房慶柳,李國昉*,鄭萬眾,陳秀宏,杜鳳永,陳立東
(1 河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,河北 秦皇島,066600;2 河北省灤南縣職業(yè)教育中心;3 河北永發(fā)鴻田農(nóng)機(jī)制造有限公司)
花生聯(lián)合收獲機(jī)主要包括挖掘、輸送、摘果和清選等裝置[1]。摘果裝置是將莢果從花生植株上分離下來的關(guān)鍵裝置,也是花生聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵部件,其性能直接決定了花生收獲的順暢性和收獲損失。研究人員、農(nóng)場主、機(jī)械制造商都十分重視摘果裝置的結(jié)構(gòu)和性能問題。為此,筆者對國內(nèi)外關(guān)于花生聯(lián)合收獲機(jī)的摘果裝置研究情況進(jìn)行了整理歸納,以期為今后對該裝置的進(jìn)一步研究提供參考。
摘果裝置主要包括摘果滾筒及滾筒上的摘果元件?;ㄉ砉M(jìn)入滾筒后,在摘果元件的梳刷、打擊作用下,完成摘果作業(yè)。在此,筆者按照花生進(jìn)入滾筒的方式(即喂入方式)及在滾筒內(nèi)的運(yùn)動方向、摘果滾筒的數(shù)量和外緣形狀、摘果元件的形式和材料等對摘果裝置進(jìn)行分類。
全喂入式為花生秧-果一同進(jìn)入摘果裝置,受到摘果元件的作用,實(shí)現(xiàn)秧果分離[2]。全喂入式摘果裝置適用于較干的花生摘果,在撿拾收獲機(jī)上較多采用。4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用全喂入式摘果裝置,具有分離較為干凈、破碎率低的特點(diǎn)[3]。半喂入式摘果裝置中,夾緊機(jī)構(gòu)帶著花生秧果沿著摘果滾筒的軸向移動,僅花生莢果進(jìn)入摘果滾筒,摘果后秧、果整齊擺放。半喂入式摘果裝置制造成本較高;對于花生的干濕狀況適應(yīng)性較強(qiáng),在南方應(yīng)用不多。王冰超等[4]研究的4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)半喂入式摘果裝置,其摘果強(qiáng)度較柔和,破碎率相應(yīng)較低。4HBL-2和4HB-2等機(jī)型上使用的摘果裝置為半喂入式。
切流式摘果裝置中,花生秧果的運(yùn)動方向與切流式滾筒切線方向一致,秧果破碎程度較低,完整性好,清選負(fù)擔(dān)減輕;滾筒母線方向均可設(shè)置喂入口,對喂入量適應(yīng)性強(qiáng)[5]。4HLJ-8型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用的是多級串聯(lián)切流式滾筒,摘凈率高。軸流式摘果裝置對干果適應(yīng)度較好,容易摘果。但果、秧破碎較多,能量消耗大,分離效果較差;對喂入量適應(yīng)性差,喂入量突然變大或秧果較濕時,易造成滾筒堵塞。4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用的是軸流滾筒摘果。聯(lián)合式摘果裝置中,花生秧果先后進(jìn)入兩個滾筒,摘果更為干凈,完整性好,不易損傷莢果,不容易堵塞,減輕了清選的負(fù)擔(dān)。4LZ-1.5自走式收獲機(jī)采用的是切軸流雙滾筒摘果裝置。
單滾筒摘果裝置只進(jìn)行一次摘果作業(yè),花生秧果在滾筒內(nèi)脫粒時間短,易產(chǎn)生摘果不干凈的問題;適用于含水率低的花生摘果。采用單滾筒結(jié)構(gòu)的4HB-2A型花生聯(lián)合收獲機(jī),破碎率較低,但摘果損失較大[6]。多滾筒摘果裝置中,滾筒轉(zhuǎn)速較低,且與秧果充分接觸;摘果作業(yè)較柔和,花生莢果不易破損、摘凈率高。多滾筒裝置對喂入量的適應(yīng)性好,即使在大喂入量下,也能達(dá)到有較好的脫粒分離效果。4HZ-2型自走式花生聯(lián)合收獲機(jī)采用的是二級摘果滾筒,摘果較為干凈,損失率低[7]。
圓柱滾筒摘果裝置作業(yè)速度快、破碎率低,對干濕花生都有較好的適應(yīng)性。4HQL-2,4HBL-2,4HLB-2等花生聯(lián)合收獲機(jī)都采用圓柱摘果滾筒。圓錐形滾筒摘果裝置較圓柱滾筒摘果裝置體積大,從入口到出口直徑逐漸增大,適用于濕摘作業(yè),但摘凈率偏低,且易堵塞。
弓齒摘果裝置對莢果施加拉力,可減少花生莢果的帶柄率[8]。同一滾筒上弓齒間隔排列、不同滾筒弓齒交錯可減小摘果拉力,提高摘果負(fù)荷均衡程度。4HJL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)將螺旋弓齒改進(jìn)成螺旋圓弧面板摘果裝置,無需安裝摘果齒,降低了破碎率[9]。釘齒式摘果裝置的摘果元件制造工藝簡單、摘果較為干凈,一度成為摘果裝置熱門元件,但存在著莢果破碎率高、能耗高、易堵塞等問題。4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用釘齒元件,耐磨性差,易出現(xiàn)齒彎和掉齒現(xiàn)象。板齒式摘果裝置的葉片外緣為主要工作區(qū)域,葉片的打擊力較大,造成莢果破碎嚴(yán)重。尚書旗等[10]研制的4HBL-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果滾筒采用板齒元件,摘果較為干凈,但是刷拉式的摘果原理帶來莢果破損嚴(yán)重、帶柄率較高等問題。
