自走式煙葉采摘機采摘機構的設計與試驗

馬四杰 ,朱晨輝 ,張超超 ,冉云亮 ,李保謙 ,王萬章

(1.河南農業大學 機電工程學院,鄭州 450002 ;2.河南農先鋒科技股份有限公司,鄭州 450002)

0 引言

我國是煙葉的種植大國,煙草種植歷史悠久。煙草稅收為我國的經濟做出了巨大貢獻[1],截止到2020年,煙草稅收超過了1萬億元。一直以來,煙草的全程機械化水平遠遠低于小麥和玉米的全程機械化水平,煙草的機械化水平不足40%[2],制約煙草機械化進度的因素有很多,最主要的因素是煙葉的破損率和損失率。針對煙葉破損率較高的問題,有學者通過對煙葉的物料特性和力學特性進行研究,以及對煙葉采摘刀的外形進行研究,找到了煙葉破損率高的問題,為采摘機構的設計提供了參考,同時有利于降低煙葉的破損率[3]。

張秀麗等人對中煙100的主脈進行了力學性能試驗,發現適熟期煙葉的彈性模量最低[4]。仝振偉[5]等人對成熟期的中部煙葉和下部煙葉均做了力學性能試驗,發現中部煙葉的彈性模量值和拉伸強度值均大于下部煙葉的彈性模量值和拉伸強度值,為采摘刀硬度選擇提供了理論依據。朱華俊[6]等人設計了一種煙葉采收機垂直提升機構,提高了煙葉的采摘效率。朱華俊[7]等人設計了一種煙葉采收機浮動式采摘臺,實現了煙葉的分層采摘。張玉海[8]等人分析了含水率對煙葉力學特性的影響,得到了煙葉的粘附力、剪切力、拉力隨著煙葉含水率的增加呈先增大后減小的趨勢。李智廣[9]結合圖像處理設計了一種自走式煙葉智能仿生采摘系統,利用雙目視覺對成熟煙葉進行識別,通過試驗分析得知,對成熟煙葉的識別率達到了73%,有效地降低了煙葉的破損率。

目前,對于煙葉采摘機構破損率較高的問題研究較少,且采摘煙葉設備的工作參數沒有得到進一步的優化。為此,結合許昌煙田煙葉的采摘情況,對采摘機構進行了優化設計,并進行了田間試驗,確定了最佳的工作參數,有效解決了煙葉破損率高的問題,為煙葉采摘設備的研究提供了技術支持。

1 采摘器總體結構及工作原理

1.1 煙葉種植農藝

河南地區煙葉的種植農藝要求如圖1所示。煙苗一般在4月中旬移栽,壟底寬900mm,壟頂寬360mm,壟間距1200mm,壟高不低于280mm,株距一般在550～600mm之間。

圖1 煙葉種植農藝Fig.1 Tobacco planting agronomy

1.2 采摘器總體結構

煙葉采摘機構由采摘刀、傳送輥、鏈輪箱、隔葉板、導流板、撥刀及機架等組成[10],如圖2所示。為了提高煙葉的采凈率和降低煙葉的破損率,采摘刀會扭轉相應的角度且采用采摘刀的形狀呈波浪狀。為了更好地提高輸送效率,橡膠輥上的凸臺與橡膠輥的軸線呈現一定夾角。動力輸出端安裝有霍爾傳感器,作用是對采摘刀的轉速和傳送輥的轉速進行實時監測[11],傳送輥輸送裝置放置于采摘刀的下方。

圖2 采摘機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of picking mechanism

1.3 采摘機構工作原理

由于煙葉的成熟有先后順序,同一株煙株上不同層次的煙葉成熟時間間隔約為7～10天,因此煙葉是分層采摘的。采摘機構工作時,把采摘刀調整到合適的轉速,采摘機構調整到合適的高度。由于采摘車向前行駛,采摘刀既有向前的直線運動也有自身的旋轉運動,采摘刀在旋轉的過程中與成熟的煙葉發生碰撞,把成熟的煙葉打下,隨即掉落在傳送輥上;由于傳送輥和采摘刀是同時運動的,煙葉會隨著傳送輥的運動而掉落在傳送帶上,把成熟的煙葉輸送到后面的煙筐里,完成采收。

2 關鍵部件結構設計

2.1 采摘刀的設計

優良的采摘刀在采摘煙葉時可以起到事半功倍的作用,設計采摘刀的形狀呈波浪狀[12],如圖3所示。采摘刀的長度由煙株的株距而定,煙株的株距一般為550～600mm,采摘刀應比煙株的株距略長,故采摘刀的長度定為640mm。

