分段式大蒜收獲機的設計與試驗

王利遠,李天華,牛子孺,吳彥強,韓 可,楊 青,姜廣民,侯加林

(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;3.臨沂鳳林農機制造有限公司,山東 臨沂 277700)

0 引言

大蒜是我國重要的經濟作物之一,具有悠久的種植歷史及極高的食用價值、藥用價值和經濟價值。我國是世界上大蒜主產區,產量占世界大蒜產量的70%以上,近幾年大蒜種植面積不斷增加,主要分布在山東、江蘇、河南等地區,大蒜產業發展勢頭良好。

目前,我國大蒜聯合收獲機研制主要存在以下幾點問題：①我國大蒜聯合收獲機的研制仍處于初步階段,大部分以樣機試驗試制為主,短期內難以形成規模化生產和應用,且大部分大蒜聯合收獲機體積較大,難以適應不同地區的大蒜種植模式;②目前研制的大蒜聯合收獲機造價成本較高,對廣大蒜農接受程度較低。因此,我國大蒜收獲仍以人工收獲為主,但大蒜收獲的時效性強,人工收獲強度高、效率低下、成本高[1]。上述情況不利于我國大蒜全程機械化進程的積極發展,所以亟需設計一種結構簡單、成本低且適用于小地塊的小型大蒜聯合收獲機。

針對上述情況,設計了分段式大蒜聯合收獲機,可一次性完成三行大蒜的收獲作業,且機器體積輕巧、成本低、操作方便、結構簡單緊湊,能夠適應不同地區的大蒜種植模式[2],對于我國大蒜產業的機械化發展有著積極的促進作用。

1 總體機構及工作原理

1.1 總體機構

本機主要由夾持輸送裝置、挖掘裝置、限深裝置、打捆裝置等組成,可一次性完成三行大蒜的挖掘、夾持輸送、打捆、田間鋪放等收獲作業,如圖1所示。其結構緊湊,體積小,成本低,作業效率高,對不同地區不同大蒜種植模式的適應性強。

1.變速箱 2.傳動錐齒輪 3.打捆機構 4.限深臂 5.夾持機構 6..限深輪 7.挖掘立軸 8.挖掘旋轉刀盤 9.手扶拖拉機圖1 分段式大蒜收獲機主視圖Fig.1 The main view of the segmented garlic harvester

1.2 工作原理

手扶拖拉機作為整機的動力輸出源和安裝平臺,其動力通過變速箱傳遞給收獲裝置進行收獲作業。工作時,手扶拖拉機帶動整機前進,變速箱安裝于手扶拖拉機動力輸出軸上,所輸出的動力帶動挖掘旋轉刀盤轉動,對土壤進行旋轉松動,對大蒜進行挖掘。夾持裝置采用夾持鏈條設計,傳動穩定,安裝于手扶拖拉機正后方位置,在變速箱所給動力下,夾持裝置的主動鏈輪進行夾持傳動。隨著整機不斷前進,夾持鏈條不斷夾持大蒜,進而將大蒜撅出土壤向后輸送。限深裝置位于整機的左后方位置,控制機器與地面保持一定距離,達到良好的收獲效果。在夾持裝置最后方,打捆裝置通過鏈條與變速箱動力輸出軸連接,對夾持過來的大蒜進行打捆處理,打捆后的大蒜放置于田地上,后期由蒜農拾取[3-6]。其工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖Fig.2 Workflow diagram

1.3 主要技術參數

根據大蒜農藝和種植模式要求,確定本機的主要技術參數如表1所示。

表1 分段式大蒜收獲機主要技術參數Table 1 Main technical parameter of the segmented garlic harvester

2 關鍵部件設計

2.1 挖掘機構的設計

挖掘機構是大蒜收獲機的關鍵部件之一,對大蒜收獲的質量有著至關重要的影響,主要功能是將土壤中的大蒜松動,便于后續的收獲作業。大蒜挖掘機構采用旋轉式挖掘機構設置,挖掘立軸采用φ80的無縫鋼管,內部安裝有旋轉傳動軸,挖掘旋轉刀盤為齒狀圓盤。由于工作環境惡劣,對挖掘旋轉刀盤本身材料有更高的要求,故采用65Mn材質,經高溫淬火后,達到挖掘旋轉刀盤所需的耐磨性、韌性和耐蝕性[7]。挖掘旋轉刀盤安裝在挖掘立軸底部,實現土壤的松土作業和大蒜的挖掘過程。挖掘機結構,如圖3所示。其工作過程：手扶拖拉機作為動力輸出源,通過變速箱體傳遞給旋轉傳動軸帶動挖掘旋轉刀盤旋轉,高速旋轉的刀盤實現土壤的松動和大蒜的挖掘作業。

1.挖掘旋轉刀盤 2.挖掘立軸 3.傳動錐齒輪 4.橫向傳動軸 5.固定支座 6.固定螺栓 7.挖掘傳動軸圖3 挖掘機構示意圖Fig.3 The structure of the excavator

2.2 夾持機構的設計

夾持機構包括夾持總架和安裝于夾持總架上的兩組鏈條夾持裝置,每組鏈條夾持裝置包括通過鏈條連接的主動鏈輪和從動鏈輪,主動鏈輪安裝于傳動軸上,兩組鏈條夾持裝置中的鏈條之間形成夾持空間。夾持總架上還安裝有位于鏈條內的預緊裝置和張緊裝置,預緊裝置包括一端通過螺栓與夾持總架連接的調節桿及安裝在張緊輪桿桿上且輪面與鏈條貼緊的張緊輪[8]。其結構主視圖如圖4所示。

