龔境一，葉 進(jìn)，楊 仕，劉 玲，陳俊杰

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

0 引言

目前，重慶榨菜種植面積達(dá)9.15萬hm2，約占全國種植面積的1/2，僅涪陵區(qū)就有近4.01萬hm2[1-2]。但是，榨菜的育苗、移栽和收獲等田間生產(chǎn)環(huán)節(jié)都還停留在人工階段。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的日益短缺和勞動(dòng)力成本的不斷增加，特別是人工收獲量大的榨菜青菜頭，工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，已嚴(yán)重影響榨菜的產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益，成為制約榨菜生產(chǎn)田間機(jī)械化發(fā)展的一個(gè)重要因素。基于近年來重慶市榨菜產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)發(fā)展的迫切需求，提出了適宜于丘陵山地的榨菜機(jī)械化收獲的研究。

浙江寧波特能機(jī)電有限公司的吳渭堯等人自2004年起便開始對(duì)余姚的榨菜機(jī)械化收獲機(jī)械進(jìn)行研發(fā)，但由于浙江地區(qū)榨菜種植區(qū)在沿海平原上，土壤平整而肥沃，榨菜的生長(zhǎng)整齊，十分利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的生產(chǎn)，其所有設(shè)計(jì)均基于適合于平原的大型機(jī)械收獲模式，但并不適合重慶丘陵山區(qū)這一地形特點(diǎn)[3-5]。

根據(jù)對(duì)重慶涪陵地區(qū)榨菜種植基地的考察及榨菜物理特性的分析，設(shè)計(jì)出一種集扶葉、夾持拔取、輸送及切葉等為一體的榨菜收獲機(jī)，該機(jī)適宜于丘陵山區(qū)，整機(jī)尺寸小，提高了榨菜收獲的效率，降低了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)方案、工作原理及技術(shù)要求

1.1 整機(jī)傳動(dòng)路線設(shè)計(jì)

該榨菜收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用5.5kW自帶1/2減速的通用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端通過帶輪與主變速箱進(jìn)行動(dòng)力連接，變速箱輸出動(dòng)力一方面直接給驅(qū)動(dòng)輪提供動(dòng)力，一方面通過鏈傳動(dòng)經(jīng)由離合器、直角換向器向夾持皮帶帶輪提供動(dòng)力[6-8]。整機(jī)擬采用的傳動(dòng)路線如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)路線圖Fig.1 Transmission train

1.2 工作原理

根據(jù)田間前期試驗(yàn)研究和探索，對(duì)榨菜的基本工作原理及樣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖2所示。榨菜收獲機(jī)正常在田間工作時(shí)，由兩個(gè)位于機(jī)架后部的主動(dòng)輪提供前進(jìn)動(dòng)力，由兩個(gè)布置于機(jī)架前方的萬向輪實(shí)現(xiàn)機(jī)架的前部支撐且作為機(jī)器的轉(zhuǎn)向輪。發(fā)動(dòng)機(jī)位于收獲部件的后方，布置于總機(jī)架之上，并通過變速箱向主動(dòng)行走輪提供動(dòng)力。

1.扶葉器 2.飛拱 3.拔取夾持裝置外機(jī)架 4.內(nèi)支架 5.彈性齒夾持輸送帶 6.切葉切莖刀 7.中間支架 8.大夾持帶輪 9.直角換向器 10.動(dòng)力總成 11.扶手 12.減速箱 13.行走輪 14.離合器組件 15.主機(jī)架 16.萬向輪 17.切根刀盤架 18.切根刀盤 圖2 榨菜收獲試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the structure of test prototype of tumorous stem mustard harvester