圖3 采摘刀三維模型Fig.3 Picking knife assembly

采摘刀的上方是隔葉板,隔葉板與采摘刀之間應留有空隙,避免采摘刀與隔葉板之間相互摩擦,損壞采摘刀。隔葉板通過L型圓鋼與機架相連,有效保證了隔葉板與機架是同頻率震動,實現了煙葉分層采摘的效果。采摘刀的后方配置一個波浪狀的撥刀,目的是為了防止被摘掉的煙葉在傳送輥上產生擁堵,撥刀與采摘刀共用一根傳動軸,二者的速度相同。由于煙葉圍繞煙稈任意生長,生長方向不一定都是與采摘刀垂直,故將采摘刀的形狀設計為波浪狀,可對煙株一側的所有煙葉進行采摘,從而提高煙葉的采凈率。采摘刀與煙葉接觸的模型如圖4所示。

圖4 采摘刀與煙葉的接觸模型圖Fig.4 Contact model diagram of picking knife and tobacco leaves

采摘刀與煙葉接觸時產生的拍打力F為

F=ma

(1)

由于采摘刀圍繞動力輸出軸做圓周運動,則

(2)

(3)

式中f—采摘刀與煙葉接觸時產生的摩擦力(N);

a—采摘刀的加速度(m/s2);

m—采摘刀的質量(kg);

V—采摘刀的末速度(m/s);

V0—采摘刀的初速度(m/s);

T—采摘刀達到指定轉速所需要的時間(s)。

因為采摘刀是在靜止的時刻開始運轉,V0和T0都等于0,采摘刀的質量約為2kg,采摘刀正常旋轉時的速度約為3.5m/s,采摘刀達到正常速度所需的時間約為0.5s,帶入數據得采摘刀與煙葉接觸時產生的拍打力約為14N。

采摘刀兩側的刀谷與刀鋒間隔排列,左側的刀谷對應右側的刀鋒,刀鋒和刀谷的半徑均為35mm,以保證刀谷能對煙株形成合圍之勢,提高煙葉的采凈率。

2.2 采摘刀與地面的夾角

為了提高煙葉的采摘效率,采摘刀一般需要與地面有一定的夾角[13],夾角與采摘刀的長度和煙株的葉距有關。所設計采摘刀的長度為640mm,煙株的平均葉距為120mm,采摘刀與地面的夾角θ≈10°,由圖5所示。

θ=sin-1(H/L)

(4)

式中H—兩片煙葉之間的葉距(mm);

L—采摘刀的長度(mm);

θ—采摘刀與地面的夾角(°)。

圖5 采摘刀與地面夾角的原理分析圖Fig.5 The principle analysis diagram of the angle between the picking knife and the ground

2.3 采摘刀扭轉的角度

當采摘刀不扭轉任何角度時,對煙葉的損傷較大,容易打碎煙葉。所以,采摘刀需要扭轉一定的角度,呈螺旋狀[14],對煙葉的損傷程度可大大降低,如圖6所示。

圖6 扭轉一定角度時的采摘刀Fig.6 Picking knife when twisted at a certain angle

車的行進速度V車和采摘刀的采摘速度V采摘有如下關系,即

(5)

V采摘=ωr=2πnr

(6)

所以

V車=2πnrtanα

(7)

式中α—采摘刀的扭轉角度(°);

n—采摘刀的轉速(r/s),n∈(2.5,4);

r—采摘刀中心線到采摘刀邊緣的距離(mm)。

由采摘刀的二維圖可知,第一段采摘刀的中心線到采摘刀邊緣的距離均為90mm,采摘車在正常工作時的車速約為0.36m/s,則

(8)

將以上數據帶入式(8)得tanα∈[0.159,0.255]。由反三角函數可得α∈[9.0°,14.3°]。

此α角為采摘刀第一段上的扭轉角度,因為采摘刀有3對波峰和波谷,故采摘刀扭轉的角度應≥3α,即[27.0°,42.9°]。

由于采摘刀的輪廓并不是對稱的,需要對第二段波峰與波谷進行計算。第二段中,采摘刀中心線到采摘刀邊緣波谷的距離為65mm,采摘刀中心線到采摘刀邊緣波峰的距離為115mm,且由于采摘刀的轉速也是一個變量,采摘刀在采摘煙葉時對煙葉的拍打次數平均為3次/s,取采摘刀的轉速為3r/s,有

(9)

