曾功俊 陳建能 夏旭東 葉 軍
(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院, 杭州 310018; 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 紹興 312000; 3.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310018)
我國(guó)胡蘿卜種植面積和總產(chǎn)量都穩(wěn)居世界前三,但是大多地區(qū)仍然采用人工收獲,人工收獲勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低[1-4]。目前大量農(nóng)村勞動(dòng)力流向城市,雇工難、費(fèi)用高,胡蘿卜機(jī)械化收獲勢(shì)在必行[5-7]。
胡蘿卜收獲包括胡蘿卜拔起、輸送、纓果分離等過(guò)程。纓果分離過(guò)程實(shí)現(xiàn)了胡蘿卜纓與果實(shí)的分離,是收獲過(guò)程最重要的工序。胡蘿卜纓果分離效果直接影響到胡蘿卜收獲效果、損傷率、一致性,進(jìn)而影響胡蘿卜貨架期長(zhǎng)短。現(xiàn)有纓果分離方式主要有雙圓盤割刀式分離和拉拽式分離兩種[8-9]。金鑫等[10]在統(tǒng)計(jì)分析主要胡蘿卜品種物理特性參數(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種由平板式齊平器、 水平夾持輸送機(jī)構(gòu)、雙圓盤式切秧機(jī)構(gòu)和上水平夾持輸送機(jī)構(gòu)等組成的胡蘿卜根莖分離裝置,該結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝、拆卸較困難。丹麥ASA-LIFT公司研制出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的拉拽式胡蘿卜收獲機(jī),但因技術(shù)不成熟,損傷胡蘿卜和纓果分離不徹底時(shí)有發(fā)生,分離效果和工作性能還有很大的提升空間,不能直接引進(jìn)推廣。
為了優(yōu)化胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)以提高胡蘿卜纓果分離效果,本文建立胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的數(shù)學(xué)模型,分析胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的參數(shù)對(duì)纓果分離性能的影響;設(shè)計(jì)拉拽式胡蘿卜纓果分離試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行正交試驗(yàn),獲得一組最佳參數(shù)。
圖3 拉拽桿與胡蘿卜作用速度分析Fig.3 Analysis of pull rod and carrot velocity
胡蘿卜收獲機(jī)收獲過(guò)程主要包括胡蘿卜拔取、輸送和纓果分離[11-14]。胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置主要由輸送裝置和拉拽裝置組成,如圖1所示。拉拽式胡蘿卜收獲機(jī)作業(yè)時(shí),首先將胡蘿卜從泥土中拔取出來(lái),再通過(guò)輸送帶將胡蘿卜纓夾持并沿著輸送帶方向往上輸送,兩組拉拽桿在液壓馬達(dá)帶動(dòng)下拉拽胡蘿卜,在拉拽桿和輸送帶的共同作用下實(shí)現(xiàn)胡蘿卜纓果分離。
圖1 胡蘿卜收獲機(jī)及拉拽式纓果分離裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagrams of carrots harvester and pull type tassel fruit separating device1.從動(dòng)帶輪 2.輸送帶 3.拉拽裝置 4.張緊輪 5.輸送帶液壓馬達(dá) 6.拉拽桿液壓馬達(dá)
拉拽裝置是拉拽式胡蘿卜收獲機(jī)的關(guān)鍵部件,如圖2所示,主要由拉拽桿和圓盤組成。拉拽裝置工作時(shí),動(dòng)力裝置帶動(dòng)主動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng),然后主動(dòng)圓盤帶動(dòng)拉拽桿的一端在圓盤平面做圓周平動(dòng),拉拽桿另一端推動(dòng)從動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)。拉拽裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和適應(yīng)性好等特點(diǎn);相對(duì)于纓果切割式分離方式,拉拽式的分離效果好并且胡蘿卜沒(méi)有切傷現(xiàn)象。
