戶凱亭，林旭翔，高輝松，周永清，薛金林

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京市，210031)

0 引言

黑塌菜屬于葉菜類，主要種植于江蘇省如皋市黑塌菜種植基地。近年來(lái)，隨著如皋市對(duì)黑塌菜種植產(chǎn)業(yè)的大力扶持，黑塌菜的知名度不斷提高，當(dāng)?shù)爻梢?guī)模的黑塌菜種植基地?cái)?shù)量穩(wěn)步增加，如今已經(jīng)成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品的重要組成部分。但是，黑塌菜在收獲過(guò)程對(duì)于勞動(dòng)力的需求高，且由于大量年輕勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移和人口老齡化問(wèn)題的日益凸顯，使得黑塌菜的種植成本逐漸增加、人工短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重[1-2]。

為克服黑塌菜收獲階段的成本問(wèn)題和人工短缺問(wèn)題，提高黑塌菜收獲期的機(jī)械化程度就顯得至關(guān)重要，可是黑塌菜自身形態(tài)與生長(zhǎng)環(huán)境為機(jī)械化收獲帶來(lái)了難度。雖然黑塌菜種植階段投苗機(jī)械成行成列地投苗，但是由于漏播率和后期養(yǎng)料播撒存在不均勻的現(xiàn)象，成熟后的黑塌菜大小不一，行距、株距皆有偏差，且黑塌菜成熟以后，根莖較粗并扎根土下，現(xiàn)有的切割刀具不適于進(jìn)行黑塌菜土下切割作業(yè)，因此不易實(shí)現(xiàn)黑塌菜的機(jī)械化收獲。以如皋市高新區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園種植的黑塌菜為例，所采用的收獲方式仍為人工收獲。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出一些葉菜類收獲機(jī)，如意大利的SLIDE TW型的葉菜類蔬菜收獲機(jī)[3]，韓國(guó)研制的MT-200型葉菜類蔬菜收獲機(jī)[4]，新西蘭研制的一款生菜收獲機(jī)[5]，它們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠，操作方便，但是生產(chǎn)制造精度要求高，造價(jià)昂貴；國(guó)內(nèi)的南通富來(lái)威農(nóng)業(yè)裝備公司研制了一款電動(dòng)葉菜類蔬菜收獲機(jī)[6]，鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局技術(shù)推廣站研發(fā)了4GDS-1.0型的電動(dòng)葉菜類蔬菜收獲機(jī)[7]。但是由于黑塌菜特殊的生長(zhǎng)特點(diǎn)，以上蔬菜收獲機(jī)都不適用于黑塌菜的收獲作業(yè)。

本文針對(duì)如皋地區(qū)黑塌菜的種植特點(diǎn)，旨在提高黑塌菜采收階段的收獲質(zhì)量與機(jī)械化水平，緩和黑塌菜日益增加的需求與嚴(yán)峻的勞動(dòng)力短缺問(wèn)題之間的矛盾，對(duì)黑塌菜收獲過(guò)程進(jìn)行新的研究，設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)履帶式黑塌菜收獲機(jī)。在研究過(guò)程中根據(jù)黑塌菜生物特性完成了黑塌菜收獲機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和功率需求分析，利用ANSYS軟件對(duì)整機(jī)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，證實(shí)了機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性，采用試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，得到了黑塌菜收獲機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 黑塌菜收獲機(jī)設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)方案

1.1 黑塌菜收獲機(jī)設(shè)計(jì)要求

黑塌菜天生耐寒，即使被霜雪覆蓋，依然長(zhǎng)勢(shì)良好，此外，排灌、通風(fēng)良好、肥力均勻的砂壤土是黑塌菜理想的種植環(huán)境，因此，如皋市黑塌菜種植模式多采用露天田地種植。黑塌菜投苗采用人工與機(jī)械投苗相結(jié)合的方式，深耕整地，施足基肥，菜畦分界清晰，黑塌菜成行成列、塌地生長(zhǎng)、株型平展，且黑塌菜根莖較粗，入土較深，而菜葉柔軟、低趴于土表，容易損壞，因此在收獲過(guò)程中，應(yīng)盡量減小對(duì)菜葉的損傷，以上因素是設(shè)計(jì)黑塌菜收獲機(jī)時(shí)必須考慮的問(wèn)題。

