江正勇，毛羿茹，馬少春

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083)

0 引言

甘蔗是熱帶和亞熱帶地區(qū)的一種多年生宿根作物。在中國(guó)，甘蔗種植主要集中在廣東省粵西地區(qū)、廣西西南部、云南省南部和海南省等優(yōu)勢(shì)地區(qū)[1]。但目前我國(guó)的甘蔗收割仍靠人工[2]。大面積種植的甘蔗可用于制糖的主要部分是蔗莖，因此在砍下甘蔗后還需除去甘蔗桿表面的雜葉以及糖分含量較少的蔗梢。在傳統(tǒng)人工作業(yè)中，往往是先將甘蔗砍下，再進(jìn)行除葉、去梢，即分步進(jìn)行。甘蔗根切需要蔗農(nóng)彎下腰進(jìn)行勞作，長(zhǎng)期的彎腰不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)人的身體健康也有非常大的影響。同時(shí)由于甘蔗的收割處理分為3步，效率非常低，使用人力的費(fèi)用較高，相比澳大利亞、巴西等機(jī)械化程度高的蔗糖生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)甘蔗生產(chǎn)成本要高近 1倍[1]。廣西在2014/15年榨季甘蔗機(jī)械收割量為21.02萬t，收割機(jī)的數(shù)量119臺(tái)[2]，到了2019/20年榨季，甘蔗機(jī)械收割量為174.58萬t，甘蔗收割機(jī)的數(shù)量達(dá)1158臺(tái)[3]。因此，近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)于甘蔗收割機(jī)的研究日益增多，也已經(jīng)有了很多成果，實(shí)驗(yàn)證明，甘蔗收割機(jī)的效率非常高，但是也存在著很多問題。例如宿根破頭率可能會(huì)增加，宿根的破損會(huì)導(dǎo)致宿根壞死、不發(fā)芽，影響下一年的發(fā)芽率。同時(shí)機(jī)械收獲的甘蔗含雜率比人工收獲高是不可避免的，人工收獲時(shí)，含雜率一般為0.2%～3.0%；機(jī)械收獲方式下，切斷式甘蔗收獲機(jī)的作業(yè)質(zhì)量要求為含雜率≤8%，但由于其作業(yè)特性及環(huán)境因素等綜合影響，含雜率一般為 7%～20%[4-6]。此外，我國(guó)甘蔗主產(chǎn)區(qū)地形復(fù)雜，在甘蔗種植大省的廣西，80%的面積都為山和丘陵[3]，丘陵山地地形不適于大型收割機(jī)的作業(yè)，根據(jù)我國(guó)目前情況，甘蔗地適合大型機(jī)械化模式的面積只占10%左右[4]。在廣西等甘蔗生產(chǎn)區(qū)，甘蔗收獲主要在1～3月，近幾年在該時(shí)間段經(jīng)常會(huì)陰雨連綿，影響收割機(jī)下田作業(yè)[5]。因此盡管甘蔗收割機(jī)的效率十分高，我國(guó)的甘蔗收割機(jī)械化程度仍較低。在甘蔗種植面積占據(jù)全國(guó)60%以上的廣西，2018/19年榨季的平均機(jī)收量?jī)H為1315 t/臺(tái)，按60天榨季適宜機(jī)收時(shí)間計(jì)算約折合為每天21.92 t/臺(tái)，遠(yuǎn)低于收割機(jī)單機(jī)設(shè)計(jì)收割能力，反映出行業(yè)內(nèi)普遍存在的單機(jī)作業(yè)效率不高的問題[7]。在未來 5年或者10年，人工收割甘蔗仍然占據(jù)一定的地位，所以設(shè)計(jì)一種小型輔助人力甘蔗收割裝置很有必要?；诂F(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種可以減輕人力勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率的輔助人工裝置，以期為甘蔗收割的發(fā)展提供參考。

1 甘蔗收割機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

裝置主要由切割裝置、支撐底殼裝置、推拉桿、齒條、齒輪和踏板裝置、束腳腳環(huán)裝置組成，裝置三維圖和裝配圖分別見圖1和圖2。

圖1 裝置三維圖

圖2 裝配圖

1.1.2 工作原理

動(dòng)力輸入為人的重力，通過腳踩踏板裝置輸入，踏板裝置和踏板裝置下表面中部推拉桿一起向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)推拉桿為壓縮桿，動(dòng)力輸入給齒輪，由于支撐底殼裝置與齒條的限位及配合作用，齒輪將實(shí)現(xiàn)向后的滾動(dòng)從而帶動(dòng)齒輪上的繞繩，給切割裝置后部一個(gè)合并力實(shí)現(xiàn)剪切甘蔗，從而達(dá)到切割裝置合并，即剪切效果。當(dāng)復(fù)位時(shí)即通過束腳腳環(huán)裝置與踏板裝置連接抬起踏板，推拉桿一起向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)推拉桿為拉桿，齒輪向前運(yùn)動(dòng)，切割裝置及鋼繩在復(fù)位彈簧及此運(yùn)動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

