黃花苜蓿收獲機設計與試驗*

段建，陳樹人，張體強

(1.揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇揚州，225127；2.江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江，212013)

0 引言

黃花苜蓿是一種綠色葉菜類蔬菜，尤其是在長三角地區(qū)分布廣泛，深受人們喜愛[1-2]。由于牽引式收獲機械難以在空間小的大棚內(nèi)作業(yè)，且汽油機和柴油機對葉菜有污染，黃花苜蓿收割主要依靠人工，成本高、效率低、難度大，這已成為制約黃花苜蓿推廣種植的重要因素[3]。因此，研發(fā)一種手扶電動式黃花苜蓿收獲機，不僅能夠解決黃花苜蓿收獲無法利用大型機械、人工費時費力等問題，且成本低廉、操作簡單，不僅能收割黃花苜蓿，還能進一步推廣到收割雞毛菜、韭菜、莧菜等其他葉菜類蔬菜。

針對上述問題，相關學者從黃花苜蓿切割力學特性[4]、黃花苜蓿吹送裝置氣流速度分析[5]、部件設計與虛擬仿真[6]和黃花苜蓿收獲機整機開發(fā)[7-8]等方面做了相關研究，但對于黃花苜蓿收獲機關鍵部件參數(shù)化設計，尤其是收獲機作業(yè)參數(shù)優(yōu)化還有所欠缺。

本文結(jié)合黃花苜蓿種植模式和收割要求，研制出了一種集切割與收集于一體的手扶電動式黃花苜蓿收獲機，并進行了田間樣機收獲試驗，基于Design-Expert8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件對樣機的性能參數(shù)和最佳作業(yè)參數(shù)進行優(yōu)化。

1 種植模式和收割要求

黃花苜蓿一般在7月中旬至8月初在大棚內(nèi)以平畦方式整壟撒種播下。播下3個月后便可收割第一茬，總共可采收6～8次[9]。收割時主要是切割位于黃花苜蓿頂端的嫩莖葉，其形態(tài)較小，含水率大，收割時容易受到損傷；黃花苜蓿分枝性強，長勢密；由于要多次收割，收割時不能破壞其整體根莖，防止其不再生長。因此，黃花苜蓿具有如下收割要求：第一次收割要掌握“低”和“平”的原則(留茬高度以50 mm為宜)，所以要求收獲機的割臺一定要低和平；由于每次的留茬高度不同，要求割臺的高度要可調(diào)；由于黃花苜蓿輕小、多汁，割刀不宜為鋸齒，以防止堵塞，同時要求割刀的運動速度要高，能迅速將頂端嫩葉割下；由于黃花苜蓿受到機械損傷容易腐爛，因此要求黃花苜蓿的輸送不能有機械的擠壓，同時由于收獲機在黃花苜蓿畦上行進，為避免壓踏傷害，收獲機重量要輕，并能夠跨壟；由于黃花苜蓿為食用類蔬菜，與收割后黃花苜蓿接觸的部件要保持干凈。

2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機結(jié)構(gòu)

該黃花苜蓿收獲機采用電動自走式，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。以24 V鋰電池作為電源，采用前輪驅(qū)動的三輪式自走裝置，通過電機和皮帶驅(qū)動車輪。整體結(jié)構(gòu)主要由切割裝置、收割高度調(diào)節(jié)裝置、風機吹送裝置、傳動機構(gòu)、收集裝置、車架、扶手等組成。根據(jù)黃花苜蓿種植模式和收割要求，整機主要的技術參數(shù)如表1所示。

圖1 黃花苜蓿收獲機整機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural drawing of Medicago falcata L.harvester1.后行走萬向輪 2.萬向輪支架 3.扶手 4.收集裝置 5.前行走輪 6.托架 7.鋰電池 8.傳動裝置 9.支風管 10.主風管 11.切割裝置 12.割茬高度調(diào)節(jié)裝置 13.機架

