徐文騰，趙 靜，崔 欣，李其昀，金誠(chéng)謙

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

玉米是我國(guó)主要的糧食作物之一，也是一種重要的工業(yè)原料[1]。近幾年來(lái)，國(guó)家加大了玉米收獲機(jī)械化的推廣力度，使玉米收獲機(jī)械化水平得到極大的提高[2]。我國(guó)擁有廣闊的玉米種植面積，因?yàn)楦鞯貐^(qū)的地質(zhì)差異，所以存在多種種植模式，種植行距不統(tǒng)一[3]。玉米種植行距的不統(tǒng)一，導(dǎo)致了玉米收獲時(shí)，存在植株被推倒造成損失的現(xiàn)象[4]。

摘穗裝置是玉米收獲機(jī)的核心工作部件，對(duì)玉米的收獲品質(zhì)起到了至關(guān)重要的作用，同時(shí)摘穗裝置的摘穗性能也是玉米收獲機(jī)作業(yè)性能評(píng)價(jià)的重要因素[5]。我國(guó)現(xiàn)有的摘穗裝置主要是利用拉莖輥或摘穗板對(duì)果穗的擠壓、碰撞完成摘穗的，摘穗過(guò)程中容易對(duì)玉米果穗造成啃傷，影響玉米的收獲品質(zhì)[6]。隨著我國(guó)玉米收獲技術(shù)的不斷成熟，降低玉米籽粒的損失率，已成為迫切需要解決的問(wèn)題[7]。山東理工大學(xué)的程修沛等人，對(duì)上拉莖掰穗裝置進(jìn)行了前期實(shí)驗(yàn)[8]。為此，通過(guò)分析該裝置存在的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高其對(duì)行適應(yīng)性和秸稈處理能力，使其能夠在一定程度上對(duì)玉米秸稈進(jìn)行切斷；改善上拉莖掰穗裝置抽出的秸稈過(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)象，能夠在拉莖掰穗的同時(shí)將玉米秸稈進(jìn)行切斷，以便后續(xù)工作機(jī)構(gòu)對(duì)秸稈進(jìn)行粉碎還田處理。

1 試驗(yàn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

該掰穗裝置試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的主要目的是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不對(duì)行及倒伏玉米的撥禾喂入，掰穗機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)玉米果穗以自上而下的方式進(jìn)行掰穗，并完成對(duì)秸稈的切斷工作。同時(shí)，要求能夠?qū)o輥的間隙進(jìn)行一定范圍的調(diào)整，且上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置能夠整體進(jìn)行一定角度的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)不同角度情況下對(duì)試驗(yàn)臺(tái)裝置性能的檢測(cè)。

1.1 試驗(yàn)臺(tái)組成

上拉切莖式仿生玉米掰穗試驗(yàn)臺(tái)的主要工作部件為掰穗機(jī)構(gòu)、玉米植株輸送機(jī)構(gòu)、撥禾喂入機(jī)構(gòu)、功率測(cè)試系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如圖1所示。

1.功率測(cè)試儀 2.掰穗機(jī)構(gòu) 3.撥禾喂入機(jī)構(gòu) 4.玉米植株輸送軌道 5.玉米植株 6.高速攝像機(jī) 7.計(jì)算機(jī)

掰穗機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、滾子鏈聯(lián)軸器、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、刀片式拉莖輥，以及摘穗板等部分。刀片式拉莖輥能夠保證對(duì)玉米秸稈的有效拉力，減少摩擦打滑導(dǎo)致的秸稈無(wú)法向上拉出的現(xiàn)象；添加柔性材料的摘穗板位于輸送拉莖輥下方，是掰穗的主要工作部件。撥禾喂入機(jī)構(gòu)由大小兩套鏈輪組組成，喂入機(jī)構(gòu)所形成的平面與掰穗機(jī)構(gòu)所在的平面垂直，將不對(duì)行或倒伏的玉米撥正喂入；大鏈輪組帶有撥齒，將玉米莖稈撥正后，兩邊撥齒對(duì)接防止玉米植株的回倒，如圖2所示。玉米植株輸送機(jī)構(gòu)由電機(jī)和導(dǎo)軌組成，使用套管固定玉米植株，由電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)軌將玉米植株輸送至掰穗機(jī)構(gòu)，用以模擬玉米收獲機(jī)的行走運(yùn)動(dòng)。功率測(cè)試系統(tǒng)由功率測(cè)試儀及電腦組成，功率測(cè)試儀與勵(lì)磁調(diào)速器相連，用以檢測(cè)和記錄裝置的功率消耗情況，以便后續(xù)分析使用。高速攝像系統(tǒng)由高速攝像儀和計(jì)算機(jī)相連，在裝置運(yùn)行過(guò)程中記錄玉米秸稈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及各部件對(duì)秸稈的作用效果，以便確認(rèn)各部件的工作效果。

