劉 高,林蜀云,梁 勇,唐 勇,徐衛(wèi)平

(1.貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550001;2.貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所,貴陽(yáng) 550000;3.貴州電子科技職業(yè)學(xué)院,貴州 貴安 550025)

0 引言

貴州屬卡斯特地貌,土地坡度大,辣椒種植區(qū)域分散,單個(gè)種植區(qū)域面積小,給辣椒的機(jī)械化收獲帶來(lái)了很大困難[1]。辣椒作為貴州的一種重要扶貧產(chǎn)業(yè),經(jīng)濟(jì)效益良好[2-3],得到大力推廣,目前貴州辣椒種植面積已達(dá)35萬(wàn)hm2。辣椒的機(jī)械化收獲[4]研究在國(guó)內(nèi)仍屬起步階段,新疆、陜西等地多采用國(guó)外進(jìn)口采摘機(jī)[5],但手工采摘仍是主要收獲方式。由于受到實(shí)際種植環(huán)境的影響[6],貴州地區(qū)辣椒收獲方式多為手工采摘,采摘成本大,收獲用時(shí)長(zhǎng),易延誤最佳收獲期,影響辣椒品質(zhì)。近年來(lái),農(nóng)村地區(qū)勞動(dòng)力匱乏,用工成本加大,嚴(yán)重阻礙了辣椒的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[7]。

根據(jù)目前貴州山地辣椒的收獲現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一臺(tái)斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗(yàn)臺(tái),旨在為滿足貴州山地辣椒收獲的斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲原理提供試驗(yàn)平臺(tái)。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

1)試驗(yàn)臺(tái)工作需適應(yīng)貴州山地辣椒壟作栽培方式,具有靈活輕便的特點(diǎn);

2)試驗(yàn)臺(tái)螺旋輥傾斜角度、螺旋梳指長(zhǎng)度及螺旋輥轉(zhuǎn)速等調(diào)節(jié)范圍滿足設(shè)計(jì)誤差要求;

3)試驗(yàn)臺(tái)調(diào)節(jié)控制及數(shù)據(jù)采集方便。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗(yàn)臺(tái)主要由分禾器及分禾器調(diào)節(jié)架、雙螺旋采摘輥、鎮(zhèn)壓輪、鎮(zhèn)壓輪高度調(diào)節(jié)手柄、調(diào)速器、減速電機(jī)、齒輪傳動(dòng)組件、伸縮萬(wàn)向節(jié)、機(jī)架手柄、機(jī)架及調(diào)節(jié)組件等部分組成,如圖1所示。

1.分禾器及分禾器調(diào)節(jié)架 2.雙螺旋采摘輥 3.鎮(zhèn)壓輪 4.鎮(zhèn)壓輪高度調(diào)節(jié)手柄 5.調(diào)速器 6.減速電機(jī) 7.齒輪傳動(dòng)組件 8.伸縮萬(wàn)向節(jié) 9.機(jī)架手柄 10.機(jī)架 11.調(diào)節(jié)組件圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Test bed structure diagram。

試驗(yàn)臺(tái)主要用于研究斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù),具體包括該采摘機(jī)理的可行性、采摘輥轉(zhuǎn)速、采摘輥傾斜角度及螺旋梳指長(zhǎng)度等。

1.3 試驗(yàn)臺(tái)工作原理

根據(jù)貴州地區(qū)農(nóng)戶種植習(xí)慣及山地辣椒的農(nóng)藝規(guī)范,在品種上采用朝天椒,種植程序按農(nóng)藝規(guī)范執(zhí)行,種植方式為壟作、單行雙株。由于受天氣及環(huán)境影響,導(dǎo)致壟與壟之間存在深淺、寬窄的差異,同時(shí)辣椒植株及辣椒結(jié)果位置高低不一,給機(jī)械化收獲帶來(lái)很大困難。本文基于斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲方式設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)試驗(yàn)研究該收獲方式的關(guān)鍵技術(shù),解決當(dāng)前機(jī)械化收獲面臨的困難。

辣椒采摘試驗(yàn)臺(tái)由減速電機(jī)提供動(dòng)力,通過(guò)齒輪、伸縮萬(wàn)向節(jié)傳遞動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)雙采摘輥由下往上反向轉(zhuǎn)動(dòng),工作過(guò)程如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中,試驗(yàn)臺(tái)勻速向前,分禾器將辣椒植株集中向中間靠攏,從入料口進(jìn)入雙螺旋采摘輥之間,梳指對(duì)辣椒植株上的辣椒不斷地由下往上捋,從而將辣椒從植株上采摘下來(lái)。同時(shí),采用正交試驗(yàn)的方法,通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)各影響參數(shù),研究其漏采率及破損率等參數(shù)。

圖2 工作過(guò)程Fig.2 Working process。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 螺旋梳指輥的設(shè)計(jì)

斜置雙螺旋梳指采摘輥的直徑按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為

式中d—采摘輥直徑(mm);

[τT]—材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa);

P—軸傳遞的功率(kW);

n—軸的轉(zhuǎn)速(r/min)。

試驗(yàn)臺(tái)中軸傳遞的功率為1kW,轉(zhuǎn)速為180r/min,由表得[τT]值取15,得出螺旋梳指采摘輥的直徑為d=26.035mm,取d=27mm。

對(duì)螺旋梳指輥的強(qiáng)度在受力最大情況下進(jìn)行校核,即安裝傾斜角度為30°,梳指長(zhǎng)度為130mm,梳指輥總長(zhǎng)度為786mm,有效作用長(zhǎng)度為363mm,梳指輥等效總長(zhǎng)為680mm,等效有效作用長(zhǎng)度為363mm×cos30°=314mm。由圖6可知其合力方向向上,故螺旋梳指輥簡(jiǎn)化受力示意圖如圖3所示。

