湯 熊 李楷模

（1.岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006；2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，湖南 長沙 410208）

農(nóng)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)到機(jī)械化農(nóng)業(yè)再到精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)的一個演變過程[1]。蘆葦以其作為造紙原料、優(yōu)良牧草、固土整沼、開發(fā)荒地、保持生態(tài)平衡等多方面用途的優(yōu)勢，成為具有綜合經(jīng)濟(jì)用途的資源植物，在我國有著豐富的產(chǎn)量[2-3]。我國濕地遼闊，著名的四大湖泊、遼河三角洲、松嫩平原、三江平原、白洋淀等區(qū)域都是蘆葦集中的生長區(qū)域，為造紙、人造板以及蘆葦工藝品提供原料，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但蘆葦收割工序復(fù)雜，需要經(jīng)歷割倒、剝?nèi)~、去尖和打捆等一系列工序，且這些工序在傳統(tǒng)意義上均由人工完成，需要消耗大量的人力以及時間去進(jìn)行作業(yè)。國內(nèi)針對于蘆葦材料特性的高效收割機(jī)器定向設(shè)計領(lǐng)域仍有待更深入的研究，實(shí)現(xiàn)蘆葦經(jīng)濟(jì)效益最大化還有很長的路需要走。目前，蘆葦收割過程中僅少數(shù)一部分工序被機(jī)械操作所代替，大部分工序仍未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，依然保持著人工作業(yè)的方式。人工收割的蘆葦品質(zhì)參差不齊，嚴(yán)重影響到造紙廠、蘆葦工藝品制作商對于蘆葦產(chǎn)品質(zhì)量的把控。因此，規(guī)范化處理蘆葦收割流程、實(shí)現(xiàn)高效率機(jī)械化生產(chǎn)、提供良好的蘆葦運(yùn)輸渠道及存儲條件是當(dāng)今蘆葦產(chǎn)品步入市場化亟待解決的問題。

本文從理論方面揭示蘆葦收割過程中自動去尖裝置的工作機(jī)理，闡明蘆葦稈在自動去尖裝置施加的剪切應(yīng)力下的應(yīng)變狀態(tài)。在突破性地實(shí)現(xiàn)蘆葦集收、去尖、綁扎等功能的同時，實(shí)質(zhì)性地解決蘆葦加工產(chǎn)業(yè)的技術(shù)難題。蘆葦稈只需放置到投運(yùn)機(jī)構(gòu)上，裝置便可以自動化實(shí)現(xiàn)蘆葦稈的投運(yùn)、打捆以及切割流程。此裝置將機(jī)械工程與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，不僅有效減輕了工作人員的收割壓力，同時也提高了蘆葦收割的效率。

1 蘆葦去尖裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計用于蘆葦自動去尖的裝置如圖1 所示，由投運(yùn)機(jī)構(gòu)、集收機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)以及感應(yīng)去尖機(jī)構(gòu)組成，在各機(jī)構(gòu)的相互協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)蘆葦自動綁扎去尖流程一體化。蘆葦長得高且直，底下直徑大，上面漸變成尖端,這樣只用水平刀具作用在底下根部進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動,就能進(jìn)行切割收獲[4]。蘆葦整稈收割時，各機(jī)構(gòu)間的合理設(shè)計是保證機(jī)器持續(xù)輸送、切割以及綁扎的必要條件[5]。為了提高工作效率,減少人力的消耗,一般需要在收割后立即將蘆葦綁扎成捆，以保證蘆葦捆扎實(shí)不松散[6]。為保證生產(chǎn)出的蘆葦質(zhì)量，在加工之初便對原料的選取進(jìn)行嚴(yán)格的把控。選取生長良好、莖稈通直、無病蟲害以及莖稈表面無明顯缺陷、無破損或開裂的蘆葦進(jìn)行加工，單一蘆葦稈作為材料的基本屬性特征如表1 所示。蘆葦先后經(jīng)過投運(yùn)機(jī)構(gòu)、集收機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)以及去尖機(jī)構(gòu)，最終獲得預(yù)期的蘆葦加工品[7-8]。本裝置實(shí)現(xiàn)了收割過程的自動化，進(jìn)而提升收割蘆葦?shù)墓ぷ髻|(zhì)量與效率。

