胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置設計與試驗

曾功俊 陳建能 夏旭東 葉 軍

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院， 杭州 310018； 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術學院， 紹興 312000； 3.浙江省種植裝備技術重點實驗室， 杭州 310018)

0 引言

我國胡蘿卜種植面積和總產量都穩(wěn)居世界前三，但是大多地區(qū)仍然采用人工收獲，人工收獲勞動強度大、效率低[1-4]。目前大量農村勞動力流向城市，雇工難、費用高，胡蘿卜機械化收獲勢在必行[5-7]。

胡蘿卜收獲包括胡蘿卜拔起、輸送、纓果分離等過程。纓果分離過程實現(xiàn)了胡蘿卜纓與果實的分離，是收獲過程最重要的工序。胡蘿卜纓果分離效果直接影響到胡蘿卜收獲效果、損傷率、一致性，進而影響胡蘿卜貨架期長短?，F(xiàn)有纓果分離方式主要有雙圓盤割刀式分離和拉拽式分離兩種[8-9]。金鑫等[10]在統(tǒng)計分析主要胡蘿卜品種物理特性參數(shù)的基礎上，設計了一種由平板式齊平器、 水平夾持輸送機構、雙圓盤式切秧機構和上水平夾持輸送機構等組成的胡蘿卜根莖分離裝置，該結構復雜，安裝、拆卸較困難。丹麥ASA-LIFT公司研制出一種結構簡單、可靠性高的拉拽式胡蘿卜收獲機，但因技術不成熟，損傷胡蘿卜和纓果分離不徹底時有發(fā)生，分離效果和工作性能還有很大的提升空間,不能直接引進推廣。

為了優(yōu)化胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的設計參數(shù)以提高胡蘿卜纓果分離效果，本文建立胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的數(shù)學模型，分析胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的參數(shù)對纓果分離性能的影響；設計拉拽式胡蘿卜纓果分離試驗臺并進行正交試驗，獲得一組最佳參數(shù)。

1 胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置工作原理與結構

1.1 工作原理

圖3 拉拽桿與胡蘿卜作用速度分析Fig.3 Analysis of pull rod and carrot velocity

胡蘿卜收獲機收獲過程主要包括胡蘿卜拔取、輸送和纓果分離[11-14]。胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置主要由輸送裝置和拉拽裝置組成，如圖1所示。拉拽式胡蘿卜收獲機作業(yè)時，首先將胡蘿卜從泥土中拔取出來，再通過輸送帶將胡蘿卜纓夾持并沿著輸送帶方向往上輸送，兩組拉拽桿在液壓馬達帶動下拉拽胡蘿卜，在拉拽桿和輸送帶的共同作用下實現(xiàn)胡蘿卜纓果分離。

圖1 胡蘿卜收獲機及拉拽式纓果分離裝置簡圖Fig.1 Diagrams of carrots harvester and pull type tassel fruit separating device1.從動帶輪 2.輸送帶 3.拉拽裝置 4.張緊輪 5.輸送帶液壓馬達 6.拉拽桿液壓馬達

1.2 結構特點

拉拽裝置是拉拽式胡蘿卜收獲機的關鍵部件，如圖2所示，主要由拉拽桿和圓盤組成。拉拽裝置工作時，動力裝置帶動主動圓盤轉動，然后主動圓盤帶動拉拽桿的一端在圓盤平面做圓周平動，拉拽桿另一端推動從動圓盤轉動。拉拽裝置具有結構簡單、可靠性高和適應性好等特點；相對于纓果切割式分離方式，拉拽式的分離效果好并且胡蘿卜沒有切傷現(xiàn)象。

圖2 拉拽裝置結構圖Fig.2 Structure diagram of pulling device1.主動圓盤 2.拉拽桿 3.從動圓盤

2 胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置運動學分析

2.1 運動學模型的建立

2.1.1胡蘿卜被拉拽的速度計算模型

工作時，拉拽桿與胡蘿卜作用的速度分析如圖3所示。圖中，θ為圓盤的轉角，輸送帶線速度v1的方向與AD平行，HC∥OF。拉拽桿與胡蘿卜相互作用時的作用力遠大于胡蘿卜自身的重力，在對胡蘿卜進行運動分析的過程中忽略胡蘿卜自身的質量。