表1 黃花苜蓿收獲機主要技術參數(shù)Tab.1 Main physical parameters of Medicago falcata L.harvester

2.2 工作原理

黃花苜蓿收獲機工作原理：開機工作前，先要根據(jù)收獲時期黃花苜蓿高度，通過控制箱來控制電動推桿，調(diào)整收割高度調(diào)節(jié)機構(gòu)到指定高度。然后在電機驅(qū)動下驅(qū)動輪開始行走，工作時，由人推著控制前進的方向在壟里行進。再開啟驅(qū)動吹送切割的電機運轉(zhuǎn)，經(jīng)傳動機構(gòu)，一方面帶動收割裝置切割黃花苜蓿，另一方面帶動風機轉(zhuǎn)動，風力經(jīng)風管輸送到切割裝置前方，將已切割的黃花苜蓿吹送進鋪放在車架上的收集箱中，從而完成收獲作業(yè)。

3 關鍵部件設計及參數(shù)確定

3.1 切割器類型及功耗

切割器是收獲機械的重要部件之一，其主要作用是切斷收獲對象，其工作效率和作業(yè)質(zhì)量直接影響整機性能，該機選用雙動往復式切割器[10-11]。

本機所采用的雙動往復式切割器的雙動刀在切割莖稈的瞬間可看作是單支撐切割，增加了莖稈的抗彎反力，可以大大降低切割速度。動刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：切割角α、刃部高度h、刀片的寬度c和d，如圖2所示。切割角α是動刀片的主要設計參數(shù)，它的大小對切割性能有著重要的影響，既影響切割阻力的大小，又決定能否鉗住莖桿保證可靠的切割[10]。

圖2 動刀片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of moving blade

切割角α增大，切割阻力減小。但切割角α過大時將引起莖稈切割時沿刃線向外滑動，甚至鉗不住莖稈，不能保證可靠切割。切割瞬時，鉗住莖稈的條件為：兩刃口作用于莖稈的合力R1、R2必須在同一條直線上[12]，如圖3所示。

圖3 刀片鉗住莖稈的條件Fig.3 Conditions of blade clamping stalk

F1≤N1tanφ1，F(xiàn)2≤N2tanφ2，F(xiàn)1=F2，φ1=φ2

(1)

式中：φ1、φ2——刀片切割黃花苜蓿莖稈的摩擦角；

F1、F2——刀刃口作用于莖稈的法向力；

N1、N2——刀刃口作用于莖稈的切向力。

得到鉗住莖稈的條件為：2α≤φ1+φ2。參照刀片對莖稈的摩擦角之和φ1+φ2=52°～54°[13]，考慮到高速條件下刀片能更可靠的鉗住莖稈，取刀片的切割角α為20°，其他三個參數(shù)分別為d=5 mm，c=32 mm，h=37 mm。

驅(qū)動雙動刀的機構(gòu)為一同軸雙曲柄滑塊機構(gòu)，如圖4所示。該機構(gòu)主要由兩個偏心滾柱(凸臺)和方框槽組成。其中一個偏心滾柱帶動上動刀運動，另一個偏心滾柱帶動下動刀運動。2個偏心滾柱偏心方向為180°，用來保證它們所帶動的兩動刀在任一時刻，其運動方向正好相反。兩動刀片的間隙通過調(diào)節(jié)螺釘來完成，保持間隙δ≤0.5 mm。

圖4 切割裝置傳動機構(gòu)Fig.4 Transmission mechanism of cutting device1.傳動軸 2.偏心滾柱 3.方框槽 4.傳動基座 5.下刀片 6.上動刀片 7.螺釘

由于所選刀片的節(jié)距為D=34 mm，故單個動刀的行程S=17 mm。如圖5所示，偏心滾柱每轉(zhuǎn)一圈，割刀往復一次，有如下關系式：2R-F=S，F(xiàn)=R+r，變形得到R-r=S，取F=42 mm，得到R=29.5 mm，r=12.5 mm。

