紅小豆夾持式收獲裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

尚佳樂(lè),馬永財(cái),滕 達(dá),李昊庭,呂 卓,宋業(yè)君

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

紅小豆是我國(guó)傳統(tǒng)的雜糧作物之一,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富,且具有多種醫(yī)療保健功效[1-5];但目前紅小豆生產(chǎn)過(guò)程尤其是收獲環(huán)節(jié)的機(jī)械化程度低,收獲作業(yè)基本依賴于人工,勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低,限制了紅小豆產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展[6-7]。因此,加快紅小豆收獲裝備的研發(fā)顯得尤為重要[8]。研究表明[9],國(guó)外紅小豆收獲專用機(jī)具研發(fā)較少,主要利用改裝約翰迪爾的L70聯(lián)合收獲機(jī)、凱斯的4077聯(lián)合收獲機(jī)以及皮凱德牽引式起拔收獲機(jī)等收獲裝置收獲雜豆類作物;但這類收獲機(jī)械外型龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)彎半徑大、成本高、收獲損失嚴(yán)重,不適合我國(guó)紅小豆機(jī)械化收獲作業(yè)。國(guó)內(nèi)紅小豆種植面積和總產(chǎn)量均居世界第1位,但其機(jī)械化生產(chǎn)裝備嚴(yán)重缺乏,相關(guān)研究和文獻(xiàn)較少。

為此,相關(guān)學(xué)者在紅小豆收獲裝置研究中參考了其他作物收獲機(jī)械經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。王金武等[10]基于仿生螳螂前肢脛節(jié)刃口曲線,確定了切割裝置圓盤割刀及直割刀刃的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計(jì)了一種單圓盤對(duì)頂切割裝置;劉羊等[11]根據(jù)對(duì)數(shù)螺旋線特性研究靜態(tài)滑切角恒定的回轉(zhuǎn)式切割器,設(shè)計(jì)了一種撥禾鏈?zhǔn)接涂钆_(tái)切割裝置;蒙建國(guó)等[12]針對(duì)雙圓盤割草機(jī)的工作原理,分析了機(jī)器在前進(jìn)速度過(guò)程中割刀的位移以及切割速度的變化規(guī)律。此外,甘藍(lán)、青菜頭和大蔥等皆利用夾持式機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效率收獲。杜冬冬等[13]通過(guò)雙螺旋式和橫向輸送帶式夾持方法的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析以及數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了自走式甘藍(lán)聯(lián)合收獲機(jī);張濤等[14]基于柔性?shī)A持原理,研究夾持裝置和傾角式擋條橡膠帶的運(yùn)動(dòng)參數(shù),設(shè)計(jì)了一種柔性?shī)A持裝置,夾持間隙可根據(jù)作物直徑而實(shí)時(shí)改變。寇天鑫等[15]針對(duì)大蔥莖稈直徑自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送帶間距以及合理提供夾持力的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了對(duì)稱式柔性?shī)A持輸送機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定夾持作物,同時(shí)保證輸送過(guò)程中不發(fā)生夾斷掉落情況。

綜上所述,夾持式切割可有效減輕切割部件對(duì)作物的沖擊振動(dòng),降低作物收獲損失率。因此,為解決紅小豆機(jī)械化收獲損失高等問(wèn)題,針對(duì)紅小豆作物特性,從理論上分析切割機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)了一種紅小豆夾持式收獲裝置,旨在為紅小豆機(jī)械化收獲設(shè)備關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化提供理論參考。

1 作物參數(shù)測(cè)定及收獲裝置設(shè)計(jì)要求

1.1 紅小豆植株物理參數(shù)

目前,國(guó)內(nèi)的紅小豆種植區(qū)域主要分布在山西、內(nèi)蒙古、東北等區(qū)域[16]。本研究選取培育品種為東北三省的“大紅袍”紅小豆,收獲時(shí)間為2021年9月中旬。選取長(zhǎng)勢(shì)一致良好的紅小豆進(jìn)行植株物理特性參數(shù)測(cè)量,采用5點(diǎn)法進(jìn)行田間取樣,每個(gè)取樣點(diǎn)選取10株紅小豆,得到紅小豆植株主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 紅小豆植株物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of adzuki bean plants

1.2 收獲裝置設(shè)計(jì)要求

成熟期紅小豆收獲是紅小豆收獲過(guò)程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其開花結(jié)莢順序由下而上,不但結(jié)莢位置偏低,且豆莢成熟度參差不齊;成熟的豆莢含水量低且易開裂,籽粒易脫落;當(dāng)全株莢果有2/3變成白黃色時(shí)收獲為好,可有效降低收獲損失[17]。

