張智龍,劉 威,侯加林,崔 濤,耿愛軍,張 姬

(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.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,北京 100083)

0 引言

玉米是我國三大糧食作物之一,推進(jìn)玉米生產(chǎn)機(jī)械化對于保障糧食安全、促進(jìn)農(nóng)民增收具有重大意義[1]。收獲作為玉米生產(chǎn)過程中的最后一個環(huán)節(jié),在玉米生產(chǎn)過程中占有重要地位。玉米收獲處于“三秋”時節(jié),勞動強(qiáng)度大,需要占用大量勞力,發(fā)展玉米收獲機(jī)械化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然[2]。

由于我國玉米種植區(qū)域大,種植模式多種多樣,種植行距不統(tǒng)一,行距范圍為300～800mm[3-4]。種植模式和種植行距的不統(tǒng)一,造成了不對行收獲的問題,增加了玉米收獲的難度[5]。

我國現(xiàn)有玉米收獲機(jī)輥式割臺和板式割臺行距固定,收獲玉米時需要對行收獲。由于種植模式和種植行距的不統(tǒng)一,玉米收獲機(jī)可能將植株推倒,造成損失[6]。

與現(xiàn)有摘穗機(jī)構(gòu)擠拉莖稈實(shí)現(xiàn)摘穗的原理不同,梳脫式摘穗機(jī)構(gòu)模擬人手摘穗,梳齒之間的間隙小于果穗大端的直徑,大于莖稈的直徑。工作時,依靠梳齒桿對植株進(jìn)行梳刷,當(dāng)觸碰到果穗大端時,將果穗摘下[7]。

為了研究梳脫摘穗機(jī)構(gòu)對果穗的沖擊作用,明確梳脫摘穗機(jī)構(gòu)對果穗作用的力學(xué)特征和運(yùn)動情況,分別開展了力學(xué)分析和高速攝影試驗(yàn)研究,旨在為梳脫摘穗機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

梳脫式玉米摘穗機(jī)主要由梳齒桿、梳齒桿安裝座、梳脫滾筒、膠套、滾筒軸等部件組成,如圖1所示。梳齒桿通過螺栓插裝在梳齒桿安裝座里,梳齒桿安裝座通過螺栓與梳脫滾筒連接。梳齒桿外側(cè)包有膠套,以減小梳齒桿對果穗的碰撞損傷。

1.2 工作原理

在傳動軸上安裝有若干梳脫摘穗機(jī)構(gòu)單體,通過調(diào)節(jié)梳脫摘穗機(jī)構(gòu)單體之間的距離,來提高收獲玉米的行距適應(yīng)性。工作時,梳脫摘穗機(jī)構(gòu)在機(jī)器的帶動下前進(jìn),依靠機(jī)器提供的動力,與機(jī)器前進(jìn)方向滾動逆向旋轉(zhuǎn);相鄰兩梳齒桿的間隙大于莖稈直徑,小于果穗大端直徑,果穗在旋轉(zhuǎn)的梳齒桿觸碰下被摘落,并向后輸送。玉米梳脫摘穗機(jī)構(gòu)可按照種植行距調(diào)節(jié)單體距離,具有較高的行距適應(yīng)性,且摘穗過程對莖稈擠壓程度較小,減少了摘穗時的功率消耗。

2 梳脫摘穗過程分析

2.1 梳脫摘穗過程力學(xué)分析

梳脫摘穗過程為梳齒桿對果穗的碰撞過程,果穗在梳齒桿沖擊、牽拉等作用下被摘落,受力如圖2所示。所受沖擊力F的分力F1沿果柄方向?qū)⒐?F2使果柄彎折。

根據(jù)沖量定理,存在以下關(guān)系式,即

F·t=mv1-mv0

(1)