1.2 剪切功能仿真驗(yàn)證

1.2.1 模型處理

在現(xiàn)有的模型如圖1和圖2所示上進(jìn)行一些簡(jiǎn)要的處理刪減后，可以運(yùn)用如圖3所示的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真；模型處理有圖2中的踏板裝置簡(jiǎn)化為圖3中的壓桿1；鋼繩簡(jiǎn)化為圖3中的連接桿2，實(shí)現(xiàn)傳力，即鋼繩在結(jié)構(gòu)中的作用為傳導(dǎo)動(dòng)力，即用此代替并不影響最終受力結(jié)果分析；圖2中的齒輪簡(jiǎn)化為圖3中的圓滾，圖2中的齒條簡(jiǎn)化為圖3中的平板，即齒輪配合副轉(zhuǎn)化為接觸副，不影響所需處受力結(jié)果，進(jìn)行仿真。

1.2.2 參數(shù)釋義

如圖4所示，主要鉸點(diǎn)作用力有Y軸方向作用力F1、X軸方向作用力F2、合力F及合力F與壓桿的角度α；推拉桿長(zhǎng)度L。

如圖5所示，標(biāo)注為切刀的最大切徑d，既切刀達(dá)到最大剪切張角，即在滑槽的限位下有此最大張角，此參數(shù)用于切刀能剪切甘蔗的最大直徑。

如圖6所示，標(biāo)注為踏板最大升角θ，此踏板最大升角θ在確定槽位置尺寸后即能確定推拉桿長(zhǎng)度L。

圖3 簡(jiǎn)化模型

圖4 作用力絞點(diǎn)及推拉桿長(zhǎng)度

圖5 切刀最大切徑

圖6 踏板最大升角

1.2.3 結(jié)構(gòu)仿真

設(shè)計(jì)尺寸過程中，在一些基本參數(shù)確定后可以利用其余的尺寸分析得到合理的整體結(jié)構(gòu)尺寸，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

改變推拉桿長(zhǎng)度L，可以改變踏板的最大升角θ、切刀的最大張徑d及切刀的閉合狀態(tài)，結(jié)果如圖7、圖8及表1所示。根據(jù)圖7、圖8結(jié)合表1可以分析得出，結(jié)合甘蔗根部一般直徑變換范圍(17～34 mm)[8]及切刀的弧度設(shè)計(jì)，在推拉桿長(zhǎng)度L=85 mm時(shí)，可以得到較為合理的最大切刀張徑d=64 mm，在最大切刀張徑下便于切刀定位到甘蔗根徑，及在最大處張徑d=64 mm時(shí)，由三角形中位線定理可知，弧度設(shè)計(jì)的切刀不僅可以克制切刀切割時(shí)的滑刀現(xiàn)象，還可以擴(kuò)大中部主要切刀位置的切割直徑d′＞32 mm?？紤]到直徑較為偏大的甘蔗，設(shè)計(jì)過程中也合理地優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)尺寸的緊湊和較小的踏板最大升角為24°，有利于穿戴使用時(shí)的舒適性及操作時(shí)輸入力的節(jié)約性。

圖7 推拉桿長(zhǎng)度-切刀最大切徑曲線

圖8 推拉桿長(zhǎng)度-踏板最大升角曲線

表1 推拉桿長(zhǎng)度-切刀閉合狀態(tài)

1.2.4 力學(xué)仿真

如圖9所示，在壓桿上添加一驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切刀的合并剪切過程。圖10所示，在切刀剪切面處施加一剪切反向阻力f，表示切割甘蔗時(shí)所受的反向阻力，其值根據(jù)查閱文獻(xiàn)值取最大值來進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，一般的根切甘蔗力最大約為500 N左右[8]，本次取此參數(shù)作為最小值進(jìn)行一定的增力進(jìn)行仿真；即如圖9所示位置在桿上添加一往復(fù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)仿真，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)由上可知選取推拉桿L=85 mm，踏板最大升角θ=24°進(jìn)行力學(xué)仿真比較合適。

圖9 復(fù)驅(qū)動(dòng)示意圖

圖10 切割阻力f受力示意圖

首先在施加一助力f=800 N時(shí)，可以得到鉸點(diǎn)的各向作用力(鉸點(diǎn)Y軸向力即F1、鉸點(diǎn)Z軸向力即F2)與踏板角度θ的關(guān)系曲線如圖11所示，據(jù)此可以計(jì)算出鉸點(diǎn)的合力作用力(即F)及所需輸入力與踏板角度θ的關(guān)系曲線如圖12所示。據(jù)圖11分析可得，在初始θ=23°時(shí)，鉸點(diǎn)的作用力主要作用在在Y軸方向上，Z軸向的較小，在鉸點(diǎn)兩方向的作用力的交點(diǎn)后作用力在Z軸向的作用比較明顯，其鉸點(diǎn)作用力的合力也是如此，但是隨著角度的變化可以得出所需的輸入力并非如此，圖12可以看出輸入力是在有一個(gè)遞減的趨勢(shì)，所以在角度較小時(shí) Z軸向作用力比較突出，但是角度的變化帶來的影響更加明顯，從而導(dǎo)致力矩的變小，所以才有輸入力的一個(gè)遞減趨勢(shì)，也符合設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)考慮角度，所以取初始值加以分析可以得出一個(gè)比較省力的參數(shù)性能驗(yàn)證。

