韓長杰 刁宏偉 仇世龍 朱興亮 張 靜 袁盼盼

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052； 2.新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 烏魯木齊 830052)

0 引言

食葵是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，營養(yǎng)豐富，常作為休閑食品流通，種植范圍遍及東北、西北、華北等地，種植面積常年在5.0×105hm2左右，產(chǎn)量約1.52×106t[1-3]。目前，新疆普遍種植的食葵品種為“SH363”，采用大小行覆膜種植模式，大行距90 cm，小行距40 cm[4]；由于成熟期食葵的含水率高，采收多采用分段式的收獲模式，由人工割下葵花盤，將葵稈從中間切斷，再把葵花盤插到葵稈上進(jìn)行自然晾曬，晾曬5～7 d后進(jìn)行取盤和脫粒作業(yè)[5-8]；插盤晾曬后的食葵取盤作業(yè)主要依靠人工完成，勞動強(qiáng)度大，效率低，容易錯過最佳采收期從而導(dǎo)致食葵產(chǎn)量及品質(zhì)下降[9-11]。

國內(nèi)外現(xiàn)有的食葵機(jī)械收獲方式分為聯(lián)合式收獲和分段式收獲[12-13]。國外由于食葵品種及氣候等原因多采用專用割臺對食葵進(jìn)行聯(lián)合式收獲作業(yè)，機(jī)械化水平較高[14-17]，如美國Capello公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的Helianthus9400系列葵花聯(lián)合收獲機(jī)、俄羅斯Rostselmash公司設(shè)計(jì)的Falcon系列葵花收獲專用割臺、意大利Fantini公司設(shè)計(jì)的G3系列葵花收獲專用割臺等[18]。國內(nèi)食葵成熟期含水率較高，不適宜采用聯(lián)合式收獲作業(yè)，多采用分段式收獲方式。分段收獲作業(yè)主要依靠人工取盤，配合自走式的脫粒機(jī)械完成食葵的收獲作業(yè)，其中具有代表性的食葵收獲機(jī)型有新疆豐達(dá)機(jī)械制造有限公司設(shè)計(jì)的食葵收獲機(jī)，由人工將葵盤取下拋入與脫粒裝置相連的料斗中，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但取盤作業(yè)依靠人工，勞動強(qiáng)度大[19]；內(nèi)蒙古托克托縣宏昌機(jī)械制造有限公司和巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院聯(lián)合研制的4ZXRKS-4型食葵收獲機(jī)，該機(jī)對傳統(tǒng)谷物聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行改制，撥禾鏈強(qiáng)制喂入以及拉莖輥下拉莖桿的過程中產(chǎn)生了較大的沖擊，容易造成葵花籽粒的脫落損失[20-21]；文獻(xiàn)[22-23]設(shè)計(jì)的食葵收獲割臺，可以適應(yīng)食葵分段式收獲的作業(yè)方式，但取盤過程中由于撥禾輪的沖擊較大，會造成食葵盤掉落及籽粒脫落損失的情況。國外聯(lián)合式收獲雖然工作效率高，但與國內(nèi)新疆等地分段式收獲的農(nóng)藝不適配；國內(nèi)對小麥、玉米、大豆、油葵等收獲機(jī)械研究較多，但對食葵收獲機(jī)械的研究較少，因此，研究食葵的機(jī)械化取盤裝備具有重要意義。

為了減少人力投入、降低取盤作業(yè)過程中的籽粒損失，本文基于人工取盤原理設(shè)計(jì)一種食葵取盤裝置[24]，主要包括輸送鏈?zhǔn)饺”P機(jī)構(gòu)和托盤組件，可以沿豎直方向?qū)⒖P拔起并拋送至集料倉中，確定機(jī)具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，以期為分段式收獲模式下食葵取盤裝備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

