郭彥克，韓長(zhǎng)杰，李光新，徐陽(yáng)，杜許懷

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830052)

0 引言

食用型向日葵(以下簡(jiǎn)稱(chēng)食葵)是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)農(nóng)產(chǎn)品，加工制作后的葵花籽深受消費(fèi)者喜愛(ài)[1-4]。我國(guó)葵花籽收獲面積近年來(lái)整體呈上升趨勢(shì)[5]。目前，新疆地區(qū)大多數(shù)農(nóng)民采用插盤(pán)晾曬的分段方式收獲食葵，收獲前割下葵盤(pán)插在距地60～80 cm處砍斷的葵稈上晾曬4～7 d(簡(jiǎn)稱(chēng)插盤(pán))，隨后由人工將晾曬過(guò)的葵盤(pán)從莖稈上取下送去脫粒。食葵盤(pán)采收作業(yè)機(jī)械化水平偏低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率較低[6-7]。因此研制食葵取盤(pán)收獲機(jī)械對(duì)我國(guó)的食葵產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有較大意義[8-10]。

現(xiàn)階段食葵收獲機(jī)械大體可分為掛載專(zhuān)用割臺(tái)的聯(lián)合收獲機(jī)、背負(fù)式收獲機(jī)、牽引式收獲機(jī)。聯(lián)合收獲機(jī)工作時(shí)，割臺(tái)與谷物聯(lián)合收獲機(jī)連接，可完成收獲、脫粒、篩選工作[7, 11-12]；背負(fù)式收獲機(jī)一般機(jī)具前方設(shè)有集料斗，葵盤(pán)由人工或取盤(pán)裝置送入集料斗，機(jī)具側(cè)面設(shè)輸送帶，后方布置脫粒和集料裝置[8, 13-14]，機(jī)具工作時(shí)需大量人員輔助，人力成本較高；牽引式收獲機(jī)具有制造成本低、機(jī)具通過(guò)性好等特點(diǎn)[8, 15-16]，但在切割葵稈時(shí)有較大震動(dòng)，容易造成葵盤(pán)掉落，籽粒損失較高。

本文針對(duì)新疆地區(qū)插盤(pán)晾曬的收獲模式[6-7]，設(shè)計(jì)一種模擬人工取盤(pán)作業(yè)的柔性帶式食葵取盤(pán)收獲機(jī)，并對(duì)關(guān)鍵部件取盤(pán)裝置和脫粒裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。分析葵盤(pán)在取盤(pán)裝置中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)脫粒輥和篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終以降低食葵籽粒損失率為目標(biāo)對(duì)整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，獲得機(jī)具的最佳工作參數(shù)，為插盤(pán)晾曬模式的食葵收獲技術(shù)研究提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

柔性帶式食葵取盤(pán)收獲機(jī)可分為脫粒部分和取盤(pán)部分，由分禾器、取盤(pán)裝置、脫粒裝置、集料箱、機(jī)架等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。整機(jī)與拖拉機(jī)牽引架鉸接，取盤(pán)裝置依靠行走輪驅(qū)動(dòng)，脫粒裝置由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)。

圖1 柔性帶式食葵取盤(pán)收獲機(jī)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)具作業(yè)時(shí)，前方的分禾器將田間散亂的葵稈集中為一條，隨后由取盤(pán)裝置將插在莖稈上的葵盤(pán)沿豎直方向拔起并連續(xù)輸送至脫粒裝置，葵盤(pán)上的葵籽在脫粒裝置中受脫粒部件反復(fù)擊打及擠壓作用，掉落的籽粒通過(guò)輸送通道落入集料箱中。機(jī)具主要參數(shù)如表1所示。

表1 收獲機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Main structural parameters of the harvester

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 取盤(pán)裝置設(shè)計(jì)

