刮板式蕎麥撿拾裝置的設計與試驗研究

王淳，張衛國，張優，丁恒博，馮松科，楊福增

西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100

蕎麥因其營養成分佳, 藥用價值高, 保健功能突出, 是國際公認的藥食兼用雜糧經濟作物． 人們的膳食營養和健康飲食意識隨著生活質量的提高而不斷增強, 使蕎麥在國內外市場的需求量急劇增加[1]． 蕎麥具有草谷比大、 同植株籽粒成熟期極不一致(植株上同時存在成熟飽滿籽粒、 未成熟籽粒和盛開的花朵)、 成熟籽粒極易脫落、 收獲時莖稈含水率高等收獲特性, 兩段式收獲因能夠使蕎麥籽粒充分后熟, 莖稈含水率降低, 故成為目前乃至未來一段時間內蕎麥最佳的機械化收獲方式． 蕎麥兩段式收獲作業過程為, 先用割曬機將蕎麥植株割倒形成禾鋪, 晾曬數天后使其籽粒充分后熟, 利用帶有撿拾裝置的聯合收獲機進行撿拾、 脫粒和清選等作業． 撿拾裝置是兩段式撿拾收獲機中關鍵的機械裝置, 對蕎麥兩段式撿拾收獲作業質量具有顯著影響[2-3]．

目前, 兩段式收獲的撿拾器主要有彈齒滾筒式、 伸縮扒齒式和齒帶式等[4-5]． 其中齒帶式與彈齒滾筒式撿拾器分別在油菜、 牧草撿拾上得到了廣泛的運用[6-9]． 由于蕎麥具有獨特的收獲特性, 現有常規的撿拾器對蕎麥的禾鋪沖擊大, 使蕎麥撿拾收獲時落粒損失嚴重． 基于此, 本文依據蕎麥植株的力學特性, 設計了一種對蕎麥植株沖擊載荷小、 撿拾路徑短的刮板式撿拾裝置, 并在自行研制的撿拾收獲試驗臺上進行了蕎麥的撿拾試驗研究．

1 刮板式撿拾裝置的結構與工作原理

1.1 撿拾裝置的總體結構

本文設計的刮板式撿拾裝置主要由刮板撿拾機構、 輔助撿拾輥、 攪龍、 撿拾臺等部件組成, 其結構如圖1所示． 刮板撿拾機構安裝在撿拾臺前端上部, 可通過撿拾臺側板上的2個液壓油缸調節其撿拾作業高度; 輔助撿拾輥安裝在撿拾臺底部前端, 與刮板撿拾機構的回轉方向相反; 攪龍安裝在撿拾臺內部, 其內部集成的伸縮扒齒將撿拾物料送入鏈耙式物料輸送裝置內．

1. 刮板撿拾機構; 2. 輔助撿拾輥; 3. 油缸; 4. 撿拾臺; 5. 鏈耙式物料輸送裝置; 6. 伸縮扒齒; 7. 攪龍．圖1 刮板式撿拾裝置結構示意圖

1.2 撿拾裝置的工作原理

撿拾收獲作業時, 先將刮板撿拾機構調整到合適高度, 隨著撿拾收獲機行進, 刮板撿拾機構與旋轉方向相反的輔助撿拾輥配合, 將蕎麥禾鋪撿拾進撿拾臺內, 再由撿拾臺內的攪龍將蕎麥物料送入鏈耙式物料輸送裝置內, 經輸送裝置喂入脫粒滾筒內進行脫粒作業． 刮板式撿拾裝置工作示意圖如圖2所示．

1. 蕎麥禾鋪; 2. 刮板撿拾機構; 3. 機架; 4. 輔助撿拾輥; 5. 撿拾臺．圖2 刮板式撿拾裝置工作示意圖

2 刮板式撿拾裝置的關鍵部件設計

2.1 刮板撿拾機構

在對谷物聯合收獲機的偏心撥禾輪結構進行分析的基礎上, 結合蕎麥的物料特性, 設計了一種刮板撿拾機構, 該機構主要由支架、 輻條、 管軸、 彈齒、 刮板、 輪軸、 曲柄、 輻盤、 固定塊、 偏心盤等組成, 如圖3所示．

