辛 杰，侯加林，李玉華，吳彥強(qiáng)，王后新，劉曉，牛子儒

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018)

0 引言

我國大蒜行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)查研究顯示，2016年我國大蒜種植面積總計(jì)達(dá)到37.9萬～40.5萬hm2，占全球大蒜種植面積的60%以上[1]。山東省的大蒜出口居國內(nèi)第1位，盡管山東大蒜種植面積大，但大蒜機(jī)械收獲效率較低。大蒜收獲主要有兩種方式：一種是傳統(tǒng)的人工收獲方式，另一種是大蒜收獲機(jī)械收獲。人工作業(yè)效率低、強(qiáng)度大，現(xiàn)有的大蒜收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量不高、自適應(yīng)能力差，易發(fā)生擁堵和脫落，從而影響大蒜收獲效率，這些問題已成為制約我國大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸 。因此，研制開發(fā)適合我國大蒜機(jī)械化收獲裝備是我國農(nóng)業(yè)機(jī)械研究人員面臨的一項(xiàng)重要課題[2-6]。

夾持輸送機(jī)構(gòu)是大蒜聯(lián)合收獲機(jī)的重要組成部分，主要任務(wù)是將大蒜從土中向上拔起，并向后輸送，為下一步工序做準(zhǔn)備。為此，根據(jù)我國國內(nèi)的種植模式和機(jī)具要求，參照國內(nèi)外的先進(jìn)機(jī)型，創(chuàng)新研制了新型高效柔性夾持輸送機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了理論分析與參數(shù)設(shè)計(jì)，以期為提升大蒜收獲機(jī)械夾持輸送質(zhì)量提供理論依據(jù)與參考[7-9]。

1 夾持輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 大蒜的種植模式

我國大蒜的主要產(chǎn)地：河南省中牟縣、杞縣，山東省金鄉(xiāng)縣、商河縣、蒼山縣，江蘇邳州市射陽縣、太倉市，上海嘉定，安徽亳州市、四川溫江縣、彭州市，云南大理及新疆等地。目前，我國大蒜種植模式主要為平畦、高壟、高畦模式。在南方地區(qū)地區(qū)，雨水較多，宜用高畦模式。山東地區(qū)春季易旱，大蒜的種植模式主要以平畦模式為主[10]，如圖1所示。

圖1 大蒜種植試驗(yàn)田和種植模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of garlic planting pattern

1.2 夾持輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工作過程

夾持輸送機(jī)構(gòu)是大蒜收獲機(jī)重要組成部分，其工作性能直接影響后續(xù)的果秧分離和切根裝置的工作效果，從而影響整機(jī)的工作效率。夾持輸送機(jī)構(gòu)最為關(guān)鍵的是夾持力的大小控制，過大過小都不可以，過大會(huì)導(dǎo)致大蒜在輸送過程中被夾斷，過小則會(huì)造成大蒜掉落，從而影響收獲效率。因此，本文設(shè)計(jì)一種夾持輸送機(jī)構(gòu)，既保證了在輸送過程中不被夾斷，而且具有足夠的夾持力。夾持輸送機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)部分、從動(dòng)部分、張緊組件、輸送帶、大蒜夾緊機(jī)構(gòu)及主框架，如圖2所示。

1.從動(dòng)齒輪 2.后端從帶帶輪 3.主動(dòng)帶輪 4.主動(dòng)齒輪 5.液壓馬達(dá) 6.輸送帶 7.夾緊輪 8.主框架 9.張緊裝置 10.前端從動(dòng)輪

驅(qū)動(dòng)部分包括主動(dòng)帶輪、花鍵軸、軸承、液壓馬達(dá)及主動(dòng)齒輪，液壓馬達(dá)通過花鍵軸與主動(dòng)帶輪連接，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪和主動(dòng)齒輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。從動(dòng)部分包括前端從動(dòng)部分和后端(液壓馬達(dá)安裝端)從動(dòng)部分：前端從動(dòng)部分由前端從動(dòng)輪、柔性齒狀輪、軸承及軸組成；后端從動(dòng)部分由后端從動(dòng)帶輪、從動(dòng)齒輪、軸承及軸組成；柔性齒狀輪與前端從動(dòng)帶輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，柔性齒輪在收獲喂入中起到分禾作用，從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)后端從動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

