張 武, 宋學(xué)鋒, 張鋒偉, 曹曉慶, 楊泮樓, 頡 強

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

韭菜,屬百合科多年生草本植物,具有抗寒、耐熱、抗蟲病等優(yōu)點,我國作為韭菜的原產(chǎn)國,種植范圍極廣[1]。據(jù)統(tǒng)計,在韭菜整個生產(chǎn)作業(yè)過程中,收獲作業(yè)量占整個作業(yè)量的50%左右,韭菜生長速度快且對季節(jié)的感知比較明顯,易受自然條件的影響,依靠人工收獲效率低、勞動強度大且耗費時間長,無法滿足當(dāng)下韭菜大規(guī)模種植的需求[2]。近些年隨著國家政策對農(nóng)業(yè)機械的大力發(fā)展和蔬菜種植面積的不斷擴大,用機械化收獲來替代人工收獲是必然趨勢,機械化收獲不僅可以提高作業(yè)效率,還能夠降低生產(chǎn)成本。國外對于葉菜類蔬菜的收獲技術(shù)研究較早,意大利HORTECH公司推出了多種SLIDE型號的葉菜收獲機械,可以滿足對菠菜等多種葉菜的割茬收獲以及帶根收獲等多種收獲形式,市場占有量大[3]。荷蘭ORTOMEC公司生產(chǎn)的7000型蔬菜收割機,該機使用履帶作為行走裝置,且收割寬度可調(diào),專門用于收割葉菜類蔬菜[4]。韓國播藍(lán)特公司生產(chǎn)的MT系列葉菜收獲機,葉菜被割刀切除后利用輸送帶和葉菜的摩擦力及葉菜之間的推擠作用,被推送至輸送帶上完成輸送[5]。我國雖然是蔬菜生產(chǎn)大國,但葉菜類蔬菜機械化收獲研究起步較晚,近些年才受到關(guān)注。上海康博有限公司研制的4G-200型韭菜收割機,適合在小地塊面積工作,可實現(xiàn)單行韭菜的機械化收獲[6]。濟寧雨成機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的直流電動韭菜收割機,采用浮動式切割裝置,扶正裝置為正三角扶正裝置,輸送帶尾部設(shè)計塑料可拆卸式集菜箱[7]。南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的 4GCY-1200 型手扶式葉菜收獲機,利用柔性輸送導(dǎo)向機構(gòu)實現(xiàn)莖葉類蔬菜的側(cè)向有序堆放,使葉菜收集整齊不亂[8-9]。

目前市面上專門用于收割韭菜的機械少之又少,北方大多數(shù)地區(qū)仍采用傳統(tǒng)的人工收獲方式,機械化程度極低。一方面我國北方韭菜種植主要以小農(nóng)戶種植模式為主;由于缺少專業(yè)知識,存在棚室建造不合格、韭菜種植品種雜亂、行距和株距過于散亂、農(nóng)藝與農(nóng)技結(jié)合性較差的問題,機械化收獲難度系數(shù)高。另一方面,北方地區(qū)地塊面積較小,地形不規(guī)整,大型農(nóng)用機械不易進入田地。因此,韭菜的收獲機械需求量大,更需要適應(yīng)性強的收獲機具。

本研究針對以上所述問題,基于國內(nèi)韭菜生產(chǎn)實際情況,結(jié)合農(nóng)藝要求,設(shè)計了一款割茬較低且能輸送的中小型韭菜收獲機械,可依次實現(xiàn)韭菜扶持、收割及輸送等功能。并對其機架和割刀部件進行有限元仿真分析,以保證工作部件的使用壽命和強度,為韭菜收割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

韭菜收割機主要由扶禾裝置、切割裝置、輸送裝置和傳動裝置等部件組成。整機結(jié)構(gòu)為手扶電動自走式,收獲方式為單行,結(jié)構(gòu)如圖1所示,其外形尺寸長×寬×高為1 800 mm×550 mm×880 mm。機器傳動采用鏈輪鏈條傳動方式,動力由兩塊串聯(lián)的24 V*38 Ah鉛酸電池驅(qū)動,可保證整機工作3小時以上;機架由40 mm×20 mm和50 mm×20 mm方管焊接而成,部分部件采用板件組合焊接或者螺栓連接而成。

圖1 韭菜收割機結(jié)構(gòu)示意圖

韭菜收割機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 韭菜收割機的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