剛性元件的摘果裝置中,摘果元件多由低碳鋼制成,硬度較高,易造成莢果破損;耐磨性較差,易掉齒或彎齒。摘果裝置最初研發(fā)時較多采用剛性摘果元件,因上述問題,逐漸被彈性元件取代。彈性材料制成的摘果元件為彈齒,摘果柔和,莢果不易破碎。美國的1580型和4HJL-1800型花生聯(lián)合收獲機(jī)的摘果機(jī)械裝置都采用彈齒元件,彈齒配合錐形凹板篩,摘果作業(yè)具有前面負(fù)荷大、后面負(fù)荷小的特點(diǎn),減少了滾筒堵塞。
花生規(guī)模化種植的國家主要分布在亞洲、美洲和非洲等地區(qū)。亞洲以中國和印度,非洲以埃及,美洲以美國、阿根廷等國種植面積較大。在美國,花生聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)用較為廣泛,產(chǎn)品類型多,摘果裝置性能優(yōu)越。牽引式、自走式等各種類型的花生聯(lián)合收獲機(jī),配套功率大,摘果滾筒數(shù)量多,且配有多組清選裝置。Kelley公司生產(chǎn)的花生聯(lián)合收獲機(jī)械配備3個摘果滾筒、采用逐稿器式清選裝置[11]。AMADAS公司的花生收獲機(jī)采用4個摘果滾筒、多組排草滾筒清選裝置[12]。COLOMBO公司發(fā)明了軸流式雙螺旋滾筒全喂入摘果機(jī)構(gòu)[13]。Butts等[14]在HU2000型聯(lián)合收獲機(jī)上增加脫殼功能,一次性完成撿拾、摘果、脫殼等工序。美國的利斯頓-1580型花生聯(lián)合收獲機(jī)的摘果裝置采用彈齒式摘果元件,柔性摘果,減少莢果破碎[15]。
我國花生種植面積廣大,各地種植條件不同,對花生收獲機(jī)械的作業(yè)性能需求各異,花生收獲機(jī)械種類也越來越多。縱觀花生聯(lián)合收獲機(jī)械的研究者,有影響力的為胡志超、尚書旗和高連興等團(tuán)隊,其研究各具特色,且成果獲得國家科技進(jìn)步獎項。
胡志超團(tuán)隊[16]針對摘果作業(yè)秧膜纏繞、破碎率高、順暢性差等問題開展持續(xù)研究。在4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)中,研究出柔性摘果等技術(shù);2018年優(yōu)化了圓弧形葉片摘果裝置,有效降低破碎率、摘不凈率和損失率等。尚書旗團(tuán)隊[17]研究出了“拉折摘分收獲機(jī)械作業(yè)方法”,創(chuàng)建了甩捋式摘果收獲關(guān)鍵技術(shù)。4HQL-2型花生撿拾摘果收獲機(jī)對行收獲作業(yè)時,漏挖率和破損率都較低,整體收獲質(zhì)量高。4HJL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)的螺旋圓弧面板式摘果裝置和其他裝置協(xié)調(diào)配合,獲得合適的速度、傳動比和傳動效率,滿足摘果要求。4HBL-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)減少機(jī)器進(jìn)地次數(shù),提高了收獲效率[18]。高連興團(tuán)隊[8]提出了螺旋弓齒摘果機(jī)構(gòu),建立了摘果試驗(yàn)平臺,旨在為提高花生摘果效率,優(yōu)化花生摘果裝置提供研究手段。該團(tuán)隊設(shè)計了一種軸流式摘果裝置,采用螺桿彎齒式摘果替換,解決了摘果設(shè)備損傷率高、易纏繞、堵塞等問題。
目前我國對花生聯(lián)合收獲機(jī)上應(yīng)用的摘果裝置的研究,主要集中于以下幾個方面:
2.2.1對花生物料特性的研究 花生品種、成熟程度、含水量、尺寸特性、漂浮系數(shù)等物料特性影響著摘果裝置的結(jié)構(gòu)和分離效果。劉明國等[19]研究了花生莢果及仁果的物理特性,得出三軸尺寸、平均徑、摩擦系數(shù)、破壞強(qiáng)度等物理和機(jī)械特性隨含水率的變化規(guī)律。唐福元等[20]運(yùn)用物性質(zhì)構(gòu)測試儀,對花生果實(shí)的彈性模量和有效面積、載荷的關(guān)系進(jìn)行了研究。關(guān)萌等[21]、梁明等[22]、周德歡等[23]分別采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)等儀器,研究了花生莖稈、果柄含水率變化與花生果-柄受拉分離力、晾曬時間的關(guān)系。楊然兵等[24]研究了鮮收期內(nèi)典型花生品種的果-柄、秧-柄及果殼的抗拉力、剪切力等力學(xué)性能,揭示了力學(xué)性能隨收獲時間的變化規(guī)律和與聯(lián)合收獲損失之間的關(guān)系。高連興等[25]測定了摘果后物料的漂浮速度,發(fā)現(xiàn)花生莢果、仁果、果殼與石頭的差別較大。