1. 支架; 2. 輻條; 3. 管軸; 4. 彈齒; 5. 刮板; 6. 輪軸; 7. 曲柄; 8. 輻盤; 9. 固定塊; 10. 偏心盤．圖3 刮板撿拾機構示意圖

刮板撿拾機構的工作原理如圖4所示． 刮板撿拾機構由5組平行四連桿機構OO1aA組成． 刮板及彈齒AK固定在管軸A-A上, 管軸A-A一端鉸接左側輻盤, 另一端連接曲柄A-a; 曲柄A-a鉸接在右側的2個輻盤M和M1上; 偏心盤與輻盤M1同軸, 偏心盤固定于機架上;M和M1的中心距OO1為偏心距, 其中Aa=OO1． 刮板撿拾機構作業過程中, 刮板及其上的彈齒AK初始入禾傾角保持不變[10]．

圖4 刮板撿拾機構的結構原理示意圖

2.1.1 刮板撿拾機構的運動分析及作業條件

1) 刮板撿拾機構的運動分析

刮板撿拾機構的運動可分解為隨裝置行進的直線運動和繞自身輪軸轉動的圓周運動[10], 如圖5所示．

圖5 刮板撿拾機構的運動分析

刮板撿拾機構的運動方程為:

x=Vmt+Rcosωt

(1)

y=(H+h)-Rsinωt

(2)

式中:x為刮板的水平位移, m;y為刮板的垂直位移, m;Vm為撿拾裝置的行進速度, m/s;t為刮板撿拾機構的運動時間, s;R為刮板撿拾機構的半徑, m;ω為刮板撿拾機構的角速度, rad/s;H為刮板撿拾機構的工作高度, m;h為蕎麥禾鋪的離地高度, m．

由式(1)和式(2)對時間t求導, 可得刮板的水平方向分速度Vx與豎直方向分速度Vy:

(3)

(4)

2) 刮板撿拾機構的作業條件

刮板撿拾機構作業時, 刮板末端的軌跡形狀決定于撿拾速比λ(即刮板繞輪軸旋轉時的圓周線速度VB與裝置行進速度Vm的比值)． 由圖6可知, 當λ>1時, 刮板撿拾機構的水平分速度與裝置行進方向相反, 具有向后撿拾的速度, 運動軌跡形狀為余擺線． 故刮板撿拾機構作業的必要條件為撿拾速比λ>1[10]．

1. λ>1; 2. λ=1; 3. λ<1．圖6 不同撿拾速比的刮板運動軌跡

2.1.2 刮板撿拾機構的參數設計與選取

1) 刮板撿拾機構的幅寬L

刮板撿拾機構的幅寬根據所應用機械的不同來確定, 一般中型撿拾聯合收獲機的幅寬為1 400～2 000 mm[11]． 基于蕎麥禾鋪的寬度一般為600～1 400 mm, 禾鋪行間距一般為1 600～2 200 mm, 本文所設計的刮板撿拾機構的幅寬應大于最大蕎麥禾鋪寬度, 并處于兩個行間距之間而不受其它禾鋪的影響, 綜合考慮初步選取L為1 800 mm．

2) 刮板撿拾機構的直徑D

在刮板撿拾機構的工作過程中, 為了滿足刮板及彈齒垂直入禾、 穩定撿拾、 防止回帶等要求, 且綜合考慮蕎麥植株高度、 撿拾速比等多方面因素, 刮板撿拾機構的直徑D取900 mm．

3) 刮板撿拾機構的轉速n

當撿拾裝置的行進速度Vm一定時, 隨撿拾速比λ的增加, 刮板的圓周線速度VB增加, 使撿拾物料的沖擊力增加, 導致撿拾的損失率增加．λ值取決于刮板數、 作業速度以及蕎麥物料的成熟度等． 當刮板數為6時,λ值應偏小(1.5～1.6); 當刮板數為4時,λ值應偏大(1.6～1.85)． 由于蕎麥屬于落粒性較強的作物, 刮板撿拾裝置的行進速度不宜過大,λ值應偏小, 參考《農業機械設計手冊》, 撿拾裝置的行進速度取3～7 km/h,λ值取1.2～1.6．

