劉炳先,廖宇蘭,熊 佳,益愛麗,王高遠(yuǎn)

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,?？?570228)

0 引言

木薯作為世界三大薯類作物之一,是一種廣泛栽培于熱帶、亞熱帶地區(qū)的重要糧食作物和新型能源物質(zhì)[1]。木薯也是我國海南、廣東和廣西等地區(qū)的一種重要經(jīng)濟(jì)作物,在我國的栽培面積逐年增加[2]。木薯的機(jī)械化收獲是木薯產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié),還可以帶動木薯周邊生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機(jī)械化(如種植機(jī)械化、管理機(jī)械化等[3]),從而更加有利于提高木薯產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率,對促進(jìn)我國熱帶地區(qū)木薯種植產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程起到了積極的推動作用[4]。

目前,國外發(fā)達(dá)國家多采用大型木薯聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行大面積的收獲作業(yè),具有多種、多級的輸送分離裝置,土薯分離效果較好,但國外的大型木薯收獲機(jī)不適合我國熱帶地區(qū)具有特色的小地塊作業(yè)[5]。我國木薯機(jī)械化收獲形式主要采用分段收獲,收獲機(jī)械類型較多,但收獲作業(yè)質(zhì)量差別較大,主要問題表現(xiàn)在土薯分離效果差、凈薯率低及傷薯率高等[6]。

針對上述問題,課題組對木薯收獲的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了技術(shù)調(diào)研,根據(jù)木薯種植戶收獲要求,結(jié)合木薯種植的農(nóng)藝要求[7],設(shè)計(jì)出一種帶有抖動鏈?zhǔn)胶Y土裝置的木薯收獲機(jī),并確定了該裝置的結(jié)構(gòu)組成和重要參數(shù),為后續(xù)此類薯土分離裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 木薯種植農(nóng)藝要求

木薯主要種植于地層深厚、土質(zhì)疏松、可灌溉、排水良好、有機(jī)質(zhì)和鉀豐富的砂壤土里[8]。在插植前,需要對土壤進(jìn)行耕翻30cm以上;而后碎土開溝作壟可增加土壤與外界空氣的接觸面積,受光面積較大,并加大表土?xí)円箿夭?有利于木薯塊根的形成與膨大。壟的高度與寬度一般根據(jù)地勢、土質(zhì)及氣候狀況而定,通常壟寬帶溝80～100cm,壟高25～35cm。對于排水不良的平坦地、山腳地、粘質(zhì)地等,作壟應(yīng)高些,壟寬適當(dāng)縮小,以利排水防漬;對于排水較好的山地、坡地、保水力差的砂質(zhì)土地,作壟需略低及略寬,利于防旱保水。機(jī)械收獲前需對木薯植株進(jìn)行前期處理,效果圖如圖1所示。

圖1 收獲前期木薯植株處理效果圖

1.2 結(jié)構(gòu)組成及主要技術(shù)參數(shù)

木薯收獲機(jī)主要由懸掛機(jī)架、仿生挖掘鏟、輸送分離裝置、收納箱及傳動機(jī)構(gòu)等組成,如圖2所示。

主要技術(shù)參數(shù)如下:

整機(jī)質(zhì)量/kg:280

配套動力/kW:43.0

工作幅寬/mm:1 000

挖掘深度/mm:150～350(理論)

作業(yè)速度/km·h-1:1.12～2.72

作業(yè)壟數(shù)/壟:1

1.拖拉機(jī) 2.懸掛機(jī)架 3. 聯(lián)軸器 4. 仿生挖掘鏟

1.3 工作原理

拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛方式牽引木薯收獲機(jī)前進(jìn),拖拉機(jī)尾部的輸出軸動力通過萬向節(jié)聯(lián)軸器與齒輪箱的輸入軸相連將動力傳遞給齒輪箱[9],采用鏈傳動方式將齒輪箱的動力重新分配到柵條式閉合回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)和抖動機(jī)構(gòu)。作業(yè)時(shí),在拖拉機(jī)牽引下,仿生挖掘鏟挖出木薯塊根和土壤的混合物[10],通過堆擠作用,使得混合物被迫堆擠到分離裝置入口處;柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩在升運(yùn)鏈驅(qū)動輪和抖動輪的回轉(zhuǎn)下能夠?qū)崿F(xiàn)對混合物進(jìn)行升運(yùn)輸送、篩分除雜的目的;黏附在木薯塊根表皮上的土塊會在混合物之間互相推擠摩擦及柵條的起伏碰撞過程中發(fā)生解體,解體后的小土塊在自身重力的作用下經(jīng)過柵條之間的縫隙落至地面,分離后的木薯塊根會繼續(xù)隨著升運(yùn)篩運(yùn)送至該裝置后方的收納箱內(nèi),統(tǒng)一收集。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架是木薯收獲機(jī)最基本的支撐結(jié)構(gòu),幾乎承載著整個(gè)機(jī)械作業(yè)時(shí)的所有載荷。安裝在機(jī)架上的部件主要有仿形挖掘鏟、鏈傳動機(jī)構(gòu)、柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩、地輪及收納箱等。在保證各部件安裝位置準(zhǔn)確的前提下,設(shè)計(jì)并計(jì)算出合理的機(jī)架結(jié)構(gòu)和參數(shù)以提高機(jī)架的整體工作強(qiáng)度,盡可能地減輕整機(jī)質(zhì)量以降低拖拉機(jī)功耗;機(jī)架的尺寸大小還取決于木薯種植的農(nóng)藝要求[5]。綜上所述,設(shè)計(jì)的機(jī)架尺寸為1 800mm×1 100mm×1 050mm(長×寬×高),焊接材料為80mm×80mm×5mm的矩形方鋼,如圖3所示。

