4TQ-2A型甜菜切頂機的設計與試驗

張振宇,王方艷

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

甜菜是我國東北、華北、西北地區重要的經濟作物和糖料作物。我國甜菜收獲主要以人工和分段式收獲為主[1-4]:人工收獲需要對甜菜進行挖掘、清土、切頂、收集,作業環節繁瑣且效率低;甜菜分段式收獲分為清纓、切頂、挖掘3個環節。其中,清纓和切頂作業的質量直接影響甜菜的產糖率和后續的挖掘作業效果[5-10]。因此,甜菜切頂機的研制對于提升甜菜收獲質量、節約勞動力和推進甜菜產業的發展具有重要意義。

國外對甜菜切頂機的研制起步于20世紀30年代,已經擁有了成熟的技術體系和裝備[11],且以德國荷馬、羅霸公司的產品為主,多采用單輥甩刀清纓及齒板仿形切頂,用于甜菜標準化種植的大型農場或甜菜種植基地[12]。

國內對甜菜切頂機研制起步較晚,山東理工大學研制的滑切去頂式甜菜切頂機尺寸較大,作業過程中仿形效果較差,切頂過程中易發生壅堵和雜草纏繞,仍有待改進[13]。青島農業大學研制的4TSQ-2型切頂機由三輥軸的除葉裝置和平板仿形切頂裝置組成,導致整機結構尺寸大、功耗高、易漏切或少切甜菜[14]。為此,針對我國多樣化的甜菜種植模式,設計了一種4TQ-2A型甜菜切頂機,解決了甜菜切頂作業過程中甜菜纓葉清理不凈及切頂裝置易發生壅堵的問題,提高了甜菜切頂的合格率及生產效率,為甜菜收獲機具的研發提供了參考。

1 整機結構及工作過程

4TQ-2A型甜菜切頂機主要由牽引架、液壓油缸、變速箱、清纓輥a、機架總成、清纓輥b、切頂裝置及地輪總成組成,如圖 1 所示,主要技術參數如表1所示。

1.牽引架 2.變速箱 3.清纓輥a 4.機架總成 5.清纓輥b 6.切頂裝置 7.地輪總成圖1 4TQ-2A甜菜切頂機Fig.1 4TQ-2A sugar beet top cutting machine

工作時,牽引架與拖拉機掛接,切頂機在拖拉機的牽引下前行,液壓缸控制清纓輥a和清纓輥b的離地高度,保證橡膠條與甜菜青頭接觸的長度小于50mm,作業過程中不對甜菜塊根造成損傷;變速箱與拖拉機動力輸出軸相鏈接,將動力傳遞給清纓輥,對向回轉的清纓輥不斷擊打甜菜青頭和纓葉,通過摩擦力將甜菜纓葉清理干凈,為后續切頂作業的順利進行提供保障;切頂裝置懸掛于機具的最后方,調壓裝置給予切頂裝置的下壓力和切頂裝置自身重力,保證切頂裝置在作業過程中能及時回落、實時仿形浮動,實現甜菜的穩定切削。

表1 4TQ-2A型切頂機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of 4TQ-2A sugar beet top cutting machine

2 清纓裝置

2.1 清纓裝置結構

清纓裝置由橡膠條、箍、尼龍套、回轉軸及銷軸等組成,如圖2所示。軸銷上串裝橡膠條,并通過箍相隔90°均布安裝于回轉軸,利于回轉軸高速回轉的動平衡;相鄰軸銷上的橡膠條錯位排布,保障擊打纓葉不遺漏。工作時,兩根回轉軸高速對轉,擊打甜菜青頭上的纓葉,依靠擊打力及摩擦力清除甜菜頂部纓葉。橡膠條硬度小時,受力易變形,清纓效果較差;硬度大時,易損傷甜菜。同時,橡膠條的絕對速度為輥軸回轉速度和機具前進速度的合成,決定清纓條與甜菜青頭間的擊打力及摩擦力,影響纓葉的粉碎效果及甜菜青頭的損傷率。

