王賢斐,付 威,李亞麗,李景彬

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000;2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)業(yè)機械重點實驗室,新疆 石河子 832003;3.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,新疆 石河子 832003)

0 引言

打瓜具有抗旱及改良土壤條件的作用,種植成本低、經(jīng)濟效益高,已成為新疆農(nóng)業(yè)種植戶主要增收的經(jīng)濟作物。隨著新疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,打瓜種植面積急劇增加,進一步加大了打瓜生產(chǎn)過程的機械化技術(shù)需求[1]。打瓜生產(chǎn)全程機械化過程中,耕地、整地、播種、中耕及植保等環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)機械化作業(yè),而收獲環(huán)節(jié)相對薄弱。根據(jù)收獲工藝,我國主要采取分段的方式,即集條、撿拾、取籽。目前,集條主要采取人工方式,用工量大,勞動強度高,效率低[2-4]。

國外對瓜類收獲機械的研究較早,20世紀六、七十年代,蘇聯(lián)及美國等發(fā)達國家已經(jīng)對西瓜等瓜類撿拾機械開展研究,并對相關(guān)專利進行申請[5-6]。由于種植區(qū)域的限制,國外針對打瓜收獲機械研究較少,瓜類分段收獲作業(yè)機械僅有奧地利的南瓜籽收獲機械[7],其結(jié)構(gòu)復雜、整機體積巨大、價格昂貴,不適合我國打瓜的種植及收獲模式。在國內(nèi),王學農(nóng)、牛長河、陳發(fā)等[8]研制的4ZT-2.0型籽瓜集條機采用圓柱形或多邊形柱狀的集條輥,結(jié)構(gòu)簡單,故障率低。蘇魯坦等[9]研制的4DT-2.0型打瓜集條機采用V形分布的集瓜圓盤集瓜,能很好地隨地仿行,但兩種機型在工作過程中時常出現(xiàn)擠瓜、傷瓜現(xiàn)象。靳范[10]研制的打瓜收獲集條機,利用攪龍輸送原理進行集條作業(yè),在工作過程中仍存在瓜藤、雜草纏繞等問題,導致攪龍出料端出瓜不暢,容易造成堵塞[11]。

本文針對打瓜在機械化采收過程中集條這一技術(shù)難題,采用先摘后集的思路,設(shè)計了一種梳脫式打瓜集條機,可有效降低集條過程中擠瓜、傷瓜現(xiàn)象,解決雜草、瓜秧纏繞等問題,以期為打瓜生產(chǎn)全程機械化的推廣及機具研制提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)及組成

整機主要由機架、梳齒采摘器、撥瓜輥、集瓜器、壓蔓輥、往復式藤蔓切割器和地面仿形機構(gòu)等組成,如圖1所示。

1.機架 2.集瓜器 3.撥瓜輥 4.梳齒采摘器 5.藤蔓切割器 6.壓蔓輥 7.地面仿行機構(gòu)圖1 梳脫式打瓜集條機Fig.1 The comb-type machine of melon collecting

該機與中小型拖拉機配套使用,機架在整機的后方,與拖拉機相連接;梳齒采摘器設(shè)在機架的前端,拔瓜輥安裝在采摘器的上部,雙向螺旋式集瓜器與采摘器后端相連安裝在機架上。

1.2 工作原理

工作時,隨著拖拉機前進,壓蔓輥先將藤蔓壓實,梳齒采摘器對打瓜藤蔓進行梳刷;由于梳齒采摘器相鄰梳齒桿間距小于打瓜直徑,當梳齒桿觸碰到打瓜果實時,利用沖擊力將打瓜果實強制摘下,拉斷的藤蔓及雜草由往復式藤蔓切割器切斷;摘落的打瓜果實由撥瓜輥撿拾向后拋送到雙向螺旋集瓜器的滾筒中,在雙向螺旋集瓜器的作用下將打瓜集成一條并輸送至機外,完成集條作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 梳齒采摘器

梳齒采摘器主要由橫梁、安裝座、梳齒等組成,如圖2所示。梳齒要求有較高的彈性,防止因碰撞形變而改變梳齒的結(jié)構(gòu),因此選用Φ12mm的65Mn碳素彈簧鋼,長度取500mm。梳齒中間部位下凹,方便兜瓜,減少回落;前部為回形狀,避免與打瓜的直接沖擊。

梳齒之間的間隙為采摘器的重要參數(shù),梳齒間隙過大會造成漏摘,間隙過小易造成堵塞。摘瓜過程實為梳齒與打瓜碰撞過程,為簡化分析,將打瓜視為剛體。碰撞過程中由于沖擊力較大,普通力(重力、彈性力等)的沖量可忽略不計,物體的位移可忽略不計[12-14]。對處于受力狀態(tài)下的打瓜進行受力分析,如圖3所示。

