于 潔,褚金奎,吳中心,王云力
(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024;2.鄭州容大科技發(fā)展有限公司,鄭州 450000)
煙草是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物,在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位,產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的67%,是世界上主要的產(chǎn)煙大國(guó)之一。在煙葉生產(chǎn)過(guò)程中,采收是基礎(chǔ)性的工作,煙葉的采收時(shí)期和采收方法關(guān)系到煙葉產(chǎn)量和煙葉質(zhì)量,所以科學(xué)、及時(shí)地采收煙葉是保證煙葉品質(zhì)的關(guān)鍵[1]。在國(guó)外,如美國(guó)、意大利、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家,煙草機(jī)械化采收發(fā)展較快,半自動(dòng)、全自動(dòng)化的煙葉采收機(jī)械已批量生產(chǎn)且投入使用,效果良好。然而,目前我國(guó)絕大多數(shù)煙農(nóng)還是手工采收,不僅需要消耗大量的勞動(dòng)力和時(shí)間,且采收效率低,很難保證及時(shí)采收。當(dāng)需要在大面積煙田上進(jìn)行采收作業(yè)時(shí),手工采收顯然已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)要求,而機(jī)械化的煙葉采收機(jī)采收效率高,能夠及時(shí)完成采收作業(yè)。因此,研發(fā)適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的全自動(dòng)煙葉采收機(jī)具有重要意義。
美國(guó)、意大利、加拿大等國(guó)家的煙葉采收機(jī)械化相對(duì)成熟,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種不同類型的煙葉采收機(jī)。加拿大DeCloet公司在1979年制造了世界上第1臺(tái)全自動(dòng)自走式煙葉采收機(jī),在此基礎(chǔ)上又研發(fā)了較為先進(jìn)的2TTH型煙葉采收機(jī),實(shí)現(xiàn)了完全機(jī)械化采收,1人操作1臺(tái)采收機(jī),1次采收兩行煙葉。另外,美國(guó)MarCo公司生產(chǎn)了6360型自走式煙葉采收機(jī),意大利SPAPPERI公司針對(duì)煙葉采收部位的不同生產(chǎn)了RA341等型號(hào)的煙葉采收機(jī)[1]。
雖然我國(guó)是煙葉生產(chǎn)大國(guó),但煙葉采收機(jī)械化發(fā)展卻相對(duì)落后,煙葉采收一直處于人工作業(yè)階段。由于各個(gè)國(guó)家和地區(qū)間煙草種植行間距、煙草特性等煙田情況的不同,從國(guó)外直接引進(jìn)的煙葉采收機(jī)械并不適宜國(guó)內(nèi)的煙田種植情況。國(guó)內(nèi)很多高校和企業(yè)也在積極研發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的煙葉采收機(jī),如山東曲阜匯眾機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的小型半機(jī)械化煙葉收割機(jī),適用于小地塊的煙葉收割;吉林大學(xué)陶永蘭等老師設(shè)計(jì)的“自適應(yīng)行距煙葉收獲機(jī)[2]”,懸掛在拖拉機(jī)等小型機(jī)械上完成收割作業(yè),屬于半自動(dòng)煙葉收獲機(jī)。隨著國(guó)內(nèi)人工費(fèi)用的提高和大塊煙田種植面積的增加,一種高效、適合我國(guó)煙田的全自動(dòng)煙葉采收機(jī)的研發(fā)迫在眉睫。
煙草屬一年生草本植物,種植范圍較廣,煙葉具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,采收煙葉時(shí)根據(jù)其成熟時(shí)間不同而進(jìn)行分時(shí)采收[3]。
煙葉采收的目標(biāo)是分離煙草植株的莖和葉,而且要做到不損傷莖皮和煙葉,避免影響煙株的生長(zhǎng)和烘烤質(zhì)量。機(jī)械采收參考人工采收的動(dòng)作,利用采收機(jī)械產(chǎn)生的外力完成采收作業(yè),結(jié)合煙葉的傳送與收集,完成煙葉采收機(jī)械化過(guò)程。
1.駕駛室 2.主機(jī)架 3.風(fēng)機(jī) 4.煙筐 5.傳送機(jī)構(gòu) 6.采收機(jī)構(gòu)