1.撥禾鏈撥齒 2.撥禾鏈 3.玉米植株

1.2 掰穗機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

工作時(shí)，玉米植株由輸送裝置引導(dǎo)輸送，首先進(jìn)入撥禾喂入裝置，由撥禾喂入裝置將不對(duì)行或倒伏的玉米進(jìn)行扶正收攏喂入掰穗機(jī)構(gòu)；喂入到掰穗機(jī)構(gòu)后，刀片式拉莖輥相向運(yùn)動(dòng)夾持引導(dǎo)植株向上向后運(yùn)動(dòng)，玉米果穗觸碰摘穗板，并對(duì)果穗施加側(cè)向向下推力，使果穗產(chǎn)生彎曲折斷脫離植株；果穗不與輸送拉莖輥直接接觸，掰穗完成的同時(shí)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行切斷抽出，再配合其他工作部件如粉碎還田機(jī)構(gòu)進(jìn)行還田等綜合利用。

玉米秸稈進(jìn)入掰穗機(jī)構(gòu)后，主要受到刀片的切莖力F1、F2，如圖3所示。當(dāng)玉米果穗碰到摘穗板時(shí)，摘穗板給予果穗一個(gè)向下的沖擊力T，穗柄彎曲折斷完成掰穗步驟。其中，P為拉莖輥對(duì)玉米秸稈施加的向上向后的拉力(N),即F1、F2的合力；P1為玉米秸稈所受的向上的分力(N)；P2為玉米秸稈所受的向后的分力(N)；F1、F2分別是兩個(gè)拉莖輥對(duì)玉米秸稈施加的力(N)；T為摘穗板對(duì)玉米果穗施加的掰穗力(N)。

1.玉米秸稈 2.拉莖輥 3.摘穗板 4.玉米果穗

2 關(guān)鍵工作部件結(jié)構(gòu)與參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 刀片式拉莖輥主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì)

刀片式拉莖輥的安裝方式?jīng)Q定了拉莖切莖的效果，拉莖輥安裝方式主要有兩種:一種是刀片交錯(cuò)排列，如圖4(a)所示。這種安裝方式的優(yōu)點(diǎn)是拉莖效果好，但是秸稈切斷效果一般。另一種是刀片相對(duì)安裝，如圖4(b)所示。這種安裝方式的優(yōu)點(diǎn)是切莖效果好，但容易出現(xiàn)秸稈被拉斷的現(xiàn)象。

(a) 刀片交錯(cuò) (b) 刀片相對(duì)

為保證秸稈的切斷效果，選用第二種安裝方式。摘穗輥的間隙對(duì)切莖拉莖的效果起到至關(guān)重要的作用，間隙過(guò)大莖稈切不斷，間隙過(guò)小容易將玉米秸稈切斷。拉莖輥拉莖過(guò)程中，要求在玉米秸稈還沒(méi)切斷前，第二對(duì)刀片又夾住秸稈。根據(jù)查閱的文獻(xiàn)資料，確定轉(zhuǎn)動(dòng)的拉莖輥?zhàn)钚￠g隙為2～3mm。拉莖輥旋轉(zhuǎn)1周，玉米秸稈被切成4段，切斷長(zhǎng)度為L(zhǎng)。切斷長(zhǎng)度計(jì)算公式為

(1)

式中L—莖稈切斷長(zhǎng)度(mm)；

D—兩個(gè)相對(duì)刃口的直線距離，即拉莖輥的最大直徑(mm)。

由式(1)可以看出：秸稈的切斷長(zhǎng)度與拉莖輥的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，只與拉莖輥的最大直徑有關(guān)。

根據(jù)拉莖輥的最小間隙與拉莖輥的最大直徑可以求得兩拉莖輥的中心距a=96mm，兩拉莖輥以相同的速度相向旋轉(zhuǎn)。

2.2 撥禾喂入裝置主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì)

