基于自動對行的四壟八行花生條鋪收獲機設計與試驗

馬寧，王東偉，尚書旗，何曉寧，胥南，郭鵬，趙澤龍，趙壯

(青島農業大學機電工程學院，山東 青島 266109)

花生作為世界范圍內廣泛種植的經濟作物和油料作物，是國家重點扶持發展且極具競爭力的出口創匯農產品[1].近年來花生種植面積穩步增長，主要集中在河南、山東、河北以及安徽等地區[2].根據國家統計局數據顯示，2019年我國花生種植面積達463.348 萬hm2，花生總產量達1 751.96萬t[3]，均居世界前列.然而，目前我國花生收獲機械化水平發展緩慢，僅為44.76%[4-5]，部分花生主產區仍以簡單的小型挖掘收獲機輔助人工收獲為主，嚴重制約了花生生產機械化水平的提升.

歐美等發達國家對花生收獲機械的研究起步較早，尤其是美國在兩段式收獲方面的技術和裝備一直處于世界領先地位.目前主要有KMC、AMADAS、FERGUSON、COLOMBO、PEARMAN等公司生產的2～8行鏟鏈式和鏟夾式花生起收機，機械化程度高，性能可靠[6].但美國花生主要以蔓生型為主，與我國直立型花生收獲存在較大差異，因此美國收獲機不適用于我國花生收獲實際需要.

近年來，為推進我國花生收獲機械化發展進程，相關領域的專家學者和科研單位陸續開展了系列研究.目前應用于我國花生兩段式收獲方式的機型主要包括4H-1500型花生挖掘收獲機、4H-800型花生挖掘收獲機[7]、4HCDS-100型挖掘收獲機[8]、振動式鋪放型花生挖掘收獲機[9]等，通過挖掘鏟與振動篩或升運鏈相結合的方式，對花生進行挖掘、輸送、去土、鋪放，在一定程度上實現了花生收獲的機械化作業，代替人工收獲，降低了勞動強度.雖然多種類型的花生起收機得到了相應的推廣應用，但大多為小型機械[10]，收獲效率低，對各花生主產區的壟距、壟寬、行距等不同種植模式和作業環境適應性差，收獲效果欠佳.我國對寬幅高效、性能可靠、具有自動對行功能的多壟多行花生條鋪收獲裝備的研究匱乏.

圍繞我國花生種植模式，結合農機農藝相融合的要求，設計四壟八行花生條鋪收獲機，當機具前進方向與花生壟發生偏離時能夠實現自動對行，具有機架折疊功能，以期一次性完成四壟八行花生挖掘拔取、夾持輸送、梳刷去土、有序條鋪收獲作業，以期提高花生收獲效率，降低埋果率和帶土率，為多壟多行花生條鋪收獲裝備的研究提供參考.

1 整體方案設計

1.1 結構組成

四壟八行花生條鋪收獲機主要由挖掘裝置、夾持輸送裝置、去土裝置、有序條鋪裝置及折疊裝置、自動對行裝置等組成，其結構設計如圖1所示.

1：懸掛架；2.變速箱；3：機架；4：折疊裝置；5：傳動裝置；6：液壓缸；7：挖掘裝置；8：位移傳感器；9：夾持鏈；10：夾持輸送架：11：有序條鋪裝置；12：去土裝置；13：仿形輪；14：控制裝置；15：超聲波傳感器；16：限深裝置.

1.2 工作原理

整機配套70 kW拖拉機，采用后懸掛的方式進行作業.拖拉機后動力輸出軸與收獲機變速箱連接，動力由傳動裝置進行傳遞，通過萬向節帶動齒輪組工作；動力由齒輪組傳遞到鏈輪進而帶動夾持鏈運轉.田間作業開始前，控制裝置調節液壓缸活塞桿，通過折疊裝置使兩側機架向下翻轉展開.作業過程中，若前進方向發生偏離，通過自動對行裝置偏離探測機構感知反饋，控制裝置調節夾持輸送架橫向移動，使夾持輸送架前端的挖掘鏟與花生壟對齊，實現自動對行.挖掘鏟將花生植株從土壤中挖出，夾持鏈同時進行夾持拔取，使其進入夾持輸送裝置并輸送至機具尾部；在輸送過程中去土桿以梳刷方式將粘附在根系及莢果上的土壤去除；花生植株在條鋪引導板的作用下以條狀按同一方向整齊有序鋪放于田間.

