农作物打顶机夹持打顶机构的设计及其应用分析

郭 健 ，张 唯

（新疆石河子职业技术学院，新疆 石河子 832000）

农作物种植生产过程中，科学运用打顶技术能有效优化株形、调整养分分配，在增加产量的同时，也能有效增强农产品生产品质[1]。打顶机运用简单、便捷，具有推广运用价值。

1 夹持打顶机构设计原理

1.1 夹持打顶机构结构

夹持打顶机构应包括夹持电机、抑芽剂喷头、夹持带、扶禾器、带轮、机构轨道架、割刀消毒喷头、割刀、割刀电机等零部件，并通过SolidWork软件来设计夹持打顶机构三维立体结构[2]。

1.2 夹持打顶工作原理

夹持打顶机构通过主动带轮、被动带轮、后浮动张紧轮、前浮动张紧轮来构建一个封闭式的传动系统，但是，因为左右两侧直流夹持电机存在相反的转向，导致夹持皮带内侧从前到后移动，让农作物顶部夹持住并且朝后拉。为了满足粗细水平不一的农作物顶部，前后浮动张紧轮摆动铰链均能够摆动，结合实际需求来完善两侧夹持皮带之间的距离，并通过弹簧来保持使两侧夹持皮带之间的夹持力适中；利用底部圆盘切割刀割断农作物顶部，并通过两侧夹持皮带夹持割断的农作物，再朝后运输。

2 夹持打顶机构的设计

夹持输送机构设计和参数的明确至关重要，具体可从以下几点着手。

1）科学设计扶禾器。对于同一行长株农作物，如烟草，在种植与生长的过程中，少数植株会与同行植株存在很大的偏差。打顶机以整行农作物的直线方向为方向开展打顶作业，为了防止遗漏某个植株，必须要设计扶禾器，以此来收拢农作物的杆，并将农作物的杆放置于夹持皮带的起始位置，并下压农作物的叶子，防止对农作物的叶子产生不必要的伤害。而扶禾器主要依赖于螺栓进行连接，被固定至夹持打顶装备的前端，前端朝上侧弯曲，呈现V 型结构，方便下压农作物的叶子。其次，扶禾器左右两弯板尖端位置的距离最远不超过450 mm，所以，可结合实际情况将偏离直线中心位置225 mm 以内的农作物杆子收到扶禾器内部。

2）确定夹持皮带种类和速度。利用夹持皮带对农作物的底部进行夹持，做好夹持切割、夹持输送等工作。为了有效提升工作效率与水平，要设计好皮带的宽度与韧性，甚至要综合考虑各项成本。从大量的实践来看，A型V带是最佳选择，每侧最好运用两根皮带号。可通过夹持电机来带动夹持皮带工作，为有效提升夹持效率与水平，应确保皮带传送速度与打顶机机组前进速度高度一致。

夹持机构倾角A的值会对夹持皮带的传送速度产生直接影响[3]，如果倾角A偏大，那么会很大程度增加竖直方向传送速度分量，减少水平方向传送速度分量，进而影响传送效率与水平，对植株产生较大的损害；如果倾角A偏小，那么就无法顺利完成夹持输送、夹持切割工作，更无法保障植株叶片的安全性、完整性。其次，在设计倾角A的大小时，还要充分考虑机构的结构布置因素。从大量的实践来看，如果倾角A=30°，那么，夹持皮带传送速度Vr应符合以下几点条件：VrcosA＞Vm，当Vr=1.74Vm，机组前进速度Vm=0.43m/s。如此一来，夹持皮带的传送速度不仅能够符合夹持的各种要求，还能避免夹持过程中出现堵塞问题。

3 建立虚拟样机模型，加强仿真分析

3.1 三维立体模型具体导入

通过立体建模软件SolidWorks 来构建立体模型，并做好装配。建好模型后保存成parasolid(*.x_t)格式，并导进ADAMS/View系统中，构建虚拟样机仿真模型，并结合实际情况予以研究。具体模型见图1。

