油菜收獲機(jī)割臺(tái)螺旋輸送器間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研究

李海同 萬星宇 徐 陽 蔣亞軍 廖慶喜

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

油菜收獲機(jī)割臺(tái)螺旋輸送器間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研究

李海同1,2萬星宇1,2徐 陽1,2蔣亞軍1,2廖慶喜1,2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

針對(duì)油菜聯(lián)合收獲過程中由于喂入量波動(dòng)導(dǎo)致割臺(tái)螺旋輸送器堵塞的問題，設(shè)計(jì)了一種割臺(tái)螺旋輸送器間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)喂入量變化時(shí)實(shí)時(shí)改變滑塊位移以自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送器與底板之間的間隙。輸送器動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析確定了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)預(yù)緊彈簧最大預(yù)緊力和調(diào)節(jié)位移分別為366 N和50 mm。運(yùn)用扭矩傳感器和高速攝像技術(shù)分別開展輸送器扭矩和調(diào)節(jié)位移的性能試驗(yàn)，當(dāng)彈簧預(yù)緊力和剛度分別為293 N和12.65 N/mm時(shí)，輸送器扭矩為8.267 N·m，減少了40.7%，調(diào)節(jié)位移為10.2 mm，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)性能較優(yōu)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)輸送器性能影響試驗(yàn)結(jié)果表明：增設(shè)間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可明顯降低扭矩并增加最大喂入量，螺旋輸送器轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)扭矩減小了23%；轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，最大喂入量增加至3.5 kg/s，提高了16.7%。喂入量在不大于3.0 kg/s范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)組最大扭矩小于對(duì)照組，說明調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可較好適應(yīng)喂入量的波動(dòng)。田間試驗(yàn)表明間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可提高輸送器對(duì)喂入量的適應(yīng)性，避免割臺(tái)堵塞，后續(xù)的脫粒裝置、清選裝置等工作部件未發(fā)生堵塞，油菜聯(lián)合收獲機(jī)可正常工作。

油菜聯(lián)合收獲機(jī)； 割臺(tái)螺旋輸送器； 間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)； 自適應(yīng)

引言

割臺(tái)是聯(lián)合收獲機(jī)的主要工作部件之一，作物被切割系統(tǒng)切斷后由撥禾輪推送至割臺(tái)螺旋輸送器[1](簡(jiǎn)稱輸送器)，再由輸送器將物料輸送至中間輸送裝置。喂入量過大時(shí)引起輸送器堵塞，為提高輸送器對(duì)喂入量的適應(yīng)性，相關(guān)學(xué)者設(shè)計(jì)了割茬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提高割茬的穩(wěn)定性和喂入量的均勻性[2]，設(shè)計(jì)二次切割機(jī)構(gòu)以減小整機(jī)喂入量[3]，研發(fā)了水稻和小麥半喂入收獲機(jī)[4-5]和梳脫式收獲機(jī)[6-9]，在撿拾機(jī)[10]、打捆機(jī)[11]、牧草收獲機(jī)上也設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)或仿形機(jī)構(gòu)以提高其對(duì)作物的適應(yīng)性[12-16]。脫粒和輸送裝置轉(zhuǎn)動(dòng)部件與罩殼之間的間隙對(duì)其工作性能影響較大[17-23]。聯(lián)合收獲過程中由于油菜種植密度與植株個(gè)體差異較大、作業(yè)速度不穩(wěn)定等原因，喂入量往往處于不均勻的波動(dòng)狀態(tài)，喂入量較大時(shí)油菜對(duì)輸送器的阻力增加導(dǎo)致輸送器堵塞停止運(yùn)行。因此油菜聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)存在喂入量不均勻?qū)е螺斔推鞫氯膯栴}，影響作業(yè)效率。

本課題組針對(duì)油菜聯(lián)合收獲機(jī)鏈耙式輸送器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸送路程長(zhǎng)、存在堵塞的問題，設(shè)計(jì)了4LYZ-1.8型油菜聯(lián)合收獲機(jī)，主要由分體組合式割臺(tái)、集成式縱軸流脫粒分離裝置、旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等工作部件組成。