圖5 傳動結(jié)構(gòu)尺寸關系圖Fig.5 Size of transmission mechanism of cutting device

3.2 切割功耗

切割器工作消耗的功率Pw包括切割黃花苜蓿莖稈的功率Pg和空轉(zhuǎn)功率Pk兩部分[14]。

Pw=Pg+Pk

Pg=VmBW0

(2)

式中：Vm——收獲機前進速度，m/s；

B——收獲機割幅，設計為1.1 m；

W0——切割每平方米面積的黃花苜蓿莖稈所需功率，J/m2。

收獲機前進速度即人推著收獲機行走的速度，一般人的平均步行速度約為1.22 m/s，老年人的平均步行速度約為0.91 m/s，考慮到推行，取最大速度為1 m/s；切割牧草W0=200～300 J/m2，考慮到黃花苜蓿與一般的牧草同屬，物理機械特性相近，而切割黃花苜蓿主要是切割其嫩莖稈，故W0取250 J/m2。

代入以上數(shù)據(jù)，得到Pg=0.275 kW；空轉(zhuǎn)功率Pk的大小與切割器的安裝調(diào)整技術有關，一般每米割幅所需空轉(zhuǎn)功率為0.6～1.1 kW，取中間值0.9 kW。得到Pw為1.175 kW。

3.3 收集裝置

收割的黃花苜蓿莖葉鮮嫩，單重較小，采用傳統(tǒng)方式(螺旋、夾持、鏈式等)收集易造成損傷和漏收，影響其作為商品菜的品質(zhì)和收集效率，不適合黃花苜蓿的收集，經(jīng)驗表明用氣力收集是可行的[14]。常用的風扇(風機)有軸流式和離心式兩種，農(nóng)業(yè)機械上多用離心風機來輸送物料，本機亦采用離心風機[15-16]。考慮到黃花苜蓿收割的吹送情況，初步確定為中壓的后向葉輪風機，以下是風機主要參數(shù)的計算。

3.3.1 氣流速度

氣流速度(風速)vf根據(jù)物料懸浮速度的大小來確定。從理論上說，氣流速度大于物料的懸浮速度即可。但是在實際裝置中，由于存在物料彼此的互相作用、氣流分布不均等情況，所需氣流速度比懸浮速度大很多。參考文獻[17]，水平氣流速度可取懸浮速度的2.2倍，在此基礎上實際的氣流速度可增加30%～50%[18]。試驗測定表明，黃花苜蓿收割物的懸浮速度在0.890～4.238 m/s，取4.238 m/s，增加值取40%，通過計算得到所需氣流速度vf為13.05 m/s。

3.3.2 風量計算

收割物輸送量[19]

G=3.6pBmVm

(3)

式中：G——輸送量，kg/h；

p——單位面積切割黃花苜蓿莖稈的枝數(shù)，取300×3=900枝/m2；

m——單枝黃花苜蓿收割物的質(zhì)量，試驗測得為0.11～1.34 g，取最大值1.34 g。

所需風量[19]

Q=G/ρu

(4)

式中：Q——風量，m3/h；

ρ——空氣密度，取1.29 kg/m3；

u——濃度比，取10；

得到所需風量為Q=370.21 m3/h。

3.3.3 風機消耗的功率

風機消耗的功率N(風機軸功率)

(5)

式中：H——全壓，kg/m2；

ηc——傳動效率，與電機輸出軸直連，故ηc=1；

ηk——空氣效率，取0.8。

H=kρw2，w=2πnRf/60

(6)

式中：k——全壓系數(shù)，后向葉片k≤0.4，取0.4；

w——預算的風扇圓周速度，m/s；

Rf——風扇的半徑，取0.12 m；

n——風扇轉(zhuǎn)速，取3 000 r/min。

得到全壓H為732.61 kg/m2，風機消耗的功率N=0.094 2 kW，漏風系數(shù)和安全系數(shù)分別取值為1.2和1.1，得到實際的功率消耗為0.124 3 kW。

