柔性帶式食葵取盤收獲機設計與試驗*

郭彥克，韓長杰，李光新，徐陽，杜許懷

(新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊市，830052)

0 引言

食用型向日葵(以下簡稱食葵)是我國重要的經濟農產品，加工制作后的葵花籽深受消費者喜愛[1-4]。我國葵花籽收獲面積近年來整體呈上升趨勢[5]。目前，新疆地區大多數農民采用插盤晾曬的分段方式收獲食葵，收獲前割下葵盤插在距地60～80 cm處砍斷的葵稈上晾曬4～7 d(簡稱插盤)，隨后由人工將晾曬過的葵盤從莖稈上取下送去脫粒。食葵盤采收作業機械化水平偏低，工人勞動強度大，工作效率較低[6-7]。因此研制食葵取盤收獲機械對我國的食葵產業發展具有較大意義[8-10]。

現階段食葵收獲機械大體可分為掛載專用割臺的聯合收獲機、背負式收獲機、牽引式收獲機。聯合收獲機工作時，割臺與谷物聯合收獲機連接，可完成收獲、脫粒、篩選工作[7, 11-12]；背負式收獲機一般機具前方設有集料斗，葵盤由人工或取盤裝置送入集料斗，機具側面設輸送帶，后方布置脫粒和集料裝置[8, 13-14]，機具工作時需大量人員輔助，人力成本較高；牽引式收獲機具有制造成本低、機具通過性好等特點[8, 15-16]，但在切割葵稈時有較大震動，容易造成葵盤掉落，籽粒損失較高。

本文針對新疆地區插盤晾曬的收獲模式[6-7]，設計一種模擬人工取盤作業的柔性帶式食葵取盤收獲機，并對關鍵部件取盤裝置和脫粒裝置進行設計。分析葵盤在取盤裝置中的運動過程及運動狀態，對脫粒輥和篩網的結構參數進行設計，最終以降低食葵籽粒損失率為目標對整機進行試驗，獲得機具的最佳工作參數，為插盤晾曬模式的食葵收獲技術研究提供參考。

1 整機結構與工作原理

柔性帶式食葵取盤收獲機可分為脫粒部分和取盤部分，由分禾器、取盤裝置、脫粒裝置、集料箱、機架等部件組成，結構如圖1所示。整機與拖拉機牽引架鉸接，取盤裝置依靠行走輪驅動，脫粒裝置由拖拉機動力輸出軸驅動。

圖1 柔性帶式食葵取盤收獲機結構圖

機具作業時，前方的分禾器將田間散亂的葵稈集中為一條，隨后由取盤裝置將插在莖稈上的葵盤沿豎直方向拔起并連續輸送至脫粒裝置，葵盤上的葵籽在脫粒裝置中受脫粒部件反復擊打及擠壓作用，掉落的籽粒通過輸送通道落入集料箱中。機具主要參數如表1所示。

表1 收獲機的主要結構參數Tab. 1 Main structural parameters of the harvester

2 關鍵部件設計

2.1 取盤裝置設計

取盤裝置主要由取盤機架、柔性帶、主動輥、轉接板、同步齒輪組、支撐板等組成，如圖2所示。關鍵工作部件為柔性帶，通過分析人工取盤時握持葵盤的動作，采用上下對置、左右對稱的4條柔性帶，模擬人工雙手握持葵盤。確保取盤裝置實現穩定的豎直取盤，達到機械取盤作業效果與人工取盤作業效果相同的目標。

圖2 取盤裝置結構示意圖

2.1.1 取盤過程分析

根據取盤裝置中葵盤運動趨勢不同，將取盤過程分為分盤區、壓盤區、提升區及穩定區[17]，如圖3所示。

圖3 取盤裝置工作示意圖

葵稈進入取盤裝置到與柔性帶接觸前為分盤區，此區間葵稈在分禾器的作用下，逐步進入左右兩側對稱的柔性帶預留間隙中，葵盤與左右兩側柔性帶均勻接觸，避免因受力不均出現葵盤和籽粒掉落現象；柔性帶前段為壓盤區，主要將插盤較高的葵盤下壓至收獲高度，避免拔起葵盤的葵稈較短，不能被柔性帶夾持，導致葵盤滑落，該過程中部分葵盤主要與上層柔性帶接觸；柔性帶中段為提升區，在此區域，葵盤受上下兩層柔性帶的夾持，沿柔性帶傾角持續運動，不斷豎直抬升，整個過程中，柔性帶對葵盤的沖擊作用較小，柔性帶上下夾持具有壓實作用，籽粒掉落極少；柔性帶后段為穩定區，葵盤提升至一定高度時，與莖稈分離，隨后送入脫粒裝置喂入口，進行下一步脫粒作業，因脫粒過程中籽粒飛濺嚴重，為減少飛濺損失，葵盤喂入時需呈水平放置，因此設計穩定區調整葵盤喂入角度。

