花生撿拾摘果聯(lián)合收獲機的研制

0花生拾拾摘果聯(lián)合收獲機設(shè)計花生是中國的重要作物和油料作物，在許多世界各國和地區(qū)廣泛傳播。中國花卉種植面積約占世界花卉種植面積的1.5%，占世界花卉總額的40%，是世界上最重要的。在中國,雖然在總體上花生的種植面積很大,但是在大部分地區(qū),花生的收獲始終需要大量的人力、物力,不僅效率低下,而且相應(yīng)的增加了勞動成本。目前的花生聯(lián)合收獲機雖能減輕勞動強度,但挖掘裝置對不同土壤類型的適應(yīng)性較差,不能滿足花生在收獲時的要求,制約著中國花生整體產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。根據(jù)花生的相關(guān)種植、收獲的農(nóng)藝要求,兩段收獲是花生最理想的收獲形式。但是,目前中國還未有性能相對穩(wěn)定的花生撿拾摘果聯(lián)合收獲機。在收獲花生時,一般將花生挖掘、鋪放,再由人工進(jìn)行撿拾、收集,人工或者半機械化的摘果機進(jìn)行摘果,不僅增大了花生收獲時的勞動強度,并且收獲效率低下,費工費時,增加了生產(chǎn)成本。由于在花生的主產(chǎn)區(qū)需要騰茬種麥,造成需要搶收搶種,如果遇到陰雨等惡劣天氣,就會影響花生的收獲,導(dǎo)致出現(xiàn)花生的漚根、落果、發(fā)芽、霉變等損失,使花生果的品質(zhì)嚴(yán)重下降。中國花生主要采用一壟兩行的種植模式,行與行之間采用交叉錯蔸播種,挖掘后花生呈有序鋪放狀態(tài),為花生撿拾摘果聯(lián)合收獲機的開發(fā)提供了基礎(chǔ)。針對目前中國花生種植模式和效率低、勞動強度大、生產(chǎn)成本高等問題,本文設(shè)計了一種花生撿拾摘果聯(lián)合收獲機,并進(jìn)行了田間試驗。該機可一次完成花生撿拾、輸送、摘果、清選、集果等作業(yè),減少人工投入,大大提高了花生收獲的效率,填補了中國花生撿拾摘果聯(lián)合收獲機的空白。1鏈?zhǔn)侥猃垙楜X拾拾裝置設(shè)計的4HJL-2型花生撿拾摘果聯(lián)合收獲機采用全喂入背負(fù)式,動力為兗州30拖拉機。工作裝置包括鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置、輸送裝置、摘果裝置、清選裝置以及升運集果裝置,整體呈側(cè)向配置?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置2與輸送裝置3位于拖拉機的左側(cè),由摘果裝置4通過鏈傳動提供動力。工作時,鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置的指桿將鋪放在地表的花生挑起,在輸送裝置3的帶動下輸送到喂入口,使花生落入螺旋圓弧面板式摘果裝置4。摘果裝置4位于拖拉機1的后方,由拖拉機通過鏈傳動提供動力。進(jìn)入摘果裝置4的花生隨著摘果攪龍做高速旋轉(zhuǎn)。由于離心作用,且花生莢果的質(zhì)量和密度相對較大,花生莢果向外甩出,在摘果攪龍和凹板篩的相互作用下,實現(xiàn)甩捋運動與果柄分離,完成摘果作業(yè),落入到振動篩上面。振動篩靠近風(fēng)機5的一端并向下傾斜,在抖動的過程中,既實現(xiàn)了泥土與短莖稈的篩落,又使花生向風(fēng)機一端滾動;而花生葉、長莖稈和較輕的雜質(zhì)在風(fēng)機的作用下被吹出機外。升運集果裝置6位于拖拉機的右側(cè),由拖拉機通過帶傳動提供動力。清選后的花生落入升運集果裝置6,在提升板的帶動下輸送到落果箱并自然下落,被下方的集果袋收集。落果箱下方設(shè)有2個卸料口,之間裝有隔板,可在卸料口之間進(jìn)行切換。當(dāng)集果袋裝滿時關(guān)閉一個卸料口進(jìn)行換袋,不影響機器正常作業(yè)。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。