大蒜打捆收獲機設計與試驗分析

申世龍，尚書旗，王東偉，何曉寧，劉 濤，田連祥

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

大蒜作為我國典型的經濟作物，種植面積居世界首位。大蒜具有很高的營養價值，富含多種元素，可加工多種產品，可作為調味劑、美容化妝品的原料。其次，大蒜有較高的醫學價值，有抗腫瘤的作用[1]。因此，大蒜在國際市場中成為主導產品。

據統計，我國大蒜以山東、河南和江蘇為大蒜種植主產區，總面積約80萬hm2。近年來，隨著國家對“三農”的幫扶與政策支持及我國大蒜深加工產業的快速發展，大蒜的種植面積將以每年約3%～5%的速度增加[2]。因此，大蒜收獲問題成為社會焦點，大蒜機械化收獲成為我國大蒜產業需求和研究的重點[3]。目前，我國大蒜的收獲方式以人工或半機械半人工為主，生產率低[4]。其次，大蒜在種植我國山東、河南及江蘇等地種植農藝存在差別，壟距、行距不統一，平作、壟作、間作均有，嚴重影響收獲機械的適用性[5-6]。20世紀90年代，我國自主研發了一臺4DS-75A型大蒜收獲機；隨后，各大企業和科研所相繼研制4S-1型大蒜挖掘機、4S-60型大蒜收獲機、4DS-1000型大蒜挖掘機等多種大中型大蒜收獲機，但同發達國家收獲水平仍有較大差距，技術落后和收獲機械適應性差問題有待解決[7-8]。

針對山東省大蒜種植的現狀和收獲問題，設計了一種大蒜打捆收獲機，旨在提高收獲效率，適應我國多種種植模式下的大蒜收獲[9]。

1 設計機構及原理

1.1 整機機構

大蒜打捆收獲機主要包括液控對行裝置、限深-挖掘機構、柔性夾送機構、側向歸集機構、打捆裝置及配套的懸掛部件等重要結構，如圖1所示。

1.限深輪 2.挖掘鏟 3.柔性夾送機構 4.打捆裝置 5.側向輸送帶 6.側向輸送鏈 7.油箱 8.油管 9.液控對行機構 10.機架 11.液壓馬達 12.線盒

1.2 工作原理

整機配套8～12kW拖拉機，采用前懸掛的方式。整機發動后，機手根據大蒜的行距大小，調節手動換向閥控制液控對行裝置的液壓缸推動柔性夾送機構隨行平移；挖掘鏟進入地下15cm左右，切斷大蒜的埋在土壤的根。整機開動后，柔性夾送機構將挖掘后的大蒜秧蔓從土壤中拔出，大蒜與土壤分離[10]；大蒜在柔性夾送機構的作用下往上輸送到側向歸集機構，側向歸集機構將大蒜秧蔓有序直立，歸集到集束打捆裝置中；集束打捆裝置的收集機構將輸送而來的大蒜進行有序歸集，送繩機構和系扣機構共同作用實現大蒜的扎捆，打捆后的大蒜被彈叉拋送田間。

2 關鍵部件設計

2.1 限深-挖掘機構

限深-挖掘機構主要包括鏟刀、限深輪、挖掘架和地面仿形部件。該機構主要是將大蒜鏟刀深入一定深度后，切斷埋在土壤中的大蒜根系，易于大蒜夾持；大蒜鏟刀與挖掘架之間采用螺栓聯結，改變大蒜鏟刀與挖掘架相對位置，實現調節挖掘深度功能。為了保證限深輪對地面的接觸，實現限深-挖掘機構對不同地面的仿形功能，在限深-挖掘機構上方安裝地面仿形部件[11]。運用SolidWorks軟件對限深-挖掘機構三維成型，如圖2所示。

圖2 限深-挖掘機構示意圖

2.2 側向歸集機構

側向歸集機構主要包括上、下兩條同步側向輸送鏈、側向傳送帶和側向傳動軸。通過對成熟的大蒜生長特性參數測定得出：蒜株平均高度為35cm，大蒜頭平均質量25g。為保證大蒜在側向運輸過程秧蔓的直立性和穩定性，上、下兩條同步側向輸送鏈間距為16cm。在側向輸送鏈下方增加側向傳送帶，用于托住大蒜頭，與側向輸送鏈同步將大蒜輸送到打捆裝置進行打捆，如圖3所示。側向歸集機構動力由配套的拖拉機發動機通過變速箱傳遞。