根據(jù)黑塌菜的生長(zhǎng)特點(diǎn)和收獲要求，黑塌菜收獲機(jī)應(yīng)滿足5點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：(1)黑塌菜收獲機(jī)在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中，需要考慮坑洼或濕爛地面對(duì)行走裝置和切割裝置帶來(lái)的影響，收獲機(jī)應(yīng)具備田間工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)與結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。(2)為了減少或消除收獲機(jī)的污染排放、踐行綠色環(huán)保的作業(yè)理念，該收獲機(jī)以可循環(huán)充電的動(dòng)力電池作為動(dòng)力源。(3)由于黑塌菜根莖深度不一，收獲作業(yè)時(shí)，收獲機(jī)應(yīng)具備土下切割深度調(diào)節(jié)的能力，以滿足黑塌菜不同生長(zhǎng)狀況的收獲要求。(4)黑塌菜菜葉柔軟，容易損壞，在輸送過(guò)程中應(yīng)盡量減少對(duì)黑塌菜菜葉的損傷。(5)整機(jī)盡量工作靈活，制造簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定和質(zhì)量可靠。

1.2 黑塌菜收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)履帶式黑塌菜收獲機(jī)主要裝置有切割裝置、輸送裝置、割茬高度調(diào)節(jié)裝置、行走裝置以及收集裝置，如圖1所示。切割裝置位于整機(jī)前端，在保證黑塌菜整體完整的情況下切斷根莖；輸送裝置與切割裝置緊密銜接，將切下的黑塌菜低損平穩(wěn)地輸送至收集裝置；收集裝置位于整機(jī)后端，用于盛放輸送來(lái)的黑塌菜；行走裝置位于整機(jī)底端，與地面直接接觸，使收獲機(jī)具備行走的能力；割茬高度調(diào)節(jié)裝置位于行走裝置前端和輸送裝置前端之間，用于調(diào)節(jié)切割裝置的割刀高度。

圖1 整機(jī)設(shè)計(jì)圖Fig. 1 Overall structure of the designed machine1.切割裝置 2.壓持輸送裝置 3.鏈板輸送裝置 4.收集裝置 5.割茬高度調(diào)節(jié)裝置

收獲機(jī)工作時(shí)，由操作人員手扶控制前進(jìn)，根據(jù)黑塌菜的成熟狀況與作業(yè)環(huán)境，實(shí)時(shí)調(diào)整黑塌菜根莖切割深度。隨著收獲機(jī)的前進(jìn)，圓滑托片及柔性壓持裝置將切下的黑塌菜輸送至鏈板輸送帶，柔性壓持裝置的刮板兼具韌性和柔軟度，在黑塌菜傳送過(guò)程中能有效降低對(duì)菜葉的損傷，保證收獲質(zhì)量。鏈板輸送帶在將黑塌菜輸送至收集裝置的過(guò)程中，完成篩土，表1為所設(shè)計(jì)的黑塌菜收獲機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Main design parameters

1.3 收獲機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

1.3.1 切割裝置

切割裝置是黑塌菜收獲機(jī)的核心裝置之一，如圖2所示，主要包括圓盤割刀、直流電機(jī)、減速器與槽鋼支架等。直流電機(jī)是切割裝置的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，嵌于槽鋼支架之中，電機(jī)軸通過(guò)鍵與減速器連接，實(shí)現(xiàn)減速增扭。減速器的輸出軸帶動(dòng)割刀軸運(yùn)動(dòng)，割刀軸的下端通過(guò)短銷與小連接盤剛性連接，圓盤割刀通過(guò)螺栓與小連接盤剛性連接，工作時(shí)，直流電機(jī)帶動(dòng)割刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)圓盤割刀作高速圓周運(yùn)動(dòng)。

圖2 切割裝置的總體結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of the cutting device1.圓盤割刀 2.槽鋼支架 3.直流電機(jī) 4.減速器 5.割刀軸 6.小連接盤