張緊組件包括張緊桿、彈簧、彈簧擋板及螺母，大蒜夾緊機(jī)構(gòu)包括支座及多個(gè)夾緊帶輪。夾緊帶輪通過調(diào)整安裝位置調(diào)節(jié)夾持力的大小，以適應(yīng)不同實(shí)際需求，增強(qiáng)適應(yīng)能力。夾緊帶輪交錯(cuò)分布在兩側(cè)主框架上，其大小不同，自下而上依次增大，這是由于大蒜在輸送過程中經(jīng)歷了去土、切莖，需要較大的夾緊力。

工作過程中，相鄰的柔性齒狀輪通過嚙合實(shí)現(xiàn)大蒜的喂送作用，從而利于大蒜平穩(wěn)地進(jìn)入夾持輸送機(jī)構(gòu)；大蒜進(jìn)入夾持輸送機(jī)構(gòu)后，在夾緊裝置和張緊裝置的共同作用下，夾持輸送帶呈S型輸送，使得大蒜夾持可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，為后續(xù)的果秧分離和切根裝置做準(zhǔn)備。

2 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)的確定

2.1 帶型的選擇及帶輪的尺寸確定

夾持機(jī)構(gòu)所用的皮帶為B型雙聯(lián)皮帶，皮帶表面較寬且有一定的韌性，能將大蒜莖稈充分夾持且不會(huì)將其夾斷。圖3為夾持輸送裝置截面圖。在夾持過程中，如果夾持帶間隙過大會(huì)使大蒜不能被充分夾持而滑落，從而影響夾持輸送效果，夾持間隙過小會(huì)導(dǎo)致大蒜被夾傷、夾斷。為了避免出現(xiàn)上述狀況，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》皮帶傳動(dòng)部分及大蒜的相關(guān)參數(shù)可知，設(shè)計(jì)中夾持間隙δ=4mm，行距l(xiāng)=200mm。取a=3mm，b=50mm，c=18mm，則皮帶輪的直徑為

(1)

其中，l為行距(mm)；a為皮帶高出帶輪的高度(mm)；δ為夾持間隙(mm)；將參數(shù)代入式(1)計(jì)算得出皮帶輪的直徑D=90mm。

a.皮帶高出帶輪高度 b.雙聯(lián)帶的寬度c.雙聯(lián)帶節(jié)距 D.皮帶輪直徑

2.2 張緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

張緊機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架上，通過彈簧的伸縮實(shí)現(xiàn)輸送帶的自動(dòng)張緊，包括張緊桿、彈簧、彈簧擋板及螺母，如圖4所示。張緊桿通過固結(jié)在傳送框架上兩個(gè)方形管插裝于傳送框架上，彈簧安裝在螺桿上，一端擋在前端從動(dòng)輪支臂上，另一端擋在彈簧擋板上。彈簧擋板固定在主框架上，彈簧擋板中間有個(gè)孔，便于螺桿從中穿過，螺桿另一端用螺母鎖緊，防止整個(gè)張緊組件滑出掉落。

1.主框架 2.螺母 3.彈簧擋板 4.螺桿 5.從動(dòng)輪支臂 6.從動(dòng)帶輪 7.柔性齒狀輪

3 夾持機(jī)構(gòu)年技術(shù)參數(shù)的確定

3.1 夾持輸送機(jī)構(gòu)傾角的確定

夾持輸送機(jī)構(gòu)在工作過程中傾斜的角度是恒定的，傾角的選取對(duì)大蒜穩(wěn)定有序地夾持輸送具有重要意義，傾角過大或過小都會(huì)影響后續(xù)的大蒜收獲效果。因此，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械制造常用計(jì)算大全》，本設(shè)計(jì)夾持輸送帶的傾角α取25°。

3.2 夾持位置的確定

夾持位置指的是大蒜莖稈夾持點(diǎn)相對(duì)于地面的高度，夾持位置由莖稈的質(zhì)量和重心高度決定，是影響莖稈輸送性能的重要因素。夾持位置越接近于根部，其抗拉強(qiáng)度越大，夾持越可靠。夾持點(diǎn)的高度為

(2)

其中，h為大蒜莖稈夾持點(diǎn)相對(duì)于大蒜生長地面的高度，經(jīng)過多次的田間試驗(yàn)及大蒜莖稈物理特性分析，選取h=80mm；D為皮帶輪直徑(mm)；a為皮帶高出帶輪的高度(mm)；α為夾持輸送帶的傾角(°)。將參數(shù)全部代入式(2) 得出夾持點(diǎn)離地面的高度H=100mm。