圖2 拉拽裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of pulling device1.主動(dòng)圓盤 2.拉拽桿 3.從動(dòng)圓盤
2.1.1胡蘿卜被拉拽的速度計(jì)算模型
工作時(shí),拉拽桿與胡蘿卜作用的速度分析如圖3所示。圖中,θ為圓盤的轉(zhuǎn)角,輸送帶線速度v1的方向與AD平行,HC∥OF。拉拽桿與胡蘿卜相互作用時(shí)的作用力遠(yuǎn)大于胡蘿卜自身的重力,在對(duì)胡蘿卜進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析的過(guò)程中忽略胡蘿卜自身的質(zhì)量。
根據(jù)圖3中的幾何關(guān)系,由v1的方向與AD平行得:β1=α3,β2=β9;由HC∥OF得:β3=α2;又由△EFO得:α3=β3+β7,故β7=α3-α2;由v2的方向與EC垂直得:β3+β4=0.5π,得β4=0.5π-β3=0.5π-α2;由四邊形ABCE得:α3+α1=β8+α2,故β8=α3+α1-α2;由OM⊥AM,則在△BMH中有β11=0.5π-α1(β11為∠BHM),β10=0.5π-α1;又在△OHC中,β6+β10+α2=π,得β6=0.5π+α1-α2;由β6+β5=0.5π得β5=α2-α1;由β6+β1+β2=π得β2=0.5π+α2-α1-α3。
根據(jù)前面的分析可得,輸送帶沿豎直方向的速度分量vZ1、拉拽桿作用在胡蘿卜上的速度沿豎直方向的分量vZ2、胡蘿卜在拉拽桿作用下相對(duì)于輸送帶沿豎直方向的速度vZ分別為
vZ1=v1cosβ2=v1cos(0.5π+α2-α1-α3)
(1)
vZ2=v2cosβ5=v2cos(α2-α1)
(2)
vZ=vZ1+vZ2=v2cos(α2-α1)+
v1cos(0.5π+α2-α1-α3)
(3)
圖4 兩相對(duì)拉拽桿的垂直間距分析Fig.4 Analysis of vertical interval between two relatively pull rods
式中v1——輸送帶的實(shí)際線速度
v2——胡蘿卜在桿作用下的實(shí)際速度
α1——圓盤和水平面的夾角
α2——圓盤和拉拽桿的夾角
α3——輸送帶和拉拽桿的夾角
當(dāng)拉拽桿所在圓盤以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),拉拽桿在圓盤平面上縱向的平移速度為
v=2πnRsin(2πnt)
(4)
式中R——拉拽桿的圓周運(yùn)動(dòng)半徑
t——圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間
在拉拽桿的作用下可得胡蘿卜的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度為
v2=vcosβ4=vcos(0.5π-α2)
(5)
綜合得出,胡蘿卜在拉拽桿作用下相對(duì)于輸送帶沿豎直方向的速度為
vZ=2πnRsinα2cos(α2-α1)sin(2πnt)+
v1sin(α3-α2+α1)
(6)
2.1.2拉拽桿位移分析
由圖3中圓盤的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可得,兩相對(duì)拉拽桿的水平距離為
X=L+Rcos(1.5π-β-2πnt)-
Rcos(1.5π+2πnt)-2l
(7)
式中L——兩組拉拽桿所在圓盤的中心距
β——兩組拉拽桿的相對(duì)安裝相位角
l——拉拽桿的偏移距離
當(dāng)拉拽桿所在圓盤以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),拉拽桿在圓盤的作用下在圓盤平面內(nèi)隨圓盤轉(zhuǎn)動(dòng),以R為半徑做圓周平動(dòng)。如圖4所示,S為拉拽桿沿OF方向的位移,Y1為拉拽桿沿垂直于拉拽桿方向的位移,則
S=Rsin(2πnt)
(8)
Y1=Rsin(2πnt)sinα2
(9)
由于兩相對(duì)的拉拽桿安裝在兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的圓盤上,并且相差角度為β的相位角,則可以得到兩相對(duì)拉拽桿的垂直間距
Y=Rsin(1.5π-β-2πnt)sinα2-
Rsin(1.5π+2πnt)sinα2
(10)
2.2.1主要參數(shù)對(duì)拉拽桿速度的影響
分析式(6)可知,拉拽桿速度曲線整體呈正弦曲線變化。圓盤和拉拽桿的夾角α2的變化使拉拽桿速度曲線整體上下平移,同時(shí)也會(huì)改變速度曲線波峰的陡峭程度;輸送帶和拉拽桿的夾角α3的變化使拉拽桿速度曲線整體上下平移;拉拽桿的圓周運(yùn)動(dòng)半徑R的變化會(huì)改變拉拽桿速度曲線波峰的陡峭程度;輸送帶速度v1的變化使拉拽桿速度曲線整體上下平移。
