張兆國 王一馳 李漢青 刀 方 張振東 薛浩田

(1.昆明理工大學農業(yè)與食品學院， 昆明 650500； 2.云南省高校中藥材機械化工程研究中心， 昆明 650500;3.東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

隨著云南省三七產業(yè)的不斷發(fā)展，三七采挖面積在逐年增長。目前，三七種植基地采用人工收獲方式，其勞動強度大?，F有根莖類作物收獲機并不符合溫室種植三七的特殊農藝要求，因此收獲效率低、效果不佳。

我國于20世紀60年代開始引進根莖類收獲機械，其中以花生、薯類收獲為主，直到20世紀80年代，才開始對中藥材收獲機械進行研究。劉寶等[1]設計了MZPH-820型馬鈴薯收獲機，并對馬鈴薯碰撞過程進行分析研究，獲得了較好的根土分離效果。楊然兵等[2]對花生收獲機理進行研究，研制的4HQL-2型花生聯合收獲機去土效果好、損失率低。張程[3]研發(fā)了溫室履帶行走底盤，該底盤適合窄行距工況作業(yè)。何曉芬[4]研制了折耳根收獲機，整機結構簡單、機動性好。文獻[5-10]研制了多種牽引式和自走式的三七收獲機，但是仍然存在收獲效率低、轉向阻力大、整體操作靈敏度不佳等問題。

本文借鑒根莖類收獲機械先進技術，設計一種液壓控制履帶自走式溫室三七收獲機。整機采用履帶式底盤，從而提高行走靈敏度和越障性能，對液壓傳動系統(tǒng)及關鍵部件進行設計，以期提高收獲效率和收獲品質，滿足三七特殊收獲需求。

1 整機結構與工作原理

1.1 三七種植農藝要求

三七種植平均氣溫為15～17℃，鋪于三七仿生種植基地槽內的土壤分為3層，自上而下分為粗石粒、細石粒、種植土壤，如圖1所示。對種植土壤進行含水率、密度、堅實度和基本力學參數測定，得到溫室種植土壤基本物理參數：含水率為24.2%；密度為1.35 g/cm3；堅實度為0.76 MPa；內摩擦角為15.41°；摩擦因數為0.276；內聚力為15.855 kPa。

三七種植槽寬度為1 480～1 510 mm，每段種植槽長度為94 m，種植槽兩邊的混凝土路面寬約300 mm，混凝土路面距槽內土面60～70 mm，通過測量10組三七的株距和行距，可得種植株距和行距分別為20、15.7 cm，三年生三七主根深度在150～200 mm范圍內，須根分布更深。

1.2 整機結構

考慮三七收獲機非作業(yè)狀態(tài)下存放及運輸的方便性，設計由液壓缸活塞桿的伸縮來控制挖掘裝置的升降，非作業(yè)狀態(tài)升起挖掘裝置方便行走[11]。根據溫室高度和種植槽參數，對整機的長寬高進行初步設計。整機由履帶行走底盤、整體機架、挖掘裝置、液壓控制系統(tǒng)、外殼組成，采用升運鏈排裝置可以更有效實現根土分離[12]。整機結構設計如圖2所示，具體參數如表1所示。

表1 溫室三七收獲機整機參數

1.3 工作原理

整機開始工作時，挖掘部件處于提升狀態(tài)，通過液壓缸控制挖掘部件的入土深度，啟動控制升運鏈和履帶的液壓馬達帶動整機前進。至土槽起點時，降下挖掘部件，挖掘鏟入土進行收獲作業(yè)。挖掘出的三七經過分離裝置完成根土分離，分離出的三七落到地面上，可后續(xù)進行人工撿拾。當完成收獲過程，行至土槽盡頭，此時液壓缸活塞桿收回，挖掘部件提升，控制履帶底盤使整機原地轉向，進行下一畦收獲。

2 底盤設計與仿真分析

2.1 參數設計

針對溫室三七種植基地的參數和種植條件，通過實地調研可知行走路面為混凝土路面。橡膠履帶受力面大，能減少因為過大的整機重量對地面造成的破壞，且能有效完成原地轉向功能。因此選用橡膠履帶作為行走底盤，并對其進行設計[13]。履帶結構參數包括單邊橡膠履帶的寬度、接地長度和節(jié)距，驅動輪、支重輪、導向輪的直徑、寬度等。履帶尺寸計算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中c——履帶帶寬，mm

M——收獲機質量，kg

L——接地長度，mm

r——驅動輪節(jié)圓半徑，mm

z——履帶節(jié)距，mm

m——驅動輪齒數，個

根據文獻[14]，引導輪半徑取0.8倍驅動輪半徑，支重輪半徑取0.8倍引導輪半徑。計算得到的履帶行走機構參數如表2所示。

表2 履帶行走機構參數

2.2 直線行走特性分析

對自走式溫室三七收獲機行走特性的研究本質是對挖掘收獲作業(yè)的研究，同時也是對履帶底盤動力系統(tǒng)的基礎研究。在行駛過程中，樣機受到內部阻力、外部阻力、牽引力與附著力等作用[15]。對其直行過程建立運動學模型，如圖3所示。

