4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)復(fù)收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊然兵　范玉濱　尚書旗　劉立輝　崔功佩

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 青島 266109)

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4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)復(fù)收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊然兵范玉濱尚書旗劉立輝崔功佩

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 青島 266109)

針對(duì)4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)果土分離及輸送中花生果實(shí)的漏果、掉果問(wèn)題，設(shè)計(jì)了花生聯(lián)合收獲機(jī)復(fù)收裝置。在花生聯(lián)合收獲時(shí)，對(duì)土壤中遺漏的果實(shí)和夾持輸送過(guò)程中掉落的果實(shí)進(jìn)行復(fù)收、清選、集果等作業(yè)。并對(duì)復(fù)收裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，確定了該裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)：復(fù)收裝置安裝角度為20°，復(fù)收鏈輸送速度1.2 m/s，復(fù)收鏈桿條間隙10 mm。在機(jī)組前進(jìn)速度為0.6 m/s時(shí)，實(shí)現(xiàn)收獲花生平均凈果率為90.16%，平均漏果率為0.12%，提高了花生的收獲質(zhì)量，減少了花生二次復(fù)收的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)成本。

花生聯(lián)合收獲機(jī)； 復(fù)收裝置； 設(shè)計(jì)； 試驗(yàn)

引言

我國(guó)花生機(jī)械化聯(lián)合收獲水平近年得到了大幅提高，典型的花生聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)型有：4HB-2A型、4HBL-2型、4HL-2型等，這些機(jī)型可實(shí)現(xiàn)花生機(jī)械化挖掘、去土、摘果、清選、集果等聯(lián)合作業(yè)[1]，但都沒(méi)有解決收獲過(guò)程中花生漏果、掉果等問(wèn)題，平均損失率在5%～8%之間，其中漏果、掉果損失為2%～4%，人工復(fù)收成本較高，4HF-1100等小型花生復(fù)收機(jī)復(fù)收效果較好，但提高了收獲作業(yè)成本，綜合效益不顯著。國(guó)外采用分段式收獲，不適應(yīng)中國(guó)花生機(jī)械化收獲作業(yè)要求，且未對(duì)帶有復(fù)收功能的花生聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行研究。

我國(guó)現(xiàn)有花生聯(lián)合收獲機(jī)漏果、掉果主要原因有：花生成熟度過(guò)高，造成花生根莖與果實(shí)結(jié)點(diǎn)的連接力不能滿足挖拔式聯(lián)合收獲要求；花生在夾持輸送過(guò)程中的擺拍式去土環(huán)節(jié)造成部分花生被擊打掉落[2]。

為減少花生機(jī)械化聯(lián)合收獲損失、提高收凈率，本文對(duì)4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)加以改進(jìn)，增設(shè)花生復(fù)收裝置，對(duì)漏掉在土壤中的花生和掉落在地面上的花生進(jìn)行復(fù)收、清選、集果等作業(yè)，以提高我國(guó)花生機(jī)械化聯(lián)合收獲的技術(shù)水平，減少二次復(fù)收的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)成本。

1　結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1結(jié)構(gòu)組成

圖1　復(fù)收式聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1　Sketch map of twice-receiving device of peanut combine1.扶禾器　2.挖掘裝置　3.夾持輸送裝置　4.擺拍去土裝置　5.復(fù)收裝置　6.駕駛室　7.摘果裝置　8.集果箱　9.L型輸送鏈　10.振動(dòng)篩　11.底盤機(jī)架　12.行走系統(tǒng)

根據(jù)花生機(jī)械化聯(lián)合收獲作業(yè)時(shí)花生漏果、掉果形成機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)有4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)收裝置結(jié)構(gòu)加以設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收獲后埋在土壤和掉落到地面上的花生進(jìn)行復(fù)收、清選、集果等功能，該復(fù)收裝置主要由復(fù)收鏟、復(fù)收鏈、固定架和傳動(dòng)鏈等組成，復(fù)收式花生聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.2工作原理

