農(nóng)作物打頂機夾持打頂機構(gòu)的設(shè)計與試驗

楊慶璐，范國強，張曉輝，鹿 瑤，太健健

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 機電學院，山東 泰安 271018；2.中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京 100083)

0 引言

煙草、棉花是我國重要的經(jīng)濟作物之一，其種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[1]，主要產(chǎn)區(qū)在云南、貴州、四川、河南、山東、湖南、遼寧及黑龍江等20多個省份，全國煙葉種植面積達107.97萬hm2[2]。煙草打頂是煙草生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可消除煙草頂端生長優(yōu)勢，促進煙草的增產(chǎn)增收。長期以來，我國煙草生產(chǎn)主要由人工完成，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，工作條件差，嚴重影響到煙草的產(chǎn)量和質(zhì)量。規(guī)模化和農(nóng)場化種植是今后煙草生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，提高煙草生產(chǎn)機械化、智能化、自動化水平是今后深入研究的重中之重[2]。煙草打頂機械化可以大大縮短打頂時間，提高勞動效益，降低勞動強度，增大作物產(chǎn)量[3]。我國在煙草田間管理機械化方面起步較晚，機械制造技術(shù)落后，機械化水平較低，適應(yīng)性差，普及率低，遠遠落后于歐美等發(fā)達國家。隨著農(nóng)民經(jīng)濟水平的提高、煙草科技的進步及國家對煙草機械化發(fā)展推出的新政策，煙草生產(chǎn)實現(xiàn)機械化作業(yè)的趨勢越來越明顯[2]。

本文創(chuàng)新性地設(shè)計了一種煙草夾持式智能打頂機構(gòu)，可一次完成煙草打頂、抑芽劑噴施、割刀消毒和煙芽夾持輸送等聯(lián)合作業(yè)。應(yīng)用三維建模軟件 Solid Works 建立虛擬樣機模型，運用機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件 ADAMS 進行仿真分析，并進行了樣機試驗。

1 夾持打頂機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 夾持打頂機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)

夾持打頂機構(gòu)主要由左右扶禾器、夾持皮帶、浮動張緊輪、浮動張緊輪擺動鉸鏈、切割刀、彈簧、直流夾持電機和割刀電機等組成。用SolidWork對夾持打頂機構(gòu)進行虛擬樣機三維設(shè)計，裝配后的效果如圖1所示。

1.夾持電機 2.抑芽劑噴頭 3.夾持帶 4.扶禾器 5.帶輪 6.機構(gòu)軌道架 7.割刀消毒噴頭 8.割刀 9.割刀電機

1.2 夾持打頂原理

夾持打頂裝置傳動系統(tǒng)如圖2所示。夾持打頂機構(gòu)的直流夾持電機帶動主動帶輪旋轉(zhuǎn)，拉動夾持皮帶繞過主動帶輪、前浮動張緊輪、后浮動張緊輪和被動帶輪，形成一個封閉的傳動。由于左右兩側(cè)直流夾持電機轉(zhuǎn)向相反，使得夾持皮帶內(nèi)側(cè)由前向后移動，將由扶禾器收攏的煙草頂部夾持住并向后拉。為了適應(yīng)粗細不同的煙草頂部，前浮動張緊輪擺動鉸鏈和后浮動張緊輪擺動鉸鏈可以擺動，進而調(diào)整兩側(cè)夾持皮帶之間的間隙，而張緊彈簧Ⅰ和張緊彈簧Ⅱ又使兩側(cè)夾持皮帶之間保持適當?shù)膴A持力；底部圓盤切割刀將煙草頂部切斷，兩側(cè)夾持皮帶將切斷后的煙花夾持住并向后運輸。

1.被動帶輪 2.后浮動張緊輪 3.后浮動張緊輪擺動鉸鏈 4.張緊彈簧Ⅱ 5.割刀電機 6.割刀 7.夾持帶 8.張緊彈簧Ⅰ 9.前浮動張緊輪擺動鉸鏈 10.前浮動張緊輪 11.主動帶輪 12.夾持電機

