農作物打頂機夾持打頂機構的設計及其應用分析

郭 健 ，張 唯

（新疆石河子職業技術學院，新疆 石河子 832000）

農作物種植生產過程中，科學運用打頂技術能有效優化株形、調整養分分配，在增加產量的同時，也能有效增強農產品生產品質[1]。打頂機運用簡單、便捷，具有推廣運用價值。

1 夾持打頂機構設計原理

1.1 夾持打頂機構結構

夾持打頂機構應包括夾持電機、抑芽劑噴頭、夾持帶、扶禾器、帶輪、機構軌道架、割刀消毒噴頭、割刀、割刀電機等零部件，并通過SolidWork軟件來設計夾持打頂機構三維立體結構[2]。

1.2 夾持打頂工作原理

夾持打頂機構通過主動帶輪、被動帶輪、后浮動張緊輪、前浮動張緊輪來構建一個封閉式的傳動系統，但是，因為左右兩側直流夾持電機存在相反的轉向，導致夾持皮帶內側從前到后移動，讓農作物頂部夾持住并且朝后拉。為了滿足粗細水平不一的農作物頂部，前后浮動張緊輪擺動鉸鏈均能夠擺動，結合實際需求來完善兩側夾持皮帶之間的距離，并通過彈簧來保持使兩側夾持皮帶之間的夾持力適中；利用底部圓盤切割刀割斷農作物頂部，并通過兩側夾持皮帶夾持割斷的農作物，再朝后運輸。

2 夾持打頂機構的設計

夾持輸送機構設計和參數的明確至關重要，具體可從以下幾點著手。

1）科學設計扶禾器。對于同一行長株農作物，如煙草，在種植與生長的過程中，少數植株會與同行植株存在很大的偏差。打頂機以整行農作物的直線方向為方向開展打頂作業，為了防止遺漏某個植株，必須要設計扶禾器，以此來收攏農作物的桿，并將農作物的桿放置于夾持皮帶的起始位置，并下壓農作物的葉子，防止對農作物的葉子產生不必要的傷害。而扶禾器主要依賴于螺栓進行連接，被固定至夾持打頂裝備的前端，前端朝上側彎曲，呈現V 型結構，方便下壓農作物的葉子。其次，扶禾器左右兩彎板尖端位置的距離最遠不超過450 mm，所以，可結合實際情況將偏離直線中心位置225 mm 以內的農作物桿子收到扶禾器內部。

2）確定夾持皮帶種類和速度。利用夾持皮帶對農作物的底部進行夾持，做好夾持切割、夾持輸送等工作。為了有效提升工作效率與水平，要設計好皮帶的寬度與韌性，甚至要綜合考慮各項成本。從大量的實踐來看，A型V帶是最佳選擇，每側最好運用兩根皮帶號。可通過夾持電機來帶動夾持皮帶工作，為有效提升夾持效率與水平，應確保皮帶傳送速度與打頂機機組前進速度高度一致。

夾持機構傾角A的值會對夾持皮帶的傳送速度產生直接影響[3]，如果傾角A偏大，那么會很大程度增加豎直方向傳送速度分量，減少水平方向傳送速度分量，進而影響傳送效率與水平，對植株產生較大的損害；如果傾角A偏小，那么就無法順利完成夾持輸送、夾持切割工作，更無法保障植株葉片的安全性、完整性。其次，在設計傾角A的大小時，還要充分考慮機構的結構布置因素。從大量的實踐來看，如果傾角A=30°，那么，夾持皮帶傳送速度Vr應符合以下幾點條件：VrcosA＞Vm，當Vr=1.74Vm，機組前進速度Vm=0.43m/s。如此一來，夾持皮帶的傳送速度不僅能夠符合夾持的各種要求，還能避免夾持過程中出現堵塞問題。

3 建立虛擬樣機模型，加強仿真分析

3.1 三維立體模型具體導入

通過立體建模軟件SolidWorks 來構建立體模型，并做好裝配。建好模型后保存成parasolid(*.x_t)格式，并導進ADAMS/View系統中，構建虛擬樣機仿真模型，并結合實際情況予以研究。具體模型見圖1。