在花生聯(lián)合收獲機(jī)組作業(yè)過(guò)程中，挖掘鏟將花生主根系鏟斷后由夾持輸送鏈夾持花生植株將花生拔出，隨著機(jī)組前進(jìn)，復(fù)收裝置的復(fù)收鏟進(jìn)入土壤，對(duì)埋在土壤里面的花生進(jìn)行復(fù)收，然后傳送到復(fù)收輸送鏈上，進(jìn)行輸送清土工作；夾持鏈上的花生植株到達(dá)擺拍式去土裝置時(shí)，擺拍去土裝置的拍土桿擊打花生的果實(shí)以抖動(dòng)掉根系和果實(shí)上面土壤，在此過(guò)程中，被擊打掉落的花生果實(shí)掉落到下方的復(fù)收鏈上，隨復(fù)收鏈向后輸送到振動(dòng)篩內(nèi)，經(jīng)過(guò)振動(dòng)清選和風(fēng)機(jī)清選后，通過(guò)L型輸送鏈輸送進(jìn)集果箱，完成整個(gè)復(fù)收工作。

2　花生機(jī)械化收獲掉果機(jī)理分析

2.1挖拔收獲環(huán)節(jié)花生漏果、掉果分析

在進(jìn)行花生機(jī)械化聯(lián)合收獲作業(yè)時(shí)，花生植株在挖掘鏟和夾持輸送鏈的綜合作用下，從土壤中被挖拔出來(lái)，在以前進(jìn)方向?yàn)閄軸、垂直地面方向?yàn)閅軸的坐標(biāo)系中其受力關(guān)系如圖2所示。

圖2　挖拔環(huán)節(jié)受力分析圖Fig.2　Force analysis of dig-pulling1.扶禾器　2.挖掘鏟　3.夾持輸送鏈

由圖2可看出，要想成功完成花生植株挖拔工作，其力學(xué)關(guān)系應(yīng)滿足

(1)

式中FL——夾持輸送鏈對(duì)花生植株的夾持拔力

Fn——土壤對(duì)花生莢果及其根系的黏結(jié)力

Ff——土壤對(duì)花生果實(shí)及其根系的摩擦力

G——夾持輸送鏈以下部分花生植株的重力

FW——花生莢果與根系分離時(shí)最大承受力

FZ——花生根系被拉斷時(shí)所承受最大拉力

在此過(guò)程中，花生成熟度過(guò)高、土壤板結(jié)或壓實(shí)等因素會(huì)造成部分花生莢果與根系結(jié)點(diǎn)之間的連接力或花生根系拉斷力小于挖拔力FL與土壤對(duì)果實(shí)的黏結(jié)力Fn等的合力[3-4]，即

FL+Fn+Ff+G>FW

(2)

或

FL+Fn+Ff+G>FZ

(3)

當(dāng)上述方程其中一個(gè)成立時(shí)，花生莢果便不能順利從土壤中挖掘出來(lái)，造成漏果、掉果現(xiàn)象。

2.2擺拍式去土環(huán)節(jié)花生掉果分析

如圖3所示，在拍土裝置試驗(yàn)臺(tái)上(主要由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、擺拍式去土裝置和固定機(jī)架等組成)，擺拍式去土裝置偏心輪轉(zhuǎn)速為300 r/min，當(dāng)花生植株隨夾持輸送鏈沿方向A以1.2 m/s運(yùn)動(dòng)到左右擺拍式去土裝置時(shí)，擺拍式去土裝置的拍土桿將沿垂直于方向A的BC方向往復(fù)式擊打花生植株的根系和莢果部位，帶動(dòng)根系及莢果沿垂直于花生植株運(yùn)動(dòng)方向A的BC方向往復(fù)式抖動(dòng)去土。

圖3　拍土環(huán)節(jié)受力分析圖Fig.3　Force analysis of soil linking1.擺拍式去土裝置　2.夾持輸送鏈　3.花生植株

在此過(guò)程中，部分花生莢果會(huì)被擊打或抖落到地面上，造成機(jī)械落果損失。在平行于輸送槽垂直于夾持鏈運(yùn)動(dòng)方向上花生莢果與根系運(yùn)動(dòng)的位移隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖4　位移-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4　Relationship of displacement and time