1.3 消毒與抑芽劑噴施原理

消毒藥泵吸取消毒藥液后經(jīng)割刀消毒噴頭對圓盤割刀噴射消毒，防止病菌的傳播；抑芽劑藥泵吸取抑芽劑通過安裝在割刀后側(cè)的抑芽劑噴頭向切割后的煙稈斷面噴施抑芽劑。在切割刀盤的下方，使用U型螺栓安裝1對紅外線發(fā)射管和紅外線接收管，當切割后的煙稈通過時，觸發(fā)抑芽劑藥泵啟動。圖3為割刀消毒系統(tǒng)與抑芽劑噴施系統(tǒng)示意圖。

1.抑芽劑藥泵 2.紅外線接收管 3.抑芽劑噴頭 4.割刀電機安裝座 5.紅外線發(fā)射管 6.割刀電機 7.U型螺栓 8.割刀消毒噴頭 9.割刀 10.右扶禾器 11.左扶禾器

2 夾持打頂機構(gòu)的設(shè)計

2.1 夾持輸送機構(gòu)設(shè)計及參數(shù)確定

2.1.1 扶禾器的設(shè)計

對于同一行煙草，在其種植和生長過程中，個別植株難免會與整行產(chǎn)生較大偏差。打頂機沿煙行直線前進進行打頂作業(yè)，為避免個別植株漏打，設(shè)計了扶禾器，它可以收攏煙稈，將煙稈引導(dǎo)至夾持皮帶起始位置，同時將煙葉下壓，避免煙葉的損傷。

扶禾器通過螺栓連接，固定在夾持打頂裝置的前端，其結(jié)構(gòu)呈V型，前端向上彎曲，便于煙葉的下壓。扶禾器左、右兩彎板的尖端處的最大距離為400mm，因此可將偏離直線中心200 mm內(nèi)的煙稈收攏進扶禾器。

2.1.2 夾持皮帶選型及速度確定

夾持皮帶夾持煙花底部，實現(xiàn)夾持切割和夾持輸送。為滿足要求，皮帶要有一定的寬度，表面要有一定的韌性，還要考慮控制成本。最終夾持機構(gòu)選用的皮帶為A型V帶，每側(cè)使用兩根。

夾持皮帶由夾持電機帶動，為滿足夾持要求，皮帶的傳送速度應(yīng)與機組前進速度相匹配。圖4為夾持運動示意圖。

圖4 夾持運動示意圖

由圖4中幾何關(guān)系可得

η-λ=90°

式中Vm—機組前進速度(m/s)；

Vr—夾持皮帶傳送速度(m/s)；

Va—夾持皮帶絕對速度(m/s)；

λ—Va與豎直方向的夾角(°)；

η—Va與機組前進速度夾角(°)；

θ—夾持機構(gòu)的傾角(°)。

由上式可知，夾持機構(gòu)傾角θ的取值會影響夾持皮帶的傳送速度。傾角過大，傳送速度在水平方向的分量變小，豎直方向分量增大，降低了傳送效率，同時會損傷植株；傾角過小，難以完成夾持輸送和切割，也不利于保護植株葉片。同時，θ的取值還要考慮機構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置。綜合以上因素，取θ=30°。夾持皮帶傳送速度Vr應(yīng)滿足Vrcosθ>Vm，取Vr=1.73Vm，機組前進速度Vm=0.42m/s。此時，夾持皮帶傳送速度既能滿足夾持要求，又不至于夾持時發(fā)生堵塞。主動帶輪的直徑100mm，計算得轉(zhuǎn)速為140r/min，考慮到摩擦損失和皮帶的彈性滑動，選用144r/min直流減速電機，工作電壓24V。

