靳奉奎,羅 昕,胡 斌,王 超,安 霆,姜有忠,何青海

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000;2.山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院,濟南 250100)

0 引言

我國大蒜產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的70%以上,每年種植面積在70萬hm2左右[1-2]。目前,全國種植的大蒜70%以上以收蒜頭為主,蒜薹作為種植大蒜的附屬品。近幾年蒜薹的銷售價格大幅下降,蒜薹的收購價低于蒜薹的人工收獲成本,現(xiàn)有機收蒜薹技術不成熟,研發(fā)的配套農(nóng)機裝備尚未進行推廣應用[3],收蒜薹成為蒜農(nóng)的一種負擔。因此,除蒜薹頂端蒜泡和部分蒜薹,通過抑制蒜薹的生長來促進大蒜蒜頭的產(chǎn)量成為一種新的研究思路[4],大蒜切薹機成為大蒜機械化生產(chǎn)過程中急需解決的技術問題和農(nóng)業(yè)機械之一。參考現(xiàn)有大蒜蒜莖收獲機、棉花打頂機和煙草打頂機等作物打頂機械[5-8],設計了帶有單體仿形裝置的蒜薹切薹機[9],并通過臺架試驗探究了滾筒切割器切割刀數(shù)量、切割位置、定刀的安裝角度對蒜薹切薹機作業(yè)效果的影響規(guī)律,得出最佳工作組合;最后,通過田間試驗驗證了該最佳工作組合的工作效率。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

結(jié)合大蒜的種植模式、株距、行距、蒜薹頂端與葉子之間的距離及蒜薹的力學特性等參數(shù),設計了一種大蒜切薹機[10],包括懸掛系統(tǒng)、主機架、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、仿形系統(tǒng)、扶禾系統(tǒng)及防護系統(tǒng)等,如圖1所示。其中,懸掛系統(tǒng)由懸架橫梁和懸架縱梁組成;主機架由機架和軸承安裝架組成;動力系統(tǒng)由液壓油箱、液壓馬達、液壓馬達支架、液壓閥、聯(lián)軸器、液壓油管組成;傳動系統(tǒng)由主動軸、從動軸、主動帶輪、從動帶輪、V型帶、帶座球軸承組成;切割系統(tǒng)由滾筒切割器和定刀組成;滾筒切割器由切割刀、切割刀壓板、刀盤、刀盤限位套組成;仿形系統(tǒng)包括仿形輪、仿形座、可調(diào)節(jié)仿形輪連接架、帶座球軸承;扶禾系統(tǒng)包括扶禾架、扶禾桿、焊合塊;防護系統(tǒng)包括主機架蓋、切割器護板、推禾板。

1.2 工作原理

大蒜切薹機通過懸掛系統(tǒng)連接在拖拉機上,利用拖拉機的液壓油箱驅(qū)動液壓馬達工作,通過傳動系統(tǒng)將動力分別傳遞給4個從動軸,滾筒切割器安裝在從動軸上,隨著從動軸的轉(zhuǎn)動而工作;通過液壓閥調(diào)節(jié)液壓油的流量,控制液壓馬達的轉(zhuǎn)速,通過液壓馬達的轉(zhuǎn)速來控制滾筒切割器的轉(zhuǎn)速;進入工作狀態(tài)時,通過懸掛系統(tǒng)的調(diào)節(jié)找到適宜的切割高度,仿形系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)切頂系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、扶禾系統(tǒng)的高度,保證機器工作不受地形影響;扶禾系統(tǒng)將傾斜的蒜薹扶正,并引入到切割系統(tǒng)中,完成切割作業(yè)。

2 切割器結(jié)構(gòu)設計與分析

2.1 切割器結(jié)構(gòu)設計

切割系統(tǒng)是蒜薹切薹機的關鍵工作部件,由滾筒切割器和定刀組成。工作時,定刀將蒜薹向前推動,配合旋轉(zhuǎn)的滾筒切割器將蒜薹切下,切割過程如圖2所示。