3　主要參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1復(fù)收裝置整體方案確定

埋在土壤中的花生經(jīng)花生復(fù)收鏟挖掘后，由復(fù)收鏈對(duì)花生和土壤進(jìn)行分離。復(fù)收裝置一方面對(duì)埋在土壤中的花生進(jìn)行收集，另一方面對(duì)拍土清選時(shí)擊打掉落的花生進(jìn)行收集輸送。其分離輸送鏈的后端連接到花生聯(lián)合收獲機(jī)的分離清選裝置上端，花生經(jīng)分離輸送鏈分離后，輸送到分離輸送鏈的末端，掉落到分離清選裝置中，進(jìn)行花生及短秧、莖葉等的分離，最后經(jīng)L型輸送裝置進(jìn)入到集果箱，完成整個(gè)花生的復(fù)收聯(lián)合收獲工作。復(fù)收裝置結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖5所示。

圖5　復(fù)收裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5　Structure of twice-receiving device1.扶禾器　2.挖掘裝置　3.夾持輸送裝置　4.擺拍式去土裝置 5.調(diào)節(jié)裝置　6.復(fù)收鏈　7.復(fù)收鏟

3.2安裝角度分析

花生復(fù)收裝置安裝在花生聯(lián)合收獲機(jī)夾持輸送鏈下方，并與地面呈一定的工作角度α，以速度v輸送花生到后方的清選分離裝置中。對(duì)復(fù)收鏈上的花生進(jìn)行受力分析，花生受力包括自身重力G、輸送鏈桿對(duì)花生的支持力Fn1、Fn2、摩擦力Ff等，受力分析如圖6所示(理想化的花生莢果取值為長(zhǎng)40 mm，直徑12 mm，則花生莢果截面中心與兩鏈桿截面中心構(gòu)成底角為44°的等腰三角形)。

圖6　力學(xué)分析圖Fig.6　Mechanics analysis diagram1.輸送鏈桿　2.花生莢果

花生隨復(fù)收鏈一起往后輸送，在水平方向上有

Fn2cos(44-α)=

Fn1sin(46-α)+Ffsin(46-α)

(4)

在垂直方向上有

G=Fn1cos(46-α)+Fn2sin(44-α)-

Ffcos(44-α)

(5)

其中

Ff=Fn1ξ

式中ζ——摩擦因數(shù)

3.3復(fù)收鏟設(shè)計(jì)

復(fù)收鏟具有鏟入土壤、將埋在土壤里面的花生挖掘輸送到復(fù)收鏈上的作用，由于在復(fù)收鏟工作前，挖掘鏟已經(jīng)將土壤進(jìn)行了破碎松散，復(fù)收鏟工作時(shí)土壤阻力大大減小，故采用平鏟結(jié)構(gòu)，為增加鏟后梳土，避免機(jī)前壅土[5-7]，在復(fù)收鏟的后面增設(shè)梳土柵條，以形成漏土縫隙。設(shè)計(jì)的復(fù)收鏟結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

圖7　復(fù)收鏟結(jié)構(gòu)Fig.7　Structure of twice-receiving shovel1.入土平鏟　2.梳土柵條　3.固定板

4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)為一壟兩行收獲機(jī)，根據(jù)一壟兩行花生種植壟寬和花生果實(shí)在地下的分布范圍，確定該復(fù)收鏟的工作幅寬為400 mm。

3.4復(fù)收分離輸送鏈設(shè)計(jì)

復(fù)收分離輸送鏈采用鏈桿結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)鏈輪帶動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)工作，其中復(fù)收鏈的輸送速度、復(fù)收鏈兩相鄰鏈桿之間的桿條間隙是影響花生莢果與土壤分離效果的關(guān)鍵[8-11]。復(fù)收鏈輸送速度過(guò)快，會(huì)將沒(méi)有來(lái)得及下漏的土壤一起進(jìn)行輸送，使果土分離不清；而工作轉(zhuǎn)速過(guò)慢又會(huì)使果土不能及時(shí)輸送，造成機(jī)前壅土問(wèn)題。

