朝天椒收获装置的设计、分析与验证*

□ 刘 高 □ 林蜀云 □ 吴 荻 □ 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 550007

1 设计背景

目前,贵州朝天椒种植总面积已达3 500 km2,种植区域分散,单块种植区域面积小。由于贵州山地较多,土地不平整,部分土地坡度较大,因此给朝天椒的机械化收获带来很大困难[1-5]。国外朝天椒收获机发展比较成熟,已有200多种机型、30多项专利,其中,常用的结构形式有滚筒梳指式、展开双螺旋式、倾斜长杆梳指式、带状梳指式。朝天椒的机械化收获研究在国内仍处于起步阶段,虽然新疆、陕西等地多采用国外进口收获机,但是手工采摘仍然是主要收获方式[6-8]。由于受到实际种植环境的限制,贵州朝天椒收获方式多为手工采摘,采摘成本大,收获周期长,易延误最佳收获期,影响朝天椒品质[9-11]。

根据目前贵州朝天椒的收获现状,笔者设计了一种斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置,并进行分析和验证。

2 收获装置设计要求

斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置是朝天椒收获机的一个重要部件,决定了朝天椒收获机的收获效果优劣。

我国机械行业标准JB/T 12825—2016《辣椒收获机》[12]针对果形指数大于8的朝天椒收获提出了具体要求,收获地表应平坦无沟渠,朝天椒采摘损失率不高于3%,破损率不高于2%。

贵州气候温和多雨,通常种植朝天椒。朝天椒喜温忌涝,因此贵州的朝天椒农艺种植规范比较特殊,朝椒天多采用垄作栽培的方式。朝天椒包沟起厢为130 cm,厢面宽为80 cm,沟宽为50 cm,垄高为20 cm,厢面株距为35 cm,行距为50 cm。朝天椒种植模式如图1所示。

▲图1 朝天椒种植模式

贵州朝天椒种植地比较分散,坡度大,单块种植区域面积小。朝天椒含水率为53.48%,采摘过程中极易破坏。针对贵州朝天椒种植的特殊环境、特殊农艺,朝天椒收获装置需满足如下技术要求:

(1) 收获原理满足贵州朝天椒垄作栽培方式的要求;

(2) 转速需控制在100～300 r/min之间;

(3) 朝天椒采摘损失率、破损率均不高于5%。

3 收获装置工作原理

根据贵州朝天椒种植户的种植习惯及朝天椒研究所制定的农艺规范,朝天椒采用垄作、单行双株的栽培方式。由于受天气及环境影响,垄与垄之间存在深浅、宽窄不同的差异,同时朝天椒植株及朝天椒结果位置也高低不一,需要有针对性地设计一种满足现有农艺规范及地理环境条件要求的收获机。笔者提出斜置双螺旋梳指式朝天椒收获原理,并设计了斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置,如图2所示。

当朝天椒植株进入收获装置的两个螺旋梳指辊之间时,螺旋梳指辊上的螺旋梳指在梳指辊的带动下自下向上运动,螺旋梳指通过撞击朝天椒果实使出朝天椒果实与朝天椒秆脱离。朝天椒果实在惯性力的作用下被抛至两边的输送带上,可以通过集料箱将朝天椒果实收集起来。

▲图2 斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置

4 收获装置的设计

4.1 螺旋梳指辊

螺旋梳指辊的直径满足:

(1)

式中:d为螺旋梳指辊直径,mm;[τT]为材料的许用扭转切应力,MPa;p为螺旋梳指辊传递的功率,kW;n为螺旋梳指辊的转速,r/min。

斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置中,螺旋梳指辊传递的功率为1 kW,最大转速为300 r/min,由机械设计工艺手册查得[τT]取值为15 MPa,计算得螺旋梳指辊的直径最小为21.974 mm。在设计过程中,结合朝天椒种植农艺及设备空间布局,取螺旋梳指辊直径为100 mm,可以满足强度要求。

螺旋梳指辊长度的设计需要从朝天椒种植农艺出发,并结合贵州朝天椒的物理特性。对贵州朝天椒进行部分物理参数测量,测量结果见表1。

表1 朝天椒物理参数

根据朝天椒平均株高56.68 mm进行螺旋梳指辊长度的设计。根据经验,螺旋梳指辊与地面的夹角为30°,于是得到螺旋梳指辊长度为1 140 mm。螺旋梳指辊前端与后端的水平距离为987 mm,朝天椒株距为35 cm,工作过程中螺旋梳指辊平均接触三株朝天椒。

