張吉強(qiáng),牛子孺,李天華,吳彥強(qiáng),李廣華,侯加林

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018;2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安;3.青州華龍機(jī)械技術(shù)研發(fā)有限公司,山東 濰坊 262500)

0 引言

大蔥是人們的日常生活中不可或缺的調(diào)味品,也是重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,且含有豐富的糖類、維生素、鈣、鎂等物質(zhì),具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。全國(guó)的大蔥種植面積約有5333.3 khm2,但是目前大蔥的收獲主要是依靠人工撿拾,效率低,對(duì)蔥苗的損傷率高,且隨著人工勞務(wù)費(fèi)的增長(zhǎng),使得大蔥收獲的成本大幅增長(zhǎng),因此大蔥機(jī)械化收獲已成為影響大蔥大規(guī)模種植的主要問(wèn)題。由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的雙行自走式大蔥收獲機(jī)適用于大規(guī)模收獲,加工成本高,且在大蔥夾持運(yùn)輸?shù)巾敳窟M(jìn)行鋪放時(shí)需要人工進(jìn)行整理和擺放,會(huì)耗費(fèi)一定的勞動(dòng)力[1]。日本、韓國(guó)等地區(qū)主要使用的是小型自動(dòng)式大蔥聯(lián)合收獲機(jī),動(dòng)力小、效率低且收獲后的大蔥根部存在較多泥土。

為此,結(jié)合國(guó)內(nèi)大蔥收獲模式和農(nóng)藝要求,并借鑒國(guó)內(nèi)外的大蔥收獲技術(shù),同時(shí)采用SolidWorks三維軟件設(shè)計(jì),對(duì)組合式大蔥起苗機(jī)進(jìn)行零部件和整機(jī)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì),研制了組合式大蔥起苗機(jī),以期解決國(guó)內(nèi)小規(guī)模大蔥收獲的難題。

1 SolidWorks軟件介紹

1.1 零件實(shí)體與裝配體模型的建立

在SolidWorks中,零件的實(shí)體模型由一系列特征組合構(gòu)成,設(shè)計(jì)時(shí)選擇所需要的特征,給定尺寸、定位和屬性等,形成所需要的實(shí)體模型,并通過(guò)參數(shù)和幾何約束關(guān)系的相互關(guān)聯(lián)確定零件的特征[2-4]。幾何約束關(guān)系在創(chuàng)建模型的同時(shí)被創(chuàng)建,修改模型時(shí)的約束關(guān)系保持不變,設(shè)計(jì)意圖也不變。零件設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮好如何表達(dá)該特征與特征之間的關(guān)系。起苗刀、蔥苗傳輸板和匯集抖土裝置是組合式大蔥起苗機(jī)的核心工作部件,起苗刀和匯集抖土鏈的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)起苗和抖土效果有重要影響,設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

1.2 整機(jī)模型的建立

組合式起苗機(jī)整機(jī)模型由多個(gè)裝配體構(gòu)成,具備一定裝配約束關(guān)系的多個(gè)零件的組合構(gòu)成部件裝配體,按照部件的不同功能,將多個(gè)裝配體依次放置到機(jī)架的相應(yīng)安裝位置,構(gòu)成整機(jī)模型[4],如圖1所示。

1.匯集抖土裝置 2.傳動(dòng)裝置 3.起苗刀支架 4.起苗刀 5.變速箱 6.牽引架 7.行走輪 8.機(jī)架 9.蔥苗傳輸板 10.滾動(dòng)軸圖1 組合式大蔥起苗機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of combined spring onion planter

整機(jī)主要由機(jī)架、行走輪、變速箱、傳動(dòng)裝置、起苗刀、蔥苗傳輸板和匯集抖土鏈等7部分組成,匹配動(dòng)力35 kW的拖拉機(jī),并沿蔥苗壟前行。工作過(guò)程為:拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)架前行,拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸與機(jī)架上的變速箱連接,變速箱通過(guò)鏈條鏈輪將動(dòng)力輸送至機(jī)架上的傳輸軸上,傳輸軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)上面的鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng),利用鏈條帶動(dòng)匯集抖土裝置上主動(dòng)軸端部的主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng),繼而帶動(dòng)主動(dòng)軸上撥齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),撥齒輪的撥齒撥動(dòng)各個(gè)滾動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng);機(jī)架前行時(shí),起苗刀伸入土壤中在蔥苗根部將蔥苗連同根部凸塊一同破碎并輸送至后方的蔥苗傳輸板上,不斷累積的蔥苗沿蔥苗傳輸板向后落入到匯集抖土裝置上;匯集抖土裝置上的抖土鏈的各個(gè)滾動(dòng)軸呈環(huán)形滾動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),落至滾動(dòng)軸上的蔥苗在滾動(dòng)軸滾動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,將部分泥土與蔥苗分離,泥土從滾動(dòng)軸之間的容置通道落下,從而達(dá)到大蔥凈土的目的,泥土分離的蔥苗從抖土鏈上落下并依次排列成行,完成起苗過(guò)程。

