梳脱式打瓜集条机的设计

王贤斐,付 威,李亚丽,李景彬

(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子 832000;2.新疆生产建设兵团农业机械重点实验室,新疆 石河子 832003;3.农业部西北农业装备重点实验室,新疆 石河子 832003)

0 引言

打瓜具有抗旱及改良土壤条件的作用,种植成本低、经济效益高,已成为新疆农业种植户主要增收的经济作物。随着新疆农业产业结构的调整,打瓜种植面积急剧增加,进一步加大了打瓜生产过程的机械化技术需求[1]。打瓜生产全程机械化过程中,耕地、整地、播种、中耕及植保等环节基本实现机械化作业,而收获环节相对薄弱。根据收获工艺,我国主要采取分段的方式,即集条、捡拾、取籽。目前,集条主要采取人工方式,用工量大,劳动强度高,效率低[2-4]。

国外对瓜类收获机械的研究较早,20世纪六、七十年代,苏联及美国等发达国家已经对西瓜等瓜类捡拾机械开展研究,并对相关专利进行申请[5-6]。由于种植区域的限制,国外针对打瓜收获机械研究较少,瓜类分段收获作业机械仅有奥地利的南瓜籽收获机械[7],其结构复杂、整机体积巨大、价格昂贵,不适合我国打瓜的种植及收获模式。在国内,王学农、牛长河、陈发等[8]研制的4ZT-2.0型籽瓜集条机采用圆柱形或多边形柱状的集条辊,结构简单,故障率低。苏鲁坦等[9]研制的4DT-2.0型打瓜集条机采用V形分布的集瓜圆盘集瓜,能很好地随地仿行,但两种机型在工作过程中时常出现挤瓜、伤瓜现象。靳范[10]研制的打瓜收获集条机,利用搅龙输送原理进行集条作业,在工作过程中仍存在瓜藤、杂草缠绕等问题,导致搅龙出料端出瓜不畅,容易造成堵塞[11]。

本文针对打瓜在机械化采收过程中集条这一技术难题,采用先摘后集的思路,设计了一种梳脱式打瓜集条机,可有效降低集条过程中挤瓜、伤瓜现象,解决杂草、瓜秧缠绕等问题,以期为打瓜生产全程机械化的推广及机具研制提供参考。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构及组成

整机主要由机架、梳齿采摘器、拨瓜辊、集瓜器、压蔓辊、往复式藤蔓切割器和地面仿形机构等组成,如图1所示。

1.机架 2.集瓜器 3.拨瓜辊 4.梳齿采摘器 5.藤蔓切割器 6.压蔓辊 7.地面仿行机构图1 梳脱式打瓜集条机Fig.1 The comb-type machine of melon collecting

该机与中小型拖拉机配套使用,机架在整机的后方,与拖拉机相连接;梳齿采摘器设在机架的前端,拔瓜辊安装在采摘器的上部,双向螺旋式集瓜器与采摘器后端相连安装在机架上。

1.2 工作原理

工作时,随着拖拉机前进,压蔓辊先将藤蔓压实,梳齿采摘器对打瓜藤蔓进行梳刷;由于梳齿采摘器相邻梳齿杆间距小于打瓜直径,当梳齿杆触碰到打瓜果实时,利用冲击力将打瓜果实强制摘下,拉断的藤蔓及杂草由往复式藤蔓切割器切断;摘落的打瓜果实由拨瓜辊捡拾向后抛送到双向螺旋集瓜器的滚筒中,在双向螺旋集瓜器的作用下将打瓜集成一条并输送至机外,完成集条作业。

2 关键部件设计

2.1 梳齿采摘器

梳齿采摘器主要由横梁、安装座、梳齿等组成,如图2所示。梳齿要求有较高的弹性,防止因碰撞形变而改变梳齿的结构,因此选用Φ12mm的65Mn碳素弹簧钢,长度取500mm。梳齿中间部位下凹,方便兜瓜,减少回落;前部为回形状,避免与打瓜的直接冲击。

