大型辊筒类西葫芦收获机捡拾装置的改进设计

王 芳，杨 铮，田 超

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

打籽西葫芦在国内11个省和自治区都有种植，尤其是在甘肃、内蒙、新疆和黑龙江地区。由于西葫芦种植面积大，机械化收获的研究属于初期阶段，人力投入和收获成本的消耗依然很高，所以机械化收获的问题急需解决。

大型辊筒类自走式西葫芦取籽收获机是内蒙古巴彦淖尔市五原县蒙龙机械设计有限责任公司研发的一款新产品，主要由捡拾辊筒装置、西葫芦输送装置及西葫芦破碎取籽装置3部分构成。该机器相对于以前的葫芦类收获机而言，具有捡拾效率高、漏检率低、结构简单、自动化程度高及操作方便等优点。

本文通过对捡拾装置的改进设计，解决该机器在实际工作中存在的问题：①漏捡现象；②捡拾以后西葫芦不易脱落；③捡拾过程中杂草容易进入破碎取籽装置，导致破碎取籽装置损坏。最后，通过田间捡拾试验检验改进效果[1-6]。

1 西葫芦收获机工作原理

大型辊筒类自走式西葫芦收获取籽一体机简图如图1所示。西葫芦收获机在收获工作过程中，位于辊筒前端的分瓜器将西葫芦分到整个辊筒捡拾装置的工作幅宽内，捡拾辊筒上布满扎瓜齿，扎瓜齿与西葫芦接触时，会扎入到西葫芦内部；捡拾辊筒在拖拉机的推进下会做逆时针旋转运动，西葫芦随着辊筒的前进而逐渐向上运动，位于辊筒上端的取瓜梳与扎瓜齿形成垂直交错状便于西葫芦脱落，与扎瓜齿分离的西葫芦会落入与西葫芦输送装置相连接的平台上；该平台位于机架中部，在绞龙的作用下进入西葫芦输送装置，将西葫芦输送到脱粒取籽装置中。

1.捡拾辊筒 2.取瓜梳 3.U形架 4.驾驶室 5.输送装置 6.破碎取籽装置 7.物料提升装置

2 捡拾装置的改进设计

2.1 扎瓜齿的改进设计

扎瓜齿是捡拾辊筒上的重要零件，目前辊筒类自走式西葫芦收获机在收获过程中存在扎瓜齿易断裂和变形、捡拾效率低的现象。其原因在于工作环境恶劣、土壤中有硬石块、西葫芦体积范围大等。西葫芦的直径是决定扎瓜齿的形状及扎瓜齿在捡拾辊筒上排列的重要因素。调查“金丰18号”籽用西葫芦的种植环境和规模，对扎瓜齿的材料、长度、排列方式等方面进行改进设计。

2.1.1 扎瓜齿材料的改进

以前使用的扎瓜齿材料为普通高碳钢，在长时间工作过程中，扎瓜齿与土地及土壤下的石头频繁接触会造成扎瓜齿变形甚至断裂，因此需要选用另外一种材料对扎瓜齿进行设计。考虑到生产成本及其他工作要求，对多种材料的扎瓜齿进行碰撞对比，最终采用经过热处理的合金钢材料[7]。

2.1.2 扎瓜齿长度的改进

当扎瓜齿较长时，虽然很容易捡拾西葫芦且不易脱落，但容易造成西葫芦的破碎，导致资源浪费，取瓜梳也很难将其从扎瓜齿上取下来；当扎瓜齿较短时，虽然取瓜梳很容易就将西葫芦从扎瓜齿上取下，但是西葫芦不易被捡起而且容易脱落，造成漏捡的情况，会加大农民的劳动强度。根据西葫芦的种植模式及西葫芦的大小，通过捡拾辊筒样机在田间进行多次实验，最终将扎瓜齿的长度确改为225mm。

2.1.3 扎瓜齿形状的改进

目前，辊筒类捡拾机械扎瓜齿的形状主要有四棱形、三棱形及圆锥形3种，优缺点如表1所示。

表1 3种形状扎瓜齿优缺点比较Table 1 Advantages and disadvantages of three kinds zucchini tooth