由刮板撿拾機構的2種分運動關系可知:

(5)

(6)

由式(5)與式(6)可得

(7)

式中:n為刮板轉速, r/min;D為刮板撿拾機構直徑, mm;VB為刮板圓周線速度, m/s．

將λ=1.2～1.6,D=900 mm,Vm=0.6～2 m/s帶入式(7)得到刮板轉速的取值范圍n=15.28～67.90 r/min．

2.2 輔助撿拾輥

撿拾裝置的輔助撿拾輥主要與刮板撿拾機構配合實現蕎麥禾鋪的撿拾作業, 輔助撿拾輥示意圖如圖7所示．

1. 六角螺栓; 2. 彈齒; 3. 輔助撿拾輥．圖7 輔助撿拾輥的結構示意圖

輔助撿拾輥上有尼龍彈齒, 通過螺栓連接安裝在輔助撿拾輥上, 是其工作的核心部件． 為減少撿拾過程漏撿, 尼龍彈齒在撿拾輥上均布． 當撿拾聯合收獲機作業時, 尼龍彈齒隨機具前進做直線運動, 同時繞撿拾輥軸做與機具前進方向相反的回轉運動．

1) 輔助撿拾輥直徑d

在設計輔助撿拾輥時需要考慮到輔助撿拾輥的離地間隙及彈齒的分布． 輔助撿拾輥直徑d可根據經驗公式設計[11]．

(8)

式中:d為撿拾輥直徑, mm;z為彈齒排數;a為彈齒間距, mm．

考慮到安裝難易程度, 本文初步選取排數為3, 由式(8)可知, 當彈齒排數z固定時, 輔助撿拾輥的直徑d隨彈齒間距a的增大而增大． 彈齒間距a較大時, 較易漏撿． 通過增加輔助撿拾輥的轉速可提高撿拾率, 然而輔助撿拾輥的轉速增加同樣會引起彈齒線速度的增加, 對蕎麥的沖擊也將增大, 因此彈齒間距a不能過大． 同時考慮到彈齒的安裝難度, 彈齒間距a不宜過小． 依據《農業機械設計手冊》, 彈齒輸送器式撿拾器的彈齒間距a為63～100 mm[11], 初步選取彈齒間距a=90 mm, 通過式(8)計算可得輔助撿拾輥直徑d=86 mm．

2) 輔助撿拾輥長度l

為配合刮板撿拾機構協同作業, 輔助撿拾輥應與刮板撿拾機構的長度保持一致, 故輔助撿拾輥長度l取值1 800 mm．

3) 輔助撿拾輥的轉速np

輔助撿拾輥線速度應與刮板撿拾線速度保持一致, 故輔助撿拾輥的轉速應滿足:

(9)