梳齿之间的间隙为采摘器的重要参数,梳齿间隙过大会造成漏摘,间隙过小易造成堵塞。摘瓜过程实为梳齿与打瓜碰撞过程,为简化分析,将打瓜视为刚体。碰撞过程中由于冲击力较大,普通力(重力、弹性力等)的冲量可忽略不计,物体的位移可忽略不计[12-14]。对处于受力状态下的打瓜进行受力分析,如图3所示。

1.打瓜果实 2.梳齿图3 摘瓜过程受力分析Fig.3 The stress analysis of melon picking

为了将打瓜摘落,需满足的条件为

2Ty≥R

(1)

式中Ty—梳齿对打瓜冲击力T在y轴方向的分力(N);

R—打瓜摘取力(N)。

(2)

式中h—打瓜重心到梳齿端面的距离(mm);

d—弹齿间隙(mm);

T—梳齿对打瓜冲击力(N);

α—T与y轴方向的夹角(rad)。

由式(2)可知:Ty与d呈反比,梳齿间隙变小可以使Ty增大,增加梳齿拉断果柄的能力,但过小会造成堵塞。为了保证摘瓜时梳齿之间不发生堵塞,梳齿间隙应该大于主蔓基部最大直径。同时,为了保证梳齿拉断果柄的能力,设计梳齿杆间隙为45mm。

2.2 拨瓜辊

拨瓜辊主要由辊筒、弹齿安装座、拨瓜弹齿等组成,主要作用是将梳齿采摘下的打瓜捡拾后抛送到螺旋集瓜器中,如图4所示。

1.辊筒轴 2.辊筒 3.弹齿安装座 4.拨瓜弹齿图4 拨瓜辊Fig.4 Thedial melon roller

综合考虑整机结构及质量,辊筒选用Φ218mm×4mm的直缝焊管,辊筒两端设计有端盖,端盖与辊筒轴相连,通过辊筒轴带动辊筒旋转。辊筒上均布4排弹齿安装座,弹齿安装座焊接在辊筒上,拨瓜弹齿(见图5)通过螺栓连接在弹齿安装座上。拨瓜弹齿采用Φ8的65Mn弹簧钢设计成双齿杆复绕结构[15],避免弹齿与打瓜的硬性撞击。弹齿间距设为45 mm,以满足捡拾、抛送最小瓜径(50 mm)的技术要求。同时,为了弹齿能够可靠地将摘落的打瓜捡拾并向后拨送,弹齿由直线和圆弧段组成,直线与圆弧段相切。

图5 拨瓜弹齿Fig.5 Thedial melon roller

工作时,拨瓜弹齿参与了两个运动:一是绕辊轴旋转;二是随集条机沿直线方向前进。拨瓜辊上任意一点的运动轨迹为一条余摆线[16-17],如图6所示。

图6 拨瓜辊运动轨迹Fig.6 The movement track of melon roller

设拨瓜辊的角速度为ω,集条机前进速度为Vm,以拨瓜辊圆心O点为坐标原点,建立拨瓜弹齿任一点经过时间t后的运动轨迹方程,即

(3)

式中Vm—集条机前进速度(m/s);

t—拨瓜辊转动的时间间隔(s);

r—拨瓜弹齿上一点到拨瓜辊轴心的距离(mm);

ω—拨瓜辊转动的角速度(rad/s)。

对式(3)求导,则拨瓜弹齿上任一点的速度为

(4)

当拨瓜弹齿与打瓜果实接触时,弹齿应该具有向后的水平速度,保证弹齿将打瓜向集瓜器中抛送,则

Vx=Vm-rωsinωt<0

(5)

Vm

(6)

(7)

(8)

其中,rω为拨瓜弹齿在切线方向的速度。设切线方向速度为Vs,则式(8)可表达为

(9)

其中,Vs/Vm为拨瓜速比,用λ表示,初选λ=1.8。

(10)

由式(10)可知

(11)

式中n—拨瓜辊转速(r/min);

R—拨瓜辊半径(m);

