大蒜聯合收獲機夾持輸送機構的設計與分析

辛 杰，侯加林，李玉華，吳彥強，王后新，劉曉，牛子儒

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018)

0 引言

我國大蒜行業現狀調查研究顯示，2016年我國大蒜種植面積總計達到37.9萬～40.5萬hm2，占全球大蒜種植面積的60%以上[1]。山東省的大蒜出口居國內第1位，盡管山東大蒜種植面積大，但大蒜機械收獲效率較低。大蒜收獲主要有兩種方式：一種是傳統的人工收獲方式，另一種是大蒜收獲機械收獲。人工作業效率低、強度大，現有的大蒜收獲機作業質量不高、自適應能力差，易發生擁堵和脫落，從而影響大蒜收獲效率，這些問題已成為制約我國大蒜產業發展的瓶頸 。因此，研制開發適合我國大蒜機械化收獲裝備是我國農業機械研究人員面臨的一項重要課題[2-6]。

夾持輸送機構是大蒜聯合收獲機的重要組成部分，主要任務是將大蒜從土中向上拔起，并向后輸送，為下一步工序做準備。為此，根據我國國內的種植模式和機具要求，參照國內外的先進機型，創新研制了新型高效柔性夾持輸送機構，并對其進行了理論分析與參數設計，以期為提升大蒜收獲機械夾持輸送質量提供理論依據與參考[7-9]。

1 夾持輸送機構的設計及工作原理

1.1 大蒜的種植模式

我國大蒜的主要產地：河南省中牟縣、杞縣，山東省金鄉縣、商河縣、蒼山縣，江蘇邳州市射陽縣、太倉市，上海嘉定，安徽亳州市、四川溫江縣、彭州市，云南大理及新疆等地。目前，我國大蒜種植模式主要為平畦、高壟、高畦模式。在南方地區地區，雨水較多，宜用高畦模式。山東地區春季易旱，大蒜的種植模式主要以平畦模式為主[10]，如圖1所示。

圖1 大蒜種植試驗田和種植模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of garlic planting pattern

1.2 夾持輸送機構的設計及工作過程

夾持輸送機構是大蒜收獲機重要組成部分，其工作性能直接影響后續的果秧分離和切根裝置的工作效果，從而影響整機的工作效率。夾持輸送機構最為關鍵的是夾持力的大小控制，過大過小都不可以，過大會導致大蒜在輸送過程中被夾斷，過小則會造成大蒜掉落，從而影響收獲效率。因此，本文設計一種夾持輸送機構，既保證了在輸送過程中不被夾斷，而且具有足夠的夾持力。夾持輸送機構包括驅動部分、從動部分、張緊組件、輸送帶、大蒜夾緊機構及主框架，如圖2所示。

1.從動齒輪 2.后端從帶帶輪 3.主動帶輪 4.主動齒輪 5.液壓馬達 6.輸送帶 7.夾緊輪 8.主框架 9.張緊裝置 10.前端從動輪

驅動部分包括主動帶輪、花鍵軸、軸承、液壓馬達及主動齒輪，液壓馬達通過花鍵軸與主動帶輪連接，驅動主動帶輪和主動齒輪同步轉動。從動部分包括前端從動部分和后端(液壓馬達安裝端)從動部分：前端從動部分由前端從動輪、柔性齒狀輪、軸承及軸組成；后端從動部分由后端從動帶輪、從動齒輪、軸承及軸組成；柔性齒狀輪與前端從動帶輪同步轉動，柔性齒輪在收獲喂入中起到分禾作用，從動齒輪與主動齒輪的嚙合實現后端從動帶輪的轉動。

張緊組件包括張緊桿、彈簧、彈簧擋板及螺母，大蒜夾緊機構包括支座及多個夾緊帶輪。夾緊帶輪通過調整安裝位置調節夾持力的大小，以適應不同實際需求，增強適應能力。夾緊帶輪交錯分布在兩側主框架上，其大小不同，自下而上依次增大，這是由于大蒜在輸送過程中經歷了去土、切莖，需要較大的夾緊力。

工作過程中，相鄰的柔性齒狀輪通過嚙合實現大蒜的喂送作用，從而利于大蒜平穩地進入夾持輸送機構；大蒜進入夾持輸送機構后，在夾緊裝置和張緊裝置的共同作用下，夾持輸送帶呈S型輸送，使得大蒜夾持可靠，運行平穩，為后續的果秧分離和切根裝置做準備。

2 夾持機構設計及參數的確定

2.1 帶型的選擇及帶輪的尺寸確定

夾持機構所用的皮帶為B型雙聯皮帶，皮帶表面較寬且有一定的韌性，能將大蒜莖稈充分夾持且不會將其夾斷。圖3為夾持輸送裝置截面圖。在夾持過程中，如果夾持帶間隙過大會使大蒜不能被充分夾持而滑落，從而影響夾持輸送效果，夾持間隙過小會導致大蒜被夾傷、夾斷。為了避免出現上述狀況，根據《機械設計手冊》皮帶傳動部分及大蒜的相關參數可知，設計中夾持間隙δ=4mm，行距l=200mm。取a=3mm，b=50mm，c=18mm，則皮帶輪的直徑為

