红花丝采收机扶禾器升降装置设计及仿真分析

古乐乐，曹卫彬，孙胃岭，刘姣娣，田东洋，麻 平

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.新疆兵团农业机械推广站，乌鲁木齐 830000)

0 引言

红花属双子叶植物纲、菊科一年生草本植物，是一种集油料、天然色素、饲料、染料和药材为一体的经济作物。红花产生两大经济产物种子与红花花丝，种子收获已经实现机械化。红花开花时，红花花果成伞形分布，花丝主要由人工采摘,采摘周期短、劳动强度大,每年大量鲜花无人采摘。红花花丝采摘已成为制约红花经济发展的决定因素。

目前，国外研制的气吸式红花采收机主要针对干红花，而干花丝内部有效成分大大降低，因此这种机型不适合中国红花产业的发展[1]。国内研制红花采收机主要为背负式人工采收，过重的机械装置，增加采收体力消耗，反而加重红花丝采收难度。

根据红花的物料特性，结合国内外相似花类机械化采收思路，提出了一种自走机械式红花丝收获机。红花丝采收的特殊性需要特色的高地隙式拖拉机。红花花丝采收期，花丝高度受红花品种、土壤及环境影响较大。这种新型自走机械式红花丝收获机，采收部件效率与扶禾器工作效率成正比，扶禾器的工作效率受到扶禾器与红花植株的相对位置影响，需要一种使扶禾器与红花植株相对固定的仿形装置。

1 整机工作原理及机构设计

1.1 工作原理

机械式红花丝采收机整机采取高地隙拖拉机驱动，通过液压装置将动力传输给收割装置；扶禾装置通过相对红花花头转动与拖拉机相对红花花头移动，合成红花花头相对梳拔式红花丝采摘头的复合运动，原理如图1所示。转向装置通过控制前轮控制方向，扶禾装置与梳拔式红花丝采摘头位于拖拉机机架下方固定架上，通过液压装置调节固定架的位置。

1.固定架 2.梳拔式红花丝采摘头 3.扶禾器 4.后轮 5.前轮 6.辅助液压缸 7.底盘 8.液压缸 图1 机械式红花丝采收机原理图

1.2 仿形机构

仿形机构由底盘、液压缸及固定架组成，如图2所示。底盘为高地隙拖拉机底盘，液压缸通过铰链分别连接底盘上A、E、F、J4个位置和固定架上C、D、G、H4个位置，通过液压缸调节固定架上下位置且固定架与底盘保持平行。辅助液压缸过铰链分别连接底盘上M、N两个位置和液压缸上B、I两个位置。通过辅助液压缸调节固定架左右位置且固定架与底盘保持平行。

1.底盘 2.固定架 3.液压缸 4.辅助液压缸 图2 仿形机构

2 仿形机构的受力分析

为探究整个装置的受力与仿形机构施加的作用力之间的关系，现对其受力分析，找出各参数变化的影响[2]。

2.1 纵向仿形时受力分析

红花花丝高低受到品种、气候、土壤及其他多种因素影响，工作台需要上下移动，主要靠4个液压缸完成运动。当4个液压缸运动时，驱动固定架上下运动，即扶禾器与梳拔式红花丝采摘头同时向下运动。通过液压缸的调节实现采收不同高度的红花花丝。对固定架进行受力分析，如图3所示为仿形机构中固定架受力情况。

图3 固定架受力简图

由在YZ平面上稳定工作的受力平衡条件可得

(1)

(2)

令固定架CH与DG两边长为a，另两边长为b，固定架及其所固定机构重心在固定架的中心，由力矩平衡可得：

在xoy平面上F1、F2、F3、F4相对重心力矩为

(3)

由机构的结构图知，F1=F2，F3=F4，α1=α2，α3=α4，则

(4)

(5)

其中，α1、α2、α3、α4分别为DE、FG、JH、AC液压缸在运动过程中与Y轴的夹角;F1、F2、F3、F4分别为DE、FG、JH、AC液压缸在运动过程中对固定架作用的力；G为整个采摘装置对固定架施加的重力及固定架自身的重力。

由式(4)得：液压缸所要施加的力F，主要与α、G有关。对于F1与F2，当α1逐渐增大时，F1与F2随之增大，反之变小；当α3逐渐增大时，F1与F2随之减小，反之增大；当G逐渐增大时，F1与F2随之增大，反之变小。由式(5)得：液压缸所要施加的力F，主要与α、G有关。对于F3与F4，当α3逐渐增大时，F3与F4随之增大，反之变小；当α1逐渐增大时，F3与F4随之减小，反之增大；当G逐渐增大时，F3与F4随之增大，反之变小。