油菜聯(lián)合收獲機(jī)田間收獲作業(yè)時(shí)集成式縱軸流脫粒分離裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)油菜的輸送、抓取、脫粒分離功能，莖稈流動(dòng)順暢未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[24]，但喂入量波動(dòng)大于3.0 kg/s的設(shè)計(jì)喂入量時(shí)，割臺(tái)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速降低甚至出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。為解決這一實(shí)際問題，本文設(shè)計(jì)一種油菜聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)螺旋輸送器間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(簡(jiǎn)稱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu))，根據(jù)油菜聯(lián)合收獲過程中喂入量的變化，輸送器一端可在滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)一定的位移，從而實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送器與底板之間的間隙，以適應(yīng)不同喂入量的要求和喂入量的波動(dòng)，避免因喂入量過大造成輸送器堵塞，提高割臺(tái)對(duì)喂入量的適應(yīng)性。

1 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成與工作原理

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝于輸送器非傳動(dòng)端，主要包括滑塊、導(dǎo)軌、支撐板、預(yù)緊彈簧、預(yù)緊螺母、預(yù)緊螺桿、緩沖彈簧、緩沖導(dǎo)軌、限位板等部件，如圖1所示。固定板、支撐板和限位板固定于滑槽內(nèi)，滑槽固定于機(jī)架上，支撐板固定于滑槽內(nèi)，滑塊位于支撐板上，緩沖導(dǎo)軌固定于滑塊上端，緩沖彈簧套置于緩沖導(dǎo)軌外下端與滑塊接觸，兩平行導(dǎo)軌下端固定于支撐板上依次穿過滑塊和限位板，預(yù)緊彈簧穿過支撐板與滑塊底部接觸提供一定的預(yù)緊力。預(yù)緊力大小可通過改變預(yù)緊螺母的上下位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，向上調(diào)節(jié)預(yù)緊螺母，預(yù)緊彈簧壓縮量增加，預(yù)緊力增加；向下調(diào)節(jié)預(yù)緊螺母，預(yù)緊彈簧壓縮量減小，預(yù)緊力減小。

圖1 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of clearance adjusting mechanism1.撥禾輪 2.側(cè)板 3.輸送器 4.滑槽 5.導(dǎo)軌 6.滑塊 7.支撐板 8.預(yù)緊螺桿 9.定位螺母 10.固定板 11.預(yù)緊螺母 12.預(yù)緊彈簧 13.輸送器軸 14.伸縮撥指調(diào)節(jié)板 15.定位螺釘 16.緩沖彈簧 17.限位板 18.緩沖導(dǎo)軌

非工作狀態(tài)時(shí)，輸送器在軸承支撐力、支撐板支撐力、重力和預(yù)緊彈簧預(yù)緊力的作用下處于平衡狀態(tài)。工作時(shí)，輸送器在輸送物料的過程中對(duì)物料產(chǎn)生擠壓力則物料對(duì)輸送器有反作用力，當(dāng)喂入量增加到一定程度時(shí)支撐板的支撐力為零，滑塊在預(yù)緊力和物料反力作用下向上運(yùn)動(dòng)，增加輸送器與底板之間的間隙，提高輸送器輸送能力，油菜及時(shí)輸出防止堵塞。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可依據(jù)作業(yè)時(shí)喂入量的大小通過調(diào)節(jié)輸送器上下位置實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送器與底板之間的輸送間隙以優(yōu)化輸送器的工作性能，提高輸送器對(duì)喂入量的適應(yīng)性。

2 輸送器動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

輸送器可視為一端固定一端移動(dòng)的簡(jiǎn)支梁，其平衡包括靜平衡和動(dòng)平衡兩方面，靜平衡保證輸送器所受的合力為零，動(dòng)平衡保證輸送器運(yùn)行所需的扭矩同時(shí)減輕輸送器的振動(dòng)。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析保證輸送器運(yùn)行時(shí)與其他工作部件不發(fā)生干涉。