取盤(pán)裝置主要由取盤(pán)機(jī)架、柔性帶、主動(dòng)輥、轉(zhuǎn)接板、同步齒輪組、支撐板等組成，如圖2所示。關(guān)鍵工作部件為柔性帶，通過(guò)分析人工取盤(pán)時(shí)握持葵盤(pán)的動(dòng)作，采用上下對(duì)置、左右對(duì)稱(chēng)的4條柔性帶，模擬人工雙手握持葵盤(pán)。確保取盤(pán)裝置實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的豎直取盤(pán)，達(dá)到機(jī)械取盤(pán)作業(yè)效果與人工取盤(pán)作業(yè)效果相同的目標(biāo)。

圖2 取盤(pán)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 取盤(pán)過(guò)程分析

根據(jù)取盤(pán)裝置中葵盤(pán)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不同，將取盤(pán)過(guò)程分為分盤(pán)區(qū)、壓盤(pán)區(qū)、提升區(qū)及穩(wěn)定區(qū)[17]，如圖3所示。

圖3 取盤(pán)裝置工作示意圖

葵稈進(jìn)入取盤(pán)裝置到與柔性帶接觸前為分盤(pán)區(qū)，此區(qū)間葵稈在分禾器的作用下，逐步進(jìn)入左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的柔性帶預(yù)留間隙中，葵盤(pán)與左右兩側(cè)柔性帶均勻接觸，避免因受力不均出現(xiàn)葵盤(pán)和籽粒掉落現(xiàn)象；柔性帶前段為壓盤(pán)區(qū)，主要將插盤(pán)較高的葵盤(pán)下壓至收獲高度，避免拔起葵盤(pán)的葵稈較短，不能被柔性帶夾持，導(dǎo)致葵盤(pán)滑落，該過(guò)程中部分葵盤(pán)主要與上層柔性帶接觸；柔性帶中段為提升區(qū)，在此區(qū)域，葵盤(pán)受上下兩層柔性帶的夾持，沿柔性帶傾角持續(xù)運(yùn)動(dòng)，不斷豎直抬升，整個(gè)過(guò)程中，柔性帶對(duì)葵盤(pán)的沖擊作用較小，柔性帶上下夾持具有壓實(shí)作用，籽粒掉落極少；柔性帶后段為穩(wěn)定區(qū)，葵盤(pán)提升至一定高度時(shí)，與莖稈分離，隨后送入脫粒裝置喂入口，進(jìn)行下一步脫粒作業(yè)，因脫粒過(guò)程中籽粒飛濺嚴(yán)重，為減少飛濺損失，葵盤(pán)喂入時(shí)需呈水平放置，因此設(shè)計(jì)穩(wěn)定區(qū)調(diào)整葵盤(pán)喂入角度。

2.1.2 葵盤(pán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

葵盤(pán)受柔性帶夾持，與柔性帶共同運(yùn)動(dòng)，且在壓盤(pán)區(qū)與提升區(qū)運(yùn)動(dòng)速度方向和水平速度分量不同。對(duì)葵盤(pán)在不同輸送位置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 壓盤(pán)區(qū)運(yùn)動(dòng)分析圖

葵盤(pán)位于提升區(qū)時(shí)，柔性帶輸送速度為v1，當(dāng)柔性帶水平方向分速度vx1與整機(jī)前進(jìn)速度v數(shù)值相同方向相反時(shí)，柔性帶將葵盤(pán)沿莖稈豎直方向抬起，即

vx1=v1×cosθ1=v

(1)

葵盤(pán)相對(duì)于地面在水平方向上無(wú)運(yùn)動(dòng)，僅做豎直向上運(yùn)動(dòng)，其豎直上升速度為vy1，壓盤(pán)區(qū)葵盤(pán)水平方向速度

vx2=v2×cosθ2

(2)

v1與v2為葵盤(pán)在柔性帶上不同位置的速度，它們大小相同，方向不同。為提高葵盤(pán)的輸送效率，減少壓盤(pán)區(qū)柔性帶長(zhǎng)度，并增大壓盤(pán)區(qū)柔性帶與水平面夾角θ2，存在