式中t—梳齒桿對果穗沖擊作用時間(s);

m—果穗質(zhì)量(kg);

v1—摘穗后果穗運(yùn)動速度(m/s);

v0—摘穗前果穗運(yùn)動速度,摘穗前果穗的初速度為0 m/s。

由于梳齒桿對果穗的作用時間短暫,不能精確測量摘穗過程的作用時間和摘穗后果穗的運(yùn)動速度,因此難以獲得梳脫摘穗機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)對果穗碰撞沖擊的影響情況。

為此,利用能量平衡理論對摘穗過程進(jìn)行分析[8],可得

(2)

式中P摘—摘穗作業(yè)時梳脫摘穗機(jī)構(gòu)功耗(kW);

P空—空轉(zhuǎn)時梳脫摘穗機(jī)構(gòu)功耗(kW);

F連—果穗連接力(N);

s、s1、s2—果穗運(yùn)動位移、初始位移、摘落后運(yùn)動位移(mm);

k1—梳齒桿與果穗間摩擦系數(shù);

x、x0、x1—梳齒桿位置、梳齒桿與果穗接觸初始位置、梳齒桿與果穗接觸結(jié)束位置(mm);

h—果穗上升的位移(mm);

k2—梳齒桿瞬間彈性系數(shù);

x—梳齒桿接觸位置變形量(mm);

Ef—摘穗過程果穗獲得的彈性勢能(J)。

由式(2)可知:摘穗過程中,梳脫摘穗機(jī)構(gòu)所做的功主要轉(zhuǎn)換成果穗的動能、克服果穗連接力所做的功、梳齒桿與果穗的內(nèi)能、果穗的重力勢能、梳齒桿的彈性勢能及果穗的彈性勢能。梳齒桿與果穗的內(nèi)能取決于摩擦阻力所產(chǎn)生的能量,與接觸面積、植株含水率、梳齒桿材料及形狀等因素有關(guān),應(yīng)盡可能減少;果穗在碰撞過程中的位移很小,果穗的重力勢能可忽略不計(jì);由于梳齒桿的剛度系數(shù)較大,忽略由碰撞所產(chǎn)生的梳齒桿的彈性勢能。因此,梳脫摘穗過程所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換主要用于碰撞后的果穗動能、克服果穗連接力所做的功及果穗的彈性勢能。

為了將果穗摘落,并降低果穗損傷,需滿足如下關(guān)系,即

(3)

式中E破碎—籽粒破碎所需的能量(J)。

由式(3)可知:沖擊力F應(yīng)大于果穗的連接力,但沖擊力F較大,Ef也會增大。其中,Ef為果穗在碰撞過程中所獲得的彈性勢能。由斷裂力學(xué)可知,Ef可看作果穗籽粒損傷形成新表面的自由能(忽略碰撞過程散失的其他能量),計(jì)算公式為[9]

(4)

式中K—比例系數(shù);

m0—籽粒質(zhì)量(g);

vr0—籽粒與梳齒桿運(yùn)動的相對速度(m/s);

e—籽粒與梳齒桿的恢復(fù)系數(shù);

α—梳齒桿碰撞籽粒時相對速度與公法線的夾角(°)。

根據(jù)斷裂力學(xué)中Griffith能量平衡原理[10],籽粒損傷程度可由Ef表征。由式(4)可知:果穗的彈性勢能Ef同籽粒與梳齒桿運(yùn)動的相對速度有關(guān)。為此,對梳齒桿沿碰撞方向的運(yùn)動速度進(jìn)行分析。

2.2 梳脫摘穗過程速度分析

依據(jù)經(jīng)典碰撞理論[11-12],對摘穗系統(tǒng)做如下假設(shè):碰撞時間無限小,碰撞過程中所有物體的位置和方位不變,碰撞是點(diǎn)接觸,碰撞過程中物體的形狀和慣量不變。