根據(jù)以上計算，最終選擇的風機型號為L5-40，主風管尺寸為30～50 mm，支分管為15～25 mm。設計的收集裝置包括風機、主風管、支風管三部分，如圖6所示。

圖6 收集裝置Fig.6 Gathering device1.風機 2.主風管 3.支風管

風機中的風經(jīng)主風管進入位于割刀前上方的支風管，然后吹進鋪在支架上的收集箱中，完成收集過程。

3.4 傳動裝置

整機傳動裝置如圖7所示。以電池作為動力來源，通過電機帶動風扇進行轉(zhuǎn)動，風扇與聯(lián)軸器(其一端裝有帶輪)相連，聯(lián)軸器上的帶輪通過皮帶與同主動齒輪相連的從動帶輪組成皮帶傳動(A型V帶)，其傳動靠一張緊輪來控制，張緊輪張緊，從動皮帶輪就轉(zhuǎn)動，反之亦然[20]。從動帶輪帶動主動齒輪轉(zhuǎn)動，主動與從動齒輪嚙合(傳動比i=2)帶動切割器傳動軸驅(qū)動雙動切割刀片做往復運動。電池為切割和收集(風扇吹送)提供風力，電池選用鋰電池。鋰電池為切割和收集(風扇吹送)提供風力，由前面的計算可知其消耗功率之和為1.299 3 kW(1.175 kW+0.124 3 kW)，電機的功率為2.2 kW，滿足要求。

圖7 整機傳動裝置Fig.7 Transmission device of the whole machine1.切割器傳動軸 2.齒輪座 3.被動齒輪 4.主動齒輪 5.帶輪 6.鋰電池 7.風扇 8.聯(lián)軸器 9.張緊輪 10.皮帶 11.張緊輪支撐板

4 參數(shù)優(yōu)化試驗

4.1 試驗條件

手扶電動式黃花苜蓿收獲機樣機田間作業(yè)試驗在鎮(zhèn)江句容市黃花苜蓿種植合作社進行，大棚內(nèi)黃花苜蓿高度為200～500 mm，如圖8所示。試驗主要是在不同工作參數(shù)下，對樣機的兩項核心指標工作效率、漏割率進行測定。

圖8 黃花苜蓿收獲機田間試驗Fig.8 Field experiment of Medicago falcata L.harvester

4.2 試驗設計

以作業(yè)速度、切割速度、吹送速度是影響收獲機工作效率和漏割率的關鍵參數(shù)，其中作業(yè)速度為0.6～0.8 m/s，切割速度為0～1.1 m/s，吹送速度為1～1.5 m/s。采用三因素三水平正交試驗方法，應用L9(34)為正交表設計試驗，以作業(yè)速度X1、切割速度X2、吹送速度X3為影響因子，工作效率和漏割率為評價指標[21-22]。試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素和水平Tab.2 Test factors and levels

4.3 結(jié)果與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件進行回歸分析和利用響應面分析法對2因素間交互效應進行分析。試驗方案與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗方案及結(jié)果Tab.3 Experiment design and results

4.3.1 回歸模型的建立與檢驗

1)工作效率回歸方程。工作效率回歸方程方差分析結(jié)果見表4所示，R2修正值為0.970 2(大于0.800 0)[23]，體現(xiàn)出回歸方程與試驗值整體上符合程度較高。F=51.69，P<0.000 2，表明自變量和因變量間有極顯著的相關關系，擬合水平良好，說明模型可用于黃花苜蓿收獲機的工作效率的預測。工作效率與各因素編碼值的回歸方程為式(7)所示。

表4 工作效率回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation for work efficiency