(1)

其中，l為行距(mm)；a為皮帶高出帶輪的高度(mm)；δ為夾持間隙(mm)；將參數代入式(1)計算得出皮帶輪的直徑D=90mm。

a.皮帶高出帶輪高度 b.雙聯帶的寬度c.雙聯帶節距 D.皮帶輪直徑

2.2 張緊機構的設計

張緊機構安裝在機架上，通過彈簧的伸縮實現輸送帶的自動張緊，包括張緊桿、彈簧、彈簧擋板及螺母，如圖4所示。張緊桿通過固結在傳送框架上兩個方形管插裝于傳送框架上，彈簧安裝在螺桿上，一端擋在前端從動輪支臂上，另一端擋在彈簧擋板上。彈簧擋板固定在主框架上，彈簧擋板中間有個孔，便于螺桿從中穿過，螺桿另一端用螺母鎖緊，防止整個張緊組件滑出掉落。

1.主框架 2.螺母 3.彈簧擋板 4.螺桿 5.從動輪支臂 6.從動帶輪 7.柔性齒狀輪

3 夾持機構年技術參數的確定

3.1 夾持輸送機構傾角的確定

夾持輸送機構在工作過程中傾斜的角度是恒定的，傾角的選取對大蒜穩定有序地夾持輸送具有重要意義，傾角過大或過小都會影響后續的大蒜收獲效果。因此，根據《農業機械制造常用計算大全》，本設計夾持輸送帶的傾角α取25°。

3.2 夾持位置的確定

夾持位置指的是大蒜莖稈夾持點相對于地面的高度，夾持位置由莖稈的質量和重心高度決定，是影響莖稈輸送性能的重要因素。夾持位置越接近于根部，其抗拉強度越大，夾持越可靠。夾持點的高度為

(2)

其中，h為大蒜莖稈夾持點相對于大蒜生長地面的高度，經過多次的田間試驗及大蒜莖稈物理特性分析，選取h=80mm；D為皮帶輪直徑(mm)；a為皮帶高出帶輪的高度(mm)；α為夾持輸送帶的傾角(°)。將參數全部代入式(2) 得出夾持點離地面的高度H=100mm。

3.3 夾持輸送帶速度分析

夾持輸送帶速度與機器的前進速度有關，二者成正比關系。夾持拔取大蒜的最佳的狀態是沿著大蒜生長的軸心方向施加起拔力。此時，施加的起拔力最小，并且對大蒜未造成損傷。實際收獲過程中，大蒜會受到挖掘鏟的推力作用，從而在土壤中傾斜一定的角度(即大蒜的軸心相對于豎直方向的角度λ)，此時起拔力的方向也由豎直方向傾斜一定的角度，且由夾持輸送帶的絕對速度的方向決定，如圖 5所示。

圖5 大蒜拔取示意圖Fig.5 Schematic diagram of garlic selection

皮帶的相對速度Vt為

(3)

其中，Vm為機器的前進速度；α為夾持輸送機構的傾斜角度。

夾持輸送機構在拔取輸送大蒜之前，需要挖掘鏟對大蒜進行松土，破壞大蒜根莖與土壤的粘結力，在此過程中大蒜就會轉動λ角，如圖5所示。拔取皮帶的相對速度為

(4)

在大蒜自然生長、莖葉沒有倒伏時，夾持機構拔取大蒜最佳的狀態是沿著大蒜生長的軸心方向(垂直于大蒜生長的畦面)施加起拔力，即

β+λ=90°

(5)

其中 ，β為實際的夾持輸送帶的絕對速度的矢量Vb2與機器前進的速度Vm所成的角度(°)；λ為大蒜在挖掘鏟作用下轉動的角度(°)。由式(4)、式(5)可以得出大蒜隨土壤轉動到某一角度時Vt的公式， 即

(6)

由式(6)可知：夾持輸送機構的傾角α影響著夾持輸送帶的傳送速度，且要考慮收獲機整機的結構配置。綜合以上方面來考慮，取α=25°。λ為大蒜在挖掘鏟深松作用下沿著機器前進方向轉動的角度，根據經驗通常取λ=5°～10°，則Vt=(1.02～1.06 )Vm，這里取Vt= 1.06Vm。此時，夾持輸送帶拔取方向能達到最佳拔取狀態，其速度又大于機器的前進行速度，從而防止在收獲過程中出現擁堵現象。