食葵取盤裝置主要由分禾器、轉(zhuǎn)向輪、取盤機(jī)構(gòu)、地輪、傳動機(jī)構(gòu)、集料倉、牽引架、機(jī)架等組成，如圖1所示。分禾器位于機(jī)具最前方，分禾器后方裝有取盤機(jī)構(gòu)，取盤機(jī)構(gòu)末端下方為集料倉，地輪、轉(zhuǎn)向輪、牽引架及其他相關(guān)輔助部件安裝在機(jī)架上。

圖1 食葵取盤裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of edible sunflower plate taking device1.分禾器 2.轉(zhuǎn)向輪 3.取盤機(jī)構(gòu) 4.地輪 5.傳動機(jī)構(gòu) 6.集料倉 7.牽引架 8.機(jī)架

取盤裝置的動力由地輪提供，地輪通過鏈傳動與中間傳動軸相連，中間傳動軸上的齒輪與取盤機(jī)構(gòu)主動鏈輪軸上的齒輪嚙合，改變動力的方向并把動力傳遞給輸送鏈條。取盤裝置工作時，插盤狀態(tài)下的葵稈在分禾器作用下進(jìn)入取盤機(jī)構(gòu)，葵盤被取盤機(jī)構(gòu)拔起并拋送至集料倉中，完成插盤狀態(tài)下的食葵盤收取作業(yè)。

該裝置模擬人工取盤時沿葵稈方向拔起葵盤的動作和路徑(圖2)，利用托盤桿和輸送鏈條形成的托盤網(wǎng)格將葵盤托住，通過設(shè)置地輪與輸送鏈條之間的傳動比實(shí)現(xiàn)沿葵稈方向向上拔起葵盤，拋送位置下方設(shè)置集料倉及時接住葵盤和脫落的籽粒，實(shí)現(xiàn)插盤食葵的喂入、拔起、輸送、拋送、收集過程。

圖2 人工取盤示意圖Fig.2 Schematic of manual plate taking1.葵稈 2.葵盤 3.籽粒 a.抓取過程 b. 拔起過程 c. 拋送過程

綜合考慮食葵物理特性、種植模式、收獲要求，并參照葵花生產(chǎn)操作技術(shù)規(guī)范，確定了整機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main parameters

2 取盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

取盤機(jī)構(gòu)主要包括前翻轉(zhuǎn)控制凸輪、輸送鏈條、主動鏈輪、從動鏈輪、張緊輪、后翻轉(zhuǎn)控制凸輪、托盤組件、鏈條支承板、限位導(dǎo)桿等，如圖3所示。作業(yè)時，葵稈進(jìn)入兩輸送鏈條之間的取盤通道內(nèi)，托盤桿和輸送鏈條形成托盤網(wǎng)格將葵稈包住，并沿葵稈方向逐漸將葵盤拔起與葵稈完全分離，取下的葵盤隨輸送鏈條運(yùn)動至取盤機(jī)構(gòu)后方并被拋送至集料倉中。

圖3 取盤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of plate taking mechanism1.前翻轉(zhuǎn)控制凸輪 2.從動鏈輪 3.托盤組件 4.鏈條支承板 5.張緊輪 6.輸送鏈條 7.限位導(dǎo)桿 8.傳動機(jī)構(gòu) 9.機(jī)架 10.后翻轉(zhuǎn)控制凸輪 11.主動鏈輪

根據(jù)食葵盤直徑為150～330 mm，托盤桿與輸送鏈條形成的托盤網(wǎng)格長度和寬度需小于150 mm，取左右交錯布置的兩相鄰?fù)斜P桿間距為130 mm；根據(jù)食葵種植小行距為400 mm，設(shè)置取盤機(jī)構(gòu)機(jī)架內(nèi)側(cè)間距為350 mm；鏈條支承板起到支承鏈條的作用，使鏈條保持傾斜直線狀態(tài)；根據(jù)食葵莖稈直徑為22～75 mm，設(shè)計(jì)兩輸送鏈條之間形成的取盤通道寬度為100 mm；限位導(dǎo)桿位于輸送鏈條邊緣，保持葵稈處于取盤通道中間位置，防止葵稈橫向傾斜被輸送鏈條松邊的鏈條鏈耳回帶造成沖擊，導(dǎo)致籽粒脫落損失。參考田間食葵的插盤高度及前期測定的葵盤在鋼板上的摩擦角，根據(jù)整機(jī)空間位置設(shè)置主動鏈輪與從動鏈輪軸心的水平距離為1 000 mm、豎直距離為365 mm，從動鏈輪軸心離地高度為585 mm，取盤高度可調(diào)。