蔬菜收獲機(jī)的切割裝置主要分為以下3種形式：往復(fù)式、圓盤式與帶刀式。本文選擇圓盤式切割裝置的主要原因如下：(1)往復(fù)式割刀在使用過(guò)程中，會(huì)因?yàn)榍懈钏俣容^大而產(chǎn)生明顯的沖擊和振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)被切割的蔬菜和切割傳動(dòng)裝置不利，并且對(duì)于土下切割來(lái)說(shuō)，往復(fù)式割刀容易出現(xiàn)卡齒問(wèn)題，降低割刀的使用壽命[8-9]。(2)圓盤式割刀切割平穩(wěn)，材料在單位時(shí)間內(nèi)受力較為均勻，蔬菜的切口比較平整，振動(dòng)慣性小。對(duì)于本文要求土下切割黑塌菜較粗的根莖，圓盤式割刀能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)切割，且對(duì)菜葉的損傷很小。(3)帶刀式切割裝置制造簡(jiǎn)單，工作性能可靠，但是切割前需要使帶刀的切割速度達(dá)到要求，割刀電機(jī)的頻繁啟停會(huì)導(dǎo)致帶刀的慣性對(duì)切割裝置造成損傷，同時(shí)存在無(wú)用功率損耗大的問(wèn)題[10]。

為了更好地切割黑塌菜根莖，改進(jìn)圓盤割刀結(jié)構(gòu)形式。與其他形狀的切割器相比，鋸齒式割刀刃口鋒利，可以將蔬菜的莖稈輕易切開(kāi)，且切割阻力較小，切口平整，切割效果理想[11-12]。黑塌菜圓盤割刀的外形設(shè)計(jì)采用與螳螂前肢類似的鋸齒形狀，因?yàn)榭茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)螳螂的捕食技術(shù)之所以如此高超，與其前肢上鋒利的鋸齒狀刃口息息相關(guān)[13-14]，圓盤割刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖3所示。

圖3 圓盤割刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig. 3 Structural diagram of parameters of disc cutter

為使圓盤割刀的切割齒均勻分布、消除半齒等不合理的加工要求、提高割刀的切割效果與切割效率，本文設(shè)計(jì)的圓盤割刀關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)滿足以下關(guān)系。

πD=jx1z

(1)

j=h/y1

(2)

式中：D——圓盤割刀直徑，mm；

j——螳螂前臂有效切割齒的擬合優(yōu)化曲線的放大倍數(shù)；

x1——處理前螳螂前臂有效切割齒擬合曲線的寬度，mm；

h——齒深，mm；

z——圓盤割刀齒數(shù)；

y1——處理前螳螂前臂有效切割齒擬合曲線的高度，mm。

式(3)與式(4)是螳螂脛節(jié)的有效切割齒曲線，兩曲線可達(dá)到0.992 5以上的擬合度，精度較高，可以用作圓盤割刀的設(shè)計(jì)參考。

y1=-0.623 36x3+2.447 16x2-2.628 52x+

1.182 55

(3)

y2=28.213 02x3-146.144 2x2+253.302 17x-

146.431 9

(4)

由擬合曲線方程可得x1=1.2，y1=0.4。

為有效切割黑塌菜根莖，圓盤割刀的齒高應(yīng)大于黑塌菜莖葉處的直徑，由黑塌菜的生長(zhǎng)特性可知，該處直徑的最大值為15.68 mm，所以h≥15.68，于是將圓盤割刀的齒深h設(shè)計(jì)為16 mm。

代入式(2)可得j=h/y1=16/0.4=40。

D=48z/π

(5)

當(dāng)圓盤割刀的轉(zhuǎn)速不變時(shí)，增大刀盤的直徑，可以有效提高切割刃口的線速度與圓盤割刀的切割效果，使黑塌菜的根莖更容易被切下，綜合考慮黑塌菜種植行距、株距，以及切割裝置的尺寸，將圓盤割刀的直徑D設(shè)計(jì)為300 mm。

通過(guò)以上計(jì)算，最終D取300 mm，h取16 mm，z取20，查閱相關(guān)資料可知，最佳的割刀刃角[15-16]選取范圍為10°～15°，考慮到土下切割黑塌菜根莖的情況，本文將圓盤割刀的刃角α設(shè)計(jì)為10°。