圖1 蘆葦去尖裝置總體結(jié)構(gòu)圖

表1 單一蘆葦稈材料基本屬性特征

1.1 投運(yùn)機(jī)構(gòu)設(shè)計

投運(yùn)機(jī)構(gòu)主要由上投運(yùn)帶和下投運(yùn)帶組成，采用“0”字形運(yùn)輸流道設(shè)計來實(shí)現(xiàn)兩軸同速反向轉(zhuǎn)動。由于蘆葦在運(yùn)輸過程中易發(fā)生折斷、堵塞等運(yùn)輸問題[9]，故其中投運(yùn)帶的材質(zhì)均為橡膠，運(yùn)行方向一致向集收倉方向且均是循環(huán)運(yùn)動，下投運(yùn)帶安裝在機(jī)架底板上，上投運(yùn)帶位于在距機(jī)架底板1.5m 高度處。下投運(yùn)帶上均勻設(shè)置有矩形凸體，矩形凸體高為20cm，兩個矩形凸體間相距4cm；相鄰兩矩形凸體之間形成的矩形槽發(fā)揮著分離蘆葦?shù)淖饔茫⒛軌驇犹J葦稈一同進(jìn)給運(yùn)動。上投運(yùn)帶上安裝有圓柱型橡膠棒，其安裝位置與下投運(yùn)帶上的矩形凸體依次對應(yīng)；當(dāng)蘆葦稈底部進(jìn)入下投運(yùn)帶的槽內(nèi)時，蘆葦稈的上端則依靠在圓柱型橡膠棒上，隨上投運(yùn)帶向收取倉前進(jìn)。矩形凸體與圓柱型橡膠棒的目的在于保證蘆葦稈能夠處于相對直立狀態(tài)，同時又能夠相對固定在投運(yùn)帶上，最終確保蘆葦稈隨投運(yùn)帶前進(jìn)并順利裝入收取倉。

1.2 集收機(jī)構(gòu)設(shè)計

集收機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。機(jī)構(gòu)由收取倉、半圓形門銷軸、半圓形門、擋桿、擋桿液壓桿、擋桿液壓缸、二號壓力感應(yīng)器組成。二號壓力感應(yīng)器安裝在收取倉的底板，為傾斜安裝，其安裝位置靠近且略高于投運(yùn)帶，這樣可以使脫離投運(yùn)帶的蘆葦稈靠自身重力作用向收取倉靠攏[10-11]。集收機(jī)構(gòu)主要完成蘆葦稈的定量收集，當(dāng)蘆葦稈集收機(jī)構(gòu)接收到二號壓力感應(yīng)器受到預(yù)設(shè)壓力的信號后，發(fā)出控制信號，控制棘爪進(jìn)行壓緊和綁扎動作。

圖2 蘆葦稈集收機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.3 壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計

壓緊機(jī)構(gòu)由3 個棘爪、環(huán)形槽、一號壓力感應(yīng)器與液壓系統(tǒng)組成。3 個棘爪中，兩個帶有安裝在內(nèi)側(cè)的自動捆綁裝置，一個不帶捆綁裝置，并且3 個棘爪均由液壓系統(tǒng)驅(qū)動。液壓系統(tǒng)由棘爪的液壓缸、液壓桿與銷軸組成，其中棘爪液壓缸與機(jī)架連接，驅(qū)動棘爪液壓桿伸縮，控制棘爪能繞棘爪銷軸轉(zhuǎn)動。收取倉內(nèi)有兩道環(huán)形槽，一號壓力感應(yīng)器安裝在環(huán)形槽口沿。3 個棘爪分別由3 個并聯(lián)的棘爪液壓缸驅(qū)動，棘爪的伸縮抓取與液壓缸伸縮同步進(jìn)行，保證了3 個棘爪的動作同步，從而實(shí)現(xiàn)將一定重量的蘆葦壓實(shí)成捆狀。