2.1 輸送器靜力學(xué)分析

工作狀態(tài)下輸送器處于水平位置，豎直方向的受力情況如圖2所示。

圖2 輸送器受力分析簡(jiǎn)圖Fig.2 Force diagram of conveyor

輸送器在豎直方向受力平衡方程組為

(1)

其中

(2)

式中N1——左端軸承支撐力，N

G——輸送器重力，N

F——物料對(duì)輸送器作用力，N

N2——支撐板對(duì)輸送器支撐力，N

P1——彈簧預(yù)緊力，N

P2——緩沖彈簧壓縮力，N

l1——滑塊與左端軸承水平距離，為1 875 mm

l2——輸送器質(zhì)心與左端軸承水平距離，為958 mm

l3——物料質(zhì)心與左端軸承水平距離，mm

m——輸送器質(zhì)量，為73 kg

k1——預(yù)緊彈簧剛度，N/mm

k2——緩沖彈簧剛度，N/mm

Δx1——預(yù)緊彈簧壓縮量，mm

Δx2——緩沖彈簧壓縮量，mm

輸送器靜止時(shí)，物料對(duì)其作用力F和緩沖彈簧壓縮力P2為零，當(dāng)支撐板支撐力N2為零時(shí)，由式(1)、(2)可得彈簧預(yù)緊力P1的最大值P1max=366 N。油菜堆積特性試驗(yàn)[25]表明:油菜對(duì)輸送器的壓強(qiáng)隨喂入量的增加而增加，喂入量越大則物料對(duì)輸送器的作用力F越大。

影響輸送器平衡的主要作用力為物料對(duì)輸送器的作用力F和預(yù)緊彈簧的預(yù)緊力P1，其中物料對(duì)輸送器的作用力主要由喂入量和輸送間隙決定，預(yù)緊力P1由預(yù)緊彈簧的剛度系數(shù)和初始?jí)嚎s量確定。

2.2 輸送器動(dòng)力學(xué)分析

輸送器處于工作狀態(tài)時(shí)的受力分析如圖3a所示。物料在輸送器擠壓力作用下沿軸線方向軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在摩擦力作用下繞輸送器切向運(yùn)動(dòng)。輸送器與物料的摩擦因數(shù)很小因此物料的切向運(yùn)動(dòng)速度很小，可設(shè)油菜在輸送器與底板之間的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的切向速度vt=λωr。由動(dòng)力學(xué)普遍方程[26]可知

M(O)=0

(3)

式中M(O)——作用于輸送器上的總力矩，N·m

圖3 輸送器工作狀態(tài)受力分析與等效裝置圖Fig.3 Force analysis and equivalent device diagrams of conveyor

將式(3)應(yīng)用于圖3可得

(4)

其中

ω=nπ/30

式中T1——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)對(duì)輸送器帶輪緊邊拉力，N

T2——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)對(duì)輸送器帶輪松邊拉力，N

r1——輸送器傳動(dòng)帶輪半徑，m

T3——撥禾輪、切割器等其他裝置對(duì)輸送器傳動(dòng)帶緊邊拉力，N

T4——撥禾輪、切割器等其他裝置對(duì)輸送器傳動(dòng)帶松邊拉力，N

r2——其他裝置過渡帶輪半徑，m

r——輸送器的內(nèi)半徑，m

f——輸送器與底板間油菜對(duì)輸送器的摩擦力，N

q——輸送器與底板之間油菜的質(zhì)量，kg

λ——油菜切向運(yùn)動(dòng)速度系數(shù)

Mr——輸送器運(yùn)動(dòng)副摩擦阻力矩與空氣阻力矩之和，N·m

JO——輸送器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

ω——輸送器角速度，rad/s

n——輸送器轉(zhuǎn)速，r/min

力矩分為動(dòng)力矩和阻力矩兩類，驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)帶緊邊拉力力矩和其他裝置對(duì)輸送器傳動(dòng)帶緊邊拉力力矩為動(dòng)力矩，其余為阻力矩。除物料摩擦阻力矩外，其他力矩均為傳動(dòng)部件扭矩，因此將圖3a輸送器受力狀態(tài)等效為圖3b中的等效裝置，動(dòng)力學(xué)平衡方程為

