范國強 楊慶璐 張曉輝 王金星 陳 瑞 葛云勇

(1．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，泰安271018;2．山東省園藝機械與裝備重點實驗室，泰安271018; 3．山東裕隆礦業(yè)集團有限公司唐陽煤礦，汶上272508;4．雷沃重工股份有限公司，濰坊261206)

煙草夾持式智能打頂機設(shè)計與試驗

范國強1，2楊慶璐1，2張曉輝1，2王金星1，2陳 瑞3葛云勇4

(1．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，泰安271018;2．山東省園藝機械與裝備重點實驗室，泰安271018; 3．山東裕隆礦業(yè)集團有限公司唐陽煤礦，汶上272508;4．雷沃重工股份有限公司，濰坊261206)

針對煙草現(xiàn)有打頂抑牙機難以實現(xiàn)煙花收集的問題，設(shè)計了一種夾持式智能打頂機，主要由高地隙作業(yè)底盤、夾持式智能打頂裝置與收集裝置組成。夾持式智能打頂與收集裝置主要由煙草高度圖像識別控制系統(tǒng)、升降機構(gòu)、夾持輸送機構(gòu)、切割機構(gòu)、刀片消毒系統(tǒng)、抑牙劑噴施系統(tǒng)和收集系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)煙草高度識別、打頂高度調(diào)整、煙花收攏、夾持切割、刀片消毒、抑牙劑噴施與煙花收集等聯(lián)合作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全和智能化程度高的優(yōu)點。在打頂升降機構(gòu)中采用配重來平衡打頂機構(gòu)的質(zhì)量，降低了起升電動機的驅(qū)動力矩，能夠節(jié)約64%的能源。試驗結(jié)果顯示，該機打頂準(zhǔn)確率為95%，收集率達到98%，能夠滿足使用要求。

煙草;打頂機;抑芽;圖像處理

引言

煙草打頂抑芽在我國基本由人工完成，作業(yè)效率低，勞動強度大，而近年來開始推進的現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)建設(shè)為煙葉生產(chǎn)機械化創(chuàng)造了有利條件［1－2］。歐美國家煙草打頂已經(jīng)實現(xiàn)了機械化作業(yè)，普遍采用機電液一體化技術(shù)，實用性強，效率高，典型的機型為意大利Spapperi公司的JS-120型打頂機。國外機型均采用手動調(diào)整打頂高度的方法，作業(yè)前根據(jù)煙草實際高度將打頂裝置調(diào)整到相應(yīng)高度然后作業(yè)，但不能精準(zhǔn)識別每株煙草的高度，容易造成漏打或打頂過度［3－8］，國內(nèi)仿制的機型存在同樣的缺點［9］。

國內(nèi)研制的3YDX-3智能型煙草打頂抑芽機［10］，實現(xiàn)了煙草高度的識別、打頂和對靶施藥，但未實現(xiàn)煙花自動收集，容易造成煙草交叉感染和煙田污染。而技術(shù)成熟的玉米去雄機無需收集雄穗［11－13］，無法直接應(yīng)用在煙田。

針對我國國情，需要研制一種煙草精準(zhǔn)打頂、抑芽劑噴施、刀片消毒和煙花自動收集聯(lián)合作業(yè)的作業(yè)機械，為此本文設(shè)計一種夾持式智能打頂機。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

煙草夾持式智能打頂機主要由高地隙作業(yè)底盤、夾持式智能打頂裝置、收集裝置與控制裝置組成，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煙草夾持式智能打頂機結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Overall structure sketch of tobacco toppingmachine

高地隙作業(yè)底盤的內(nèi)燃機為行走驅(qū)動系統(tǒng)提供動力，內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機為蓄電池組供電，蓄電池組為打頂裝置的電動機和檢測系統(tǒng)供電。左側(cè)與右側(cè)攝像頭對稱布置，各采集一行煙草高度圖像傳到駕駛室內(nèi)的工控機。左夾持打頂裝置與右夾持打頂裝置對稱安裝在安裝架前部，可實現(xiàn)2行煙草的打頂。

