玉米莖稈扶直包扎裝置設計與試驗

韓飛坡,朱 全,黃 魯,陳 華,盧旭珍,邵 帥

(1.馬鞍山學院 智造工程學院,安徽 馬鞍山 243100;2.安徽工業大學 機械工程學院,安徽 馬鞍山 243100)

0 引言

玉米作為我國三大主糧之一,對國民經濟發展和國家糧食安全極其重要[1]。近年來,隨著我國農業機械化水平的不斷進步,玉米收獲機械化也在不斷蓬勃發展,玉米種植面積逐年攀升。受大風、暴雨等外界因素的影響,玉米在種植過程中常常會出現大面積倒伏,不僅對玉米的光合作用、產量、品質造成巨大的負面影響,同時也給機械化收獲帶來嚴重阻礙[2]。2017年公布的《主要農作物品種審定標準》[3]中要求:普通玉米每年區域試驗及生產試驗中倒伏倒折率之和≤8.0%,且倒伏倒折率之和≥10.0%的試驗點比例≤20%;適宜機械化收獲的普通玉米,每年區域試驗及生產試驗倒伏倒折率之和≤5.0%的試驗點占全部試驗點比例≥90%。

研究玉米抗倒伏機理,對實現玉米高產穩產和機械化收獲乃至農業現代化發展具有十分重要的意義。為此,很多學者從玉米的形態特征、莖稈化學成分、莖稈組織結構、莖稈力學特性、種植密度、水肥管理調控栽培措施、病害蟲害及莖稈抗倒特性的遺傳等多方面對玉米植株的抗倒伏性能進行了研究[4-12],也有學者針對倒伏后的玉米機械收獲進行了相關玉米收獲設備的改進,減少了玉米收獲損失[13-14]。除此之外,對于倒伏在地的玉米農田,部分學者建議種植戶根據實際情況采取“一扶、二疏、三補、四防”的補救措施和“倒伏玉米見好就收,未倒伏玉米盡量推遲收獲”的應對策略,盡量降低玉米產量的損失[15]。以上研究對國內玉米生產方式起到了指導性作用,而關于倒伏后玉米植株的相關扶救農具鮮有報道。為此,針對玉米莖稈倒伏設計了一套玉米莖稈扶直包扎裝置,力求使玉米植株經扶直包扎后能夠較好地直立生長,降低倒伏對玉米產量、品質等的影響。

1 玉米莖稈扶直包扎裝置設計

1.1 扶直包扎對象物理模型建立

玉米倒伏一般分為根倒、莖倒和莖折3種類型[16]。對于根倒、莖倒情況,可以將玉米莖稈扶直后加固根部土壤,減輕對玉米生長的損傷;對于莖折情況,扶直玉米莖稈后還需要對折傷處包扎緊固,莖折相對于根倒、莖倒對玉米生長傷害更大,且沒有較好的補救措施,故選擇莖折后玉米莖稈作為扶直包扎對象。

玉米大多進入吐絲灌漿期之后發生莖折,且以穗下基部節間的莖折為主,大概率莖折發生在第3節間[5,17-19]。玉米株高因品種和栽培條件差異,一般矮稈株高只有0.5～0.8m,高稈有3～4m,莖稈為14～25節[20]。為了保證設計的扶直包扎裝置與真實莖稈具有較高的一致性,需對其物理結構尺寸進行測量統計分析。因此,以河北邯鄲某試驗田鄭單958品種吐絲灌漿期玉米植株為研究對象,對扶直包扎對象主要物理特性進行了研究,包括玉米莖稈株高、第3節莖稈直徑、莖稈質量(去除根部)等。其中,玉米莖稈橫截面可以近似為橢圓形,通過測量長短軸徑計算平均直徑,即

(1)

其中,D1為測量長軸直徑值;D2為測量短軸直徑;d為莖稈直徑平均值。

選取20株未受蟲害侵襲的吐絲灌漿期新鮮完整莖稈,擦洗干凈,測量玉米植株株高、莖稈直徑d(第3節)、第3節節中高度(距地面)、穗高等。玉米形態特征示意圖如圖1所示,測量結果如表1所示。

表1 玉米樣品主要特征測量平均值Table 1 Average value of main characteristics of Maize samples

注:H1為第3節節中高度(mm);H2為穗高(mm);H為玉米植株株高(mm)。圖1 玉米形態特征Fig.1 Morphological characteristics of Maize

1.2 扶直包扎裝置結構設計

扶直包扎裝置主要由扶直裝置和包扎裝置兩部分組成,如圖2和圖3所示。

1.抓手 2.電動推桿圖2 扶直裝置組成Fig.2 Composition of straightening device

扶直裝置由電動推桿與抓手組成。電動推桿與抓手通過螺栓連接,啟動電源電動推桿會將抓手伸出一定距離,抓套玉米植株后可利用電動推桿將抓手縮回一定距離,完成玉米植株的扶直工作。