撥禾喂入裝置的主要參數(shù)有撥禾鏈的間距、傳動(dòng)鏈輪的傳動(dòng)比，以及節(jié)距、齒數(shù)。撥禾鏈的間距需要滿(mǎn)足玉米植株正常通過(guò)的要求，如圖5所示。其具體尺寸由玉米果穗最外端到玉米秸稈的距離來(lái)確定，對(duì)30株玉米植株進(jìn)行測(cè)量得到的最大距離為15.6cm，確定撥禾鏈的間隙為20cm。撥禾喂入過(guò)程中，需要保證玉米植株不能回落，由一對(duì)撥齒的對(duì)接來(lái)保證，根據(jù)撥禾鏈的間隙確定撥齒的長(zhǎng)度為9.5cm，可使玉米植株完全通過(guò)撥禾間隙，以免產(chǎn)生堵塞。

圖5 撥禾鏈間隙分析示意圖

小鏈輪的傳動(dòng)比需要根據(jù)拉莖輥的轉(zhuǎn)速及撥禾鏈的撥禾速度來(lái)確定。撥禾鏈的工作速度為撥禾鏈線速度的一個(gè)分量V1，V1為機(jī)器前進(jìn)速度Vm的2.0倍，并根據(jù)V1確定撥禾鏈的線速度V，它和拉莖輥與地面所成夾角有關(guān)，如圖6所示。其中，Vm為玉米植株前進(jìn)的速度，即機(jī)器的前進(jìn)速度(m/s)；V為撥禾鏈的撥禾速度(m/s)；V1、V2為撥禾速度水平和鉛直方向的分速度(m/s)。

1.拉莖輥 2.傳動(dòng)鏈輪組 3.撥禾鏈輪組 4.玉米植株

撥禾鏈線速度為

(2)

式中V—撥禾鏈的線速度(m/s)；

Vm—玉米植株前進(jìn)的速度(m/s)；

α—拉莖輥與地面所成夾角(°)；

d—撥禾鏈主動(dòng)鏈輪分度圓直徑(m)；

Rb—撥禾鏈主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速(r/min)。

取Vm=1m/s、α=40°，由式(2)得：V≈3m/s。由V得Rb≈460r/min。

傳動(dòng)鏈輪與撥禾鏈輪的連接方式如圖7所示。由撥禾線速度確定撥禾鏈輪的轉(zhuǎn)速Rb，并根據(jù)拉莖輥的轉(zhuǎn)速R確定傳動(dòng)鏈輪的傳動(dòng)比i。根據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算出傳動(dòng)鏈輪組的大、小鏈輪的節(jié)距、齒數(shù)，并選用合適的鏈條。

傳動(dòng)鏈輪組的傳動(dòng)比為

(3)

式中i—傳動(dòng)鏈輪的傳動(dòng)比；

R—拉莖輥的轉(zhuǎn)速；

Rb—撥禾鏈輪的轉(zhuǎn)速。

取R=800r/min，由式(3)得i=0.057 5。

根據(jù)傳動(dòng)比i，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得到主動(dòng)鏈輪的參數(shù)為節(jié)距p=12.7、齒數(shù)Z=15，從動(dòng)鏈輪的參數(shù)為節(jié)距p=12.7、齒數(shù)Z=26。鏈條選用普通的單排滾子鏈，節(jié)距為p=12.7。

1.上端固定軸承 2.鏈輪傳動(dòng)軸 3.傳動(dòng)從動(dòng)鏈輪 4.撥禾主動(dòng)鏈輪 5.撥禾鏈輪組固定板 6.下端固定軸承

3 試驗(yàn)臺(tái)三維實(shí)體建模與干涉檢查

在整機(jī)的虛擬裝配中，先將整機(jī)分成幾個(gè)獨(dú)立的部件進(jìn)行裝配。各部件的虛擬樣機(jī)由組成該部件的三維零件模型裝配而成，整機(jī)虛擬樣機(jī)由幾個(gè)部件組合裝配而成，這樣建立的虛擬樣機(jī)便于分析和修改。在上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置的建模過(guò)程中，將整機(jī)裝置分為電機(jī)支架、底座支架、掰穗機(jī)構(gòu)及撥禾喂入機(jī)構(gòu)等部分，分別對(duì)其進(jìn)行裝配。

3.1 掰穗機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體建模

1)齒輪箱整體的虛擬設(shè)計(jì)。在上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置中，齒輪箱是整個(gè)裝置中最重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，動(dòng)力輸出分兩路，分別傳遞給左右拉莖輥和撥禾鏈。齒輪箱主要由齒輪、箱體、軸承及傳動(dòng)軸組成。全部零部件的三維模型建立完成后進(jìn)行虛擬裝配，建立如圖8所示的齒輪箱虛擬樣機(jī)。

