大蒜联合收获机按压式切根装置设计与试验

侯加林 李 超 娄 伟 李天华 李玉华 周 凯

(1.山东农业大学机械与电子工程学院， 泰安 271018； 2.山东省农业装备智能化工程实验室， 泰安 271018；3.浙江大学生物系统工程与食品科学学院， 杭州 310058)

0 引言

大蒜(Alliumsativum)是一种重要的经济作物，拥有良好的食用价值与药用价值[1-2]。中国是世界上最大的大蒜生产国与出口国，年出口量约占世界总贸易量90%[3]。但目前大蒜收获作业仍以人工为主，劳动强度大、生产效率低且劳动成本高，严重制约了我国大蒜产业的发展[4]。

欧洲国家大蒜生产机械化起步较早[5-6]，CZ(Maquinaria Zocapi)、AR(JJ Broch)和RE (ERME)等大型系列大蒜收获机[7-8]可实现大蒜挖掘、夹持、切茎与收集。Yanmar公司生产的HZ系列[9]大蒜收获机作业效率低，切根后的大蒜仍需二次去根加工。中国研制的代表机型有：小型大蒜联合收获机[10]与振动对行有序夹持大蒜收获机[11]均可实现收获行距180～220 mm内大蒜植株的夹持与去茎收获。

根系净切率低与损伤率高是大蒜联合机械化收获过程中的难题[12]。于昭洋等[13]设计了一种浮动式切根装置，该装置可在鳞茎顶部对齐状态下完成根系浮动切割。CHEN等[14]提出了一种连杆咬合切削机构，找出大蒜最佳切根力，适用于大蒜的二次加工。

基于大蒜联合收获机结构特点与作业要求，本文设计一种按压式切根装置。采用斜拉式输送原理设计夹持输送机构，利用非平行式对齐方式满足纵向定位需求与移动链式对齐方式延长了定位区间；采用按压式原理设计蒜根切割机构，通过拨轮转动与按压变形使大蒜茎盘对齐，在圆盘刀对旋作用下，实现蒜根的切割。通过分析关键部件工作原理，确定了结构参数，构建大蒜夹持运动方程和拨轮组的动力、变形及切割力学模型。通过台架试验建立切根作业质量预测模型并进行双目标优化求解，得出最优参数组合，并进行试验验证，以期实现大蒜联合收获机按压式切根装置低伤蒜率与高净切率的作业要求。

1 结构与原理

按压式切根装置主要由夹持输送机构、切茎机构、切根机构和相应的调速电机与控制器等组成，大蒜联合收获中蒜根切割过程的试验平台如图1所示。

图1 按压式切根装置结构示意图Fig.1 Schematic of pressing root cutting test-bed1.夹持输送机构 2.切茎机构 3.控制箱 4.变频电机 5.减速箱 6.减速电机Ⅰ 7.切根机构 8.减速电机Ⅱ

作业时，大蒜植株呈自然下垂状态送入到夹持输送机构喂入口并朝斜向上方夹持输送，当运动到切根机构时，减速电机Ⅰ带动拨轮转动，实现蒜茎的咬合喂入，在旋转过程中拨齿逐渐滑移到蒜头顶端并施力下压，茎盘贴合切割限位支架，减速电机Ⅱ驱动圆盘刀转动，实现蒜根的切割，完成鳞茎与蒜根的分离，切割蒜根后的大蒜植株进入蒜茎切割机构，在夹持输送链条与鳞茎定位链条互相作用下，实现蒜头顶端对齐，电机驱动蒜茎切割机构的圆盘刀转动，进行蒜茎的切割，完成鳞茎与蒜茎的分离。

2 关键部件设计与参数确定

2.1 夹持输送机构

夹持输送过程主要分为：拔取阶段、定位阶段和保持阶段，分别实现大蒜从田间拔出并输送，鳞茎与定位单元距离缩短与运动姿态保持，如图2所示。

图2 蒜株运动速度分析Fig.2 Analysis of movement speed of garlic plant

对拔取阶段前进速度与链条输送速度几何关系进行分析，合理设计夹持机构结构参数。在拔取阶段应满足[15-16]