為了研究摘穗時梳齒桿對果穗的接觸碰撞特征,對梳齒桿與果穗接觸點(diǎn)處的速度進(jìn)行分析。為便于分析,忽略梳齒桿截面及莖稈直徑對摘穗效果的影響,將梳齒桿和莖稈簡化為曲線和直線。梳齒桿與果穗作用時的速度分析如圖3所示。

注:r為梳脫滾筒和梳齒桿安裝座構(gòu)成的外圓半徑(mm);ra為梳齒桿圓弧段半徑(mm);α為O1B與O1A的夾角(°);rb為梳脫滾筒圓心到摘穗接觸點(diǎn)A的距離(mm);α1為O1O與O1B的夾角(°)

圖3中,O為梳脫滾筒圓心;O1為梳齒桿圓弧圓心;A為摘穗時梳齒桿與果穗碰撞的接觸點(diǎn);B為梳齒桿與梳脫滾筒的交點(diǎn),C點(diǎn)為過梳齒桿圓弧圓心O1點(diǎn)作與碰撞接觸點(diǎn)的水平延長線垂線的交點(diǎn)。

設(shè)初始時梳齒桿處于水平位置,經(jīng)過時間t1到達(dá)圖3所示位置與果穗接觸。在接觸的瞬間,梳齒桿在A點(diǎn)的速度是前進(jìn)速度v與轉(zhuǎn)動線速度rbω的合成。將前進(jìn)速度v和轉(zhuǎn)動線速度rbω向梳齒桿A點(diǎn)處圓弧的法線方向進(jìn)行分解,可得梳齒桿與果穗接觸前的速度vn,即

vn=rbωcosβ-vcosγ

(5)

式中ω—梳脫滾筒轉(zhuǎn)動角速度(rad/s);

β—滾筒轉(zhuǎn)動速度與接觸點(diǎn)法線方向的夾角(°);

γ—前進(jìn)速度與接觸點(diǎn)法線方向的夾角(°)。

令vn1、vn2分別表示轉(zhuǎn)動速度和前進(jìn)速度沿接觸點(diǎn)A的法向速度,即

(6)

為求得vn,分別對式(6)中的β、γ等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

由于轉(zhuǎn)動速度方向與OA垂直,則

(7)

將式(7)代入式(6),可得

vn1=rbωsin(∠O1AO)

(8)

由正弦定理,可得

(9)

整理得

(10)

將式(10)代入式(8),可得

(11)

由圖3可知

γ=∠O1AC

(12)

在△O1AC中,有

(13)

其中,∠CO1A由α和ωt1構(gòu)成。將式(12)和式(13)代入式(6),可得

vn2=vsin(α+ωt1)

(14)

將式(11)和式(14)分別代入式(5),可得

(15)

由式(15)可知,接觸點(diǎn)處沿法線方向的速度vn與滾筒轉(zhuǎn)動角速度ω、前進(jìn)速度v、梳齒桿圓弧半徑ra、梳脫滾筒半徑r、O1B與O1A的夾角α、O1O與O1B的夾角α1及轉(zhuǎn)動時間t1等因素有關(guān)。接觸點(diǎn)處沿法線方向的速度vn與角速度ω成正比,與前進(jìn)速度v成反比。前期田間試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,籽粒損傷比例隨前進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速的變化呈現(xiàn)了這一變化。

在完成梳脫摘穗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)后,其結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動參數(shù)確定,滾筒轉(zhuǎn)動角速度ω、前進(jìn)速度v、梳齒桿圓弧半徑ra、梳脫滾筒半徑r、O1O與O1B的夾角α0為定值。因此,碰撞接觸點(diǎn)處的法向速度vn與夾角α有關(guān),現(xiàn)就夾角α對碰撞接觸點(diǎn)處的法向速度vn的影響進(jìn)一步分析。

取滾筒轉(zhuǎn)速n為170r/min,則ω=17.8rad/s;取v=1.08m/s、ra=240mm、r=260mm、α1=0.825 4rad。當(dāng)ra=240mm時,αmax=0.8552rad(以直線O1B為測量基準(zhǔn),接觸點(diǎn)在梳齒桿尖端時取最大值),則α的取值范圍為(0,0.8552rad)。