1.滾筒切割器 2.定刀 3.蒜薹植株

滾筒切割器主要由左刀盤、右刀盤、切割刀、刀片壓板、平頭螺釘及刀盤軸套等組成,如圖3所示。

刀盤預留有1、2、3、4、5、6共6個刀位,每個刀位設有2個螺紋孔,通過刀片壓板將切割刀壓在刀位上,通過沉頭螺釘與螺紋孔的配合,將切割刀固定在刀盤上。沉頭螺釘可以減少切割過程中大蒜蒜莖對螺釘?shù)臎_擊,提高滾筒切割器工作的穩(wěn)定性。刀盤安裝在從動軸上,兩個刀盤通過刀盤軸套確定安裝位置,通過頂絲與刀盤上的螺紋孔的配合固定刀盤,防止刀盤與從動軸發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)。

左刀盤如圖4所示。其中,6個刀位可以保證不同安裝方式下相鄰兩把刀之間相隔的角度相同,以及切割時滾筒切割器受力平衡。

1.左刀盤 2.切割刀 3.刀片壓板 4.平頭螺釘 5.右刀盤 6,刀盤軸套

1.1號刀位 2.2號刀位 3.3號刀位 4.4號刀位 5.5號刀位 6.6號刀位 7.頂絲螺紋孔

2.2 滾筒切割器切割刀的運動軌跡分析

蒜薹切薹機在工作過程中,作業(yè)速度與滾筒切割器的轉(zhuǎn)速、滾筒切割器切割刀的數(shù)量有對應的關系。當滾筒切割器安裝1把切割刀時,切薹機行進1個株距的距離,滾筒切割器旋轉(zhuǎn)360°;當滾筒切割器安裝兩把切割刀時,切薹機行進1個株距的距離,滾筒切割器旋轉(zhuǎn)180°;當滾筒切割器安裝3把切割刀時,切薹機行進1個株距的距離,滾筒切割器旋轉(zhuǎn)120°。

當安裝1把切割刀時,滾筒切割器的轉(zhuǎn)速和機器的前進速度存在對應關系,即

s=vt

(1)

2π=ωt

(2)

式中s—大蒜株距;

v—機器行進速度;

ω—滾筒切割器角速度。

由式(1)、式(2)可以得到機器的前進速度和滾筒切割器的角速度、株距的對應關系為

(3)

同理,可以求得當安裝兩把切割刀時機器的前進速度和滾筒切割器的角速度、株距的對應關系為

(4)

通過對式(3)、式(4)的分析可得

(5)

式中x—滾筒切割器旋轉(zhuǎn)1周進行的切割次數(shù)。

通過Adams進行滾筒切割器工作過程的運動學仿真,得出安裝1把、2把、3把刀時切割刀的運動學軌跡,如圖5所示。通過對圖5(b)、(c)進行分析可得:當滾筒的角速度和種植株距不變時,機器行進速度與滾筒切割器旋轉(zhuǎn)1周進行的切割次數(shù)成正比;滾筒切割器旋轉(zhuǎn)1周進行的切割次數(shù)與滾筒切割器安裝的刀的數(shù)量成正比例關系。所以,機器行進速度與滾筒切割器安裝的刀的數(shù)量成正比,驗證了公式(5)的正確性。

3 田間試驗及參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗條件

試驗地種植大蒜品種為金鄉(xiāng)大蒜,試驗田選擇山東華源萊動內(nèi)燃機有限公司的大蒜種植試驗田。采用山東華源萊動內(nèi)燃機有限公司生產(chǎn)的大蒜播種機進行機械化播種,種植模式為行距15cm、株距10cm。試驗期在蒜薹快速生長的時期,選擇長勢均勻、莖葉茂盛及生長狀況良好的試驗田進行試驗。

3.2 樣機主要技術指標

根據(jù)山東大蒜種植農(nóng)藝要求,大蒜切薹機的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 大蒜切薹機主要技術參數(shù)

3.3 試驗器材

試驗用拖拉機為山東華源萊動內(nèi)燃機有限公司生產(chǎn)的4DS-6系列“蒜王”大蒜聯(lián)合收獲機的拖拉機,配套動力50kW,拖拉機帶有液壓油箱,為切薹機液壓馬達提供液壓油。田間試驗如圖6所示。

3.4 試驗指標

根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求,當蒜薹生長至20cm左右、蒜薹頂端離大蒜最頂端莖葉約7～8cm左右時進行切割。切割要求將蒜泡及蒜泡下3～6cm蒜莖切除,同時不傷害最頂端的莖葉,滿足上述條件為切薹合格。