2 關鍵部件的設計與分析

2.1 挖掘裝置

挖掘鏟作為挖掘裝置的重要組成部分，應具有良好的入土性能[11]，能夠松碎土壤，將花生植株完全挖出，不損傷花生莢果；還需對作物施加一個向上托起的力，使其能夠順利進入夾持輸送環節[12].在四壟八行花生挖掘作業過程中，挖掘鏟兩側翻起的土壤易造成壅土堵塞；對行調節過程中，挖掘鏟在土下隨夾持輸送架左右橫向移動，受到土壤阻力較大且易纏繞雜草.針對上述問題，設計對置式平面雙鏟，采用前后交錯排列的方式，能有效避免壅土堵塞與纏繞雜草，減小挖掘阻力.挖掘裝置結構如圖2所示.

1：連接桿；2：鏟柄；3：挖掘鏟.

挖掘鏟的入土角和鏟刃頂角是影響挖掘鏟阻力大小及挖掘效果的主要因素.挖掘鏟在工作過程中土壤和鏟面受力分析如圖3～4所示.

1：土壤；2：鏟面；

圖4 鏟面受力分析

由土壤和鏟面受力分析可知，挖掘鏟在作業過程中受力情況滿足：

(1)

式中：F為挖掘鏟在工作中受到的牽引力(N)；G為鏟面上方土壤所受的重力(N)；Z為常數；C為土壤內凝聚力因數(N/m2)；s1為土壤剪切面積(m2)；B為土壤沿挖掘鏟面運動的加速力(N)；β為前失效傾角(°)；θ為挖掘鏟的入土角(°)；μ1為土壤與挖掘鏟之間的摩擦因數；μ2為土壤與土壤之間的摩擦因數；Ca為土壤的附著力因數(N/m2)；A1為鏟面面積(m2).

圖3～4中：

f1=μ1N1

(2)

f2=μ2N2

(3)

式中：N1為挖掘鏟的法向載荷(N)；N2為前失效面的法向載荷(N)；Vm為機具前進速度(m/s).

根據鏟面受力情況，為使挖掘鏟鏟起的土壤向后運動，建立關于入土角的受力平衡方程：

Fcosθ-T-Gsinθ=0

(4)

R-Gcosθ-Fsinθ=0

(5)

T=Rμ1

(6)

式中：F為挖掘鏟在工作中受到的牽引力(N)；R為土壤對鏟的作用力(N)；T為鏟面所受的摩擦力(N)；G為鏟面上方土壤所受的重力(N)；θ為挖掘鏟的入土角(°)；μ1=tanφ,φ為鏟面與接觸物的摩擦角(°).

化簡可得

F≥Gtan(θ+φ)

(7)

由以上關系可知：鏟面受到的力與入土角的大小呈正相關關系；挖掘鏟受到的牽引阻力與入土角的關系為：當0°<θ<15°時牽引阻力隨入土角的增大逐漸上升；當15°<θ<25°時牽引阻力隨入土角的增大上升緩慢；當θ<25°時牽引阻力隨入土角的增大急劇上升.因此，挖掘鏟的入土角應取15°～25°為宜，取入土角為20°.

挖掘鏟切割性能主要取決于鏟刃頂角[13].鏟刃頂角過大時，鏟刃易被根系纏結造成堵塞；鏟刃頂角過小時，鏟刃不易切斷根蔓而發生滑脫，鏟刃的滑切受力分析如圖5所示.

圖5 鏟刃滑切受力分析

為保證挖掘鏟具有良好滑切性能，使土壤及花生根系順利經過鏟面，鏟刃頂角的設計應滿足：

M=Pcosγ

(8)

E=Psinγ

(9)

N=Etanφ

(10)

產生滑切的條件是：M>N，即

Pcosγ>Psinγtanφ

(11)

經化簡得：γ<90°-φ

(12)

式中：γ為鏟刃頂角(°)；P為挖掘鏟所受阻力(N)；M為挖掘鏟所受阻力的分力(N)；N為滑移摩擦力(N)；E為鏟刃對接觸物的作用力(N).

在適宜的角度區間內變化時，γ越小，滑切性能越好，但γ減小會增加挖掘鏟長度，使整機的縱向尺寸增大，不利于整機的提升和行走[13]，因此γ不宜過小.土壤與鋼的摩擦系數tanφ一般為0.4～0.8，γ取48°左右為宜.

