斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗臺設計

劉 高,林蜀云,梁 勇,唐 勇,徐衛平

(1.貴州師范大學 機械與電氣工程學院,貴陽 550001;2.貴州省山地農業機械研究所,貴陽 550000;3.貴州電子科技職業學院,貴州 貴安 550025)

0 引言

貴州屬卡斯特地貌,土地坡度大,辣椒種植區域分散,單個種植區域面積小,給辣椒的機械化收獲帶來了很大困難[1]。辣椒作為貴州的一種重要扶貧產業,經濟效益良好[2-3],得到大力推廣,目前貴州辣椒種植面積已達35萬hm2。辣椒的機械化收獲[4]研究在國內仍屬起步階段,新疆、陜西等地多采用國外進口采摘機[5],但手工采摘仍是主要收獲方式。由于受到實際種植環境的影響[6],貴州地區辣椒收獲方式多為手工采摘,采摘成本大,收獲用時長,易延誤最佳收獲期,影響辣椒品質。近年來,農村地區勞動力匱乏,用工成本加大,嚴重阻礙了辣椒的產業化發展[7]。

根據目前貴州山地辣椒的收獲現狀,設計了一臺斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗臺,旨在為滿足貴州山地辣椒收獲的斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲原理提供試驗平臺。

1 試驗臺結構及工作原理

1.1 試驗臺設計的技術要求

1)試驗臺工作需適應貴州山地辣椒壟作栽培方式,具有靈活輕便的特點;

2)試驗臺螺旋輥傾斜角度、螺旋梳指長度及螺旋輥轉速等調節范圍滿足設計誤差要求;

3)試驗臺調節控制及數據采集方便。

1.2 試驗臺基本結構設計

斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗臺主要由分禾器及分禾器調節架、雙螺旋采摘輥、鎮壓輪、鎮壓輪高度調節手柄、調速器、減速電機、齒輪傳動組件、伸縮萬向節、機架手柄、機架及調節組件等部分組成,如圖1所示。

1.分禾器及分禾器調節架 2.雙螺旋采摘輥 3.鎮壓輪 4.鎮壓輪高度調節手柄 5.調速器 6.減速電機 7.齒輪傳動組件 8.伸縮萬向節 9.機架手柄 10.機架 11.調節組件圖1 試驗臺結構示意圖Fig.1 Test bed structure diagram。

試驗臺主要用于研究斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲機設計中的關鍵技術,具體包括該采摘機理的可行性、采摘輥轉速、采摘輥傾斜角度及螺旋梳指長度等。

1.3 試驗臺工作原理

根據貴州地區農戶種植習慣及山地辣椒的農藝規范,在品種上采用朝天椒,種植程序按農藝規范執行,種植方式為壟作、單行雙株。由于受天氣及環境影響,導致壟與壟之間存在深淺、寬窄的差異,同時辣椒植株及辣椒結果位置高低不一,給機械化收獲帶來很大困難。本文基于斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲方式設計了試驗臺,通過試驗研究該收獲方式的關鍵技術,解決當前機械化收獲面臨的困難。

辣椒采摘試驗臺由減速電機提供動力,通過齒輪、伸縮萬向節傳遞動力,實現雙采摘輥由下往上反向轉動,工作過程如圖2所示。試驗過程中,試驗臺勻速向前,分禾器將辣椒植株集中向中間靠攏,從入料口進入雙螺旋采摘輥之間,梳指對辣椒植株上的辣椒不斷地由下往上捋,從而將辣椒從植株上采摘下來。同時,采用正交試驗的方法,通過控制系統調節各影響參數,研究其漏采率及破損率等參數。

圖2 工作過程Fig.2 Working process。

2 關鍵部件設計

2.1 螺旋梳指輥的設計

斜置雙螺旋梳指采摘輥的直徑按照扭轉強度為

式中d—采摘輥直徑(mm);

[τT]—材料的許用扭轉切應力(MPa);

P—軸傳遞的功率(kW);

n—軸的轉速(r/min)。

試驗臺中軸傳遞的功率為1kW,轉速為180r/min,由表得[τT]值取15,得出螺旋梳指采摘輥的直徑為d=26.035mm,取d=27mm。

對螺旋梳指輥的強度在受力最大情況下進行校核,即安裝傾斜角度為30°,梳指長度為130mm,梳指輥總長度為786mm,有效作用長度為363mm,梳指輥等效總長為680mm,等效有效作用長度為363mm×cos30°=314mm。由圖6可知其合力方向向上,故螺旋梳指輥簡化受力示意圖如圖3所示。