综合上述3种形状扎瓜齿的优缺点，西葫芦收获机最终采用的是圆柱形扎瓜齿。原有的西葫芦收获机中，扎瓜齿与辊筒的连接方式采用的普通焊接方式，在扎瓜齿发生断裂、变形及根部发生损坏时，扎瓜齿更换、维修困难。本次设计将圆形扎瓜齿根部改为矩形凸台形，在辊筒上打孔，采用螺纹螺母联接方式，根部不易损坏，维修更换方便。关于扎瓜齿的直径，当直径过大时，整个捡拾辊筒质量增加，成本提升，西葫芦不易脱落，容易破碎；当直径过小时，虽然西葫芦容易脱落、捡拾率低、成本降低，但在复杂恶劣环境下进行捡拾工作时，扎瓜齿容易变形、断裂。经过多次试验及参考西葫芦的大小，最终将扎瓜齿直径确定为11 mm。扎瓜齿如图2所示。

图2 扎瓜齿Fig.2 Squash tooth

2.1.4 扎瓜齿排列方式的改进

扎瓜齿在辊筒上的排列方式主要有两种：一种均匀错位式排列，另一种是田字形排列。两种排列方式如图3所示。

1.扎瓜齿 2.辊筒 1.扎瓜齿 2.辊筒

扎瓜齿在辊筒上的排列方式会影响捡拾效率。当排列过于密集时，在捡拾过程中容易将西葫芦扎碎造成浪费，取瓜相对困难；当排列过于稀疏时，则容易漏检，捡拾率低。扎瓜齿在辊筒上的排列应满足以下要求：①可以捡起体积较小的西葫芦，减少扎碎西葫芦的现象；②便于取瓜梳取瓜；③降低扎瓜齿在工作过程中接触硬石块的概率。

扎瓜齿排列方式的优缺点比较如表2所示。综合西葫芦种植环境与模式、捡拾效率、取瓜难易程度、扎瓜齿使用寿命等因素，采用传统田字形排列，一列长、一列短地均匀排列，长度分别为240 mm和190 mm，既保证捡拾效率，又可以减少扎瓜齿接触石块的概率。

表2 扎瓜齿优缺点比较Table 2 Advantages and disadvantages of zucchini tooth

在田间测量过程中发现，长径小于12mm、短径小于8mm的西葫芦只占到全部测量数的5%，所以在设计扎瓜齿之间的距离时这部分可以忽略掉。同时，为了减少整机质量，避免扎瓜齿接触石块产生变形和断裂等现象，扎瓜齿的总数应尽量减少，扎瓜齿之间的距离应为70～100mm。综合多种因素，扎瓜齿之间的距离选择为85mm[8]，最终确定扎瓜齿排列方式如图4所示。

1.扎瓜齿(长) 2.扎瓜齿(短) 3.辊筒

2.2 取瓜梳的改进设计

取瓜梳形状及与扎瓜齿的排列方式是影响收获效率的重要因素。原有的取瓜梳采用直线型设计，取瓜困难，经过多次试验，将取瓜梳的形状改为流线型，将圆柱形取瓜梳改为矩形，在取瓜梳中间掏空便于刀片的安装[9]；并且与扎瓜齿垂直交错布置，不仅取瓜方便，保证效率，辊筒直径还可以减少，减轻了整个机器的质量。取瓜梳的形状以排列方式如图5所示。

图5 取瓜梳形状及排列方式Fig.5 Shape and arrangement of taking melon comb

2.3 除草装置的设计

在西葫芦捡拾的过程中，茎、叶、杂草等杂物会随着捡拾辊筒一起转动，有时会伴随着西葫芦进入破碎取籽装置，影响工作效率，增加维护成本，因此除草装置的设计也是非常重要的。根据西葫芦收获时的环境，增加了打秧辊、割草刀和压茎辊，如图6～图8所示。西葫芦收获机工作时，辊筒前方的打秧滚工作，将茎、叶和杂草卷起；然后被压茎滚压下，遗漏部分被辊筒后方的第2个打秧辊打下；最后取瓜梳将西葫芦取下，割刀将剩余的杂草去除。

除草装置的作用是在捡拾过程中去除杂草，防止杂草进入破碎脱籽装置，减少机具的后期维护成本。

图6 打秧辊Fig.6 Weeding roll

图8 压茎辊Fig.8 Presiding grass roll

3 捡拾装置中辊筒部件的仿真分析

通过对巴彦淖尔市五原县地区西葫芦种植环境进行抽样调查可以发现：大多数种植区土壤较为平整，但个别种植区土壤环境较为恶劣，坑坡处比较多。由此确定西葫芦收获取籽一体机捡拾装置中辊筒部件的强度分析方案如下：