2.2.2對摘果機(jī)理的研究 摘果機(jī)理分析是為了優(yōu)化設(shè)計參數(shù)、確定關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)。摘果機(jī)理分析側(cè)重于摘果裝置的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性分析、采用有限元方法對摘果裝置參數(shù)優(yōu)化、使用軟件對不同工作參數(shù)進(jìn)行動力學(xué)仿真等方面。楊然兵[26]研究了甩捋式摘果裝置的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性,用二次回歸正交試驗(yàn)法確定了摘果裝置的最佳作業(yè)參數(shù)。耿端陽[27]采用沖擊韌度試驗(yàn)測定方法,確定沖斷果柄所需的滾筒轉(zhuǎn)速,根據(jù)花生莢果幾何分布及滾筒位置配置計算確定滾筒直徑。南飛飛[28]測定了花生植株的基本生物學(xué)特性,采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化了前進(jìn)速度、夾送速度、摘果輥筒的轉(zhuǎn)速和長度。蘇展[8]比較了3種摘果元件的性能,為摘果裝置在小區(qū)育種中的應(yīng)用提供了依據(jù),優(yōu)選了矩形齒摘果元件的參數(shù)。胡志超團(tuán)隊[29]提出了有效摘果區(qū)和最佳摘果區(qū)的概念,分析了花生果系的理想運(yùn)動軌跡、摘果的頻率和強(qiáng)度等,通過響應(yīng)面試驗(yàn)確定了摘果裝置的最佳參數(shù)組合。凌軒等[30]開發(fā)了一種數(shù)字化花生摘果測力系統(tǒng),研究了鮮花生莢果摘落時的受力以及最小擠壓裂莢力和破碎力。楊靜[31]對摘果滾筒中花生植株的應(yīng)力進(jìn)行了分析。柴康杰[32]利用有限元軟件對摘果裝置的振動信號進(jìn)行了試驗(yàn)分析,提出了減振措施;王東偉[33]全面研究了花生摘果機(jī)理,借助ANSYS的有限元分析方法,優(yōu)化了曲面對輥式花生摘果裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)。徐繼康等[34]應(yīng)用有限元模擬應(yīng)力分析法和二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)法,對防纏繞螺旋刀除膜摘果裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。朱衛(wèi)衛(wèi)等[35]構(gòu)建了花生摘果仿真模型,研究莢果與摘果輥的碰撞沖擊特性,對有限元分析的沖擊力特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。呂小榮等[36]構(gòu)建了摘果系統(tǒng)三維實(shí)體模型,分析了運(yùn)動特性,進(jìn)行仿真正交試驗(yàn),研究了不同因素對摘果性能的影響。
2.2.3對摘果裝置的研究 花生摘果裝置的摘果滾筒形狀、數(shù)量、組合方式、夾持鏈等結(jié)構(gòu)特征和喂入方式?jīng)Q定了摘果作業(yè)的性能。4HZ-2型自走式花生聯(lián)合收獲機(jī)可根據(jù)花生植株收獲時的特點(diǎn)調(diào)節(jié)滾筒與凹板篩之間的間隙,以提高秧果的分離能力,減少損失。組合式摘果裝置的多個摘果滾筒,可自由拆卸和更換。關(guān)萌等[37]進(jìn)行了組合滾筒的摘果性能試驗(yàn),結(jié)果表明,軸流單滾筒摘果效果最好。4HBL-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)中夾持鏈的雙浮動調(diào)節(jié)可以防止秧果堵塞。4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)用甩捋式摘果機(jī)理,應(yīng)用往復(fù)擺拍式拍土裝置可減少機(jī)械掉果,提高了鮮濕花生果的摘凈率。
4HLJ-8型輪式自走花生撿拾收獲機(jī)采用多級滾筒串聯(lián),保證了充足的分離時間和分離面積,提高了作業(yè)的順暢性和可靠性。高連興等[38]研制的對輥半喂入式摘果系統(tǒng)中,上摘果輥與下摘果輥差相配置,同時擊打摘果,損傷率較低、摘凈率高,非常適合國內(nèi)鮮濕花生的摘果作業(yè)。
