榨菜收獲機(jī)拔取輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王留步，葉　進(jìn)，楊　仕，劉　玲，陳俊杰

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶　400715)

0　引言

作為世界三大名腌菜之一，涪陵榨菜享譽(yù)全球，深受國內(nèi)外消費(fèi)者的喜愛。目前，重慶的榨菜收獲主要以傳統(tǒng)的人工作業(yè)為主，生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，占用農(nóng)時(shí)多。由于人力成本的不斷增加，榨菜的收獲已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收的關(guān)鍵和制約榨菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的決定性因素，實(shí)現(xiàn)榨菜的機(jī)械化收獲己成為榨菜種植產(chǎn)業(yè)化的當(dāng)務(wù)之急。目前，適合丘陵山區(qū)的小型榨菜收獲機(jī)械研制基本處于空白，因此對(duì)小型榨菜收獲機(jī)械裝備研究的需求日趨迫切。

本研究的小型雙行榨菜收獲機(jī)主要由導(dǎo)向扶葉器、松土切根裝置、拔取輸送裝置、機(jī)架等機(jī)構(gòu)裝置、行走轉(zhuǎn)向裝置及動(dòng)力裝置等組成。其中，拔取輸送裝置是榨菜收獲機(jī)的主要工作部件。夾持拔取裝置主要完成榨菜的夾持拔取、輸送及切纓等關(guān)鍵功能，包括中間支撐架、輻條、夾持帶、夾持帶輪、支撐帶輪、夾持帶輪安裝支架及夾持拔取裝置左右外機(jī)架等。它是整個(gè)機(jī)器最為關(guān)鍵和復(fù)雜的部件之一，其相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)劣決定著機(jī)器的總體效能。

1　拔取輸送機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)及原理

通過前期對(duì)榨菜的物理特性研究，榨菜莖葉的拉斷力大于榨菜根部與土壤的作用力。這說明，拔取方式可行，能夠較好地符合不損傷菜頭的要求。

榨菜收獲機(jī)夾持輸送機(jī)構(gòu)主要包括導(dǎo)向扶葉器、松土切根裝置、夾持拔取輸送裝置及機(jī)架等結(jié)構(gòu)，這些主要結(jié)構(gòu)之間相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)榨菜的拔取和輸送等工作。

榨菜收獲機(jī)在田間工作時(shí)，由兩個(gè)位于機(jī)架后部的主動(dòng)輪提供前進(jìn)動(dòng)力，由兩個(gè)布置于機(jī)架前方的萬向輪來轉(zhuǎn)向，這4個(gè)輪子支撐收獲機(jī)的整個(gè)質(zhì)量。作業(yè)時(shí)，榨菜收獲機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下前進(jìn)，松土切根裝置對(duì)榨菜根部附近的土壤進(jìn)行松土作業(yè)，同時(shí)切除部分菜根，減少拔取榨菜所需要的拔取力；導(dǎo)向扶葉器對(duì)行收獲，將榨菜葉片扶起、收攏，喂入到與地面呈一定夾角的夾持拔取機(jī)構(gòu)；夾持拔取機(jī)構(gòu)夾住榨菜葉片，克服由榨菜自身質(zhì)量和根系產(chǎn)生的阻力，將榨菜從土壤中拔起；拔出后的榨菜在輸送機(jī)構(gòu)夾持下向后輸送。

2　夾持輸送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高榨菜收獲的經(jīng)濟(jì)性和收獲效率，本設(shè)計(jì)采用的是同時(shí)收獲兩行的收獲方案。榨菜的行距是30cm，如果采取雙帶式夾持輸送機(jī)構(gòu)，在兩行60cm的距離內(nèi)無法布置4條夾持帶，因此在雙帶式夾持輸送機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，以適應(yīng)同時(shí)收獲兩行的榨菜收獲機(jī)。

將雙夾持帶式夾持輸送裝置的另外一條夾持帶由光滑的輻條代替，輻條通過螺栓固定在中間的支架上，可以通過調(diào)節(jié)螺栓來調(diào)節(jié)輻條與夾持帶的間距，使一定范圍內(nèi)的榨菜都能進(jìn)入夾持輸送結(jié)構(gòu)中，以適應(yīng)不同品種的榨菜，提高機(jī)器的適用性。改進(jìn)后的雙帶夾持裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.扶葉扶莖器　2.飛拱　3.小帶夾持輪　4.內(nèi)支架　5.外支架 6.中間支　7.夾持輪　8.切葉切莖刀　9.夾持帶 10.直角換向器　11.大帶夾持輪　12.鏈輪鏈條傳動(dòng)系　13.輻條