1.打瓜果實 2.梳齒圖3 摘瓜過程受力分析Fig.3 The stress analysis of melon picking

為了將打瓜摘落,需滿足的條件為

2Ty≥R

(1)

式中Ty—梳齒對打瓜沖擊力T在y軸方向的分力(N);

R—打瓜摘取力(N)。

(2)

式中h—打瓜重心到梳齒端面的距離(mm);

d—彈齒間隙(mm);

T—梳齒對打瓜沖擊力(N);

α—T與y軸方向的夾角(rad)。

由式(2)可知:Ty與d呈反比,梳齒間隙變小可以使Ty增大,增加梳齒拉斷果柄的能力,但過小會造成堵塞。為了保證摘瓜時梳齒之間不發(fā)生堵塞,梳齒間隙應(yīng)該大于主蔓基部最大直徑。同時,為了保證梳齒拉斷果柄的能力,設(shè)計梳齒桿間隙為45mm。

2.2 撥瓜輥

撥瓜輥主要由輥筒、彈齒安裝座、撥瓜彈齒等組成,主要作用是將梳齒采摘下的打瓜撿拾后拋送到螺旋集瓜器中,如圖4所示。

1.輥筒軸 2.輥筒 3.彈齒安裝座 4.撥瓜彈齒圖4 撥瓜輥Fig.4 Thedial melon roller

綜合考慮整機結(jié)構(gòu)及質(zhì)量,輥筒選用Φ218mm×4mm的直縫焊管,輥筒兩端設(shè)計有端蓋,端蓋與輥筒軸相連,通過輥筒軸帶動輥筒旋轉(zhuǎn)。輥筒上均布4排彈齒安裝座,彈齒安裝座焊接在輥筒上,撥瓜彈齒(見圖5)通過螺栓連接在彈齒安裝座上。撥瓜彈齒采用Φ8的65Mn彈簧鋼設(shè)計成雙齒桿復繞結(jié)構(gòu)[15],避免彈齒與打瓜的硬性撞擊。彈齒間距設(shè)為45 mm,以滿足撿拾、拋送最小瓜徑(50 mm)的技術(shù)要求。同時,為了彈齒能夠可靠地將摘落的打瓜撿拾并向后撥送,彈齒由直線和圓弧段組成,直線與圓弧段相切。

圖5 撥瓜彈齒Fig.5 Thedial melon roller

工作時,撥瓜彈齒參與了兩個運動:一是繞輥軸旋轉(zhuǎn);二是隨集條機沿直線方向前進。撥瓜輥上任意一點的運動軌跡為一條余擺線[16-17],如圖6所示。

圖6 撥瓜輥運動軌跡Fig.6 The movement track of melon roller

設(shè)撥瓜輥的角速度為ω,集條機前進速度為Vm,以撥瓜輥圓心O點為坐標原點,建立撥瓜彈齒任一點經(jīng)過時間t后的運動軌跡方程,即

(3)

式中Vm—集條機前進速度(m/s);

t—撥瓜輥轉(zhuǎn)動的時間間隔(s);

r—撥瓜彈齒上一點到撥瓜輥軸心的距離(mm);

ω—撥瓜輥轉(zhuǎn)動的角速度(rad/s)。

對式(3)求導,則撥瓜彈齒上任一點的速度為

(4)

當撥瓜彈齒與打瓜果實接觸時,彈齒應(yīng)該具有向后的水平速度,保證彈齒將打瓜向集瓜器中拋送,則

Vx=Vm-rωsinωt<0

(5)

Vm

(6)

(7)

(8)

其中,rω為撥瓜彈齒在切線方向的速度。設(shè)切線方向速度為Vs,則式(8)可表達為

(9)

其中,Vs/Vm為撥瓜速比,用λ表示,初選λ=1.8。

(10)

由式(10)可知

(11)

式中n—撥瓜輥轉(zhuǎn)速(r/min);

R—撥瓜輥半徑(m);

Vm—集條機前進速度(m/s)。

撥瓜輥設(shè)計轉(zhuǎn)速為60 r/min,機器前進速度為4 km/h,由公式(11)計算得撥瓜輥半徑為0.32m(撥瓜彈齒最大回轉(zhuǎn)半徑)。