Y1=0.1-3.075×10-3X1-5.812×10-3X2+

9.113×10-3X3+1.450×10-3X1X2-

7.150×10-3X1X3-2.425×10-3X2X3-

0.021X12-0.014X22-0.014X32

(7)

2)漏割率回歸方程。漏割率回歸方程方差分析結(jié)果見表5所示，R2修正值為0.931 4(大于0.800 0)，體現(xiàn)出回歸方程與試驗值整體上符合程度較高。F=22.12，P<0.001 6，表明自變量和因變量間有極顯著的相關關系，擬合水平良好，說明模型可用于黃花苜蓿收獲機的漏割率的預測。對偏回歸系數(shù)進行顯著性檢驗分析，因回歸方程中X3、X1X3、X2X3系數(shù)的t檢驗不顯著，故可以省略[24]。漏割率與各因素編碼值的回歸方程為式(8)所示。

表5 漏割率回歸方程方差分析Tab.5 Variance analysis of regression equation for missing cutting rate

Y2=1.28-0.3X1+0.45X2-0.28X1X2+

0.37X12+0.16X22+0.16X32

(8)

4.3.2 各因素對性能指標影響主次分析

各因素對各項性能指標影響貢獻率主次結(jié)果如表6所示，各因素對黃花苜蓿收獲機的工作效率貢獻率大小依次是吹送速度、切割速度、作業(yè)速度。各因素對黃花苜蓿收獲機的漏割率貢獻率大小依次為切割速度、作業(yè)速度、吹送速度。

表6 各因素對各項指標的貢獻率Tab.6 Importance of the effects of factors on response functions

4.3.3 因素交互作用對性能指標影響

作業(yè)速度和切割速度對工作效率的影響如圖9(a)所示，隨著作業(yè)速度和切割速度的增大，工作效率先增大后減小。當作業(yè)速度在0水平(即作業(yè)速度為0.7 m/s)時，此時收獲機作業(yè)穩(wěn)定，能夠保持較高的工作效率，說明可根據(jù)黃花苜蓿高度和密度來調(diào)整作業(yè)速度，但總體應保持適中。當切割速度在-0.5～0水平(即切割速度在0.35～0.6 m/s范圍內(nèi))時，收獲機工作效率較高，這主要是由于該機采用雙動割刀，切割速度比單動的小，即同等的切割速度，雙動往復式切割器的作業(yè)速度更快，即便在低速時也可以保證較高的工作效率。

作業(yè)速度和吹送速度對工作效率的影響如圖9(b)所示，當作業(yè)速度在0水平(即作業(yè)速度為0.7 m/s)，吹送速度在0～1水平(即吹送速度在1.25～1.5 m/s范圍內(nèi))時，收獲機工作效率比較高。這說明在一定的作業(yè)速度，高效對已切割的黃花苜蓿進行吹送，均能夠提高收獲機的作業(yè)效率。這是因為在收獲過程中，割刀將黃花苜蓿快速切割，在風管的作用下將收獲的黃花苜蓿吹送到收集箱內(nèi)，如果不能及時的吹送，收獲的黃花苜蓿將堆積在風管出風口，導致新收獲的黃花苜蓿不能夠及時收集，直接影響收獲機的工作效率[5]。

吹送速度和切割速度對工作效率的影響如圖9(c)所示，當切割速度在0水平(即切割速度為0.6 m/s)時，隨著吹送速度的增大，能明顯提高收獲機的工作效率，可見在作業(yè)時應保持較高的吹送速度，確保作業(yè)的流暢性。平穩(wěn)偏低的切割速度應對提高收獲機工作效率是有益的，但不管切割速度大小，從響應面圖可以看出，隨著吹送速度增大，工作效率都在提高。