韭菜收割機進行作業(yè)時,各電機為其工作部件提供動力,設(shè)置合理的前進速度,使機器緩慢前進。分禾器首先將相互纏繞、遮蓋的單行韭菜分開后扶起疏直,并對其聚攏導(dǎo)引并喂入到夾持輸送裝置;在夾持輸送帶的輔助夾持下,割刀電機驅(qū)動割刀快速切割韭菜莖部,切割完成的韭菜由于受到后面植株的推擠,隨著夾持輸送帶向后傾斜向上輸送,最后由于慣性有序拋放至地面平鋪到機器的側(cè)方;輸送過程中韭菜由生長豎直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為水平狀態(tài),再由人工進行打捆,進而完成韭菜的半自動機械化收獲。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 扶禾裝置

扶禾裝置主要功能是將傾斜倒伏的韭菜扶正和分離,使其準(zhǔn)確的進入柔性夾持輸送裝置中,降低損傷率[10]。北方韭菜種植中因受到惡劣天氣等自然環(huán)境的影響,部分韭菜植株會產(chǎn)生彎折、倒伏現(xiàn)象,扶禾裝置可以將彎折和倒伏的韭菜植株扶起疏直,從而減少收獲漏割的損失;另一方面我國北方韭菜種植行距和株距不規(guī)范,韭菜成熟時的葉片相互覆蓋纏繞,扶禾裝置需要將不同狀態(tài)下的韭菜植株進行有效分離后再聚攏并引導(dǎo)至夾持輸送裝置以輔助切割、輸送等過程。

韭菜種植模式一般為單壟單行,植株較散亂,扶禾過程中易受損傷,影響韭菜收獲質(zhì)量,所以扶禾裝置進行對稱設(shè)置;每個扶禾器單體分別由支撐板、分禾器和喂入導(dǎo)桿組成,如圖2所示。扶禾作業(yè)是一個持續(xù)前進的過程,隨著機具連續(xù)作業(yè)支撐板貼地收割,側(cè)傾的韭菜植株在分禾器上部圓弧作用下被扶起梳直,并在喂入導(dǎo)桿的導(dǎo)引下進入到夾持輸送裝置。韭菜種植行距一般為0.22～0.28 m, 因此取兩個扶禾器單體間距W=0.3 m。分禾器截面形狀為植株所受阻力和機械損傷較小的圓弧狀,其前嘴寬度為10 mm, 后端寬度為150 mm,由前嘴到后端呈逐漸變寬的趨勢[11];由于韭菜生長狀況不同,植株高度存在差異,為防止韭菜植株漏扶,同時防止過高的莖葉側(cè)傾,無法順利進入扶禾裝置,確定喂入導(dǎo)桿與地面傾角為30°,最大離地高度為160 mm。

圖2 扶禾裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 切割裝置

在農(nóng)業(yè)收獲機械中,莖稈類作物常用的切割器可分為往復(fù)式切割器和圓盤式切割器。往復(fù)式切割器利用動刀片與定刀片相對運動產(chǎn)生的剪切作用對作物進行切割,適合寬幅收獲,缺點是傳動結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,切割慣性力以及振動較大,會出現(xiàn)作物割茬不齊的現(xiàn)象[12]。圓盤式切割器一般速度較高,適合高速作業(yè),工作振動較小,且對硬度小且含水量高的細(xì)莖桿作物收獲具有較好的適應(yīng)性,但割刀壽命較短,回轉(zhuǎn)半徑小,不適合作物寬幅收獲[13]。本文所設(shè)計收獲機為單行收獲,結(jié)構(gòu)空間布置緊湊,且韭菜在夾持輔助下完成切割,因此選用圓盤式切割器。

切割裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3所示,由切割電機、割刀軸、割刀軸管和割刀等組成。切割裝置通過切割調(diào)節(jié)板固定在機架右側(cè)前端,割刀轉(zhuǎn)速通過控制系統(tǒng)由電機單獨進行控制,割刀固定螺栓采用左螺紋(又稱反牙螺栓)。割刀可根據(jù)地面地形情況和韭菜收割要求,通過調(diào)節(jié)割刀調(diào)節(jié)板與機架的相對位置來調(diào)節(jié)韭菜收割的割茬高度。

圖3 切割裝置示意圖

切割器的刀盤為一體式圓盤刀, 每個齒的側(cè)切削刃在割刀旋轉(zhuǎn)過程中完成對韭菜植株的切割,其機構(gòu)如圖4所示。由于韭菜收獲為留茬收獲且含水率較高,割刀材質(zhì)選擇65Mn鋼[14-15]。綜合割刀材質(zhì)以及切割條件,割刀厚度為2 mm,割刀刃口角為15°。割刀工作過程中,其回轉(zhuǎn)輪廓既要覆蓋單行韭菜幅寬,同時又避免傷害鄰行韭菜。通過測量,單行韭菜植株幅寬為15～20 mm,相鄰韭菜間距為40～45 mm之間。綜合考慮確定割刀基圓直徑d為150 mm,割刀最大回轉(zhuǎn)直徑D為280 mm,其內(nèi)孔直徑為25 mm。