而桿條間隙過(guò)小，不利于土壤下漏；桿條間隙過(guò)大，容易造成花生莢果卡在兩桿條之間，阻礙與土壤的分離和下漏，并造成花生漏果。

因此為確定復(fù)收鏈的最佳傳動(dòng)速度和最佳桿條間隙，以達(dá)到最佳復(fù)收效果，進(jìn)行田間試驗(yàn)。

3.5試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)地為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)花生機(jī)械化收獲萊西示范基地，土壤硬度為115 kPa，土壤含水率13.7%，花生品種為萊農(nóng)26號(hào)，單壟雙行種植模式，花生秧高平均40.3 cm，單株結(jié)果數(shù)平均為21個(gè)，花生平均行距為240 mm，花生莢果平均長(zhǎng)40 mm，寬12 mm[12-13]。

試驗(yàn)時(shí)以復(fù)收裝置復(fù)收得到的凈果率y1(%)和漏果率y2(%)為指標(biāo)，試驗(yàn)因素選為復(fù)收鏈輸送速度x1、桿條間隙x2、機(jī)器前進(jìn)速度x3。試驗(yàn)因素及其編碼如表1所示，試驗(yàn)方案及性能指標(biāo)如表2所示。其中凈果率

(6)

式中m——試驗(yàn)樣本中純花生莢果的總質(zhì)量

M——試驗(yàn)樣本中花生莢果與土的總質(zhì)量

采用三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，每次試驗(yàn)重復(fù)3次求平均值作為試驗(yàn)結(jié)果[14]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，表中X1、X2、X3為因素編碼值。

表1　試驗(yàn)因素編碼Tab.1　Factors and level codes

表2　試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2　Experimental project and results

試驗(yàn)結(jié)果采用 DPS v 7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行回歸分析，以確定各試驗(yàn)指標(biāo)在不同試驗(yàn)因素水平組合下的變化規(guī)律[15]。通過(guò)分析知，凈果率試驗(yàn)指標(biāo)回歸方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好，得到的凈果率無(wú)量綱的因素編碼回歸方程為

y1=90.969 26+0.549 87X1+0.840 13X2-

0.051 25X2X3

(7)

y1=90.969 26+0.549 87X1+0.840 13X2-

(8)

采用消元法，利用Matlab軟件繪制空間影響模型圖，分析桿條間隙和復(fù)收鏈輸送速度對(duì)凈果率試驗(yàn)指標(biāo)的影響，如圖8所示。

圖8　因素對(duì)凈果率的影響效應(yīng)Fig.8　Influence of factors on fruit rate

通過(guò)圖8可知，凈果率隨著桿條間隙的增大，呈先增大后減小的趨勢(shì)；隨著輸送速度的增大，呈先增大后減小的趨勢(shì)，并且在桿條間隙和輸送速度水平都為零時(shí)，即復(fù)收鏈工作輸送速度為1.2 m/s、桿條間隙為10 mm，凈果率最高。

通過(guò)分析知，漏果率試驗(yàn)指標(biāo)回歸方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好，得到的漏果率無(wú)量綱的因素編碼回歸方程為

y2=0.124 75+0.036 18X1+0.002 26X2-

0.021 25X1X2-0.008 75X1X3+0.011 25X2X3

(9)

0.021 25X1X2

(10)

采用消元法，利用Matlab軟件繪制空間影響模型圖，分析桿條間隙和復(fù)收鏈輸送速度對(duì)漏果率試驗(yàn)指標(biāo)的影響，如圖9所示。

通過(guò)圖9可知，漏果率隨著桿條間隙的增大，呈先減小后增大的趨勢(shì)；隨著輸送速度的增大，呈先減小后增大的趨勢(shì)，并且在桿條間隙和輸送速度水平都為零時(shí)，即桿條間隙為10 mm，復(fù)收鏈工作輸送速度為1.2 m/s，漏果率最低，復(fù)收效果最好。

為進(jìn)一步確定桿條間隙單一因素對(duì)凈果率的影響，采用機(jī)組常規(guī)最佳收獲速度0.6 m/s，在其他工作參數(shù)為最優(yōu)的條件下針對(duì)桿條間隙做單一因素驗(yàn)證性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖9　因素對(duì)漏果率的影響效應(yīng)Fig.9　Influence of factors on losing rate

