一種蘆葦去尖裝置的設計與分析

湯 熊 李楷模

（1.岳陽職業技術學院 機電工程學院，湖南 岳陽 414006；2.湖南工業職業技術學院 教務處，湖南 長沙 410208）

農業發展經歷了由傳統農業到機械化農業再到精準化農業的一個演變過程[1]。蘆葦以其作為造紙原料、優良牧草、固土整沼、開發荒地、保持生態平衡等多方面用途的優勢，成為具有綜合經濟用途的資源植物，在我國有著豐富的產量[2-3]。我國濕地遼闊，著名的四大湖泊、遼河三角洲、松嫩平原、三江平原、白洋淀等區域都是蘆葦集中的生長區域，為造紙、人造板以及蘆葦工藝品提供原料，產生了巨大的經濟效益。但蘆葦收割工序復雜，需要經歷割倒、剝葉、去尖和打捆等一系列工序，且這些工序在傳統意義上均由人工完成，需要消耗大量的人力以及時間去進行作業。國內針對于蘆葦材料特性的高效收割機器定向設計領域仍有待更深入的研究，實現蘆葦經濟效益最大化還有很長的路需要走。目前，蘆葦收割過程中僅少數一部分工序被機械操作所代替，大部分工序仍未實現機械化，依然保持著人工作業的方式。人工收割的蘆葦品質參差不齊，嚴重影響到造紙廠、蘆葦工藝品制作商對于蘆葦產品質量的把控。因此，規范化處理蘆葦收割流程、實現高效率機械化生產、提供良好的蘆葦運輸渠道及存儲條件是當今蘆葦產品步入市場化亟待解決的問題。

本文從理論方面揭示蘆葦收割過程中自動去尖裝置的工作機理，闡明蘆葦稈在自動去尖裝置施加的剪切應力下的應變狀態。在突破性地實現蘆葦集收、去尖、綁扎等功能的同時，實質性地解決蘆葦加工產業的技術難題。蘆葦稈只需放置到投運機構上，裝置便可以自動化實現蘆葦稈的投運、打捆以及切割流程。此裝置將機械工程與農業生產有機結合，不僅有效減輕了工作人員的收割壓力，同時也提高了蘆葦收割的效率。

1 蘆葦去尖裝置的機械結構設計

本文設計用于蘆葦自動去尖的裝置如圖1 所示，由投運機構、集收機構、壓緊機構以及感應去尖機構組成，在各機構的相互協同作用下實現蘆葦自動綁扎去尖流程一體化。蘆葦長得高且直，底下直徑大，上面漸變成尖端,這樣只用水平刀具作用在底下根部進行往復直線運動,就能進行切割收獲[4]。蘆葦整稈收割時，各機構間的合理設計是保證機器持續輸送、切割以及綁扎的必要條件[5]。為了提高工作效率,減少人力的消耗,一般需要在收割后立即將蘆葦綁扎成捆，以保證蘆葦捆扎實不松散[6]。為保證生產出的蘆葦質量，在加工之初便對原料的選取進行嚴格的把控。選取生長良好、莖稈通直、無病蟲害以及莖稈表面無明顯缺陷、無破損或開裂的蘆葦進行加工，單一蘆葦稈作為材料的基本屬性特征如表1 所示。蘆葦先后經過投運機構、集收機構、壓緊機構以及去尖機構，最終獲得預期的蘆葦加工品[7-8]。本裝置實現了收割過程的自動化，進而提升收割蘆葦的工作質量與效率。