圖3 側向歸集機構原理圖

2.3 液控對行裝置

液控對行裝置主要由液壓傳動系統、滑套和導軌梁組成。該裝置利用液壓傳動原理，兩個液壓缸同步推動兩滑套(與柔性夾送機構相連接)在導軌梁上滑動，從而帶動柔性夾送機構左右移動。其中，液壓傳動系統主要包括齒輪泵、雙作用液壓缸、換向控制閥、調速閥、油箱和各路油管等。圖4為大蒜樣機的液壓系統控制回路。

圖4 液壓控制系統

柔性夾送機構采用碳素結構鋼Q235方管焊接制作，由彈簧測力器測得重力為162N。柔性夾送機構通過滑套安裝在導軌梁上，對導軌梁產生徑向壓力，受力情況如圖5所示。若柔性夾送機構的產生的壓力過大，導軌梁會發生嚴重彎曲變形，影響滑套在導軌梁上的滑動。因此，有必要對柔性夾送機構和導軌梁進行靜力學分析。

圖5 柔性夾送機構受力圖

柔性夾送機構在導軌梁上受力平衡，由圖5得出其滿足如下力學關系：

根據∑Fx=0可得

FAcosα-FBcosβ=0

由以上公式得

根據∑Fy=0可得

G-FBsina-FAsinβ=0

由以上公式得

兩式聯立得

根據機構的幾何關系可得

式中FA——A點受的力(N)；

FB——B點受的力(N)；

H——A點到B點的豎直距離(m)；

H1——O重心到B點的水平距離(m)；

H2——A點到B點的水平距離(m)；

H3——O重心到A點的豎直距離(m)；

G——夾送機構的重力(N)。

導軌梁主要對柔性夾送機構起到滑動和支撐作用。根據柔性夾送機構的運動情況，對導軌梁設計選用材料碳素結構鋼，外徑為Φ60mm、內徑為Φ50mm的表面光滑的圓管，其兩段焊接固定在機架上，如圖6所示。

圖6 導軌梁示意圖

根據上述求得柔性夾送機構在A、B點對導軌梁的作用，運用Workbench對導軌梁進行靜態學分析。將SolidWorks建模成型的導軌梁導入workbench軟件中，并依此對導軌梁進行材料、劃分網格、施加載荷，最后得出導軌梁的總變形圖像[12]，如圖7所示。

圖7 導軌梁總變形圖

由圖7中看出：導軌梁的最大變形量在中心位置，最大位移為0.011 09mm，變形很小。因此，該結構形式設計合理。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

試驗地點選威海文登區文登營鎮東杜里村大蒜示范區，示范面積3.3hm2。對大蒜種植示范區的大蒜生長特性進行數據采集并記錄，如表1所示。

表1 大蒜的生長特性

3.2 試驗結果

對大蒜試驗區分別取得前進速度、夾持高度、夾持輸送速度和挖掘深度為四因素進行試驗。試驗因素水平表如表2所示。

表2 試驗因素水平表

選用L9(34)正交表安排試驗，計算得每組的不合格率、傷蒜率和漏蒜率，并利用極差法計算的每組數據填入表3。不考慮各因素之間的交互作用，通過表中的試驗結果判斷各因素對性能指標的影響程度，從而確定整機的最優組合[13]。

表3 大蒜打捆收獲機試驗方案及結果分析

該試驗為多指標正交試驗，采用加權評分法將三指標整合為綜合指標[14]。根據實際經驗，3個指標越小越好。由表3得出：前進速度為0.013 8m/s、挖掘深度為0.10m、夾持高度為0.035m、夾送速度為0.018m/s時，收獲機獲得最優的結構設計參數，為后期樣機的調試與優化提供依據。

4 結論

1) 創新設計了液壓系統與柔性夾送機構組合的液控對行裝置，設計了兩個液壓缸同步運行推動夾送機構短程移動，實現夾送機構的對行功能，解決了大蒜收獲機械因種植模式多樣化而不適用的收獲問題，滿足了農機農藝融合的要求。

2) 運用Workbench軟件對導軌梁進行劃分網格，施加載荷約束，從而得到了導軌梁的總變形云圖，比較直觀地展現導軌梁變形量，為結構的合理性提供了依據。

3) 通過樣機的試驗數據收集，采用多指標正交試驗，確定了整機最佳結構參數。當前進速度為0.013 8m/s、挖掘深度為0.15m、夾持高度為0.035m、夾送速度為0.018m/s時，大蒜打捆收獲機打捆不合格率、漏蒜率和傷蒜率等性能參數最低，為后續樣機優化提供了理論依據。