2.2 仿生挖掘鏟的設(shè)計(jì)

目前,專用于木薯挖掘的挖掘鏟有3種,即三角形凸面鏟、柵條式挖掘鏟和多階式挖掘鏟。3種鏟都存在致命的缺點(diǎn):三角形凸面鏟入土困難、功耗大;柵條式挖掘鏟入土容易但強(qiáng)度較低、容易變形;多階式挖掘鏟存在碎土、排土困難的問題[11]。合理的設(shè)計(jì)不僅可以提高挖掘鏟的入土和碎土性能,保證木薯塊根的收獲質(zhì)量,還能減少整機(jī)動力消耗,降低收獲成本。為此,根據(jù)仿生學(xué)原理,設(shè)計(jì)出一種類似于中華田園犬前爪的仿生鏟,具有結(jié)構(gòu)簡單、入土性高及排土性好等特點(diǎn)。該仿生挖掘鏟由6個(gè)相同的曲型鏟齒并排組成,材料為65Mn鋼,挖掘鏟兩側(cè)豎直鏟耳上留有安裝孔,可以上下調(diào)節(jié)安裝高度,以適應(yīng)不同地區(qū)的深度挖掘,如圖4所示。

1.鏟耳 2. 焊接板 3. 安裝孔 4.犬趾型鏟齒

一般情況下,通過入土深度、工作幅寬、齒寬、齒距及入土傾角5個(gè)參數(shù)來測評挖掘鏟的工作性能[12]。根據(jù)木薯塊根的生物特性,為了保證塊根挖整,且避免土壤堆積,設(shè)計(jì)挖掘鏟的入土深度為30cm;根據(jù)木薯種植的農(nóng)藝要求,為了保證塊根挖盡,挖掘鏟的工作幅寬為100cm;為了保證仿生鏟具有良好的入土性,設(shè)計(jì)齒前端呈細(xì)窄型;為了保證齒在持續(xù)工作中有一定的承載強(qiáng)度,設(shè)計(jì)齒后端呈粗寬型;為了對挖掘起來的混合物進(jìn)行導(dǎo)流,相鄰的鏟齒之間設(shè)有一定的空隙,在機(jī)械振動的作用下,可以及時(shí)抖落部分破碎的土塊,減輕后續(xù)混合物的升運(yùn)抖動分離工作。

為使挖掘出來的混合物能沿鏟齒順利地滑移至分離裝置入口處,將混合物看作質(zhì)點(diǎn),簡化混合物與挖掘鏟之間的相互作用,如圖5所示。根據(jù)圖5可以建立關(guān)系式,即

Pcosα-F-Gsinα≥0

(1)

N-Pcosα-Gcosα=0

(2)

F=μN(yùn)

(3)

式中P— 前進(jìn)阻力;

α— 入土傾角;

G— 混合物(木薯塊根與土壤);

F— 混合物對挖掘鏟的摩擦力;

N— 挖掘鏟對混合物的反作用力;

μ— 土壤對挖掘鏟的摩擦因數(shù),土壤對鋼鐵的摩擦因數(shù)為0.577～0.721。

計(jì)算可得出挖掘鏟的入土傾角為

(4)

為保證有較好的碎土能力及盡可能地減小挖掘阻力,仿生挖掘鏟的入土傾角值不宜過大或過小,故取入土傾角范圍為13°～24°。

圖5 混合物與挖掘鏟作用簡化圖

2.3 分離裝置的設(shè)計(jì)

抖動鏈?zhǔn)胶Y土裝置主要由柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩、驅(qū)動輪、托鏈輪、導(dǎo)向撐鏈輪、抖動輪及鏈傳動機(jī)構(gòu)等組成[13],如圖6所示。其主要完成木薯塊根與土壤等混合物的輸送和分離工作,最終得到未被土壤或少量土壤粘附的塊根。