2.2 夾持輸送裝置

夾持輸送是花生收獲作業過程中的重要環節.夾持輸送裝置主要由夾持鏈輪、夾持鏈、張緊鏈輪、張緊桿、夾持輸送架組成.挖掘出土的花生植株經夾持鏈夾持拔起后被輸送至機具尾部，夾持輸送裝置結構如圖6所示.

1：夾持鏈輪；2：夾持鏈；3：張緊鏈輪；4：張緊桿；5：夾持輸送架.

夾持輸送速度是保證裝置正常運行的關鍵參數.收獲機采用挖拔夾持組合方式，要求花生挖掘、夾持拔取幾乎同步進行；若夾持輸送速度過低，將導致花生植株在被夾持前出現倒伏，不利于后續夾持輸送；若夾持輸送速度過快，將造成先拔后挖，導致秧蔓斷裂，埋果率、帶土率升高，影響收獲效果[14].因此，夾持輸送速度與機具前進速度在水平矢量上應相等，才能保證夾持輸送順利進行.夾持輸送速度和機具前進速度示意如圖7所示.

圖7 夾持輸送裝置速度示意圖

(13)

(14)

式中：Vm為機具前進速度(m/s)；Vj為夾持鏈輸送速度(m/s)；α為夾持鏈與機器前進方向速度的夾角(°)；

對夾持輸送速度進行分解，如圖8所示.

圖8 夾持輸送速度分解圖

由速度分解圖可知：

(15)

(16)

ab=Vjsin(ω-α)=Vmsinω

(17)

(18)

2.3 折疊裝置

折疊裝置主要分為4組，每組由兩個圓頭條形連桿，4個圓角弧邊固定座組成.兩個連桿的一端與液壓缸缸頭的耳環相連，當液壓缸活塞桿回縮時，拉動連桿，從而帶動兩側機架翻起完成折疊.折疊裝置結構如圖9所示.

1：機架橫梁；2：固定座；3：液壓缸；4：活塞桿；5：液壓缸耳環；6：圓頭條形連桿；7：圓角弧邊固定座.

作為大型寬幅機具，折疊裝置能夠使其完成翻轉折疊，在未工作狀態下減小整機所占空間，有效解決寬幅機具運輸和田間轉彎不便的難題.

2.4 自動對行裝置

我國各花生主產區種植模式和農藝要求存在差異，壟距、壟寬、行距不一致導致機具在收獲過程中前進方向與花生壟發生偏離，挖掘鏟出現漏挖、少挖、傷果現象.駕駛員為使機具對行作業，致使勞動強度和難度加大，且對行作業的準確性易受人為因素影響，降低收獲效率，增加收獲損失[15].針對上述問題，綜合采用機-電-液一體化控制技術，設計了一種自動對行裝置，包括偏離探測機構、夾持輸送架橫向移動機構、液壓控制系統.

偏離探測機構通過感知壟溝位置偏移的方式，對機具在收獲作業過程中是否準確對行進行實時探測，適用于花生、馬鈴薯等生長于地下的作物自動對行收獲.偏離探測機構如圖10所示.

1：機架；2：夾持輸送架；3：超聲波傳感器；4：滑塊；5：滑軌；6：滑動套筒；7：仿形輪連接桿；8：仿形輪.

機具在田間作業時，仿形輪沿壟溝行走，若仿形輪偏離壟溝，則連接桿在滑動套筒內相應向上滑動，安裝在滑動套筒頂端的超聲波傳感器探測到仿形輪連接桿頂端與其距離變小，說明此時前進方向發生偏離.根據時間差測距法，通過超聲波傳感器發射聲波的傳導速度與返回時間測算出距離，公式如下：

s=tv

(19)

式中：s為超聲波通過的距離(mm)；t為超聲波返回所用時間(min)；v為超聲波移動速度(m/s).

通過使諧振頻率與諧振阻抗保持一致，確保探測時間差的準確性，公式如下：

(20)

(21)

式中：fm為諧振頻率(Hz)；fn為阻抗頻率(Hz)；L1為等效電感(H)；C0為靜態電容(F)；C1為等效電容(F).

當無機械損耗時：fm=fn.

當有機械損耗時：fm

為保證機具自動對行順利完成，設計夾持輸送架橫向移動機構.夾持輸送架通過兩組滑動套筒、圓柱滑軌設置于機架下方，與機架相連，可在液壓缸作用下實現左右橫向移動，完成自動對行.機架橫向移動機構如圖11所示.