式中:np為輔助撿拾輥的轉速, r/min;n為刮板轉速, r/min;D為刮板撿拾機構直徑, mm;r為輔助撿拾輥圓心到彈齒齒尖的距離, mm．

將D=900 mm,r=170 mm,n=15.28～ 67.90 r/min帶入式(9), 得到np=80.89～ 359.47 r/min．

3 刮板式撿拾裝置的試驗研究

3.1 試驗材料

本次試驗研究的蕎麥品種為西農9979, 籽粒黑化率為70%, 割曬當天測定莖稈的含水率為68.5%, 籽粒的含水率為20.4%．

如圖8所示, 蕎麥撿拾脫粒試驗平臺主要包括脫粒裝置、 鏈耙輸送裝置、 刮板式撿拾裝置和物料輸送裝置．

1. 物料輸送裝置; 2. 刮板式撿拾裝置; 3. 鏈耙輸送裝置; 4. 脫粒裝置．圖8 蕎麥撿拾脫粒試驗平臺

3.2 試驗方法

試驗過程中, 先將適量的蕎麥禾鋪稱重, 并均勻地鋪放在物料輸送裝置上, 進行撿拾、 脫粒試驗, 試驗完成后將各個部分的籽粒收集, 并進行稱重． 籽粒撿拾損失率為撿拾過程中損失的籽粒質量除以試驗總的籽粒質量, 撿拾損失的籽粒質量m為每次試驗后收集的損失籽粒質量m1減去鋪放過程中掉落籽粒的質量m0; 籽粒總質量M為每次試驗后收集到所有籽粒的總質量． 籽粒撿拾損失率計算式為

(10)

式中:Y為籽粒撿拾損失率;m0為鋪放掉落籽粒質量, g;m1為試驗后收集的損失籽粒質量, g;M為籽粒總質量, g．

3.3 單因素試驗

根據實際收獲作業情況, 影響蕎麥籽粒撿拾損失率的主要因素有機具前進速度(本文中為物料輸送速度)Vm、 刮板撿拾速度VB及刮板撿拾傾角γ, 選取上述3個因素為試驗因素． 以籽粒撿拾損失率為撿拾裝置的性能評價指標[12]． 針對各個影響因素進行單因素試驗, 其試驗因素及水平如表1所示．

表1 單因素試驗因素及水平

單因素試驗結果如圖9所示, 其中籽粒撿拾損失率為3次重復試驗的均值．

圖9 各單因素對籽粒撿拾損失率的影響

圖9(a)為在物料輸送速度為0.8 m/s, 刮板撿拾傾角為15°的條件下, 刮板撿拾速度對籽粒撿拾損失率的影響．

圖9(b)為在刮板撿拾速度為1.2 m/s, 刮板撿拾傾角為15°的條件下, 物料輸送速度對籽粒撿拾損失率的影響．

圖9(c)為在刮板撿拾速度為1.2 m/s, 物料輸送速度為0.8 m/s的條件下, 刮板撿拾傾角對籽粒撿拾損失率的影響．

由圖9(a)可知, 當物料輸送速度與刮板撿拾傾角一定時, 籽粒撿拾損失率隨刮板撿拾速度先微幅減小, 后呈現大幅度增加, 在1.1 m/s附近時出現最小值; 由圖9(b)可知, 當刮板撿拾速度與刮板撿拾傾角一定時, 籽粒撿拾損失率隨物料輸送速度的增大, 呈現出先減小后增加的趨勢, 在0.8 m/s時最小; 同樣的, 由圖9(c)可以看出, 刮板撿拾速度與物料輸送速度一定時, 隨刮板撿拾傾角的增加, 籽粒撿拾損失率先減小后增加, 在15°附近出現最小值．

3.4 Box-Benhnken試驗

選取單因素試驗的較優因素水平, 依據Box-Benhnken試驗設計原理[13-14], 研究物料輸送速度、 刮板撿拾速度及刮板撿拾傾角3個因素對撿拾損失率的影響, 并找出參數的主次影響關系和較優化組合, 試驗因素水平選取及試驗結果分別如表2和表3所示．

表2 試驗因素編碼

表3 響應面分析結果

4 試驗結果分析及參數優化

4.1 回歸模型的建立與檢驗

借助Design-Expert軟件對試驗結果進行分析,p<0.01表明參數對模型影響極為顯著,p<0.05表示參數對模型影響顯著． 二次回歸模型方差分析和回歸系數顯著性檢驗結果如表4所示．

表4 模型顯著性檢驗

由表4分析可知, 影響因素與籽粒撿拾損失率所建立的二次回歸模型的p小于0.000 1, 回歸模型極為顯著; 失擬項大于0.05, 即失擬不顯著, 所擬合的二次回歸模型與實際相吻合, 能較為準確地反映籽粒損失率Y和X1、X2、X3之間的關系．

(11)