3.4 夾持輸送機構夾持力的確定

夾持輸送機構實際工作過程包含兩個階段：一是大蒜從土壤中拔起未脫離土壤階段，此時大蒜蒜頭在土壤中運動，受力較復雜；二是大蒜脫離土壤后并在夾持輸送帶中運動，此時大蒜受力比較簡單。因此，夾持輸送機構夾持力分為兩個部分。

3.4.1 大蒜從土壤中的拔起時的夾持力的確定

大蒜主要由莖稈和鱗莖組成，且鱗莖根須分布較廣。在大蒜被夾持拔起的同時，挖掘鏟已經將大蒜鱗莖根須鏟斷、挖松并向上抬起，在此過程中由于受到挖掘鏟推力的作用，大蒜在土壤中會傾斜一個角度，并且大蒜逐漸與土壤分離。為了便于分析，假設在大蒜夾持拔起的過程中，有接近1/2的土壤與鱗莖分離，且無鱗莖損傷等現象[11]。根據大蒜在這一階段中的運動特點，建立的力學模型如圖6所示。

1.土壤 2.夾持輸送帶 3.大蒜莖稈 4.鱗莖 5.挖掘鏟

根據圖6中的受力分析可得

G+G′+Ff=F+FN

(7)

FN=Gcosδ

(8)

F1=fF

(9)

其中，G為大蒜鱗莖的重量(N)；G’為抬起土壤的質量(N)；Ff為鱗莖與土壤之間的阻力(N)；FN為挖掘鏟對鱗莖的支撐力在垂直方向上的分力(N)；F為大蒜莖稈對夾持輸送帶的總阻力(N)；δ為挖掘鏟的鏟面的傾角(°)。

在已知大蒜鱗莖質量、抬起土壤的質量、鱗莖與土壤之間的阻力、大蒜莖稈與夾持輸送帶之間的摩擦因數、挖掘鏟的鏟面的傾角的情況下，聯立式(7)～式(9)，可求得夾持力F1的大小。

3.4.2大蒜脫離土壤進入夾持輸送過程中夾持力的確定

夾持輸送過程中，大蒜逐漸脫離土壤，進入夾持輸送運動。由于機械行走速度和輸送帶傳動速度保持不變，所以大蒜在此過程中做勻速運動，受力比較簡單。建立力學模型如圖7所示。

根據圖7受力分析可得

Psinα=G

(10)

Pcosα=F′

(11)

P=uF2

(12)

其中，G為大蒜的質量(N)；P為夾持輸送機構對大蒜的提升力(N)；F＇為機構對大蒜的推力(N)；F2為夾持輸送機構對大蒜的夾持力(N)；α為夾持機構的傾角(°)；μ為大蒜莖稈與夾持帶之間的摩擦因數。

在已知大蒜重量G、夾持機構的傾角α、大蒜莖稈與夾持輸送帶之間的摩擦因數μ的情況下，聯立式(10)～式(12)，可求得夾持力F2的大小。

圖7 大蒜輸送時夾持持受力模型Fig.7 Mechanical model of force on garlic root in transporting

4 田間試驗及結果分析

4.1 試驗的目的、條件及方法

通過對大蒜聯合收獲機的夾持輸送機構進行田間性能試驗分析，驗證大蒜聯合收獲機夾持輸送機構在實際收獲過程中的作業效果，以及機構在本地區是否具有先進性、適用性及安全性。

試驗地點選擇在山東省金鄉縣大蒜種植基地，品種為金鄉白蒜，收獲時溫度為30℃，試驗地土壤為沙土性土壤，含水率(21.09±4.07)%，硬度(12.12±3.24)kg/cm2，容重(1.31±0.26)g/cm3。

在田間試驗時，收獲距離為20m，重復收獲5次，記錄每次收獲前田間的總株數、收獲的總株數及損傷數等相關數據。

4.2 試驗結果及分析

經過多次試驗，對獲得試驗數據進行統計并分析，如表1所示。

表1 大蒜聯合收獲機性能參數Table 1 Performance parameters of green Chinese Galic

在試驗過程中，結構可以平穩運行，輸送過程安全可靠，且不會發生擁堵的現象，但是損傷率較高。其原因是由于機構的預緊力較大，從而使得大蒜的莖稈被夾斷，掉落地上因相互碰撞而發生破損。

5 結論

1)根據大蒜的種植模式及機具設計要求，對夾持輸送機構中的帶輪、夾持輸送帶、張緊裝置等主要結構進行了設計。

2)確定了在夾持收獲大蒜時夾持大蒜莖稈的位置、夾持輸送機構的傾角及夾持輸送的速度。

3)建立了大蒜收獲時的力學模型，通過受力分析，得到了不同情況下夾持輸送機構對莖稈的夾持力。本文夾持輸送機構的設計對于大蒜的可靠輸送、減少大蒜損傷率及提高大蒜聯合收獲機整機性能具有重要意義。