1.4 去尖機(jī)構(gòu)設(shè)計

去尖機(jī)構(gòu)由盤形刀具、刀具銷軸、刀具護(hù)罩、刀柄液壓桿、刀柄液壓缸、刀柄擺動液壓桿、刀柄擺動液壓缸、刀柄座導(dǎo)軌、刀柄銷軸、刀柄座、刀柄座液壓桿、刀柄座液壓缸和圖像采集裝置組成。其中，圖像采集裝置安裝在機(jī)架上部靠近擋桿處，用以采集蘆葦尖部圖像。盤形刀具安裝在刀柄液壓桿的刀具銷軸上，由液壓馬達(dá)驅(qū)動。盤形刀具繞刀具銷軸旋轉(zhuǎn)，刀柄液壓缸驅(qū)動刀柄的液壓桿伸縮，控制刀具前后方向的運(yùn)動；刀柄擺動液壓桿與刀柄液壓缸缸體連接，擺動刀柄液壓缸驅(qū)動擺動刀柄液壓桿伸縮，控制刀具左右方向的運(yùn)動，同時控制刀具能繞刀柄銷軸轉(zhuǎn)動；刀柄座與刀柄座導(dǎo)軌配合，刀柄座導(dǎo)軌安裝在機(jī)架上，刀柄座液壓缸驅(qū)動刀柄座液壓桿升降，控制刀具實(shí)現(xiàn)上下方向的運(yùn)動，蘆葦在刀具的反復(fù)運(yùn)動下被輕易地切割。如圖3 所示，盤形刀具垂直于蘆葦稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成整齊的切口，既降低了刀具的損傷同時還避免了切割后蘆葦稈內(nèi)部水分的額外蒸發(fā)，方便物料的長期存儲。去尖機(jī)構(gòu)的主要功能是將集收倉內(nèi)達(dá)到規(guī)定重量、壓緊成捆狀的蘆葦自動去尖。在盤形刀具對蘆葦進(jìn)行去尖作業(yè)時，刀具護(hù)罩將切屑推向裝置外以避免其堵塞刀具運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 盤形刀具切割蘆葦稈圖

2 蘆葦去尖裝置的工作原理

本蘆葦去尖裝置及其自動作業(yè)的詳細(xì)步驟如圖1 所示。借助機(jī)械結(jié)構(gòu)令機(jī)器可以完成蘆葦下部莖稈的切割、上部葉片的去尖以及控制出口定量的捆扎工作，以此提高蘆葦收割的效率。通過下投運(yùn)帶以及上投運(yùn)帶同步向收取倉方向進(jìn)行的循環(huán)運(yùn)動，將預(yù)處理過后的蘆葦稈傳送到收取倉。蘆葦稈只需放置到投運(yùn)機(jī)構(gòu)上，在下投運(yùn)帶以及上投運(yùn)帶的同步運(yùn)動下，下投運(yùn)帶上的矩形槽以及上投運(yùn)帶安裝的圓柱橡膠棒使得蘆葦稈始終處于豎直狀態(tài)。避免傳統(tǒng)人工作業(yè)的枯燥繁瑣，從而利用最少的資源達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)安裝在收取倉底板的二號壓力感應(yīng)器感應(yīng)到收集到的蘆葦稈重量已達(dá)到閾值時，二號壓力感應(yīng)器向壓實(shí)機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，一方面控制擋桿液壓缸驅(qū)動擋桿液壓桿向下運(yùn)動，擋桿則由垂直位置運(yùn)動到水平位置，當(dāng)擋桿處于臨時收集蘆葦稈狀態(tài)時，將收取倉內(nèi)已經(jīng)達(dá)到規(guī)定重量的蘆葦稈和即將送來的蘆葦稈隔開，此時擋桿所收集的蘆稈不影響收取倉內(nèi)的正常收集工作；另一方面是控制3 個棘爪液壓缸驅(qū)動三個棘爪液壓桿伸長，使得3 個棘爪抱緊集收倉內(nèi)達(dá)到規(guī)定重量的蘆葦，壓緊形成捆狀[1]。在整個壓緊過程中二號壓力感應(yīng)器均為傾斜安裝狀態(tài)，其安裝位置靠近且略高于投運(yùn)帶，使脫離投運(yùn)帶的蘆葦稈靠自身重力作用向收取倉靠攏，避免造成蘆葦稈的進(jìn)料堵塞。壓力感應(yīng)器的閾值可根據(jù)企業(yè)回收規(guī)定自行調(diào)整，確保生產(chǎn)的蘆葦捆品質(zhì)穩(wěn)定。在智能監(jiān)測條件下，蘆葦成捆更加緊密化、作業(yè)更加系列化、產(chǎn)品更加標(biāo)準(zhǔn)化，從而滿足農(nóng)業(yè)與工業(yè)的雙重利用需求，提高蘆葦秸稈的綜合利用率。