1.橡膠條 2.箍 3.尼龍套 4.回轉軸 5.軸銷圖2 清纓裝置Fig.2 Leaf cleaning device

作業過程中,當機器前進速度為Vm,輥軸上安裝了Z排橡膠條時,輥軸轉速n滿足

(1)

式中Vm—樣機前進速度(m/s);

Z—橡膠條排數;

S—橡膠條工作進距(m)。

由此可見,當前進速度Vm、橡膠條的排數Z確定后,輥軸轉速n與工作進距S成反比。因此,提高輥軸轉速n,可減小工作進距S,提高清纓效果;但會增加機具功耗、振動,且易損傷甜菜青頭。

2.2 橡膠條優化選型

甜菜的垂直高度400～500mm,平鋪范圍400～500mm,甜菜地上高度30～80mm,通過預試驗確定輥軸直徑為210mm,橡膠條的排列密度為26片/m。根據甜菜生長特性及清纓要求,設計3種橡膠條,長度、質量均一致,如圖3所示。

圖3 橡膠條結構Fig.3 Rubber strip structure

在機具正常作業速度1m/s時,選取400、600、800、1000r/min 4個轉速條件下,測定不同橡膠條的作業效果,結果如表2所示。

橡膠條a和橡膠條b為聚乙烯材料,邵氏硬度分別為80和85。相比橡膠條a、橡膠條b的擊打面帶有凸點,能增加橡膠條與甜菜的摩擦力,清纓效果相對好;但對甜菜的擊打力大,使得甜菜損傷率高。當回轉軸轉速達到600r/min時,橡膠條a和橡膠條b的清纓效果好,合格率大于85%;但隨著回轉軸轉速的提升,甜菜青頭的損傷率增加,影響甜菜的收獲質量。橡膠條c為橡膠材料,邵氏硬度為75,具有較好的柔韌性及摩擦力,對甜菜損傷較小。當回轉軸轉速大于800r/min時,從左至右以此為橡膠條a、橡膠條b、橡膠條c作業效果甜菜損傷情況如圖4所示。3種橡膠條中,橡膠條c的清纓合格率、甜菜損傷率均優于橡膠條a和橡膠條b。考慮作業過程中回轉軸轉速與功耗之間的正比例關系,選擇橡膠條c,回轉軸轉速800r/min時,清纓作業效果最佳。

表2 橡膠條試驗結果Table 2 Rubber strip test results

圖4 甜菜損傷情況Fig.4 Sugar beet damage

3 切頂裝置

切頂裝置由機座、彈簧、調節桿、連架桿、仿形板、刀座及切刀等組成,如圖5所示。連架桿和連桿構成的平行四桿結構使得仿形板與切刀相對位置穩定,保障切頂厚度一致;傾斜仿形板不斷接觸甜菜青頭,影響甜菜碰撞力的方向;切刀對甜菜的切割運動分為砍切和滑切,切割角影響著切刀的切削能力及切割空間。工作中,仿形板接觸甜菜后,沿甜菜青頭輪廓滑動,連桿與連架桿相對轉動,仿形板與切刀同時抬升,并配合完成切頂作業。仿形板與甜菜青頭分離后,在切頂裝置自身重力及彈簧壓力共同作用下,切頂裝置及時回落,確保仿形板實時與甜菜青頭接觸,防止跨越甜菜而發生甜菜漏切。連架桿尺寸決定切頂裝置的浮動空間,與彈簧共同決定仿形板從甜菜頂到接觸下一個甜菜的時間和運動狀態。連架桿較短時,仿形板的響應速度靈敏度高;連架桿較長時,切頂裝置響應速度減慢,運動靈敏性減弱。切頂過程中,甜菜受到沿切刀刃口的滑切力、垂直于切刀刃口的砍切力。當滑切力大于甜菜的滑動摩擦力時,甜菜沿刃口線滑動,處于不穩定切削狀態;當砍切力大于甜菜的破裂強度后,甜菜被切削。切頂裝置工作狀態如圖6所示。