3 .2 模型約束添加

1）對A點的運動副和驅動進行定義。具體看圖1，順著導軌方向構建平移副，在平移副上方增加驅動，運動速度最佳設置為0.5 m/s。

2）對B 點的運動副和驅動進行定義。基于切割刀和刀軸之間構建旋轉副，在旋轉副上方增加驅動，最佳轉速可設置為999 r/min。

3）對C 點構建固定副，進而有效固定導軌。圖1 中，X軸表示打頂機的前進方向；Y 軸表示與車輪軸向重合；Z 軸表示與路面方向垂直。

3.3 切割刀仿真運動軌跡

針對ADAMS/View增加有效約束以后來予以仿真分析，可獲得切割刀上方其中一點運動軌跡。具體見圖2 。

不難發現，在切割機運行過程中，切割刀上方的全部點的運動軌跡都是余擺線，且不同的轉速與不同的前進速度相互配合，產生稀疏程度不一的余擺線。

3.4 切割刀具體切割速度

在運用ADAMS/View 時，在0.2 s 時間段內來針對切割刀內的某一點開展運動仿真研究工作，進而能夠總結分析機器前進時的速度變化規律。當處于切割刀初始位置時，機器的前進速度是0 m/s，切割刀的切割速度也是0 m/s。隨著運動的進行，切割刀的速度始終不超過14 m/s。

當處于Y 軸方向時，在0.2 s 的時間段內分析切割刀內某點速度變化規律。當切割刀的初始位置和機器前進速度都是0 m/s 時，割刀速度接近13 m/s。隨著運動的進行，切割刀的速度最大可達到13 m/s。切割刀切割速度主要由切割刀旋轉速度、機器前進速度共同影響。從實踐分析來看，切割刀切割速度始終保持在12～14 m/s 之間，且機器運行時，切割刀切割速度隨著時間的推移始終保持波紋式運行狀態。

3.5 總結切割刀的切割位移規律

在運行ADAMS/View時，在0.2 s時間段內，深入分析在機器的前進方向上切割刀上某點的位移變化規律。當切割刀在初始位置且機器前進速度是0 m/s時，研究點的位移與最大位移處距離最近，達到0.126 m。可以發現，隨著時間的不斷變化，研究點的位移呈現余弦曲線變化規律。

在Y 軸方向上，當切割刀在初始位置且機器前進速度是0 m/s時，選取點的位移始終是0 m。

不難發現，機器在運行工作期間，切割刀上選取點的位移很大程度受切割刀旋轉位移、機器前進位移的影響。隨著切割刀旋轉以及機器的不斷前進，切割刀的位移始終受直線運動、旋轉運動的作用與影響，在時間不斷變化的情況下，位移變化量始終呈現波紋式增長趨勢。

4 農作物莖稈打頂部位切割試驗設計

新形勢下，加強對煙草等農作物莖稈力學特性的研究，能很大程度把握好機器的運行狀態與規律，大大降低了研發成本，并有效加快研發進程、減少研發周期。一直以來，國內外廣大專家學者都對玉米、小麥等諸多農作物的莖稈力學特征進行了深入、全面、系統的研究，但針對煙草、棉花等農作物莖稈力學特征的研究還非常少。加強煙草莖稈切割實驗，有利于為科學設計農業機械夯實數據基礎，并減少經濟成本[4]，具體可從以下幾點著手。

1）試驗的樣本主要來源于云南大學農學實驗中心，基于煙草生長花蕾期，由打頂位置來有效采集煙草莖稈的研究樣本，樣本長度在35 mm左右，含水率高達90%。

2）試驗儀器和試驗設計。主要涉及小刀、直尺、游標卡尺以及WDW-5E 微機控制電子式萬能試驗機等儀器設備。通過計算機系統自動記錄和計算實驗中涉及的“負荷-位移”關系。

3）具體試驗方法。將V 型輔具安裝到試驗機器工作臺上，在機器的夾頭中間位置固定試驗切割刀片，在輔具的V型槽內安放試驗樣品。始終保持20 mm/min 的加載速度進行試驗，一旦試樣切斷，計算機就會自動輸出“切割力-位移”曲線。從最終的試驗結果來看，煙草這一農作物莖稈的試驗樣品，在切割力不斷加大的同時，刀具位移持續增加，當切割力達到最大后開始逐漸減小，一直到切割力變為零以后，試驗樣品就被完全切斷了；切割力的峰值主要出現在煙草莖稈半徑位置，且隨著半徑的增加，切割力峰值就會越來越大。為了深入研究煙草莖稈直徑和最大切割力之間的關聯性，對其中的6 組試驗數據予以回歸擬合，最終發現，當煙草莖稈不斷增加時，切割機最大切割力和切割出的直徑大小存在線性加大關系。

5 結語

綜上所述，農作物打頂機夾持打頂機構的打頂準確率、夾持精確率高達99%，能有效滿足農業生產需求。農作物打頂機能夠實現對農作物頂尖的聚攏、切割和輸送，完善的消毒設備與方案能有效保證切割刀的干凈程度，防止病菌在農作物不同植株之間出現肆意傳播，抑芽劑的噴灑也能有效保證農作物的生產效率與水平，有利于保證農作物健康生長，促進農業經濟快速發展。