(1)

整理后可得

(2)

式中vc——链条线速度，m/s

vm——大蒜联合收获机前进速度，m/s

k——比例系数ψ——拉拔角，(°)

Φ——收获倾角，(°)

vg1——大蒜植株实际运动速度，m/s

由于夹持链条线速度vc较难测算，因此使用从动链轮转速作为试验因素，转速计算式为

(3)

式中nc——从动链轮转速，r/min

rs——从动链轮分度圆半径，m

通过拉拔力测试试验[16]可知，当收获倾角Φ为40°时，作业效果较好。通过文献[11]可知，大蒜收获机作业速度为0.34～0.74 m/s，k为2～3.1时，适合大蒜收获机夹持作业，相关数值代入式(2)、(3)，可得链轮转速范围为96～322 r/min。

2.2 蒜根切割机构

蒜根切割机构如图3所示，在矫正区域，通过拨轮转动与形变实现蒜茎拨送与鳞茎按压定位；在切割区域，通过茎盘位移限位与割刀对旋切割实现鳞茎与蒜根分离。

图3 蒜根切割机构结构示意图Fig.3 Structural diagram of cutting mechanism1.拨轮旋转轴 2.拨齿 3.拨轮弹垫 4.切割限位支架 5.圆盘切刀 6.驱动轴 7.安装轴座

2.2.1定位拨轮结构设计

图4 拨轮结构及传动示意图Fig.4 Diagrams of structure and transmission

拨轮拨送鳞茎至蒜根切割区域的过程中，应满足连续传动、单株拨送与拨齿变形条件，拨轮结构及传动示意图如图4所示。

受制于拨轮的设计参数，中心距a大于等于标准啮合值as，即

as=rb1+rb2≤a

(4)

式中rb1、rb2——驱动拨轮与从动拨轮半径

由图4可得到拨轮端面啮合角αt与中心距a的数学关系[17]为

(5)

为保证齿轮对啮合的连续性[18]，一般取重合度εa≥1.2，即

[z1(tanαa1-tanαt)+z2(tanαa2-tanαt)]/(2π)≥1.2

(6)

式中z1、z2——拨齿数目

整理式(5)、(6)可得

(7)

式中αa1、αa2——边缘压力角

依据渐开线齿轮设计原理与实际尺寸要求，拨轮副设计参数如下：拨齿数目z1=z2=7，模数m=12 mm，边缘压力角αa1=αa2=45°，数据代入式(4)、(7)，得齿轮中心距为840～925 mm。

为实现连续挤压拨送蒜茎的目的，探究拨轮运动与啮合冲击力的影响因素，建立定位拨轮组动力模型，如图5所示。

图5 定位拨轮组动力模型Fig.5 Dynamic model of shifting wheel pair

忽略前后位移，最终可得拨轮振动加速度、速度和位移的非线性啮合动力学方程以及由拨轮啮合刚度变化带来的啮合冲击力[19]为

(8)

式中s(t)——啮合冲击力，N

Δk(t)——拨轮啮合刚度变化量，N/m

Fm——外部激励，N

e(t)——传动误差，mm

c——阻尼系数，N·s/m

x——动态传动误差，m

k——时变接触刚度，N/m

me——等效模量，kg

为了实现不同鳞茎的定位，因此拨齿会产生相应的变形，借鉴悬臂梁小变形模型[20]的相关知识，建立拨齿变形模型，如图6所示。

图6 拨齿的变形模型Fig.6 Deformation model of gear shifting

建立笛卡尔坐标系xOy，原始拨齿轴线方向设为x轴方向，y轴斜向上垂直于原始拨齿轴线。引入拉格朗日坐标，即弧长s，用来定义端点在变形过程中的位置。对悬臂梁平衡方程[21]整理后，可以得到

(9)

式中F——拨齿变形载荷

E——拨齿杨氏模量

I——拨齿横截面惯性矩

φ——拨齿轴上任意一点倾斜角

φ0——拨齿轴自由端倾斜角

若拨齿轴线不可伸长[22]，且拨齿变形角较小时，sinφ≈φ≈φ0，可得到

(10)