因為樣機在直行過程中，挖掘機構是升起狀態(tài)，因此建立模型時不考慮，只考慮其自身重力。整機受到的力計算式為

F=Fa+Fb+Fc

(5)

F2=fG

(6)

式中F——內部總阻力，N

G——整機重力，N

Fa——驅動輪產生的摩擦阻力，N

Fb——引導輪產生的摩擦阻力，N

Fc——支重輪產生的摩擦阻力，N

F2——外部總阻力，N

f——摩擦因數，混凝土路面取0.06

計算可得內部總阻力為420 N，外部總阻力為2 980 N。通過RecurDyn軟件進行仿真分析，對行走機構添加作用力，依據計算結果和實際，設定前進速度為0.5 m/s，作業(yè)中受到的工作阻力為2 500 N。通過圖4可以得到履帶機構剛開始直行時，驅動輪受到較大的扭矩，約為480 N·m，當進入平穩(wěn)狀態(tài)后(1 s)，左側驅動輪受到的扭矩與右側驅動輪受到的扭矩基本相等，約為190 N·m，驅動輪節(jié)圓半徑為140 mm，所以單側履帶需要的牽引動力約為1 357 N。樣機的質心加速度圍繞零點上下均勻波動，波動范圍不大。正常收獲作業(yè)過程中，直行穩(wěn)定性滿足要求[16]。

3 挖掘裝置參數設計

三七挖掘鏟已有較為成熟的研究[17]，這里不再贅述。采用二階組合式挖掘鏟，能有效完成挖掘作業(yè)，提高挖掘效率。根據溫室大棚三七種植環(huán)境，確定挖掘鏟入土角為25°。三七在土中形態(tài)如圖5所示。

三七挖掘機分離裝置輸送的根土混合物，經歷分離、后拋等過程。對根土混合物拋起過程分析，確定分離輸送裝置的參數結構。根土混合物在升運鏈排的振動達到最大振幅時被拋起，對其進行力學分析，如圖6所示。在升運鏈上時，受到垂直鏈排向上的慣性力F1和支持力FN，同時在向后輸送時受到摩擦力f1。

分別在平行于升運鏈線速度方向和垂直于升運鏈線速度方向建立X、Y軸，當支持力FN為0，即根土混合物剛剛被拋起，建立方程

F1≥mgcosα

(7)

其中

F1=-ma

(8)

式中m——根土混合體質量，kg

α——升運鏈傾角，(°)

g——重力加速度，m/s2

a——根土混合物加速度，m/s2

根據文獻[18]，令升運鏈抖動時的最低點為位移零點，得到位移與時間t的方程，并對時間求二階導數得到加速度

(9)

式中ω——升運鏈振動的角速度，rad/s

β——簡諧運動初始相位角，(°)

A——升運鏈振幅，m

因為升運鏈和抖動輪的頻率相同，由頻率和角速度之間的關系得

ω=2πT

(10)

式中T——抖動輪頻率，Hz

由式(9)和式(10)可以得到加速度a與抖動輪頻率、升運鏈振幅之間的關系

a=-2π2AT2cos(2πTt+β)

(11)

取加速度a最大，將式(11)代入式(7)，可以得到

2π2AT2≥gcosα

(12)

三七根土混合體被升運鏈拋起的最大高度為

(13)

式中v1——機具前進速度，m/s

由文獻[19]可知，三七被拋起最大高度小于150 mm時，可以最大限度減少三七的損傷。三七收獲機作業(yè)速度為0～1 m/s，升運鏈傾角為20°～30°。由式(12)和式(13)計算得到升運鏈振幅和抖動輪頻率的關系為

AT≤0.17 m/s

(14)

根據分析可得，抖動頻率和振幅影響三七后拋程度，并可在一定關系時，減少傷根率。若振幅和頻率過小，會使得根土分離不徹底；若振幅和頻率過大，則造成傷根率偏高。根據田間測試和式(14)，選取升運鏈排寬度為1 320 mm，有效升運距離為1 200 mm。根據三七的平均長度和運動分析，設計鏈條排的間隙為40 mm。并依據升運鏈排的參數，確定相關參數，結果見表3。

表3 挖掘裝置參數

4 液壓傳動系統(tǒng)設計

與傳統(tǒng)的機械傳動相比，液壓傳動可以輸出大轉矩，使大噸位物體實現低速運動。同時在相同功率條件下，液壓傳動裝置體積小、重量輕。自走式溫室三七收獲機采用全液壓驅動方式，開式液壓回路系統(tǒng)，整機使用雙液壓馬達、旋轉馬達和液壓缸來完成控制功能。傳動系統(tǒng)設計流程圖如圖7所示。