1.3 技術(shù)參數(shù)

針對(duì)國(guó)內(nèi)大蔥種植模式和種植農(nóng)藝要求,整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the whole machine

2 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)與減速器選型

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

組合式大蔥起苗機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成如圖2所示。工作時(shí),動(dòng)力輸入軸經(jīng)萬(wàn)向節(jié)與拖拉機(jī)輸出軸連接,由輸入軸連接變速箱工作,由變速箱的輸出軸通過(guò)第1鏈輪鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)傳動(dòng)裝置進(jìn)行工作,由傳動(dòng)裝置上的傳動(dòng)軸帶動(dòng)第2鏈輪鏈條帶動(dòng)匯集抖土裝置上的撥齒及滾動(dòng)軸進(jìn)行工作;經(jīng)起苗刀將蔥苗起苗后傳輸?shù)绞[苗傳輸板上,繼而落到匯集抖土裝置上,經(jīng)匯集抖土裝置進(jìn)行蔥苗抖土和整理,方便后期人工撿拾。

圖2 組合式大蔥起苗機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure of combined spring onion seedling machine

2.2 減速器選型

減速器作為整機(jī)關(guān)鍵部件之一,為傳動(dòng)裝置和匯集抖土裝置提供動(dòng)力輸入,因此減速器的選型至關(guān)重要。結(jié)合本機(jī)型工作效率和匯集抖土裝置轉(zhuǎn)動(dòng)速度,在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上最終選用X.B型擺線針輪減速器,其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示,結(jié)構(gòu)如圖3所示。 擺線針輪減速器是一種采用擺線針齒嚙合行星傳動(dòng)原理的傳動(dòng)機(jī)型,轉(zhuǎn)速降低范圍大,輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定,并可實(shí)現(xiàn)正反運(yùn)轉(zhuǎn)。

表2 擺線針輪減速器主要技術(shù)參數(shù)

圖3 減速器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of reducer

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 起苗刀設(shè)計(jì)

起苗刀作為關(guān)鍵部件之一,主要是將大蔥從地中挖掘出來(lái),如圖4所示。起苗刀通過(guò)調(diào)深機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)架上,調(diào)深裝置包括豎向固定于起苗刀上的調(diào)節(jié)管,以及套設(shè)在調(diào)節(jié)管外且與機(jī)架固定的套管,調(diào)節(jié)管及套管上分別設(shè)有調(diào)節(jié)孔并通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓相互連接。為保證挖掘鋒利度,起苗刀截面設(shè)計(jì)為呈鍥狀的鋸齒刀,同時(shí)還不會(huì)纏繞雜草。起苗刀工作參數(shù)如圖5所示。

1.起苗刀 2.調(diào)節(jié)管 3.調(diào)節(jié)螺栓 4.套管圖4 起苗刀結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of seedling cutters

圖5 起苗刀工作參數(shù)Fig.5 Operating parameters of the cutters

起苗刀工作參數(shù)主要長(zhǎng)度L、寬度D和刀齒夾角β。本機(jī)型取β=46°,L=0.8m,D=0.25m,調(diào)節(jié)管高度可根據(jù)大蔥實(shí)際深度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.1.1 起苗刀的材料和機(jī)械特性

所設(shè)計(jì)起苗刀的材料選用65Mn(彈簧鋼),其材料屬性如表3所示。

表3 材料屬性Table 3 Material properties

3.1.2 起苗刀受力分析

由土壤對(duì)起苗刀的阻力可知,土壤對(duì)起苗刀的阻力可分為3部分。

土壤對(duì)起苗刀片的摩擦阻力F1為

F1=fG

(1)