煙草花期處于雨季，田間泥濘，底盤采用液力傳動裝置、四輪驅(qū)動技術(shù)和輪邊減速器以提高驅(qū)動力和操作性能。打頂后煙草高度為1.1～1.5m，標(biāo)準(zhǔn)煙田種植行距為1.2 m，高地隙作業(yè)底盤具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 高地隙底盤性能參數(shù)Tab．1 Performance parameters of chassis

1.2 工作原理

1.2.1 煙草高度檢測控制系統(tǒng)

作物打頂機械的高度檢測主要采用光電管傳感器檢測技術(shù)［10－11，13］和機器視覺檢測技術(shù)［14－15］，本樣機采用前期機型的圖像識別控制系統(tǒng)［15］。

工控機對煙草圖像進行提取得到圖像的R、G、B分量三維圖，得出煙花區(qū)域、煙葉區(qū)域、背景板區(qū)域的R、G、B分量具體分布范圍。采用以列為單位的單線自適應(yīng)分割判斷方法，利用R、G、B值關(guān)系可以檢測到煙花區(qū)域。為了保證檢測精度和處理速度以滿足田間作業(yè)對實時性的要求，樣機采用三線同時檢測的方法。確定打頂高度后，工控機通過控制打頂升降機構(gòu)實現(xiàn)在高度方向的精確調(diào)整。

1.2.2 夾持式打頂及收集原理

夾持式打頂及收集裝置主要由夾持打頂機構(gòu)、升降機構(gòu)和收集系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 夾持式打頂及收集機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Diagram of topping and collection mechanism

夾持式打頂機構(gòu)安裝在升降軌道上，升降軌道兩側(cè)安裝的8個滾輪只能在固定節(jié)前端的兩條導(dǎo)航上做上下移動。配重安裝4個滾輪，只能沿著固定節(jié)后方的導(dǎo)軌做上下移動。鏈條兩端分別連接升降軌道與配重，步進電動機帶動主動鏈輪旋轉(zhuǎn)，通過鏈條拉動升降軌道上下移動。采用配重來平衡打頂機構(gòu)的質(zhì)量，可提高作業(yè)精度和速度，節(jié)約能源。

夾持式打頂機構(gòu)主要由對稱布置的兩套帶傳動系統(tǒng)和切割機構(gòu)組成，如圖3所示。

圖3 夾持式打頂機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．3 Structure sketch of topping device with clamping belt

兩側(cè)直流夾持電動機轉(zhuǎn)向相反，夾持帶內(nèi)側(cè)由前向后移動，將收攏的煙花夾住并向后輸送，切割電動機帶動圓盤割刀將煙花切斷。前擺動鉸鏈和后擺動鉸鏈可以調(diào)整兩側(cè)夾持帶之間的間隙，以適應(yīng)粗細不同的作物，張緊彈簧使兩側(cè)夾持帶之間保持夾持力。

夾持式打頂機構(gòu)的后部下方裝有一條膠帶輸送機，切斷后的煙花由夾持帶輸送到膠帶輸送機上部掉落，匯集輸送到收集筐內(nèi)，克服了前期機型無法收集煙花的缺點。

1.2.3 抑牙劑噴施與切割刀消毒原理

抑芽劑噴施與切割刀消毒系統(tǒng)如圖4所示，主要由抑芽劑藥泵、消毒藥泵、抑芽劑噴頭、消毒噴頭和紅外線發(fā)射、接收管組成。

在圓盤割刀的下方安裝一對紅外線發(fā)射管和紅外線接收管，工作中當(dāng)切割后的煙桿從紅外線發(fā)射、接收管傳感器中間穿過時，發(fā)射管發(fā)出的紅外光線被煙桿遮擋，接收管就接收不到紅外光，接收管截止。接收管向工控機發(fā)出高電平信號，工控機啟動抑牙劑藥泵吸取消毒液，通過切割刀后側(cè)上方的噴頭噴施抑芽劑。

消毒藥泵吸取消毒液經(jīng)切割刀消毒噴頭對圓盤割刀進行間隔噴射，防止不同植株之間病菌的傳播。

圖4 抑牙劑噴施與刀片消毒系統(tǒng)示意圖Fig．4 Schematic diagram of restrain-germinating spraying and blade disinfection system