2分路傳動技術(shù)4HJL—2型花生撿拾摘果聯(lián)合收獲機傳動系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)緊湊,功率消耗少,動力分配合理,從而使撿拾裝置、螺旋圓弧面板式摘果裝置、清選裝置和升運集果裝置獲得合適的速度,保證各部分工作協(xié)調(diào),從而保證準(zhǔn)確傳動比和較高的傳動效率,滿足花生撿拾摘果聯(lián)合收獲的要求。該機采用分路傳動系統(tǒng)。動力從發(fā)動機輸出后,一路經(jīng)帶傳動到達(dá)提升裝置,為提升裝置提供動力;另一路通過鏈傳動傳遞到主軸,為作業(yè)組件提供工作動力。主軸直接帶動摘果攪龍的旋轉(zhuǎn),并通過錐齒輪帶動風(fēng)機運動。主軸的動力通過帶傳動到達(dá)振動篩連桿,使振動篩做往復(fù)運動。具體傳動系統(tǒng)配置及參數(shù)見圖2。3勞動設(shè)備的設(shè)計3.1鏈?zhǔn)侥猃垙楜X拾拾裝置的模型材料分析鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置的作用是將鋪放在地表的花生從地上撿起,為后續(xù)作業(yè)做準(zhǔn)備。撿拾裝置由指桿、托板、螺母、螺釘?shù)炔糠纸M成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于在撿拾的過程中指桿與地面接觸,且花生對指桿有直接作用力,要求指桿具有良好的柔韌性、抗沖擊能力、尺寸穩(wěn)定性、機械強度。綜合考慮,指桿采用增韌尼龍6作為材料。經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)指桿與托板之間的夾角為20°~35°、指桿端部與根部之間的夾角為158°~172°、指桿根部的弧度為0.785~1.047rad時具有較好的撿拾效果。指桿通過螺釘和螺母與托板固定相連,數(shù)量為3組,每組包括2根指桿,均勻分布在托板的同一個面上。如圖4所示。鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置具有如下優(yōu)點:1)指桿采用增韌尼龍6,強度適宜,不但保證了能夠完成撿拾作業(yè),而且減少了對作物的沖擊,保證了果實的完整性;2)由于指桿具備良好的柔韌性、抗沖擊能力強,在作業(yè)中遇到石塊等障礙物時往往不會由于撞擊而斷裂,確保了撿拾作業(yè)的正常進(jìn)行,減少了設(shè)備維護(hù)的次數(shù);3)指桿包括直線型的指桿前端和圓弧狀的指桿根部,采用直線型的指桿前端將作物從地上鏟起,然后隨著收獲機械的運行作物進(jìn)入指桿根部,減少作物的滑落,降低了漏檢率。由于鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置在對花生進(jìn)行撿拾作業(yè)時,彈齒與花生會突然接觸,導(dǎo)致鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置瞬間受到?jīng)_擊。且在撿拾的過程中,彈齒與花生之間的摩擦?xí)l(fā)生響應(yīng),使求解難以收斂,對撿拾效果產(chǎn)生影響。所以,有必要對鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置進(jìn)行接觸應(yīng)力分析。運用Pro/Engineering三維CAD軟件完成對實體模型的建立。將模型導(dǎo)入到ansys中,對尼龍彈齒撿拾裝置進(jìn)行接觸應(yīng)力分析。指桿的材料定義為增韌尼龍6,其余部分的材料定義為45號鋼。各個部分的接觸類型定義為Bonded,然后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,進(jìn)行載荷加載。劃分網(wǎng)格后模型全部劃分成6面體單元映射網(wǎng)格,如圖5所示。撿拾的瞬間,花生除受重力G以外,還對指桿產(chǎn)生瞬時沖擊載荷Ft以及摩擦力Ff(圖6)。