圖4 六星齒圓盤刀

在相鄰齒間切削間隔時間,機器的前進距離小于星齒的有效切削長度才能保證韭菜不漏割,所以保證韭菜不漏割的條件為:

(1)

式中:n為割刀轉(zhuǎn)速,r/min;v為機器前進速度,m/s;N為齒數(shù),個;L為割刀有效切割長度,m。

機具收獲過程中,前進速度為v=0.8 m/s、割刀齒數(shù)N=6 個、有效切割長度L =0.065 m,計算得出n ≥123 r/min。割刀電機選擇24 V 19 A直流電機,最高轉(zhuǎn)速2 750 r/min,最大輸出功率350 W,滿足設(shè)計要求。

2.3 夾持輸送裝置

夾持輸送裝置是整個收割機械最重要的部件之一,其結(jié)構(gòu)和工作原理直接影響收割機械的作業(yè)質(zhì)量;用于將切割后的韭菜從機器前端輸送到機器側(cè)后方,鋪于地面方便后續(xù)打捆。該裝置由一組主動帶輥、兩組從動帶輥(輸送帶夾緊輪、夾緊輔助輪)和兩條夾持輸送帶組成[16],如圖5所示。夾持輸送帶由兩組互成90°的帶輥支撐,輸送過程中韭菜由直立狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為水平狀態(tài),前端由夾緊輪連接在機架前端固定板,后端由驅(qū)動軸與帶輥連接在一起。輸送過程中帶輥帶動上下兩條夾持輸送帶按照相反的方向轉(zhuǎn)動,韭菜植株與夾持輸送帶保持相對靜止,隨著夾持輸送帶運轉(zhuǎn)至末端并拋到機器側(cè)方地面,從而實現(xiàn)韭菜的平穩(wěn)輸送。為防止韭菜進入時因植株葉片散亂產(chǎn)生損傷,夾持輸送帶前端向外打開,夾持輸送帶的張緊程度應(yīng)根據(jù)韭菜植株的壓縮特性由漲緊輪和夾緊輔助輪調(diào)節(jié)。

夾持輸送裝置通過上下夾持輸送帶之間的夾持力進行輸送,韭菜植物特性比較脆弱,在輸送過程中易受損傷。若輸送帶的速度過小,易發(fā)生堵塞情況;若輸送帶速度過大,易造成收獲的雜亂無序以及較高的損傷率,所以合理的輸送帶速度會使輸送過程較為平順,保證韭菜收獲的質(zhì)量。為避免韭菜在輸送過程中發(fā)生堵塞情況以及損傷,輸送帶的速度應(yīng)該根據(jù)單位時間切割的韭菜植株數(shù)量來決定,即:

VmBq1=Vsdq2

(2)

式中:Vm為韭菜收割機的行走速度,Vm= 0.2～0.8 m/s;B為割幅,B=0.28 m;q1為韭菜密度,kg/m3;Vs為輸送帶的速度,m/s;d為韭菜在輸送帶的夾持厚度,d≤30 mm;q2為韭菜在輸送帶上聚集以后的密度,kg/m3。

可以得到韭菜的輸送速度:

(3)

γ是葉菜聚集系數(shù),γ=q1/q2,一般取18～33[17-18]。

所以:

(4)

通過計算得出夾持輸送帶的輸送速度Vs≥0.15 m/s。

夾持輸送帶的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)也會對韭菜夾持輸送效果有著很大的影響。若輸送帶太窄,則韭菜植株被夾持時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象,損傷韭菜并影響收割質(zhì)量;若輸送帶太寬,機器工作時的消耗功率增大且增加成本。由于韭菜莖葉部位抗擠壓強度小,相對于其他農(nóng)作物較柔弱,夾持輸送帶與韭菜接觸的表面外層材質(zhì)要求相對柔軟,工作底帶材質(zhì)應(yīng)具有足夠的強度和耐磨性,以確保夾持輸送的穩(wěn)定性和可靠性。綜合以上因素,考慮韭菜的物理特性及植株高度,夾持輸送帶外層材質(zhì)采用柔軟且附著力大的海綿材料,內(nèi)層使用聚氯乙烯(PVC)作為底帶材質(zhì);為保證夾持輸送裝置可以更全面地兼容不同形態(tài)的韭菜植株,輸送帶寬度設(shè)為96 mm。夾持輸送帶工作過程中,PVC導(dǎo)向條與輸送帶輥筒相互配合轉(zhuǎn)動,保證夾持輸送帶在傳輸過程中平穩(wěn)不脫軌;外層膠帶表面覆蓋一層柔軟度較高的高密度海綿層,能夠減少機械損傷,在對韭菜植株施加力的同時受到韭菜植株對其的反作用力,使海綿層形成凹陷有效地增大摩擦力,進一步保證韭菜植株在夾持輸送過程中不產(chǎn)生滑動、保持穩(wěn)定輸送。

