胥 南,尚書旗,王東偉,何曉寧,高 振,劉建強(qiáng),張亞棟,郭 鵬

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109)

0 引言

花生是我國(guó)廣泛栽培的重要的經(jīng)濟(jì)作物與油料作物,花生聯(lián)合收獲已經(jīng)成為我國(guó)目前的主要收獲方式,具有效率高、省時(shí)省力的特點(diǎn)?；ㄉb置是花生聯(lián)合收獲機(jī)重要部件,直接影響著花生收獲的質(zhì)量。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的摘果方式主要分為兩種,分別是對(duì)輥式摘果和滾筒式摘果,而滾筒式摘果以全喂入摘果為主,滾筒的主要形式有釘齒式、彈齒式、差動(dòng)式、刮板式和篦梳式等。

使用釘齒式摘果滾筒具有摘果速度快、消耗功率小的突出特點(diǎn),且收獲損失率比較低,是一種在花生聯(lián)合收獲中常用的摘果方式。但目前現(xiàn)有的普通釘齒式花生摘果裝置依然存在摘果破損率偏高及摘果倉(cāng)內(nèi)易堵塞等問(wèn)題。為此,在原有的普通釘齒式花生摘果裝置的基礎(chǔ)上,對(duì)釘齒式縱軸流花生摘果裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì),并制造釘齒式縱軸流花生摘果試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究,合理優(yōu)化了關(guān)鍵部件的尺寸參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)。同時(shí),應(yīng)用在4HZJ-2500型花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)上進(jìn)行田間試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在一定程度上解決了上述問(wèn)題。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

釘齒式花生摘果裝置采用縱軸流全喂入式,與花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)的喂入口相連。工作機(jī)構(gòu)包括凹板篩、摘果滾筒上蓋、導(dǎo)流板、錐形喂入擋板、摘果滾筒、固定在摘果滾筒上的喂入攪龍葉片、釘齒、固定釘齒的U型齒桿和貫穿整個(gè)摘果滾筒的中心軸,整體呈縱向配置。整體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.中心軸 2.喂入攪龍葉片 3.錐形喂入擋板 4.摘果釘齒 5.導(dǎo)流板 6.凹板篩 7.摘果滾筒上蓋 8.摘果滾筒 9.U型齒桿 10.帶立式座軸承圖1 摘果裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall Structure Chart of Picking Device。

工作時(shí),中心軸的前端通過(guò)帶立式座軸承旋轉(zhuǎn)固定在機(jī)架上,后端通過(guò)帶方形座軸承旋轉(zhuǎn)固定在機(jī)架上,整個(gè)摘果裝置的動(dòng)力由設(shè)置在中心軸后端的固定雙排鏈輪提供。進(jìn)料口、出料口分別設(shè)計(jì)在摘果裝置的兩端,以保證花生在由摘果滾筒上蓋、凹板篩和摘果滾筒組合形成的摘果倉(cāng)內(nèi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行摘果工作。當(dāng)花生秧果通過(guò)喂料口由喂入攪龍葉片送入摘果倉(cāng)以后,中心軸帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),從而使摘果釘齒高速旋轉(zhuǎn),通過(guò)錐形喂入擋板的花生秧果形成了向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),使花生秧能夠纏繞在高速旋轉(zhuǎn)的固定在U型齒桿上的摘果釘齒上;由于離心作用,花生莢果的質(zhì)量與密度較大,集中在緊靠凹板篩處,凹板篩對(duì)運(yùn)動(dòng)的莢果產(chǎn)生剪切作用,使花生莢果與花生秧分離,實(shí)現(xiàn)摘果作業(yè);由于導(dǎo)流板的作用,花生秧會(huì)跟隨導(dǎo)流板的方向運(yùn)動(dòng),到出料口由慣性作用,使花生秧從摘果倉(cāng)中甩出,實(shí)現(xiàn)摘果全過(guò)程。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與參數(shù)

2.1 釘齒式摘果滾筒的設(shè)計(jì)

釘齒式摘果滾筒是摘果裝置的核心部件,對(duì)花生摘果作業(yè)的質(zhì)量有最直接的影響。不同于目前現(xiàn)有的摘果滾筒,摘果釘齒并不是直接焊接于滾筒之上,而是將U型齒桿整體焊接于滾筒之上,然后在摘果釘齒上加工螺紋,通過(guò)鎖緊裝置(即上下兩個(gè)螺母)將釘齒固定在U型齒桿,解決了目前作業(yè)過(guò)程中釘齒因?yàn)楹附硬焕蔚仍驅(qū)е碌牡酏X現(xiàn)象,更換釘齒也更加方便。釘齒式摘果滾筒如圖2所示。