(5)

式中T5——等效裝置帶輪緊邊拉力，N

T6——等效裝置帶輪松邊拉力，N

rC——等效裝置傳動(dòng)帶輪半徑，m

Mf——輸送器與底板間油菜對(duì)輸送器的摩擦阻力矩，N·m

MC——等效裝置運(yùn)動(dòng)副摩擦阻力矩與空氣阻力矩之和，N·m

JC——輸送器等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

ωC——輸送器等效角速度，rad/s

式(5)中，MC可基本視為常量，Mf、MC及空載扭矩影響輸送器扭矩的大小，其中摩擦阻力矩Mf與喂入量有關(guān)，空載扭矩與輸送器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速有關(guān)。

2.3 調(diào)節(jié)位移分析

當(dāng)調(diào)節(jié)位移為零時(shí)輸送器的位置如圖4中PQEF所示，輸送器處于水平狀態(tài)，與兩側(cè)板C1、C2的距離Δ0=10 mm。當(dāng)調(diào)節(jié)位移為h、輸送器右端在滑槽內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)至P′Q′E′F′位置時(shí)，輸送器與水平方向的夾角為θ，為保證輸送器工作時(shí)不與兩側(cè)板發(fā)生干涉，需保證Δ大于零。

圖4 輸送器運(yùn)動(dòng)分析Fig.4 Movement analysis of conveyor

圖4中由幾何關(guān)系可知

(6)

式中θ——輸送器與水平方向的夾角，(°)

h——調(diào)節(jié)位移，mm

E、E′兩點(diǎn)在水平方向上的距離為

Δ′=Rtanθ

(7)

式中R——輸送器外半徑，為250 mm

為保證輸送器運(yùn)行時(shí)不發(fā)生干涉，須滿足Δ0-Δ′gt;0，則由式(6)、(7)可得滑塊向上運(yùn)動(dòng)的最大距離hmax=75 mm。設(shè)計(jì)中為保證輸送器順利運(yùn)行，緩沖彈簧上端與限位板的距離設(shè)計(jì)為50 mm，即最大調(diào)節(jié)位移為50 mm。

3 試驗(yàn)

由輸送器動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知，影響調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)性能的主要因素是預(yù)緊彈簧的預(yù)緊力和剛度系數(shù)；影響輸送器扭矩的主要因素是轉(zhuǎn)速和喂入量。為探究調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)輸送器性能的影響，開展調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)，以彈簧預(yù)緊力和剛度系數(shù)為試驗(yàn)因素確定得出調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的較優(yōu)參數(shù)；在此基礎(chǔ)上以輸送器轉(zhuǎn)速和喂入量為試驗(yàn)因素進(jìn)行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)輸送器性能影響的試驗(yàn)，設(shè)置試驗(yàn)組和對(duì)照組，試驗(yàn)組增設(shè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對(duì)照組(CK)則未安裝。

3.1 試驗(yàn)材料與方法

臺(tái)架試驗(yàn)在自行研制的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示，主要有割臺(tái)、間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、高速攝影系統(tǒng)(德國(guó)PCO公司生產(chǎn)，pco.dimax HD)、扭矩傳感器及其記錄存儲(chǔ)系統(tǒng)(北京天宇恒創(chuàng)傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)，CYT-302型)等部件。扭矩傳感器安裝于輸送器與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)之間，高速攝影系統(tǒng)放置于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一側(cè)拍攝滑塊在滑槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。試驗(yàn)材料為適收期的機(jī)播油菜，人工自田間收割并運(yùn)送至試驗(yàn)場(chǎng)地。