4.2 螺旋梳指

朝天椒种植地平均倾斜角度为15°,根据设备空间布置需要及朝天椒采摘需要,螺旋梳指辊轴线与地面的夹角为30°,左右两辊分别为左右旋向,因此在螺旋梳指布置角度中,左螺旋角θ为45°,右螺旋角β为-45°。螺旋梳指辊长度b为1 140 mm,两辊间距c为900 mm。螺旋梳指辊及螺旋梳指布置如图3所示。

采用上述螺旋梳指布置方式,能较大程度提高收获装置和朝天椒果实的接触面积,在工作过程中可以对不同植株高度、不同结果位置高度的朝天椒进行充分采摘,降低土地坡度对采摘的影响。双辊排列安装方式还满足朝天椒的垄作栽培方式,节省布置所占空间,有利于收获装置设计小型化。

▲图3 螺旋梳指辊与螺旋梳指布置

5 仿真分析

5.1 三维仿真模型

根据斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置在实际工作过程中的工作状态,提取单个朝天椒及单根螺旋梳指在竖直碰撞时的情形,建立朝天椒收获过程Adams三维仿真模型,如图4所示。

▲图4 朝天椒收获过程三维仿真模型

根据对朝天椒的实际测量,得出朝天椒果实中部平均直径为12 mm,即朝天椒接触点平均直径为12 mm。螺旋梳指直径为6 mm,螺旋梳指顶端与螺旋梳指辊中心位置距离为300 mm。仿真过程中,螺旋梳指辊带动螺旋梳指转动,使螺旋梳指与朝天椒发生碰撞。

5.2 仿真参数

在朝天椒机械采摘过程中,螺旋梳指对朝天椒果实施加一个碰撞力,这一碰撞力使朝天椒果实和朝天椒杆之间产生脱离力。脱离力的大小决定了朝天椒果实是否能从朝天椒秆上脱落下来,且碰撞力过大会导致朝天椒破损。根据实际经验,笔者在螺旋梳指辊转速为130 r/min、150 r/min、170 r/min、190 r/min、210 r/min五种情况下,对碰撞力和脱离力进行仿真分析。

在朝天椒和螺旋梳指的碰撞模型中,碰撞力用接触力代替,接触力发生在螺旋梳指与朝天椒果实碰撞时。应用Adams软件仿真时,根据赫兹接触理论对接触力进行计算。

(2)

(3)

(4)

式中:Fni为法向接触力,N;K为接触刚度,N/mm;δi为穿透深度,mm;e为力指数;C为阻尼系数,N·s/mm;Vi为接触点相对速度,m/s;Ri为接触体半径,mm;μi为泊松比;Ei为弹性模量,MPa。

在朝天椒采摘过程中,为了降低朝天椒的破损率,需要为螺旋梳指套上橡胶材料,力指数取2.5,穿透深度取3 mm。将朝天椒模型设置为柔性体,并添加朝天椒、螺旋梳指的质量属性和运动属性。

在仿真中,脱离力用套筒力代替,套筒力兼具弹簧和阻尼器的特点。在Adams软件中,套筒力的大小主要通过力作用过程中X、Y、Z三个方向的力和力矩来定义,其矩阵方程为:

(5)

式中:FX、FY、FZ依次为X、Y、Z方向的套筒力,N;TX、TY、TZ依次为X、Y、Z方向的套筒力力矩,N·m;kP1、kP2、kP3依次为X、Y、Z方向的变形刚度因数;kP4、kP5、kP6依次为X、Y、Z方向的扭转刚度因数;x、y、z依次为X、Y、Z方向的变形量,mm;a、b、c依次为X、Y、Z方向的扭转变形量,mm;cP1、cP2、cP3依次为X、Y、Z方向的变形阻尼因数;cP4、cP5、cP6依次为X、Y、Z方向的扭转阻尼因数;VX、VY、VZ依次为X、Y、Z方向的碰撞速度,m/s;ωX、ωY、ωZ依次为X、Y、Z方向的碰撞角速度,rad/s;F1、F2、F3依次为X、Y、Z方向的载荷,N;T1、T2、T3依次为X、Y、Z方向的载荷力矩,N·m。