2.1.2 葵盤運動狀態分析

葵盤受柔性帶夾持，與柔性帶共同運動，且在壓盤區與提升區運動速度方向和水平速度分量不同。對葵盤在不同輸送位置的運動狀態進行分析，如圖4所示。

圖4 壓盤區運動分析圖

葵盤位于提升區時，柔性帶輸送速度為v1，當柔性帶水平方向分速度vx1與整機前進速度v數值相同方向相反時，柔性帶將葵盤沿莖稈豎直方向抬起，即

vx1=v1×cosθ1=v

(1)

葵盤相對于地面在水平方向上無運動，僅做豎直向上運動，其豎直上升速度為vy1，壓盤區葵盤水平方向速度

vx2=v2×cosθ2

(2)

v1與v2為葵盤在柔性帶上不同位置的速度，它們大小相同，方向不同。為提高葵盤的輸送效率，減少壓盤區柔性帶長度，并增大壓盤區柔性帶與水平面夾角θ2，存在

(3)

當θ2與θ1存在差值時，葵盤從分盤區進入壓盤區，所插高度較高的葵盤接觸柔性帶受壓，葵盤繞插盤位置旋轉，葵稈發生傾斜，如圖5所示。

圖5 取盤傾角分析

葵盤與柔性帶接觸時，莖稈位于A1處，接觸后，莖稈傾斜至A2處，葵盤沿著莖稈運動速度為v2，此時葵盤速度關系式為

(4)

式中：θ1——提升區柔性帶與水平面夾角，(°)；

θ2——壓盤區柔性帶與水平面夾角，(°)；

θ3——壓盤區葵稈與豎直方向夾角，(°)。

由式(4)計算得

(5)

由式(4)、式(5)可知，壓盤區葵稈傾角θ3由提升區夾角θ1及壓盤區夾角θ2確定，為減少籽粒掉落，對夾角θ1和θ2進行設計。參考葵盤在輸送帶材質上的摩擦角為34°，選取提升區柔性帶與水平面夾角θ2為30°。考慮整機安裝空間，選取壓盤區柔性帶與水平面夾角θ1為50°；代入式(5)得壓盤區葵稈與豎直方向夾角θ3為11.7°。

2.1.3 取盤裝置結構參數設計

收獲采用大小行種植模式的食葵時，若使取盤裝置不對鄰行產生干擾，且食葵盤可正常喂入取盤裝置并向脫粒裝置輸送，如圖6所示，則取盤裝置輸送帶帶寬Ld為

(6)

式中：Lz——取盤裝置最大寬度，mm；

Li——輸送帶與機架預留間隙，mm；

Lj——食葵莖稈通過間隙，mm；

Lk——機架寬度，mm;

DGmax——葵稈最大直徑，mm；

DPmax——葵盤最大直徑，mm。

其中Lz不得到超過小行距400 mm，取Lz=400 mm；機架需保證一定強度，且能通過最大直徑為315 mm的葵盤，選取Q235 D-2 50×30×3矩形管，則有Lk為30 mm；食葵莖稈最大直徑為48.3 mm，應能通過兩輸送帶間隙，取Lj為60 mm；Li為輸送帶與機架預留間隙，取Li為10 mm，將上述參數代入式(6)，解得Ld=130 mm。

圖6 收獲葵盤示意圖

2.2 脫粒裝置設計

脫粒裝置采用切流式設計，由脫粒輥、脫粒篩、脫粒篩吊桿、罩殼、脫粒機架等結構組成，如圖7所示，其中脫粒輥與脫粒篩網為主要脫粒部件。

圖7 脫粒裝置結構圖

2.2.1 脫粒輥結構設計

影響脫粒效果的主要結構參數為脫粒輥直徑與相鄰輥間距，如圖8所示。

圖8 脫粒輥結構圖

脫粒輥直徑較小時，脫粒裝置會產生葵盤纏繞、回帶等現象；直徑較大會引發脫粒裝置體積大、結構復雜、工作所需功耗偏高等問題。相鄰輥間距由葵盤的直徑決定，當相鄰輥間距大于葵盤直徑時，較小葵盤會卡在兩輥之間，無法被脫粒輥拋送出脫粒裝置，易造成堵塞，影響整機工作效率，因此，相鄰輥間距不應過大。測量得葵盤的最大直徑為315 mm，最小直徑為150 mm，葵盤上籽粒突出長度為10 mm。脫粒輥中紋桿直接與籽粒接觸，參考《農業機械設計手冊》[18]取滾筒直徑D為80 mm，同時考慮脫粒機架中軸承座并列安裝最小軸距為167 mm，脫粒輥安裝架寬度設計為460 mm，相鄰輥間距設計為170 mm。

2.2.2 脫粒篩網結構設計

脫粒篩網對葵盤起支撐和施壓預緊力的作用，需保證不同厚度的葵盤在脫粒篩網的作用下，對脫粒輥的壓力相近。脫粒篩兩端通過調節吊桿和伸縮套管與機架相連，連接位置均設有預緊浮動彈簧，脫粒篩在脫粒機架上安裝位置如圖9所示。