圖3 螺旋輥載荷分布示意圖Fig.3 Diagram of load distribution of spiral roller。

根據(jù)辣椒連接力大小和壟作方式在工作過(guò)程中的阻力情況,計(jì)算出其集中力為F=1500N,其分段彎矩方程如圖4和圖5所示。

圖4 彎矩圖Fig.4 Bending moment diagram。

圖5 扭矩圖Fig.5 The torque diagram。

運(yùn)用彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行校核,即

式中d—采摘輥直徑(mm);

Me—當(dāng)量彎矩(N·mm);

[σ-1b]—許用彎曲應(yīng)力(MPa)。

代入所求最大彎矩和最大扭矩值,求得螺旋梳指輥所需直徑大小為5.848mm,故所取螺旋梳指輥直徑滿足強(qiáng)度要求。

2.2 螺旋梳指排列設(shè)計(jì)

螺旋梳指直徑為6mm,為保證采摘質(zhì)量,辣椒所受合力為豎直向上方向,其采摘過(guò)程受力分析如圖6所示。

圖6 螺旋輥受力示意圖Fig.6 Force diagram of spiral rolle。

螺旋角α計(jì)算公式為

其中,c=1500N,b=1000N,θ為螺旋輥安裝傾斜角。由此求出每個(gè)梳指輥對(duì)應(yīng)的梳指排列螺旋角α及其他參數(shù),如表1所示。

表1 梳指長(zhǎng)度及螺旋角Table 1 Comb length and spiral Angle。

2.3 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架選用材料為Q235方管,方管截面大小為40mm×40mm×3mm;整個(gè)機(jī)架采用焊接方式連接,機(jī)架長(zhǎng)1 183mm、寬956mm、高756mm,由4個(gè)鎮(zhèn)壓輪支撐,承載7個(gè)主要部件;機(jī)架主要受雙螺旋采摘輥的扭矩,平均扭矩為510N·m,梳指長(zhǎng)取0.12m。

機(jī)架受效集中應(yīng)力為510N·m/0.12m=4250N。對(duì)機(jī)架進(jìn)行簡(jiǎn)化,忽略焊接對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的影響,將圓角、倒角簡(jiǎn)化為直角,添加載荷和約束后,求解其總變形云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D和等效應(yīng)力云圖,如圖7～圖9所示。

圖7 機(jī)架總變形云圖Fig.7 Total rack deformation nephogram。

圖8 機(jī)架應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Frame strain nephogram。

圖9 機(jī)架應(yīng)力云圖Fig.9 Frame stress nephogram。

查閱金屬材料手冊(cè)可知:該方管的屈服強(qiáng)度為235MPa,抗拉強(qiáng)度為370～500MPa,強(qiáng)度安全系數(shù)取1.2～3,故該方鋼的許用應(yīng)力范圍為78.33～195.83MPa。由機(jī)架靜態(tài)分析云圖可知:該機(jī)架最大變形為0.280 45mm,最大應(yīng)力值為24.899MPa,最大應(yīng)變值為1.1628×10-4mm,即最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值,變形量可忽略不計(jì),滿足設(shè)計(jì)需要。

2.4 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)試驗(yàn)臺(tái)電氣系統(tǒng)控制原理。試驗(yàn)臺(tái)電氣控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART PLC為核心控制器,配置昆侖通泰觸摸屏。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的A/D轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0～10V電壓信號(hào),由西門子S7-200 SMART PLC進(jìn)行讀取,并根據(jù)控制要求對(duì)臺(tái)達(dá)A2伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,如圖10所示。

圖10 電氣系統(tǒng)控制示意圖Fig.10 Diagram of electrical system。

2)PLC控制系統(tǒng)硬件原理圖及硬件配置。根據(jù)PLC選型及斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲系統(tǒng)實(shí)際需求進(jìn)行PLC I/O地址分配,設(shè)計(jì)PLC控制原理圖;根據(jù)斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲系統(tǒng)電氣原理圖,進(jìn)行PLC程序編寫及系統(tǒng)硬件配置。

3)HMI界面程序設(shè)計(jì)。利用MCGS嵌入版組態(tài)軟件,在斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲系統(tǒng)設(shè)計(jì)了靈活的圖像、圖符、報(bào)表、曲線等多種形式,為試驗(yàn)及時(shí)提供相關(guān)信息。同時(shí),設(shè)置多樣化的報(bào)警功能,方便用戶進(jìn)行報(bào)警設(shè)置,如圖11所示。

圖11 人機(jī)界面圖Fig.11 HMI diagram。

3 試驗(yàn)檢測(cè)

斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗(yàn)臺(tái)于2019年2月22日完成加工制造工作,并于2019年3月4日-3月5完成調(diào)試及試驗(yàn)檢驗(yàn)工作,如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Mechanical structure figure of test stand。

試驗(yàn)檢測(cè)的目的在于測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求,并做相應(yīng)記錄,檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)情況Table 2 Test results of inclined double spiral comb finger type pepper harvesting test bed。

試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明:試驗(yàn)臺(tái)能夠進(jìn)行正常穩(wěn)定的工作,且可對(duì)斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)分析,控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,其螺旋梳指長(zhǎng)度、棍間距等設(shè)計(jì)參數(shù)均在設(shè)計(jì)要求誤差范圍內(nèi),設(shè)計(jì)結(jié)果滿足要求。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)并加工了一臺(tái)斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗(yàn)臺(tái),測(cè)試結(jié)果表明:螺旋輥傾斜角度調(diào)節(jié)值、螺旋梳指長(zhǎng)度調(diào)節(jié)值等參數(shù)及實(shí)際使用效果滿足試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求。

2)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作便捷,控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果可為斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論及試驗(yàn)基礎(chǔ)。