根據(jù)圖3中的幾何關系，由v1的方向與AD平行得：β1=α3,β2=β9；由HC∥OF得：β3=α2；又由△EFO得：α3=β3+β7，故β7=α3-α2；由v2的方向與EC垂直得：β3+β4=0.5π，得β4=0.5π-β3=0.5π-α2；由四邊形ABCE得：α3+α1=β8+α2，故β8=α3+α1-α2；由OM⊥AM，則在△BMH中有β11=0.5π-α1(β11為∠BHM)，β10=0.5π-α1；又在△OHC中，β6+β10+α2=π，得β6=0.5π+α1-α2；由β6+β5=0.5π得β5=α2-α1；由β6+β1+β2=π得β2=0.5π+α2-α1-α3。

根據(jù)前面的分析可得，輸送帶沿豎直方向的速度分量vZ1、拉拽桿作用在胡蘿卜上的速度沿豎直方向的分量vZ2、胡蘿卜在拉拽桿作用下相對于輸送帶沿豎直方向的速度vZ分別為

vZ1=v1cosβ2=v1cos(0.5π+α2-α1-α3)

(1)

vZ2=v2cosβ5=v2cos(α2-α1)

(2)

vZ=vZ1+vZ2=v2cos(α2-α1)+
v1cos(0.5π+α2-α1-α3)

(3)

圖4 兩相對拉拽桿的垂直間距分析Fig.4 Analysis of vertical interval between two relatively pull rods

式中v1——輸送帶的實際線速度

v2——胡蘿卜在桿作用下的實際速度

α1——圓盤和水平面的夾角

α2——圓盤和拉拽桿的夾角

α3——輸送帶和拉拽桿的夾角

當拉拽桿所在圓盤以轉速n轉動時，拉拽桿在圓盤平面上縱向的平移速度為

v=2πnRsin(2πnt)

(4)

式中R——拉拽桿的圓周運動半徑

t——圓盤轉動時間

在拉拽桿的作用下可得胡蘿卜的實際運動速度為

v2=vcosβ4=vcos(0.5π-α2)

(5)

綜合得出，胡蘿卜在拉拽桿作用下相對于輸送帶沿豎直方向的速度為

vZ=2πnRsinα2cos(α2-α1)sin(2πnt)+
v1sin(α3-α2+α1)

(6)

2.1.2拉拽桿位移分析

由圖3中圓盤的結構簡圖可得，兩相對拉拽桿的水平距離為

X=L+Rcos(1.5π-β-2πnt)-
Rcos(1.5π+2πnt)-2l

(7)

式中L——兩組拉拽桿所在圓盤的中心距

β——兩組拉拽桿的相對安裝相位角

l——拉拽桿的偏移距離

當拉拽桿所在圓盤以轉速n轉動時，拉拽桿在圓盤的作用下在圓盤平面內隨圓盤轉動，以R為半徑做圓周平動。如圖4所示，S為拉拽桿沿OF方向的位移，Y1為拉拽桿沿垂直于拉拽桿方向的位移，則

S=Rsin(2πnt)

(8)

Y1=Rsin(2πnt)sinα2

(9)

由于兩相對的拉拽桿安裝在兩個轉向相反的圓盤上，并且相差角度為β的相位角，則可以得到兩相對拉拽桿的垂直間距

Y=Rsin(1.5π-β-2πnt)sinα2-
Rsin(1.5π+2πnt)sinα2

(10)

2.2 運動學參數(shù)分析

2.2.1主要參數(shù)對拉拽桿速度的影響

分析式(6)可知，拉拽桿速度曲線整體呈正弦曲線變化。圓盤和拉拽桿的夾角α2的變化使拉拽桿速度曲線整體上下平移，同時也會改變速度曲線波峰的陡峭程度；輸送帶和拉拽桿的夾角α3的變化使拉拽桿速度曲線整體上下平移；拉拽桿的圓周運動半徑R的變化會改變拉拽桿速度曲線波峰的陡峭程度；輸送帶速度v1的變化使拉拽桿速度曲線整體上下平移。

2.2.2主要參數(shù)對兩組拉拽桿相對水平間距的影響

分析式(7)可知，兩組拉拽桿相對水平間距曲線呈余弦曲線變化。兩組拉拽桿的相對安裝相位角β的變化使兩相對拉拽桿水平間距曲線整體左右平移，同時波峰的大小也有變化；兩組拉拽桿所在圓盤的中心距L的變化只會使兩相對拉拽桿水平間距曲線整體上下平移；拉拽桿的圓周運動半徑R的變化只會改變兩相對拉拽桿水平間距曲線波峰的陡峭程度；輸送帶的速度v1的變化只會使兩相對拉拽桿水平間距曲線整體上下平移。