2.1 工作過程

根據(jù)人工取盤作業(yè)時的動作和路徑，設(shè)計(jì)食葵取盤裝置的工作過程主要分為喂入階段、拔起階段、輸送階段和拋送階段，如圖4所示。取盤作業(yè)過程中托盤桿在輸送鏈條上方保持伸出狀態(tài)，用于拔起葵盤；在輸送鏈條下方保持收回狀態(tài)，避免推倒未收獲的葵稈。

圖4 取盤輸送原理圖Fig.4 Schematic of plate taking and conveying1.前翻轉(zhuǎn)控制凸輪 2.葵稈 3.葵盤 4.托盤桿(收回狀態(tài)) 5.輸送鏈條 6.托盤桿(伸出狀態(tài)) 7.后翻轉(zhuǎn)控制凸輪 8.主動鏈輪

喂入階段：隨著機(jī)具前進(jìn)，葵稈在點(diǎn)A進(jìn)入取盤通道，托盤桿碰到前翻轉(zhuǎn)控制凸輪發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，與輸送鏈條形成托盤網(wǎng)格，并將葵稈喂入托盤網(wǎng)格內(nèi)。

拔起階段：點(diǎn)B至點(diǎn)C為葵盤的拔起階段，隨機(jī)具前進(jìn)，托盤桿逐漸靠近葵盤底部，直至托住葵盤沿葵稈方向運(yùn)動，將葵盤完全拔起與葵稈分離，完成拔起作業(yè)。托盤桿對葵盤的拔起運(yùn)動是輸送鏈條的傾斜直線運(yùn)動與機(jī)具水平直線運(yùn)動的合成運(yùn)動，機(jī)具的水平直線運(yùn)動對葵稈產(chǎn)生向前的推力F1，輸送鏈條的傾斜直線運(yùn)動對葵稈產(chǎn)生斜向后的拉力F2，F(xiàn)3是F2的豎直分力，葵盤與葵稈間的相對運(yùn)動產(chǎn)生了表面摩擦力F4。

拔起階段葵稈受到機(jī)具前進(jìn)的推力F1和輸送鏈條斜向后的拉力F2作用，當(dāng)拉力的水平分力與推力大小相等時，葵稈保持豎直狀態(tài)，葵盤受力滿足F3>F4+G，葵盤被拔起。當(dāng)葵稈所受拉力的水平分力與機(jī)具前進(jìn)推力不相等時，葵稈逐漸傾斜，葵盤與葵稈間摩擦力的方向沿葵稈傾斜方向。

輸送階段：點(diǎn)C至點(diǎn)D為葵盤的輸送階段，葵盤被托盤桿拔起至完全與葵稈分離后，葵盤鋪放在托盤桿上，此時葵盤受到托盤桿支持力F6、重力G、葵盤與托盤桿之間的摩擦力F5作用，葵盤隨輸送鏈條向后方輸送。

拋送階段：葵盤在點(diǎn)D進(jìn)入拋送階段，葵盤運(yùn)動至輸送鏈條后上方，托盤機(jī)構(gòu)運(yùn)動至主動鏈輪圓周位置進(jìn)行整體翻轉(zhuǎn)，葵盤在自身重力和托盤桿推力作用下，被拋送至集料倉內(nèi)，此時葵盤受到的離心力大于葵盤與托盤桿之間的摩擦力。

