斜置双螺旋梳指式辣椒收获试验台设计

刘 高,林蜀云,梁 勇,唐 勇,徐卫平

(1.贵州师范大学 机械与电气工程学院,贵阳 550001;2.贵州省山地农业机械研究所,贵阳 550000;3.贵州电子科技职业学院,贵州 贵安 550025)

0 引言

贵州属卡斯特地貌,土地坡度大,辣椒种植区域分散,单个种植区域面积小,给辣椒的机械化收获带来了很大困难[1]。辣椒作为贵州的一种重要扶贫产业,经济效益良好[2-3],得到大力推广,目前贵州辣椒种植面积已达35万hm2。辣椒的机械化收获[4]研究在国内仍属起步阶段,新疆、陕西等地多采用国外进口采摘机[5],但手工采摘仍是主要收获方式。由于受到实际种植环境的影响[6],贵州地区辣椒收获方式多为手工采摘,采摘成本大,收获用时长,易延误最佳收获期,影响辣椒品质。近年来,农村地区劳动力匮乏,用工成本加大,严重阻碍了辣椒的产业化发展[7]。

根据目前贵州山地辣椒的收获现状,设计了一台斜置双螺旋梳指式辣椒收获试验台,旨在为满足贵州山地辣椒收获的斜置双螺旋梳指式辣椒收获原理提供试验平台。

1 试验台结构及工作原理

1.1 试验台设计的技术要求

1)试验台工作需适应贵州山地辣椒垄作栽培方式,具有灵活轻便的特点;

2)试验台螺旋辊倾斜角度、螺旋梳指长度及螺旋辊转速等调节范围满足设计误差要求;

3)试验台调节控制及数据采集方便。

1.2 试验台基本结构设计

斜置双螺旋梳指式辣椒收获试验台主要由分禾器及分禾器调节架、双螺旋采摘辊、镇压轮、镇压轮高度调节手柄、调速器、减速电机、齿轮传动组件、伸缩万向节、机架手柄、机架及调节组件等部分组成,如图1所示。

1.分禾器及分禾器调节架 2.双螺旋采摘辊 3.镇压轮 4.镇压轮高度调节手柄 5.调速器 6.减速电机 7.齿轮传动组件 8.伸缩万向节 9.机架手柄 10.机架 11.调节组件图1 试验台结构示意图Fig.1 Test bed structure diagram。

试验台主要用于研究斜置双螺旋梳指式辣椒收获机设计中的关键技术,具体包括该采摘机理的可行性、采摘辊转速、采摘辊倾斜角度及螺旋梳指长度等。

1.3 试验台工作原理

根据贵州地区农户种植习惯及山地辣椒的农艺规范,在品种上采用朝天椒,种植程序按农艺规范执行,种植方式为垄作、单行双株。由于受天气及环境影响,导致垄与垄之间存在深浅、宽窄的差异,同时辣椒植株及辣椒结果位置高低不一,给机械化收获带来很大困难。本文基于斜置双螺旋梳指式辣椒收获方式设计了试验台,通过试验研究该收获方式的关键技术,解决当前机械化收获面临的困难。

辣椒采摘试验台由减速电机提供动力,通过齿轮、伸缩万向节传递动力,实现双采摘辊由下往上反向转动,工作过程如图2所示。试验过程中,试验台匀速向前,分禾器将辣椒植株集中向中间靠拢,从入料口进入双螺旋采摘辊之间,梳指对辣椒植株上的辣椒不断地由下往上捋,从而将辣椒从植株上采摘下来。同时,采用正交试验的方法,通过控制系统调节各影响参数,研究其漏采率及破损率等参数。

图2 工作过程Fig.2 Working process。

2 关键部件设计

2.1 螺旋梳指辊的设计

斜置双螺旋梳指采摘辊的直径按照扭转强度为

式中d—采摘辊直径(mm);

[τT]—材料的许用扭转切应力(MPa);

P—轴传递的功率(kW);

n—轴的转速(r/min)。

试验台中轴传递的功率为1kW,转速为180r/min,由表得[τT]值取15,得出螺旋梳指采摘辊的直径为d=26.035mm,取d=27mm。

对螺旋梳指辊的强度在受力最大情况下进行校核,即安装倾斜角度为30°,梳指长度为130mm,梳指辊总长度为786mm,有效作用长度为363mm,梳指辊等效总长为680mm,等效有效作用长度为363mm×cos30°=314mm。由图6可知其合力方向向上,故螺旋梳指辊简化受力示意图如图3所示。