1.機座 2.彈簧 3.調節桿 4.連架桿 5.仿形板 6.刀座b 7.切刀圖5 切頂裝置Fig.5 Top cutting device

(a)主視圖

(b)俯視圖圖6 切頂裝置工作狀態Fig.6 Working state of top cutting device

由甜菜與機構的切頂位置關系可知,仿形板的折角α與切刀的切割角β滿足

(2)

B=2(rb+Δ)

(3)

式中S—株距(mm);

L—仿形板水平長度(mm);

α—仿形板彎折角(°);

rb—甜菜青頭半徑(mm);

b—切刀寬度(mm);

B—切頂裝置寬度(mm);

β—切頂裝置切割角(°);

H—甜菜青頭高度差(mm);

hg—甜菜切割厚度(mm);

W—仿形板超前量(mm)。

仿形板與甜菜不斷接觸與碰撞,在完成甜菜切頂后,才可接觸下一個甜菜輪廓,以保證甜菜切口整齊、無撕裂,提高對甜菜株距的適應性。在株距S一定條件下,減小折角α、切割角β,會縮小切刀的安裝空間,并適應不同的甜菜高度及株距條件。為保障切削穩定、切口平整,仿形板的水平長度L>2rb, 超前量Wrb。一般,甜菜高度差H為30～50mm,株距S為200～250mm,甜菜切割厚度hg為15mm,甜菜青頭半徑rb為20～30mm,甜菜半徑r為30～50mm。結合切頂裝置的安裝空間及運動特性,確定L=80mm,W=25mm,B=160mm,b=50mm,β=30°。

4 田間試驗

4.1 試驗方法

2021年10月,在黑龍江省齊齊哈爾市依安縣試驗基地進行甜菜切頂機試驗。田間土壤含水率為14.2%,硬度為1120kPa,土壤容重為1.12g/cm3;甜菜纓葉無倒伏,纓葉自然高度為480mm;甜菜種植的行距為650mm,株距為250mm,甜菜青頭地上高度為30～80mm。經過理論分析和預試驗確定機具前進速度為1m/s,清纓裝置轉速為800r/min,切頂裝置切割角度為30°。

采用47.8kW拖拉機牽引機具試驗。依據《甜菜收獲機作業質量》(NY/T 1412-2018),測定甜菜的切頂指標。第一片葉痕上5mm±2mm處(根頭垂直高度小于15mm),定義為合格切削位置。在作業區內隨機抽取一個15m×15m的作業小區,利用游標卡尺和直尺等測定切頂的厚度,記錄試驗工作狀況及甜菜切頂試驗數據。測定甜菜塊根總數、甜菜切頂合格數量及甜菜損傷數量,并求得切頂合格率和損傷率。重復試驗5次,結果取平均值,則

(4)

(5)

式中K1—切頂合格率(%);

K2—甜菜損傷率(%);

Q1—切頂合格甜菜數(個);

Q2—損傷甜菜數(個);

Q—甜菜總數(個)。

4.2 試驗結果

試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果Table 3 Experimental results %

經5次試驗取平均值后,切頂合格率K1為95.56%,甜菜損傷率K2為2.60%,均滿足甜菜機械化收獲標準。

5 結論

1)通過對甜菜切頂機工作過程中的運動特性與力學分析,確定了甜菜切頂機關鍵結構及參數,并設計了一種4TQ-2A型甜菜切頂機。該機采用兩輥對轉的橡膠條進行纓葉清理,平行四邊形仿形機構保證切頂裝置的穩定切削,提高了切頂合格率。

2)通過單因素試驗對清纓裝置進行了優化設計,確定了4TQ-2A切頂機清纓裝置的最佳工作組合為橡膠條c、轉速800r/min。通過對切頂裝置的工作空間分析,確定了切頂裝置的尺寸和最佳切割角度β=30°

3)田間試驗表明,4TQ-2A型甜菜切頂機的作業效果滿足甜菜機械化收獲標準,提升了甜菜收獲效率。