將以上數據帶入式(9)可得tanα∈[0.167,0.294]。由反三角函數可得α∈[9.4°,16.7°]。

此α角為采摘刀第一段上的扭轉角度,因為此采摘刀有3對波峰和波谷,所以采摘刀扭轉的角度應≥3α,即[28.2°,50.1°]。

2.4 傳送輥的設計

經采摘刀打下的煙葉掉落在傳送輥上,傳送輥起到輸送煙葉的作用。傳送輥由多個橡膠輥組合而成,橡膠輥圓周有10排傾斜的凸筋,主要作用是增加煙葉與橡膠輥之間的摩擦力[15]及運輸的平穩性。單個的傳送輥由7個橡膠輥組成,第1個橡膠輥和另外6個橡膠輥的旋向相反,主要是為了防止煙葉擁堵導致輸送效率下降。橡膠輥的外徑為70mm,內徑為22mm,長度為160mm,相鄰兩個傳送輥之間留有30mm的空隙,其目的是不干擾各自的運轉。

傳送輥的三維模型如圖7所示。傳送輥上有7個橡膠輥,左邊第1個橡膠輥的旋向與其余6個橡膠輥的旋向相反;當旋向都相同時,隨著傳送輥的運動,煙葉會逐漸云運動到橡膠輥的一端,造成煙葉擁堵,從而導致傳送效率下降。

圖7 傳送輥三維模型

傳送輥轉速的快慢對煙葉的采摘有直接影響,傳送輥轉速過高會把煙葉卷破,影響煙葉的破損率及煙葉的質量,傳送輥轉速過低會影響煙葉的輸送,造成煙葉擁堵,影響采摘效率。一般橡膠輥頂圓的線速度在V∈(0.73,0.95)m/s,則有

V=ωr

(10)

ω=2πn

(11)

由式 (10)、式(11)可得

(12)

將以上數據帶入式(12)得

n∈(200,260)r/min

式中V—橡膠輥頂圓的線速度(m/s);

ω—橡膠輥頂圓的角速度(rad/s);

n—橡膠輥的轉速(r/s);

r—橡膠輥頂圓的半徑(mm)。

2.5 采摘過程中采摘刀的受力分析

把采摘刀看成蝸桿,把煙株的煙稈看成渦輪[16],當煙株上的煙葉與采摘刀在任意一點接觸時,建立采摘刀的受力分析模型,如圖8所示。其中,軸向力Fa1方向的確定:首先,確定主動輪和主動輪的旋轉方向,在渦輪蝸桿中,一般以蝸桿為主動輪,煙稈為從動輪;由于主動輪是右旋,根據右手法則,右手大拇指的方向即為軸向力Fa1的方向。由牛頓第三定律可知,煙株的煙稈所受的圓周力Ft2與采摘刀所受的軸向力Fa1是一對大小相等,方向相反的相互作用力。與此同時,煙株的煙稈還會受到采摘刀的摩擦力Fm1。

由圖8分析可得

Ft2=Fa1

(13)

Fm1=Fmcosδ

(14)

Fa1=Fm·cosδ

(15)

Ft2=Ft1/tanβ

(16)

式中Fm—煙稈與采摘刀之間的摩擦力(N);

Fm1—車行駛方向上摩擦力的分力(N);

Fa1—采摘刀即模型中蝸桿所受的軸向力(N);

Ft2—煙稈即模型中渦輪所受的圓周力(N);

δ—車行進方向與煙稈切向方向之間的夾角(°);

β—渦輪上的螺旋角,在渦輪蝸桿中β=γ;

γ—蝸桿上的導程角。

圖8 煙株與采摘刀之間力的分析Fig.8 Analysis of the force between the tobacco plant and the picking knife

螺旋角的表達方式如圖9示。

圖9 螺旋角的展開示意圖Fig.9 Schematic diagram of the development of the helix angle

由圖9得

(17)

式中D—采摘刀的軸徑,軸徑表示的是軸的外徑尺寸(mm);

L—采摘刀的長度(mm)。

因此,煙株不被采摘刀剮蹭的臨界條件為

Fm1=Fm·cosδ=Fa1=Ft2=Ft1/tanβ

(18)

2.6 煙葉在傳送輥不打滑的臨界條件

傳送輥與地面之間呈一定的夾角β1,如圖10所示。對右旋的橡膠輥進行受力分析,可以把橡膠輥和煙葉之間的相對運動看成斜齒輪之間的嚙合運動。由于傳送輥是由馬達驅動,煙葉在傳送輥上運動,且煙葉隨著傳送輥的運動而運動,所以把傳送輥看成主動輪,煙葉看成從動輪[17];若作用在任意一點K,在K點對煙葉進行受力分析,受力模型如圖11所示。在K點對煙葉進行受力分析得

Gsinβ1=Fm+Ft1·cosβ1

(19)

煙葉在傳送輥上不打滑的臨界條件為

Fm=Gsinβ1-Ft1·cosβ1

(20)

式中G—煙葉的重力(N);