尼龍彈齒受到的沖擊載荷F′t與Ft大小相等,方向相反。由于兩個接觸體都可以變形,所以根據(jù)有限元柔—柔接觸條件有:式中:gn為鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置張開函數(shù);g0為指桿與花生接觸邊界法向應(yīng)力,N;n為指桿與花生接觸邊界的切向應(yīng)力,N;u為指桿與花生接觸邊界的位移向量,m;σn為指桿、花生接觸體的應(yīng)力,N;Pn(u)為鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置的初始張開函數(shù)。為滿足上式,在Ansys中設(shè)置參數(shù)條件:接觸邊界條件設(shè)為nodetosurface,接觸剛度因子FKN設(shè)為0.5(柔—柔接觸),得到鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置的應(yīng)變、應(yīng)力分布云圖。如圖7所示。由圖7可知,最大位移發(fā)生在指桿的端部,位移量為7.3957mm;最大應(yīng)力發(fā)生在靠近指桿根部的一側(cè),最大應(yīng)力為25.973N。由于增韌尼龍6具有較高的回彈性(彎曲強度60MPa,彎曲模量1500MPa),在不超過材料本身的極限時,會迅速恢復(fù)到初始位置。顯然鏈?zhǔn)侥猃垙楜X撿拾裝置最大應(yīng)變及最大應(yīng)力都在回彈范圍內(nèi),在滿足撿拾要求的情況下,不會對裝置造成破壞。3.2輸送速度分析輸送裝置是將撿拾后的花生輸送到摘果裝置。其中,提升板安裝在輸送鏈上,用來固定撿拾裝置,并在輸送鏈的帶動下連續(xù)運動。外罩位于輸送裝置的外面,減少風(fēng)等外界因素對花生輸送的干擾。具體結(jié)構(gòu)運動如圖8。輸送鏈的速度,必須保證將撿拾的花生及時并可靠地輸送到摘果裝置,且被輸送的植株之間應(yīng)保持一定距離,使撿拾負(fù)荷均勻。對輸送過程進(jìn)行運動分析,如圖9所示。所以式中,vs為花生絕對運動速度,m/s;vq為機組前進(jìn)速度,m/s;vl為輸送速度,m/s。所以構(gòu)造輔助線mn,使mnuf05eom,則在只考慮速度大小的情況下所以為了確?；ㄉ谶\動的過程中始終位于輸送裝置上,應(yīng)使vs與vq反向延長線夾角。所以δ>1,vl>vq。由于拖拉機工作前進(jìn)速度大多集中在25~55m/min,考慮到后續(xù)摘果質(zhì)量,喂入速度不宜過多大,花生輸送速度40~60m/min。根據(jù)經(jīng)驗,輸送裝置傾角通常保持在10°~30°。樣機試制完成后,進(jìn)行可靠性工程試驗。將樣機在輸送速度57m/min的情況下連續(xù)運轉(zhuǎn)72h,工作平穩(wěn),并未發(fā)現(xiàn)可靠性薄弱環(huán)節(jié)及明顯缺陷。證明該樣機具有良好的可靠性。3.3摘果結(jié)構(gòu)及尺寸確定本文所設(shè)計的摘果裝置采用螺旋圓弧面板式的結(jié)構(gòu)。輸送裝置將待摘花生輸送到喂入口,在重力的作用下花生落到摘果攪龍面板上。由于摘果攪龍采用螺旋圓弧面板式的結(jié)構(gòu),所以在摘果攪龍旋轉(zhuǎn)的過程中會使花生產(chǎn)生一個軸向推力,從而使花生莖蔓保持軸向的運動,這樣不僅避免了花生秧蔓的堆積,也有利于花生秧蔓從排秧口排除機外。同時,這種摘果結(jié)構(gòu)無需安裝摘果齒,從而避免了由于摘果齒的擊打作用而使花生產(chǎn)生破碎現(xiàn)象,降低了破碎率。其結(jié)構(gòu)如圖10所示。經(jīng)多次試驗,螺旋圓弧摘果攪龍轉(zhuǎn)速為598r/min,摘果攪龍長度為1680mm,摘果攪龍寬度為470mm時為摘果最優(yōu)組合。結(jié)合實際生產(chǎn)情況,當(dāng)螺旋角小于180°時,摘果裝置對經(jīng)過晾曬的帶果花生秧摘果效果較好,對剛收獲的帶果花生秧摘果效果較差;當(dāng)螺旋角大于180°時,雖然能對剛收獲的帶果花生秧進(jìn)行摘果,但花生秧推進(jìn)速度過快,造成摘果率低,損失率較大。