古樂(lè)樂(lè)，曹衛(wèi)彬，孫胃嶺，劉姣娣，田東洋，麻 平

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣站，烏魯木齊 830000)

0 引言

紅花屬雙子葉植物綱、菊科一年生草本植物，是一種集油料、天然色素、飼料、染料和藥材為一體的經(jīng)濟(jì)作物。紅花產(chǎn)生兩大經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物種子與紅花花絲，種子收獲已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。紅花開(kāi)花時(shí)，紅花花果成傘形分布，花絲主要由人工采摘,采摘周期短、勞動(dòng)強(qiáng)度大,每年大量鮮花無(wú)人采摘。紅花花絲采摘已成為制約紅花經(jīng)濟(jì)發(fā)展的決定因素。

目前，國(guó)外研制的氣吸式紅花采收機(jī)主要針對(duì)干紅花，而干花絲內(nèi)部有效成分大大降低，因此這種機(jī)型不適合中國(guó)紅花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。國(guó)內(nèi)研制紅花采收機(jī)主要為背負(fù)式人工采收，過(guò)重的機(jī)械裝置，增加采收體力消耗，反而加重紅花絲采收難度。

根據(jù)紅花的物料特性，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相似花類(lèi)機(jī)械化采收思路，提出了一種自走機(jī)械式紅花絲收獲機(jī)。紅花絲采收的特殊性需要特色的高地隙式拖拉機(jī)。紅花花絲采收期，花絲高度受紅花品種、土壤及環(huán)境影響較大。這種新型自走機(jī)械式紅花絲收獲機(jī)，采收部件效率與扶禾器工作效率成正比，扶禾器的工作效率受到扶禾器與紅花植株的相對(duì)位置影響，需要一種使扶禾器與紅花植株相對(duì)固定的仿形裝置。

1 整機(jī)工作原理及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

機(jī)械式紅花絲采收機(jī)整機(jī)采取高地隙拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)液壓裝置將動(dòng)力傳輸給收割裝置；扶禾裝置通過(guò)相對(duì)紅花花頭轉(zhuǎn)動(dòng)與拖拉機(jī)相對(duì)紅花花頭移動(dòng)，合成紅花花頭相對(duì)梳拔式紅花絲采摘頭的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，原理如圖1所示。轉(zhuǎn)向裝置通過(guò)控制前輪控制方向，扶禾裝置與梳拔式紅花絲采摘頭位于拖拉機(jī)機(jī)架下方固定架上，通過(guò)液壓裝置調(diào)節(jié)固定架的位置。

1.固定架 2.梳拔式紅花絲采摘頭 3.扶禾器 4.后輪 5.前輪 6.輔助液壓缸 7.底盤(pán) 8.液壓缸 圖1 機(jī)械式紅花絲采收機(jī)原理圖

1.2 仿形機(jī)構(gòu)

仿形機(jī)構(gòu)由底盤(pán)、液壓缸及固定架組成，如圖2所示。底盤(pán)為高地隙拖拉機(jī)底盤(pán)，液壓缸通過(guò)鉸鏈分別連接底盤(pán)上A、E、F、J4個(gè)位置和固定架上C、D、G、H4個(gè)位置，通過(guò)液壓缸調(diào)節(jié)固定架上下位置且固定架與底盤(pán)保持平行。輔助液壓缸過(guò)鉸鏈分別連接底盤(pán)上M、N兩個(gè)位置和液壓缸上B、I兩個(gè)位置。通過(guò)輔助液壓缸調(diào)節(jié)固定架左右位置且固定架與底盤(pán)保持平行。

1.底盤(pán) 2.固定架 3.液壓缸 4.輔助液壓缸 圖2 仿形機(jī)構(gòu)

2 仿形機(jī)構(gòu)的受力分析

為探究整個(gè)裝置的受力與仿形機(jī)構(gòu)施加的作用力之間的關(guān)系，現(xiàn)對(duì)其受力分析，找出各參數(shù)變化的影響[2]。

2.1 縱向仿形時(shí)受力分析

紅花花絲高低受到品種、氣候、土壤及其他多種因素影響，工作臺(tái)需要上下移動(dòng)，主要靠4個(gè)液壓缸完成運(yùn)動(dòng)。當(dāng)4個(gè)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)固定架上下運(yùn)動(dòng)，即扶禾器與梳拔式紅花絲采摘頭同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)液壓缸的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)采收不同高度的紅花花絲。對(duì)固定架進(jìn)行受力分析，如圖3所示為仿形機(jī)構(gòu)中固定架受力情況。