當(dāng)棘爪施加的壓緊力達(dá)到一號壓力感應(yīng)器壓力閾值時，一號壓力感應(yīng)器向去尖機(jī)構(gòu)發(fā)出信號，控制3 個并聯(lián)的棘爪液壓缸停止驅(qū)動，同時帶有綁扎裝置棘爪開始進(jìn)行綁扎作業(yè)并使盤形刀具繞刀具銷軸旋轉(zhuǎn)。盤形刀具切割蘆葦尖的過程由圖像采集裝置采集蘆葦尖部圖像，再將蘆葦尖部圖像送往圖像采集裝置[12]。圖像采集裝置利用機(jī)器視覺技術(shù)，控制刀具的運(yùn)動軌跡，以達(dá)到完全切割蘆葦尖的目的。如何降低切割過程中刀具的損耗始終是蘆葦去尖裝置效率提升的難題，通過長時間的實(shí)踐驗(yàn)證得出，當(dāng)大量蘆葦被切割時切屑總會隨著盤形刀具的高速旋轉(zhuǎn)向去尖機(jī)構(gòu)內(nèi)部堆積，為此特在刀具外出安裝刀具護(hù)罩對切屑進(jìn)行阻擋。切割過程中形成的切屑隨刀具護(hù)罩推向裝置外部，避免切屑堆積導(dǎo)致刀具磨損加劇。因此加工出的蘆葦稈高度統(tǒng)一、粗細(xì)均勻，符合各項(xiàng)企業(yè)回收要求。通過莖稈切割刀、送料機(jī)構(gòu)、去尖切割刀的排布輸送，令下部莖稈切割后上部葉片在輸送過程中被收攏，從而有效地完成上部葉片的切割；通過各推料機(jī)構(gòu)和捆扎機(jī)構(gòu)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)切割去尖后有序的傾倒并捆扎，莖稈被輸出后葉片也可較好的排出，整體良好的實(shí)現(xiàn)功能，保證蘆葦收割的效率。

3 結(jié)構(gòu)分析

由于蘆葦稈纖維素含量較高且稈莖細(xì)長,施加很小的載荷就會壓扁彎曲，為避免蘆葦稈的再加工產(chǎn)量進(jìn)一步降低，棘爪施加在蘆葦稈上的載荷需嚴(yán)格把控[13]。為了能夠清晰地觀測到蘆葦稈上的載荷施加情況，在蘆葦稈外壁環(huán)式粘貼應(yīng)變片，在捆綁蘆葦稈過程中采用多功能靜態(tài)應(yīng)變儀對蘆葦稈受力情況進(jìn)行監(jiān)測。應(yīng)變片作為重要的敏感元件，其粘貼位置直接影響到測量儀器對于受力測量的準(zhǔn)確性。為此，電阻應(yīng)變片粘貼位置需與蘆葦稈主應(yīng)變方向保持一致。使用四片應(yīng)變片組成電橋工作，這樣既可以將各載荷的影響分離開，還可以有效地提升靈敏度。通過對蘆葦稈受力進(jìn)行載荷試驗(yàn)，反映出棘爪啟動初始階段,當(dāng)施加載荷小于彈力時,此時蘆葦稈可視為一個彈性體,故載荷與形變成正比，隨著載荷的增加,當(dāng)施加載荷大于彈力時,載荷隨著形變呈現(xiàn)先增加再減小的變化趨勢，達(dá)到破壞強(qiáng)度，使得蘆葦稈難以承受外界應(yīng)力，局部出現(xiàn)裂紋甚至稈體斷裂。為避免加工過程中對蘆葦稈進(jìn)行二次損傷，同時也為了能夠精準(zhǔn)地檢測出蘆葦稈的局部應(yīng)力承受極限，對棘爪施加在蘆葦稈上的應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行了多次采集。其采集到的應(yīng)力數(shù)據(jù)根據(jù)3 個為一組的形式，選用其平均數(shù)值以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)穩(wěn)定性。采用三參數(shù)模型來擬合蘆葦稈集收過程的蠕變模型，進(jìn)而導(dǎo)出蠕變方程，見式（1）。