作業(yè)速度和切割速度對漏割率的影響如圖10所示，隨著作業(yè)速度的增大，尤其是當作業(yè)速度在0～1水平(即作業(yè)速度在0.7～0.8 m/s范圍內(nèi))時，漏割率與作業(yè)速度表現(xiàn)出明顯的正相關性，即隨著作業(yè)速度的增大漏割率明顯在提升，說明盲目追求工作效率會導致漏割的增加。這是因為收獲機前進的速度過快時，會導致一些黃花苜蓿莖稈還未徹底割到或者割斷就結(jié)束了。

(a)切割速度與作業(yè)速度對工作效率的影響

圖10 切割速度與作業(yè)速度對漏割率的影響Fig.10 Influence of cutting speed and operation speed on missing cutting rate

隨著切割速度的增大，漏割率將持續(xù)提升，尤其是當切割速度在0～1水平(即切割速度在0.6～1.1 m/s范圍內(nèi))時，漏割率提高更為明顯。這是由于該機采用的是雙動刀切割，哪怕偏低的速度仍然能保持較高的切割效率，而切割速度快高時反而會導致一些黃花苜蓿沒來得及鉗住和切斷就收割下一茬，導致漏割現(xiàn)象的出現(xiàn)。這也驗證了為何當切割速度偏高時，收獲機工作效率反而開始降低。總體來說收獲機在作業(yè)過程中要兼顧作業(yè)效率同時也要提升切割的順暢性，避免過高的漏割現(xiàn)象。

4.3.4 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

應用Design-Expert8.0.6對黃花苜蓿收獲機工藝參數(shù)進行優(yōu)化。在試驗結(jié)果討論及模型擬合的基礎上，按照盡可能高的工作效率和盡可能低的漏割率的優(yōu)化原則，在作業(yè)速度為0.6～0.8 m/s，切割速度為0.1～1.1 m/s，吹送速度為1～1.5 m/s的約束條件下，設定和調(diào)節(jié)目標函數(shù)滿足設前期設計要求即工作效率大于0.09 hm2/h，漏割率小于2 %，工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為：作業(yè)速度0.72 m/s，切割速度0.78 m/s，吹送速度1.29 m/s，此時收獲機工作效率為0.091 2 hm2/h，漏割率為1.75 %。

為了驗證優(yōu)化分析結(jié)果的正確性，在相同條件下進行驗證試驗。選取優(yōu)化后的作業(yè)速度0.72 m/s，切割速度0.78 m/s，吹送速度1.29 m/s進行驗證試驗，進行5次重復試驗，取其平均值作為試驗結(jié)果，得到實際數(shù)值與優(yōu)化值對比結(jié)果如表7所示。表7說明：黃花苜蓿收獲機的工作效率和漏割率實測值與預測值之間的相對誤差分別為3.750%和3.886%。說明兩者的回歸方程預測值與實測值很接近。

表7 驗證試驗結(jié)果Tab.7 Experiment data for test validation

5 結(jié)論

1)設計了一種手扶電動式黃花苜蓿收獲機，對關鍵部件切割裝置、收集裝置、傳動裝置進行設計，確定了影響其工作性能的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，設計刀片節(jié)距為34 mm，單個動刀的行程為17 mm，切割功耗為1.175 kW，風機功率消耗為0.124 3 kW，主風管尺寸為30～50 mm，支分管為15～25 mm，選用電機功率為2.2 kW。

2)優(yōu)化組合的各因素參數(shù)為作業(yè)速度0.72 m/s，切割速度0.78 m/s，吹送速度1.29 m/s。在此工藝條件下，此時收獲機工作效率大于0.091 2 hm2/h，漏割率小于1.75%。均滿足黃花苜蓿收獲機設計要求。

3)各因素對工作效率的因子貢獻率為：吹送速度>切割速度>作業(yè)速度；各因素對漏割率的因子貢獻率為：切割速度>作業(yè)速度>吹送速度。

4)吹送速度對收獲機作業(yè)效率影響大，后續(xù)可增設輸送帶，通過輸送帶將在風管作用下的黃花苜蓿輸送到收集箱內(nèi)。