图3 螺旋辊载荷分布示意图Fig.3 Diagram of load distribution of spiral roller。

根据辣椒连接力大小和垄作方式在工作过程中的阻力情况,计算出其集中力为F=1500N,其分段弯矩方程如图4和图5所示。

图4 弯矩图Fig.4 Bending moment diagram。

图5 扭矩图Fig.5 The torque diagram。

运用弯扭合成强度条件进行校核,即

式中d—采摘辊直径(mm);

Me—当量弯矩(N·mm);

[σ-1b]—许用弯曲应力(MPa)。

代入所求最大弯矩和最大扭矩值,求得螺旋梳指辊所需直径大小为5.848mm,故所取螺旋梳指辊直径满足强度要求。

2.2 螺旋梳指排列设计

螺旋梳指直径为6mm,为保证采摘质量,辣椒所受合力为竖直向上方向,其采摘过程受力分析如图6所示。

图6 螺旋辊受力示意图Fig.6 Force diagram of spiral rolle。

螺旋角α计算公式为

其中,c=1500N,b=1000N,θ为螺旋辊安装倾斜角。由此求出每个梳指辊对应的梳指排列螺旋角α及其他参数,如表1所示。

表1 梳指长度及螺旋角Table 1 Comb length and spiral Angle。

2.3 试验台机架静态结构分析

试验台机架选用材料为Q235方管,方管截面大小为40mm×40mm×3mm;整个机架采用焊接方式连接,机架长1 183mm、宽956mm、高756mm,由4个镇压轮支撑,承载7个主要部件;机架主要受双螺旋采摘辊的扭矩,平均扭矩为510N·m,梳指长取0.12m。

机架受效集中应力为510N·m/0.12m=4250N。对机架进行简化,忽略焊接对机架结构的影响,将圆角、倒角简化为直角,添加载荷和约束后,求解其总变形云图、等效应变云图和等效应力云图,如图7～图9所示。

图7 机架总变形云图Fig.7 Total rack deformation nephogram。

图8 机架应变云图Fig.8 Frame strain nephogram。

图9 机架应力云图Fig.9 Frame stress nephogram。

查阅金属材料手册可知:该方管的屈服强度为235MPa,抗拉强度为370～500MPa,强度安全系数取1.2～3,故该方钢的许用应力范围为78.33～195.83MPa。由机架静态分析云图可知:该机架最大变形为0.280 45mm,最大应力值为24.899MPa,最大应变值为1.1628×10-4mm,即最大应力值远小于许用应力值,变形量可忽略不计,满足设计需要。

2.4 试验台控制系统设计

1)试验台电气系统控制原理。试验台电气控制系统采用西门子S7-200 SMART PLC为核心控制器,配置昆仑通泰触摸屏。通过现场传感器实现模拟量和数字量之间的A/D转换,数据转换成0～10V电压信号,由西门子S7-200 SMART PLC进行读取,并根据控制要求对台达A2伺服电机转速进行控制,如图10所示。

图10 电气系统控制示意图Fig.10 Diagram of electrical system。

2)PLC控制系统硬件原理图及硬件配置。根据PLC选型及斜置双螺旋梳指式辣椒收获系统实际需求进行PLC I/O地址分配,设计PLC控制原理图;根据斜置双螺旋梳指式辣椒收获系统电气原理图,进行PLC程序编写及系统硬件配置。

3)HMI界面程序设计。利用MCGS嵌入版组态软件,在斜置双螺旋梳指式辣椒收获系统设计了灵活的图像、图符、报表、曲线等多种形式,为试验及时提供相关信息。同时,设置多样化的报警功能,方便用户进行报警设置,如图11所示。

图11 人机界面图Fig.11 HMI diagram。

3 试验检测

斜置双螺旋梳指式辣椒收获试验台于2019年2月22日完成加工制造工作,并于2019年3月4日-3月5完成调试及试验检验工作,如图12所示。

图12 试验台机械结构图Fig.12 Mechanical structure figure of test stand。

试验检测的目的在于测量试验台相应设计参数是否满足设计要求,并做相应记录,检测结果如表2所示。

表2 斜置双螺旋梳指式辣椒收获试验台检测情况Table 2 Test results of inclined double spiral comb finger type pepper harvesting test bed。

试验检测结果表明:试验台能够进行正常稳定的工作,且可对斜置双螺旋梳指式辣椒收获机理进行试验分析,控制系统稳定可靠,其螺旋梳指长度、棍间距等设计参数均在设计要求误差范围内,设计结果满足要求。

4 结论

1)设计并加工了一台斜置双螺旋梳指式辣椒收获试验台,测试结果表明:螺旋辊倾斜角度调节值、螺旋梳指长度调节值等参数及实际使用效果满足试验台设计要求。

2)试验台结构简单,操作便捷,控制系统稳定可靠,试验采集的数据及试验结果可为斜置双螺旋梳指式辣椒收获机的设计提供理论及试验基础。