4.2 模型交互作用分析

根據二次回歸模型繪制籽粒撿拾損失率與各因素之間關系的響應面圖, 響應曲面的形狀能夠反映正交因素作用的強弱關系[15]．

由圖10(a)可以看出, 隨著物料輸送速度和刮板撿拾速度的增加, 籽粒損失率呈現先減小后增大的變化趨勢, 當刮板撿拾速度為1.1 m/s, 物料輸送速度為0.8 m/s時, 籽粒損失率出現了最小值． 其主要原因為當物料輸送速度保持在某一水平時, 隨著刮板撿拾速度增大, 在撿拾過程中刮板對蕎麥的打擊次數增多, 使蕎麥莖稈的籽粒掉落, 增大了撿拾損失． 當刮板撿拾速度保持在某一水平時, 物料的輸送速度增大會引起速比λ的增大, 從而引起損失率的增大．

圖10 各因素對籽粒撿拾損失率的影響

由圖10(b)可以看出, 隨著物料輸送速度和刮板撿拾傾角的增加, 籽粒損失率呈現先減小后增大的變化趨勢, 當刮板撿拾傾角為15°, 物料輸送速度為0.8 m/s時, 籽粒損失率出現最小值． 其主要原因為當物料輸送速度保持在某一水平時刮板撿拾傾角遞增至15°, 刮板撿拾傾角較小, 使得刮板撿拾裝置插入蕎麥物料時的相對速度較大, 對蕎麥物料的打擊嚴重． 刮板撿拾傾角由15°增大時, 刮板撿拾傾角過大, 不利于刮板對蕎麥物料的輸送, 同樣也會使籽粒損失率增加．

由圖10(c)可以看出, 隨著刮板撿拾速度和刮板撿拾傾角的增加, 籽粒損失率也呈現先減小后增大的變化趨勢, 當刮板撿拾傾角為15°, 刮板撿拾速度為1.1 m/s時, 籽粒撿拾損失率出現了最小值．

4.3 試驗參數優化

通過對試驗結果以及響應面分析, 得到最佳的試驗因素水平組合, 并利用Design-Expert軟件的優化模塊對回歸模型進行求解[16], 根據蕎麥兩段式撿拾裝置的實際工作條件、 作業性能要求及以上相關模型分析結果, 選擇優化約束條件為

(12)

通過優化求解, 得到物料輸送速度為0.79 m/s, 刮板撿拾速度為1.08 m/s, 刮板撿拾傾角為14.39°, 在此參數條件下撿拾損失率最佳為4.61%, 此時的撿拾速比λ為1.37．

5 結論

1) 針對蕎麥兩段式機械化收獲過程中撿拾作業籽粒損失嚴重的問題, 提出了一種適合蕎麥撿拾的刮板式撿拾裝置并對其關鍵部件刮板撿拾機構與輔助撿拾輥進行設計． 對刮板撿拾機構進行了運動學的理論分析, 確定了刮板撿拾機構的正常工作條件． 通過搭建試驗平臺, 展開臺架試驗, 分析了選取因素對籽粒撿拾損失率的影響．

2) 結合單因素試驗與Box-Benhnken試驗設計原理, 先通過單因素5水平試驗確定較優水平, 后通過3因素3水平響應面分析方法, 對蕎麥兩段式撿拾裝置進行了撿拾性能試驗, 經過響應曲面分析得到影響籽粒撿拾損失率的因素從大到小依次為刮板撿拾速度、 刮板撿拾傾角與物料輸送速度．

3) 建立籽粒撿拾損失率與刮板撿拾傾角、 物料輸送速度、 刮板撿拾速度的二次回歸模型, 并對回歸模型進行了優化求解, 結果表明當物料輸送速度為0.79 m/s, 刮板撿拾速度為1.08 m/s, 刮板撿拾傾角為14.39°時, 蕎麥兩段式籽粒撿拾損失率為4.61%, 對比第一代撿拾裝置齒帶式撿拾器(撿拾損失率為10.58%～23.75%), 撿拾損失率有較大幅度的降低, 能較好地滿足蕎麥兩段式收獲撿拾作業．