圖3 固定架受力簡(jiǎn)圖

由在YZ平面上穩(wěn)定工作的受力平衡條件可得

(1)

(2)

令固定架CH與DG兩邊長(zhǎng)為a，另兩邊長(zhǎng)為b，固定架及其所固定機(jī)構(gòu)重心在固定架的中心，由力矩平衡可得：

在xoy平面上F1、F2、F3、F4相對(duì)重心力矩為

(3)

由機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖知，F(xiàn)1=F2，F(xiàn)3=F4，α1=α2，α3=α4，則

(4)

(5)

其中，α1、α2、α3、α4分別為DE、FG、JH、AC液壓缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與Y軸的夾角;F1、F2、F3、F4分別為DE、FG、JH、AC液壓缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)固定架作用的力；G為整個(gè)采摘裝置對(duì)固定架施加的重力及固定架自身的重力。

由式(4)得：液壓缸所要施加的力F，主要與α、G有關(guān)。對(duì)于F1與F2，當(dāng)α1逐漸增大時(shí)，F(xiàn)1與F2隨之增大，反之變?。划?dāng)α3逐漸增大時(shí)，F(xiàn)1與F2隨之減小，反之增大；當(dāng)G逐漸增大時(shí)，F(xiàn)1與F2隨之增大，反之變小。由式(5)得：液壓缸所要施加的力F，主要與α、G有關(guān)。對(duì)于F3與F4，當(dāng)α3逐漸增大時(shí)，F(xiàn)3與F4隨之增大，反之變??；當(dāng)α1逐漸增大時(shí)，F(xiàn)3與F4隨之減小，反之增大；當(dāng)G逐漸增大時(shí)，F(xiàn)3與F4隨之增大，反之變小。

2.2 橫向仿形時(shí)受力分析

紅花花絲呈傘狀分布，扶禾器工作效率與紅花植株與扶禾器相對(duì)位置有關(guān)，工作臺(tái)需要左右移動(dòng)，主要靠輔助液壓缸完成左右移動(dòng)。對(duì)液壓缸AC進(jìn)行受力分析如圖4所示。

圖4 液壓缸受力簡(jiǎn)圖

(6)

(7)

其中，β2為AC液壓缸在底盤(pán)固定點(diǎn)與MB液壓缸在底盤(pán)固定點(diǎn)與Y軸的夾角。

3 固定架位置與液壓缸長(zhǎng)度的分析

由于紅花有些種植在坡地，采收機(jī)行走時(shí)四輪與地面有簡(jiǎn)單的仿形作用，所以機(jī)械式紅花絲采收機(jī)正式工作時(shí)需要與機(jī)架地盤(pán)保持平行。水平與縱向移動(dòng)式，完全由液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸伸長(zhǎng)量需要嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系才能保持固定架與底盤(pán)的相對(duì)平行。兩套液壓缸完全相同，分析一套液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。如圖5所示，LAE、LCD、LAB、LAM及角β2為固定，其他長(zhǎng)度與度數(shù)為變化值。

圖5 液壓缸位置簡(jiǎn)圖

由圖5知

(8)

(9)

(10)

(11)

在橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，高度h保持不變。

分別對(duì)式(8)、式(9)、式(11)求導(dǎo)得

(12)

(13)

(14)

當(dāng)l勻速變化時(shí)，LAC、LBM、LED的變化率與自身的長(zhǎng)度有關(guān)，且LAC、LBM與LED的變化率方向相反。由式(12)與式(13)得

(15)

由式(15)知：若想固定架與底盤(pán)保持相對(duì)平行，LAC與LED的變化率要有嚴(yán)格的比例關(guān)系。

4 仿形機(jī)構(gòu)中主要尺寸及參數(shù)確定

為了使機(jī)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的運(yùn)動(dòng)范圍即固定架的運(yùn)動(dòng)范圍，確定各個(gè)液壓缸的長(zhǎng)度、機(jī)架及固定架寬度及輔助液壓缸在機(jī)架上的固定點(diǎn)與液壓缸在機(jī)架上β2與的LAB大小。