1.3.2 整體輸送裝置

整體輸送裝置如圖4所示，主要包括輸送電機(jī)、鏈板輸送裝置、壓持輸送裝置和三組托片，其功能是將切割后的黑塌菜低損、平穩(wěn)、高效地輸送到收集裝置。

圖4 輸送裝置總體結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of the conveying device1.輸送電機(jī) 2.鏈板輸送裝置主動(dòng)軸 3.鏈板輸送裝置從動(dòng)軸 4.壓持輸送裝置主動(dòng)軸 5.彎板鏈條 6.托片 7.壓持輸送裝置從動(dòng)軸 8.壓持輸送裝置從動(dòng)齒輪 9.刮板 10.壓持輸送裝置主動(dòng)齒輪 11.鏈板輸送裝置從動(dòng)鏈輪 12.輸送鏈板 13.鏈板輸送裝置主動(dòng)鏈輪

鏈板輸送裝置主要由鏈板輸送裝置主動(dòng)鏈輪、鏈板輸送裝置主動(dòng)軸、鏈板輸送裝置從動(dòng)軸、鏈板輸送裝置從動(dòng)鏈輪、彎板鏈條與輸送鏈板組成；壓持輸送裝置包含壓持輸送裝置主動(dòng)鏈輪、壓持輸送裝置主動(dòng)軸、壓持輸送裝置從動(dòng)軸、壓持輸送裝置從動(dòng)鏈輪、彎板鏈條與刮板等，位于前端三組托片的上方，具體情況如圖5所示。

圖5 輸送裝置布局Fig. 5 Layout of the conveying device1.鏈板輸送裝置 2.壓持輸送裝置 3.托片

輸送電機(jī)為鏈板輸送裝置與壓持輸送裝置提供動(dòng)力，壓持輸送裝置中刮板連續(xù)運(yùn)動(dòng)將黑塌菜沿著托片向上刮送，當(dāng)黑塌菜被刮送到鏈板輸送裝置時(shí)，再由輸送鏈板將黑塌菜輸送至收集裝置。圖5中θ1為壓持輸送帶與水平地面間的夾角；θ2為鏈板輸送帶與水平地面間的夾角。

圖6是黑塌菜根莖切割時(shí)的受力示意圖，θ角的大小不僅影響托片對(duì)黑塌菜的支持力F，還會(huì)影響壓持裝置對(duì)黑塌菜的撥力P，如果該角度過(guò)大，會(huì)使切割后的黑塌菜無(wú)法進(jìn)入輸送裝置，從而在輸送裝置的前端產(chǎn)生堆積現(xiàn)象；如果該角度太小，在輸送距離不變的情況下會(huì)導(dǎo)致收獲機(jī)后方高度降低，使手扶作業(yè)人員感到不適。圖6中G為黑塌菜所受的重力，N；F為托片對(duì)黑塌菜的支持力，N；θ為輸送帶與水平地面間的夾角，(°)；P為壓持裝置對(duì)黑塌菜的撥力，N。

圖6 黑塌菜受力分析圖Fig. 6 Stress analysis diagram of black leaf-drooped vegetable

查閱蔬菜收獲機(jī)的資料可知，輸送帶傾角的范圍為20°～40°，根據(jù)黑塌菜收獲要求和設(shè)計(jì)要求，確定鏈板輸送帶的傾斜角度θ2取25°。

壓持輸送帶需要對(duì)黑塌菜產(chǎn)生有效的撥力，同時(shí)壓持輸送帶的后端要略微上揚(yáng)，避免阻礙到黑塌菜從托片向鏈板輸送帶的過(guò)渡，綜合考慮，壓持輸送帶的傾斜角度θ1取30°。