4.1 行走方案

為了提高整機工作效率，收獲機在工作時未產生偏移，前進和后退同步精度需要保障，為滿足要求，采用低速驅動方案[20]。行走液壓系統(tǒng)原理圖如圖8所示。

行走液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓油箱、壓力表、溢流閥、可調單向節(jié)流閥、三位四通電磁換向閥、二位四通電磁換向閥、分流集流閥和行走液壓馬達所構成。當三位四通電磁換向閥左端的1YA線圈得電時，行走液壓馬達在分流集流閥的作用下同步轉動，從而帶動收獲機實現前進功能，同理可得當三位四通電磁換向閥右端的2YA線圈得電時，收獲機實現后退功能。二位四通電磁換向閥的3YA線圈得電時，收獲機實現右轉彎功能，二位四通電磁換向閥的4YA線圈得電時，收獲機實現左轉彎功能。

4.2 升運鏈傳動方案

進行傳動方案設計時，需要考慮整機升運鏈所承受的負載不是固定值，所以在進行液壓傳動系統(tǒng)設計時必須有調速功能。為防止升運鏈不被土塊卡住且能夠高效工作，設計的旋轉液壓馬達需要實現正反轉。選取液壓馬達作為升運鏈執(zhí)行元件，傳動液壓系統(tǒng)如圖9所示[21]。

傳動液壓系統(tǒng)主要由液壓馬達、溢流閥、節(jié)流閥和三位四通電磁換向閥組成。驅動電機啟動后帶動液壓泵工作，液壓泵從液壓油箱抽取液壓油，然后經過電磁換向閥輸送給旋轉馬達，三位四通電磁換向閥負責旋轉液壓馬達的正反轉，當三位四通電磁換向閥左端的5YA線圈得電時，旋轉馬達正轉從而帶動升運鏈正轉，三位四通電磁換向閥右端的6YA線圈得電時，旋轉馬達反轉從而帶動升運鏈反轉。為滿足液壓馬達的工作速度可調，在馬達的進油與出油口處分別裝有可調節(jié)流閥。

4.3 升降系統(tǒng)方案

挖掘裝置在整機工作前必須緩慢下降，使挖掘鏟能夠順利進入土壤且可達到適宜的挖掘深度，所以在系統(tǒng)設計時要實現執(zhí)行元件的運動速度可調。為使挖掘裝置能夠順利地實現升降，所設計的系統(tǒng)必須具有過載保護、安全制動、自鎖、卸荷和調速等功能。升降液壓系統(tǒng)原理如圖10所示[22]。

升降液壓系統(tǒng)回路主要包括液壓源、三位四通電磁換向閥、液控單向閥、升降液壓缸。當驅動電機啟動后帶動液壓泵工作，液壓泵從液壓油箱抽取液壓油，然后經電磁換向閥供給升降液壓缸，當三位四通電磁換向閥左端的7YA線圈得電后，液壓缸的活塞桿伸出從而帶動挖掘裝置下降，三位四通電磁換向閥右端的8YA線圈得電后，液壓缸的活塞桿收縮從而帶動挖掘裝置上升。

5 控制系統(tǒng)設計

本文設計兩套控制方案，即本地操作和遠程遙控方案，二者皆能控制整機的前進、后退、轉彎以及挖掘裝置升降和升運鏈傳動等功能。本地操作通過控制按鈕控制電磁換向閥來實現；遠程遙控通過上位機發(fā)送信號控制電磁換向閥來實現。整體控制系統(tǒng)方案如圖11所示[23]。

5.1 本地操作方案

本地操作采用在電氣柜中安裝相應的控制按鈕，采用點控式的控制方法，選用中間繼電器作為轉換裝置，輸入端與控制按鈕相連接，輸出端與電磁換向閥、驅動電機和風冷機相連接。利用FluidSIM軟件中的電控模塊對本地操作方案進行設計，電控原理圖如圖12所示。

按下控制按鈕S1時，中間繼電器線圈K1得電，致使常開觸點K1閉合，線路接通，則電磁換向閥7YA線圈得電，油路接通使液壓缸活塞桿伸長；再次按一下控制按鈕S1時，K1線圈失電，致使常開觸點K1打開，電磁換向閥7YA線圈失電，即液壓缸活塞桿伸長至合適位置，同理可知S2控制液壓缸活塞桿收縮。具體功能見表4。

表4 接線端按鈕功能表

5.2 遙控操作方案

根據收獲機的工作過程，整機完成全部工作需要10個步驟，所以PLC的I/O口不少于20個。根據本地操作設計時的理論分析，遠程遙控的輸入設備為按鈕，輸出設備為中間繼電器，利用GX Developer開發(fā)平臺對系統(tǒng)軟件進行設計。系統(tǒng)結構如圖13所示[24]。