圖5 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Test bench of adjusting mechanism1.扭矩傳感器 2.試驗(yàn)油菜 3.輸送帶 4.撥禾輪 5.割臺(tái) 6.計(jì)算機(jī) 7.高速攝像機(jī) 8.自適應(yīng)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

試驗(yàn)時(shí)將一定質(zhì)量的試驗(yàn)油菜鋪放于輸送帶上，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輸送器勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，輸送帶以恒定速度將試驗(yàn)油菜喂入割臺(tái)以提供所需的喂入量，使用扭矩傳感器記錄試驗(yàn)過程中輸送器的扭矩和轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用高速攝影機(jī)拍攝滑塊在滑槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

彈簧的最大預(yù)緊力已確定為366 N，試驗(yàn)水平為0、73、146、220、293、366 N。設(shè)計(jì)中預(yù)緊螺桿直徑為12 mm，選取內(nèi)徑為12 mm、剛度分別為2.03、3.3、5.76、12.65、26.33 N/mm共5種彈簧。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)時(shí)，首先固定預(yù)緊彈簧的剛度，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺母的位置得到扭矩和調(diào)節(jié)位移隨預(yù)緊力變化而變化的規(guī)律。然后固定彈簧預(yù)緊力，通過更換不同彈簧得到扭矩和調(diào)節(jié)位移隨剛度變化而變化的規(guī)律。

試驗(yàn)中沒有物料喂入情況下，輸送器轉(zhuǎn)速不大于300 r/min時(shí)，預(yù)緊力P1保持不變；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到350 r/min時(shí)，預(yù)緊力P1隨輸送器轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性波動(dòng)規(guī)律。沒有物料喂入情況下，為保證預(yù)緊力P1保持不變，輸送器轉(zhuǎn)速不應(yīng)大于300 r/min。因此，試驗(yàn)中輸送器轉(zhuǎn)速選取150、200、250、300 r/min共4個(gè)試驗(yàn)水平。自行設(shè)計(jì)的4LYZ-1.8型油菜聯(lián)合收獲機(jī)割幅為1 800 mm，設(shè)計(jì)喂入量3.0 kg/s，試驗(yàn)中喂入量選取1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 kg/s共5個(gè)水平。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)輸送器性能影響試驗(yàn)時(shí)，首先固定喂入量，通過調(diào)速器改變輸送器轉(zhuǎn)速得到扭矩和調(diào)節(jié)位移隨輸送器轉(zhuǎn)速變化而變化的規(guī)律。然后固定輸送器轉(zhuǎn)速，改變喂入量得到扭矩和調(diào)節(jié)位移隨喂入量變化而變化的規(guī)律。

3.3 輸送器性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

每組試驗(yàn)結(jié)束后將存儲(chǔ)的扭矩?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)出，獲取輸送器扭矩T隨時(shí)間變化的曲線，如圖6所示，將高速攝像機(jī)拍攝的照片進(jìn)行處理獲取調(diào)節(jié)位移h，圖7所示為調(diào)節(jié)位移h的變化過程，表明輸送器與底板之間油菜增加時(shí)，調(diào)節(jié)位移由0逐步增加至14 mm以增加輸送能力，防止堵塞，油菜減少時(shí)調(diào)節(jié)位移減小以優(yōu)化輸送器的輸送性能。

3.3.1預(yù)緊力與輸送器性能關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中預(yù)緊彈簧的剛度為12.65 N/mm，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺母的位置得到最大扭矩和調(diào)節(jié)位移隨預(yù)緊力變化而變化的曲線，如圖8所示。最大扭矩隨預(yù)緊力的增加而減小，由預(yù)緊力為0時(shí)的13.94 N·m降低為預(yù)緊力為366 N時(shí)的7.268 N·m，降低了47.86%。預(yù)緊力在146～220 N范圍內(nèi)扭矩減小較為明顯，在220～336 N范圍內(nèi)扭矩有所降低但較為平緩。扭矩的斜率即扭矩減小量與預(yù)緊力增加量的比值，反映扭矩隨預(yù)緊力變化的速率。預(yù)緊力在0～220 N范圍內(nèi)時(shí)，斜率隨預(yù)緊力的增加而減小，預(yù)緊力繼續(xù)增加時(shí)斜率先增加后減小，在293 N時(shí)最大。