式中ra——拨轮半径，m

对式(9)进行积分，并结合式(10)得到拨齿最大挠度应大于鳞茎高度差，即

(11)

式中 Δh——鳞茎高度差

鳞茎垂直矫正应满足

2rasinθ≥Δh+u

(12)

式中u——蒜头垂直分布偏差，mm

θ——拨轮按压倾斜角，(°)

若拨齿每圈只拨送1株大蒜，则能够实现大蒜植株单株连续喂入，即

(13)

式中S——种植株距，mm

Nb——拨轮转速，r/min

经计算，Nb≥46.77 r/min。若拨轮转速小于46.77 r/min，会造成大蒜植株拥堵；若拨轮转速过大，会造成蒜茎断裂与鳞茎损伤，因此需通过试验寻找拨轮转速Nb最佳值。

2.2.2圆盘割刀设计

为满足蒜根切断条件，将茎盘切割平面简化为圆形，在切割过程中，鳞茎受到拨轮拨送力与链条拉力的合力T，垂直于刃口和平行刃口方向摩擦力f1与f2，如图7所示。

图7 双圆盘旋转切割刀盘设计示意图Fig.7 Design diagram of double disc rotary cutter

建立蒜根切割力学模型为[23]

(14)

式中γ——圆盘刀切割角，(°)

μ——茎盘与割刀摩擦因数

fs——茎盘切割阻力，N

代入相关数据[11]，由式(14)可得

T>1 710.6sinγ-342.12cosγ

(15)

在蒜茎拉拔力范围内，圆盘刀切割角为0°～55°，满足切割角范围要求。

为探寻圆盘割刀运动状态对蒜根切割效果的影响，在右侧圆盘割刀旋转中心建立坐标系，机器前进方向为Y轴方向，X轴水平垂直于机器前进方向。取切割过程任意时刻的运动进行分析，经过时间t后，切割点从m1运动到m2,则切割刀运动方程[24]为

(16)

式中R——圆盘刀半径，m

γ0——切割点初始角，(°)

ω——圆盘刀角速度，rad/s

根据切割空白区最小原则来达到较优的切割质量与较低的切割功耗目标，圆盘刀切割进程应近似等于刀刃高度，为保证切割刀刃全程参与切割，应满足

(17)

其中

vy=2πRn

(18)

式中h——刀刃高度，m

n——圆盘刀转速，r/min

vy——圆盘刀切割线速度，m/s

切割试验表明，vy与vm比值为1.3～1.4时切割效果较好，功耗较低。考虑到作业速度和生产率的要求，大蒜联合收获机作业速度为0.34～0.74 m/s，则圆盘刀转速n≥87 r/min。

3 试验与结果分析

3.1 试验条件与方法

为确定大蒜联合收获机按压式切根装置最佳工作参数，于2021年5月10日在山东农业大学智能农业机械装备实验室进行了台架试验，试验品种为“金乡红蒜”，如图8所示。

图8 按压式切根装置台架试验Fig.8 Test on pressing root cutting test-bed1.夹持输送机构 2.定位拨轮 3.切根机构 4.控制箱 5.定位单元 6.切茎机构

在大蒜植株的拔取阶段，夹持装置带动鳞茎斜向上输送，拨齿按压鳞茎使得蒜根进入切割装置，在切根机构圆盘刀的对旋切割作用下，实现了蒜根与鳞茎的分离；在大蒜植株定位阶段，鳞茎与定位板的距离逐渐接近，直至鳞茎顶端与定位单元接触；在大蒜植株保持阶段，鳞茎顶端与定位单元始终处于接触状态，不发生竖直方向的位移，直到蒜茎与切茎机构的圆盘刀接触，实现蒜茎与鳞茎的分离，完成了大蒜的切割过程。

3.2 试验因素与指标选取

结合理论分析，选用影响蒜根切割质量的链轮、拨轮和圆盘刀转速作为试验因素；选用影响大蒜经济价值的伤蒜率和切净率作为试验评价指标。大蒜果肉或鳞茎内皮破损即为损伤，鳞茎以外蒜根剩余量超过5 mm为切不净。伤蒜率为切伤鳞茎总质量与鳞茎总质量之比，切净率为去除根系总质量与全部根系总质量之比。