1.3.3 割茬高度調(diào)節(jié)裝置

割茬高度調(diào)節(jié)裝置主要由兩根電動(dòng)推桿組成，當(dāng)黑塌菜收獲機(jī)工作時(shí)，通過(guò)收獲機(jī)扶手處的控制面板按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)兩根電動(dòng)推桿的控制，使兩根電動(dòng)推桿以同速或差速伸長(zhǎng)或縮回，從而實(shí)現(xiàn)切割裝置與輸送裝置的高度調(diào)節(jié)。當(dāng)黑塌菜收獲機(jī)在田間行駛時(shí)因地面高低不平導(dǎo)致兩側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)傾斜時(shí)，可以單獨(dú)控制其中一根電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)或縮回，從而使切割裝置始終以水平的姿態(tài)進(jìn)行切割作業(yè)。

圖7為割茬高度調(diào)節(jié)裝置的工作情況，表明了割茬高度調(diào)節(jié)裝置在兩種極限工作情況下的位置關(guān)系，即切割裝置的最低工作姿態(tài)和最高工作姿態(tài)。

(a) 最低工作姿態(tài)

(b) 最高工作姿態(tài)圖7 割茬高度調(diào)節(jié)裝置工作簡(jiǎn)圖Fig. 7 Work diagram of stubble height adjustment device

1.4 各裝置功耗需求分析

1.4.1 切割裝置功率分析

圓盤式切割裝置的功率消耗P1[17]用式(6)表示。

P1=kE1S

(6)

式中：k——常量系數(shù)；

E1——準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)下切割裝置切割單棵黑塌菜消耗的能量，J；

S——在單位時(shí)間內(nèi)所能切下黑塌菜的棵數(shù)，棵/s。

考慮到土下切割方式與圓盤割刀形式，系數(shù)k取1.9；根據(jù)黑塌菜根莖的剪切性能試驗(yàn)，E1取0.8；根據(jù)黑塌菜收獲機(jī)的切割速度和前進(jìn)速度，S取0.8棵/s。將數(shù)據(jù)代入式(6)可得P1=1.216 kW。

1.4.2 輸送裝置功率分析

輸送裝置的功率消耗P2主要包括鏈板輸送裝置功率Pd和壓持輸送裝置功率Py兩個(gè)部分，根據(jù)式(7)計(jì)算鏈板輸送裝置功率Pd。

Pd=Mg(Lf0+H)/103

(7)

式中：M——單位時(shí)間內(nèi)輸送帶所能運(yùn)輸黑塌菜的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

L——輸送帶在車輛水平前進(jìn)方向上的投影距離，m；

H——輸送帶的垂直高度，m；

f0——運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù)。

取M=6 kg，g=9.8 m/s2，L=0.950 m，H=0.60 m，f0=2.25，代入式(7)計(jì)算可得Pd=0.164 kW。

壓持裝置功率Py按式(8)計(jì)算。

Py=Tw/N=F1Rw/N

(8)

式中：T——壓持裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的阻力矩，T=F1R，N·m；

F1——壓持裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的阻力，N；

R——壓持裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的圓弧半徑，mm；

w——壓持裝置輸送帶運(yùn)動(dòng)的角速度，rad/s；

N——?jiǎng)恿ο禂?shù)。

取F1=60 N，R=61 mm，w=0.4 rad/s，N=50，代入式(8)可得Py=0.029 3 kW。

因此，輸送裝置的總功率P2=Pd+Py=0.164+0.029=0.193 kW。

1.4.3 割茬高度調(diào)節(jié)裝置所需功率分析

割茬高度調(diào)節(jié)裝置使用電動(dòng)推桿，其功率P3采用極限位置法確定，即在極限情況下，由電動(dòng)推桿單獨(dú)支撐起機(jī)架、切割裝置及輸送裝置。

P3=F2v

(9)

式中：F2——電動(dòng)推桿推動(dòng)過(guò)程中的載荷，N；

v——電動(dòng)推桿推動(dòng)速度，m/s。

取F2=1 000 N，v=0.01 m/s，代入式(9)計(jì)算可得P3=0.01 kW。

1.4.4 行走裝置所需功率分析

行走裝置功率P4與黑塌菜收獲機(jī)的行走速度、整機(jī)質(zhì)量與土壤狀況有關(guān)。

P4=(mgf1v1/η)×10-3

(10)