圖6 扭矩變化曲線Fig.6 Torque variation curve

圖7 調(diào)節(jié)位移變化過程Fig.7 Adjusted displacement processes

圖8 不同預(yù)緊力時(shí)的最大扭矩與斜率Fig.8 Maximum torque and slope at different pretensions

如圖9所示，預(yù)緊力為0時(shí)調(diào)節(jié)位移為22 mm，同時(shí)輸送器扭矩達(dá)到最大，預(yù)緊力在73～220 N范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)位移隨預(yù)緊力的增加先減小后增大，預(yù)緊力大于293 N時(shí)調(diào)節(jié)位移有所減小。此外，預(yù)緊力為最大值336 N時(shí)輸送器在空載狀態(tài)下已有2.5 mm的位移，割臺(tái)振動(dòng)較大。

圖9 不同預(yù)緊力時(shí)的調(diào)節(jié)位移與斜率Fig.9 Displacement and slope at different pretensions

調(diào)節(jié)位移的斜率即調(diào)節(jié)位移與預(yù)緊力增加量的比值反映位移隨預(yù)緊力變化的速率。預(yù)緊力為293 N時(shí)扭矩較小、斜率最大且調(diào)節(jié)位移較小，為降低扭矩同時(shí)減輕振動(dòng)，預(yù)緊力取為293 N。

3.3.2剛度與輸送器性能關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果與分析

在預(yù)緊力與輸送器性能關(guān)系試驗(yàn)中，彈簧預(yù)緊力為293 N/mm，通過更換不同剛度的彈簧得到扭矩和調(diào)節(jié)位移隨剛度變化而變化的曲線，如圖10所示。剛度小于12.65 N/m時(shí)最大扭矩隨剛度的增加而減小，剛度大于12.65 N/mm時(shí)最大扭矩有所增加，調(diào)節(jié)位移先增加后減小再增加，剛度為12.65 N/mm時(shí)出現(xiàn)極小值點(diǎn)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在減小扭矩的同時(shí)盡量減小調(diào)節(jié)位移以減輕振動(dòng)，因此設(shè)計(jì)中預(yù)緊彈簧的剛度為12.65 N/m，此時(shí)最大扭矩為8.267 N·m，減少了40.7%。

圖10 不同剛度時(shí)的最大扭矩與調(diào)節(jié)位移Fig.10 Torque and displacement at different stiffness coefficients

3.4 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)輸送器性能的影響試驗(yàn)

3.4.1調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響

依據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)預(yù)緊彈簧預(yù)緊力和剛度分別為220 N和12.65 N/mm。轉(zhuǎn)速在150 ～ 300 r/min范圍內(nèi)，試驗(yàn)組與對(duì)照組的最大扭矩均隨輸送器轉(zhuǎn)速增加而減小(圖11)，每個(gè)試驗(yàn)水平下試驗(yàn)組扭矩均小于對(duì)照組，轉(zhuǎn)速越低差值越明顯，輸送器轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)扭矩減小了23%。調(diào)節(jié)位移隨轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)速小于200 r/min時(shí)調(diào)節(jié)位移隨轉(zhuǎn)速增加而減小，大于200 r/min時(shí)調(diào)節(jié)位移隨轉(zhuǎn)速增加而增加。

圖11 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩對(duì)比以及試驗(yàn)組調(diào)節(jié)位移Fig.11 Torque contrast at different speeds and displacement

綜合分析轉(zhuǎn)速與扭矩、調(diào)節(jié)位移之間的變化規(guī)律可知，輸送器轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)工作性能較優(yōu)。