由紅花采摘時(shí)紅花植株的高度與寬度確定固定架縱向移動(dòng)距離500mm，橫向移動(dòng)距離400mm。方便固定架的組裝與固定架與機(jī)架中間放置其他輔助裝置h至少要500mm。由紅花種植方式得，固定架寬度LCD為1 000mm。

由F1與α1、α4的關(guān)系知，當(dāng)α1最大α4最小時(shí)，F(xiàn)1最大，若α1=90°時(shí)，F(xiàn)1時(shí)無(wú)窮大。需要根據(jù)則經(jīng)驗(yàn)確定α1max=75°，由F4與α1、α4的關(guān)系知，當(dāng)α1最小α4最大時(shí)，F(xiàn)1最大，若α4=90°時(shí)，F(xiàn)4時(shí)無(wú)窮大。需要根據(jù)則經(jīng)驗(yàn)確定α4max=85°，取LAE=1 670mm。則LAC和LED的變化范圍602～1 009mm。取LAC和LED變化范圍600～1 050mm。

由LBM與LAB、LAM、β2的方程式知，LBM隨LAB、LAM的長(zhǎng)度增加而增加，隨β2增加而減小。LAB與β2的大小受到機(jī)架地盤(pán)的限制，取LAM=99mm、β2=45°。有液壓缸形狀及工作特性限制，LBM盡可能增大，則LAB盡可能取最大值。由LAC的變化范圍，選取LAB=475mm，則LBM的變化范圍422～466mm，取LBM的變化范圍400～500mm。

5 基于ADAMS的運(yùn)動(dòng)模擬分析

為了驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的仿形效果，應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬[6]。對(duì)液壓缸與輔助液壓缸施加一個(gè)移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，固定架施加一個(gè)15 000N重力，底盤(pán)與地面固定。對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立其在ADAMS仿真環(huán)境下的模型，運(yùn)行仿真得到左連接架的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖6為固定架相對(duì)于地面的縱向運(yùn)動(dòng)軌跡圖，其位移量即為縱向的總仿形量；圖7為固定架相對(duì)于地面的橫向運(yùn)動(dòng)軌跡圖，其位移量即為橫向的總仿形量。

圖6 縱向運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖7 橫向運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖6為固定架縱向移動(dòng)圖，反映固定架離地面的高度隨時(shí)間的變化，其變化范圍在0～580mm之間，而紅花花絲生長(zhǎng)位置變化范圍在500mm之內(nèi)，能滿(mǎn)足收割要求。圖7為固定架橫向移動(dòng)圖，反映固定架離地面的水平位置隨時(shí)間的變化，其變化范圍在0～410mm之間，而紅花種植分布需要固定架變化范圍在400mm之內(nèi)，能滿(mǎn)足紅花收割要求。

6 結(jié)論

1)對(duì)仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，液壓所受到力的大小主要受到 液壓缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與Y軸的夾角α、固定架負(fù)重G的影響。

2)對(duì)各部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，確定LAM=99mm、β2=45°，輔助液壓缸長(zhǎng)度LBM的變化范圍400～500mm，取LAC和LED變化范圍600～1 050mm。

3)用優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，運(yùn)用仿真分析軟件ADAMS軟件對(duì)仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，縱向總仿形量達(dá)到580mm，橫向總仿形量達(dá)到縱向總仿形量達(dá)到410mm，表明該仿形機(jī)構(gòu)能滿(mǎn)足紅花收割高度要求。

[1] 葛云,張立新,韓丹丹,等.紅花絲機(jī)械采收的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(11):265-268.

[2] 田東洋,劉姣娣,李衛(wèi)敏.薰衣草收割機(jī)切割高度可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(5):159-162，166.

[3] 趙淑紅,蔣恩臣,閆以勛,等.小麥播種機(jī)開(kāi)溝器雙向平行四桿仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013(14):26-32.

[4] 何磊,劉向新,周亞立,等.垂直升降式單體仿形棉花打頂機(jī)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(S2):62-67.

[5] 劉平義,李海濤,張紹英,等.全地形仿形行走車(chē)仿形行走理論及試驗(yàn)(英文)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012(S2):134-139.

[6] 趙建亮,尚書(shū)旗,趙忠海,等.花生播種機(jī)仿形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析—基于UG[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(10):33-36.

[7] 馬永財(cái),張偉,李玉清,等.播種機(jī)單體兩種仿形機(jī)構(gòu)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,33(8):101-103，106.

[6] 白曉虎,張祖立.基于ADAMS的播種機(jī)仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(3):40-42.