2)拉莖輥、摘穗板及間隙調(diào)節(jié)器的虛擬設(shè)計(jì)。拉莖輥是上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置最主要的工作部件，它與摘穗板共同組成摘穗單元，拉莖輥向上拉莖將玉米秸稈抽出，摘穗板將玉米果穗摘下。間隙調(diào)節(jié)器由連接在拉莖輥前端的異型帶座軸承和螺母組成，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母來(lái)控制拉莖輥的間隙。摘穗裝置虛擬樣機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

3.2 撥禾喂入機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體建模

撥禾喂入機(jī)構(gòu)由一大一小兩套鏈輪組構(gòu)成，帶撥齒的撥禾鏈將玉米植株撥正喂入，帶撥齒的小鏈條起到傳動(dòng)和喂入作用。根據(jù)主動(dòng)、從動(dòng)鏈輪的參數(shù)確定鏈輪的具體尺寸，對(duì)鏈輪、鏈條進(jìn)行三維建模，同時(shí)建立傳動(dòng)軸、帶座軸承、固定板的三維模型；各零件的三維模型完成后，進(jìn)行撥禾喂入機(jī)構(gòu)的虛擬裝配。撥禾喂入機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)如圖10所示。

圖8 齒輪箱三維模型

圖9 掰穗機(jī)構(gòu)三維模型

圖10 撥禾喂入機(jī)構(gòu)的三維模型

3.3 試驗(yàn)臺(tái)三維總體的三維實(shí)體建模

在對(duì)各個(gè)主要工作部件的建模裝配完成后，根據(jù)建模尺寸設(shè)計(jì)電機(jī)支架和底座支架的結(jié)構(gòu)和尺寸，最后進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)總體的虛擬裝配。試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)如圖11所示。

1.掰穗機(jī)構(gòu) 2.撥禾喂入機(jī)構(gòu) 3.電機(jī) 4.底座支架

3.4 試驗(yàn)臺(tái)干涉檢查

對(duì)裝配后的上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置虛擬樣機(jī)分別進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查。首先進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，靜態(tài)干涉檢查是保證產(chǎn)品能靜態(tài)裝配到位而不發(fā)生干涉，即保證產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上是可以裝配的，這是裝置能否裝配的最基本要求。對(duì)上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置的檢查可以由三維建模軟件完成，由圖12軟件分析結(jié)果可以看出沒(méi)有發(fā)生干涉。

圖12 試驗(yàn)臺(tái)虛擬裝配干涉檢查

動(dòng)態(tài)干涉檢查是為了保證各個(gè)零部件在其裝配路徑上不與周?chē)h(huán)境對(duì)象發(fā)生碰撞干涉。這是對(duì)產(chǎn)品的工藝要求，保證按照一定的裝配順序，各零部件能夠順利安裝到位，不會(huì)在安裝過(guò)程中發(fā)生碰撞干涉，是裝置能夠順利生產(chǎn)的技術(shù)保證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沒(méi)有動(dòng)態(tài)干涉存在，整機(jī)能夠順利裝配完成。

4 試驗(yàn)臺(tái)搭建與測(cè)試

在前述工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)試驗(yàn)臺(tái)各零部件進(jìn)行加工及裝配，在山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程性能實(shí)驗(yàn)室對(duì)該摘穗試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了初步測(cè)試。結(jié)果表明：該試驗(yàn)臺(tái)能夠完成基本的玉米摘穗裝置的參數(shù)性能試驗(yàn)。

搭建完成的摘穗裝置試驗(yàn)臺(tái)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程,如圖13所示。

圖13 摘穗裝置試驗(yàn)臺(tái)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

5 結(jié)論

根據(jù)上拉切莖式仿生玉米掰穗裝置的主要組成及性能參數(shù)的試驗(yàn)要求，對(duì)其摘穗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果確定了關(guān)鍵零部件的參數(shù)及結(jié)構(gòu)?；赟olidWorks軟件平臺(tái)對(duì)其各主要零部件進(jìn)行了三維建模，并進(jìn)行了虛擬裝配，裝配完成后進(jìn)行了主要零部件干涉檢查。根據(jù)三維設(shè)計(jì)模型，完成了試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)體搭建，并對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了初步測(cè)試，結(jié)果表明：該試驗(yàn)臺(tái)能夠完成喂入、掰穗、切莖等基本功能。試驗(yàn)臺(tái)的成功搭建為后續(xù)進(jìn)行各參數(shù)的試驗(yàn)提供了條件。

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