阻尼因数与刚度因数为线性关系,取各刚度因数为1,各阻尼因数为0.008。

5.3 仿真结果

在Adams软件中导入仿真模型[13],通常贵州朝天椒的平均质量为0.002 8 kg,因此设置朝天椒模型质量为0.002 8 kg。选取可锻铸铁密度为7.4 g/cm3,计算得螺旋梳指模型质量为0.026 5 kg。

定义朝天椒秆和地面固定,朝天椒秆与朝天椒果实之间采用套筒力连接,同时设置螺旋梳指与朝天椒果实之间的接触力。

为便于分析,需要测量仿真过程中碰撞力和脱离力的幅值。设置仿真时长为0.2 s,仿真步数为300步,记录仿真结果。不同转速下朝天椒果实和螺旋梳指之间产生的碰撞力如图5所示,不同转速下朝天椒果实和朝天椒秆之间产生的脱离力如图6所示,不同转速下碰撞力和脱离力折线图如图7所示。

▲图5 不同转速下朝天椒果实和螺旋梳指碰撞力

▲图6 不同转速下朝天椒果实和朝天椒秆脱离力

由仿真结果可以看出,朝天椒所受碰撞力、脱离力均随螺旋梳指转速的加快而增大,碰撞力越大,朝天椒越容易破损。因此,在保证朝天椒能被采摘的前提下,应尽量选择较小的碰撞力。笔者在仿真前对朝天椒果实和朝天椒秆之间的脱离力进行了实际测量,测量得到的平均脱离力为11.5 N。图5和图6仿真结果表明,当螺旋梳指辊转速为170 r/min时,朝天椒果实和螺旋梳指之间的碰撞力为15.873 0 N,对应的脱离力为11.149 9 N,这一脱离力小于朝天椒果实和朝天椒秆之间的实际脱离力,不能使朝天椒果实从朝天椒秆上脱离下来。当螺旋梳指辊转速为190 r/min时,对应的碰撞力为17.080 8 N,脱离力为11.933 0 N,脱离力大于朝天椒果实与朝天椒秆之间的实际脱离力,能够将朝天椒果实从朝天椒秆上采摘下来。当螺旋梳指辊转速为210 r/min时,对应的碰撞力为19.188 4 N,脱离力为12.608 8 N,脱离力增大,同时碰撞力也增大,会提高朝天椒果实的破损率。因此,从仿真结果可以得出,螺旋梳指辊的转速选取190 r/min为宜。

▲图7 不同转速下碰撞力和脱离力折线图

6 试验验证

为了验证斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置的可行性及设计、仿真参数的合理性,设计了斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置试验台,这一试验台可以实现螺旋梳指辊转速调节、间距调节、倾斜角度调节功能。这一试验台主要由机架、双螺旋梳指辊、分禾器及分禾器调节架、减速电机、镇压轮等组成,整体结构如图8所示。试验台工作过程中,由调速电机提供动力,齿轮传动组件为螺旋梳指辊传递动力,并改变一根螺旋梳指辊的转向,使两根螺旋梳指辊反向同步转动。

▲图8 斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置试验台结构

采用斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置试验台进行试验验证,试验于2019年8月在遵义市绥阳县风华镇试验田中进行,试验时天气晴,环境参数见表2。

表2 试验环境参数

通过试验数据计算得到朝天椒的破损率、采摘损失率等参数,试验结果见表3。

表3 试验结果

试验结果表明,当斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置转速为130 r/min时,朝天椒采摘损失率最高,破损率最低。当转速为210 r/min时,朝天椒采摘损失率最低,而破损率最高。当转速为190 r/min时,朝天椒采摘损失率、破损率都相对较低,满足设计要求。从试验实际情况来看,当斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置转速为210 r/min时,试验台整机振动较大,装置运行不稳定,朝天椒破损率高,因此仿真结论为斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置转速为190 r/min时具有最佳的收获效果。

综合仿真和试验结果,这一斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置满足朝天椒收获的需求,同时在破损率、采摘损失率等指标上满足设计要求。

7 结束语

笔者针对贵州朝天椒收获中现有收获机无法满足收获需求的问题,提出了斜置双螺旋梳指式朝天椒收获原理,设计了斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置,适用于贵州朝天椒垄作栽培方式,减小土地坡度对采摘效果的影响。

应用Adams仿真软件对斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置进行仿真分析,验证了装置的有效性。利用斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置试验台进行试验验证,试验结果与仿真结果相符。应用斜置双螺旋梳指式朝天椒收获装置,当转速为190 r/min时,朝天椒破损率、采摘损失率均满足设计要求,朝天椒收获效果良好。