考慮到木薯塊根的生物特征,為了能夠在有限的輸送距離內(nèi)使得木薯塊根和土壤混合物分離效果最佳,設(shè)計(jì)輸送行程為1 375mm,輸送寬度1 000mm,升運(yùn)柵條桿間距41mm。為了保證柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩具有一定的承載力和升運(yùn)強(qiáng)度,柵條桿的材料選為直徑13mm的圓鋼。柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩的工作面是由若干等間距的柵條桿組成的一個(gè)連續(xù)移動的篩面,柵條桿鉚接在兩根平行同步帶上,在驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動下隨著同步帶一起運(yùn)動。

1.導(dǎo)向撐鏈輪 2.柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩 3. 驅(qū)動輪 4.抖動輪 5.托鏈輪

振動器是抖動裝置中最重要的組成部分,是碎土和排土的主要?jiǎng)恿碓碵14]。本文采用兩對振動輪組合形式進(jìn)行設(shè)計(jì),振動器三維造型圖如圖7所示。工作過程中,振動器兩邊的抖動輪通過鏈傳動隨驅(qū)動輪做同圓周速度的轉(zhuǎn)動,由于振動器上下交替將同步帶頂起,并與之產(chǎn)生抖動作用,使工作篩面不斷地縱向抖動,達(dá)到對混合物進(jìn)行碰撞分離作用。這種振動器結(jié)構(gòu)簡單,工作強(qiáng)度大,不會因轉(zhuǎn)速的調(diào)整而變形失效。為了達(dá)到最佳的篩分效果,工作篩面與地面的傾角調(diào)整為8°,如圖8所示。

圖7 振動器三維造型圖

當(dāng)回轉(zhuǎn)篩的線速度過大時(shí),混合物會在工作篩面上發(fā)生相對滑動的現(xiàn)象,不利于分離。最佳回轉(zhuǎn)篩線速度可根據(jù)回轉(zhuǎn)篩線速度V與機(jī)組作業(yè)速度V0的比值λ=V/V0=0.8～2.3ms確定。由于熱帶地區(qū)的土質(zhì)為濕黏質(zhì)土壤,所以輸送帶速確定為V=1.3m/s。

圖8 工作篩面結(jié)構(gòu)示意圖

3 田間試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)分析

試驗(yàn)的主要目的是在一定時(shí)間條件下測定木薯收獲機(jī)的使用情況,包括地區(qū)適應(yīng)性、耐用性以及工作性能等,并通過測定木薯的凈薯率、明薯率、傷薯率來判斷該木薯收獲機(jī)的性能[10]。

試驗(yàn)于2018年5月在海南大學(xué)工程中心附近的試驗(yàn)田進(jìn)行,當(dāng)天的客觀試驗(yàn)條件如表1所示。首先對木薯植株進(jìn)行前期處理,即通過人工作業(yè)方式將離地30cm以上的木薯莖稈切除。試驗(yàn)機(jī)具為本課題組研制的升運(yùn)鏈?zhǔn)酵潦矸蛛x機(jī),將該分離機(jī)懸掛在雷沃歐豹M804-A輪式拖拉機(jī)上。根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況,機(jī)組作業(yè)速度設(shè)置為1.2m/s。

試驗(yàn)在同一個(gè)機(jī)具上進(jìn)行,田間隨機(jī)選取5個(gè)試驗(yàn)區(qū),每個(gè)試驗(yàn)區(qū)長度為30m、寬度為1.2m,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄并整理。試驗(yàn)場景如圖9所示,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 客觀實(shí)驗(yàn)條件

圖9 田間試驗(yàn)

表2 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論與展望

1)設(shè)計(jì)并研制出集動力掛接輸入、仿生挖掘鏟、抖動鏈?zhǔn)酵潦矸蛛x裝置、木薯塊根收納箱于一體的木薯收獲機(jī),實(shí)現(xiàn)了木薯收獲的機(jī)械化作業(yè)。

2)田間試驗(yàn)結(jié)果表明:作業(yè)速度為1.2m/s時(shí),明薯率高達(dá)93.8%,傷薯率僅為2.5%,挖凈率高達(dá)98.7%,生產(chǎn)效率為0.38%。本試驗(yàn)結(jié)果值均高于預(yù)定值,說明該機(jī)作業(yè)性能穩(wěn)定可靠,作業(yè)質(zhì)量較高,符合木薯收獲的技術(shù)要求。

3)在搭建試驗(yàn)平臺過程中,木薯莖稈需要做前期切除處理,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,在后續(xù)的設(shè)計(jì)中可以考慮在挖掘機(jī)前端加入旋轉(zhuǎn)切割刀裝置及木薯莖稈鋪放收集裝置,減少人工勞動強(qiáng)度。