蒲草收割船割台的设计

王　永，王泽河，马胜涛，王　伟，袁永伟

(1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定　071001；2.石家庄邮电职业技术学院，石家庄　050000 )

0　引言

蒲草别名蒲菜、蒲草，又称水烛，属于香蒲科水生或沼生多年草本植物，植株高多数在1.4～2.0m范围内，根状长而横生，节部生须根，老根黄褐色；基部呈长鞘抱茎，茎圆柱形，直立，质硬而中实；叶扁平带状，光滑无毛[1]。蒲菜地下匍匐茎尖尖端的幼嫩部分和假茎部分可以食用，美味可口；成熟的短缩茎、匍匐茎还可以食用或当作饲料；雄花花粉又称“蒲黄”，有滋补和药用的功效，蒲草也是人造棉和造纸的主要原料，更能够用于加工坐垫、蒲席等常用的生活用品[2]。

尽管蒲草的利用价值很大，但蒲草机械化收割技术还不成熟，人工收割效率低、劳动强度大；使用现有的水草类收割船收割的蒲草凌乱，虽然劳动强度明显减小，但严重损坏了蒲草各个部位，收割效果差，不利于后续蒲草编织等方面应用，同时收割效率也难以保证。为了提高蒲草收割效率和实现整齐化收割，设计了一种应用于蒲草的收割船。

1　总体设计

蒲草收割船主要由平行四杆机构、割台、分禾机构、扶禾机构、割刀、液压控制系统、纵向输送机构、横向输送机构、明轮及船体等组成[3-7]，如图1所示。

其中，平行四杆机构由两组四杆组成，中间连接有液压缸，右端与船体固定，左端与割台连接，通过调节四杆机构中的液压缸，水平提升割台。

当蒲草收割船整体向前行驶时，调节平行四杆机构中的液压缸，割台平动，整体水平升降，割台前端的分禾机构将蒲草化分为待割区和切割区；切割区的蒲草由扶禾机构进行扶直，并把蒲草拨向割刀，通过调节割刀上端的液压缸确定割刀上下位置；被割刀切割后的蒲草在扶禾机构的作用下输送到挡板处，挡板旁边的横向输送机构将蒲草输送到右侧；考虑到横向与纵向机构有一过渡过程，在横向输送机构的右端增加一旋转拨动盘，拨动盘将蒲草横向平铺在纵向输送结构上，通过纵向输送机构的作用下传送到船上，完成蒲草的切割和整齐铺放。

蒲草收割船是在以割台[8]为关键部件，集切割、输送为一体的设备。针对白洋淀蒲草生长水域及特点，结合相关行业标准，确定主要技术参数如下：

外形尺寸/mm：4 000×2 500×6 000

配用动力/kW：30

工作速度/km·h-1：3.2～5.1

生产/hm2·h-1：1.6～2.1

驱动方式：明轮

2　割台结构及分析

2.1　割台的设计

割台是蒲草收割船的关键部件，是实现蒲草整齐、高效作业的保障。其主要由分禾机构、扶禾机构、横向输送机构、割刀[9]及液压缸等组成，如图2所示。割台通过平行四杆连接点与外部的平行四杆机构连接，实现整体水平平动，割刀通过割刀架上的液压马达实现左右往复切割运动；通过割刀架上的液压缸实现上下移动，割刀架上的滑槽沿着割台上的固定套筒滑动实现上下位移，实现割深的微调。扶禾机构设计为纵向向上倾斜，右侧通过液压缸控制，当割刀部分整体向下移动时，能够切割更深的蒲草茎秆；此时，为了能够更好地扶禾，扶禾机构在液压缸的作用下向上调整，被切割的蒲草在扶禾机构上的扶禾链、拨盘的作用下运输到挡板处，横向输送机构再把已经切割的蒲草平铺输送到纵向输送带上，纵向输送带把蒲草输送到船上。

1.船体　2.明轮　3.控制室　4.液压马达　5.横向输送机构　6.液压缸 7.纵向输送机构　8.防落板　9.分禾机构　10.扶禾机构　11.割刀　12.平行四杆机构

1.平行四杆连接点2、3、12.液压缸4、14.液压马达 5.拨链　6.横向输送机构　7.挡板　8.拨盘　9.扶禾机构 10.扶禾链　11.分禾机构　13.扶禾架　15.割刀　16.割刀架

2.2 　横向输送机构

横向输送机构是扶禾机构与纵向输送机构之间的过渡环节。蒲草通过扶禾机构的扶持作用输送到扶禾架后端的横向输送机构处，经过横向输送机构传送到船体右侧的纵向传送带上。横向输送机构主要由液压马达、拨链、拨链架及拨盘组成等组成，如图3所示。为了避免蒲草在横向传送过程中出现折断现象，采用两层输送，拨链架固定在扶禾架上，拨盘是为了更好地把蒲草拨到纵向传送带上。

1.液压马达　2.拨链盘　3.拨链　4.拨盘

2.3　切割机构

切割机构主要由滑块、液压缸、传动杆、液压马达及割刀架等组成，如图4所示。其中，切割机构整体通过上端的液压缸伸缩实现上下移动，从而实现不同深度的蒲草收割；滑块在外部平行四杆机构活动架滑槽内上下滑动；液压马达通过曲柄滑块原理带动割刀部分左右往复运动，割刀片切割蒲草。