2.2 運(yùn)動學(xué)分析

為保證取盤裝置工作時籽粒損失少，輸送鏈條速度需要與機(jī)具前進(jìn)速度相匹配。以插盤狀態(tài)下的葵稈為研究對象，對其運(yùn)動過程分析，如圖5所示。A0為葵稈喂入時托盤桿與葵稈接觸的初始位置；A1、A2、A3為葵稈后傾、豎直、前傾時點(diǎn)A0沿水平方向移動后的位置；B1、B2、B3為葵稈后傾、豎直、前傾時點(diǎn)A0沿輸送鏈條方向移動后的位置；D3為葵稈前傾時托盤桿與第2根葵稈的接觸位置；va1、vb1、vc1為葵稈后傾時機(jī)具前進(jìn)速度、輸送鏈條速度、托盤桿絕對速度；va2、vb2、vc2為葵稈豎直時機(jī)具前進(jìn)速度、輸送鏈條速度、托盤桿絕對速度；va3、vb3、vc3為葵稈前傾時機(jī)具前進(jìn)速度、輸送鏈條速度、托盤桿絕對速度；S1為輸送機(jī)構(gòu)從動鏈輪軸心的離地高度；S2、S3為輸送機(jī)構(gòu)主動鏈輪與從動鏈輪軸心的豎直距離、水平距離；O1、O2為相鄰兩葵稈與地面接觸點(diǎn)；θ為葵稈傾斜角度；L為葵稈長度；α為輸送鏈條與水平面的夾角，α=20°。

圖5 取盤機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖Fig.5 Motion diagrams of plate taking mechanism

取盤時固定在輸送鏈條上的托盤桿對葵盤及葵稈的速度是輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的合成速度，其滿足條件

vc=va+vb

(1)

(2)

式中va——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

vb——輸送鏈條線速度，m/s

vc——托盤桿絕對速度，m/s

λ——輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度速比

在合速度作用下，葵稈會形成后傾、豎直、前傾3種姿態(tài)。葵稈后傾時，vb的水平分速度大于機(jī)具前進(jìn)速度va，托盤桿的絕對速度vc斜向后，在輸送鏈條緊邊，葵稈被托盤桿向后推，葵盤與輸送鏈條為側(cè)邊接觸，接觸位置受到斜向后的沖擊，葵盤籽粒面發(fā)生20°+θ的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度較大，但輸送效率較快；葵稈豎直時，vb的水平分速度與機(jī)具前進(jìn)速度va大小相等方向相反，此時在輸送鏈條緊邊，托盤桿的絕對速度vc沿豎直向上方向，托盤桿相對葵稈不發(fā)生水平方向移動，對葵稈不產(chǎn)生沖擊，但葵盤被收取時，葵盤與輸送鏈條為側(cè)邊接觸，接觸位置受到豎直方向的沖擊，葵盤籽粒面發(fā)生20°的翻轉(zhuǎn)；葵稈前傾時，vb的水平分速度小于機(jī)具前進(jìn)速度va，托盤桿的絕對速度vc斜向前，在輸送鏈條緊邊，葵稈被托盤桿向前推，葵盤與輸送鏈條為底面接觸，接觸位置受到斜向前的沖擊，葵盤籽粒面發(fā)生20°-θ的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度較小，但輸送效率較低。當(dāng)θ=20°時，即葵稈后傾(-20°)、豎直(0°)、前傾(20°)3種狀態(tài)下，輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的速比關(guān)系為

(3)

(4)

(5)