在試驗田隨機選取試驗區(qū),每個試驗區(qū)選取300株大蒜植株作為試驗對象。試驗后,通過公式(6)計算得出切薹合格率,即

(6)

其中,Fa為切薹率;a為符合切割要求的蒜薹植株數(shù)量;n為選取的試驗區(qū)大蒜植株數(shù)量。

圖6 田間試驗圖

3.5 試驗因素與水平

為了確定機器的工作性能、分析可能會對切薹機工作性能產(chǎn)生影響的因素及尋找最優(yōu)工作狀態(tài),設計了試驗。通過理論分析與實際生產(chǎn)的經(jīng)驗分析可知:影響大蒜切薹機工作性能的主要因素有滾筒切割器切割刀的數(shù)量X1、滾筒切割器的切割位置X2、定刀的安裝角度X3。滾筒切割器切割位置示意圖如圖7所示,各因素水平如表2所示。

圖7 切割位置示意圖

表2 因素水平表

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗結(jié)果

Design-Expert8.0.6軟件設計試驗過程中,為排除非試驗因素對試驗的影響,需要選用二次甚至更高次的模型來逼近響應,因此本試驗采用響應曲面來建立該模型[11-13]。假設切薹合格率Y與滾筒切割器切割刀的數(shù)量X1、滾筒切割器的切割位置X2、定刀的安裝角度X3存在著相應的函數(shù)關系,試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果

4.2 模型的建立與檢測

運用Design-Expert8.0.6軟件對表3的試驗結(jié)果進行方差分析,求得回歸系數(shù)及其顯著性檢驗,如表4所示。

表4 模型顯著性試驗

續(xù)表4

大蒜切薹機編碼后的回歸方程式為

Y=90.06-2.62X1-1.87X2-2.75X3-

0.50X1X2+1.25X1X3-0.75X2X3-

7.30X12-5.30X22-3.55X32

(7)

表4中,模型的顯著性檢驗F=26.32,P<0.0001,說明二次回歸方程的檢測達到顯著水平;失擬性檢驗F=3.14,P=0.1489>0.1為不顯著,說明試驗范圍內(nèi)的模型擬合性很好,可以用該模型對3個因素的影響效果進行分析和預測。

4.3 因素分析及參數(shù)優(yōu)化

4.3.1 影響因素分析

通過分析可知:滾筒切割器切割刀的數(shù)量、滾筒切割器切割位置及定刀的安裝角度對蒜薹的切薹合格率均有顯著影響。通過對F值比較,可以得出3個因素影響的強弱次序依次為定刀的安裝角度>滾筒切割器切割刀的數(shù)量>滾筒切割器的切割位置。圖8所示為大蒜切薹合格率的響應曲面3D效果。

4.3.2 參數(shù)優(yōu)化

應用尋優(yōu)功能進行參數(shù)優(yōu)化,得到參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明:預測的最佳試驗條件是滾筒切割器切割刀數(shù)量1.78把,切割位置為-0.2,定刀安裝角度為-12.36°,預測大蒜切薹率91%。

圖8 因素對相關系數(shù)影響的響應曲面

表5 優(yōu)化結(jié)果與試驗結(jié)果對比

4.3.3 試驗驗證

為了驗證優(yōu)化結(jié)果的可行性,現(xiàn)對優(yōu)化結(jié)果進行試驗?？紤]到方便機具的加工和實際工作條件,選取滾筒切割器切割刀為2把、切割位置為0、定刀安裝角度為-12°,得出大蒜切薹合格率為92%,與預測值相差1%。試驗結(jié)果與預測值較為接近,驗證了所建模型的準確性。優(yōu)化后的大蒜切薹機性能得到提升,完全符合大蒜切薹的作業(yè)要求。

5 結(jié)論

滾筒切割器切割刀數(shù)量、滾筒切割器切割位置、定刀安裝角度均會對大蒜切薹機的工作性能產(chǎn)生影響。影響程度的強弱依次為:定刀的安裝角度>滾筒切割器切割刀的數(shù)量>滾筒切割器的切割位置。應用Design-Expert8.0.6軟件對3個參數(shù)進行分析,對該參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化后的滾筒切割器切割刀數(shù)量為2把,切割位置為下端切割,定刀安裝角度為-12°。田間試驗結(jié)果表明:大蒜切薹機的切薹合格率為92%。優(yōu)化后的大蒜切薹機可以滿足切薹的功能。