于文娟，楊然兵，尚書旗，石　超，楊紅光

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島　266109)

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鏟篩組合式花生分段收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

于文娟，楊然兵，尚書旗，石超，楊紅光

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266109)

摘要：針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有花生分段收獲機(jī)械化程度低、動(dòng)力消耗大及工作穩(wěn)定性差等問題，研究設(shè)計(jì)了一種鏟篩組合式花生分段收獲機(jī)。該機(jī)將花生的挖掘工序和分離工序合二為一，可一次完成挖掘、去土、送秧等工序，采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)分離篩振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了兩側(cè)機(jī)構(gòu)等角度、同方向擺動(dòng)，減小機(jī)身側(cè)向力。田間試驗(yàn)測(cè)試表明：收獲機(jī)挖掘深度平均為143mm，落果率平均為0.21%，破損率平均為0.33%，果秧含土率平均為0.31%，耗油量平均為712g/kW·h。

關(guān)鍵詞：花生；收獲機(jī)械；鏟篩組合；分段收獲

0引言

花生是我國(guó)主要的油料經(jīng)濟(jì)作物，種植面積廣闊，需求量大。我國(guó)在花生收獲方面機(jī)械化水平較低，目前的花生收獲無論是人工、畜力還是簡(jiǎn)易的機(jī)械，整個(gè)收獲過程都要經(jīng)過兩道以上的工序：首先是將花生從土里挖掘；然后人工除土。由此導(dǎo)致果秧?yè)p失大、勞動(dòng)成本高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

現(xiàn)有的花生分段收獲機(jī)主要由挖掘鏟和抖動(dòng)鏈結(jié)合組成，其結(jié)構(gòu)要相對(duì)復(fù)雜很多，因而相應(yīng)的成本較高，消耗的動(dòng)力較大，可靠性不高，花生果的損失過多，而且不能做到整齊鋪放，浪費(fèi)人力，影響效率。為此，設(shè)計(jì)了一種鏟篩組合式的花生分段收獲機(jī)。

1整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1整體結(jié)構(gòu)

鏟篩組合式花生分段收獲機(jī)主要由機(jī)架、變速箱、分離篩、限深輪、平面連桿機(jī)構(gòu)、防護(hù)罩等組成，挖掘鏟與分離篩為一體式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

分段收獲機(jī)懸掛在拖拉機(jī)后方，由11kW以上的拖拉機(jī)提供動(dòng)力，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)分離篩和挖掘鏟擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)機(jī)構(gòu)的等角度、同方向擺動(dòng)，減小機(jī)架側(cè)向力。

1.挖掘鏟　2.機(jī)架　3.變速箱

1.2工作原理

花生分段收獲機(jī)通過三點(diǎn)懸掛裝置懸掛在拖拉機(jī)后方，由拖拉機(jī)輸出軸通過萬向聯(lián)軸器為收獲機(jī)提供動(dòng)力。收獲過程中，花生分段收獲機(jī)將花生秧果與泥土一起由挖掘鏟鏟起；在隨著拖拉機(jī)前進(jìn)的過程中，花生秧果和泥土被推送到分離篩上，在分離篩上被向后輸送的同時(shí)，隨著分離篩的振動(dòng)其上的泥土被不斷清除，清選后的花生秧果經(jīng)過分離篩末端鋪放到地面上。

2主要工作部件

2.1機(jī)架

機(jī)架是分段收獲機(jī)的骨架，用于承受其他零部件的重力和工作載荷，并保證各零部件相對(duì)位置的基準(zhǔn)，對(duì)機(jī)架的要求是有足夠的剛度和硬度。機(jī)架橫梁選用60mm×60mm×3mm的方管，機(jī)架側(cè)板選用厚度為5mm的扁鋼，機(jī)架整體寬度為1.2m。機(jī)架主要包括三點(diǎn)懸掛裝置、側(cè)板、橫梁、挖掘鏟及限深輪固定板，如圖2所示。

圖2　機(jī)架三維模型

2.2挖掘鏟

挖掘鏟固定在分段收獲機(jī)機(jī)架上，挖掘鏟尾部通過柵桿與分離篩銜接。收獲過程中，機(jī)車相對(duì)花生果秧向前運(yùn)動(dòng)，從而使花生果秧通過挖掘鏟尾部柵桿運(yùn)動(dòng)到花生分離篩上。

挖掘鏟的主要技術(shù)參數(shù)主要為入土角α、鏟面長(zhǎng)度L、鏟的垂直高度h和鏟的割幅B等，其工作參數(shù)如圖3所示。

圖3　挖掘鏟工作參數(shù)

挖掘鏟的入土效果與其入土角度有關(guān)。當(dāng)挖掘鏟與地面所成夾角較小時(shí)，挖掘鏟受到土壤的反作用力較大，難以達(dá)到要求的深度，但鏟面阻力小，易于前進(jìn)；當(dāng)入土角度較大時(shí)，挖掘鏟受到土壤的反作用力較小，易于達(dá)到要求深度，此時(shí)鏟面阻力較大，前進(jìn)消耗的功率加大。圖4為挖掘鏟在前進(jìn)時(shí)的受力分析。