整機(jī)的具體工作原理：由扶葉器將散開的莖葉直立扶起，并通過一定的張角將莖葉漸漸扶攏送至夾持機(jī)構(gòu)入口；夾持橡膠帶與夾持中間支架輻條將莖葉漸漸夾緊，并與地面形成一定角度做斜向上運(yùn)動(dòng)，以完成榨菜的垂直方向拔取和水平向后輸送；夾持的同時(shí)切根裝置在機(jī)架的前行推力和土壤摩擦力的雙重作用下被動(dòng)旋轉(zhuǎn)并向前滾動(dòng)，完成對(duì)榨菜的切根動(dòng)作；夾持運(yùn)輸?shù)倪^程中，位于夾持帶上方和下方并與夾持帶線速度方向成一定角度布置的兩把切刀用于完成青菜的除櫻操作，下部刀片完成榨菜與莖葉的分離，上部刀片將莖葉分成兩段，以便于莖葉還田；切斷莖葉后的榨菜在重力的作用下掉入位于機(jī)架下部的料箱中。

1.3 技術(shù)要求

本研究為前期探索性的實(shí)驗(yàn)研究，因此在設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣機(jī)時(shí)對(duì)某些較為關(guān)鍵的收獲指標(biāo)進(jìn)行了一定的處理，以便于實(shí)現(xiàn)先行樣機(jī)的研究試制。由于針對(duì)的地形為丘陵山區(qū)，既要滿足收獲作業(yè)的地塊小、地形復(fù)雜的地理特點(diǎn)，整機(jī)方案配置必須小型化和輕量化。該試驗(yàn)樣機(jī)的主要技術(shù)要求如表1所示。

表1 榨菜收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The main technical parameters of haivester

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 夾持拔取裝置設(shè)計(jì)

夾持拔取裝置的總體尺寸設(shè)計(jì)要求如下：整個(gè)夾持機(jī)架處于工作狀態(tài)時(shí)其水平長(zhǎng)度不超過1 500mm；菜頭拔起后最大升起高度不小于800mm；根據(jù)胡蘿卜等類似原理收獲機(jī)，夾持拔取裝置工作平面與水平面的夾角在25°～45°之間，根據(jù)夾持拔取試驗(yàn)結(jié)果分析，取夾持拔取裝置入口處最低點(diǎn)為200mm。

圖3 拔取裝置參數(shù)計(jì)算原理圖Fig.3 Diagram of the principle parameters of the delivery unit

總體尺寸設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示，則夾持拔取裝置相關(guān)參數(shù)公式為

S=(h-h')cotα

(1)

L=(h-h')/sinα

(2)

LP≈πd+2L

(3)

其中，S為夾持拔取裝置的水平長(zhǎng)度；h為榨菜升起的最小高度；h′為整機(jī)機(jī)架底面離地高度；α為夾持拔取裝置工況下與水平面夾角；L為夾持皮帶帶輪軸距；Lp為單根夾持皮帶長(zhǎng)度；d為夾持皮帶輪直徑。計(jì)算時(shí)，初步取工作面與水平面夾角30°，整機(jī)機(jī)架底部離地面100mm，榨菜拔起后離地距離最小為800mm，計(jì)算得到夾持拔取裝置水平長(zhǎng)度為1 212.5mm，帶輪軸距1 400mm，夾持帶長(zhǎng)度根據(jù)后期皮帶輪直徑大小而定。

2.2 夾持帶設(shè)計(jì)

夾持帶的設(shè)計(jì)是夾持拔取組件設(shè)計(jì)中的重中之重，是實(shí)現(xiàn)夾持拔取功能的關(guān)鍵執(zhí)行部件，它不可對(duì)莖葉造成過度損傷，避免夾持榨菜莖葉斷裂而導(dǎo)致拔取失敗，同時(shí)還要考慮皮帶有足夠的柔韌性和抗拉強(qiáng)度。參考國內(nèi)外類似夾持裝置的皮帶結(jié)構(gòu)及榨菜莖葉的脆性，設(shè)計(jì)了帶輪接觸面廣角結(jié)構(gòu)、莖葉接觸面為多條橡膠條均布的設(shè)計(jì)方案，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 夾持皮帶結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the delivery belt

夾持帶關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)：由于需要保證皮帶夾持榨菜莖葉時(shí)沿榨菜自然生長(zhǎng)的軸心垂直向上拔取， 夾持