圖1 蘆葦去尖裝置總體結構圖

表1 單一蘆葦稈材料基本屬性特征

1.1 投運機構設計

投運機構主要由上投運帶和下投運帶組成，采用“0”字形運輸流道設計來實現兩軸同速反向轉動。由于蘆葦在運輸過程中易發生折斷、堵塞等運輸問題[9]，故其中投運帶的材質均為橡膠，運行方向一致向集收倉方向且均是循環運動，下投運帶安裝在機架底板上，上投運帶位于在距機架底板1.5m 高度處。下投運帶上均勻設置有矩形凸體，矩形凸體高為20cm，兩個矩形凸體間相距4cm；相鄰兩矩形凸體之間形成的矩形槽發揮著分離蘆葦的作用，并能夠帶動蘆葦稈一同進給運動。上投運帶上安裝有圓柱型橡膠棒，其安裝位置與下投運帶上的矩形凸體依次對應；當蘆葦稈底部進入下投運帶的槽內時，蘆葦稈的上端則依靠在圓柱型橡膠棒上，隨上投運帶向收取倉前進。矩形凸體與圓柱型橡膠棒的目的在于保證蘆葦稈能夠處于相對直立狀態，同時又能夠相對固定在投運帶上，最終確保蘆葦稈隨投運帶前進并順利裝入收取倉。

1.2 集收機構設計

集收機構的結構如圖2 所示。機構由收取倉、半圓形門銷軸、半圓形門、擋桿、擋桿液壓桿、擋桿液壓缸、二號壓力感應器組成。二號壓力感應器安裝在收取倉的底板，為傾斜安裝，其安裝位置靠近且略高于投運帶，這樣可以使脫離投運帶的蘆葦稈靠自身重力作用向收取倉靠攏[10-11]。集收機構主要完成蘆葦稈的定量收集，當蘆葦稈集收機構接收到二號壓力感應器受到預設壓力的信號后，發出控制信號，控制棘爪進行壓緊和綁扎動作。

圖2 蘆葦稈集收機構結構圖

1.3 壓緊機構設計

壓緊機構由3 個棘爪、環形槽、一號壓力感應器與液壓系統組成。3 個棘爪中，兩個帶有安裝在內側的自動捆綁裝置，一個不帶捆綁裝置，并且3 個棘爪均由液壓系統驅動。液壓系統由棘爪的液壓缸、液壓桿與銷軸組成，其中棘爪液壓缸與機架連接，驅動棘爪液壓桿伸縮，控制棘爪能繞棘爪銷軸轉動。收取倉內有兩道環形槽，一號壓力感應器安裝在環形槽口沿。3 個棘爪分別由3 個并聯的棘爪液壓缸驅動，棘爪的伸縮抓取與液壓缸伸縮同步進行，保證了3 個棘爪的動作同步，從而實現將一定重量的蘆葦壓實成捆狀。

1.4 去尖機構設計

去尖機構由盤形刀具、刀具銷軸、刀具護罩、刀柄液壓桿、刀柄液壓缸、刀柄擺動液壓桿、刀柄擺動液壓缸、刀柄座導軌、刀柄銷軸、刀柄座、刀柄座液壓桿、刀柄座液壓缸和圖像采集裝置組成。其中，圖像采集裝置安裝在機架上部靠近擋桿處，用以采集蘆葦尖部圖像。盤形刀具安裝在刀柄液壓桿的刀具銷軸上，由液壓馬達驅動。盤形刀具繞刀具銷軸旋轉，刀柄液壓缸驅動刀柄的液壓桿伸縮，控制刀具前后方向的運動；刀柄擺動液壓桿與刀柄液壓缸缸體連接，擺動刀柄液壓缸驅動擺動刀柄液壓桿伸縮，控制刀具左右方向的運動，同時控制刀具能繞刀柄銷軸轉動；刀柄座與刀柄座導軌配合，刀柄座導軌安裝在機架上，刀柄座液壓缸驅動刀柄座液壓桿升降，控制刀具實現上下方向的運動，蘆葦在刀具的反復運動下被輕易地切割。如圖3 所示，盤形刀具垂直于蘆葦稈內部結構，形成整齊的切口，既降低了刀具的損傷同時還避免了切割后蘆葦稈內部水分的額外蒸發，方便物料的長期存儲。去尖機構的主要功能是將集收倉內達到規定重量、壓緊成捆狀的蘆葦自動去尖。在盤形刀具對蘆葦進行去尖作業時，刀具護罩將切屑推向裝置外以避免其堵塞刀具運轉。