圖4　挖掘鏟受力分析

根據(jù)相關(guān)原理，為使機(jī)器能夠順利前行，應(yīng)滿足以下條件，即

式中P—鏟子受到土壤沿水平方向的阻力；

R—鏟子對(duì)土壤向前的水平推力；

T—挖掘鏟與土壤之間的摩擦力；

G—掘起物的重力；

α—挖掘鏟的入土角；

μ—土壤對(duì)鏟的摩擦因數(shù)，μ=tanφ。

由此求得

挖掘鏟的入土角與挖掘鏟受到水平方向阻力P的關(guān)系如圖5所示。

圖5　挖掘鏟受力分析

根據(jù)綜合衡量，為了使挖掘鏟受到的阻力不致于過大、入土深度便于調(diào)節(jié)，選擇入土角為15°，鏟面長(zhǎng)度L定為42mm。根據(jù)花生種植模式，確定鏟子的割幅為700mm，鏟子入土深度為150mm。

2.3分離篩

分離篩的作用是通過有規(guī)律的振動(dòng)將花生秧果與泥土分離。分離篩前端延伸至挖掘鏟柵桿下方，篩桿選用直徑為10mm的圓鋼。為避免花生果進(jìn)入篩桿間隙導(dǎo)致莢果脫落，增大掉果率，篩桿間隙設(shè)計(jì)為8～15mm。篩桿尾部設(shè)計(jì)為半圓弧型，便于疏導(dǎo)花生果秧并有序鋪放。分離篩固定在平行四桿機(jī)構(gòu)底架上，在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)擺動(dòng)，根據(jù)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)速，算出本設(shè)計(jì)的分離篩振動(dòng)頻率為7Hz。分離篩結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　篩桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.4平面連桿桿機(jī)構(gòu)

連桿機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)力機(jī)械、重型機(jī)械、輕功機(jī)械、機(jī)床、儀表和軍事工業(yè)中，如圖7所示。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式多樣，當(dāng)原動(dòng)件以同樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，可使從動(dòng)件得到各種不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，以滿足各種機(jī)械的不同要求。低副連接各構(gòu)件以面接觸，單位面積所受的壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損小，可承受較大載荷，能傳遞較大的動(dòng)力。低副的運(yùn)動(dòng)副元素幾何形狀簡(jiǎn)單、加工容易、制造方便，易獲得較高的制造精度；構(gòu)件可長(zhǎng)可短，可用于傳動(dòng)距離較大場(chǎng)合。

圖7　平行四桿機(jī)構(gòu)三維建模

該鏟鏈組合式花生收獲機(jī)需用兩個(gè)互相嚙合的錐齒輪改變傳動(dòng)方向，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)來帶動(dòng)分離篩的往復(fù)抖動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8　連桿機(jī)構(gòu)示意圖

以上傳動(dòng)部件所涉及的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，桿件A-B為原動(dòng)件，作為曲柄，能夠?qū)崿F(xiàn)整周轉(zhuǎn)動(dòng)；桿件D-E為從動(dòng)件，作為搖桿，只能做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；桿件B-D為連桿，通過連桿B-D，曲柄A-B的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成搖桿D-E的往復(fù)擺動(dòng)。

偏心輪(見圖9)是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的核心部件，通過偏心軸與連桿連接，將傳動(dòng)軸的圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲柄搖桿的往復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)而促成分離篩的上下振動(dòng)，從而將秧果和泥土分離。本文偏心輪的偏心距離設(shè)計(jì)為8mm。

圖9　偏心輪機(jī)構(gòu)示意圖

根據(jù)花生收獲機(jī)的工作性能，確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)為：LA-B=350mm，LB-C=195，LC-D=300，LD-E=300,LE-F=300。A、B、C、D、E、F處均為轉(zhuǎn)動(dòng)副，選用滾動(dòng)軸承，B處用銷軸連接；桿A-B和E-F的厚度均為20mm。為了提高連桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的強(qiáng)度及避免連桿的過度磨損，在B、D、E、F處分別焊接一厚10mm、直徑40mm的圓形墊片。

搖桿機(jī)構(gòu)的輸入軸轉(zhuǎn)速540r/min，傳動(dòng)比為23/17，所以輸出軸轉(zhuǎn)速為400r/min，偏心輪的轉(zhuǎn)速為120r/min。由于偏心輪帶動(dòng)連桿的往復(fù)擺動(dòng)，偏心輪轉(zhuǎn)1圈，連桿往復(fù)擺動(dòng)1次，頻率f大約為5Hz。長(zhǎng)軸兩端的機(jī)構(gòu)互相對(duì)稱，在錐齒輪的傳動(dòng)下，等角度、同方向帶動(dòng)逐稿器擺動(dòng)，使機(jī)架承受的側(cè)向力相互平行,機(jī)組工作平穩(wěn)，并大大減少了運(yùn)動(dòng)阻力及無用功。在連桿機(jī)構(gòu)的各轉(zhuǎn)動(dòng)副處需要設(shè)計(jì)油孔，以保證其足夠潤(rùn)滑，提高使用壽命。