2.1.3 割刀切割參數(shù)確定

煙草莖稈質(zhì)地較硬，為了滿足切割要求，選用80齒的圓盤刀，需確定割刀轉(zhuǎn)速。根據(jù)速度合成原理進行分析，如圖5所示。

圖5 割刀速度合成示意圖

割刀在A點的速度由割刀圓周速度與機組運動速度合成，故A點的速度為

va=rw-vm

式中n—割刀轉(zhuǎn)速；

va—割刀切割速度；

vm—機組前進速度；

r—割刀半徑。

無支撐切割割刀線速度不低10m/s，由于刀盤圓周速度相等，以圓周上任意一點為基準來確定轉(zhuǎn)速，且旋轉(zhuǎn)半徑r=0.127 5m，得割刀轉(zhuǎn)速n=789r/min。考慮到工作過程中的功率損耗，選用1 000r/min、24V直流電機。

3 虛擬樣機模型建立及仿真分析

3.1 三維模型的導(dǎo)入

首先，利用三維建模軟件SolidWorks建立三維模型，并進行裝配。將模型保存為parasolid(*.x_t) 格式，導(dǎo)入ADAMS/View中，建立虛擬樣機仿真模型，進行研究。

3.2 模型約束添加

1)定義A點的運動副及驅(qū)動。沿導(dǎo)軌方向建立平移副，并在平移副上添加驅(qū)動，設(shè)置速度為0.4m/s。

2)定義B點的運動副及驅(qū)動。在割刀與刀軸之間建立旋轉(zhuǎn)副，并在旋轉(zhuǎn)副上添加驅(qū)動，設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 000r/min。

3)在C點建立固定副，將導(dǎo)軌固定。

建立的虛擬樣機如圖6所示。其中，X正方向代表機器前進方向；Y軸與車輪軸向重合；Z軸代表垂直于路面方向。

圖6 虛擬樣機模型圖

3.3 割刀仿真運動軌跡

在ADAMS/View中，添加約束后，進行仿真分析，得到割刀上某一點的運動軌跡，如圖7所示。

圖7 割刀某一點的運動軌跡圖

由圖7可知：機器在工作過程中，割刀上任一點的運動軌跡都為余擺線，且不同轉(zhuǎn)速和不同的前進速度配合，得到的余擺線的稀疏程度不同。

3.4 割刀的切割速度分析

在ADAMS/View中，選取0.2s的時間段，對割刀上某點進行運動仿真研究，得到在機器前進方向上的速度變化規(guī)律，如圖8所示。

割刀在初始位置、機器前進速度為0m/s時，割刀速度為0m/s。隨著時間的變化，割刀的最大速度為13m/s(負值代表方向)。

在Y軸方向，選取0.2s的時間段，得到割刀上某一點的速度變化規(guī)律，如圖9所示。割刀在初始位置、機器前進速度為0 m/s時，割刀速度接近13m/s。隨著時間的變化，割刀的最大速度為13m/s。

圖8 割刀在X軸方向的速度變化圖

圖9 割刀在Y軸方向的速度變化圖

割刀切割速度是割刀旋轉(zhuǎn)速度與機器前進速度的合成，其速度變化規(guī)律如圖10所示。由圖10可知：割刀切割速度變化范圍為12～14 m/s；機器工作過程中，割刀切割速度隨時間呈波紋式狀態(tài)。

圖10 割刀切割速度變化圖

3.5 割刀的切割位移分析

在ADAMS/View中，選取0.2s的時間段，研究割刀上某點在機器前進方向的位移變化規(guī)律，如圖11所示。

圖11 割刀在X軸的位移變化圖

割刀在初始位置、機器前進速度為0m/s時，選取點的位移接近最大位移處，為0.125m；位移隨時間變化呈余弦曲線的規(guī)律。

在Y軸方向，選取點的位移變化規(guī)律如圖12所示。割刀在初始位置、機器前進速度為0m/s時，選取點的位移為0m。

圖12 割刀在Y軸的位移變化圖

機器在工作過程中，割刀上選取點的位移為割刀旋轉(zhuǎn)位移與機器前進位移的合成，其切割位移變化圖如13所示。隨著割刀的旋轉(zhuǎn)與機器的前進，割刀的位移受到旋轉(zhuǎn)運動與直線運動的影響，位移變化量隨時間呈現(xiàn)波紋式增長狀態(tài)。