2.1仿形扶葉裝置

榨菜葉片在自然生長(zhǎng)狀態(tài)下十分分散，為保證對(duì)榨菜的有效拔取，收獲時(shí)必須將其扶起、收攏并喂入夾持裝置。本設(shè)計(jì)的導(dǎo)向扶葉器為固定的導(dǎo)向椎體，后端單點(diǎn)鉸鏈連接于機(jī)架，前斷浮動(dòng)在地面上，具有一定的仿形功能。在機(jī)器向前行駛時(shí)，導(dǎo)向扶葉器的前端對(duì)行進(jìn)入榨菜球的下面將散亂的榨菜葉片扶正，并沿導(dǎo)向扶葉器兩邊的椎體向上運(yùn)動(dòng)，從而將榨菜葉片扶攏，然后喂入夾持裝置。

2.2松土切根裝置

松土切根裝置主要用來減小榨菜的拔取力，提高拔取的效率。常見的松土機(jī)構(gòu)有圓盤鋸、松土鏟及松土犁等多種類型，本設(shè)計(jì)選擇圓盤鋸來實(shí)現(xiàn)松土和榨菜根莖部的切割。

2.3夾持拔取裝置和輸送裝置

本設(shè)計(jì)集拔取裝置和輸送裝置于一體，夾持帶的前段對(duì)榨菜進(jìn)行夾持拔取，后端起輸送作用。一般收獲機(jī)所用的升運(yùn)裝置主要有螺旋輸送、夾持帶輸送及鏈帶輸送等類型。螺旋輸送和鏈帶輸送對(duì)榨菜的損傷較大，因此本文選擇夾持帶輸送來實(shí)現(xiàn)榨菜的提升輸送工序。

2.4機(jī)架

用于承受整機(jī)質(zhì)量和安裝固定所有功能組件。

3　新型夾持輸送帶的設(shè)計(jì)

夾持輸送帶是榨菜夾持輸送裝置中最重要的部件。經(jīng)過對(duì)傳動(dòng)帶設(shè)計(jì)和制造工藝的研究后，新型夾持輸送帶在傳統(tǒng)的傳動(dòng)帶的另一面增加一個(gè)夾持部分。也就是說，在靠近榨菜的一側(cè)采用質(zhì)地柔軟的橡膠，既能有效地夾住葉片，又不過度夾傷葉片；另一部分是傳動(dòng)部分，即靠近夾持帶輪一側(cè)為硬度較大的橡膠，用來保證傳動(dòng)的平穩(wěn)、同步和有效性。

3.1新型夾持輸送帶夾持部分的設(shè)計(jì)

為了盡可能地將其夾穩(wěn)，從仿生學(xué)的角度出發(fā)，依照人用手指抓住葉片拔取榨菜的方式，將傳動(dòng)帶夾持部分設(shè)計(jì)為很多排的柱狀凸起。由于其質(zhì)地柔軟，能夠在夾持的過程中朝各個(gè)方向自由傾斜，傾斜后能產(chǎn)生一定的彈力，加上夾持的擠壓力，能將任意形態(tài)堆積的葉片穩(wěn)穩(wěn)地夾持住。榨菜葉片直接接觸軟質(zhì)橡膠，降低了機(jī)械損傷，也提高了榨菜的輸送效率。

3.2新型夾持輸送帶傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)

夾持輸送帶傳動(dòng)部分采用多楔帶，是V帶和平帶的組合結(jié)構(gòu)，結(jié)合了平帶和V帶的優(yōu)點(diǎn)，其摩擦力與橫向剛度較大，傳動(dòng)功率相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)緊湊。因其長(zhǎng)度一致，故運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較好，振動(dòng)也較小，可承受一定的載荷變化。因夾持輸送機(jī)構(gòu)夾持住榨菜葉片將榨菜從土壤中拔起，并向上輸送，夾持帶受到葉片向下的縱向拉力作用，引起夾持輸送帶向下滑動(dòng)；而楔形結(jié)構(gòu)嵌入到帶輪上的楔形槽內(nèi)，多楔帶與多楔帶輪槽之間的作用力可有效克服縱向拉力，不至發(fā)生滑移，傳動(dòng)較其他傳動(dòng)帶穩(wěn)定、可靠，能將榨菜垂直向上拔起。

3.3新型夾持輸送帶結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)

夾持輸送帶應(yīng)在保證夾持輸送效果和滿足強(qiáng)度要求的前提下，盡量合理設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，以保證夾持輸送的效果，減輕機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，提高傳動(dòng)效率。推薦夾持寬度為92cm，長(zhǎng)度為200cm。夾持齒設(shè)計(jì)為梯形結(jié)構(gòu)，夾持齒高度為20mm，夾持齒間距為20mm。為了提供足夠大的縱向支撐力，夾持輸送帶設(shè)計(jì)4個(gè)帶輪槽，深度為9mm。夾持輸送帶結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2　夾持輸送帶結(jié)構(gòu)尺寸圖