2.3 集瓜器

集瓜器采用雙螺旋結(jié)構(gòu),主要由螺旋軸、出料口、料槽及螺旋葉片等組成,如圖7所示。

1.螺旋軸 2.料槽 3.出料口 4.螺旋葉片圖7 集瓜器Fig.7 Themelon collector

螺旋葉片焊接在螺旋軸上,螺旋軸由鏈輪驅(qū)動,隨著螺旋葉片的旋轉(zhuǎn);打瓜受到螺旋葉片的作用力由兩端向中間輸送,最后從出料口排出,完成集條工作。集瓜器料槽采用柵條結(jié)構(gòu),推運過程中部分雜質(zhì)通過料槽管壁排入農(nóng)田,起到清雜的作用。

1)集瓜器實際輸送量。隨機挑選50個成熟籽瓜,測量其短軸﹑長軸和質(zhì)量,然后對打瓜物料特性做出如下假設(shè):打瓜形狀近似圓球體,直徑195mm,單瓜質(zhì)量5kg。經(jīng)調(diào)研,新疆平均產(chǎn)瓜量為57000個/hm2,本機設(shè)計幅寬2000mm,集條機前進速度4km/h,則

Q1=L·Vm·M

(12)

式中Q1—物料實際輸送量(t/h);

L—工作幅寬(m);

Vm—機器前進速度(km/h);

M—打瓜每667hm2產(chǎn)質(zhì)量(kg)。

由公式(12)計算得出集瓜器實際輸送量Q1=22.8t/h。

2)螺旋外徑[18-19]。螺旋輸送器外徑為

(13)

式中D—螺旋外徑(m);

K—物料綜合特性系數(shù);

φ—填充系數(shù);

c—傾斜輸送系數(shù);

γ—物料單位容積質(zhì)量(t/m3)。

本機選取K=0.06、φ=0.25、c=1、γ=0.7,計算得D=362mm。圓整為標準直徑,取D=400mm。

3)螺距。對于標準的輸送機,通常螺距S=(0.8～1)D。經(jīng)過計算,S=(320～400)mm,本機取S=400mm。

4)軸徑。根據(jù)資料[20]推薦的軸徑計算公式d=(0.2～0.35)D,計算得d=(80～140)mm,本機取d=80mm。

5)集瓜器理論輸送量。由資料[16]可知,集瓜器理論輸送量為

Q2=47D2Snφγc

(14)

式中Q2—物料理論輸送量(t/h);

D—螺旋外徑(m);

S—螺距(m);

n—螺旋輸送器轉(zhuǎn)速(r/min);

φ—填充系數(shù);

c—傾斜輸送系數(shù);

γ—物料單位容積質(zhì)量(t/m3)。

初設(shè)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速為50r/min,選取φ=0.25、c=1、γ=0.7,通過計算得理論輸送量Q2=26.3t/h。因Q2>Q1,所以初選集瓜器轉(zhuǎn)速為50 r/min,滿足設(shè)計要求。

3 田間試驗

2018年秋,在新湖農(nóng)場一連對集條機試驗樣機進行田間試驗,依據(jù)《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》對試驗區(qū)的試驗條件進行測定,結(jié)果如表1所示。

表1 試驗條件

試驗設(shè)備包括梳脫式打瓜集條機試驗樣機、福田雷沃654拖拉機、皮尺、電子天平、秒表,主要測試指標為漏檢率、破損率和瓜籽損失率。在拖拉機前進速度為4km/h、調(diào)整撥瓜輥轉(zhuǎn)速為60r/min、集瓜器轉(zhuǎn)速為50r/min的條件下進行試驗,結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)結(jié)合新疆打瓜種植模式和分段收獲工藝,設(shè)計了一種梳脫式打瓜集條機,能有效減少集條過程中的擠瓜、傷瓜現(xiàn)象,很好地解決雜草、瓜秧纏繞等問題。

2)通過對打瓜摘取狀態(tài)下的力學分析,導出梳齒摘落能力與梳齒間距之間的關(guān)系,確定梳齒之間的間距為45mm;在對撥瓜輥工作過程進行運動學分析的基礎(chǔ)上,初步確定了滿足撿拾、拋送要求的撥瓜輥直徑320 mm和轉(zhuǎn)速75 r/min;同時,通過計算確定螺旋輸送器的結(jié)構(gòu)參數(shù),為以后優(yōu)化整機結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

3)田間試驗試驗結(jié)果表明:漏檢率≤5%,破損率≤14%,瓜籽損失率≤3%,集條機結(jié)構(gòu)合理,采用先摘后集的設(shè)計思路可行。對試驗結(jié)果進行分析可知:造成漏檢損失的原因主要是打瓜直徑小于梳齒桿間隙,破損主要與撥瓜輥轉(zhuǎn)速及撥瓜彈齒材料有關(guān)。后續(xù)將在試驗基礎(chǔ)上對部分結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)進行改進。