1：機架；2：滑動套筒；3：圓柱滑軌；4：位移傳感器；5：液壓缸；6：活塞桿；7：夾持輸送架.

自動對行液壓控制系統主要包括油箱、單向定量液壓泵、電磁換向閥、流量閥、液壓缸、位移傳感器.

自動對行裝置工作時，控制器將偏離探測機構發出的信號，由比例放大器進行功率放大后傳遞給電磁換向閥，電磁閥按比例移動閥芯的位置，即可控制液流的流量并改變其方向，進而控制液壓缸活塞桿的伸縮，使夾持輸送架在橫向移動機構的作用下左右移動，完成自動對行.液壓控制系統原理如圖12所示.

1：油箱；2：液壓泵；3：電磁換向閥；4：流量閥；5：位移傳感器；6：液壓缸.

自動對行和兩側機架折疊均依靠液壓缸完成，對液壓缸主要規格尺寸進行設計.本設計采用工程常用的近似計算方法，即按最大負載力FLmax確定液壓缸的規格尺寸[16].負載力由摩擦力Ff、慣性力Fa和外作用負載Fe組成，無彈性負載，需滿足：

FLmax=Ff+Fa+Fe

(22)

Ff=fMtg

(23)

Fa=Mtamax

(24)

amax=Vn2πf-3db

(25)

式中：Mt為運動部件總質量(kg)；g為重力加速度，取g=9.8m/s2；amax為最大糾偏加速度(m/s2)；Vn為糾偏速度，取Vn=8.3×10-2m/s；f-3db為常數，f-3db=3；f為摩擦因數，取f=0.08.

(26)

(27)

式中：D為液壓缸活塞直徑(m)；d為活塞桿直徑(m).

經計算，得：

(28)

按GB/T2348-1993《液壓缸缸內徑和活塞桿直徑系列》圓整為d=0.028，m=28 mm，D=55 mm.

結合橫向移動機構及折疊裝置設計尺寸和安裝位置，液壓缸主要結構參數見表1.

表1 液壓缸結構參數

3 田間性能試驗

3.1 試驗條件

選取山東省青島市平度市店子鎮花生試驗田進行樣機田間試驗，如圖13所示.花生品種為魯花11號，株型緊湊、結構整齊，種植土壤為壤土，種植模式為單壟雙行，壟距800～850 mm，壟寬550～600 mm，行距250～300 mm，株高300～380 mm，株距80～100 mm.

圖13 樣機田間試驗

3.2 試驗方案設計

試驗選取5個收獲試驗區進行重復試驗，每組試驗選擇4壟、長為20 m的區域，試驗結果取平均值[17].選擇機具前進速度、夾持鏈輪轉速、挖掘深度作為試驗因素，選取埋果率、帶土率作為試驗指標，參照《NY/T 2204-2012花生收獲機械質量評價技術規范》，各試驗指標定義如下：

埋果率：收集試驗區內埋在土層下的莢果稱其質量；收集掉落在土層表面的莢果稱其質量；將花生植株上的花生莢果摘下稱其質量.按式(29)計算埋果率，并求出5次重復試驗的平均值.

(29)

式中：SM為埋果率，(%)；WM為埋在土層中的莢果質量，(g)；WQ為收獲區試驗區莢果總質量，(g)；

帶土率：收集試驗區內的花生植株(盡量保證粘附的土壤與其他雜質不掉落)，稱其總質量；將粘附在花生植株上的土壤進行清理收集，稱其質量；按式(30)計算帶土率，并求出5次重復試驗的平均值.

(30)

式中：SM為帶土率，(%)；WT為花生植株帶土質量，(g)；WQZ為花生植株清理土壤前總質量，(g).

采用三因素三水平二次旋轉正交組合設計試驗，試驗因素與水平編碼如表2所示[18].

表2 試驗因素與水平

3.3 試驗結果分析

根據Box-Behnken中心組合設計三因素三水平試驗，試驗方案與結果如表3所示[19].

根據表3中的試驗結果，通過Design -Expert 10.0.4軟件進行多元回歸擬合分析，建立二次多項式響應面回歸模型，并對回歸模型進行顯著性檢驗與方差分析，如表4所示.

表3 試驗方案與試驗結果

Y1=1.19+0.20X1+0.31X2+0.16X3-0.14X1X2+0.13X1X3+0.095X2X3+0.57X12+0.32X22+0.91X32

(31)

Y2=10.49+0.28X1+0.20X2+0.35X3-0.21X1X2+0.26X1X3-0.25X2X3+X12+1.45X22+1.13X32

(32)

其中X1為機具前進速度；X2為夾持鏈輪轉速；X3為挖掘深度；Y1為埋果率；Y2為帶土率.