設(shè)接觸點(diǎn)A始終處于第1象限內(nèi),則

(16)

所以,t1的取值范圍為(0,0.088s)。

將上述數(shù)據(jù)代入式(15),作vn與α、t1的關(guān)系曲線,如圖5所示。

圖4不同轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度對果穗損傷的影響

圖5 vn與α、t1關(guān)系曲線

由圖5可知:在梳脫滾筒轉(zhuǎn)動的同一時刻,當(dāng)接觸點(diǎn)處于第Ⅰ象限內(nèi)的不同位置時,碰撞點(diǎn)法向速度vn隨角α的增大先增大后減小的趨勢,α角較大時,vn較大;在角α的一定范圍內(nèi),法向速度vn隨角α的增大而增大,此時果穗越靠近梳齒桿尖端的位置受到梳齒桿相對速度越大,即果穗受梳齒桿的碰撞沖擊作用越大;此后,由于vn2較vn1增長較快,隨著角α的增大,法向速度vn隨角α呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。為了進(jìn)一步研究果穗在摘穗機(jī)構(gòu)作用下的摘穗特征,運(yùn)用高速攝影手段對梳脫摘穗過程進(jìn)行分析。

3 高速攝影試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

采用山東岱農(nóng)農(nóng)業(yè)科技有限公司農(nóng)場種植的岱單6641作為試驗(yàn)植株,材料采集時間為2017年10月。試樣從玉米植株根上第1節(jié)整體切斷,要求莖稈通直、果穗無下垂,試驗(yàn)樣品的籽粒含水率為28.66%。

試驗(yàn)在自制的試驗(yàn)臺架上進(jìn)行,如圖6所示。梳脫滾筒由7.5kW功率的變頻調(diào)速電機(jī)YVF132M-4帶動,利用自制的夾具完成植株的固定,夾具通過螺栓連接在運(yùn)輸小車上。為了便于拍攝梳脫摘穗元件對果穗的作用過程,在護(hù)罩的側(cè)板上開有拍攝窗口。

3.2 試驗(yàn)方法

植株由夾具固定在輸送小車上,沿軌道喂入到梳脫摘穗機(jī)構(gòu)。梳脫摘穗機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)按照前期試驗(yàn)中摘穗效果較好的參數(shù)匹配,梳脫滾筒轉(zhuǎn)速選擇140～200r/min,前進(jìn)速度為1.02m/s,梳脫滾筒軸位于果穗大端下方100mm。果穗摘落過程主要位于梳脫摘穗機(jī)構(gòu)前部,因此重點(diǎn)拍攝摘穗機(jī)構(gòu)前部梳齒桿與果穗的碰撞接觸情況。

3.3 結(jié)果與分析

果穗的摘落情況與果穗和梳齒桿的接觸位置、梳脫滾筒轉(zhuǎn)動速度及植株的力學(xué)特性等因素有關(guān)。對摘穗過程圖像進(jìn)行分析,果穗的摘落形式可分為沖擊摘穗、梳刷摘穗及折斷摘穗3種。沖擊摘穗是指依靠旋轉(zhuǎn)梳齒桿的沖擊作用破壞果穗與果柄的連接力,果穗脫離的位置位于果柄與果穗的連接處;梳刷摘穗是指梳齒桿與果穗碰撞接觸后梳齒桿挾持果穗運(yùn)動,果穗在梳齒桿拉引力的作用下摘落,果穗與莖稈的分離的位置為果柄與果穗的連接處;折斷摘穗是指梳脫摘穗機(jī)構(gòu)將果柄從莖稈上“掰斷”,果穗與莖稈分離位置處于果柄與莖稈的連接位置。