β1—傳送輥與地面之間的傾角(°);

Fm—煙葉所受的摩擦力(N);

Ft1—煙葉所受的圓周力(N),Ft1=2T1/d1。

圖10 傳送輥與地面之間的夾角Fig.10 The angle between the transfer roller and the ground

圖11 煙葉在傳送輥上的受力分析Fig.11 Force analysis of tobacco leaves on conveying rollers

3 煙葉的正交旋轉試驗的設計與分析

試驗所選取煙葉的品種為中煙100,以煙株的株距(A)、采摘刀的轉速(B)、采摘車的行駛速度(C)為試驗因素,采用三因素三水平正交旋轉組合試驗[18],如表1所示。

將劃定區域內的煙葉收集起來,對完整煙葉的片數進行記錄,對破損煙葉的片數進行記錄,進行多次試驗求平均值,煙葉破損率為

(21)

式中P—破損率(%);

Ki—每個區域內破損煙葉數量(片);

Mi—每個區域內實際采收煙葉數量(片)。

利用Design-expert軟件對試驗數據進行處理,如表2和表3所示。

表1 正交試驗參數表Table 1 Orthogonal test parameter table

表2 采摘煙葉試驗結果Table 2 Test results of picking tobacco leaves

表3 煙葉的破損率多項式模型的方差結果分析Table 3 Analysis of variance results of polynomial model of damage rate of tobacco leaves

續表3

由表3可知:影響煙葉破損率的因素依次為B>C>A,且煙株的株距和采摘刀的轉速之間存在交互作用。采摘刀的轉速決定了采摘煙葉時煙葉受力的大小,隨著采摘刀轉速的提高,煙葉受到的拍打力越大,摩擦力也越大;當力到達一定程度時,煙葉就會出現打折、撕裂甚至斷開等現象。

采摘車的行駛速度對煙葉破損率的影響僅次于采摘刀的轉速,當采摘車的行駛速度過高時,車速會對煙葉產生撞擊作用,把煙葉撞爛甚至撞掉;且因采摘刀不能及時完成對煙葉的拍打,從而導致采摘刀與煙葉之間產生拉扯,容易把煙葉扯爛,煙葉的破損率增大,如圖12和圖13所示。

圖12 破損煙葉與完整煙葉Fig.12 Intact and damaged tobacco leaves

圖13 田間試驗Fig.13 Field test

用Design-Expert.V8.0.6軟件對采集到的數據進行處理分析[19-20],得到煙株的株距、采摘刀的轉速、煙葉采摘車的行駛速度對煙葉破損率的影響程度,其響應面如圖14所示。其中,縱軸表示煙葉的破損率。分別固定煙葉株距、采摘刀的轉速和煙葉采摘車的行駛速度因素為零水平,根據所得到的響應曲面圖,分析其余兩個因素間的交互作用對煙葉破損率指數的影響。

以煙葉的破損率最低為目的進行優化,根據QZRD-2079359177以煙葉的破損率最低為目的進行優化,根據QZRD 002-2019自走式煙葉采收機中的要求,煙葉的采凈合格率≥95%,煙葉的漏采合格率≤5%,煙葉的破損合格率≤10%。綜合考慮各個因素以及臨界條件等影響因素并對該問題進行數學建模并進行整合求解,其評價函數和約束條件為

Fmax=X1-X2-X3

(22)

(23)

其中,Fmax是最終整合的目標函數。運用Design-Expert8.0.6軟件的優化模塊,對約束目標整合求解,結果表明:在煙株的株距為579mm、采摘刀的轉速為246r/min、煙葉采摘車的行駛速度為1.4km/h時,煙葉的破損率為9.36%,達到了預期要求。

圖14 行駛速度、轉速、株距3因素交互作用對煙葉破損率的影響Fig.14 Influence of the interaction of driving speed, rotation speed and plant spacing on the damage rate of tobacco leaves

4 結論

1)完成了煙葉采摘機構整體結構的設計,對煙葉與采摘刀的摩擦力進行了理論分析,通過理論分析和計算得出了采摘刀采摘煙葉時所需的夾角10°,傳送輥的轉速為200～260r/min。

2)對采摘刀進行受力分析,得到了采摘刀不剮蹭煙株的臨界條件,對傳送輥進行受力分析,得出煙葉在傳送輥上不打滑的臨界條件。通過Design-Expert8.0.6進行了三因素三水平正交試驗,得出了降低煙葉破損率的最優參數組合。研究結果表明:在煙株的株距為579mm、采摘刀的轉速為246r/min、煙葉采摘車的行駛速度為1.4km/h時,煙葉的破損率為9.36%,達到了預期要求。