圖2 摘果滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural sketch of picking drum。

破損率是衡量一個(gè)摘果裝置作業(yè)效果的一個(gè)重要指標(biāo)。為減少摘果釘齒在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)花生莢果的碰撞,以進(jìn)一步降低摘果時(shí)花生莢果的破損率,也為解決現(xiàn)有摘果釘齒在作業(yè)過(guò)程中磨損過(guò)于嚴(yán)重的問(wèn)題,將釘齒折彎的第1段壓為扁平狀,增大與花生莢果的直接接觸面積,有效地減小了對(duì)花生莢果的沖擊力,降低了破損率及磨損程度。

摘果率是評(píng)價(jià)一種摘果裝置作業(yè)質(zhì)量的有效指標(biāo)。為提高摘果的質(zhì)量與效率,進(jìn)一步提高摘果率,將釘齒設(shè)計(jì)成折彎狀,折彎角度為70°～80°,在帶動(dòng)花生秧果與凹板篩接觸時(shí)便于產(chǎn)生更明顯的剪切作用,不僅可以使花生秧果對(duì)釘齒的纏繞更加緊密,且使摘果更加干凈。

2.2 釘齒式摘果滾筒參數(shù)的確定

摘果釘齒在滾筒上的排列對(duì)整個(gè)摘果裝置的摘果性能有顯著的影響。為了提高摘果效率,在一個(gè)摘果釘齒的運(yùn)動(dòng)軌跡上應(yīng)該有多個(gè)釘齒經(jīng)過(guò)并回轉(zhuǎn)。為此,釘齒應(yīng)該在多頭螺旋線上均勻排列與分布。

將螺旋線條數(shù)記為n,一般情況下,固定釘齒的U型槽方管的數(shù)量是螺旋線條數(shù)n的整數(shù)倍,即每個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡上有n個(gè)齒經(jīng)過(guò)。所以,理論上來(lái)說(shuō),n越大,越能提高摘果效率,但試驗(yàn)表明n值應(yīng)該在5以內(nèi)。

相鄰的兩個(gè)釘齒在U型齒桿上的距離應(yīng)為

其中,a為相鄰的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡之間的距離;M為固定釘齒的U型齒桿的數(shù)量,常取M=4～8。

滾筒長(zhǎng)度的計(jì)算公式為

其中,a通常在50～80mm之間;Z是摘果滾筒上摘果釘齒的總數(shù);l是釘齒到U型齒桿端頂?shù)木嚯x,依據(jù)設(shè)計(jì)的需要確定。

摘果滾筒直徑則需要根據(jù)6行花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)的喂入量和工作效率進(jìn)行設(shè)計(jì),滾筒直徑(包含釘齒尺寸)比較適宜的范圍是600～800mm。根據(jù)滾筒直徑的計(jì)算公式,即

其中,h為摘果釘齒的高度;s為U型齒桿的間距。

經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析,確定a=65mm,n=3,M=6個(gè),B=130mm,Z=72個(gè),l=120mm,L=1 800mm,h=100mm,s=270mm,D=710mm。若不含釘齒等尺寸,滾筒直徑則為480mm。

根據(jù)理論分析與相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),釘齒的直徑取16～18mm,材料選取高錳耐磨鋼,經(jīng)過(guò)熱處理至50HRC,并做表面鍍鋅處理。摘果釘齒的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 摘果釘齒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural schematic diagram of pin teeth for fruit picking。

2.3 凹板篩的設(shè)計(jì)

在縱軸流花生摘果裝置中,凹板篩與摘果滾筒之間的配合是影響摘果質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。在花生秧果進(jìn)入由凹板篩和摘果滾筒組成的摘果倉(cāng)內(nèi)時(shí),在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下,由于離心力的作用,質(zhì)量與密度較大的花生莢果集中緊靠在凹板篩處,并對(duì)運(yùn)動(dòng)的花生莢果產(chǎn)生剪切作用,被分離開的花生莢果通過(guò)凹板篩篩格落入后續(xù)的清選裝置,花生秧則會(huì)被從輸出端排除。因此,凹板篩與摘果釘齒因此凹板篩的設(shè)計(jì)和與摘果滾筒之間的配合設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