式中λ1——葵稈后傾(-20°)時輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的速比

λ2——葵稈豎直(0°)時輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的速比

λ3——葵稈前傾(20°)時輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的速比

根據(jù)田間食葵的插盤高度取葵稈L=1 000 mm，依據(jù)機(jī)具設(shè)計(jì)尺寸S1=585 mm，S2=365 mm，S3=1 000 mm，根據(jù)式(3)～(5)利用作圖法求得λ1=1.99，λ2=1.06，λ3=0.73。葵稈后傾、豎直時輸送鏈條線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的速比均大于1，在輸送鏈條上不會發(fā)生葵盤擁堵重疊現(xiàn)象；葵稈前傾20°時，根據(jù)食葵種植株距SO1O2=500 mm，相鄰兩葵稈在輸送鏈條上的距離為SB3D3=362.75 mm，大于葵盤的最大直徑，同樣不會發(fā)生擁堵重疊現(xiàn)象。

2.3 托盤桿旋轉(zhuǎn)機(jī)理分析

2.3.1托盤桿旋轉(zhuǎn)過程

托盤組件安裝在輸送鏈條上，起托住葵盤的作用，主要包括托盤桿、限位凸起、限位彈簧、安裝座、連接螺栓。托盤桿位于4個半球形限位凸起形成的限位凹槽內(nèi)，使托盤桿不受外力時保持伸出或收回狀態(tài)，限制其相對位置，在前后翻轉(zhuǎn)控制凸輪位置托盤桿受推力發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程如圖6所示。

圖6 托盤桿旋轉(zhuǎn)過程示意圖Fig.6 Schematic of tray rod rotation process1.托盤桿 2.限位凸起 3.連接螺栓 4.安裝座 5.限位彈簧

托盤桿在起始位置和終止位置受到限位彈簧的拉力、安裝座和限位凸起的支持力作用，保持靜止?fàn)顟B(tài)；受到外力作用旋轉(zhuǎn)時，在起始位置至中間位置階段，限位凸起對托盤桿產(chǎn)生阻礙其運(yùn)動的摩擦力和推力；在中間位置至終止位置階段，托盤桿越過限位凸起最高點(diǎn)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在限位彈簧的拉力作用下完成旋轉(zhuǎn)過程。

2.3.2托盤桿與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪碰撞過程

托盤桿隨輸送鏈條運(yùn)動至前翻轉(zhuǎn)控制凸輪位置時受到前翻轉(zhuǎn)控制凸輪的推力作用發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)位置影響了對葵稈的沖擊范圍，如圖7所示。托盤桿在點(diǎn)E、G旋轉(zhuǎn)時，其旋轉(zhuǎn)半徑在水平方向的分運(yùn)動最大為Lb=Lacosα；在點(diǎn)F旋轉(zhuǎn)時，可看作豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動，其旋轉(zhuǎn)半徑在水平方向的分運(yùn)動最小可視為0。點(diǎn)E至點(diǎn)F，托盤桿旋轉(zhuǎn)半徑在水平方向的分運(yùn)動逐漸變小，即對葵稈的沖擊范圍逐漸變?。稽c(diǎn)F至點(diǎn)G，托盤桿旋轉(zhuǎn)半徑在水平方向的分運(yùn)動逐漸變大，托盤桿在F點(diǎn)旋轉(zhuǎn)對葵稈沖擊范圍最小，因此點(diǎn)F為托盤桿最佳旋轉(zhuǎn)位置。根據(jù)托盤桿旋轉(zhuǎn)位置點(diǎn)F，設(shè)置前翻轉(zhuǎn)控制凸輪豎直方向的位置。

圖7 托盤桿旋轉(zhuǎn)位置示意圖Fig.7 Schematic of rotation position of tray rod

為了避免托盤桿旋轉(zhuǎn)完成后，前翻轉(zhuǎn)控制凸輪阻礙托盤桿隨輸送鏈條運(yùn)動，托盤桿與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪的位置和尺寸關(guān)系如圖8所示，O1為托盤桿旋轉(zhuǎn)中心，需滿足關(guān)系式

圖8 前翻轉(zhuǎn)控制凸輪與托盤桿位置及尺寸關(guān)系示意圖Fig.8 Schematic of position and size relationship between front stop and tray rod1.托盤桿(收回狀態(tài)) 2.托盤桿(伸出狀態(tài)) 3.前翻轉(zhuǎn)控制凸輪