3.4.2調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)喂入量的影響

輸送器轉(zhuǎn)速為200 r/min，喂入量對(duì)扭矩和調(diào)節(jié)位移影響結(jié)果(圖12)表明，喂入量在1.5 ～3.5 kg/s范圍內(nèi)變化時(shí)，試驗(yàn)組與對(duì)照組的最大扭矩均隨喂入量增加而增加，每個(gè)試驗(yàn)水平下試驗(yàn)組的扭矩均小于對(duì)照組，喂入量越大扭矩減小越明顯。喂入量為3.0 kg/s 時(shí)對(duì)照組最大扭矩達(dá)到14 N·m，且輸送器由于扭矩過大基本停止運(yùn)行，試驗(yàn)組最大扭矩為10.648 N·m，相比減小了23.94%。試驗(yàn)組喂入量增加至3.5 kg/s，輸送器扭矩增加至14.389 N·m。調(diào)節(jié)位移隨喂入量增加而增加，與扭矩變化規(guī)律一致。綜合來看，喂入量較大時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可顯著減小輸送器扭矩增加輸送器的工作性能，喂入量提高了16.7%，增加了割臺(tái)對(duì)喂入量的適應(yīng)性。

圖12 不同喂入量時(shí)的扭矩對(duì)比以及試驗(yàn)組調(diào)節(jié)位移Fig.12 Torque contrast at different feed quantities and displacement

油菜聯(lián)合收獲過程中由于種植密度和植株個(gè)體差異較大、作業(yè)速度不穩(wěn)定等因素，喂入量并不均勻，為研究調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)喂入量波動(dòng)的適應(yīng)性，設(shè)置喂入量以1.0-2.0-3.0-2.0-1.0 kg/s規(guī)律變化，結(jié)果顯示試驗(yàn)組扭矩小于對(duì)照組扭矩(圖13)，表明調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可較好適應(yīng)喂入量的波動(dòng)。

圖13 喂入量波動(dòng)時(shí)的扭矩變化曲線Fig.13 Torque variation curves during fluctuation of feed volume

3.5 田間試驗(yàn)

圖14 田間試驗(yàn)Fig.14 Field experiments

根據(jù)上述理論分析和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)彈簧預(yù)緊力和剛度分別為293 N和12.65 N/mm，將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝于4LYZ-1.8型油菜聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)螺旋輸送器上，選取油菜密度較為均勻的地塊開展田間試驗(yàn)。試驗(yàn)油菜品種為華油雜62，種植方式為機(jī)直播，平均植株高度1 564 mm，作業(yè)速度為2.8 km/h，喂入量為3.2 kg/s。結(jié)果顯示對(duì)照組輸送器已出現(xiàn)堵塞，而試驗(yàn)組輸送器、集成式縱軸流脫粒分離裝置、清選裝置等工作部件均可正常運(yùn)行，未出現(xiàn)堵塞，如圖14所示。表明喂入量在設(shè)計(jì)值附近波動(dòng)時(shí)，間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可依據(jù)收獲作業(yè)時(shí)喂入量的變化及時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送器與底板之間的間隙，提高輸送器對(duì)喂入量的適應(yīng)性，減輕割臺(tái)堵塞，后續(xù)的集成式縱軸流脫粒分離裝置、清選裝置等工作部件均正常工作，可提高油菜聯(lián)合收獲機(jī)的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種油菜聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)螺旋輸送器間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)喂入量變化實(shí)時(shí)改變滑塊的位移以自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送器與底板之間的間隙。應(yīng)用動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析確定了最大預(yù)緊力和調(diào)節(jié)位移分別為366 N和50 mm，并建立了輸送器扭矩與轉(zhuǎn)速、喂入量等因素的動(dòng)力學(xué)模型。

(2)運(yùn)用扭矩傳感器和高速攝像技術(shù)開展的輸送器扭矩和調(diào)節(jié)位移性能試驗(yàn)，確定了預(yù)緊力和剛度分別為293 N和12.65 N/mm時(shí)，輸送器最大扭矩為8.267 N·m，減少了40.7%，調(diào)節(jié)位移為10.2 mm，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)性能較優(yōu)。