(3)

當(dāng)θ2與θ1存在差值時(shí)，葵盤(pán)從分盤(pán)區(qū)進(jìn)入壓盤(pán)區(qū)，所插高度較高的葵盤(pán)接觸柔性帶受壓，葵盤(pán)繞插盤(pán)位置旋轉(zhuǎn)，葵稈發(fā)生傾斜，如圖5所示。

圖5 取盤(pán)傾角分析

葵盤(pán)與柔性帶接觸時(shí)，莖稈位于A1處，接觸后，莖稈傾斜至A2處，葵盤(pán)沿著莖稈運(yùn)動(dòng)速度為v2，此時(shí)葵盤(pán)速度關(guān)系式為

(4)

式中：θ1——提升區(qū)柔性帶與水平面夾角，(°)；

θ2——壓盤(pán)區(qū)柔性帶與水平面夾角，(°)；

θ3——壓盤(pán)區(qū)葵稈與豎直方向夾角，(°)。

由式(4)計(jì)算得

(5)

由式(4)、式(5)可知，壓盤(pán)區(qū)葵稈傾角θ3由提升區(qū)夾角θ1及壓盤(pán)區(qū)夾角θ2確定，為減少籽粒掉落，對(duì)夾角θ1和θ2進(jìn)行設(shè)計(jì)。參考葵盤(pán)在輸送帶材質(zhì)上的摩擦角為34°，選取提升區(qū)柔性帶與水平面夾角θ2為30°?？紤]整機(jī)安裝空間，選取壓盤(pán)區(qū)柔性帶與水平面夾角θ1為50°；代入式(5)得壓盤(pán)區(qū)葵稈與豎直方向夾角θ3為11.7°。

2.1.3 取盤(pán)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

收獲采用大小行種植模式的食葵時(shí)，若使取盤(pán)裝置不對(duì)鄰行產(chǎn)生干擾，且食葵盤(pán)可正常喂入取盤(pán)裝置并向脫粒裝置輸送，如圖6所示，則取盤(pán)裝置輸送帶帶寬Ld為

(6)

式中：Lz——取盤(pán)裝置最大寬度，mm；

Li——輸送帶與機(jī)架預(yù)留間隙，mm；

Lj——食葵莖稈通過(guò)間隙，mm；

Lk——機(jī)架寬度，mm;

DGmax——葵稈最大直徑，mm；

DPmax——葵盤(pán)最大直徑，mm。

其中Lz不得到超過(guò)小行距400 mm，取Lz=400 mm；機(jī)架需保證一定強(qiáng)度，且能通過(guò)最大直徑為315 mm的葵盤(pán)，選取Q235 D-2 50×30×3矩形管，則有Lk為30 mm；食葵莖稈最大直徑為48.3 mm，應(yīng)能通過(guò)兩輸送帶間隙，取Lj為60 mm；Li為輸送帶與機(jī)架預(yù)留間隙，取Li為10 mm，將上述參數(shù)代入式(6)，解得Ld=130 mm。

圖6 收獲葵盤(pán)示意圖

2.2 脫粒裝置設(shè)計(jì)

脫粒裝置采用切流式設(shè)計(jì)，由脫粒輥、脫粒篩、脫粒篩吊桿、罩殼、脫粒機(jī)架等結(jié)構(gòu)組成，如圖7所示，其中脫粒輥與脫粒篩網(wǎng)為主要脫粒部件。

圖7 脫粒裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 脫粒輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