1.主動鏈輪 2.夾持鏈條 3.張緊輪桿 4.彈簧 5.主動鏈輪 6.預緊螺栓 7.引導桿 8.夾持總架 9.張緊輪圖4 夾持機構主視圖Fig.4 The main view of the clamping mechanism

本設計夾持輸送鏈條的傾角α取23 °,則選擇夾持鏈條夾持點高度為

式中h—夾持鏈條末端相對于大蒜生長地面的高度(mm),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—鏈輪直徑(mm);

a—鏈輪高出帶輪的高度(mm);

α—夾持輸送帶的傾角(°)。

將參數全部代入得出夾持點離地面的高度H=100mm。

3 田間試驗與結果

試驗目的：研究大蒜夾持鏈條輸送速度、挖掘旋轉刀盤傾角與機組前進速度三因素對分段式大蒜收獲機收獲效果的綜合影響,并最終得出最優參數組合[9-10]。

3.1 試驗基本條件

田間試驗地點選擇在臨沂市蘭陵縣神山鎮政府大蒜全程機械化試驗田。試驗地屬于平原區,土壤為壤土;種植前精細整地,施足基肥;蒜種采用蒼山大蒜;播種時開溝栽培,按照株距12cm進行播種,開溝、播種、覆土深淺一致,且要是種瓣與土壤密接,把蒜瓣排放溝內,覆土2cm;播種后進行地膜覆蓋。試驗樣機由臨沂鳳林農機制造有限公司生產,依據DB37/T2878.4-2016 農產品收獲機械 通用技術要求 第 4 部分：大蒜收獲機械,GB/T5262-2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》等相關國家標準進行試驗。其試驗現場如圖5所示。

圖5 現場試驗圖Fig.5 Test in field

3.2 試驗方法與指標

試驗后,對試驗區域內的大蒜進行人工撿拾,分別對已挖掘大蒜、未挖掘大蒜(未完全挖掘出土壤)和機械損傷大蒜進行稱重。試驗要求每組試驗機器收獲作業20m,重復進行3次,取平均值[11-13]。

挖掘率具體計算公式為

M=M1+M2

式中M—試驗大蒜總質量(kg);

M1—試驗已挖掘大蒜質量(kg);

M2—試驗未挖掘大蒜質量(kg);

M3—試驗機械損傷大蒜質量(kg);

P1—漏蒜率;

P2—傷蒜率。

3.3 試驗方案

本試驗進行3因素3水平正交試驗[14],選取試驗因素與水平如表2所示。

3.4 試驗結果分析

試驗方案與結果如表3所示。表3中：k11～k13、k21～k23分別為各因素各水平下測定指標(P1、P2)值的和;R1、R2為極差。

由表3可知：挖掘旋轉刀盤傾角、機組前進速度和夾持鏈條輸送速度對漏蒜率影響的主次順序為夾持鏈條輸送速度﹥挖掘旋轉刀盤傾角﹥機組前進速度,三者水平的較優組合為A3B3C1;夾持鏈條輸送速度、機組前進速度和挖掘旋轉刀盤傾角對傷蒜率影響的主次順序為機組前進速度﹥挖掘旋轉刀盤傾角﹥夾持鏈條輸送速度,三者水平的較優組合A3B1C2。

表2 試驗因素與水平Table 2 Experimental factor and levels

表3 試驗方案與結果Table 3 Experimental scheme and results

對正交試驗結果利用SPSS軟件[15]進行方差分析,顯著性水平為0.05,方差分析結果如表4所示。

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance

由表4方差分析表可知：在顯著性水平為0.05的條件下,對于漏蒜率指標,挖掘旋轉刀盤傾角因素值Sig.為0.006,對漏蒜率指標影響極為顯著;夾持鏈條輸送速度因素值Sig.為0.023,對漏蒜率指標影響顯著;機組前進速度因素值Sig.為0.282,對漏蒜率指標影響不顯著。對于傷蒜率指標,挖掘旋轉刀盤傾角因素值Sig.為0.047,對傷蒜率指標影響顯著;機組前進速度與夾持鏈條輸送速度對傷蒜率指標影響不顯著[16]。

根據以上方案,確定A3B3C1為最優組合,即挖掘旋轉刀盤傾角14°,機組前進速度1m/s,夾持鏈條輸送速度1.2m/s。

4 結論

1) 設計的分段式大蒜聯合收獲機可一次性完成三行大蒜的挖掘、夾持輸送、打捆及田間鋪放等收獲作業,各項作業指標均滿足設計要求。

2) 通過三因素三水平正交試驗得出：挖掘旋轉刀盤傾角因素對漏蒜率指標影響極為明顯,夾持鏈條輸送速度因素對漏蒜率指標影響明顯,機組前進速度因素對漏蒜率指標影響不明顯;挖掘旋轉刀盤傾角因素對傷蒜率指標影響明顯,機組前進速度與夾持鏈條輸送速度對傷蒜率指標影響不明顯。

3) 確定分段式大蒜收獲機工作參數的最優組合為挖掘旋轉刀盤傾角14°,機組前進速度1m/s,夾持鏈條輸送速度1.2m/s。