2.2 横向仿形时受力分析

红花花丝呈伞状分布，扶禾器工作效率与红花植株与扶禾器相对位置有关，工作台需要左右移动，主要靠辅助液压缸完成左右移动。对液压缸AC进行受力分析如图4所示。

图4 液压缸受力简图

(6)

(7)

其中，β2为AC液压缸在底盘固定点与MB液压缸在底盘固定点与Y轴的夹角。

3 固定架位置与液压缸长度的分析

由于红花有些种植在坡地，采收机行走时四轮与地面有简单的仿形作用，所以机械式红花丝采收机正式工作时需要与机架地盘保持平行。水平与纵向移动式，完全由液压缸驱动，液压缸伸长量需要严格的函数关系才能保持固定架与底盘的相对平行。两套液压缸完全相同，分析一套液压缸结构简图。如图5所示，LAE、LCD、LAB、LAM及角β2为固定，其他长度与度数为变化值。

图5 液压缸位置简图

由图5知

(8)

(9)

(10)

(11)

在横向运动时，高度h保持不变。

分别对式(8)、式(9)、式(11)求导得

(12)

(13)

(14)

当l匀速变化时，LAC、LBM、LED的变化率与自身的长度有关，且LAC、LBM与LED的变化率方向相反。由式(12)与式(13)得

(15)

由式(15)知：若想固定架与底盘保持相对平行，LAC与LED的变化率要有严格的比例关系。

4 仿形机构中主要尺寸及参数确定

为了使机构达到设计要求的运动范围即固定架的运动范围，确定各个液压缸的长度、机架及固定架宽度及辅助液压缸在机架上的固定点与液压缸在机架上β2与的LAB大小。

由红花采摘时红花植株的高度与宽度确定固定架纵向移动距离500mm，横向移动距离400mm。方便固定架的组装与固定架与机架中间放置其他辅助装置h至少要500mm。由红花种植方式得，固定架宽度LCD为1 000mm。

由F1与α1、α4的关系知，当α1最大α4最小时，F1最大，若α1=90°时，F1时无穷大。需要根据则经验确定α1max=75°，由F4与α1、α4的关系知，当α1最小α4最大时，F1最大，若α4=90°时，F4时无穷大。需要根据则经验确定α4max=85°，取LAE=1 670mm。则LAC和LED的变化范围602～1 009mm。取LAC和LED变化范围600～1 050mm。

由LBM与LAB、LAM、β2的方程式知，LBM随LAB、LAM的长度增加而增加，随β2增加而减小。LAB与β2的大小受到机架地盘的限制，取LAM=99mm、β2=45°。有液压缸形状及工作特性限制，LBM尽可能增大，则LAB尽可能取最大值。由LAC的变化范围，选取LAB=475mm，则LBM的变化范围422～466mm，取LBM的变化范围400～500mm。

5 基于ADAMS的运动模拟分析

为了验证该机构的仿形效果，应用ADAMS软件对该机构进行运动模拟[6]。对液压缸与辅助液压缸施加一个移动驱动，固定架施加一个15 000N重力，底盘与地面固定。对机构进行简化，建立其在ADAMS仿真环境下的模型，运行仿真得到左连接架的运动轨迹。图6为固定架相对于地面的纵向运动轨迹图，其位移量即为纵向的总仿形量；图7为固定架相对于地面的横向运动轨迹图，其位移量即为横向的总仿形量。

图6 纵向运动轨迹图

图7 横向运动轨迹图

图6为固定架纵向移动图，反映固定架离地面的高度随时间的变化，其变化范围在0～580mm之间，而红花花丝生长位置变化范围在500mm之内，能满足收割要求。图7为固定架横向移动图，反映固定架离地面的水平位置随时间的变化，其变化范围在0～410mm之间，而红花种植分布需要固定架变化范围在400mm之内，能满足红花收割要求。

6 结论

1)对仿形机构进行受力分析，液压所受到力的大小主要受到 液压缸在运动过程中与Y轴的夹角α、固定架负重G的影响。

2)对各部件进行参数设计，确定LAM=99mm、β2=45°，辅助液压缸长度LBM的变化范围400～500mm，取LAC和LED变化范围600～1 050mm。

3)用优化后的数据，运用仿真分析软件ADAMS软件对仿形机构进行运动分析，纵向总仿形量达到580mm，横向总仿形量达到纵向总仿形量达到410mm，表明该仿形机构能满足红花收割高度要求。

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