韓長杰，劉 宇，朱興亮，張學(xué)軍

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

食用葵花(以下簡稱食葵)是新疆重要的經(jīng)濟(jì)作物之一[1]。近年來，隨著新疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，區(qū)內(nèi)食葵種植面積穩(wěn)步增長。2015年，新疆食葵種植面積達(dá)14.7萬hm2，產(chǎn)量達(dá)46.33萬t，食葵已成為新疆農(nóng)民增收的重要經(jīng)濟(jì)作物[2]。

食葵采收是食葵生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)。食葵分段采收過程是先將籽盤割下，然后插在莖稈上端晾曬約4～7天，取下籽盤喂入葵花收獲機(jī)完成食葵收獲。目前，國內(nèi)食葵盤收獲臺處于基礎(chǔ)研究階段，未應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程，而國外主要對油葵聯(lián)合收獲進(jìn)行研究，未見食葵盤分段采收技術(shù)的報(bào)道?，F(xiàn)有的食葵收獲機(jī)中缺少專用的取盤收獲臺，取盤作業(yè)完全依靠人工，存在作業(yè)環(huán)境惡劣、勞動強(qiáng)度大等問題，已成為制約食葵采收的重要因素[3-4]。隨著勞動力成本逐漸增高，食葵取盤作業(yè)機(jī)械化已成為食葵產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

本文擬對現(xiàn)有食葵種植模式和采收方法進(jìn)行分析，模擬人工取盤工序，設(shè)計(jì)了一種能夠滿足新疆現(xiàn)有種植模式且籽粒損失低的食葵盤收獲臺。因此，對主要工作部件進(jìn)行理論分析，試制樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，為食葵收獲機(jī)的研制奠定基礎(chǔ)[4]。

1 食葵盤收獲臺結(jié)構(gòu)與工作原理

為確定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與型式，對現(xiàn)有人工取盤動作進(jìn)行分析可知：人工向上提取食葵盤時，食葵盤與莖稈基本垂直，既能減少人工取盤的阻力，又可減少食葵落粒損失。因此，機(jī)械取盤時應(yīng)平托食葵盤并向上抽取完成取盤工作?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種往復(fù)撥桿式食葵收獲臺，如圖1所示。收獲臺主要由撥桿、分禾器、引流板、脫盤缺口、鎖止銷、出料口和螺旋輸送器等部件組成。

1.撥桿 2.分禾器 3.引流板 4.脫盤缺口 5.鎖止銷 6.出料口 7.螺旋輸送器 圖1 食葵盤收獲臺結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of edible sunflower harvester bench

收獲臺工作時，置于拖拉機(jī)前方，食葵盤隨著食葵桿進(jìn)入兩對稱布置的分禾器之間，并導(dǎo)入至脫盤缺口處。此時，在往復(fù)撥桿推動下，將食葵桿撥入其中一側(cè)缺口，由鎖止銷鎖定，防止食葵桿退回；隨著拖拉機(jī)向前移動，食葵桿從脫盤缺口中逐漸退出，食葵盤被取下；當(dāng)下一株食葵桿沿著分禾器導(dǎo)入后，由撥桿將其撥入至另一缺口，而第3株食葵桿由撥桿撥入第1株食葵盤所在缺口時，會將第1株食葵盤推離缺口，被引流板導(dǎo)入到螺旋輸送器中，由螺旋輸送器輸送至出料口實(shí)現(xiàn)食葵盤的采收。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與分析

2.1 往復(fù)式撥桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

為確保食葵能夠喂入至脫盤缺口的預(yù)定位置，并避免前后食葵間擠壓造成籽粒脫落，需將食葵逐個分配至兩側(cè)脫盤缺口處，故設(shè)計(jì)往復(fù)式撥桿進(jìn)行撥送和分流。

往復(fù)式撥桿機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)輪、撥桿、液壓馬達(dá)、機(jī)架、連桿、偏心盤、搖桿、帶座軸承、連接軸、擺桿和2級連桿等部件組成，如圖2所示。其中，偏心盤、連桿和搖桿組成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，擺桿、2級連桿和撥桿組成擺桿滑塊機(jī)構(gòu)，搖桿、連接軸和擺桿固結(jié)連接曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和擺桿滑塊機(jī)構(gòu)。