圖11 踏板角度-絞點(diǎn)各向作用力曲線

圖12 踏板角度-絞點(diǎn)合力作用力曲線

通過改變切割阻力f的大小可以得到不同阻力下的鉸點(diǎn)初始時(shí)各向作用力及合力的大小，并且據(jù)此分析計(jì)算出需要的鉸點(diǎn)作用力合力及所需輸入的人力。圖13的F1曲線及圖14的F2曲線可以看到鉸點(diǎn)的2個(gè)方向的主要作用力的大小關(guān)系(圖15和圖16)，根據(jù)上一步的分析在此主要分析鉸點(diǎn)的 Y軸方向的力曲線關(guān)系及鉸點(diǎn)合力作用力的關(guān)系曲線，以及所需的輸入力關(guān)系曲線。通過數(shù)據(jù)曲線可以得出在切割阻力f的變化下，鉸點(diǎn)初始的各向作用力也隨之變化，在Y軸作用力方向變化比較規(guī)律，符合一定的比例，在Z軸方向上是出現(xiàn)波動(dòng)的，但是其力比較小，波動(dòng)影響不大。圖15顯示鉸點(diǎn)的合力也是比較規(guī)律的變化，也符合在Y軸方向的作用力的變化。圖16可見所需的輸入力的曲線變化也是比較規(guī)律，其重點(diǎn)也是所需的輸入力大小，在曲線的一個(gè)比例關(guān)系可以得出一個(gè)省力的K值，K=0.299，即此為省力系數(shù)，在切割阻力比較大的情況下所需的輸入力會(huì)較好的減小，達(dá)到一個(gè)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.3 參數(shù)設(shè)定

圖13 剪切阻力-鉸點(diǎn)Y軸方向力曲線

圖14 剪切阻力-鉸點(diǎn)Z軸方向力曲線

圖15 剪切阻力-鉸點(diǎn)合力曲線

圖16 剪切阻力-輸入力曲線

1.3.1 殼體參數(shù)的確定

本裝置旨在能像鞋子一樣，人們只要穿上它，即可進(jìn)行收割甘蔗工作，故裝置的設(shè)計(jì)必須符合人機(jī)工程學(xué)，能較好地貼合腳的形狀且穿上后能夠方便地收割甘蔗，這對(duì)裝置的外觀及材料提出了要求。裝置的外殼體必須要能容納成年男性的腳掌，我國(guó)成年男性平均腳長(zhǎng)為249.72 mm[9]，故外殼體的長(zhǎng)度采用260 mm。

外殼體必須有足夠的寬度來容納剪刀下端展開，根據(jù)前文分析，只需要轉(zhuǎn)動(dòng)24°即可使剪刀具有足夠的強(qiáng)度，故外殼體的寬度采用210 mm。為了使用該裝置時(shí)能更加方便舒服，外殼體應(yīng)在能實(shí)現(xiàn)功能的情況下盡可能矮，甘蔗收割時(shí)有效切割距離為離地80 mm，再加上剪刀的厚度及外殼體的厚度，裝置總體的高度設(shè)置為120 mm。

1.3.2 機(jī)體便攜性的確定

我國(guó)蔗區(qū)地形復(fù)雜，60%屬于丘陵坡地。廣西是中國(guó)最大的甘蔗種植基地，種植面積和蔗糖產(chǎn)量均占全國(guó)約60%，坡度小于15°的甘蔗地占總面積的87.6%。在丘陵坡地上進(jìn)行甘蔗收割作業(yè)時(shí)，為了能提高生產(chǎn)效率，機(jī)體必須有很好的便攜性，以減少人使用裝置時(shí)的體力損失。整體機(jī)體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能輕盈，故主要部件考慮鋁合金材料，既有一定的強(qiáng)度，又有較輕的質(zhì)量。

2 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種小型輔助人力甘蔗收割裝置，它的優(yōu)點(diǎn)主要有：

⑴本裝置在使用時(shí)，腳部完全獨(dú)立使用本發(fā)明進(jìn)行甘蔗收割時(shí)的根切步驟，不僅可以避免勞動(dòng)人員的一個(gè)彎腰砍切甘蔗的一個(gè)高強(qiáng)度勞動(dòng)過程，還可以讓操作人員的雙手得以空出，同時(shí)進(jìn)行甘蔗的剝?nèi)~、去梢收割，從而簡(jiǎn)化了收割甘蔗的步驟，可以提高作業(yè)效率、雙重減少人力輸出。

⑵本裝置采用杠桿原理，利用操作人員自身的重力實(shí)現(xiàn)對(duì)甘蔗的根切，有效地利用人力的輸出。人員砍切甘蔗需要大約420 N[10]的切力，而本裝置則僅需要約150 N的輸入力，進(jìn)而有效減少勞動(dòng)力的輸入。