2.2.2主要參數(shù)對(duì)兩組拉拽桿相對(duì)水平間距的影響
分析式(7)可知,兩組拉拽桿相對(duì)水平間距曲線呈余弦曲線變化。兩組拉拽桿的相對(duì)安裝相位角β的變化使兩相對(duì)拉拽桿水平間距曲線整體左右平移,同時(shí)波峰的大小也有變化;兩組拉拽桿所在圓盤的中心距L的變化只會(huì)使兩相對(duì)拉拽桿水平間距曲線整體上下平移;拉拽桿的圓周運(yùn)動(dòng)半徑R的變化只會(huì)改變兩相對(duì)拉拽桿水平間距曲線波峰的陡峭程度;輸送帶的速度v1的變化只會(huì)使兩相對(duì)拉拽桿水平間距曲線整體上下平移。
2.2.3主要參數(shù)對(duì)兩組拉拽桿相對(duì)垂直間距的影響
分析式(10)可知,兩組拉拽桿相對(duì)垂直間距曲線整體呈正弦曲線變化。兩組拉拽桿的相對(duì)安裝相位角β的變化使拉拽桿垂直間距曲線整體左右平移,同時(shí)波峰的大小也有變化;圓盤和拉拽桿的夾角α2的變化只會(huì)改變拉拽桿垂直間距曲線波峰的陡峭程度;拉拽桿的圓周運(yùn)動(dòng)半徑R的變化只會(huì)改變拉拽桿垂直間距曲線波峰的陡峭程度。
可見(jiàn),拉拽桿所在圓盤的轉(zhuǎn)速n、拉拽桿與輸送帶夾角α3及輸送帶的速度v1會(huì)影響拉拽桿與胡蘿卜相互作用時(shí)的速度,對(duì)胡蘿卜纓果分離的效果有影響,故n、α3和v1是設(shè)計(jì)拉拽式胡蘿卜收獲機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)。L、R和β等參數(shù)主要是影響拉拽桿的水平間距和垂直間距,對(duì)胡蘿卜纓果分離效果的影響甚小,故本文重點(diǎn)研究參數(shù)n、α3和v1對(duì)胡蘿卜纓果分離效果的影響。
3.1.1試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)
圖7 拉拽裝置主要部件Fig.7 Main components of pulling device1.齒輪箱 2.支架 3.弧形槽孔 4.托盤 5.圓盤
胡蘿卜纓果拉拽式分離試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)架、輸送裝置和拉拽裝置3部分組成,輸送帶和拉拽桿的動(dòng)力由不同的電動(dòng)機(jī)提供。 兩圓盤的中心距L為200 mm,兩組拉拽桿的相對(duì)安裝相位角β為36°,拉拽桿的偏移距離l為55 mm,圓盤和拉拽桿的夾角α2為30°,由式(7)和式(10)計(jì)算得兩組拉拽桿最小水平間距為15.3 mm,最小垂直間距為17.6 mm。圖5為試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖,圖6為試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物。
圖5 胡蘿卜纓果拉拽式分離試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram of pull type carrots with fruit separation test bench1.從動(dòng)帶輪 2.胡蘿卜 3.輸送帶 4.機(jī)架 5.從動(dòng)圓盤 6.拉拽桿 7.主動(dòng)帶輪 8.主動(dòng)圓盤 9.拉拽減速裝置 10.拉拽桿調(diào)速電動(dòng)機(jī) 11.輸送減速裝置 12.輸送帶調(diào)速電動(dòng)機(jī)
圖6 胡蘿卜纓果拉拽式分離試驗(yàn)臺(tái)Fig.6 Test bench of pull type carrots with fruit separation1.角鋼 2.輸送裝置 3.拉拽裝置 4.方鋼 5.機(jī)架
拉拽裝置主要由調(diào)速電動(dòng)機(jī)及減速裝置部件(圖7a)、拉拽桿(圖7b)和托盤(圖7c)等部分組成。調(diào)速電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力經(jīng)減速裝置傳遞到主動(dòng)圓盤,主動(dòng)圓盤驅(qū)動(dòng)拉拽桿轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)從動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)。從動(dòng)圓盤托盤通過(guò)螺栓與機(jī)架豎直邊上的角鋼相連,托盤上有圓弧形槽孔便于托盤調(diào)節(jié)角度,角鋼上有腰型孔方便調(diào)整托盤在機(jī)架上的安裝位置。齒輪箱通過(guò)螺栓與機(jī)架斜邊上的方鋼相連,齒輪箱支架上有圓形槽孔便于齒輪箱調(diào)節(jié)安裝角度,方鋼上有腰型孔,方便調(diào)整齒輪箱在機(jī)架斜邊上的安裝位置[15-16]。通過(guò)改變拉拽裝置的托盤和齒輪箱與機(jī)架的位置關(guān)系來(lái)調(diào)節(jié)拉拽桿與輸送帶的夾角。在安裝拉拽桿時(shí),借助傾角傳感器保證拉拽桿主動(dòng)圓盤和從動(dòng)圓盤的端面平行,誤差不超過(guò)0.5°。