圖9 脫粒篩安裝位置圖

脫粒篩網與脫粒輥之間的距離對作業效果有一定影響，測量得葵盤厚度為26～42 mm，脫粒輥與脫粒篩在喂入口處設計自由間隙A為40 mm，為保證葵盤能順利進入脫粒裝置，拋盤口處設計自由間隙B為20 mm；脫粒篩的材料為直徑6 mm鋼棒，鋼棒表面有螺紋狀凸起，通過增大脫粒篩與葵盤間摩擦力延長葵盤脫粒時間。

3 樣機試驗

3.1 試驗設備及材料

試驗材料為采摘自新疆維吾爾自治區阿勒泰市薩斯克巴斯陶村的食葵SH361。試驗時葵籽的含水率約為12.32%、葵盤含水率約為34%～40%、葵盤直徑為150～315 mm、平均厚度為35.8 mm、葵稈最大直徑為48.3 mm。試驗時，柔性帶式食葵取盤收獲機通過懸掛架與土壤—機器—植物系統技術平臺連接，可通過平臺監測控制收獲機的車速、輸出軸轉速等參數。該試驗過程中主要使用的儀器設備及具體型號如表2所示。

表2 試驗所用儀器型號Tab. 2 Model of instrument used in the test

3.2 試驗方法

根據理論分析、整機結構尺寸、結合預試驗等情況，選取對食葵取盤總損失率有較大影響的機具前進速度、脫粒裝置的轉速和轉差率為試驗因素。

根據Box-Behnken原理進行試驗設計[19]，共進行17組試驗，其中有12個分析因子和5個零點誤差估計。參照GB/T 8097—2008《收獲機械聯合收割機試驗方法》操作[20]，分別設定3 m穩定區、10 m測定區和2 m停車區。每次試驗開始前檢查清理地表存在的葵籽，試驗結束后檢查更換折斷的葵稈，每組試驗重復3次，試驗結果取平均值。

3.3 結果與分析

試驗分組與結果如表3所示。

表3 試驗方案與結果Tab. 3 Test scheme and results

首先使用Design Expert軟件對試驗數據進行多種擬合模型的方差分析，建立評價指標與試驗因素間的回歸模型。確定最佳擬合模型，然后對該回歸模型進行方差分析，并剔除不顯著因素，重新建立回歸模型并進行方差分析，達到最好的擬合效果。

由表4知，二次多項式P<0.001，選用該模型擬合試驗因素與試驗響應值，能創建較恰當的模型。對破碎率進行二次回歸擬合，得到轉差率A、脫粒輥轉速B和前進速度C對破碎率Y編碼回歸模型

Y=3.56+0.11A+0.21B+0.15C-

0.017AB-0.12AC-0.24BC+0.22A2+

0.28B2+0.15C2

(7)

表4 損失率多種擬合模型方差對比Tab. 4 Variance comparison of various fitting models crushing rate

對回歸模型進行方差分析，分析結果如表5所示。

表5 損失率方差分析Tab. 5 Response surface analysis of crushing rate

由表5可知，回歸模型顯著性檢驗P<0.05，說明模型顯著，失擬項不顯著，二次回歸方程符合實際，具有統計學意義。自變量一次項A、B、C，二次項BC、A2、B2、C2顯著。剔除AC和BC不顯著項，對回歸模型式(7)進行優化，得到新的編碼回歸模型為

Y=3.56+0.11A+0.21B+0.15C-

0.017AB+0.22A2+0.28B2+0.15C2

(8)

分析得三因素對試驗結果影響的顯著性分別為脫粒輥轉速、行進速度、轉差率，以降低損失率為優化目標，解得模型(8)機具最佳工作狀態轉差率為0.16、脫粒輥轉速為402.47 r/min、行進速度為0.32 m/s，此時損失率最低為3%。將脫粒輥轉速圓整為400 r/min進行試驗驗證，得出試驗結果為2.97%，試驗值與理論值結果相近，誤差不超過0.5%，證明理論模型與實際情況相接近，該回歸模型可用。

4 結論

1) 針對新疆地區食葵插盤晾曬分段收獲的需要，模擬人工取盤原理，設計了柔性帶式食葵取盤收獲機。相比改制谷物收獲機割臺的自走收獲機和牽引式人工輔助收獲機，該機具取盤過程中對葵盤及葵稈的沖擊較小，降低了取盤損失率，連續運行的柔性帶夾持葵盤，避免葵盤掉落造成的損失。

2) 以新疆地區普遍種植的食葵SH361為收獲對象，對取盤裝置和脫粒裝置進行分析設計，通過理論分析和計算確定了輸送帶帶寬為130 mm，葵稈與豎直方向夾角為11.7°，脫粒輥直徑為80 mm，兩脫粒輥間距離為170 mm。

3) 以機具前進速度、脫粒輥轉速、脫粒輥轉差率為試驗因素，以收獲時的總損失率為試驗指標，開展了食葵取盤試驗。結果表明，最優作業參數組合為轉差率0.16、脫粒輥轉速400 r/min、行進速度0.32 m/s，此時損失率最低為2.97%，滿足分段收獲模式下食葵收獲作業要求，為后續插盤式食葵機械收獲研究提供參考。