3.3.1 沖擊摘穗

梳齒桿與果穗的作用過程可以分為碰撞和分離階段,如圖7所示。

碰撞階段如圖7(a)所示,梳齒桿運(yùn)動到果穗大端的下方。由前述分析可知:梳齒桿運(yùn)動的相對速度與梳齒桿同果穗的接觸位置(即α角)、轉(zhuǎn)動角速度ω有關(guān),因此靠近梳齒桿尖端的位置及較大的運(yùn)動速度都會使摘穗前梳齒桿沿碰撞方向的相對速度較大。運(yùn)動速度較高的梳齒桿與果穗大端發(fā)生碰撞,忽略碰撞過程重力、摩擦力等作用的影響,果穗主要受到?jīng)_擊力F。當(dāng)沖擊力沿果柄方向的分力F1大于果柄與果穗間連接力F連時,果穗被摘落,果穗與植株分離位置主要集中在果柄與果穗的連接位。

在分離階段,果穗與梳齒桿分離的瞬間,果穗運(yùn)動方向?yàn)榻佑|點(diǎn)的法線方向,如圖7(b)所示。此時,由于碰撞的作用,果穗具有接觸點(diǎn)法線方向的速度ven及切線方向的速度vet,如圖7(c)所示。法線方向的速度ven會使分離后的果穗繼續(xù)沿接觸點(diǎn)法線方向運(yùn)動,接觸點(diǎn)處的果穗所具有的切線方向的速度vet會使果穗具有繞重心的角速度ωe,使果穗產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。因此,分離后果穗的運(yùn)動為沿接觸點(diǎn)法線方向的直線運(yùn)動和繞重心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的合成,如圖7(d)所示。

3.3.2 梳刷摘穗

與沖擊摘穗方式不同,梳刷摘穗方式主要依靠拉引力將果穗摘下,果柄斷裂的位置位于果穗與果柄的連接處。梳刷摘穗過程可分為碰撞、拉引、分離3個階段,如圖8所示。

注:FL為梳齒桿對果穗的拉引力(N);FLt為沿果柄方向拉引力分力(N);FLn為果柄法向拉引力分力(N)

在碰撞階段,梳脫摘穗機(jī)構(gòu)一邊前進(jìn),一邊旋轉(zhuǎn),在圖8(a)所示位置與果穗發(fā)生碰撞。在相同轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度下,梳齒桿同果穗的接觸點(diǎn)處于梳齒桿尖部靠下的位置,果穗所受沖力小于沖擊摘穗下所受沖力。果穗受力情況如圖2所示。由于果穗與植株連接力F連較大,碰撞過程中產(chǎn)生的沖力F沿果柄方向的分力F1小于F連,碰撞階段果穗未被摘落。

在拉引階段,梳齒桿對果穗的作用力轉(zhuǎn)變?yōu)槔L,梳齒桿牽拉植株進(jìn)行運(yùn)動,如圖8(b)、圖8(c)所示。將植株視為懸臂梁模型,在果穗摘落前,果穗大端近似于處于同一高度;隨著摘穗機(jī)構(gòu)運(yùn)動,果穗與梳齒桿間的作用點(diǎn)不斷向梳齒桿內(nèi)側(cè)(即梳脫滾筒圓心方向)滑動,梳齒桿對果穗的拉引作用不斷增強(qiáng),拉引力FL增大,沿果柄方向的拉引力FLn增大,當(dāng)拉引力FLn大于F連時,果穗被摘落,果穗摘落的主要作用力為拉引力。

在分離階段,與沖擊摘穗不同,梳齒桿將果穗摘落后,分離后的果穗運(yùn)動速度較低,在梳齒桿的挾持下,果穗被向后進(jìn)行輸送,如圖8(d)所示。

3.3.3 折斷摘穗

由于果穗與梳齒桿接觸位置、植株生物特性等差異,在同一作業(yè)條件下(相同的梳脫滾筒角速度ω及相同的前進(jìn)速度v),梳脫摘穗機(jī)構(gòu)的摘穗過程存在折斷摘穗的現(xiàn)象。折斷摘穗過程可分為碰撞、拉引、掰穗3個階段,如圖9所示。