3.3 夾持輸送帶速度分析

夾持輸送帶速度與機(jī)器的前進(jìn)速度有關(guān)，二者成正比關(guān)系。夾持拔取大蒜的最佳的狀態(tài)是沿著大蒜生長的軸心方向施加起拔力。此時(shí)，施加的起拔力最小，并且對(duì)大蒜未造成損傷。實(shí)際收獲過程中，大蒜會(huì)受到挖掘鏟的推力作用，從而在土壤中傾斜一定的角度(即大蒜的軸心相對(duì)于豎直方向的角度λ)，此時(shí)起拔力的方向也由豎直方向傾斜一定的角度，且由夾持輸送帶的絕對(duì)速度的方向決定，如圖 5所示。

圖5 大蒜拔取示意圖Fig.5 Schematic diagram of garlic selection

皮帶的相對(duì)速度Vt為

(3)

其中，Vm為機(jī)器的前進(jìn)速度；α為夾持輸送機(jī)構(gòu)的傾斜角度。

夾持輸送機(jī)構(gòu)在拔取輸送大蒜之前，需要挖掘鏟對(duì)大蒜進(jìn)行松土，破壞大蒜根莖與土壤的粘結(jié)力，在此過程中大蒜就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)λ角，如圖5所示。拔取皮帶的相對(duì)速度為

(4)

在大蒜自然生長、莖葉沒有倒伏時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)拔取大蒜最佳的狀態(tài)是沿著大蒜生長的軸心方向(垂直于大蒜生長的畦面)施加起拔力，即

β+λ=90°

(5)

其中 ，β為實(shí)際的夾持輸送帶的絕對(duì)速度的矢量Vb2與機(jī)器前進(jìn)的速度Vm所成的角度(°)；λ為大蒜在挖掘鏟作用下轉(zhuǎn)動(dòng)的角度(°)。由式(4)、式(5)可以得出大蒜隨土壤轉(zhuǎn)動(dòng)到某一角度時(shí)Vt的公式， 即

(6)

由式(6)可知：夾持輸送機(jī)構(gòu)的傾角α影響著夾持輸送帶的傳送速度，且要考慮收獲機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)配置。綜合以上方面來考慮，取α=25°。λ為大蒜在挖掘鏟深松作用下沿著機(jī)器前進(jìn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常取λ=5°～10°，則Vt=(1.02～1.06 )Vm，這里取Vt= 1.06Vm。此時(shí)，夾持輸送帶拔取方向能達(dá)到最佳拔取狀態(tài)，其速度又大于機(jī)器的前進(jìn)行速度，從而防止在收獲過程中出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。

3.4 夾持輸送機(jī)構(gòu)夾持力的確定

夾持輸送機(jī)構(gòu)實(shí)際工作過程包含兩個(gè)階段：一是大蒜從土壤中拔起未脫離土壤階段，此時(shí)大蒜蒜頭在土壤中運(yùn)動(dòng)，受力較復(fù)雜；二是大蒜脫離土壤后并在夾持輸送帶中運(yùn)動(dòng)，此時(shí)大蒜受力比較簡(jiǎn)單。因此，夾持輸送機(jī)構(gòu)夾持力分為兩個(gè)部分。

3.4.1 大蒜從土壤中的拔起時(shí)的夾持力的確定

大蒜主要由莖稈和鱗莖組成，且鱗莖根須分布較廣。在大蒜被夾持拔起的同時(shí)，挖掘鏟已經(jīng)將大蒜鱗莖根須鏟斷、挖松并向上抬起，在此過程中由于受到挖掘鏟推力的作用，大蒜在土壤中會(huì)傾斜一個(gè)角度，并且大蒜逐漸與土壤分離。為了便于分析，假設(shè)在大蒜夾持拔起的過程中，有接近1/2的土壤與鱗莖分離，且無鱗莖損傷等現(xiàn)象[11]。根據(jù)大蒜在這一階段中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立的力學(xué)模型如圖6所示。

1.土壤 2.夾持輸送帶 3.大蒜莖稈 4.鱗莖 5.挖掘鏟

根據(jù)圖6中的受力分析可得

G+G′+Ff=F+FN

(7)

FN=Gcosδ

(8)