(6)

式中La——托盤桿長邊長段長度(長邊端面至旋轉(zhuǎn)中心的距離)，mm

Ls——托盤桿長邊長度，mm

Lt——托盤桿短邊長度，mm

Lx——前翻轉(zhuǎn)控制凸輪對稱中心至伸出狀態(tài)托盤桿短邊邊緣的距離，mm

R2——前翻轉(zhuǎn)控制凸輪半徑，mm

D1——托盤桿直徑，mm

取盤通道寬度為100 mm，為與輸送鏈條形成托盤網(wǎng)格防止葵盤從取盤通道間隙掉落，托盤桿長邊長段長度La應(yīng)滿足

La-D1/2>100 mm

(7)

為減輕輸送機(jī)構(gòu)質(zhì)量，托盤桿選外徑為20 mm的空心圓管，即D1=20 mm，根據(jù)加工工藝要求圓管厚度取2.5 mm，由式(7)可得La>110 mm，為減少托盤桿旋轉(zhuǎn)時對葵稈的沖擊范圍，取La=130 mm。因托盤桿安裝板為50 mm×50 mm的方板，需保證托盤桿在安裝板上旋轉(zhuǎn)時為直線段旋轉(zhuǎn)，同時根據(jù)取盤機(jī)構(gòu)機(jī)架內(nèi)寬為350 mm，可得

(8)

根據(jù)式(6)、(8)，取Ls-La=70 mm，R2=10 mm，則Lx≥10 mm，Lt-D1/2≥80 mm，取Lt-D1/2=90 mm，即Ls=200 mm，Lt=100 mm。

托盤桿在最佳旋轉(zhuǎn)位置點(diǎn)F與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪碰撞時，受到前翻轉(zhuǎn)控制凸輪正壓力N1和前翻轉(zhuǎn)控制凸輪作用于托盤桿上摩擦力f1作用，為減少旋轉(zhuǎn)阻力，采用滑推原理對前翻轉(zhuǎn)控制凸輪輪廓線進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于前翻轉(zhuǎn)控制凸輪相對于機(jī)架靜止不動，托盤桿繞從動鏈輪進(jìn)行圓周運(yùn)動，為便于分析將托盤桿視為靜止?fàn)顟B(tài)，前翻轉(zhuǎn)控制凸輪繞從動鏈輪旋轉(zhuǎn)軸心做圓周運(yùn)動，對托盤桿與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪的碰撞過程進(jìn)行滑推分析，如圖9所示。直線MN為前翻轉(zhuǎn)控制凸輪與托盤桿接觸的滑推輪廓線，ω0為從動鏈輪旋轉(zhuǎn)角速度，vd為接觸點(diǎn)處托盤桿旋轉(zhuǎn)速度，得到托盤桿的動力學(xué)方程

圖9 托盤桿與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪接觸點(diǎn)受力分析Fig.9 Stress analysis of contact point between tray rod and front stop1.前翻轉(zhuǎn)控制凸輪 2.托盤組件旋轉(zhuǎn)輪廓 3.托盤桿

N1=mae1cosε1

(9)

f1=mae1sinε1-mar1

(10)

托盤桿與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪之間的滑動摩擦力和正壓力成正比關(guān)系，即滿足

f1=N1tanφ

(11)

由式(9)～(11)可得

ar1=ae1(tanε1-tanφ)cosε1

(12)