影響脫粒效果的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為脫粒輥直徑與相鄰輥間距，如圖8所示。

圖8 脫粒輥結(jié)構(gòu)圖

脫粒輥直徑較小時(shí)，脫粒裝置會(huì)產(chǎn)生葵盤(pán)纏繞、回帶等現(xiàn)象；直徑較大會(huì)引發(fā)脫粒裝置體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作所需功耗偏高等問(wèn)題。相鄰輥間距由葵盤(pán)的直徑?jīng)Q定，當(dāng)相鄰輥間距大于葵盤(pán)直徑時(shí)，較小葵盤(pán)會(huì)卡在兩輥之間，無(wú)法被脫粒輥拋送出脫粒裝置，易造成堵塞，影響整機(jī)工作效率，因此，相鄰輥間距不應(yīng)過(guò)大。測(cè)量得葵盤(pán)的最大直徑為315 mm，最小直徑為150 mm，葵盤(pán)上籽粒突出長(zhǎng)度為10 mm。脫粒輥中紋桿直接與籽粒接觸，參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[18]取滾筒直徑D為80 mm，同時(shí)考慮脫粒機(jī)架中軸承座并列安裝最小軸距為167 mm，脫粒輥安裝架寬度設(shè)計(jì)為460 mm，相鄰輥間距設(shè)計(jì)為170 mm。

2.2.2 脫粒篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

脫粒篩網(wǎng)對(duì)葵盤(pán)起支撐和施壓預(yù)緊力的作用，需保證不同厚度的葵盤(pán)在脫粒篩網(wǎng)的作用下，對(duì)脫粒輥的壓力相近。脫粒篩兩端通過(guò)調(diào)節(jié)吊桿和伸縮套管與機(jī)架相連，連接位置均設(shè)有預(yù)緊浮動(dòng)彈簧，脫粒篩在脫粒機(jī)架上安裝位置如圖9所示。

圖9 脫粒篩安裝位置圖

脫粒篩網(wǎng)與脫粒輥之間的距離對(duì)作業(yè)效果有一定影響，測(cè)量得葵盤(pán)厚度為26～42 mm，脫粒輥與脫粒篩在喂入口處設(shè)計(jì)自由間隙A為40 mm，為保證葵盤(pán)能順利進(jìn)入脫粒裝置，拋盤(pán)口處設(shè)計(jì)自由間隙B為20 mm；脫粒篩的材料為直徑6 mm鋼棒，鋼棒表面有螺紋狀凸起，通過(guò)增大脫粒篩與葵盤(pán)間摩擦力延長(zhǎng)葵盤(pán)脫粒時(shí)間。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)材料為采摘自新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰市薩斯克巴斯陶村的食葵SH361。試驗(yàn)時(shí)葵籽的含水率約為12.32%、葵盤(pán)含水率約為34%～40%、葵盤(pán)直徑為150～315 mm、平均厚度為35.8 mm、葵稈最大直徑為48.3 mm。試驗(yàn)時(shí)，柔性帶式食葵取盤(pán)收獲機(jī)通過(guò)懸掛架與土壤—機(jī)器—植物系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)連接，可通過(guò)平臺(tái)監(jiān)測(cè)控制收獲機(jī)的車(chē)速、輸出軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)。該試驗(yàn)過(guò)程中主要使用的儀器設(shè)備及具體型號(hào)如表2所示。

表2 試驗(yàn)所用儀器型號(hào)Tab. 2 Model of instrument used in the test

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)理論分析、整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)合預(yù)試驗(yàn)等情況，選取對(duì)食葵取盤(pán)總損失率有較大影響的機(jī)具前進(jìn)速度、脫粒裝置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率為試驗(yàn)因素。

根據(jù)Box-Behnken原理進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[19]，共進(jìn)行17組試驗(yàn)，其中有12個(gè)分析因子和5個(gè)零點(diǎn)誤差估計(jì)。參照GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》操作[20]，分別設(shè)定3 m穩(wěn)定區(qū)、10 m測(cè)定區(qū)和2 m停車(chē)區(qū)。每次試驗(yàn)開(kāi)始前檢查清理地表存在的葵籽，試驗(yàn)結(jié)束后檢查更換折斷的葵稈，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

3.3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)分組與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 3 Test scheme and results