式中：m——黑塌菜收獲機(jī)滿載時(shí)的總質(zhì)量，kg；

f1——行走阻力系數(shù)；

v1——黑塌菜收獲機(jī)的行走速度，m/s；

η——行走裝置的傳動(dòng)效率。

考慮到土下收獲時(shí)整機(jī)的行走阻力較大，取m=370 kg，f1=0.45，v1=0.3 m/s，η=0.98，代入式(10)可得P4=0.499 5 kW。

1.4.5 電機(jī)選型

根據(jù)黑塌菜收獲機(jī)的設(shè)計(jì)要求與作業(yè)環(huán)境，本文的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、割刀電機(jī)和輸送電機(jī)均選擇直流電機(jī)。黑塌菜收獲機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用MY1020型直流電機(jī)；切割裝置由3組圓盤式割刀組成，并且3組割刀由3個(gè)相同的電機(jī)獨(dú)立控制，本文選用型號(hào)為80BL100S50-430TK9直流電機(jī)；輸送電機(jī)選用80BL100S40-430TK9型直流電機(jī)，所選電機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。

表2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)Tab. 2 Main parameters of Driving motor

2 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜力學(xué)仿真分析

2.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黑塌菜收獲機(jī)的機(jī)架是整機(jī)的載體，其作用主要是將各個(gè)裝置連接成一個(gè)有機(jī)的整體，同時(shí)承載各機(jī)構(gòu)的負(fù)荷和質(zhì)量，根據(jù)特定的位置關(guān)系、約束關(guān)系與作業(yè)要求，將切割、輸送、行走與割茬高度調(diào)節(jié)裝置安裝在機(jī)架的相應(yīng)位置[18]。在確保所有裝置正確安裝的前提下，機(jī)架的結(jié)構(gòu)、制造工藝和加工流程應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，考慮到節(jié)約成本與綠色制造的要求，收獲機(jī)的機(jī)架主要選用普通鋼鈑金和方管。

機(jī)架主要由壁厚為3 mm的Q235A鋼材空心方管、2 mm厚的鈑金側(cè)板以及3 mm的底盤鋼板焊合而成。機(jī)架上部的主要作用是安裝輸送裝置，為主、從動(dòng)軸的布置提供安裝空間；在機(jī)架下方底盤鋼板兩側(cè)，安裝有行走裝置，同時(shí)鋼板用來(lái)安置動(dòng)力電池，鋼板的后方安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器；在機(jī)架的前端，安裝有切割裝置的槽鋼支架和用來(lái)安裝托片的槽鋼橫梁；在機(jī)架槽鋼橫梁的后方，具有用來(lái)安裝割茬高度調(diào)節(jié)裝置電動(dòng)推桿的耳板；在機(jī)架的后方安裝有收集裝置，可對(duì)黑塌菜進(jìn)行收集。

2.2 機(jī)架的結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析

為了直觀量化地分析機(jī)架在穩(wěn)定載荷作用下產(chǎn)生的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等情況，本文選擇利用ANSYS軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析[19-20]。在ANSYS-Workbench中導(dǎo)入機(jī)架實(shí)體模型，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分的方式，并將單元尺寸Element Size設(shè)置為0.01 m，其余參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)值，不加修改。網(wǎng)格劃分后，為機(jī)架添加約束和載荷，在機(jī)架底板的下方、后端方管以及扶手處添加Fixed Support固定約束，保持機(jī)架固定狀態(tài)，避免仿真分析報(bào)錯(cuò)。機(jī)架底板和左、右側(cè)板承載著收獲機(jī)的整體負(fù)荷，考慮到各部位的承載情況，機(jī)架底板承受著動(dòng)力電池的重量，取400 N；左、右側(cè)板前端共同承受著切割裝置的重量，各取125 N；槽鋼橫梁承受著三組托片的重量，取50 N；兩側(cè)側(cè)板上主、從動(dòng)軸的安裝孔承載主、從動(dòng)軸的重量，各取10 N。選擇求解器計(jì)算，查看分析結(jié)果和相應(yīng)的云圖。本仿真試驗(yàn)主要探析機(jī)架在負(fù)載情況下的變形與受力情況，求解完成后通過(guò)總體位移云圖和應(yīng)力云圖觀察機(jī)架的變形和應(yīng)力情況。