圖13 割刀位移變化圖

4 煙草莖稈打頂部位切割試驗

研究煙草莖稈的力學特性，有利于確定機器的工作情況，減少研發(fā)成本與縮短研發(fā)周期[4]。近年來，國內(nèi)外學者對小麥、玉米、甘蔗等作物莖稈力學特性開展了大量研究，而針對煙草莖稈力學特性還鮮有研究[1]。對煙草莖稈進行切割試驗，可為農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計提供參考依據(jù)，降低研發(fā)成本[1]。

4.1 試驗采樣

煙草莖稈樣本取自山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學實驗站，在煙草生長的花蕾期，從打頂位置(距頂花位置向下大約30cm處)采集煙草莖稈樣本，長度為30 mm，含水率為87%。

4.2 試驗儀器

試驗儀器主要包括WDW-5E微機控制電子式萬能試驗機(濟南試金集團有限公司)、游標卡尺、直尺及小刀等。試驗所得的負荷-位移關(guān)系可由計算機自動記錄。

4.3 試驗方法

在試驗機工作臺上固定一個V型輔具，試驗刀片安裝在機器上夾頭中間部位，將試樣置于輔具的V型槽中。試驗采用的加載速度為20mm/min，試樣切斷后計算機輸出切割力—位移曲線，如圖14所示。

圖14 莖稈切割試驗

切割力-位移曲線如圖15所示。由圖15可以看出：煙草莖稈試樣隨著切割力的增加，刀具位移不斷增大，切割力到達極限后開始減小，直至瞬間為零，此時試樣被完全切斷；切割力峰值發(fā)生在莖稈半徑位置，而且半徑越大切割力峰值越大。

圖15 切割力-位移曲線

為了解煙草莖稈直徑與最大切割力的關(guān)系，對5組試樣的試驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合，如圖16所示。

圖16 最大切斷力與煙草莖稈直徑關(guān)系

由圖16可知：隨著莖稈直徑的增大，最大切割力與切割出莖稈直徑大小呈線性增加關(guān)系。

5 田間試驗

5.1 試驗條件

為驗證樣機工作效果，進行了樣機田間試驗，如圖17所示。試驗在濰坊市諸城煙農(nóng)專業(yè)合作社的煙田試驗基地進行，試驗時煙草生長處于初花期，適合打頂作業(yè)。試驗用地1.2hm2，試驗條件如表1所示。

表1 試驗條件

圖17 樣機田間試驗

5.2 試驗數(shù)據(jù)測定

在1.9km/h的行駛速度下對煙草進行打頂試驗，共5次，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 田間試驗數(shù)據(jù)

5.3 試驗結(jié)果分析

試驗過程中采集樣本500 株，樣機運轉(zhuǎn)比較穩(wěn)定，能夠可靠地完成煙草的夾持打頂、煙花的夾持收集及割刀消毒與抑芽劑的噴施等動作，滿足了使用的要求。該機打頂準確率>97%，生產(chǎn)率達到人工的3倍以上。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果

打頂后煙稈斷面(見圖18)較為平整，煙葉損傷較小，效果良好。在試驗過程中，偶爾會出現(xiàn)打頂位置和抑芽劑噴灑不準確現(xiàn)象，主要原因有：①由于煙草生長歪斜造成扶禾器收攏有誤差，機構(gòu)偏離打頂位置；②打頂機前進過程中，機械振動造成抑芽劑噴灑不準確。

圖18 打頂效果圖

6 結(jié)論

1)該機構(gòu)能夠完成煙草打頂作業(yè)，打頂準確率為97%，夾持準確率為98%，可滿足使用要求。

2)該機構(gòu)首次采用了夾持式打頂方案，可實現(xiàn)煙草頂尖的聚攏、夾持、切割及夾持輸送。

3)消毒裝置可對切割刀進行消毒，避免了病菌在不同植株之間的傳播。抑芽劑噴施系統(tǒng)可檢測到切割后的煙草莖稈，并對煙稈斷面噴涂抑芽劑。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，作業(yè)效率高，可靠性強。