1.導(dǎo)輪 2.撥桿 3.液壓馬達(dá) 4.機(jī)架 5.偏心盤 6.連桿 7.搖桿 8.帶座軸承 9.連接軸 10.擺桿 11.2級連桿 圖2 往復(fù)式撥桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)圖Fig.2 Reciprocating level driving mechanism

工作時，液壓馬達(dá)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，經(jīng)偏心盤、連桿和搖桿組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成往復(fù)擺動，繼而通過連接軸輸出至擺桿、2級連桿和撥桿組成的擺桿滑塊機(jī)構(gòu)，將擺動轉(zhuǎn)變成撥桿的往復(fù)直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)食葵莖稈的撥動。

為便于對往復(fù)式撥桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，建立其運(yùn)動學(xué)分析簡圖，如圖3所示。其中，偏心盤、連桿、搖桿、擺桿、2級連桿和撥桿分別簡化為a、b、c、l、FG。

通過前期對食葵種植模式及割盤后食葵株高的調(diào)研，結(jié)合收獲臺尺寸參數(shù)及多桿機(jī)構(gòu)條件，擬定各機(jī)構(gòu)參數(shù)為：a=50mm，b=205mm，c=135mm，d=216mm，h=127mm。對于由桿件a、b、c、d組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，γmin出現(xiàn)在主動曲柄與機(jī)架共線處(即圖2中OB1或OB2)[5]，分析可知

γ=∠B1C1D1=

(1)

帶入數(shù)據(jù)可得：γ1=70°，γ2=180°-γ1=110°，可知γmin=70°。機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中，傳動角γ是影響機(jī)構(gòu)傳力性能的重要因素，一般應(yīng)保證γmin≥40°～50°，即機(jī)構(gòu)不發(fā)生自鎖，因此本機(jī)構(gòu)可滿足使用條件。

圖3 往復(fù)式撥桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)Fig.3 Reciprocating level driving mechanism

由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)特性可知，圖2中△C1DC2應(yīng)為等腰三角形，設(shè)計(jì)時確保O、C1、C2在同一水平線上，因此有ψ=π-2∠B1C1D=40°。為確保撥桿滿足工作擺幅要求且不與收獲臺發(fā)生碰撞，結(jié)合傳動角范圍要求，初定α=38°，則撥桿行程H為

H=Klsinα

(2)

式中l(wèi)—擺桿長度；

α—擺桿偏角；

K—考慮尺寸誤差和間隙對行程影響的修正系數(shù)，K取1.02～1.1。

將數(shù)據(jù)代入式(2)可求得H=135mm。由于食葵種植行距大于400mm，為避免撥桿工作時與相鄰行的食葵桿產(chǎn)生碰撞，撥桿行程H應(yīng)小于種植行距的一半，本設(shè)計(jì)可滿足要求。

2.2 鎖止銷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

食葵莖稈經(jīng)撥桿撥入指定位置后，隨機(jī)器前行時易脫出，因此設(shè)計(jì)了鎖止銷用于確保食葵莖稈始終處于預(yù)定位置。鎖止銷主要由螺母、彈簧墊片、平墊片、銷軸、擋板、彈簧、套管、安裝版和鎖舌組成，如圖4所示。

鎖止銷工作時隨機(jī)器前行，鎖舌觸斜面碰食葵莖稈，鎖舌受力壓縮彈簧直至食葵莖稈完全通過后，彈簧恢復(fù)原狀，鎖舌伸出，鎖舌直面鎖定食葵莖稈，避免脫出。

(a) 鎖止銷初始狀態(tài)

(b) 鎖止銷工作狀態(tài) 1.螺母 2.彈簧墊片 3.平墊片 4.銷軸 5.擋板 6.彈簧 7.套管 8.安裝版 9.鎖舌 圖4 鎖止銷結(jié)構(gòu)及工作過程圖Fig.4 Structure and work process diagram of lock pin

2.3 螺旋輸送器參數(shù)確定

螺旋輸送器在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用廣泛，本設(shè)計(jì)中食葵盤螺旋輸送器主要參照谷物螺旋輸送器參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。螺旋輸送器的主要參數(shù)有內(nèi)徑、外徑、螺距和轉(zhuǎn)速等[6]。食葵盤螺旋輸送器主要由軸頭、撥料桿、葉片、芯軸和軸承構(gòu)成，如圖5所示。其中，4個撥料桿螺旋均布于出料口處對應(yīng)芯軸上。葉片用于將物料輸送至撥料桿，并由撥料桿撥入出料口，完成輸送作業(yè)。為減輕整機(jī)質(zhì)量，螺旋輸送器芯軸采用圓管制成。