因此,綜合考慮,確定摘果攪龍面板的螺旋角為180°。凹板的規(guī)格應(yīng)略大于摘果攪龍,從而確定凹板長2000mm,直徑850mm。樣機試制完成后,進(jìn)行可靠性工程試驗。將樣機在轉(zhuǎn)速598r/min的情況下連續(xù)運轉(zhuǎn)72h,工作平穩(wěn),并未發(fā)現(xiàn)可靠性薄弱環(huán)節(jié)及明顯缺陷。證明該樣機具有良好的可靠性。3.4試驗裝置及可靠性試驗本文所設(shè)計的聯(lián)合收獲機清選裝置所使用的風(fēng)機采取單風(fēng)道軸流式風(fēng)機,振動篩選用單層沖孔篩結(jié)構(gòu),是一種較為經(jīng)濟的清選組合裝置。該裝置的整體結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便,試驗時發(fā)現(xiàn)對秧蔓、莖稈等雜質(zhì)的清選效果明顯,能夠適應(yīng)所述花生收獲機的清選要求。軸流風(fēng)機主要由葉輪、機殼、主軸等零部件組成,如圖11所示。風(fēng)機安裝在振動篩出口的正上方,工作時氣體通過進(jìn)風(fēng)口向進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉片,被加壓后再軸向沿著出風(fēng)口軸向排出。該裝置氣流分布均勻,且具有低壓、大流量、高效等特點。參考谷物清選,結(jié)合田間試驗,發(fā)現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)速在1190r/min時具有較好的清選效果。振動篩靠近風(fēng)機的一端低于另一端,傾角為10°,使振動篩在往復(fù)抖動的過程中,不僅可以使泥土和短莖稈篩落,也讓花生果可向風(fēng)機一端滾動。花生葉、長莖稈和較輕的雜質(zhì)在風(fēng)機的作用下吹出機外,花生果通過振動篩的斜面從出果口流出。振動篩的規(guī)格應(yīng)大于凹板,如圖12所示。根據(jù)公式:式中,K為運動加速度比;r為曲柄半徑,m;ω為曲柄角速度,r/s;g為重力加速度,m/s2。振動篩的擺幅近似為2r,為了增強清選的效果,延長清選時間,脫出物沿篩面既有前滑又有后滑,且后滑量大于前滑量,但不允許有拋離篩面的現(xiàn)象發(fā)生。參照谷物清選裝置,結(jié)合田間試驗,K取0.06,r取25mm時可以取得較為理想的作業(yè)效果。樣機試制完成后,進(jìn)行可靠性工程試驗。將風(fēng)機在轉(zhuǎn)速1190r/min,振動篩曲柄轉(zhuǎn)速300r/min的情況下連續(xù)運轉(zhuǎn)72h,工作平穩(wěn),并未發(fā)現(xiàn)可靠性薄弱環(huán)節(jié)及明顯缺陷。證明該樣機具有良好的可靠性。3.5升運集果裝置升運集果裝置的主要作用是將清選之后的花生果進(jìn)行收集。由于清選裝置位于花生收獲機的下方,為方便收集,需要將花生提升一定的高度,再落入到收集袋中進(jìn)行收集。整個裝置的動力來源于背負(fù)的拖拉機,并通過心軸將拖拉機的動力輸入到整個裝置中。升運集果裝置的結(jié)構(gòu)形式如圖13所示。經(jīng)過清選之后的花生果從振動篩的末端出口落到升運集果裝置上。為防止花生果落到收獲機的外面,在升運集果裝置的底部安裝有引導(dǎo)擋板,可以引導(dǎo)花生果進(jìn)入到升運集果裝置里面,降低落果損失。提升板將花生果從升運集果裝置的底部提升一定的高度,在從落果箱中落下,通過套在套袋圈上的收集袋將花生果收集起來。在落果箱的,滿箱時直接裝袋,袋滿時關(guān)閉卸料口進(jìn)行換袋,不影響機器正常作業(yè)。升運集果裝置參照谷物籽粒輸送器設(shè)計公式:式中,l為升運集果長度,m;v為提升板的線速度,m/s;g為重力加速度,m/s2;β為升運集果裝置與水平面夾角(°);α為花生果對升運集果裝置的摩擦角(°)。提升板的線速度需要根據(jù)花生的喂入量進(jìn)行確定。