3收獲機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

為了測(cè)試鏟篩組合式收獲機(jī)整機(jī)運(yùn)動(dòng)效果、平行四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作情況和各結(jié)構(gòu)之間是否有干涉，采用Pro/E和ADAMS軟件進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)動(dòng)仿真。

首先利用Pro/E三維軟件完成鏟篩組合式分段收獲機(jī)的三維建模，并根據(jù)收獲機(jī)的工作原理進(jìn)行模型簡(jiǎn)化；在M/pro中形成剛體和約束，并導(dǎo)入到ADAMS軟件中，根據(jù)花生收獲機(jī)關(guān)鍵部件的工作機(jī)理，確定各部件的作業(yè)參數(shù)(見圖10)；根據(jù)各部件在收獲過程中的受力情況和運(yùn)動(dòng)參數(shù)為三維模型添加力和約束，并設(shè)定收獲機(jī)的前進(jìn)速度和曲柄轉(zhuǎn)速等作業(yè)參數(shù)，利用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模塊完成收獲機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真。

圖10　收獲機(jī)參數(shù)設(shè)定

通過ADAMS完成收獲機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：收獲機(jī)各部件不存在干涉，整機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，平行四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)效果良好。導(dǎo)出收獲機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度分析結(jié)果，如圖11、圖12所示。

圖11　收獲機(jī)運(yùn)動(dòng)速度

圖12　收獲加速度

4田間試驗(yàn)

為檢測(cè)鏟篩組合式收獲機(jī)的作業(yè)性能，在常年種植花生的地塊進(jìn)行了田間測(cè)試。經(jīng)測(cè)量，試驗(yàn)田地含水量15.2%，植株平均高度515mm,平均雜草量150g/m2。將收獲機(jī)懸掛在12kW拖拉機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中，收獲機(jī)收獲作業(yè)長(zhǎng)度不低于20m，每隔1m設(shè)置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別測(cè)量統(tǒng)計(jì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)收獲機(jī)的挖掘深度、落果率、破損率、收獲機(jī)每小時(shí)的耗油量和收獲后果秧的含土率，并計(jì)算出平均值?？偣策M(jìn)行3組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　田間試驗(yàn)結(jié)果

田間試驗(yàn)過程中，分段收獲機(jī)工作穩(wěn)定，分離篩與挖掘鏟銜接效果良好，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，收獲后的花生果秧鋪放整齊均勻，果秧含土率較低。

5結(jié)論

研制了一種鏟篩組合式分段花生收獲機(jī)，將花生的挖掘工序和分離工序合二為一，能夠一次性完成挖掘、去土、送秧等工序；采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)分離篩振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了兩側(cè)機(jī)構(gòu)等角度、同方向擺動(dòng),減小機(jī)身側(cè)向力。

采用Pro/E和ADAMS軟件完成收獲機(jī)三維模型的運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)整機(jī)的運(yùn)動(dòng)效果和各部件的干涉情況進(jìn)行檢測(cè)，并求出收獲機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度。采用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，生產(chǎn)加工前完成收獲機(jī)的檢測(cè)與參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：收獲機(jī)各部件運(yùn)行效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)設(shè)計(jì)的收獲機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，收獲機(jī)在田間試驗(yàn)過程中運(yùn)行穩(wěn)定，各部件工作正常，收獲后的花生果秧鋪放整齊，挖掘深度平均為143mm、落果率平均為0.21%，破損率平均為0.33%，果秧含土率平均為0.31%，耗油量平均為712g/kW·h。

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Abstract ID:1003-188X(2016)06-0163-EA

Design and Experiment of Sieve Shovel Combined Peanut Harvester

Yu Wenjuan, Yang Ranbing, Shang Shuqi, Shi Chao, Yang Hongguang

(College of Mechanical and electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：According to China's existing peanut mechanization harvest low segment, large power consumption, poor working stability, design a kind of shovel type peanut harvester segment combination. This machine will be mining process and separation process of peanut Become, can complete the mining, to the soil, the seedling feeding process, the crank rocker mechanism drives the separating sieve vibration, realize the point, both sides of the same direction swing mechanism, reduce the lateral force. The field experiment tests that the harvester digging depth is 143mm, the average drop rate was 0.21%, the average damage rate was 0.33%, the average fruit containing soil for the average rate of 0.31%, average fuel consumption is 712g/kW·h.

Key words：peanut; harvesting machinery; shovel combination; subsection harvest

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0163-04

中圖分類號(hào)：S225.7+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：于文娟(1965-)，女，山東海陽(yáng)人，副研究館員，(E-mail)363159866@qq.com。通訊作者：尚書旗(1958-)，男，山東青州人，教授，博士，(E-mail)sqshang@qau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015TS202-1)；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目(BS2012NY004)

收稿日期：2015-05-09