目前,收獲紅小豆除人工收獲之外,傳統(tǒng)的聯(lián)合收獲機(jī)大多采用拔禾輪與往復(fù)式割刀協(xié)同作業(yè)。但是,往復(fù)式割刀產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)較大,在切割過(guò)程中容易對(duì)作物莖稈產(chǎn)生沖擊振動(dòng)和拉扯現(xiàn)象,造成收獲損失;同時(shí),撥禾輪轉(zhuǎn)速不當(dāng)會(huì)擊打豆枝,造成炸莢、裂莢、拋枝、掉枝以及作物被切割后打落在地上的情況。

因此,設(shè)計(jì)紅小豆夾持式收獲裝置需滿足的要求如下:

1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、性能可靠,消耗功率小;

2)低茬收獲,切割位置低于最低結(jié)莢位置,避免損傷底部莢果;

3)采用夾持收割的方式減小機(jī)械沖擊振動(dòng),降低裂莢、炸莢損失;

4)輸送平穩(wěn),沖擊小,防止豆粒受到二次沖擊和揉搓損傷。

2 夾持式收獲裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

依據(jù)收獲期紅小豆植株特性和收獲設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了紅小豆夾持式收獲裝置如圖1所示。該裝置采用夾持切割的方式,由同步橡膠帶夾持植株主莖、雙圓盤割刀切割?yuàn)A持部位以下的根莖來(lái)完成收獲,主要由分禾機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)、夾持機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)組成。

1.分禾機(jī)構(gòu) 2.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.夾持機(jī)構(gòu) 4.切割機(jī)構(gòu)圖1 紅小豆夾持式收獲裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the whole red bean clamping harvesting device

紅小豆夾持式收獲裝置主要作業(yè)參數(shù)如表2所示。作業(yè)時(shí),先由分禾機(jī)構(gòu)將兩邊的紅小豆分離,并將裝置前方的紅小豆植株聚攏,引導(dǎo)至夾持機(jī)構(gòu)前端,夾緊作物底部莖稈;通過(guò)切割機(jī)構(gòu)的雙圓盤割刀將夾持機(jī)構(gòu)下方根莖割斷,夾持橡膠帶將已割斷的紅小豆植株自前向后輸送,最后成條鋪放在機(jī)器后方的地面上,再經(jīng)過(guò)合理晾曬由撿拾脫粒裝置完成后續(xù)工作。

表2 紅小豆夾持式收獲裝置主要作業(yè)參數(shù)Table 2 Main operating parameters of adzuki bean clamping harvester

2.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.2.1圓盤切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

1)切割機(jī)構(gòu)。切割機(jī)構(gòu)由動(dòng)力原件、傳動(dòng)軸、圓盤固定座和圓盤刀片等組成,作業(yè)時(shí)切割部件與植株位置關(guān)系如圖2所示。工作時(shí),由動(dòng)力元件帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)固定圓盤驅(qū)動(dòng)兩分禾結(jié)構(gòu)之間的圓盤割刀對(duì)植株莖稈完成切割,其動(dòng)力原件由驅(qū)動(dòng)器和控制器連接,割刀轉(zhuǎn)速可調(diào)。圓盤割刀切割過(guò)程平穩(wěn),切割功耗以及切割激振較低,可在完成莖稈切割同時(shí)減小裂莢損傷。

由圖2可知,割刀切割角度α計(jì)算公式為

(1)

其中,割刀切割高度需低于夾持位置,且必須與地面留有一定距離。結(jié)合實(shí)際作業(yè)情況取割刀最低端距地面50mm,割刀直徑200mm,紅小豆最低結(jié)莢高度160mm,橡膠帶夾持位置長(zhǎng)度20mm。因此,圓盤割刀切割高度140mm,通過(guò)式(1)計(jì)算得到切割角度α以0°～30°為宜。當(dāng)切割方式為滑切、刀片與莖稈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向呈一定夾角時(shí),切割莖稈所受阻力較小,切斷的莖稈切頭端面為斜面。由于圓盤刀上下疊在一起,且不停地高速旋轉(zhuǎn),保證了紅小豆莖稈不會(huì)出現(xiàn)漏切的現(xiàn)象。