圖3 盤形刀具切割蘆葦稈圖

2 蘆葦去尖裝置的工作原理

本蘆葦去尖裝置及其自動作業的詳細步驟如圖1 所示。借助機械結構令機器可以完成蘆葦下部莖稈的切割、上部葉片的去尖以及控制出口定量的捆扎工作，以此提高蘆葦收割的效率。通過下投運帶以及上投運帶同步向收取倉方向進行的循環運動，將預處理過后的蘆葦稈傳送到收取倉。蘆葦稈只需放置到投運機構上，在下投運帶以及上投運帶的同步運動下，下投運帶上的矩形槽以及上投運帶安裝的圓柱橡膠棒使得蘆葦稈始終處于豎直狀態。避免傳統人工作業的枯燥繁瑣，從而利用最少的資源達到最大的經濟效益。

當安裝在收取倉底板的二號壓力感應器感應到收集到的蘆葦稈重量已達到閾值時，二號壓力感應器向壓實機構發出控制信號，一方面控制擋桿液壓缸驅動擋桿液壓桿向下運動，擋桿則由垂直位置運動到水平位置，當擋桿處于臨時收集蘆葦稈狀態時，將收取倉內已經達到規定重量的蘆葦稈和即將送來的蘆葦稈隔開，此時擋桿所收集的蘆稈不影響收取倉內的正常收集工作；另一方面是控制3 個棘爪液壓缸驅動三個棘爪液壓桿伸長，使得3 個棘爪抱緊集收倉內達到規定重量的蘆葦，壓緊形成捆狀[1]。在整個壓緊過程中二號壓力感應器均為傾斜安裝狀態，其安裝位置靠近且略高于投運帶，使脫離投運帶的蘆葦稈靠自身重力作用向收取倉靠攏，避免造成蘆葦稈的進料堵塞。壓力感應器的閾值可根據企業回收規定自行調整，確保生產的蘆葦捆品質穩定。在智能監測條件下，蘆葦成捆更加緊密化、作業更加系列化、產品更加標準化，從而滿足農業與工業的雙重利用需求，提高蘆葦秸稈的綜合利用率。

當棘爪施加的壓緊力達到一號壓力感應器壓力閾值時，一號壓力感應器向去尖機構發出信號，控制3 個并聯的棘爪液壓缸停止驅動，同時帶有綁扎裝置棘爪開始進行綁扎作業并使盤形刀具繞刀具銷軸旋轉。盤形刀具切割蘆葦尖的過程由圖像采集裝置采集蘆葦尖部圖像，再將蘆葦尖部圖像送往圖像采集裝置[12]。圖像采集裝置利用機器視覺技術，控制刀具的運動軌跡，以達到完全切割蘆葦尖的目的。如何降低切割過程中刀具的損耗始終是蘆葦去尖裝置效率提升的難題，通過長時間的實踐驗證得出，當大量蘆葦被切割時切屑總會隨著盤形刀具的高速旋轉向去尖機構內部堆積，為此特在刀具外出安裝刀具護罩對切屑進行阻擋。切割過程中形成的切屑隨刀具護罩推向裝置外部，避免切屑堆積導致刀具磨損加劇。因此加工出的蘆葦稈高度統一、粗細均勻，符合各項企業回收要求。通過莖稈切割刀、送料機構、去尖切割刀的排布輸送，令下部莖稈切割后上部葉片在輸送過程中被收攏，從而有效地完成上部葉片的切割；通過各推料機構和捆扎機構的設置，實現切割去尖后有序的傾倒并捆扎，莖稈被輸出后葉片也可較好的排出，整體良好的實現功能，保證蘆葦收割的效率。