由表4分析可知，埋果率Y1和帶土率Y2響應面回歸模型的P值均小于0.000 1，表明兩回歸模型極顯著(P<0.01)；失擬項P值均大于0.05，表明失擬項不顯著，模型擬合度高；決定系數R2的值分別為 0.993 2、0.990 2，均大于99%，表明兩個回歸模型能夠解釋99%的響應值變化.因此，兩模型可以用來優化收獲機相關參數.

表4 回歸方程方差分析

各試驗因素P值的大小可以反映其對指標的影響程度.在埋果率回歸模型中，X1、X2、X3、X12、X22、X32(P<0.01) 6個回歸項對模型影響極顯著，X1X2、X1X3、X2X3(P<0.05)對模型影響顯著；帶土率回歸模型中，X1、X3、X22、X32(P<0.01)對模型影響極顯著；X2、X1X2、X1X3、X2X3、X12(P<0.05)對模型影響顯著.

根據響應面回歸模型分析結果，應用Design-Expert 10.0.4軟件繪制響應曲面圖；機具前進速度、夾持鏈輪轉速、挖掘深度對埋果率、帶土率的響應面分析如圖14～15所示.

圖14 因素間交互作用對埋果率的影響

由圖14-A～C可以看出：埋果率隨機具前進速度增大呈先緩慢增長后快速增長的趨勢，這是由于機具前進速度變化越大，挖掘裝置和夾持輸送裝置的工作效果差距越大.機具前進速度過快時，挖掘鏟對花生植株的挖掘不充分，夾持輸送鏈無法對花生植株完成正常的夾持拔取，出現落果、埋果現象，導致埋果率持續上升；隨挖掘深度的增大埋果率先快速下降后緩慢增長，這是由于當挖掘深度逐漸增大時，挖掘鏟能夠將花生植株充分挖掘出土，但挖掘深度過大時，挖掘鏟的阻力較大，挖掘效果變差，導致埋果率緩慢增長.埋果率隨夾持鏈輪轉速的增大變化趨勢相對平緩.

由圖15-A～C可以看出：帶土率隨機具前進速度的增大變化趨勢相對平緩；隨夾持鏈輪轉速增大，呈下降趨勢；隨挖掘深度的增大呈增長趨勢，這是由于當夾持鏈輪轉速較大時，被夾持輸送鏈夾持拔起的花生植株運動速度較快，粘附的土壤會相應掉落，導致帶土率下降；當挖掘深度增大時，由挖掘鏟挖掘出土的花生植株根系粘附的土壤較多，導致帶土率上升.

圖15 因素間交互作用對帶土率的影響

利用Design-Expert 10.0.4軟件對2個指標的回歸模型進行最優化求解[20].最優參數組合為：機具前進速度為1.36 m/s，夾持鏈輪為300 r/min，挖掘深度為 146 mm.四壟八行花生有序條鋪收獲機田間試驗結果見表5.

由表5試驗結果可以看出，機具各項技術性能指標均滿足《NY/T 2204-2012花生收獲機械質量評價技術規范》，符合相關設計要求.

表5 田間試驗結果

4 結論

1) 設計的四壟八行花生有序條鋪收獲機能夠一次性完成四壟八行花生的挖掘拔取、夾持輸送、梳刷去土、整齊鋪放工作，可實現自動對行、機架折疊等功能，對花生壟距、壟寬、行距等不同種植模式和作業環境適應性強，收獲效果好，收獲效率高.

2) 設計的自動對行裝置通過偏離探測機構對前進方向是否偏離花生壟進行探測；橫向移動機構能實現夾持輸送架左右橫向移動，完成自動對行，最大程度避免漏挖、少挖傷果現象，降低了收獲損失，保證了收獲效果；折疊裝置能使兩側機架完成翻轉折疊，減小整機所占空間，有效解決大型寬幅機具運輸及田間轉彎不便的難題.

3) 優化后的最優參數組合為機器具進速度1.36 m/s，夾持輸送速度300 r/min，挖掘深度146 mm，此時埋果率1.06%，帶土率10.31%，作業效率1.39 hm2/h.各項參數均符合設計要求和相關技術標準，滿足實際生產要求.