2)切割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。雙圓盤割刀切割時(shí)處于水平面轉(zhuǎn)動(dòng),所以對(duì)刀盤上切割點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡分析時(shí)可取單一圓盤為研究對(duì)象[18]。將圓盤刀的旋轉(zhuǎn)中心設(shè)為坐標(biāo)系的原點(diǎn),x軸方向與機(jī)器前進(jìn)方向一致,與莖稈的輸送方向相反,y軸垂直x軸豎直向上。取某一時(shí)刻任一切割點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,經(jīng)過(guò)時(shí)間t后,切割點(diǎn)從A運(yùn)動(dòng)到B,刀片在前進(jìn)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

切割點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

式中vm—裝置的前進(jìn)速度(m/s);

R—圓盤割刀半徑(mm);

β—切割點(diǎn)在A處時(shí)與x軸的夾角(°);

ω—圓盤割刀角速度(r/s)。

由此可見(jiàn),圓盤割刀的轉(zhuǎn)速是影響切割質(zhì)量的重要參數(shù),刀盤轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致割刀與莖稈相對(duì)速度變低,出現(xiàn)切割不完整和擁堵現(xiàn)象; 轉(zhuǎn)速過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致裝置局部振動(dòng)過(guò)大,影響切割質(zhì)量并增加能耗。同時(shí),切割機(jī)構(gòu)前進(jìn)過(guò)程中, 刀片旋轉(zhuǎn)覆蓋了前進(jìn)過(guò)程,提高了收獲質(zhì)量。

2.2.2夾持機(jī)構(gòu)

根據(jù)紅小豆收獲現(xiàn)狀確定的夾持機(jī)構(gòu)尺寸,總長(zhǎng)750mm,寬445mm,高20mm,由左右兩組對(duì)稱同步回環(huán)橡膠帶組成。其中,驅(qū)動(dòng)部件由連接在步進(jìn)電機(jī)的主同步帶輪、傳動(dòng)軸以及帶座軸承等組成,通過(guò)兩頭的軸承座與支撐架相連接,經(jīng)同步帶輪帶動(dòng)夾持橡膠帶運(yùn)動(dòng);夾持橡膠帶具有傳輸和夾持雙重作用,左右兩同步回環(huán)橡膠帶轉(zhuǎn)速相同、方向相反,使夾持的紅小豆植株以裝置前進(jìn)方向相反方向輸送,同時(shí)保持與裝置前進(jìn)速度相同,形成相對(duì)靜止的夾持切割工作狀態(tài)。夾持結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.同步帶輪 2.輔助夾緊輪 3.連接機(jī)架 4.軸承座 5.步進(jìn)電機(jī) 6.主動(dòng)輪 7.橡膠帶圖4 夾持結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Clamping structure diagram

此結(jié)構(gòu)的連接支撐架包括主支撐架和調(diào)節(jié)支撐架兩部分:主支撐架支撐橡膠帶夾持機(jī)構(gòu)以及控制夾持輸送帶高度;調(diào)節(jié)支撐架可控制夾持輸送帶的張緊程度并調(diào)節(jié)夾持間距大小,以滿足紅小豆莖稈的夾持輸送作業(yè)要求。夾持間隙設(shè)定前寬后窄,便于莖稈喂入和割斷后夾持輸送穩(wěn)定,可保證夾持過(guò)程中莖稈穩(wěn)定不掉落。另外,左右各安裝輔助夾緊輪,以使皮帶正常工作,同時(shí)控制夾持間隙保持在固定范圍內(nèi)。

隨著收獲裝置的前進(jìn), 夾持口范圍內(nèi)的紅小豆莖稈進(jìn)入夾持切割機(jī)構(gòu)工作范圍,夾持機(jī)構(gòu)的輔助夾緊輪處安裝有圓柱螺旋彈簧,可調(diào)整夾持間隙,其最大調(diào)整量為3mm,可在預(yù)設(shè)夾持間隙為4～6mm范圍時(shí)保證4～7mm直徑紅小豆莖稈通過(guò)。因此,應(yīng)保證在夾持輸送帶傳輸穩(wěn)定、夾持可靠、不易掉落的同時(shí)減小紅小豆在夾持過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械損傷。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 材料與方法

試驗(yàn)于2021年9月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)收獲試驗(yàn)室進(jìn)行(見(jiàn)圖5),試驗(yàn)對(duì)象為黑龍江廣泛種植的“大紅袍”紅小豆。利用紅小豆夾持式收獲裝置進(jìn)行收獲試驗(yàn),模擬田間收獲。