3.1.3試驗(yàn)臺(tái)輸送裝置
如圖8所示,輸送裝置主要由調(diào)速電動(dòng)機(jī)、減速裝置、輸送帶和張緊輪等部分組成。輸送裝置由調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速裝置,從而驅(qū)動(dòng)輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng),兩條輸送帶相互作用帶動(dòng)夾持在輸送帶中間的胡蘿卜纓沿輸送帶向上運(yùn)動(dòng)。為了保證輸送帶夾持胡蘿卜纓的過(guò)程中胡蘿卜纓既不會(huì)滑落也不會(huì)被輸送帶夾斷,本試驗(yàn)臺(tái)的輸送帶為表層涂有金剛砂的多層復(fù)合型EVA輸送帶。由于本試驗(yàn)要測(cè)試多組不同的參數(shù),為了保證輸送帶的夾持效果,張緊輪的位置可調(diào),通過(guò)安裝在機(jī)架上的張緊輪支撐架并由螺母緊固的方式調(diào)整并緊固張緊輪的位置。
圖8 輸送裝置Fig.8 Conveying equipment1.減速裝置 2.輸送帶 3.張緊輪
胡蘿卜纓果分離效果的評(píng)定指標(biāo)主要有成功率、一致性和損傷率。成功率是指試驗(yàn)過(guò)程中胡蘿卜纓果分離成功的概率;一致性是指胡蘿卜纓果分離之后頂部均不留纓的胡蘿卜(圖9b)占試驗(yàn)樣本的比例;損傷率是指胡蘿卜在纓果分離過(guò)程中由于拉拽桿敲擊、摩擦胡蘿卜頂部造成胡蘿卜損傷的概率。從前面的理論分析可知,n、α3和v1是設(shè)計(jì)胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的關(guān)鍵參數(shù),因此以n、v1和α3為試驗(yàn)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。
圖9 胡蘿卜纓果分離正交試驗(yàn)Fig.9 Orthogonal test of carrots with separation
3.2.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
每個(gè)試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)水平如表1所示。參考拉拽式胡蘿卜收獲實(shí)際工作情況可知,拉拽桿轉(zhuǎn)速為120~200 r/min時(shí),拉拽桿的轉(zhuǎn)速對(duì)胡蘿卜纓果分離成功率的影響顯著,故拉拽桿轉(zhuǎn)速取為120~200 r/min;胡蘿卜收獲機(jī)正常工作時(shí)輸送帶的線速度約1 m/s,故輸送帶線速度取0.8~1.2 m/s;收獲機(jī)工作時(shí)拉拽桿與輸送帶的夾角為35°~50°,故拉拽桿與輸送帶夾角取30°~50°。試驗(yàn)過(guò)程中,每組試驗(yàn)選取50個(gè)處于收獲期的胡蘿卜樣品進(jìn)行試驗(yàn),觀察胡蘿卜纓果分離效果,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)[17-19]。
表1 正交試驗(yàn)因素水平Tab.1 Factors of orthogonal test
3.2.2試驗(yàn)材料與過(guò)程
在筆者走訪養(yǎng)殖場(chǎng)的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)有許多人面對(duì)現(xiàn)在的高壓政策有點(diǎn)無(wú)所適從,尤其是一些中小規(guī)模的雞場(chǎng),甚至覺(jué)得蛋雞是不是就不能養(yǎng)了。其實(shí)大可不必?fù)?dān)心,在當(dāng)前的情況下,之所以用藥是因?yàn)殡u群發(fā)病,而只要控制了雞群的發(fā)病情況,用藥自然就會(huì)減少,這需要多個(gè)方面的努力。
在浙江杭州下沙地區(qū)農(nóng)田試驗(yàn)地里培育浙江地區(qū)普遍種植的“新紅胡蘿卜”品種,選取成熟期的胡蘿卜作為試驗(yàn)樣品,將若干已經(jīng)制備好的試驗(yàn)樣品分成9個(gè)組,每組50棵[20-21]。調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)按照正交試驗(yàn)流程分組進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程如圖9所示。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表2所示,A、B、C分別為拉拽桿轉(zhuǎn)速、輸送帶線速度、拉拽桿與輸送帶夾角水平值。