圖3 螺旋輥載荷分布示意圖Fig.3 Diagram of load distribution of spiral roller。

根據辣椒連接力大小和壟作方式在工作過程中的阻力情況,計算出其集中力為F=1500N,其分段彎矩方程如圖4和圖5所示。

圖4 彎矩圖Fig.4 Bending moment diagram。

圖5 扭矩圖Fig.5 The torque diagram。

運用彎扭合成強度條件進行校核,即

式中d—采摘輥直徑(mm);

Me—當量彎矩(N·mm);

[σ-1b]—許用彎曲應力(MPa)。

代入所求最大彎矩和最大扭矩值,求得螺旋梳指輥所需直徑大小為5.848mm,故所取螺旋梳指輥直徑滿足強度要求。

2.2 螺旋梳指排列設計

螺旋梳指直徑為6mm,為保證采摘質量,辣椒所受合力為豎直向上方向,其采摘過程受力分析如圖6所示。

圖6 螺旋輥受力示意圖Fig.6 Force diagram of spiral rolle。

螺旋角α計算公式為

其中,c=1500N,b=1000N,θ為螺旋輥安裝傾斜角。由此求出每個梳指輥對應的梳指排列螺旋角α及其他參數,如表1所示。

表1 梳指長度及螺旋角Table 1 Comb length and spiral Angle。

2.3 試驗臺機架靜態結構分析

試驗臺機架選用材料為Q235方管,方管截面大小為40mm×40mm×3mm;整個機架采用焊接方式連接,機架長1 183mm、寬956mm、高756mm,由4個鎮壓輪支撐,承載7個主要部件;機架主要受雙螺旋采摘輥的扭矩,平均扭矩為510N·m,梳指長取0.12m。

機架受效集中應力為510N·m/0.12m=4250N。對機架進行簡化,忽略焊接對機架結構的影響,將圓角、倒角簡化為直角,添加載荷和約束后,求解其總變形云圖、等效應變云圖和等效應力云圖,如圖7～圖9所示。

圖7 機架總變形云圖Fig.7 Total rack deformation nephogram。

圖8 機架應變云圖Fig.8 Frame strain nephogram。

圖9 機架應力云圖Fig.9 Frame stress nephogram。

查閱金屬材料手冊可知:該方管的屈服強度為235MPa,抗拉強度為370～500MPa,強度安全系數取1.2～3,故該方鋼的許用應力范圍為78.33～195.83MPa。由機架靜態分析云圖可知:該機架最大變形為0.280 45mm,最大應力值為24.899MPa,最大應變值為1.1628×10-4mm,即最大應力值遠小于許用應力值,變形量可忽略不計,滿足設計需要。

2.4 試驗臺控制系統設計

1)試驗臺電氣系統控制原理。試驗臺電氣控制系統采用西門子S7-200 SMART PLC為核心控制器,配置昆侖通泰觸摸屏。通過現場傳感器實現模擬量和數字量之間的A/D轉換,數據轉換成0～10V電壓信號,由西門子S7-200 SMART PLC進行讀取,并根據控制要求對臺達A2伺服電機轉速進行控制,如圖10所示。

圖10 電氣系統控制示意圖Fig.10 Diagram of electrical system。

2)PLC控制系統硬件原理圖及硬件配置。根據PLC選型及斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲系統實際需求進行PLC I/O地址分配,設計PLC控制原理圖;根據斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲系統電氣原理圖,進行PLC程序編寫及系統硬件配置。

3)HMI界面程序設計。利用MCGS嵌入版組態軟件,在斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲系統設計了靈活的圖像、圖符、報表、曲線等多種形式,為試驗及時提供相關信息。同時,設置多樣化的報警功能,方便用戶進行報警設置,如圖11所示。

圖11 人機界面圖Fig.11 HMI diagram。

3 試驗檢測

斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗臺于2019年2月22日完成加工制造工作,并于2019年3月4日-3月5完成調試及試驗檢驗工作,如圖12所示。

圖12 試驗臺機械結構圖Fig.12 Mechanical structure figure of test stand。

試驗檢測的目的在于測量試驗臺相應設計參數是否滿足設計要求,并做相應記錄,檢測結果如表2所示。

表2 斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗臺檢測情況Table 2 Test results of inclined double spiral comb finger type pepper harvesting test bed。

試驗檢測結果表明:試驗臺能夠進行正常穩定的工作,且可對斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲機理進行試驗分析,控制系統穩定可靠,其螺旋梳指長度、棍間距等設計參數均在設計要求誤差范圍內,設計結果滿足要求。

4 結論

1)設計并加工了一臺斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲試驗臺,測試結果表明:螺旋輥傾斜角度調節值、螺旋梳指長度調節值等參數及實際使用效果滿足試驗臺設計要求。

2)試驗臺結構簡單,操作便捷,控制系統穩定可靠,試驗采集的數據及試驗結果可為斜置雙螺旋梳指式辣椒收獲機的設計提供理論及試驗基礎。