3 .2 模型约束添加

1）对A点的运动副和驱动进行定义。具体看图1，顺着导轨方向构建平移副，在平移副上方增加驱动，运动速度最佳设置为0.5 m/s。

2）对B 点的运动副和驱动进行定义。基于切割刀和刀轴之间构建旋转副，在旋转副上方增加驱动，最佳转速可设置为999 r/min。

3）对C 点构建固定副，进而有效固定导轨。图1 中，X轴表示打顶机的前进方向；Y 轴表示与车轮轴向重合；Z 轴表示与路面方向垂直。

3.3 切割刀仿真运动轨迹

针对ADAMS/View增加有效约束以后来予以仿真分析，可获得切割刀上方其中一点运动轨迹。具体见图2 。

不难发现，在切割机运行过程中，切割刀上方的全部点的运动轨迹都是余摆线，且不同的转速与不同的前进速度相互配合，产生稀疏程度不一的余摆线。

3.4 切割刀具体切割速度

在运用ADAMS/View 时，在0.2 s 时间段内来针对切割刀内的某一点开展运动仿真研究工作，进而能够总结分析机器前进时的速度变化规律。当处于切割刀初始位置时，机器的前进速度是0 m/s，切割刀的切割速度也是0 m/s。随着运动的进行，切割刀的速度始终不超过14 m/s。

当处于Y 轴方向时，在0.2 s 的时间段内分析切割刀内某点速度变化规律。当切割刀的初始位置和机器前进速度都是0 m/s 时，割刀速度接近13 m/s。随着运动的进行，切割刀的速度最大可达到13 m/s。切割刀切割速度主要由切割刀旋转速度、机器前进速度共同影响。从实践分析来看，切割刀切割速度始终保持在12～14 m/s 之间，且机器运行时，切割刀切割速度随着时间的推移始终保持波纹式运行状态。

3.5 总结切割刀的切割位移规律

在运行ADAMS/View时，在0.2 s时间段内，深入分析在机器的前进方向上切割刀上某点的位移变化规律。当切割刀在初始位置且机器前进速度是0 m/s时，研究点的位移与最大位移处距离最近，达到0.126 m。可以发现，随着时间的不断变化，研究点的位移呈现余弦曲线变化规律。

在Y 轴方向上，当切割刀在初始位置且机器前进速度是0 m/s时，选取点的位移始终是0 m。

不难发现，机器在运行工作期间，切割刀上选取点的位移很大程度受切割刀旋转位移、机器前进位移的影响。随着切割刀旋转以及机器的不断前进，切割刀的位移始终受直线运动、旋转运动的作用与影响，在时间不断变化的情况下，位移变化量始终呈现波纹式增长趋势。

4 农作物茎秆打顶部位切割试验设计

新形势下，加强对烟草等农作物茎秆力学特性的研究，能很大程度把握好机器的运行状态与规律，大大降低了研发成本，并有效加快研发进程、减少研发周期。一直以来，国内外广大专家学者都对玉米、小麦等诸多农作物的茎秆力学特征进行了深入、全面、系统的研究，但针对烟草、棉花等农作物茎秆力学特征的研究还非常少。加强烟草茎秆切割实验，有利于为科学设计农业机械夯实数据基础，并减少经济成本[4]，具体可从以下几点着手。

1）试验的样本主要来源于云南大学农学实验中心，基于烟草生长花蕾期，由打顶位置来有效采集烟草茎秆的研究样本，样本长度在35 mm左右，含水率高达90%。

2）试验仪器和试验设计。主要涉及小刀、直尺、游标卡尺以及WDW-5E 微机控制电子式万能试验机等仪器设备。通过计算机系统自动记录和计算实验中涉及的“负荷-位移”关系。

3）具体试验方法。将V 型辅具安装到试验机器工作台上，在机器的夹头中间位置固定试验切割刀片，在辅具的V型槽内安放试验样品。始终保持20 mm/min 的加载速度进行试验，一旦试样切断，计算机就会自动输出“切割力-位移”曲线。从最终的试验结果来看，烟草这一农作物茎秆的试验样品，在切割力不断加大的同时，刀具位移持续增加，当切割力达到最大后开始逐渐减小，一直到切割力变为零以后，试验样品就被完全切断了；切割力的峰值主要出现在烟草茎秆半径位置，且随着半径的增加，切割力峰值就会越来越大。为了深入研究烟草茎秆直径和最大切割力之间的关联性，对其中的6 组试验数据予以回归拟合，最终发现，当烟草茎秆不断增加时，切割机最大切割力和切割出的直径大小存在线性加大关系。

5 结语

综上所述，农作物打顶机夹持打顶机构的打顶准确率、夹持精确率高达99%，能有效满足农业生产需求。农作物打顶机能够实现对农作物顶尖的聚拢、切割和输送，完善的消毒设备与方案能有效保证切割刀的干净程度，防止病菌在农作物不同植株之间出现肆意传播，抑芽剂的喷洒也能有效保证农作物的生产效率与水平，有利于保证农作物健康生长，促进农业经济快速发展。