在工程機(jī)械中,主要有以下4種傳動(dòng)方式:機(jī)械傳動(dòng)、液力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電力傳動(dòng)。
1)機(jī)械傳動(dòng)。純機(jī)械傳動(dòng)通常只能進(jìn)行有級(jí)變速,且它的布置方式有局限[4];但機(jī)械傳動(dòng)制造成本低,早期收獲機(jī)械常采用機(jī)械傳動(dòng)。
2)液力傳動(dòng)。液力傳動(dòng)采用液力變矩器或液力耦合器實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的離合,液力變矩器使傳動(dòng)系統(tǒng)獲得自動(dòng)、無(wú)級(jí)變速和變矩能力[5],突出優(yōu)點(diǎn)是有近似雙曲線的輸出扭矩—轉(zhuǎn)速的特點(diǎn);但其布置方式有局限,變矩范圍窄、制動(dòng)能力較差、效率低,不適用于需求速度穩(wěn)定的情況。
3)液壓傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)使用液體(一般為礦物油)作為工作介質(zhì)傳遞動(dòng)力和信號(hào),相比于機(jī)械傳動(dòng)和液力傳動(dòng),液壓傳動(dòng)更易控制其運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù),有優(yōu)良的低速負(fù)載特性[6]。由于液壓元件功率大、易于受控、安裝方便、操作簡(jiǎn)單且故障率低,因此十分適用于結(jié)構(gòu)多變、大功率傳遞及工作條件惡劣的大型收獲機(jī)械。其結(jié)合電子技術(shù),更易調(diào)節(jié)和控制,進(jìn)一步提高了收獲機(jī)械的操縱性、舒適性、方便性和智能化水平[7]。
4)電力傳動(dòng)。電力傳動(dòng)由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī),調(diào)速范圍廣,便于遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制;但由于技術(shù)受限、成本高,適用于行走機(jī)械的功率電元件還沒(méi)有成熟和普及。
綜上所述,相對(duì)于其它幾種傳動(dòng)方式,液壓傳動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,適用性廣,經(jīng)濟(jì)性較好,更適合用于工作條件惡劣的農(nóng)用收獲機(jī)械。
奧巴馬借信“滅火”,彌補(bǔ)私人關(guān)系的效果未知。而細(xì)數(shù)那些曾被麥克風(fēng)“出賣”的政要,美國(guó)的歷任總統(tǒng)“中招率”卻高得驚人。
3.1.1 煙葉采收機(jī)構(gòu)
煙葉采收相對(duì)于其它作物采收有其特殊性,煙葉具有易破損的特點(diǎn),采收時(shí)要保證其較小的破損率,否則其經(jīng)濟(jì)價(jià)值會(huì)大大下降。由于煙草植株各個(gè)高度的煙葉成熟時(shí)間不同,需要分時(shí)、分部采收,類比人工采收煙葉的動(dòng)作,采用1對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的柔性采收刀來(lái)采收煙葉,如圖2所示[8-13]。
1.采收馬達(dá) 2.采收刀
煙葉采收的重要指標(biāo)一個(gè)是破損率,另一個(gè)是采凈率。為了提高煙葉采凈率和降低煙葉破損率,從采收刀的形狀、材料和安裝位置三方面來(lái)考慮。
1)采收刀的形狀。采收刀形狀會(huì)對(duì)煙葉采凈率有一定影響,相比于矩形采收刀,采用波形的采收刀能增大采凈率。
2)采收刀的材料。刀片材質(zhì)對(duì)采凈率和破損率都有一定影響,偏硬的材料更容易采凈煙葉,但容易造成煙葉的破損,因此選用合適的塑膠等柔性材料。
3)采收刀的安裝位置。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)的張秀麗等人發(fā)表的“下部煙葉機(jī)械采收的最佳施力方式實(shí)驗(yàn)[14]”一文中表明,成熟煙葉最佳施力方式為斜向施力,安裝采收刀時(shí)若與地面有一定夾角,采收效果會(huì)更佳。
3.1.2 煙葉傳送機(jī)構(gòu)
為了將采摘下的煙葉傳送到煙筐中,需要一套適應(yīng)整機(jī)的煙葉傳送系統(tǒng)。采摘下的煙葉需要傳送到機(jī)器上部的煙筐,因此需要提升傳送裝置。采用輥輪加傳送帶的方式可以保證采摘的煙葉準(zhǔn)確地輸送至煙筐。云南昆船電子設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)了一種垂直提升機(jī)構(gòu),由固定輸送帶和下端由拉伸彈簧連接的可活動(dòng)的輸送帶組成,當(dāng)煙葉由輸送輥輪送至提升機(jī)構(gòu)時(shí),被兩條輸送帶夾住向上提升[15-17],這種傳送機(jī)構(gòu)的方案能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)煙葉的傳送,但煙葉需要完全克服重力輸送至煙筐。為此,本文提出了一種改進(jìn)方案,增加一條水平傳送帶,并在機(jī)器允許的空間內(nèi)將提升傳送帶設(shè)置一定的傾斜角度,使煙葉能夠更順利地輸送到煙筐,如圖3所示。