Vm—集条机前进速度(m/s)。

拨瓜辊设计转速为60 r/min,机器前进速度为4 km/h,由公式(11)计算得拨瓜辊半径为0.32m(拨瓜弹齿最大回转半径)。

2.3 集瓜器

集瓜器采用双螺旋结构,主要由螺旋轴、出料口、料槽及螺旋叶片等组成,如图7所示。

1.螺旋轴 2.料槽 3.出料口 4.螺旋叶片图7 集瓜器Fig.7 Themelon collector

螺旋叶片焊接在螺旋轴上,螺旋轴由链轮驱动,随着螺旋叶片的旋转;打瓜受到螺旋叶片的作用力由两端向中间输送,最后从出料口排出,完成集条工作。集瓜器料槽采用栅条结构,推运过程中部分杂质通过料槽管壁排入农田,起到清杂的作用。

1)集瓜器实际输送量。随机挑选50个成熟籽瓜,测量其短轴﹑长轴和质量,然后对打瓜物料特性做出如下假设:打瓜形状近似圆球体,直径195mm,单瓜质量5kg。经调研,新疆平均产瓜量为57000个/hm2,本机设计幅宽2000mm,集条机前进速度4km/h,则

Q1=L·Vm·M

(12)

式中Q1—物料实际输送量(t/h);

L—工作幅宽(m);

Vm—机器前进速度(km/h);

M—打瓜每667hm2产质量(kg)。

由公式(12)计算得出集瓜器实际输送量Q1=22.8t/h。

2)螺旋外径[18-19]。螺旋输送器外径为

(13)

式中D—螺旋外径(m);

K—物料综合特性系数;

φ—填充系数;

c—倾斜输送系数;

γ—物料单位容积质量(t/m3)。

本机选取K=0.06、φ=0.25、c=1、γ=0.7,计算得D=362mm。圆整为标准直径,取D=400mm。

3)螺距。对于标准的输送机,通常螺距S=(0.8～1)D。经过计算,S=(320～400)mm,本机取S=400mm。

4)轴径。根据资料[20]推荐的轴径计算公式d=(0.2～0.35)D,计算得d=(80～140)mm,本机取d=80mm。

5)集瓜器理论输送量。由资料[16]可知,集瓜器理论输送量为

Q2=47D2Snφγc

(14)

式中Q2—物料理论输送量(t/h);

D—螺旋外径(m);

S—螺距(m);

n—螺旋输送器转速(r/min);

φ—填充系数;

c—倾斜输送系数;

γ—物料单位容积质量(t/m3)。

初设螺旋输送器转速为50r/min,选取φ=0.25、c=1、γ=0.7,通过计算得理论输送量Q2=26.3t/h。因Q2>Q1,所以初选集瓜器转速为50 r/min,满足设计要求。

3 田间试验

2018年秋,在新湖农场一连对集条机试验样机进行田间试验,依据《农业机械试验条件测定方法的一般规定》对试验区的试验条件进行测定,结果如表1所示。

表1 试验条件

试验设备包括梳脱式打瓜集条机试验样机、福田雷沃654拖拉机、皮尺、电子天平、秒表,主要测试指标为漏检率、破损率和瓜籽损失率。在拖拉机前进速度为4km/h、调整拨瓜辊转速为60r/min、集瓜器转速为50r/min的条件下进行试验,结果如表2所示。

表2 试验结果

4 结论

1)结合新疆打瓜种植模式和分段收获工艺,设计了一种梳脱式打瓜集条机,能有效减少集条过程中的挤瓜、伤瓜现象,很好地解决杂草、瓜秧缠绕等问题。

2)通过对打瓜摘取状态下的力学分析,导出梳齿摘落能力与梳齿间距之间的关系,确定梳齿之间的间距为45mm;在对拨瓜辊工作过程进行运动学分析的基础上,初步确定了满足捡拾、抛送要求的拨瓜辊直径320 mm和转速75 r/min;同时,通过计算确定螺旋输送器的结构参数,为以后优化整机结构提供了理论依据。

3)田间试验试验结果表明:漏检率≤5%,破损率≤14%,瓜籽损失率≤3%,集条机结构合理,采用先摘后集的设计思路可行。对试验结果进行分析可知:造成漏检损失的原因主要是打瓜直径小于梳齿杆间隙,破损主要与拨瓜辊转速及拨瓜弹齿材料有关。后续将在试验基础上对部分结构参数和运动参数进行改进。