2.4 機械傳動裝置

機械傳動裝置主要用于傳遞動力和實現(xiàn)各個部件的協(xié)調(diào)運動,由輸送電機、驅(qū)動軸、張緊裝置、軸承及鏈輪鏈條等組成,如圖6所示。傳動裝置通過螺栓連接安裝在機架后方,通過單獨電動機為其提供動力。鏈輪鏈條是傳動裝置的動力來源,可以實現(xiàn)不同部件之間的速度比和轉(zhuǎn)動方向的變換,這種傳動方式傳動準(zhǔn)確度高、傳遞力矩大、作用在軸上的壓力小;小鏈輪通過鏈條將動力分配給各個傳動部件,從而驅(qū)動輸送帶輥轉(zhuǎn)動。張緊裝置由張緊螺桿和張緊輪組成,可調(diào)節(jié)鏈條的適當(dāng)張緊程度,以確保鏈條在運動過程中的穩(wěn)定性和緊密性。

圖6 傳動裝置總成

鏈輪鏈條的大體分布如圖7所示,鏈輪鏈條工作過程中,鏈輪1為主動鏈輪,電機工作運轉(zhuǎn)產(chǎn)生動力使鏈輪1轉(zhuǎn)動,在經(jīng)過若干級鏈傳動后分別驅(qū)動上下夾持輸送鏈輪轉(zhuǎn)動,完成韭菜的輸送作業(yè)。為保證高效的傳動效率,主動鏈輪的包角不宜過大,需通過張緊裝置來左右調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)區(qū)間為40 mm。鏈輪1的轉(zhuǎn)速為電機輸出端輸入收獲機的轉(zhuǎn)速,選取主動鏈輪的齒數(shù)為9,上、下輸送帶所連接鏈輪的齒數(shù)Z2和Z3設(shè)定為20;因張緊輪與傳動比無關(guān),張緊輪齒數(shù)為14,齒根圓直徑為50.15 mm。通過計算確定鏈條鏈節(jié)數(shù)為82節(jié)、鏈條節(jié)距為12 mm、鏈長為0.98 m、鏈條速度為0.3 m/s,并計算出主動鏈輪齒根圓直徑為28.22 mm, 輸送帶下部連接鏈輪2的齒根圓直徑為70.26 mm。小鏈輪包角為135°,因鏈輪2、鏈輪4齒數(shù)相同,所以其參數(shù)也相同。輸送電機選擇24V 18.5A直流電機,最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min,最大輸出功率350 W。

圖7 鏈條鏈輪分布圖

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括行走裝置、切割裝置和輸送裝置的控制、急停和總開關(guān),利用PLC對整機收獲作業(yè)進行控制,通過直流驅(qū)動器并應(yīng)用PWM脈寬調(diào)制分別來調(diào)節(jié)行走電機(24 V 14 A直流電機,最高轉(zhuǎn)速2 800 r/min,最大輸出功率250 W)、輸送帶輥筒電機和割刀電機,如圖8所示,整機各部件密切配合,順利完成韭菜植株切割輸送收獲作業(yè)[19]。電器盒和控制面板是用于控制和監(jiān)測韭菜收割機的電氣系統(tǒng)和操作的重要部件,可以確保收割機的正常運行和安全性。電器盒內(nèi)部安裝有各種電氣元件和設(shè)備,如開關(guān)、保險絲、繼電器等,整機動力通過電器盒分級輸送到收割機的各個輸出部分,電器盒起到保護電氣元件和設(shè)備的作用,同時也起到整合和連接電氣系統(tǒng)的作用?？刂泼姘蹇梢钥刂普麢C總電源開關(guān)、行走輪行走速度快慢以及電池電壓等。在作業(yè)過程中,割刀和傳送帶保持運行狀態(tài),急停開關(guān)在特殊情況下可立即將機器斷電,保證安全。扶手桿上方設(shè)置輸送帶工作開關(guān)和割刀開關(guān),分別控制輸送帶和割刀的工作狀態(tài),方便機器操控、省時省力。