表2 胡蘿卜纓果拉拽式分離正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.2 Design and results of pull type carrots with separation of orthogonal test
3.3.1試驗(yàn)因素主次順序分析
為了評(píng)價(jià)各因素對(duì)胡蘿卜纓果分離效果的影響程度,本試驗(yàn)采用極差R作為評(píng)價(jià)指標(biāo)分別評(píng)價(jià)各因素對(duì)胡蘿卜纓果分離結(jié)果的一致性、成功率和損傷率影響。采用各因素對(duì)應(yīng)水平試驗(yàn)指標(biāo)的平均值Ki來(lái)評(píng)價(jià)每個(gè)因素各水平對(duì)指標(biāo)的影響。各因素的極差R和指標(biāo)平均值Ki如表3所示。
表3 各因素的極差Tab.3 Range of factors
3.3.2試驗(yàn)因素顯著性分析
將各因素對(duì)胡蘿卜纓果分離效果的影響值進(jìn)行方差分析,通過(guò)計(jì)算結(jié)果判斷各因素對(duì)胡蘿卜纓果分離效果影響的顯著性。方差分析結(jié)果如表4所示,α=0.05。從表4可以看出,拉拽桿的轉(zhuǎn)速和拉拽桿與輸送帶夾角對(duì)拉拽式胡蘿卜收獲裝置纓果分離效果的影響顯著,輸送帶的線速度對(duì)胡蘿卜纓果分離的效果影響不顯著。
表4 各因素對(duì)胡蘿卜纓果分離效果的方差分析Tab.4 Variance analysis of carrots with fruit separation efficiency
3.3.3試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)組合
通過(guò)矩陣分析法計(jì)算出影響試驗(yàn)結(jié)果的各因素各水平的權(quán)重[22]。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)各指標(biāo)的要求,在求出的權(quán)矩陣內(nèi)找出每個(gè)因素中最大值或最小值所對(duì)應(yīng)的水平數(shù),將其作為對(duì)應(yīng)因素的最佳水平,進(jìn)而找出所有因素的最佳水平搭配組合。
在多因素多水平試驗(yàn)中,因素i的第j個(gè)水平上的指標(biāo)平均值為Kij,極差為Ri。定義指標(biāo)層的矩陣分別為M、T、S,權(quán)矩陣為
K=MTS
其中
影響胡蘿卜纓果分離效果的權(quán)矩陣計(jì)算結(jié)果為
由前面的計(jì)算可以看出:因素A的3個(gè)水平中,A3所占的權(quán)重最大;因素B的3個(gè)水平中,B3所占權(quán)重最大;因素C的3個(gè)水平中,C2所占權(quán)重最大。權(quán)重越大表示對(duì)結(jié)果的影響程度越高,因此方案A3B3C2為最佳組合方案。即最佳參數(shù)組合為:拉拽桿轉(zhuǎn)速為200 r/min、輸送帶線速度為1.2 m/s、拉拽桿與輸送帶夾角為40°,這組參數(shù)下纓果分離的一致性為97%,成功率為94%,損傷率為7.7%。
(1)建立了胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型,定性分析了各參數(shù)對(duì)拉拽桿速度曲線、兩組拉拽桿相對(duì)水平間距曲線和垂直間距曲線的影響,圓盤和拉拽桿的夾角α2的變化能使拉拽桿速度曲線整體上下平移,并改變波峰陡峭程度;兩組拉拽桿所在圓盤的中心距L的變化能使兩相對(duì)拉拽桿水平間距曲線整體上下平移;兩組拉拽桿的相對(duì)安裝相位角β的變化能使拉拽桿垂直間距曲線整體左右平移,同時(shí)改變波峰大小。
(2)設(shè)計(jì)了胡蘿卜纓果拉拽式分離試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)正交試驗(yàn),得到拉拽桿轉(zhuǎn)速對(duì)胡蘿卜纓果分離效果影響最大,拉拽桿與輸送帶夾角對(duì)胡蘿卜纓果分離效果的影響顯著。得到了胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的最佳參數(shù)組合:拉拽桿轉(zhuǎn)速為200 r/min、輸送帶線速度為1.2 m/s、拉拽桿與輸送帶夾角為40°,此時(shí)纓果分離的一致性為97%,成功率為94%,損傷率為7.7%。