實際生產(chǎn)中,提升板的線速度v保持在60m/min左右;重力加速度取9.81m/s2;為保證整臺機器結(jié)構(gòu)尺寸緊湊,同時還能達(dá)到實際生產(chǎn)要求,升運集果裝置與水平面之間夾角控制在40°~60°之間;花生果對升運集果裝置的摩擦角根據(jù)物料本身的性質(zhì),應(yīng)小于46°。綜上所述,升運集果裝置的長度為1.626m。樣機試制完成后,進(jìn)行可靠性工程試驗。將樣機在線速度60m/min的情況下連續(xù)運轉(zhuǎn)72h,工作平穩(wěn),并未發(fā)現(xiàn)可靠性薄弱環(huán)節(jié)及明顯缺陷。證明該樣機具有良好的可靠性。4試驗分析4.1實驗設(shè)備及試驗地點試驗對象的花生品種為魯花11號,分枝7~11條,株型緊湊,結(jié)果整齊集中,百果質(zhì)量210.0g左右,百仁質(zhì)量90.0g以上。配套動力為兗州30拖拉機(22kW)。試驗地點為青島市平度店子鎮(zhèn)花生試驗田。選用5個小區(qū)進(jìn)行重復(fù)試驗,每個測試區(qū)為長150m的2壟地段,每10m進(jìn)行1次試驗并記錄試驗數(shù)據(jù)。取5個小區(qū)平均值。試驗所用花生挖掘后在試驗田鋪條晾曬2d,每次抽樣2株,共抽樣5次。抽樣統(tǒng)計如表2所示。根據(jù)《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—花生收獲機作業(yè)質(zhì)量》(NY/7502-2002):1測定花生蔓延質(zhì)量測出試驗區(qū)內(nèi)帶蔓花生的質(zhì)量,收集所有未被機具撿拾的花生蔓,按式(8)計算撿拾率,并求出5個小區(qū)的平均值。式中,J為撿拾率,%;Ml為漏撿帶蔓花生質(zhì)量,g;Mt為每米帶蔓花生平均質(zhì)量,g;L為小區(qū)長度,m。2集果裝置表面質(zhì)量測定收集試驗后地面上的花生及花生蔓,將蔓上未被摘下的果摘下,并與集果裝置中果殼破碎的莢果一起稱重。測出集果裝置中花生果質(zhì)量,按式(9)計算損失率,并求出平均值。式中,S為損失率,%;Ws為損失莢果質(zhì)量,g;W為莢果總質(zhì)量,g。3生產(chǎn)率測算測出集果裝置中花生果質(zhì)量。按式(10)計算生產(chǎn)率,并求出5個小區(qū)的平均值。式中,E為生產(chǎn)率,kg/h;Wz為蔓上被機具摘下的莢果,kg;T為純工作時間,h。4.2box-benhnkenbbd響應(yīng)面試驗設(shè)計由于分析試驗的指標(biāo)和多個試驗因素之間存在多元非線性回歸的關(guān)系,而這種多元非線性回歸關(guān)系很可能是曲線或者曲面的關(guān)系,所以本文采用響應(yīng)面分析法(RSM)進(jìn)行分析。在原有單指標(biāo)試驗的基礎(chǔ)之上,根據(jù)box-benhnkendesign(BBD)試驗設(shè)計原理,對機組前進(jìn)速度X1、撿拾輸送速度X2以及輸送裝置傾角X3進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面試驗分析,試驗中測定撿拾率Y1(%)、損失率Y2(%)以及生產(chǎn)率Y3(kg/h)作為響應(yīng)值。采用三因素兩水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計方案對影響試驗指標(biāo)的3個主要參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化。試驗因素與水平設(shè)計如表3所示。響應(yīng)面分析方案及試驗結(jié)果如表4所示。4.3計算模型和試驗結(jié)果參數(shù)優(yōu)化理想的結(jié)果是在約束條件范圍內(nèi)盡可能選擇最優(yōu)的數(shù)值。優(yōu)化約束條件為:目標(biāo)函數(shù):maxY1(X1、X2、X3);min