花生摘果的過(guò)程多數(shù)應(yīng)該發(fā)生在凹板篩前端,后端的工作負(fù)荷較低,且隨著摘果工作的進(jìn)行,花生秧果與裝置撞擊,會(huì)產(chǎn)生斷莖碎秧,易發(fā)生擁堵現(xiàn)象。所以,凹板篩的前端30～40mm應(yīng)被設(shè)計(jì)為錐形,以提高前端摘果效率;后端則為直筒型即可,可降低擁堵概率。結(jié)合摘果倉(cāng)內(nèi)的結(jié)構(gòu),錐度為1,應(yīng)與錐形喂入擋板的錐度相同。摘果釘齒頂部與凹板篩之間的間隙應(yīng)該在20mm以上,設(shè)置在20～30mm為宜。

凹板篩篩格的大小影響著花生莢果與花生秧分離之后的通過(guò)性。如果篩格較大,不僅花生莢果會(huì)通過(guò),一些在摘果過(guò)程中產(chǎn)生的長(zhǎng)度較短的斷莖殘秧等也會(huì)落入后續(xù)的清選裝置上,影響清選作業(yè);如果篩格較小,影響花生莢果的通過(guò)率,花生莢果不能及時(shí)通過(guò),容易損傷莢果,甚至?xí)S花生秧被排出。結(jié)合現(xiàn)有花生莢果的實(shí)際平均尺寸,花生秧蔓在摘果倉(cāng)內(nèi)被打碎的程度,凹板篩篩格的間隙應(yīng)該在50～70mm之間。凹板篩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 凹板篩結(jié)構(gòu)與尺寸示意圖Fig.4 Structure and dimension diagram of concave screen。

2.4 摘果滾筒轉(zhuǎn)速的確定

摘果作業(yè)過(guò)程中,花生莢果破碎的主要原因花生莢果與凹板篩相互作用產(chǎn)生剪切力,還有花生莢果在摘果倉(cāng)內(nèi)與摘果釘齒和導(dǎo)流板等相碰撞導(dǎo)致的花生莢果破碎。為降低花生莢果的破損率,要根據(jù)花生成熟收獲期的受剪切力能力和可承受最大撞擊能力來(lái)確定摘果滾筒在工作中的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)前人的試驗(yàn)研究與分析,花生能夠承受的最大的撞擊力的最大速度為16.328m/s,前文確定了花生滾筒的直徑(包含釘齒尺寸)應(yīng)為710mm,根據(jù)計(jì)算公式,則

其中,v為摘果滾筒的轉(zhuǎn)速;r為摘果滾筒的半徑。根據(jù)上述公式計(jì)算,結(jié)合花生莢果的物理特性和現(xiàn)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),摘果滾筒的轉(zhuǎn)速應(yīng)為400～500r/min。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)對(duì)象與設(shè)備

試驗(yàn)采用的花生品種是魯花10號(hào),屬普通型中熟直立大花生,春播生育期140天,株高40～45cm,分枝8～10條,百果質(zhì)量250g左右,百仁重100g以上,出米率73%。

為能夠調(diào)節(jié)摘果滾筒轉(zhuǎn)速和角度等試驗(yàn)因素,設(shè)計(jì)了一種釘齒式縱軸流花生摘果試驗(yàn)臺(tái),動(dòng)力由電磁調(diào)速電機(jī)提供,型號(hào)為YCT-132-4B,通過(guò)鏈傳動(dòng)連接至中心軸后端。同時(shí),使用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)摘果滾筒的工作角度。

3.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)釘齒式縱軸流花生摘果裝置的研究與分析,試驗(yàn)因素應(yīng)選取摘果滾筒的轉(zhuǎn)速、摘果釘齒與凹板篩的間隙和凹板篩篩格的間隙3個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí),選擇摘果率和破損率為試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)的因素水平如表1所示。

表1 因素與水平Table 1 Factors and levels。

由于滾筒轉(zhuǎn)速、釘篩間隙和篩格間隙3個(gè)因素與摘果率和破損率兩個(gè)指標(biāo)之間存在的是多元非線性回歸的關(guān)系,所以試驗(yàn)使用BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)方法,即通過(guò)建立響應(yīng)面模型的分析方法完成對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析。嚴(yán)格按照上述表各因素的水平數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn),得到如下試驗(yàn)結(jié)果,如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental project and results。

由表2可以看出:在以滾筒轉(zhuǎn)速、釘篩間隙和篩格間隙3個(gè)因素為研究對(duì)象來(lái)探究影響摘果裝置主要性能(摘果率、破損率)的相關(guān)結(jié)論,摘果率y1一般在97.24%～99.23%之內(nèi),而摘果作業(yè)過(guò)程中莢果的破損率為0.89%～2.26%。