1.水平傳送帶 2.活動(dòng)提升傳送帶 3.鏈輪傳動(dòng) 4.固定提升傳送帶 5.鏈輪傳動(dòng)
3.1.3 其他機(jī)構(gòu)
除了采收機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)外,全自動(dòng)煙葉采收機(jī)還需要一些輔助機(jī)構(gòu),如煙筐收集機(jī)構(gòu)和采收臺(tái)升降機(jī)構(gòu)。這兩種機(jī)構(gòu)普遍存在于其他農(nóng)用收獲機(jī)械中,屬于農(nóng)用機(jī)械通用部分,方案都比較成熟。
農(nóng)用機(jī)械的卸料系統(tǒng)通常采用升降機(jī)構(gòu)或翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),因此采用煙筐升降機(jī)構(gòu)或煙筐翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將煙葉轉(zhuǎn)移。由于煙草植株各個(gè)高度的煙葉成熟時(shí)間不同,因此將煙葉劃分為上中下三部分來(lái)進(jìn)行分時(shí)分部采收,針對(duì)農(nóng)作物不同高度的收割,通常采用升降機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于農(nóng)用機(jī)械的升降機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),目前國(guó)內(nèi)外大都采用液壓缸實(shí)現(xiàn),其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱省力、動(dòng)作平穩(wěn)、故障率低,十分適用于大功率、工作條件惡劣的農(nóng)用機(jī)械。
3.2.1 全液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
設(shè)計(jì)全自動(dòng)煙葉采收機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí),借鑒了其他較成熟農(nóng)用機(jī)械。在張志起等人發(fā)表的“4YX-4型全液壓自走式玉米收獲機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[18]”一文中,其收獲機(jī)液壓行走系統(tǒng)由1個(gè)液壓泵驅(qū)動(dòng)1個(gè)液壓馬達(dá)組成,具有較好的無(wú)級(jí)調(diào)速能力。在此基礎(chǔ)上,為使煙葉收獲機(jī)械更好地適應(yīng)多種作業(yè)環(huán)境的要求,選用如圖4所示的三輪液壓驅(qū)動(dòng)的容積調(diào)速回路,其優(yōu)點(diǎn)為調(diào)速范圍大,被廣泛用于大功率液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。
1.低壓溢流閥 2.變量液壓泵 3~6.單向閥 7~9.前后輪變量液壓馬達(dá) 10.高壓溢流閥 11.補(bǔ)油液壓泵
3.2.2 收獲機(jī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的全液壓轉(zhuǎn)向器根據(jù)工作原理,可分為開(kāi)芯轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、閉芯轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、無(wú)反應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、有反應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其中,閉芯轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要用于重載大型行走機(jī)械,有反應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油缸必須采用雙桿結(jié)構(gòu)形式,負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)較其他系統(tǒng)有節(jié)能降耗、響應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn),但系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂。因此,在全自動(dòng)煙葉采收機(jī)中選擇開(kāi)芯無(wú)反應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種性價(jià)比較高的方案,不僅能夠滿足使用要求,而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低。