包扎裝置是利用平行四邊形機構的原理,使連接處的4個支鏈可以進行伸長和縮短,從而實現裝置的展開與閉合。圖3(a)、(b)分別為包扎裝置展開、閉合時結構示意圖。包扎裝置主要由主板、次板、連桿、夾口組成,主板分上下兩層,其間由兩個支撐柱連接,還預留有與連桿鉸接的若干鉸接柱;主板與次板通過鉸接柱鉸接,連桿之間通過夾口鉸接。

1.3 工作原理

利用扶直裝置將玉米莖稈扶直后,左手拇指與中指/食指固定包扎裝置端部主板,同時左手協助左臂匡扶玉米莖稈,右手繞玉米莖稈轉動其他主板、次板,通過包扎裝置末端連桿與主板鉸接扣合,完成對玉米莖稈的包扎工作。包扎時,注意夾口應與玉米莖稈貼合。

1.4 包扎裝置模塊及自由度確定

包扎裝置在對玉米莖稈包扎過程中,空間結構均在與玉米莖稈垂直平面內運動。為進一步對該結構進行研究,可將結構向與玉米莖稈垂直平面投影。平面機構簡圖如圖4所示。

圖4 包扎裝置展開閉合示意圖Fig.4 Schematic diagram of opening and closing of binding device

圖4中,實線表示包扎裝置閉合狀態,虛線為展開狀態。

為了設計出結構合理的包扎裝置及尺寸參數,將其分為固定模塊和N個活動模塊,每個模塊由1個板、2個連桿組成。圖4中,板A1A2A3A4、桿A3A5、桿A5B4為一組固定模塊,板A2B2B3B4、桿B3B5桿B5C4為第1個活動模塊,板B2C2C3C4、桿C3C5、桿C5D4為第2個活動模塊。當機構中的可展模塊數繼續增加時,以此類推。

圖4中,1個固定模塊共有3個構件,即板A1A2A3A4、桿A3A5、桿A5B4,鉸鏈總數為2。根據平面機構自由度計算公式,則

F=3n-2PL-PH

(2)

此時,包扎裝置機構的自由度為

F=3×2-2×2=2

(3)

當包扎裝置機構有2個模塊(1個固定模塊、1個活動模塊)時,機構自由度為

F=3×5-2×6=3

(4)

當機構模塊數擴展為N時,活動構件總數為3N-1,總鉸鏈數為4(N-1)+2,則機構自由度為

F=3(3N-1)-2[(4(N-1)+2)]=N+1

(5)

由以上分析可知:當包扎裝置模塊數發生改變時,機構整體自由度隨模塊數增加而變大。這說明,當包扎裝置包扎玉米莖稈時,為了使得包扎裝置能夠按照預定軌跡繞玉米莖稈包扎,需要雙手提供更多的原始動力觸發點。

包扎裝置(模塊數1～6)機構自由度如表2所示。

表2 1～6模塊包扎裝置自由度Table 2 Freedom of binding device for Module 1～6

為使包扎器能夠穩固夾持玉米莖稈,至少需要3個模塊,如圖5所示。隨著模塊增多,與玉米莖稈夾持點也增多。

圖5 不同模塊包扎裝置閉合示意圖Fig.5 Closing diagram of binding devices of different modules

人手是人臂前端的一部分,由拇指、食指、中指、無名指、小指和手掌組成。人手可以借助手指的功能,來實現各類靈活多變的動作和對物體的抓取[21]。在操作包扎裝置時,手指能夠提供一定的原始動力,調整包扎裝置各模塊位置,包扎裝置模塊越多,需要調整位姿的模塊數量也越多,不便于用戶手工操作;同時,考慮到玉米莖稈截面近似橢圓,三模塊夾持點可能會有夾空現象,因此確定包扎器模塊數為4。經多次試驗,包扎時固定模塊由左手拇指與中指/食指手持固定,右手對其余模塊調整位姿,進行包扎閉合操作較為便捷。期間共需要提供5處原始動力觸發點,用于對包扎裝置的姿態調整。