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行摘果率的回歸系數(shù)及顯著性分析,根據(jù)上表反饋的信息,去除此次試驗(yàn)中的3個(gè)不顯著項(xiàng),得到此摘果裝置摘果率的回歸方程為

y1=99.08+0.23x1-0.43x2-0.27x3+

對(duì)x1x2交互作用進(jìn)行顯著性分析,得到了滾筒轉(zhuǎn)速和釘篩間隙對(duì)摘果率影響的響應(yīng)等值線圖,如圖5所示。

圖5 滾筒轉(zhuǎn)速和釘篩間隙對(duì)摘果率的影響Fig.5 Effect of rotary speed of drum and clearance between Screen and Nail on Fruit Picking Rate。

由圖5可知:當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到450r/min左右、篩格間隙在22.5mm左右時(shí),摘果率可以達(dá)到最優(yōu)水平,此時(shí)釘篩間隙對(duì)摘果率的影響較為顯著。

對(duì)x1x3交互作用進(jìn)行顯著性分析,得到了滾筒轉(zhuǎn)速和篩格間隙對(duì)摘果率影響的響應(yīng)等值線圖如圖6所示。

圖6 滾筒轉(zhuǎn)速和篩格間隙間隙對(duì)摘果率的影響Fig.6 Effect of rotary speed of drum and clearance of screen gap on fruit picking rate。

由圖6可知:當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到425～475 r/min左右時(shí),相較于篩格間隙,摘果滾筒的轉(zhuǎn)速對(duì)摘果率的影響較大;當(dāng)釘篩間隙在50mm以上時(shí),摘果率的波動(dòng)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài),隨著摘果滾筒轉(zhuǎn)速變化時(shí)的變化較小。

對(duì)x2x3交互作用進(jìn)行顯著性分析,得到釘篩間隙和篩格間隙對(duì)摘果率影響的響應(yīng)等值線圖,如圖7所示。

圖7 篩格間隙和釘篩間隙對(duì)摘果率的影響Fig.7 Effect of screen gap and Nail-screen gap on fruit picking rate。

由圖7可知:釘篩間隙的降低至25mm以下時(shí),相較于篩格間隙,釘篩間隙對(duì)摘果率產(chǎn)生較大影響;當(dāng)篩格間隙達(dá)到65mm以下時(shí),摘果率波動(dòng)較小,處于較為穩(wěn)定階段,在釘篩間隙出現(xiàn)明顯變化時(shí),篩格間隙對(duì)摘果率的影響并不會(huì)存在明顯變化。

進(jìn)行摘果率的回歸系數(shù)及顯著性分析,根據(jù)表2的反饋的信息,去除此次試驗(yàn)中的不顯著項(xiàng),得到摘果裝置摘果率的回歸方程為

y2=1.70+0.20x1-0.41x2-0.19x3-

由回歸方程可以看出,交互項(xiàng)均不顯著。因此,只需要對(duì)各試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)分析,結(jié)果表明:在保證摘果裝置順利作業(yè)和摘果率的情況下,盡量降低摘果滾筒的轉(zhuǎn)速,以降低花生莢果的破損率;盡量增大摘果釘齒與凹板篩之間的間隙,以降低花生莢果的破損率;盡量增大凹板篩篩格的間隙,以降低花生莢果的破損率。

經(jīng)上述分析,選擇滾筒轉(zhuǎn)速為460r/min,釘齒與凹板篩間隙為24mm,凹板篩篩格間隙為57mm。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,在最優(yōu)組合情況下,摘果率為99.06%,破損率為0.93%,結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)且效果良好。

4 結(jié)論

1) 研制的釘齒式縱軸流花生摘果裝置具有摘果速度快、消耗功率小的突出特點(diǎn),且在一定程度上解決了目前現(xiàn)有的普通釘齒式花生摘果裝置依然還存在摘果破損率偏高、摘果倉(cāng)內(nèi)易堵塞的問(wèn)題。

2) 通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,選出各試驗(yàn)因素的最優(yōu)組合,即在滾筒轉(zhuǎn)速為460r/min、釘齒與凹板篩間隙為24mm、凹板篩篩格間隙為57mm的情況下,工作效果最佳。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明:裝置能夠摘果性能良好,摘果率為99.06%,破損率為0.93%,數(shù)據(jù)結(jié)論都優(yōu)于NY/7502-2002標(biāo)準(zhǔn),滿足作業(yè)要求。