3.2.3 收獲機(jī)液壓操縱系統(tǒng)
對(duì)全自動(dòng)煙葉采收機(jī)而言,其液壓操縱系統(tǒng)控制煙葉采收、傳送、收集和采收臺(tái)升降,通過(guò)液壓馬達(dá)和液壓缸實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于煙葉的采收和傳送,采用液壓馬達(dá)控制。采收刀馬達(dá)串聯(lián)連接,實(shí)現(xiàn)采收刀的相向轉(zhuǎn)動(dòng),并且轉(zhuǎn)速相同。在此基礎(chǔ)上,考慮到采收刀與傳送系統(tǒng)同時(shí)工作,將傳送馬達(dá)并入采收回路中,不僅能夠簡(jiǎn)化油路,還能保證煙葉采收和傳送的協(xié)作性能,如圖5所示。
1.傳送馬達(dá) 2~5.采收馬達(dá)
對(duì)于煙葉的收集與采收臺(tái)的升降,采用鎖緊回路,如圖6所示。雙向液壓鎖的鎖緊回路的優(yōu)點(diǎn)是活塞可在任意位置被鎖緊,能夠防止停止運(yùn)動(dòng)后因外界因素而發(fā)生竄動(dòng)。由于液控單向閥是錐閥式結(jié)構(gòu),所以密封性好,泄露極少,常用在工程機(jī)械、汽車起重機(jī)支腿和飛機(jī)起落架等回路上。
1.液壓缸 2.液壓鎖圖
鄭州容大科技發(fā)展有限公司試制的全自動(dòng)煙葉采收機(jī)樣機(jī)田間性能試驗(yàn)在河南省許昌市襄城縣雙廟鄉(xiāng)煙田和河南省禹州市小呂鄉(xiāng)煙田進(jìn)行,試驗(yàn)用煙為中煙100,株距平均為50cm。2017年7月20日至2017年9月20日進(jìn)行煙葉收獲作業(yè),每次采收2~3片煙葉,一次采收兩行,作業(yè)速度為70~90m/min,如圖7所示。
圖7 田間試驗(yàn)Fig.7 Field test
試制的全自動(dòng)煙葉采收機(jī)在田間通過(guò)性良好,主要針對(duì)煙葉采凈率和煙葉破損率兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果如表1所示。
表1 全自動(dòng)煙葉采收機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果Table 1 Experimental performance results of the automatic tobacco harvester
從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,煙葉采凈率和破損率在一個(gè)合理的范圍內(nèi),滿足農(nóng)藝要求,但仍有改進(jìn)的空間。煙葉采凈率和破損率不僅與采收刀的形狀、材料、安裝位置有關(guān),還與采收刀的轉(zhuǎn)速、喂入速度等有很大關(guān)系,不合適的轉(zhuǎn)速和喂入速度也會(huì)導(dǎo)致煙葉的漏摘和破損。
整機(jī)采用全液壓傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)了煙葉的全自動(dòng)采收,節(jié)省了人力,提高了效率,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、操作方便。柔性采收刀的設(shè)計(jì)保證了較高的煙葉采凈率和較低的煙葉破損率。水平傳送帶與提升傳送帶的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了煙葉從采收裝置到煙筐的傳送。
在未來(lái)的研究中,需要完善我國(guó)各個(gè)地區(qū)煙草莖、葉的物理特性研究,獲得煙葉的低損傷機(jī)理,為煙葉采收機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。為提高收獲機(jī)的智能性,還需進(jìn)一步研究其機(jī)電液一體化技術(shù),可引入機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別煙葉成熟度。在滿足使用要求的前提下,還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化與優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu),提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。