式中F—土壤對(duì)起苗刀片工作表面的摩擦因數(shù);

G—起苗刀片的承重重力(N)。

土壤本身的慣性力F2為

F2=0.01hβdhV2

(2)

式中h—起苗寬度;

β—與起苗刀片和土壤性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)(N·s2/m4);

d—起苗深度;

V—機(jī)具前進(jìn)的速度(m/s)。

土壤抵抗塑性變形的力F3為

F3=0.01Mdh

(3)

式中M—土壤比阻(Pa)。

3.1.3 起苗刀切土功率分析

起苗刀的理論切土功率為

P=0.1δdVh

δ=K0K1K2K3K4

(4)

式中 δ—起苗比阻(N/cm2)。

K0—土壤堅(jiān)實(shí)度(N/cm2);

K1—起苗深度修正系數(shù);

K2—土壤含水率修正系數(shù);

K3—土壤中殘留植被修正系數(shù);

K4—作業(yè)方式修正系數(shù)。

3.2 蔥苗傳輸板

蔥苗傳輸板主要由底板和擋板兩部分組成,用于起苗刀起苗后的蔥苗過(guò)渡至匯集抖土裝置上。其兩側(cè)的擋板通過(guò)支架固定于機(jī)架上,用于防止蔥苗輸送過(guò)程中從兩側(cè)滑落,保證蔥苗順利輸送至后方的匯集抖土裝置內(nèi)。蔥苗傳輸板為由前至后逐漸升高的斜板,目的是將起苗刀起苗后的大蔥順利落到匯集抖土裝置上。蔥苗傳輸板結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。其工作參數(shù)包括底板長(zhǎng)度L、擋板長(zhǎng)度H和高度h,三視圖如圖7所示。為保證起苗后的蔥苗能順利落到匯集抖土裝置上,取底板長(zhǎng)度L=1000mm,擋板長(zhǎng)度H=600mm,高度h=400mm。

1.底板 2.擋板圖6 蔥苗傳輸板結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Schematic diagram of onion seedling transmission

圖7 蔥苗傳輸板三視圖Fig.7 Three views of onion seedling transmission board

蔥苗輸送量是衡量起苗機(jī)生產(chǎn)能力的重要指標(biāo),輸送量高、輸送效果好能夠保證機(jī)器在有限的起苗時(shí)間內(nèi)完成起苗任務(wù)。蔥苗傳輸板設(shè)計(jì)的最大輸送量為2500 kg/h,其輸送面的傾斜系數(shù)由式(4)確定,即

Q=H×h×μ×γ×K×ν

(5)

式中H—擋板的長(zhǎng)度(mm);

h—擋板高度(mm);

μ—輸送蔥苗單位容積的質(zhì)量(kg/m3);

γ—充滿系數(shù);

K—傾斜系數(shù);

ν—起苗速度(m/s)。

由式(4)可得

K=Q/(H×h×μ×γ×v)

(6)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者實(shí)驗(yàn),取充滿系數(shù)γ=0.5,蔥苗的容積質(zhì)量為μ。實(shí)驗(yàn)測(cè)得μ=0.7～0.9×103kg/m3,起苗速度為v=0.5m/s,H和h的設(shè)計(jì)值分別為600、400mm。故K>0.54,對(duì)應(yīng)的傾斜角度θ≤30°。傾斜系數(shù)值K與傾斜角對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 傾斜系數(shù)值KTable 4 Tilt coefficient value K

3.3 匯集抖土裝置

抖土鏈包括與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸平行的多個(gè)等間距設(shè)置的滾動(dòng)軸,每個(gè)滾動(dòng)軸的兩個(gè)端部均轉(zhuǎn)動(dòng)連接有兩個(gè)前后設(shè)置的連接板,相鄰滾動(dòng)軸之間通過(guò)共用一個(gè)連接板連接,相鄰的滾動(dòng)軸之間為撥齒輪上撥齒的容置通道。

抖土鏈上的多個(gè)滾動(dòng)軸通過(guò)兩端的連接板連接起來(lái)形成與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸長(zhǎng)度相同的抖土鏈,并套設(shè)在主動(dòng)軸和從動(dòng)軸端部的撥齒輪上,通過(guò)主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng),利用撥齒輪上撥齒插入相鄰滾動(dòng)軸之間的容置通道對(duì)滾動(dòng)軸進(jìn)行撥動(dòng),帶動(dòng)滾動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)上面的蔥苗轉(zhuǎn)動(dòng)并將泥土從兩個(gè)滾動(dòng)軸之間的容置通道過(guò)濾下去。匯集抖土裝置結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