%

對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，形成直觀折線圖如圖10所示。

圖10　桿條間隙對(duì)凈果率的影響Fig.10　Impact of peanut bar clearance on net rate

由表3中數(shù)據(jù)和圖10可知，當(dāng)桿條間隙為10 mm時(shí)凈果率最高，與三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果一致，故最終確定桿條間隙為10 mm。

4　田間對(duì)比試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定該花生復(fù)收裝置的復(fù)收效果，針對(duì)漏果率、凈果率等試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)改進(jìn)后的復(fù)收式花生聯(lián)合收獲機(jī)和4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行對(duì)比性田間試驗(yàn)[16]。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果　Tab.4　Experimental results of comparative test　%

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出：復(fù)收式花生聯(lián)合收獲機(jī)凈果率為90.16%，和4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)的凈果率90.14%相比差別不大，但在降低漏果率方面效果明顯，因此該復(fù)收裝置具有良好的復(fù)收減漏效果。

復(fù)收比例z為

(11)

5　結(jié)束語(yǔ)

花生機(jī)械化聯(lián)合收獲過(guò)程中的漏果、掉果現(xiàn)象是當(dāng)前花生聯(lián)合收獲機(jī)普遍存在的技術(shù)難題，本文通過(guò)對(duì)4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了花生復(fù)收裝置。該花生聯(lián)合收獲機(jī)復(fù)收裝置可實(shí)現(xiàn)花生機(jī)械化聯(lián)合收獲過(guò)程中的復(fù)收、清選、集果等作業(yè)，與4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)相比，減少了收獲損失，漏果率由2.13%減少至0.12%。

針對(duì)山東花生主產(chǎn)區(qū)花生品種和種植模式設(shè)計(jì)的4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)復(fù)收裝置，復(fù)收鏈工作輸送速度1.2 m/s，桿條間隙10 mm，凈果率最高，漏果率最低，復(fù)收效果最佳。

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Design and Experiment of Twice-receiving Device on 4HBL-2 Peanut Combine

Yang RanbingFan YubinShang ShuqiLiu LihuiCui Gongpei

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao266109,China)

In order to solve the existing problems of the leakage and dropping of fruit in the process of peanut harvest using machine, this paper designed the twice-receiving device on 4HBL-2 peanut combine. The device is mainly composed of twice-receiving shovel, conveying device, fixed frame and transmission chain, etc. It can finish the process of twice-receiving, cleaning and gripping fruit when harvesting. Besides, this paper designed and did analysis on twice-receiving device and determined the optimal structural parameters and working parameters: the twice-receiving installation angle was 20°, the twice-receiving chain conveyor speed was 1.2 m/s, the bar was 10 mm. When the unit speed was 0.6 m/s, the peanuts average net fruit rate was 90.16%, the average leakage rate was 0.12%, improving the quality of peanut harvester, reducing the labor intensity of the peanut twice-receiving and operating costs. This equipment will give theory and technical support for the design of twice-receiving multi-function peanut combine. Others, the technical level of peanut combine in China has been greatly improved, and has developed many machines, such as: 4HB-2A, 4HBL-2 and 4HL-2, etc. Those machines can complete the work of mining, picking, soil-clearing, fruit-picking, cleaning, and collecting, etc. But the problems of leakage off of peanut fruit in the process of peanut harvesting, there is an average of 5%～8% of the losing. Besides, the cost of twice-receiving of artificial is high and there is no research of twice-receiving on peanut combine in China or at abroad. The main reasons of the existing peanut combine on leakage and off are: first, because of the high maturity of peanuts, the peanut roots and fruit node relay can’t meet the requirements of harvesting; second, some peanuts in the process of soil-clearing fell-off on the ground. So the research of this twice-receiving device of peanut combine has important significance.

peanut combine; twice-receiving device; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.017

2015-12-28

2016-03-25

山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015TS202-1)和山東省協(xié)同創(chuàng)新中心資金項(xiàng)目(6682215005)

楊然兵(1979—)，男，副教授，博士，主要從事新型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)研究，E-mail: yangranbing@163.com

尚書旗(1958—)，男，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究，E-mail: sqshang@qau.edu.cn

S223.2

A

1000-1298(2016)09-0115-06