帶的運(yùn)動(dòng)在水平方向上的速度必須要與整機(jī)前進(jìn)速度匹配，因此夾持帶的線速度由整機(jī)前進(jìn)速度決定。設(shè)計(jì)時(shí)，選取了普通V帶B型傳動(dòng)。帶輪基準(zhǔn)直徑與帶輪轉(zhuǎn)速、皮帶線速度存在以下關(guān)系，即

(4)

由于皮帶傳動(dòng)屬于擾性傳動(dòng)，在設(shè)計(jì)中考慮皮帶包角以及皮帶與帶輪的貼合度，選用主動(dòng)帶輪直徑為180mm和從動(dòng)帶輪基準(zhǔn)直徑120mm，求得主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速np=50.96r/min，查表并采用線性插入法，計(jì)算得單根V帶額定傳遞功率為0.15kW。V帶根數(shù)為

(5)

其中，ΔP0代表當(dāng)傳動(dòng)比不等于零時(shí)單根V帶的額定功率增量，這里為0；Kα代表當(dāng)包角不等于180°時(shí)的修正系數(shù)，這里為1；KL代表當(dāng)帶長(zhǎng)不等于試驗(yàn)規(guī)定時(shí)的特定帶長(zhǎng)的修正系數(shù)，根據(jù)式(3)計(jì)算得帶長(zhǎng)Lp=3 365mm，查表并使用線性插入法求得修正系數(shù)取值為1.078。

經(jīng)計(jì)算求得Z≥0.62，取Z=1，即理論所需V帶根數(shù)為1。但考慮皮帶傳動(dòng)的平穩(wěn)性以及不沿皮帶輪軸向移動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)取均布布置的5條V帶布置。夾持帶V帶的帶型參數(shù)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 夾持帶設(shè)計(jì)圖紙F(tuán)ig.5 Drawings of the delivery belt

2.3 鏈傳動(dòng)離合器的設(shè)計(jì)

由于在機(jī)器轉(zhuǎn)運(yùn)過程中需要切斷夾持帶傳動(dòng)部分的動(dòng)力，因此在樣機(jī)設(shè)計(jì)中采用并設(shè)計(jì)了十字聯(lián)軸器(見圖6)，左右聯(lián)軸器通過平鍵與兩軸分別做滑動(dòng)連接，當(dāng)需要?jiǎng)恿鬟f時(shí)將聯(lián)軸器滑塊鑲嵌連接，反之則分開。所有鏈輪跟離合器軸、換向器軸及帶輪軸均通過平鍵連接和傳遞動(dòng)力，鏈輪的軸向限位通過緊定螺釘來實(shí)現(xiàn)。

1.軸承座 2.輸入軸 3.輸入鏈傳動(dòng)自減速箱 4.離合器接塊A 5.離合器接塊B 6.輸出軸 7.輸出鏈傳動(dòng)至換向器 圖6 離合器及軸的設(shè)計(jì)Fig.6 Design of the clutch and the shaft

2.4 輪胎、減速器的選擇

2.4.1 車輪的選型設(shè)計(jì)計(jì)算

由于車輪的直徑及整機(jī)工況下的前進(jìn)速度直接決定了從發(fā)動(dòng)機(jī)至行走輪的總傳動(dòng)減速比，因此需要先行計(jì)算擬選用的車輪直徑大小。對(duì)于工況下，車輪所提供的牽引力需要與整機(jī)受到的阻力平衡，車輪最大直徑通過式(6)計(jì)算，即

(6)

其中，Nemax為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩；Fz為整機(jī)工況下受到的前進(jìn)阻力；Dmax為輪子的最大直徑。根據(jù)所選發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，其額定轉(zhuǎn)速為1 800r/min，輸出扭矩為15.5N·m，計(jì)算得Dmax≤0.34，選取微耕機(jī)通用高花紋輪胎300-8，其直徑為300mm，輪面寬為8cm。

2.4.2 主減速器的選型設(shè)計(jì)

由于整機(jī)為手扶式操作的小型農(nóng)用收獲機(jī)械，考慮到了直接選用微耕機(jī)的變速箱作為試驗(yàn)樣機(jī)的主變速箱，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)布置形式及整機(jī)工況參數(shù)等均與本研究樣機(jī)類似。經(jīng)調(diào)研對(duì)比，最終直接選擇了匯田農(nóng)機(jī)HT-900的變速箱，其關(guān)鍵基本參數(shù)：