2 主要零部件設(shè)計

2.1 夾持打頂裝置的設(shè)計

2.1.1 夾持輸送機構(gòu)

2.1.1.1 起軋角

實現(xiàn)軋入的條件是煙桿與夾持帶之間的摩擦角Φ大于初始起軋角ψ，在摩擦特性試驗臺上測定煙花莖部與膠帶的摩擦角Φ為39°。夾持帶采用圖5所示的V型開口布置方式，容易將煙花收攏集中到起軋部位，還降低了初始起軋角。在本機構(gòu)中，初始起軋角ψ為前側(cè)帶夾角β的1/2(27°)，滿足了起軋要求。

圖5 夾持輸送機構(gòu)工作示意圖Fig．5 Schematic diagram of belt clamping device

2.1.1.2 夾持力

切割后煙花正常輸送需保持一定的夾持力，以防止煙花在垂直方向滑落和在水平方向傾斜，煙花受力分析如圖6所示。

力與力矩平衡方程組為

式中 Gy——煙花重力，為3 N

Fw——風(fēng)阻力，為2 N

圖6 煙花受力分析圖Fig．6 Analysis diagrams of stress of tobacco flower

Ff1h——上層膠帶摩擦力水平分力

Ff1v——上層膠帶摩擦力垂直分力

Ff2h——下層膠帶摩擦力水平分力

Ff2v——下層膠帶摩擦力垂直分力

L1——風(fēng)阻力與上層膠帶夾持中心距離，為0.2m

L2——下層膠帶夾持中心與上層膠帶夾持中心距離，為0.02m

求解得Ff1為22.1 N，F(xiàn)f2為20.1 N，膠帶對煙莖的夾持力N為28 N。

圖7a為夾持帶與帶輪受力圖，當(dāng)煙花處于前后張緊帶輪中間時容易滑落，以此作為計算條件。

圖7 夾持機構(gòu)受力分析圖Fig．7 Analysis diagrams of clamping device

圖7b為夾持帶與帶輪受力合成圖，夾持帶與帶輪受力方程為

式中 Fp——夾持帶最小拉力，N

Fl——張緊輪受力

γ——夾持帶拉力夾角

求得夾持帶最小拉力Fp為318 N，張緊輪受力Fl為165 N，擺動鉸鏈彈簧與張緊輪力臂比為4∶5，求得彈簧最小張緊力為132 N。選取60Si2Mn材質(zhì)彈簧，根據(jù)受力變形條件得彈簧具體參數(shù)為:簧絲直徑2.5mm，中徑18 mm，有效圈數(shù)7圈。為了便于調(diào)節(jié)夾緊力，張緊彈簧一端的安裝位置可以進行調(diào)整。

2.1.1.3 夾持帶速度

夾持帶由電動機帶動，傳送速度應(yīng)與機組前進速度相匹配，夾持運動示意如圖8所示。

圖8 夾持運動示意圖Fig．8 Schematic diagram of clampingmovement

由幾何關(guān)系可得

式中 vm——機組前進速度，m/s

vp——夾持帶傳送速度，m/s

vs——夾持帶絕對速度，m/s

δ——vs與豎直方向夾角，(°)

ε——夾持帶傾角，(°)

夾持帶傾角會影響夾持煙桿的輸送速度，如果傾角選擇過大，夾持帶輸送速度的有用分量會變小，而向上拔取的分量會增大，不利于夾持和輸送。綜合考慮整機的結(jié)構(gòu)布置，取vp=(1.46～2.24)vm。在本設(shè)計中，取ε為30°，vp=1.73vm。主動帶輪直徑為100mm，求得轉(zhuǎn)速為140 r/min。考慮帶傳動的彈性滑動，最終選取144 r/min的直流減速電動機，控制電壓為24 V。

2.1.2 切割機構(gòu)