式中：σ——蠕變應(yīng)力；Xt——應(yīng)變；E1——蘆葦稈的彈性系數(shù)；f——材料的特征時間參數(shù)；t——施加載荷時間。

使用多功能靜態(tài)應(yīng)變儀精準(zhǔn)地測量出棘爪施加在蘆葦稈上的載荷后，該載荷條件下蘆葦稈的應(yīng)變也得以直觀地被展現(xiàn)。蠕變是保持應(yīng)力不變而應(yīng)變隨時間發(fā)展的過程,其本質(zhì)為材料形變延遲的過程。在等溫等速條件下，將蠕變模型與應(yīng)力為882Pa 和應(yīng)力為2646Pa 的兩組蠕變試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比，誤差均在4%以內(nèi),說明該模型擬合效果良好。在恒剪切應(yīng)力作用下，蘆葦稈的應(yīng)變逐步提升。如圖4 所示，將模型仿真所得的蘆葦稈受應(yīng)變數(shù)據(jù)情況與實(shí)際測量儀采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。通過對比分析，當(dāng)實(shí)際施加載荷時間t 處于0-3600s 之間時，測量所得的應(yīng)變數(shù)據(jù)始終大于理論所得應(yīng)變數(shù)據(jù)，兩者的誤差最大可達(dá)到3.51%。而當(dāng)實(shí)際施加載荷時間t=3600s 時，理論值與測量值誤差最小僅為0.43%，這種低誤差的狀態(tài)一直持續(xù)到實(shí)際施加載荷時間t=5800s 時。當(dāng)實(shí)際施加載荷時間t 繼續(xù)增加至8000s 的過程中，理論所得應(yīng)變數(shù)據(jù)增長迅猛，測量所得的應(yīng)變數(shù)據(jù)與其的最大誤差又再次增加到2.15%。由于蘆葦?shù)妮S向抗拉性能優(yōu)于徑向或軸向的受壓性能，所以在卷制形成的壓力場條件下，蘆葦束成型速度快，緊實(shí)度容易保證，但若蘆葦投入量過多，徑向卷制時蘆葦束相互擠壓作用變大，易造成蘆葦壓裂，而通過建立模型來測量機(jī)器收割去尖蘆葦?shù)淖罴褢?yīng)變狀態(tài)，更符合蘆葦物料特性，有助于集束時減小對蘆葦?shù)膿p傷。根據(jù)對比分析結(jié)果，應(yīng)變數(shù)據(jù)模型的誤差始終保持在合理范圍內(nèi)。該模型的建立為本裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計驗(yàn)證了預(yù)期所要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動結(jié)果的可能性，為更好地收攏蘆葦高效去尖提供了理論基礎(chǔ)。蘆葦收集采用機(jī)器捆扎、去尖，收集效率大大提高。提升了產(chǎn)品的市場綜合競爭力，極大提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化水平。

圖4 測量值與計算值的對比

4 結(jié)論

本裝置設(shè)計應(yīng)用于蘆葦收割過程的蘆葦去尖與綁扎的過程。成捆更加緊密化，作業(yè)更加系列化，產(chǎn)品更加標(biāo)準(zhǔn)化，機(jī)械更加平民化，搭載更加智能化，均是國內(nèi)外打捆機(jī)械共同的發(fā)展方向，從而滿足農(nóng)業(yè)與工業(yè)利用需求。蘆葦去尖裝置均由簡單的機(jī)械機(jī)構(gòu)組成，具有成本低、裝配簡單快捷、工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠、可一次性完成蘆葦收割工作的特點(diǎn)。目前機(jī)械化收割蘆葦具有廣泛的前景，自動化收割機(jī)器有較高的生產(chǎn)率和工作可靠性，有效減少了加工環(huán)節(jié)中不必要的損失，提升了產(chǎn)品利用率。相較于人工的處理辦法，蘆葦稈的收集產(chǎn)能大幅度提升而且降低了作業(yè)中的安全隱患。據(jù)此，該裝置的研發(fā)大大提高了蘆葦收割的工作效率，降低了工人的勞動強(qiáng)度，同時能夠滿足企業(yè)對蘆葦材料的要求。若該裝置能夠成功產(chǎn)業(yè)化，將會為市場帶來巨大經(jīng)濟(jì)收益，從而促進(jìn)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)更好地發(fā)展。