式中ae1——托盤桿牽連加速度，m/s2

m——托盤桿質(zhì)量，kg

由式(12)可知，相對加速度ar1的大小與方向由正壓力N1、摩擦角φ、推角ε1決定。根據(jù)設(shè)計(jì)目的，前翻轉(zhuǎn)控制凸輪要使托盤桿發(fā)生旋轉(zhuǎn)，需要相對加速度ar1方向向右，即ar1>0。根據(jù)式(12)可知，當(dāng)ε1>φ時，ar1>0，托盤桿受到向右的相對加速度，ε1越大，ar1越大，但隨著ar1的增大，托盤桿旋轉(zhuǎn)對葵稈造成的瞬時沖擊會越大，因此ε1不宜過大。取前翻轉(zhuǎn)控制凸輪與托盤桿之間的摩擦因數(shù)為0.3[25]，即ε1>16.7°，設(shè)計(jì)的推角為20°，滿足要求，即前翻轉(zhuǎn)控制凸輪輪廓線MN與水平方向的夾角為20°。

2.3.3托盤桿與后翻轉(zhuǎn)控制凸輪碰撞過程

托盤桿與后翻轉(zhuǎn)控制凸輪接觸時，托盤桿受到后翻轉(zhuǎn)控制凸輪的推力和后翻轉(zhuǎn)控制凸輪作用于托盤桿上的摩擦力作用，托盤桿受力如圖10所示。

圖10 托盤桿與后翻轉(zhuǎn)控制凸輪接觸點(diǎn)受力分析Fig.10 Stress analysis of contact point between tray rod and rear gear rod1.后翻轉(zhuǎn)控制凸輪 2.托盤桿(伸出狀態(tài)) 3.主動鏈輪

為保證托盤桿碰到后翻轉(zhuǎn)控制凸輪時發(fā)生旋轉(zhuǎn)，需滿足切向加速度ar2>0，分析過程與前翻轉(zhuǎn)控制凸輪處相同，即推角ε2需要大于摩擦角φ，即ε2>16.7°，設(shè)計(jì)的推角為20°滿足托盤桿旋轉(zhuǎn)要求。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)過程中使用的儀器設(shè)備有土槽車(TCC-3.0型)、米尺(量程3 m)、皮尺(量程50 m)、精密電子天平(OHAUSCP3102型，量程：0～3100 g，精度0.01 g)、保鮮袋、標(biāo)簽紙等。

試驗(yàn)材料為采摘自新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊縣公盛村三隊(duì)的食葵品種SH363，食葵種植時間為2021年5月7日，成熟時間為2021年9月20日，采樣時間為2021年9月22日。食葵盤樣品含水率為34%～40%，葵盤直徑為150～330 mm，單個葵盤質(zhì)量為400～1 100 g，共采集300個葵盤，約210 kg。試驗(yàn)時將食葵取盤裝置掛接在土槽車的懸掛點(diǎn)，如圖11所示，通過平臺監(jiān)測控制食葵取盤裝置的前進(jìn)速度。

圖11 食葵取盤裝置土槽試驗(yàn)Fig.11 Soil tank test of edible sunflower plate taking device1.葵稈 2.葵盤 3.食葵取盤裝置 4.土槽車

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1試驗(yàn)方案

由前文分析可知，取盤過程中托盤桿推動葵稈后傾(-20°)、豎直(0°)、前傾(20°)3種狀態(tài)對食葵取盤總損失率有較大影響，因此，根據(jù)理論分析、整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)試驗(yàn)等情況，選取機(jī)具前進(jìn)速度(土槽車行走變頻器控制)、推桿角度(托盤桿推動葵稈偏離豎直方向的角度)、插盤高度(葵盤底部距地面的豎直距離)為試驗(yàn)因素。

試驗(yàn)參考 GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)[26]，試驗(yàn)區(qū)域由3部分組成，分別為穩(wěn)定區(qū)、測定區(qū)、停車區(qū)，穩(wěn)定區(qū)3 m、測定區(qū)10 m、停車區(qū)2 m。每次試驗(yàn)開始前檢查清理地表存在的葵籽，試驗(yàn)結(jié)束后清除掉落至地面的葵盤及葵籽，更換折斷的葵稈，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

以三因素三水平正交試驗(yàn)為試驗(yàn)方法[27-30]，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of test factors

3.2.2試驗(yàn)指標(biāo)