1.滑块　2.液压缸　3.传动杆　4.液压马达　5.割刀片　6.割刀架

2.4　平行四杆机构

割台的水平平动通过平行四杆机构实现，始终保持割刀与蒲草茎秆垂直、切割面积最小、切割效率最高。平行四杆机构主要由液压缸，固定架及活动架等组成，如图5所示。调节液压缸的伸缩，从而实现活动架竖直平动。

1.船板　2.液压缸　3.固定架　4.支撑杆 5.活动架　6、7.液压缸一端　8.滑槽

2.5　割台运动分析

收割船向前运动的同时，分禾机构对蒲草进行扶禾作业。首先，进行分禾的是在扶禾机构支撑板外的最低点A；然后，经过直线运动，完成经过A-B-C-D的扶禾，如图6所示。

图6中：A为开始扶禾作业的最低点；B为开始直线扶禾的最低点；C为结束直线扶禾的点；D为扶禾结束的最高点；α为圆弧扶禾段的夹角；V1为收割船前进速度；V2扶禾链的线性速度；L3为割刀从开始扶禾到切割时的前进距离；L4为扶禾链两驱动盘中心距；L5为开始扶禾到结束扶禾的倾斜方向距离；θ为扶禾倾斜面与两驱动盘中心连线的夹角，β为两驱动盘中心线与水平面的夹角。

图6　扶禾机构简化分析图

扶禾以后的蒲草被后置的割刀切割完成，最后由传送机构进行输送到收割船上。为了完成最大扶禾，当一个扶禾齿从最低点运动到最高点时，割刀正好完成最高点扶禾的蒲草切割。由图6可得

(1)

化简得

(2)

由式(2)可知：收割船的前进速度与扶禾速度成正比。其中，比例系数K1反映了扶禾质量。K1过小，扶禾链速度小引起扶禾工作段变小，蒲草稳定性变差，切割效果差；K1过大，扶禾链速度大引起割刀还未来得及切割已被完成扶禾，导致蒲草凌乱，后续割刀工作效果极差，应避免发生。

本收割船的各项作业主要依靠液压缸来完成。为了达到理想的收割效果，液压缸的准确调节是一个难题，因此液压缸的伸缩量进行计算分析很有必要。如图6所示，当割刀下降到一定距离切割更深的蒲草时，扶禾架整体下降，为使扶禾蒲草高度不变，需要对液压缸3进行调节。由图6可知

(3)

L5sin(θ+β)=H

(4)

由式(3)、式(4)求导得

-2X3dX3=-2L4L5sinθdθ

L5cos(θ+β)dX3=dH

两式相除化简得

(5)

3　收割试验与结果

3.1　试验基本条件

收割性能试验在河北省中部的保定市安新县白洋淀进行。试验地属于由海而湖，由湖而陆的反复演变而形成的湖泊，为冲积平原洼地。年平均降水量5522.7mm，平均气温12.1℃，日照2638.3h，无霜期203天。试验地块蒲草成熟后，蒲草收割船割台收割作业。

试验用蒲草为晚秋季节池沼域蒲草，茎出水面直立，高可达2.5m；叶二列式互生，长0.8～1.3m，宽4～10mm；花黄似蜡烛状，高达2.5m，苞叶2～8片，早落。

3.2　试验结果

本收割船实验结果，如表2所示。

表2　收割船试验性能结果

3.2.1扶禾高度及收割数

在白洋淀湖泊蒲草凌乱直立的情况下，收割质量完全满足后期蒲草功能的农艺要求。表2中，平均扶禾高度为80cm，合格率为87%，标准差为0.91，变异系数为20.3。本收割船在收割过程中由于船体水中作业，导致播种变异系数偏大。

3.2.2蒲草切割截面

由表2可知：蒲草切割截面夹角平均为9°，合格率为95%，这种情况下更有利于蒲草切割机构的收割作业，保证了切割质量。测量结果表明：截面夹角不是水平面。其原因是先扶禾后切割产生了距离差。

3.2.3割台可行性

本试验在蒲草收割船工作速度4km/h的条件下测试两行，每次测试割幅为120cm,收割效率明显高于人工收割，可行性高。

4　结论

1)蒲草收割船通过平行四杆机构使得割台保持水平工作状态，割刀垂直切割蒲草，提高了切割质量和切割效率。

2)分禾机构和横向输送机构的设计使得蒲草切割整齐，铺放整齐，减少大量繁琐劳动。

3)液压缸的伸缩量与割刀升降的计算，对智能化控制来实现收割满足农艺要求研究具有重要意义。收割船扶禾机构，割刀等都有液压缸，更好地增加了不同水域的适应性。

4)蒲草收割船割台工作效率高，实现了机械化生产；但试验过程中发现：割台稳定性差，扶禾高度，切割效果还不能够实现预想的效果， 需要进一步优化割台机构，保持各构件之间的协调性和稳定性。