機(jī)架的總體位移云圖如圖8所示，通過(guò)位移云圖可知，由于兩側(cè)側(cè)板前端承載的切割裝置質(zhì)量較大，所以此處的變形量最大，為0.929 mm，但該變形量對(duì)于機(jī)架整體尺寸來(lái)說(shuō)非常小，可以接受。通過(guò)結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析可知，黑塌菜收獲機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在正常負(fù)載的情況下不會(huì)出現(xiàn)較大的變形。

圖8 機(jī)架總體位移云圖Fig. 8 Total deformation nephogram of frame

機(jī)架的等效應(yīng)力云圖如圖9所示，通過(guò)應(yīng)力云圖可知，機(jī)架整體所受的等效應(yīng)力較小，且沒(méi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，連接板后端的等效應(yīng)力最大。如圖10所示，最大等效應(yīng)力值為117.8 MPa，在Q235A鋼材的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，機(jī)架的設(shè)計(jì)滿足黑塌菜收獲機(jī)設(shè)計(jì)要求。

圖9 機(jī)架等效應(yīng)力云圖Fig. 9 Equivalent stress nephogram of frame

圖10 機(jī)架最大等效應(yīng)力位置Fig. 10 Maximum equivalent stress position of frame

3 黑塌菜收獲機(jī)樣機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證黑塌菜收獲機(jī)工作性能，以收獲效率與漏割率為性能指標(biāo)開(kāi)展相應(yīng)的田間收獲試驗(yàn)。

1) 收獲效率。收獲效率指單位時(shí)間內(nèi)的作業(yè)面積。首先選擇一塊合適的田地作為黑塌菜收獲機(jī)試驗(yàn)區(qū)域，當(dāng)收獲機(jī)正常穩(wěn)定地收獲時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到收獲作業(yè)結(jié)束，作業(yè)面積與時(shí)間的比值即為黑塌菜收獲機(jī)的收獲效率。

2) 漏割率。漏割率C指在劃定的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，收獲機(jī)作業(yè)后未被收獲的黑塌菜數(shù)量與試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)總的黑塌菜數(shù)量之比。選擇一塊合適的田地作為試驗(yàn)區(qū)域，試驗(yàn)前清點(diǎn)并記錄該試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)黑塌菜的總數(shù)量B1，收獲作業(yè)結(jié)束后清點(diǎn)并記錄未被切割的黑塌菜數(shù)量B2。

C=B2/B1×100%

(11)

3) 經(jīng)濟(jì)性分析。傳統(tǒng)收獲機(jī)械采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，本文的黑塌菜收獲機(jī)以動(dòng)力電池作為動(dòng)力源。為探究收獲機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算黑塌菜收獲機(jī)收獲作業(yè)過(guò)程中整機(jī)的耗電量W，耗電量可按式(12)進(jìn)行計(jì)算。

W=Pt

(12)

式中：P——黑塌菜收獲機(jī)所用電機(jī)的總功率，kW；

t——黑塌菜收獲機(jī)的作業(yè)時(shí)間，h。

按照以上分析方法，以江蘇省如皋市黑塌菜種植基地的黑塌菜種植田為試驗(yàn)區(qū)域開(kāi)展黑塌菜收獲機(jī)性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)收獲效果。本文試驗(yàn)選擇兩塊形狀相似的黑塌菜種植區(qū)域，每個(gè)種植區(qū)域長(zhǎng)50 m，寬4 m，土壤為砂壤土，土粒松散，本機(jī)的履帶行走裝置可以很好地適應(yīng)作業(yè)環(huán)境。