遠程遙控所要實現的功能為：通過遠程遙控操作可實現收獲機的行走、挖掘裝置升降及升運鏈傳動等功能。遠程遙控通過無線發(fā)射器對接收機發(fā)送指令，接收機將指令傳給中央控制器單元，經過PLC語言判斷來控制中間繼電器的磁鐵動作，進而控制電磁換向閥動作，從而使液壓執(zhí)行元件動作。

6 樣機性能試驗

6.1 行走特性試驗

為了驗證樣機綜合性能，在昆明理工大學校內溫室大棚進行試驗(圖14)。對校內溫室進行規(guī)范化處理，處理后的槽寬為1 500 mm，槽深為200 mm，種植槽長度為40 m。試驗目的是為了檢驗整機設計是否合理，履帶行走機構的行走、原地轉向性能是否良好，液壓控制動力是否滿足要求。

在校內溫室的土槽兩側標出兩條履帶行駛軌道，寬為40 cm，與石林三七種植基地行駛路面的寬度相同，令樣機直行(圖15)，直行完成之后測出履帶與行駛軌道的偏移距離，重復3次，其中向左偏移取正值，向右偏移取負值，測量結果為6、-8、-7 cm。

計算得到樣機的平均偏移率為0.49%，設計的履帶行走機構滿足直線行走要求。

6.2 液壓系統(tǒng)靈敏度試驗

為測試收獲機液壓升降系統(tǒng)性能，在溫室內對升降液壓缸的運行速度進行了測試。以液壓缸行程600 mm為極限位置，以液壓缸靜止至運行到極限位置所需時間為變量，得到液壓缸活塞桿的運行速度。試驗5次，分別記錄液壓缸活塞桿單次伸長與收縮到極限位置所需時間，試驗數據如表5和表6所示。

表5 液壓缸伸長運行速度

表6 液壓缸收縮運行速度

由表5和表6可知，液壓缸活塞桿伸長速度平均值為0.22 m/s，收縮速度平均值為0.22 m/s，液壓缸整體實際測試速度與理論運行速度基本保持一致，在合理范圍內存在少許誤差。

分別用本地操作和遙控操作來控制整機進行原地轉向試驗(圖16)。試驗測試位于水泥路面，調節(jié)兩邊履帶來實現原地轉向，通過微調系統(tǒng)壓力和流量的方法來改變整機轉彎速度，試驗結果表明，整機能順利完成原地轉向需求，轉向半徑與理論值相差不大。

6.3 田間收獲試驗

對自走式溫室三七收獲機的挖掘性能進行測試，試驗地點為云南省石林三七溫室種植基地。試驗作業(yè)時，保持收獲機行走速度為0.5 m/s，總作業(yè)測試長度為93 m。溫室三七機械化收獲的評價指標為生產率、損失率、傷根率。生產率計算式為

(15)

式中D——生產率，hm2/h

e——樣機通過測定區(qū)所用時間，s

S——測定區(qū)長度，m

E——作業(yè)幅寬，m

三七收獲過程中，損失主要指漏收及二次掩埋，一定測試面積內三七損失質量與總質量的百分比為損失率。

傷根率為一定測試面積內傷根質量和三七總質量的百分比，三七塊根不完整或者有裂痕均定義為傷根。

田間收獲后測量得總質量為64.9 kg，通過計算可以得到傷根率為1.77%，損失率為1.48%。參照文獻[25]可以得到三七收獲機評價指標。試驗結果如表7所示，收獲效果如圖17所示，無明顯埋根現象。

表7 三七收獲機試驗結果

試驗證明，該溫室三七收獲機滿足評價指標，整機性能達到設計預期標準，田間收獲順暢，滿足三七收獲的各項作業(yè)功能。

7 結論

(1)根據三七特殊的種植環(huán)境，設計了一種履帶自走式溫室三七收獲機。該機能直線行走和原地轉向，在大棚中能有效完成機械化收獲作業(yè)。

(2)對履帶式行走底盤進行參數設計，并建立理論分析模型，以根土混合物分離時運動學模型為基礎，設計挖掘分離裝置的結構參數。

(3)采用全液壓驅動、開式液壓回路系統(tǒng)，整機使用雙液壓馬達、旋轉馬達和液壓缸來完成控制功能。本地操作和遙控操作方案均可以有效完成行走、轉彎和升降等功能，整體系統(tǒng)靈敏，液壓動力滿足要求。

(4)田間試驗表明，該樣機收獲效率為0.27 hm2/h。損失率為1.48%，傷根率為1.77%。整機直線行走偏移量為0.49%，收獲過程順暢，各項技術指標均滿足要求。