(3)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)輸送器性能影響試驗(yàn)表明，增設(shè)間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可明顯降低扭矩和增加最大喂入量，轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)扭矩減小了23%；轉(zhuǎn)速為200 r/min最大喂入量增加了0.5 kg/s，對(duì)比提高16.7%。喂入量波動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)組最大扭矩小于對(duì)照組，表明調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可較好適應(yīng)喂入量的波動(dòng)。

(4)田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，喂入量為3.2 kg/s時(shí)對(duì)照組輸送器已出現(xiàn)堵塞而試驗(yàn)組可正常作業(yè)。表明喂入量在設(shè)計(jì)值附近波動(dòng)時(shí)，割臺(tái)螺旋輸送器間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可依據(jù)油菜聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過程中喂入量的波動(dòng)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送器與底板之間的間隙，以優(yōu)化輸送器的工作性能，提高割臺(tái)對(duì)喂入量波動(dòng)的適應(yīng)性、減輕堵塞，后續(xù)的集成式縱軸流脫粒分離裝置、清選裝置等工作部件均工作正常，提高了油菜聯(lián)合收獲機(jī)的適應(yīng)性。

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LI Haitong，WAN Xingyu，WANG Hua，et al. Design and experiment on integrated longitudinal axial flow threshing and separating device of rape combine harvester[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2017，48(5)：108-116. (in Chinese)

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ClearanceAdaptiveAdjustingMechanismforHeaderScrewConveyorofRapeCombineHarvester

LI Haitong1,2WAN Xingyu1,2XU Yang1,2JIANG Yajun1,2LIAO Qingxi1,2

(1.CollegeofEngineering，HuazhongAgriculturalUniversity，Wuhan430070，China2.KeyLaboratoryofAgriculturalEquipmentinMid-lowerYangtzeRiver,MinistryofAgriculture，Wuhan430070，China)

Aiming at solving the blocking of screw conveyor on header of rape combine harvester, an automatic clearance adjusting mechanism was designed. The maximum pretension and displacement were determined to be 366 N and 50 mm, respectively, through statics and kinematics analyses of the screw conveyor. Torque sensor and high-speed camera technique were used respectively to record torque on the shaft of conveyor and displacement，parameters tests of the mechanism were conducted and the results indicated when pretension was 293 N and stiffness was 12.65 N/mm，maximum torque of conveyor was 8.267 N·m，which was decreased by 40.7%，maximum displacement of the slider was 10.2 mm， and parameters of adjusting mechanism were optimal. The influence of the adjusting mechanism on performance of conveyor tests showed that adding the adaptive adjusting mechanism could obviously reduce torque and increase maximum feed quantity，when speed was in range of 150～300 r/min, the feed quantity was 1.5～3.5 kg/s. Torque was decreased by 23% when speed was 150 r/min，feed quantity was increased by 0.5 kg/s in experimental group，which was increased by 17.8%. When feed quantity was fluctuated from 1.0 kg/s to 3.0 kg/s and 1.0 kg/s and from 3 kg/s to 1.0 kg/s and 3.0 kg/s， maximum torque was decreased compared with steady feeding quantity of 3 kg/s. Field experiment showed that the clearance adaptive adjusting mechanism could adjust the clearance between screw conveyor and bottom plate in time according to the change of feed quantity during harvesting operation，therefore，it could improve the adaptability of header to fluctuation of feed quantity and relieve blocking.

rape combine harvester； screw conveyor； clearance adjusting mechanism； self-adaptation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.014

S225.99

A

1000-1298(2017)11-0115-08

2017-08-30

2017-09-20

國(guó)家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)(CARS-12)、農(nóng)業(yè)部科研杰出人才及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)重大項(xiàng)目(2016ABA094)

李海同(1987—)，男，博士生，主要從事油菜收獲技術(shù)與裝備研究，E-mail： li1988@webmail.hzau.edu.cn

廖慶喜(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油菜機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究，E-mail： liaoqx@mail.hzau.edu.cn