首先，清點(diǎn)并記錄兩塊試驗(yàn)田內(nèi)黑塌菜的總棵數(shù)，通過(guò)電動(dòng)推桿改變割茬高度分別完成土下和土表的收獲作業(yè)。收獲完成后，再次清點(diǎn)并記錄以兩種切割方式收獲后區(qū)域內(nèi)未被切割的黑塌菜數(shù)量，通過(guò)漏割率計(jì)算公式分別求得兩種切割方式下的漏割率。其次，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)選擇三塊10 m×3 m的小區(qū)域，測(cè)量并記錄這些小區(qū)域內(nèi)被切割黑塌菜殘余的根莖高度，取其平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的割茬高度。然后，根據(jù)計(jì)時(shí)得到收獲機(jī)在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的作業(yè)時(shí)間，經(jīng)過(guò)計(jì)算求得收獲機(jī)的收獲效率，最后，依據(jù)前文的功率分析，計(jì)算滿負(fù)荷工作狀態(tài)下收獲機(jī)完成收獲作業(yè)所耗費(fèi)的電量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)3.1小節(jié)計(jì)算公式可得收獲機(jī)收獲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知收獲機(jī)土下切割作業(yè)的平均割茬高度為10.5 mm，漏割率為3.5%，收獲效率為0.09 hm2/h，耗電量為0.64 kW·h。黑塌菜收獲機(jī)在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的耗電量約為28.77(kW·h)/hm2，若平均電價(jià)為0.51元/(kW·h)，所研制的小型電動(dòng)履帶式黑塌菜收獲機(jī)收獲每公頃黑塌菜的成本為14.67元，這相對(duì)于人工收獲來(lái)說(shuō)大大降低了勞動(dòng)成本，且收獲全程無(wú)污染排放。此外為探究黑塌菜收獲機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)整機(jī)生產(chǎn)成本和使用成本進(jìn)行分析，生產(chǎn)成本主要包括用于購(gòu)買鈑金件、方管、履帶底盤、變速器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器套裝、鏈輪、彎板鏈條等外購(gòu)件的費(fèi)用(1.0萬(wàn)元)，以及工時(shí)成本(0.8萬(wàn)元)，整機(jī)的總成本約為2.4萬(wàn)元。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研了解到，類似的小型蔬菜收獲機(jī)的售價(jià)約為5萬(wàn)元左右，對(duì)比之下，本文設(shè)計(jì)的小型電動(dòng)黑塌菜收獲機(jī)在成本方面有很大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文考慮到江蘇省如皋市地區(qū)黑塌菜成行成列種植、塌地生長(zhǎng)、菜葉低趴于土表、菜葉柔軟易損、根莖粗壯等生長(zhǎng)特點(diǎn)，參照國(guó)內(nèi)外SLLDE TW、MT-200與4GDS-1.0等葉菜類蔬菜收獲機(jī)械，設(shè)計(jì)研制了一款具有土下收獲作業(yè)功能的小型電動(dòng)履帶式黑塌菜收獲機(jī)，主要設(shè)計(jì)的關(guān)鍵裝置包括切割裝置、輸送裝置和割茬高度調(diào)節(jié)裝置，該黑塌菜收獲機(jī)集黑塌菜切割、輸送及收集功能于一體。對(duì)收獲機(jī)關(guān)鍵裝置功耗進(jìn)行需求分析，并選擇合適的電機(jī)作為動(dòng)力源；利用ANSYS有限元軟件對(duì)收獲機(jī)整機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，由分析結(jié)果可知收獲機(jī)機(jī)架的最大變形量為0.929 mm，最大等效應(yīng)力值為117.8 MPa，形變和受力情況均在合理范圍內(nèi)，證明了機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性。為了驗(yàn)證黑塌菜收獲機(jī)的工作性能，在如皋市黑塌菜種植基地進(jìn)行收獲試驗(yàn)，以收獲效率和漏割率作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果表明收獲機(jī)實(shí)際工作時(shí)漏割率為3.5%，收獲效率為0.09 hm2/h，平均割茬高度為10.5 mm，能夠很好地完成黑塌菜的收獲作業(yè)，提高黑塌菜收獲效率，減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足收獲要求。黑塌菜收獲機(jī)收獲每公頃黑塌菜的成本為14.67元，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益高，而且機(jī)器生產(chǎn)制造成本低，對(duì)推動(dòng)地區(qū)蔬菜種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將具有深遠(yuǎn)的意義，可用作如皋地區(qū)黑塌菜收獲機(jī)械的參考樣機(jī)。