經(jīng)過多次試驗(yàn)得出，輸送帶的夾持部分硬度降低為邵氏硬度20較為合適，中間層為帆布芯帶層，底部為邵氏硬度80的傳動(dòng)層。

4　夾持輸送裝置參數(shù)的正交試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了確定拔取輸送機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)，通過對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)及工作原理分析可知，夾持帶速度、夾持間距及夾持帶與地面的夾角3個(gè)參數(shù)對(duì)輸送的效果影響較大。為了進(jìn)一步研究各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)工作性能的影響規(guī)律，采用正交試驗(yàn)，分析了各影響因素對(duì)夾持可靠性和夾持損傷率的影響規(guī)律，優(yōu)選試驗(yàn)參數(shù)最佳組合，得出了各影響因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性和主次關(guān)系。

該試驗(yàn)于2016年2月29日于西南大學(xué)的農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)用的材料為涪陵成熟的榨菜。

4.2試驗(yàn)方法

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以輸送帶速度、輸送帶與輻條間距離及輸送帶與地面的夾角為試驗(yàn)因子，按正交試驗(yàn)要求設(shè)置水平，采用綜合評(píng)分法評(píng)價(jià)輸送效果。選取輸送可靠性(X)、夾持損傷度(Y)作為輸送裝置的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

夾持損傷度和輸送合格率的滿分均為10分，得分越高，輸送效果越好，損傷越少。對(duì)比其重要程度，采用加權(quán)評(píng)分法，輸送合格率的權(quán)重為70%，夾持損傷度的權(quán)重為30%，綜合得分為各指標(biāo)得分加權(quán)以后相加。

首先根據(jù)試驗(yàn)方案確定變速箱3個(gè)擋位與輸送帶轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，輸送帶速度 3個(gè)水平對(duì)應(yīng)3個(gè)擋位。扶條與夾持帶間距離通過底座調(diào)整，用卡尺測(cè)量后將固定螺栓鎖死；角度通過高度調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)，經(jīng)量角器測(cè)量角度后，將裝置固定。

設(shè)備運(yùn)行正常后，對(duì)喂入夾持機(jī)構(gòu)的帶根榨菜進(jìn)行提升、輸送操作。在不同的夾持帶速度、夾持帶與輻條間距離及夾持帶與地面的夾角3個(gè)參數(shù)的情況下，觀察榨菜夾持輸送的可靠性及夾持的損傷度。

4.3試驗(yàn)因子及水平

采用3因子3水平正交試驗(yàn)，A因子為夾持帶速度V，B因子為夾持帶與輻條間距，C因子為輸送裝置與地面夾角。根據(jù)操作人員的可操作性和榨菜收集效率等因素，通過單因子試驗(yàn)，確定夾持帶速度的較優(yōu)范圍為0.4～0.6m/s；夾持帶與扶條間距B的較優(yōu)范圍為7.5～12.5mm；輸送裝置與地面夾角的較優(yōu)范圍為25°～45°。試驗(yàn)采用正交表安排試驗(yàn)，試驗(yàn)因子水平如表1所示。

表1　因子水平表

4.4正交試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)表2，通過對(duì)榨菜輸送效果綜合得分的極差和方差分析，可以得出以下結(jié)論：影響輸送裝置輸送效果綜合得分的因子主次為B>C>A，即夾持帶與扶條間距離>夾持帶與地面的夾角>夾持帶速度；榨菜輸送裝置的最佳參數(shù)組合方式為夾持帶速度0.5m/s、夾持帶與輻條間距離10mm、夾持帶與地面的夾角45°。

表2　夾持輸送裝置參數(shù)的試驗(yàn)

續(xù)表2

4.5驗(yàn)證試驗(yàn)

按最佳參數(shù)(即夾持帶速度為0.5m/s，夾持帶與扶條間距離為10mm、夾持帶與地面的夾角為45°)優(yōu)化改進(jìn)機(jī)構(gòu)后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多次驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3　驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：輸送效果較好，滿足榨菜收獲機(jī)的要求。

5　結(jié)論

1)根據(jù)榨菜收獲的特點(diǎn)，從仿生學(xué)的角度出發(fā)，發(fā)明了一種新型夾持輸送帶，研制了一種適合榨菜收獲的夾持輸送置，可一次性完成榨菜的拔取和輸送工作。對(duì)榨菜收獲機(jī)夾持輸送裝置進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)夾持輸送裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括機(jī)器的行走速度、輸送帶傳動(dòng)速度、夾持帶與地面傾角等)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算。

2)通過正交試驗(yàn)，分析了各參數(shù)對(duì)菜輸送效果的影響，得出影響輸送效果的影響因子主次為：夾持帶與扶條間距離>夾持帶與地面的夾角>夾持帶速度；榨菜輸送置的最佳參數(shù)組合方式為輸送帶速度0.5m/s、輸送帶與扶條間距離10mm、輸送帶與地面的夾角45°。

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ID:1003-188X(2018)04-0138-EA