1.軸頭 2.撥料桿 3.葉片 4.芯軸 5.軸承 圖5 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Chart of spiral conveyor

結(jié)合收獲臺結(jié)構(gòu)尺寸、機(jī)組行進(jìn)速度、食葵產(chǎn)量及食葵盤尺寸等因素，確定螺旋輸送器芯軸外徑為90mm，壁厚為5mm，總長度1 754mm，葉片厚度為2mm，葉片與底殼間隙為3mm，螺旋葉片高度h為98mm。則螺旋輸送器外徑為

D=d+2h

(3)

式中d—圓管外徑；

h—螺旋葉片高度。

將數(shù)據(jù)代入(3)可求得D=286mm。

螺距大小決定螺旋葉片對食葵盤的輸送能力。為保證對食葵盤輸送的均勻性，可用經(jīng)驗(yàn)公式[6]。即

S=(0.8～1)D

(4)

式中S—螺距。

代入數(shù)據(jù)可求得S=229～286mm。本文所設(shè)計(jì)的螺距為260mm，螺旋輸送器轉(zhuǎn)速為150r/min。

3 樣機(jī)的試制與試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

依照圖1試制物理樣機(jī)，裝至拖拉機(jī)前端，并利用液壓馬達(dá)驅(qū)動螺旋輸送器和撥桿機(jī)構(gòu)，空轉(zhuǎn)后觀察整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，調(diào)試良好后進(jìn)行田間試驗(yàn)。整機(jī)工作參數(shù)如表1所示。

表1 食葵盤收獲臺的工作參數(shù)Table 1 Parameters of edible sunflower harvester bench

3.2 試驗(yàn)條件

2016年9月5日，在新疆巴音郭楞蒙古自治州博湖縣的鬧音呼都克村進(jìn)行田間取盤試驗(yàn)。測得食葵平均株距32cm，行距46cm，插盤高度50～80cm，莖稈直徑20～24mm，機(jī)器前進(jìn)速度為2～3km/h，滿足收獲臺工作參數(shù)要求，田間作業(yè)如圖6所示。

圖6 田間試驗(yàn)Fig.6 Field test

3.3 試驗(yàn)存在的問題及解決措施

試驗(yàn)結(jié)果表明：整機(jī)工作較為平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)食葵盤的采收作業(yè)；整機(jī)原理可行，但收獲過程出現(xiàn)食葵盤輸送不暢、食葵桿前傾等問題，影響了整機(jī)工作性能。

對收獲臺工作過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，分析其產(chǎn)生原因，并從機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)和工作參數(shù)上提出解決措施，如表2所示。

表2 樣機(jī)作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題及解決措施Table 2 Problems and measures in the process of prototype operation

4 結(jié)論

1)分析了人工取盤作業(yè)特點(diǎn)，確定了食葵盤收獲臺的整體方案，并對食葵收獲臺進(jìn)行了具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。

2)確定撥桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，結(jié)合傳動角及撥桿行程要求，設(shè)計(jì)并分析了各桿件尺寸參數(shù)，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；分析并確定了螺旋輸送器的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。

3)試制物理樣機(jī)并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明：整機(jī)工作平穩(wěn)，可滿足食葵盤采收作業(yè)需求。針對樣機(jī)工作過程存在的具體問題并提出解決措施，為食葵收獲臺的后續(xù)研發(fā)提供了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

[1] 馬新云，王道屏，許芳．自走式葵花收獲機(jī)：中國，201420490283.8[P]．2014-12-17.

[2] 周艷生,張靜,朱豪杰,等.我國葵花收獲機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].農(nóng)業(yè)工程,2015(2):11-14.

[3] 達(dá)布希拉圖．一種葵花盤收獲機(jī)：中國，201520697482.0[P]．2015-09-07.

[4] 韓長杰,康秀生,郭輝,等.食葵收獲割臺：.中國，CN205105675U[P].2016-03-30.

[5] 孫桓,陳作模,葛文杰.機(jī)械原理(7版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6] 中國農(nóng)機(jī)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[K].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社, 2007.