1.軸承 2.主動(dòng)軸 3.匯集擋板 4.被動(dòng)軸 5.連接板 6.撥齒輪 7.滾動(dòng)軸圖8 匯集抖土裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of soil shaking device

匯集抖土裝置中滾動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度應(yīng)當(dāng)大于或等于蔥苗傳輸板傳輸蔥苗的速度,如果滾動(dòng)軸速度小于蔥苗傳輸板傳輸蔥苗的速度會(huì)造成蔥苗在匯集抖土裝置上的擁堵和相互擠壓,容易損傷大蔥,增加起苗的傷苗率。

匯集抖土裝置上各個(gè)滾動(dòng)軸的間距應(yīng)小于蔥苗直徑,但又不能過(guò)小,間距太小無(wú)法實(shí)現(xiàn)蔥苗的抖動(dòng)效果,間距過(guò)大會(huì)使蔥苗直接落到地面,后期人工撿拾會(huì)對(duì)蔥苗造成損傷,降低蔥苗收獲質(zhì)量。

匯集抖土裝置運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系如為

(7)

式中V—滾動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度;

R—撥齒輪直徑;

θ—蔥苗傳輸板與地面的夾角。

4 樣機(jī)性能試驗(yàn)及分析

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)組合式大蔥起苗機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn),檢測(cè)各關(guān)鍵功能部件能否正常作業(yè),是否滿足設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù),以及驗(yàn)證樣機(jī)在本地區(qū)是否具有適應(yīng)性及可推廣性。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)三維模型各部件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格參數(shù)進(jìn)行設(shè)備選型及樣機(jī)搭建,進(jìn)一步對(duì)組合式起苗機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)選取青州華龍大蔥試驗(yàn)基地,地勢(shì)平坦,無(wú)障礙物,土壤為沙壤土。試驗(yàn)地測(cè)定區(qū)長(zhǎng)度為30m,重復(fù)3次,分別記錄每次試驗(yàn)所用的時(shí)間、大蔥起苗的總株數(shù)、損傷個(gè)數(shù)及起苗刀可挖掘深度等相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.3 配套動(dòng)力

試驗(yàn)采用動(dòng)力為40 kW的拖拉機(jī),擋位為Ⅱ擋,實(shí)際作業(yè)速度為0.8 m/s。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 田間起苗試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of field seedling experiment

5 結(jié)果分析

由表4可知:組合式大蔥起苗機(jī)的傷苗率、總損失率和純作業(yè)生產(chǎn)率均滿足項(xiàng)目規(guī)定的指標(biāo)要求。同時(shí),樣機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題:

1)起苗刀在工作過(guò)程中會(huì)堆積泥土,作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)會(huì)失去起苗效果。解決的辦法是可加長(zhǎng)起苗刀刀齒或者增加凸輪機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)起苗刀的微振動(dòng),實(shí)現(xiàn)秧苗的起苗抖土效果。

2)匯集抖土裝置在實(shí)際作業(yè)中出現(xiàn)晃動(dòng),抖土穩(wěn)定性差。解決的方案是延長(zhǎng)機(jī)架桁架且增加支架固定匯集抖土裝置,并在機(jī)架的左右兩側(cè)增加行走輪裝置,增加整機(jī)穩(wěn)定性,以此實(shí)現(xiàn)更好的抖土效果。

6 結(jié)論

1)利用三維建模軟件SolidWorks和二維軟件Autocad實(shí)現(xiàn)了組合式起苗的三維建模和圖紙的繪制,SolidWorks和Autocad具有建模簡(jiǎn)單、直觀性強(qiáng)和效率高等特點(diǎn)。

2)通過(guò)田間試驗(yàn)結(jié)果表明:機(jī)具主要性能指標(biāo)適應(yīng)深度、傷苗率和總損失率均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),且市場(chǎng)上無(wú)該機(jī)型售賣,因此具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3)通過(guò)設(shè)計(jì)匯集抖土裝置,在實(shí)現(xiàn)大蔥根部泥土抖動(dòng)的同時(shí)可以對(duì)大蔥進(jìn)行鋪放和整理,降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。