3.3 试验方案

根据大蒜联合收获机按压式切根装置实际工作情况，采用Box-Behnken中心组合试验方法进行试验设计，试验因素编码如表1所示。为模拟实际收获情况，每组试验随机挑选5株大蒜植株，采用手持方式，大蒜植株呈自然下垂姿态，保持鳞茎顶端距离15～25 mm的高度，在链条夹持端按顺序依次喂入，株距间隔为120 mm。

表1 试验因素编码Tab.1 Coding of test factors r/min

3.4 试验结果与参数优化

依据大蒜联合收获机的田间作业要求，将伤蒜率y1与切净率y2作为响应值，对链轮转速x1、拨轮转速x2和圆盘刀转速x3进行试验，试验方案与结果如表2所示。

表2 试验方案与结果Tab.2 Test scheme and results

(19)

(20)

表3 响应面方差分析Tab.3 Variance analysis of response surface

图9 各因素交互作用的响应曲面Fig.9 Response surfaces of interaction of various factors

利用Box-Behnken Design进行试验数据分析，通过分析各项系数，确定各因素对伤蒜率y1和切净率y2的影响，各因素交互作用的响应曲面如图9所示。

由图9a～9c可得，输送速度越高，圆盘刀转速越快，伤蒜率越高。随着输送速度增加，鳞茎和拨轮及定位单元等工作部件碰撞接触力增加，导致伤蒜率升高。输送速度越低，拨轮转速越低，切净率越高。由图9d～9f可得，输送速度越高，蒜头通过蒜根切割区域越快，拨轮转速越快，鳞茎矫正时间越短，茎盘周边蒜根未得到有效切割，导致切净率降低。

为得到大蒜联合收获机按压式切根装置较优的作业参数，采用Design-Expert 数据分析软件Optimization模块进行优化求解。设定约束条件：miny1，maxy2；100 r/min≤x1≤300 r/min，50 r/min≤x2≤60 r/min，100 r/min≤x3≤200 r/min。优化得较优参数组合为：链轮、拨轮和圆盘刀转速为107.21、52.10、197.25 r/min；此时模型预测伤蒜率和切净率为0.64%和96.52%。

为确保优化试验准确性，采用上述较优参数开展验证试验，考虑到实际试验可操作性，将参数修正为链轮、拨轮和圆盘刀转速为107、52、197 r/min。试验可得伤蒜率和切净率为0.63%和97.07%，伤蒜率比理论模型降低了0.01个百分点，切净率比理论模型提高了0.55个百分点。对比鳞茎顶端定位“浮动切根装置”的最优参数组合，结果表明，所提出的装置伤蒜率降低2.15个百分点，切净率提高3.9个百分点。该装置有较强实用性，能够满足大蒜联合收获时高效切根作业要求。

4 结论

(1)设计了一种蒜根切割装置，通过拨轮转动与按压变形，实现茎盘对齐与蒜根切割，提高了净切率，降低了伤蒜率。

(2)构建大蒜植株夹持运动方程，明确了大蒜植株运动的关键影响因素；建立拨轮组的动力与变形模型，得到了非标准啮合导致的拨轮位移、速度、振动加速度关系及因刚度变化引起的啮合冲击及挠度变形；创建蒜根切割力学模型与割刀运动学方程，确立了蒜根切断与刀刃全程切割条件。

(3)通过响应面试验得到各因素对伤蒜率和切净率评价指标的影响由大到小为：链轮转速、圆盘刀转速、拨轮转速与链轮转速、拨轮转速、圆盘刀转速。

(4)建立切根作业质量预测模型并进行双目标优化求解，得出最优参数组合。当链轮、拨轮和圆盘刀转速为107、52、197 r/min时，此时装置性能最优，伤蒜率和切净率为0.63%和97.07%。对比鳞茎顶端定位“浮动切根装置”的最优参数组合，结果表明，所提出的装置伤蒜率降低2.15个百分点，切净率提高3.9个百分点。对优化因素进行试验验证，验证与优化结果基本一致，满足大蒜机械化收获高效切根作业要求。