由于煙稈質(zhì)硬，打頂機采用80齒的鋸齒狀單圓盤刀對煙稈進行高速無支承回轉(zhuǎn)切割，直徑為255mm。圓盤刀轉(zhuǎn)速直接影響切割質(zhì)量，根據(jù)切割空白區(qū)最小原則，圓盤刀切割進程應(yīng)近似等于刀刃的有效工作高度h，若保證圓盤刀刀刃全長參與切割，應(yīng)滿足［16］

式中 vy——圓盤刀片的圓周速度，m/s

R——圓盤刀半徑，m

計算得圓盤刀片圓周速度vy≥1.04 m/s，轉(zhuǎn)速n2≥79.5 r/min。提高切割速度可以降低切削力，同時為了簡化傳動機構(gòu)，采用額定電壓24 V，額定轉(zhuǎn)速2 600 r/min的直流電動機直接驅(qū)動圓盤刀。

2.1.3 升降機構(gòu)

取配重質(zhì)量與鏈條前端連接的部件質(zhì)量相同，均為36 kg。選取08A的滾子鏈，主動與被動鏈輪均為17齒，鏈條的拉力為

式中 f2——摩擦因數(shù)，為0.22

m2——夾持打頂裝置與升降機構(gòu)質(zhì)量計算得鏈條拉力FL為155 N。若不采取配重平衡驅(qū)動力，鏈條拉力為430 N，因此采用配重的升降機構(gòu)可節(jié)約64%的能源。

鏈輪分度圓半徑為30.5 mm，得步進電動機輸出扭矩為4.7N·m。為克服系統(tǒng)啟動時靜摩擦力，提高電動機啟動時速度，最終選擇額定轉(zhuǎn)矩為12N·m的86BYG250H型步進電動機，驅(qū)動器為MA860H，步距角1.8°，控制電壓為48 V。

煙草標(biāo)準(zhǔn)種植株距為50 cm，打頂作業(yè)速度為1.5 km/h，計算得相鄰兩株煙草作業(yè)時間間隔T為1.2 s?，F(xiàn)花時植株最大高度差Hmax為40 cm，則升降機構(gòu)運行速度最小值vc，min為

此時需要的步進電動機轉(zhuǎn)速n1為

查步進電動機的轉(zhuǎn)速扭矩圖，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過200 r/min時，步進電動機的輸出扭矩快速下降，該步進電動機的最大轉(zhuǎn)速選擇合理。

步進電動機細分數(shù)m為20，轉(zhuǎn)動1圈需要200個脈沖，則最大轉(zhuǎn)速下所需脈沖頻率為

式中 θ——電動機固有步距角，(°)

計算步進電動機所需脈沖頻率為7 134 Hz。為了提高電動機啟動、停止和換向時的平穩(wěn)性，在控制中采用變頻率加速或減速控制，具體措施為:在電動機調(diào)整運行總時間的前5%采取升頻加速至穩(wěn)定運行狀態(tài)，在總時間的后5%階段采取降頻減速至靜止?fàn)顟B(tài)，穩(wěn)定運行狀態(tài)脈沖頻率采用8 000 Hz。

2.2 抑牙劑噴施與切割刀消毒系統(tǒng)

將18%的抑牙丹水劑用水稀釋30倍后噴施在打頂后煙桿的斷面與葉面，抑牙劑噴施系統(tǒng)采用1/8CC-PVC6508扇形噴頭和最大流量為200 L/h的直流微型泵，每株煙施藥10～12 mL，符合作業(yè)要求。

切割刀消毒采用相同的直流微型泵和扇形噴頭，壓力0.3 MPa時流量為3.2 L/min，噴射角為65°。噴射方式為每間隔1 s噴射0.5 s，防止不同植株之間病菌的傳播。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件與方法

為了驗證樣機的性能和可靠性，2016年7月在濰坊市諸城孟友煙農(nóng)專業(yè)合作社的煙田試驗基地進行了打頂試驗。煙草生長處于初花期，適合打頂作業(yè)。試驗條件:煙草高度為1 400～1 750 mm;煙花高度為120～260mm;煙草行距為1 200mm;煙草株距為500mm;作業(yè)速度為1.4～1.6 km/h。樣機田間作業(yè)情況如圖9所示。

3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗過程中采集樣本800株，主要作業(yè)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 性能試驗結(jié)果Tab．2 Experimental results of performance