2.2.4對摘果元件的研究 在對摘果元件形狀和材料持續(xù)研究的基礎(chǔ)上,學(xué)者對摘果元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新,以達(dá)到理想的摘果效果。4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)增加了復(fù)收裝置,以解決滾筒漏果問題[39]。4HBL-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用波紋葉片,擴(kuò)大摘果范圍與摘果長度,改變了摘果的角度,增加摘凈率,降低破損率;花生秧在摘果彈齒處不堵塞、不落秧、無莢果損傷。4HJL-2 型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用了螺旋圓弧面板式摘照元件,防止秧蔓堵塞,降低破碎率。王冰等[4]在四行半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)上采用圓弧型葉片,莢果與葉片不發(fā)生正向碰撞,多數(shù)莢果滑過圓弧形葉片,葉片對莢果作用較為柔和。
摘果元件和摘果方式是影響花生摘凈率的關(guān)鍵因素,摘果不干凈需要二次摘果,浪費(fèi)時間和精力。4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)的三帶夾持機(jī)構(gòu)采用柔性夾持拔取原理,機(jī)構(gòu)較為簡單;但柔性夾持帶來掉果率低、莢果摘不凈的問題[26];4HZB-2A型花生摘果機(jī)采用對輥摘果方式,摘果較為柔和,但會有摘果不凈的問題[40];4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用后傾弧形板,摘果方式類似人工摔打摘果,摘果強(qiáng)度較柔和,會造成摘果不干凈[29]。
花生與摘果元件激烈碰撞,莢果破碎率高。影響破碎率的主要因素有摘果元件的類型、材料性能和滾筒的數(shù)量。4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)使用剛性摘果齒,莢果與摘果齒碰撞劇烈,破碎較嚴(yán)重。4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)挖掘過程中果實(shí)破碎率高,莢果強(qiáng)度降低,摘果破碎率較高[41]。4HZ-2型自走式花生聯(lián)合收獲機(jī)采用二級滾筒,兩次摘果,帶來了較多的莢果損傷。4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用打擊作用較強(qiáng)的釘齒滾筒,莢果破碎率高。
花生秧蔓含水量大、喂入量不均勻,會使秧蔓纏繞在滾筒中、摘果齒或振動篩中,造成滾筒堵塞。4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)的擺拍式清土裝置,難以去除土中硬物,造成堵塞[42]。4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)上傳統(tǒng)振動篩振動頻率和幅度等參數(shù)不能滿足花生秧果與土石分離,輸送裝置中的傳送花生秧蔓造成擁堵,造成滾筒堵塞。
應(yīng)深入研究花生秧果的物料特性,全面分析影響秧蔓拉伸和剪切性能、花生莢果抗壓性能的因素,探索摘果過程中花生莢果的動力學(xué)性能,建立起能夠精確描述花生秧、果分離過程的數(shù)學(xué)模型,為摘果裝置的進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。
建立摘果裝置三維模型,運(yùn)用計算機(jī)軟件,建立摘果過程有限元模型并進(jìn)行仿真分析,探索影響摘果質(zhì)量的因素,確定摘果裝置的最優(yōu)理論工作參數(shù)。利用機(jī)電領(lǐng)域最新設(shè)備探明摘果機(jī)理,建立全方位的摘果機(jī)理模型。兼顧摘凈率、破損率和能耗等重要指標(biāo)的平衡,綜合考慮滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒與凹板間隙等關(guān)鍵參數(shù),進(jìn)一步優(yōu)化摘果裝置的結(jié)構(gòu)和整體配置。
優(yōu)化花生摘果裝置中摘果滾筒的數(shù)量、摘果間隙等參數(shù),創(chuàng)新滾筒的結(jié)構(gòu)配置,使花生秧果在滾筒之間、滾筒與凹板間運(yùn)行順暢,減少滾筒的堵塞,提高摘果滾筒對花生秧果的適應(yīng)性。創(chuàng)新摘果元件的材料、改進(jìn)摘果元件的角度、尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)、改善摘果元件對花生莢果的作用效果,減少花生果實(shí)的破損率。將不同類型的摘果元件高效組合,摘果的同時去除果柄,提高摘凈率。