周邊團(tuán)場(chǎng)進(jìn)行了打瓜收獲田間試驗(yàn)。田間試驗(yàn)過程中,由拖拉機(jī)牽引收獲機(jī)進(jìn)行作業(yè),并對(duì)機(jī)具的結(jié)構(gòu)及其作業(yè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,如表1所示。

表1 機(jī)具結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)Table 1 Machine structure and operation parameters

試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)具運(yùn)輸和工作狀態(tài)切換過程較為簡(jiǎn)單方便,且運(yùn)輸幅寬較小,工作幅寬較大;扎瓜齒的優(yōu)化可有效地降低打瓜撿拾過程中的掉落率,撿拾率高達(dá)99%,且梳瓜過程流暢;集條機(jī)構(gòu)避免了位于撿拾輥邊緣的打瓜無法撿拾或被輪胎壓傷,清秧機(jī)構(gòu)有效降低了打瓜藤秧進(jìn)入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),避免了機(jī)具停機(jī)甚至損傷;對(duì)轉(zhuǎn)式分離滾筒能有效提高打瓜分離的工作效率及打瓜分離率,整機(jī)工作效率達(dá)400kg/s,分離率達(dá)98%,籽粒破損率低至2%。

4 結(jié)論

1)明確了雙行打瓜聯(lián)合收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)和各機(jī)構(gòu)空間布局,并對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì),且各機(jī)構(gòu)之間盡量采用對(duì)稱布局,避免了拖拉機(jī)出現(xiàn)偏牽引的問題。

2)設(shè)計(jì)了弧形梳瓜齒、集條與清秧機(jī)構(gòu)、對(duì)轉(zhuǎn)式分離滾筒和車輪控制機(jī)構(gòu),有效解決了打瓜收獲過程中出現(xiàn)的不易撿拾、藤秧纏繞及分離效率低等問題。

3)試制了雙行打瓜收獲機(jī),并進(jìn)行了田間試驗(yàn),驗(yàn)證了機(jī)具設(shè)計(jì)的合理性。