圖8 控制系統(tǒng)框架圖

3 有限元分析

3.1 機架校核分析

機架結(jié)構(gòu)應(yīng)保證足夠的承重力、耐腐蝕和抗震性能等,對于整機工作發(fā)揮著重要作用。機架在工作過程中除了要承擔(dān)切割裝置、輸送裝置、傳動裝置等機構(gòu)的載荷外,還要承受整機自身的重量和工作時在田地間的振動等。機架結(jié)構(gòu)采用方形空心鋼管焊接而成,左右兩側(cè)由于各部件重量不是均勻分布,造成整個機架朝著前方傾斜,機架前方支撐處焊縫承受應(yīng)力較大,在工作過程中易發(fā)生變形和焊縫開裂,因此在左右兩側(cè)加入拉桿和加強筋來增加剛度,保證整機工作性能。從機體結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā),測量各個電機以及安裝在機架的各個部件的質(zhì)量,添加對應(yīng)的壓力將各部分受力以及扭矩分別加載進行分析。利用Solid Works對整機機架進行參數(shù)化建模,整機機架材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼,其許用應(yīng)力由式(8)可得:

(5)

式中:n為材料安全系數(shù),取n=1.5[20];σs為材料屈服極限,σs=235 MPa;[σ]為材料的許用應(yīng)力,MPa。

計算得出[σ]=156.67 MPa。機架校核分析如圖9所示。通過仿真結(jié)果可以看出,機架前方支撐處焊縫由于加入加強筋和拉桿作用變形較小;后橫桿由于懸掛傳動裝置以及裝載蓄電池和電器盒等,變形較明顯,應(yīng)盡量減輕電池的重量并注意安裝方式以達到機架承重均勻分布和機器穩(wěn)定工作的要求。整機機架所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為σ=32.5 MPa,最大位移為0.48 mm。通過計算可得,σ<[σ],則整機機架在承受負(fù)載作用狀態(tài)下不會發(fā)生斷裂和彎曲變形,整機機架載荷應(yīng)力校核滿足設(shè)計強度要求。

圖9 機架校核分析圖

3.2 割刀模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種研究結(jié)構(gòu)振動特性的高效的辦法,主要應(yīng)用在分析機器結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理,通過模態(tài)分析,可以確定割刀的固有頻率、振型和振動模態(tài)等信息,從而得出割刀的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性,以及預(yù)測可能出現(xiàn)的共振現(xiàn)象,可以避免共振,為后期的設(shè)計及改進提供理論指導(dǎo)。本研究利用SolidWorks構(gòu)建的割刀三維模型,保存格式為x_t文件,將該模型文件導(dǎo)入到ANSYS中, 根據(jù)割刀的材料特性,設(shè)定條件,進行模態(tài)分析求解,得到割刀工作時的前六階模態(tài)分析圖,如圖10所示。

圖10 割刀模態(tài)分析圖

根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果,可以得到割刀的振動頻率范圍為221.55～335.28 Hz,振型主要集中在切割齒的位置。在第4 階時割刀出現(xiàn)最大振幅171.83 mm,振型主要表現(xiàn)為割刀切割齒刃口扭曲變形。根據(jù)機器生產(chǎn)作業(yè)時要求割刀轉(zhuǎn)速最高可達到2 000 r/min,其共振頻率約為33.33 Hz,通過對割刀的模態(tài)分析得知,割刀的最小頻率為221.55 Hz,所以割刀在工作過程中不會發(fā)生共振以及局部提前破壞的現(xiàn)象,滿足割刀在工作時的安全性和穩(wěn)定性要求[21]。

4 結(jié)束語

(1)近些年反季節(jié)韭菜種植得到較高的效益,韭菜種植面積不斷擴大,依靠人工收獲勞動強度大,耗費時間長且用工成本高。本文基于北方韭菜種植模式,參考目前市場上已有的收割機械,研發(fā)了一款適用于小地塊以及大棚小面積的韭菜收割機械,對于減輕中小型種植農(nóng)戶的收獲勞動強度和提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

(2)應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench對機架和割刀結(jié)構(gòu)進行有限元分析。結(jié)果表明,機架結(jié)構(gòu)在承受相應(yīng)載荷時滿足其工作過程中的強度要求;割刀在工作過程中不會發(fā)生共振現(xiàn)象,滿足穩(wěn)定性要求。有限元分析結(jié)果可為今后為韭菜收割機結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供參考理論依據(jù)。