3 結構分析

由于蘆葦稈纖維素含量較高且稈莖細長,施加很小的載荷就會壓扁彎曲，為避免蘆葦稈的再加工產量進一步降低，棘爪施加在蘆葦稈上的載荷需嚴格把控[13]。為了能夠清晰地觀測到蘆葦稈上的載荷施加情況，在蘆葦稈外壁環式粘貼應變片，在捆綁蘆葦稈過程中采用多功能靜態應變儀對蘆葦稈受力情況進行監測。應變片作為重要的敏感元件，其粘貼位置直接影響到測量儀器對于受力測量的準確性。為此，電阻應變片粘貼位置需與蘆葦稈主應變方向保持一致。使用四片應變片組成電橋工作，這樣既可以將各載荷的影響分離開，還可以有效地提升靈敏度。通過對蘆葦稈受力進行載荷試驗，反映出棘爪啟動初始階段,當施加載荷小于彈力時,此時蘆葦稈可視為一個彈性體,故載荷與形變成正比，隨著載荷的增加,當施加載荷大于彈力時,載荷隨著形變呈現先增加再減小的變化趨勢，達到破壞強度，使得蘆葦稈難以承受外界應力，局部出現裂紋甚至稈體斷裂。為避免加工過程中對蘆葦稈進行二次損傷，同時也為了能夠精準地檢測出蘆葦稈的局部應力承受極限，對棘爪施加在蘆葦稈上的應力數值進行了多次采集。其采集到的應力數據根據3 個為一組的形式，選用其平均數值以保證數據的真實穩定性。采用三參數模型來擬合蘆葦稈集收過程的蠕變模型，進而導出蠕變方程，見式（1）。

式中：σ——蠕變應力；Xt——應變；E1——蘆葦稈的彈性系數；f——材料的特征時間參數；t——施加載荷時間。

使用多功能靜態應變儀精準地測量出棘爪施加在蘆葦稈上的載荷后，該載荷條件下蘆葦稈的應變也得以直觀地被展現。蠕變是保持應力不變而應變隨時間發展的過程,其本質為材料形變延遲的過程。在等溫等速條件下，將蠕變模型與應力為882Pa 和應力為2646Pa 的兩組蠕變試驗的結果進行對比，誤差均在4%以內,說明該模型擬合效果良好。在恒剪切應力作用下，蘆葦稈的應變逐步提升。如圖4 所示，將模型仿真所得的蘆葦稈受應變數據情況與實際測量儀采集到的應變數據進行對比。通過對比分析，當實際施加載荷時間t 處于0-3600s 之間時，測量所得的應變數據始終大于理論所得應變數據，兩者的誤差最大可達到3.51%。而當實際施加載荷時間t=3600s 時，理論值與測量值誤差最小僅為0.43%，這種低誤差的狀態一直持續到實際施加載荷時間t=5800s 時。當實際施加載荷時間t 繼續增加至8000s 的過程中，理論所得應變數據增長迅猛，測量所得的應變數據與其的最大誤差又再次增加到2.15%。由于蘆葦的軸向抗拉性能優于徑向或軸向的受壓性能，所以在卷制形成的壓力場條件下，蘆葦束成型速度快，緊實度容易保證，但若蘆葦投入量過多，徑向卷制時蘆葦束相互擠壓作用變大，易造成蘆葦壓裂，而通過建立模型來測量機器收割去尖蘆葦的最佳應變狀態，更符合蘆葦物料特性，有助于集束時減小對蘆葦的損傷。根據對比分析結果，應變數據模型的誤差始終保持在合理范圍內。該模型的建立為本裝置的結構設計驗證了預期所要實現運動結果的可能性，為更好地收攏蘆葦高效去尖提供了理論基礎。蘆葦收集采用機器捆扎、去尖，收集效率大大提高。提升了產品的市場綜合競爭力，極大提高了農業機械化、智能化水平。

圖4 測量值與計算值的對比

4 結論

本裝置設計應用于蘆葦收割過程的蘆葦去尖與綁扎的過程。成捆更加緊密化，作業更加系列化，產品更加標準化，機械更加平民化，搭載更加智能化，均是國內外打捆機械共同的發展方向，從而滿足農業與工業利用需求。蘆葦去尖裝置均由簡單的機械機構組成，具有成本低、裝配簡單快捷、工作狀態穩定可靠、可一次性完成蘆葦收割工作的特點。目前機械化收割蘆葦具有廣泛的前景，自動化收割機器有較高的生產率和工作可靠性，有效減少了加工環節中不必要的損失，提升了產品利用率。相較于人工的處理辦法，蘆葦稈的收集產能大幅度提升而且降低了作業中的安全隱患。據此，該裝置的研發大大提高了蘆葦收割的工作效率，降低了工人的勞動強度，同時能夠滿足企業對蘆葦材料的要求。若該裝置能夠成功產業化，將會為市場帶來巨大經濟收益，從而促進我國現代農業更好地發展。