整體尺寸/mm：210×584

質(zhì)量/kg：18

箱體材料：鑄鋁

減速比：23.83及17.3

最大輸出扭矩/N·m：950

檔位：兩進(jìn)一空

2.4.3 各級(jí)傳動(dòng)比設(shè)計(jì)計(jì)算

農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)工作環(huán)境惡劣，沖擊載荷較為頻繁，因此在設(shè)計(jì)傳動(dòng)時(shí)必須要充分考慮其可靠性。對(duì)于榨菜收獲試驗(yàn)樣機(jī)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，還需要考慮整機(jī)前進(jìn)速度與夾持帶線速度的匹配，因此除發(fā)動(dòng)機(jī)至減速箱采用皮帶傳動(dòng)以保證工況下反饋回來的沖擊載荷不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損壞外，其他部分傳動(dòng)均采用鏈傳動(dòng)，以達(dá)到低速重載環(huán)境下較遠(yuǎn)軸距間的動(dòng)力傳遞和保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比[6-7]。

第1級(jí)帶傳動(dòng)部分根據(jù)所選行走輪計(jì)算行走輪轉(zhuǎn)速為

(7)

則發(fā)動(dòng)機(jī)至行走輪軸的傳動(dòng)比為

(8)

其中，已知n=1 800r/min，v=2km/h，d=0.3m，聯(lián)立式(7)、式(8)得nz=35.37r/min，Iz=2.14。

第2級(jí)鏈傳動(dòng)部分總傳動(dòng)比為：

(9)

由于總的傳動(dòng)比小于2，因此采用單級(jí)變速，其余部分采用固定傳動(dòng)比為1的傳動(dòng)方式，以提高總的傳動(dòng)效率。

3 田間試驗(yàn)

2016年1月30日，在重慶市涪陵區(qū)榨菜研究所榨菜種植基地進(jìn)行了初步田間試驗(yàn)，如圖7所示。根據(jù)扶葉高度、扶葉口寬度及夾持高度的不同分為3組試驗(yàn)，試驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)組合如表2所示。在扶葉高度為100mm、扶葉口寬度為200mm及夾持高度為200mm時(shí)，夾持成功率為92.30%。

圖7 試驗(yàn)樣機(jī)田間試驗(yàn)情況Fig.7 Field test of the experimental prototype表2 夾持拔取試驗(yàn)結(jié)果 Table 2 Clamping and extraction of experimental results

扶葉高度/mm扶葉口寬度/mm夾持高度/mm夾持有效寬度/mm成功率/%100150200200242.5±64.892.30300300268.1±47.235.70200250185±6.766.70

試驗(yàn)中，夾持輸送帶速度適當(dāng)，榨菜拔起運(yùn)行平穩(wěn)，夾持輸送帶夾持力度適當(dāng)，但對(duì)于個(gè)別根系特別發(fā)達(dá)的榨菜存在拔斷葉片的現(xiàn)象。同時(shí)，榨菜葉片進(jìn)入夾持輸送帶中間時(shí)，存在葉片對(duì)中困難的問題。總的來說，田間試驗(yàn)效果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)論

該榨菜收獲機(jī)的研制為解決人工收獲榨菜勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作環(huán)境差及收獲效率低等問題打下了較好的基礎(chǔ)，填補(bǔ)了國內(nèi)丘陵山區(qū)榨菜機(jī)械化收獲研發(fā)的空白。同時(shí)，通過理論分析確定了試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)原理和傳動(dòng)路線，并通過計(jì)算確定了各個(gè)零部件的關(guān)鍵參數(shù)。通過三維建模軟件對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)各個(gè)零部件進(jìn)行了三維建模和虛擬裝配，對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)論證，并通過田間試驗(yàn)確定了收獲機(jī)扶葉及夾持部分的最優(yōu)參數(shù)組合，為后續(xù)榨菜收獲機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。

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