首先使用Design Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種擬合模型的方差分析，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)因素間的回歸模型。確定最佳擬合模型，然后對(duì)該回歸模型進(jìn)行方差分析，并剔除不顯著因素，重新建立回歸模型并進(jìn)行方差分析，達(dá)到最好的擬合效果。

由表4知，二次多項(xiàng)式P<0.001，選用該模型擬合試驗(yàn)因素與試驗(yàn)響應(yīng)值，能創(chuàng)建較恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?。?duì)破碎率進(jìn)行二次回歸擬合，得到轉(zhuǎn)差率A、脫粒輥轉(zhuǎn)速B和前進(jìn)速度C對(duì)破碎率Y編碼回歸模型

Y=3.56+0.11A+0.21B+0.15C-

0.017AB-0.12AC-0.24BC+0.22A2+

0.28B2+0.15C2

(7)

表4 損失率多種擬合模型方差對(duì)比Tab. 4 Variance comparison of various fitting models crushing rate

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表5所示。

表5 損失率方差分析Tab. 5 Response surface analysis of crushing rate

由表5可知，回歸模型顯著性檢驗(yàn)P<0.05，說(shuō)明模型顯著，失擬項(xiàng)不顯著，二次回歸方程符合實(shí)際，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。自變量一次項(xiàng)A、B、C，二次項(xiàng)BC、A2、B2、C2顯著。剔除AC和BC不顯著項(xiàng)，對(duì)回歸模型式(7)進(jìn)行優(yōu)化，得到新的編碼回歸模型為

Y=3.56+0.11A+0.21B+0.15C-

0.017AB+0.22A2+0.28B2+0.15C2

(8)

分析得三因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性分別為脫粒輥轉(zhuǎn)速、行進(jìn)速度、轉(zhuǎn)差率，以降低損失率為優(yōu)化目標(biāo)，解得模型(8)機(jī)具最佳工作狀態(tài)轉(zhuǎn)差率為0.16、脫粒輥轉(zhuǎn)速為402.47 r/min、行進(jìn)速度為0.32 m/s，此時(shí)損失率最低為3%。將脫粒輥轉(zhuǎn)速圓整為400 r/min進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出試驗(yàn)結(jié)果為2.97%，試驗(yàn)值與理論值結(jié)果相近，誤差不超過(guò)0.5%，證明理論模型與實(shí)際情況相接近，該回歸模型可用。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)新疆地區(qū)食葵插盤(pán)晾曬分段收獲的需要，模擬人工取盤(pán)原理，設(shè)計(jì)了柔性帶式食葵取盤(pán)收獲機(jī)。相比改制谷物收獲機(jī)割臺(tái)的自走收獲機(jī)和牽引式人工輔助收獲機(jī)，該機(jī)具取盤(pán)過(guò)程中對(duì)葵盤(pán)及葵稈的沖擊較小，降低了取盤(pán)損失率，連續(xù)運(yùn)行的柔性帶夾持葵盤(pán)，避免葵盤(pán)掉落造成的損失。

2) 以新疆地區(qū)普遍種植的食葵SH361為收獲對(duì)象，對(duì)取盤(pán)裝置和脫粒裝置進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，通過(guò)理論分析和計(jì)算確定了輸送帶帶寬為130 mm，葵稈與豎直方向夾角為11.7°，脫粒輥直徑為80 mm，兩脫粒輥間距離為170 mm。

3) 以機(jī)具前進(jìn)速度、脫粒輥轉(zhuǎn)速、脫粒輥轉(zhuǎn)差率為試驗(yàn)因素，以收獲時(shí)的總損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，開(kāi)展了食葵取盤(pán)試驗(yàn)。結(jié)果表明，最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為轉(zhuǎn)差率0.16、脫粒輥轉(zhuǎn)速400 r/min、行進(jìn)速度0.32 m/s，此時(shí)損失率最低為2.97%，滿(mǎn)足分段收獲模式下食葵收獲作業(yè)要求，為后續(xù)插盤(pán)式食葵機(jī)械收獲研究提供參考。