圖5 紅小豆夾持式收獲裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.5 Test scene diagram of adzuki bean clamping harvesting device

試驗(yàn)主要以損失率為試驗(yàn)指標(biāo),即試驗(yàn)前紅小豆植株無(wú)破損豆莢總數(shù)與試驗(yàn)后紅小豆植株無(wú)破損豆莢總數(shù)之差與豆莢總數(shù)的比值。其中,損失率計(jì)算公式為

(3)

式中Ps—損失率(%);

As—試驗(yàn)前無(wú)破損豆莢總數(shù);

Ah—試驗(yàn)后無(wú)破損豆莢總數(shù)。

3.2 正交試驗(yàn)與分析

依據(jù)對(duì)紅小豆夾持式收獲裝置割刀裝置的運(yùn)動(dòng)分析、收獲期紅小豆植株物理特性和田間收獲實(shí)際作業(yè)情況,得到各因素取值范圍如下:圓盤割刀安裝角度0°～30°,割刀轉(zhuǎn)速500～700r/min,皮帶夾持間隙4～6mm,夾持皮帶轉(zhuǎn)速與設(shè)備前進(jìn)速度大小相同、方向相反為0.3～0.5m/s。試驗(yàn)前,將各因素調(diào)試至范圍值內(nèi),其夾持情況、切割效果、輸送效果最佳時(shí),可有效實(shí)現(xiàn)紅小豆收獲。

按正交試驗(yàn)表L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn),因素水平安排如表3所示。以割刀角度、割刀轉(zhuǎn)速、夾持間隙、前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素,計(jì)算損失率,結(jié)果如表4所示。每收獲20株紅小豆記錄1次試驗(yàn)數(shù)據(jù),選10次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)因素水平Table 3 Orthogonal test factor level

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal test results

由表4可知:A水平極差最低,是對(duì)試驗(yàn)影響最小的因素,A取第2水平為好;C水平極差小于B和D,對(duì)試驗(yàn)影響比B和D都小,C取第2水平為好;B和D兩個(gè)因素的極差都較大,是對(duì)試驗(yàn)影響最大的兩個(gè)因素,B 取第3水平,D取第1水平為好。綜合考慮,圓盤割刀切割角度為15°、割刀轉(zhuǎn)速為700r/min、皮帶的平均夾持間隙為5mm、前進(jìn)速度為0.3m/s 時(shí),工作效率最佳。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證紅小豆夾持式收獲裝置的實(shí)際工作效果,選用試驗(yàn)田種植紅小豆進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)用紅小豆株高平均580mm,平均行距為250mm,株距160mm,采用壟上單行種植模式。

將紅小豆夾持式收獲裝置調(diào)試為最優(yōu)工作狀態(tài),按照割刀切割角度15°、割刀轉(zhuǎn)速700r/min、橡膠夾持帶平均夾持間隙5mm、前進(jìn)速度0.3m/s調(diào)試好后進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),分別記錄20次數(shù)據(jù)取平均值。試驗(yàn)結(jié)果表明:平均損失率約為2.31%,誤差較小,方案的參數(shù)可靠。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了紅小豆夾持式收獲裝置,采用同步帶夾持底部主莖、圓盤割刀切割根莖的方式,降低割刀對(duì)植株莖稈的沖擊振動(dòng),解決了傳統(tǒng)收獲割臺(tái)在收獲作業(yè)時(shí)裂莢炸莢損失嚴(yán)重等問(wèn)題,且降低了切割高度,實(shí)現(xiàn)了低茬收獲作業(yè),可保護(hù)底部莢果收獲完整。同時(shí),進(jìn)行合理的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)紅小豆低損收獲要求。

2)影響裝置性能的主要因素有切割角度、割刀轉(zhuǎn)速、夾持間隙和前進(jìn)速度等,經(jīng)過(guò)四因素三水平正交試驗(yàn)以及極差分析得出各因素對(duì)收獲損失率的影響主次順序以及最優(yōu)參數(shù)組合:當(dāng)紅小豆夾持式收獲裝置在割刀切割角度為15°、割刀轉(zhuǎn)速為700r/min、平均夾持間隙為5mm、前進(jìn)速度為0.3m/s時(shí),收獲裝置工作效率最佳。

3)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明:將裝置參數(shù)調(diào)整至最優(yōu)水平,測(cè)得紅小豆夾持式收獲裝置收獲紅小豆的平均損失率為2.31%,收獲損失率較低。