F1=fF

(9)

其中，G為大蒜鱗莖的重量(N)；G’為抬起土壤的質(zhì)量(N)；Ff為鱗莖與土壤之間的阻力(N)；FN為挖掘鏟對(duì)鱗莖的支撐力在垂直方向上的分力(N)；F為大蒜莖稈對(duì)夾持輸送帶的總阻力(N)；δ為挖掘鏟的鏟面的傾角(°)。

在已知大蒜鱗莖質(zhì)量、抬起土壤的質(zhì)量、鱗莖與土壤之間的阻力、大蒜莖稈與夾持輸送帶之間的摩擦因數(shù)、挖掘鏟的鏟面的傾角的情況下，聯(lián)立式(7)～式(9)，可求得夾持力F1的大小。

3.4.2大蒜脫離土壤進(jìn)入夾持輸送過程中夾持力的確定

夾持輸送過程中，大蒜逐漸脫離土壤，進(jìn)入夾持輸送運(yùn)動(dòng)。由于機(jī)械行走速度和輸送帶傳動(dòng)速度保持不變，所以大蒜在此過程中做勻速運(yùn)動(dòng)，受力比較簡(jiǎn)單。建立力學(xué)模型如圖7所示。

根據(jù)圖7受力分析可得

Psinα=G

(10)

Pcosα=F′

(11)

P=uF2

(12)

其中，G為大蒜的質(zhì)量(N)；P為夾持輸送機(jī)構(gòu)對(duì)大蒜的提升力(N)；F＇為機(jī)構(gòu)對(duì)大蒜的推力(N)；F2為夾持輸送機(jī)構(gòu)對(duì)大蒜的夾持力(N)；α為夾持機(jī)構(gòu)的傾角(°)；μ為大蒜莖稈與夾持帶之間的摩擦因數(shù)。

在已知大蒜重量G、夾持機(jī)構(gòu)的傾角α、大蒜莖稈與夾持輸送帶之間的摩擦因數(shù)μ的情況下，聯(lián)立式(10)～式(12)，可求得夾持力F2的大小。

圖7 大蒜輸送時(shí)夾持持受力模型Fig.7 Mechanical model of force on garlic root in transporting

4 田間試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)的目的、條件及方法

通過對(duì)大蒜聯(lián)合收獲機(jī)的夾持輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間性能試驗(yàn)分析，驗(yàn)證大蒜聯(lián)合收獲機(jī)夾持輸送機(jī)構(gòu)在實(shí)際收獲過程中的作業(yè)效果，以及機(jī)構(gòu)在本地區(qū)是否具有先進(jìn)性、適用性及安全性。

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在山東省金鄉(xiāng)縣大蒜種植基地，品種為金鄉(xiāng)白蒜，收獲時(shí)溫度為30℃，試驗(yàn)地土壤為沙土性土壤，含水率(21.09±4.07)%，硬度(12.12±3.24)kg/cm2，容重(1.31±0.26)g/cm3。

在田間試驗(yàn)時(shí)，收獲距離為20m，重復(fù)收獲5次，記錄每次收獲前田間的總株數(shù)、收獲的總株數(shù)及損傷數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過多次試驗(yàn)，對(duì)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析，如表1所示。

表1 大蒜聯(lián)合收獲機(jī)性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of green Chinese Galic

在試驗(yàn)過程中，結(jié)構(gòu)可以平穩(wěn)運(yùn)行，輸送過程安全可靠，且不會(huì)發(fā)生擁堵的現(xiàn)象，但是損傷率較高。其原因是由于機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力較大，從而使得大蒜的莖稈被夾斷，掉落地上因相互碰撞而發(fā)生破損。

5 結(jié)論

1)根據(jù)大蒜的種植模式及機(jī)具設(shè)計(jì)要求，對(duì)夾持輸送機(jī)構(gòu)中的帶輪、夾持輸送帶、張緊裝置等主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2)確定了在夾持收獲大蒜時(shí)夾持大蒜莖稈的位置、夾持輸送機(jī)構(gòu)的傾角及夾持輸送的速度。

3)建立了大蒜收獲時(shí)的力學(xué)模型，通過受力分析，得到了不同情況下夾持輸送機(jī)構(gòu)對(duì)莖稈的夾持力。本文夾持輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于大蒜的可靠輸送、減少大蒜損傷率及提高大蒜聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)性能具有重要意義。