1)捡拾装置在正常工作环境下，对辊筒部件整体进行强度分析；

2)捡拾装置右轮陷入10 cm深坑时，对辊筒部件整体进行强度分析；

3)将捡拾装置整体置于10 cm上坡面时，对捡拾辊筒部件整体进行强度分析。

用SolidWorks软件对捡拾装置进行三维建模，如图9所示[10-11]。

将捡拾装置中的辊筒部件的三维装配图导入到 ANSYS workbench中，对仿真模型的参数设定如下：定义捡拾装置的材料为结构钢(Structural Steel)，弹性模量为2.5E×103，抗拉强度(Tensile Ultimate Strength)为4.6E×103，泊松比为0.3。捡拾装置辊筒部件的网格划分模型如图10所示，该模型共有255 756个单元、120 168个节点[12-13]。

图9 捡拾装置的三维装配图Fig.9The three-dimensional assembly drawing of the pick-up device

图10 捡拾装置的网格划分Fig.10 Analyze grid of the pick-up device

3.1 正常工作环境下捡拾装置整体强度分析

捡拾装置在自然状态下只受一个重力作用，应力分析如图11所示。由图11可知：当捡拾装置辊筒部件正常工作时，所受最大应力为108.67MPa，最小应力为1.49e-5 MPa，应力主要集中在轮辐的支撑轴上。

图11 捡拾装置自然状态下的应力分析Fig.11 Stress analysis of picking device in natural state

3.2 捡拾辊筒右轮陷入10cm坑时的强度分析

捡拾装置右轮陷入10 cm坑时的应力分析如图12所示。由图12可知：当捡拾装置辊筒部件正常工作时，最大应力135.837MPa，最小应力为1.12e-9 MPa，陷入10cm深坑时应力与正常工作环境下的情况基本相同，主要集中在轮辐的支撑轴上。

图12 捡拾装置右轮陷入10 cm坑时的应力分析Fig.12 Stress analysis when the right wheel of the pick-up device falls into the 10cm pit

3.3 捡拾装置整体置于10 cm上坡面时的强度分析

捡拾装置整体置于10cm上坡面时的应力分析如图13所示。由图13可知：当捡拾装置正常工作时，最大应力为127.43MPa，最小应力为0.000 13MPa，应力主要集中在两个辊筒轮上的支撑轴上。

图13 捡拾装置整体置于10cm上坡面时的应力分析Fig.13 Stress analysis of the pick-up device as a whole on a 10 cm uphill

3.4 捡拾装置辊筒部件强度校核

查阅有关资料可以得到，捡拾辊筒部件材料屈服极限σs=310MPa,农业机械中安全系数为1.3～1.5，本次校核采用安全系数为1.4。根据最大剪应力理论可知强度条件为

其中，[σ]为许用应力，n为安全系数。

1)捡拾辊筒部件正常工作时，根据分析可知最大应力为108.67MPa，由于[σ]<[σs]，所以在正常工作情况下捡拾辊筒部件强度合格，满足工作要求。

2)捡拾辊筒部件右轮陷入10cm深坑时，根据分析可知最大应力为135.837MPa，由于[σ]<[σs]，所以在陷入10 cm深坑情况下捡拾辊筒部件强度合格，满足工作要求。

3)当捡拾辊筒部件置于10cm上坡面时，根据分析可知最大应力为127.43MPa，由于[σ]<[σs]，所以在情况下捡拾辊筒部件强度合格，满足工作要求。

4 结论

1)针对大型辊筒类自走式西葫芦收获机在工作时存在的问题，提出了改进方案，并利用ANSYS Workbench 对捡拾装置在改进后不同工作环境下进行静力学强度分析，验证改进后的强度是否满足工作要求。

2)改进设计出了圆柱形扎瓜齿，扎瓜齿长度改进设计为225 mm，优化了扎瓜齿在辊筒上的排列方式，加大了捡拾效率，将取瓜梳优化为流线型，增加了除草装置。

3)利用SolidWorks对捡拾辊筒部件进行三维建模，接着利用ANSYS Workbench对捡拾辊筒部件改进后在不同工作情况下进行静力学分析，并校核强度。结果表明，改进后辊筒部件强度满足要求。

4)样机田间捡拾作业试验表明：工作稳定性良好，平均有效捡拾率为97.2%，达到国家收获类农机的相关标准。