食葵取盤裝置作業(yè)質(zhì)量參考文獻(xiàn)[31]，選用取盤過程中總損失率作為試驗(yàn)指標(biāo)。總損失率計(jì)算公式為

(13)

式中Z——食葵取盤總損失率，%

Wa——試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)損失的籽粒質(zhì)量，kg

Wb——試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)收獲的籽粒質(zhì)量，kg

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，對取盤裝置進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，表中A、B、C為因素編碼值，以食葵取盤總損失率為評價(jià)指標(biāo)，總損失率越小，代表取盤效果越好。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可得影響取盤效果的主次因素為推桿角度、前進(jìn)速度、插盤高度，最優(yōu)水平組合為A1B1C3，即機(jī)具前進(jìn)速度為0.4 m/s、推桿角度為20°、插盤高度為1 000 mm，在此最優(yōu)參數(shù)組合下取盤效果最佳。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test plan and results

為判斷各因素對試驗(yàn)指標(biāo)顯著性的影響，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析，如表4所示。

表4 取盤總損失率方差分析Tab.4 Variance analysis results

由表4可知，以取盤總損失率為評價(jià)指標(biāo)，前進(jìn)速度、推桿角度、插盤高度均為顯著影響，顯著性影響由大到小為B、A、C。

由于總損失率由托盤桿接觸葵稈時的瞬時加速度及葵盤鋪放到托盤桿上的翻轉(zhuǎn)角決定。接觸瞬時加速度由輸送鏈條速度決定，而輸送鏈條速度由推桿角度(輸送鏈條與地輪之間總傳動比變化引起)及前進(jìn)速度決定，推桿角度和前進(jìn)速度越大瞬時加速度越大，總損失率越大，反之瞬時加速度越小，損失率越小?？P鋪放到托盤桿上的翻轉(zhuǎn)角由推桿角度及插盤高度決定，插盤高度越低，推桿角度變化越小，推桿角度越趨向于0°，總損失率受翻轉(zhuǎn)角影響越小，翻轉(zhuǎn)角越趨向20°；插盤高度越高，推桿角度變化越大，總損失率受翻轉(zhuǎn)角影響越大。

3.4 最優(yōu)組合試驗(yàn)

根據(jù)取盤裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了取盤裝置重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，以前進(jìn)速度0.4 m/s、推桿角度20°、插盤高度1 000 mm為試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行食葵取盤裝置取盤驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，取盤總損失率分別為1.15%、1.27%、1.24%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，食葵取盤裝置以前進(jìn)速度0.4 m/s、推桿角度20°、插盤高度1 000 mm的參數(shù)組合進(jìn)行作業(yè)時，取盤平均總損失率為1.22%，滿足分段式收獲模式下食葵收獲要求[31]。

4 結(jié)論

(1)針對新疆食葵分段式收獲的需要，基于人工取盤原理，設(shè)計(jì)了食葵取盤裝置，相比傳統(tǒng)谷物聯(lián)合收獲機(jī)改制的食葵收獲機(jī)械，該裝置取盤過程中對葵盤及葵稈的沖擊較小，降低了取盤損失率。

(2)根據(jù)食葵物理特性參數(shù)，設(shè)計(jì)了取盤機(jī)構(gòu)及托盤組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過理論分析確定了前翻轉(zhuǎn)控制凸輪和后翻轉(zhuǎn)控制凸輪的推角范圍及推桿角度范圍。

(3)以機(jī)具前進(jìn)速度、推桿角度、插盤高度為試驗(yàn)因素，以取盤總損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，開展了食葵取盤正交試驗(yàn)。結(jié)果表明，最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為前進(jìn)速度0.4 m/s、推桿角度20°、插盤高度1 000 mm，試驗(yàn)因素對取盤總損失率的顯著性影響依次為推桿角度、前進(jìn)速度、插盤高度。在最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合下食葵取盤總損失率為1.22%，滿足分段收獲模式下食葵收獲作業(yè)要求。