碰撞階段如圖9(a)所示。果穗與梳齒桿的接觸點(diǎn)位于梳齒桿中部,α角相對較大,此時碰撞沖力F沿果柄方向的分力F1小于F連,碰撞階段果穗未能摘落。

在初始拉引階段,果穗受到梳齒桿的拉引力FL,由于FL小于碰撞產(chǎn)生的沖力F,并小于F連,果穗未能摘落。果穗被梳齒桿挾持,并拉引植株共同運(yùn)動。果穗所受拉引力FL在果柄方向的分力FLn可分解為對莖稈產(chǎn)生與前進(jìn)方向相反的拉引力FLn1和將莖稈向上的拉引力FLn2。莖稈以與地面接觸點(diǎn)D1點(diǎn)為固定端,拉引力FLn1使莖稈產(chǎn)生彎曲,如圖9(b)、9(d)所示。隨著摘穗作業(yè)的進(jìn)行,經(jīng)過時間△t1,摘穗機(jī)構(gòu)運(yùn)動到梳齒桿安裝座與莖稈接觸的位置。此時,莖稈的進(jìn)一步彎曲受到限制,莖稈可以分為兩段,上段為莖稈自由端到D2段,下段為D1D2段。下段莖稈在摘穗機(jī)構(gòu)推動下向前運(yùn)動,上段莖稈的運(yùn)動受到梳齒桿和護(hù)罩的共同作用向后拉引,如圖9(e)所示。

在掰穗階段,上段莖稈在梳齒桿的拉引及護(hù)罩的限制下,逐步運(yùn)動到極限位置,莖稈的彎曲程度達(dá)到最大。此后,隨著梳齒桿的旋轉(zhuǎn),莖稈不再進(jìn)一步彎曲,梳齒桿牽拉果穗,開始相對于莖稈運(yùn)動。此時,果穗大端與梳齒桿的接觸點(diǎn)逐步向梳齒桿內(nèi)側(cè)移動,果穗以果柄與莖稈的連接點(diǎn)為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),果穗大端頂點(diǎn)的運(yùn)動軌跡近似于一條圓弧,如圖9(e)所示。在這一過程中,果穗受梳齒桿的拉引力FL在沿果柄方向的分力FLn小于F連n,在垂直果柄方向的分力FLt小于F連t。由于F連n>F連t,果穗在果柄法線方向施加作用力摘穗更為容易,當(dāng)果穗受到在果柄法向方向的分力FLt大于F連t時,果穗即被摘落,摘穗過程近似于人手掰穗過程。

4 結(jié)論

1)對梳脫摘穗機(jī)構(gòu)摘穗過程進(jìn)行力學(xué)分析,明確了梳脫摘穗過程能量轉(zhuǎn)換的主要形式,得到梳齒桿與果穗運(yùn)動的相對速度是造成籽粒損傷的原因。通過對梳脫摘穗機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析,得到梳齒桿與果穗碰撞接觸前的法向運(yùn)動速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

2)借助高速攝影試驗(yàn)得到了果穗在梳脫摘穗機(jī)構(gòu)作用下的3種摘落形式,即沖擊摘穗、梳刷摘穗、折斷摘穗。分析表明,梳脫摘穗機(jī)構(gòu)摘穗時的作用形式和果穗與梳齒桿接觸位置、植株力學(xué)特性等因素有關(guān)。

3)果穗在摘穗過程中首先受到?jīng)_擊力作用。若沖擊力未能將果穗摘落,梳脫摘穗機(jī)構(gòu)對果穗的作用力轉(zhuǎn)變?yōu)槔?若果穗仍未被摘落,果穗會在梳齒桿拉引作用運(yùn)動到極限位置,通過將果柄彎折,將果穗摘落。