試驗表明樣機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，能夠可靠地完成煙草高度圖像識別、打頂高度調(diào)整、夾持打頂、煙花收集、圓盤刀片消毒與抑牙劑噴施等動作，滿足使用要求。煙花收集率大于98%，作業(yè)效率為0.36 hm2/h，生產(chǎn)率為人工的3～5倍，達到了設(shè)計目標(biāo)。

打頂后煙稈斷面與煙花如圖10所示，切割斷面比較平整，效果良好。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種夾持式智能打頂機，主要由夾持式智能打頂裝置、收集裝置與高地隙作業(yè)底盤組成。該機能夠同時完成2行煙草精準(zhǔn)打頂、抑芽劑噴施、刀片消毒和煙花收集聯(lián)合作業(yè)，具有作業(yè)精準(zhǔn)且高效的優(yōu)點，降低了勞動強度，克服了早期機型無法收集煙花的缺點，煙花收集率大于98%。

圖10 作業(yè)效果圖Fig．10 Topping effect pictures

(2)設(shè)計的煙草夾持式智能打頂裝置主要由高度圖像識別控制系統(tǒng)、升降機構(gòu)、夾持機構(gòu)、切割機構(gòu)、刀片消毒和抑牙劑噴施系統(tǒng)組成。整套裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全和智能化程度高的優(yōu)點，可實現(xiàn)煙草高度識別、打頂高度調(diào)整、煙花收攏、夾持切割、刀片消毒和抑牙劑噴施的聯(lián)合作業(yè)，作業(yè)效果良好。

(3)采用鏈條拉動的平衡配重式可升降打頂機構(gòu)，具有驅(qū)動力矩小、動作迅速可靠的優(yōu)點，提高了作業(yè)精度和速度，節(jié)約了64%的能源。

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Design and Test of Intelligent Tobacco Topping Machine w ith Clam ping Belt

FAN Guoqiang1，2YANG Qinglu1，2ZHANG Xiaohui1，2WANG Jinxing1，2CHEN Rui3GE Yunyong4
(1．College of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong Agricultural University，Taian 271018，China 2．Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments，Taian 271018，China 3．Tangyang Cool Mine，Shandong Yulong Mining Group，Wenshang 272508，China 4．Lovol Heavy Industry Co．，Ltd．，Weifang 261206，China)

In order to collect tobacco flowers cut off，an intelligent tobacco topping machine with clamping beltwas designed．It wasmainly composed of a high ground clearance chassis，an intelligent topping device with clamping belt and a collecting device．The high ground clearance chassis used fourwheel drive and steering technology，and it had advantages of good through performance and high stability．The intelligent topping device was made up of an image recognition and control system of tobacco height，a lifting mechanism，a belt clamping mechanism，a cutting mechanism，a blade disinfection system and a restrain-germinating spraying system．Tobacco height recognition，topping height adjustment，tobacco flower gathering，clamping and cutting，blade disinfection，restraingerminating spraying and other joint operations can be achieved by this intelligent topping device．This device had advantages of compact structure，full function and high intelligence．Belt conveyor was installed below the bottom of topping device，and tobacco flowers cut offwas transported to the collection basket．In order to reduce the drive torque of electric liftingmotor，a counterweightwas used to balance the topping mechanism，and 64%energy can be saved．Experimental results indicated that topping accuracy rate was about95%，collecting accuracy rate was about 98%，and it can meet the production requirements．

tobacco;toppingmachine;restrain-germinating;image processing

S224.4

A

1000-1298(2017)07-0121-06

2016-11-23

2017-01-21

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系棉花產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊項目(SDAIT-03-09)、中國煙草總公司山東省公司科技重大專項和重點項目(KN216)、山東省重點研發(fā)項目(2016GNC112005)和山東省“雙一流”獎補資金項目(SYL2017XTTD14)

范國強(1975—)，男，副教授，博士，主要從事液壓傳動與農(nóng)業(yè)裝備研究，E-mail:fgq1217@163．com

張曉輝(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計及理論研究，E-mail:Zhangxh@sdau．edu．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．015