1.5 扶直包扎裝置主要尺寸參數確定

1)扶直裝置主要尺寸參數的確定。圖6為人體操作扶直裝置將玉米植株扶直工作過程。根據《中國成年人人體尺寸》,18～60歲男、女上臂平均長度為524mm[22],扶直時人體到玉米植株距離H3不應超過上臂長度524mm,且不超過玉米種植行距和株距。玉米植株扶直過程中,玉米雌穗對玉米植株作用力較大,扶直裝置抓套玉米植株時應該在玉米雌穗附近處抓套。同時,人體操作扶直器為站姿操作,考慮操作舒適性,玉米植株扶直過程中人體上臂與人體冠狀面大致成45°角,算出扶直裝置行程約1000mm,玉米植株除去根部質量大約為3kg,扶直裝置拉力應大于43N。綜上所述,確定扶直器主要參數:行程1000mm,拉力45N。

注:H3為人體冠狀面到玉米植株距離(mm)。圖6 扶直裝置工作示意圖Fig.6 Working diagram of straightening device

2)包扎裝置主要尺寸參數的確定。圖4中,∠A1A2A3=45°。包扎裝置由展開狀態轉化為閉合狀態過程中,lA3A5=lA5B4,在包扎裝置閉合時應保持桿A3A4與莖稈邊緣相切或者相離。取莖稈直徑20mm,為保證夾持點能夠夾持到玉米莖稈,lA3A5應滿足的條件為

(6)

包扎裝置展開狀態時,在ΔA2A3A5中,有

(7)

(8)

為保證包扎器具有較好的剛度和強度,取lA1A2=50,lA3A5=15,lA2A3=21.21,包扎裝置主要尺寸取整如表3所示。

表3 包扎裝置主要尺寸參數Table 3 Working diagram of straightening device main dimensional parameters of binding device

2 試驗

為了檢驗扶直包扎裝置的使用性能,采購了電動推桿,并配備抓手作為扶直裝置,搭建了包扎裝置,如圖7所示。

圖7 包扎裝置實物模型Fig.7 Physical model of binding device

選定河北邯鄲某一農戶種植田地進行扶直包扎試驗,試驗對象選取鄭單958品種吐絲灌漿期第3節間倒折玉米植株,試驗區玉米行距390mm,株距180mm。將具有多年農耕經驗玉米種植戶分成兩組,每組10人。其中,一組為徒手扶直,利用木條與塑料捆扎繩等對玉米莖稈扶直包扎,為傳統組;另一組手持扶直包扎裝置對玉米莖稈扶直包扎,為裝置組。規定扶植包扎時間為10min,兩組分別沿著田間玉米行進行扶植包扎,記錄每分鐘內每組玉米莖稈扶直包扎數目。兩組扶直包扎數目對比如表4所示。

表4 玉米莖稈扶直包扎數目對比Table 4 Comparison of the number of corn stalk straightening and binding 株

扶直包扎試驗結果表明:在規定的時間內,傳統組玉米莖稈扶直包扎的總數目為167株,平均每分鐘可扶直包扎16.7株;裝置組玉米莖稈扶直包扎的總數目為607株,平均每分鐘可扶直包扎60.7株。可以看出,裝置組效率明顯高于傳統組。

通過圖8所示的玉米莖稈扶直包扎數目對比可以發現:傳統組扶直包扎效率低下,隨著時間推移,扶直包扎數目逐漸較少。分析原因可能是:扶直包扎工作需要扶直、包扎兩道工序完成,在沒有專用裝備輔助下,一個人單獨完成較為困難,在試驗中往往是兩個人協作完成,扶直玉米莖稈時需要頻繁的彎腰、俯身,該過程中玉米葉片對人體胳膊、面部皮膚會造成一定的拉傷,包扎時需要兼顧固定木條與塑料捆扎繩的操作,惡劣的作業環境和復雜的操作增加了扶直包扎時間及體力消耗。裝備組扶直包扎效率約是傳統組的3.6倍,扶直包扎數量明顯多于傳統組,隨著時間進一步增加,裝備組扶直包扎效率趨于穩定。原因為:初步操作對扶直包扎裝備使用不熟練,前期效率有所波動,后期逐漸熟練,效率趨于穩定;操作過程中不需彎腰扶直玉米莖稈,包扎裝置可直接對玉米莖稈進行包扎是高效率的主要原因。

圖8 扶直包扎對比圖Fig.8 Comparison diagram of straightening and binding

3 結論

1)從人因工程學角度出發,設計了一套針對玉米莖稈倒伏的扶直包扎裝置,并介紹了整機結構及工作原理。同時,以鄭單958品種吐絲灌漿期第3莖節倒折的玉米植株為研究對象,確定了扶直包扎農具主要參數。

2)扶直包扎試驗表明:裝置組玉米莖稈扶直包扎的總數目為607株,平均每分鐘可扶直包扎60.7株,效率明顯高于傳統組,包扎穩固,可以避免彎腰扶直、徒手包扎等復雜操作,使得勞動強度降低,保障了人身安全,體力消耗均勻。