2.2.3主要參數(shù)對兩組拉拽桿相對垂直間距的影響

分析式(10)可知，兩組拉拽桿相對垂直間距曲線整體呈正弦曲線變化。兩組拉拽桿的相對安裝相位角β的變化使拉拽桿垂直間距曲線整體左右平移，同時波峰的大小也有變化；圓盤和拉拽桿的夾角α2的變化只會改變拉拽桿垂直間距曲線波峰的陡峭程度；拉拽桿的圓周運動半徑R的變化只會改變拉拽桿垂直間距曲線波峰的陡峭程度。

可見，拉拽桿所在圓盤的轉速n、拉拽桿與輸送帶夾角α3及輸送帶的速度v1會影響拉拽桿與胡蘿卜相互作用時的速度，對胡蘿卜纓果分離的效果有影響，故n、α3和v1是設計拉拽式胡蘿卜收獲機的關鍵參數(shù)。L、R和β等參數(shù)主要是影響拉拽桿的水平間距和垂直間距，對胡蘿卜纓果分離效果的影響甚小，故本文重點研究參數(shù)n、α3和v1對胡蘿卜纓果分離效果的影響。

3 胡蘿卜纓果拉拽式分離試驗

3.1 試驗臺

3.1.1試驗臺總體設計

圖7 拉拽裝置主要部件Fig.7 Main components of pulling device1.齒輪箱 2.支架 3.弧形槽孔 4.托盤 5.圓盤

胡蘿卜纓果拉拽式分離試驗臺主要由機架、輸送裝置和拉拽裝置3部分組成，輸送帶和拉拽桿的動力由不同的電動機提供。 兩圓盤的中心距L為200 mm，兩組拉拽桿的相對安裝相位角β為36°，拉拽桿的偏移距離l為55 mm，圓盤和拉拽桿的夾角α2為30°，由式(7)和式(10)計算得兩組拉拽桿最小水平間距為15.3 mm，最小垂直間距為17.6 mm。圖5為試驗臺簡圖，圖6為試驗臺實物。

圖5 胡蘿卜纓果拉拽式分離試驗臺簡圖Fig.5 Diagram of pull type carrots with fruit separation test bench1.從動帶輪 2.胡蘿卜 3.輸送帶 4.機架 5.從動圓盤 6.拉拽桿 7.主動帶輪 8.主動圓盤 9.拉拽減速裝置 10.拉拽桿調速電動機 11.輸送減速裝置 12.輸送帶調速電動機

圖6 胡蘿卜纓果拉拽式分離試驗臺Fig.6 Test bench of pull type carrots with fruit separation1.角鋼 2.輸送裝置 3.拉拽裝置 4.方鋼 5.機架

拉拽裝置主要由調速電動機及減速裝置部件(圖7a)、拉拽桿(圖7b)和托盤(圖7c)等部分組成。調速電動機提供動力經減速裝置傳遞到主動圓盤，主動圓盤驅動拉拽桿轉動，從而帶動從動圓盤轉動。從動圓盤托盤通過螺栓與機架豎直邊上的角鋼相連，托盤上有圓弧形槽孔便于托盤調節(jié)角度，角鋼上有腰型孔方便調整托盤在機架上的安裝位置。齒輪箱通過螺栓與機架斜邊上的方鋼相連，齒輪箱支架上有圓形槽孔便于齒輪箱調節(jié)安裝角度，方鋼上有腰型孔，方便調整齒輪箱在機架斜邊上的安裝位置[15-16]。通過改變拉拽裝置的托盤和齒輪箱與機架的位置關系來調節(jié)拉拽桿與輸送帶的夾角。在安裝拉拽桿時，借助傾角傳感器保證拉拽桿主動圓盤和從動圓盤的端面平行，誤差不超過0.5°。

3.1.3試驗臺輸送裝置

如圖8所示，輸送裝置主要由調速電動機、減速裝置、輸送帶和張緊輪等部分組成。輸送裝置由調速電動機驅動減速裝置，從而驅動輸送帶轉動，兩條輸送帶相互作用帶動夾持在輸送帶中間的胡蘿卜纓沿輸送帶向上運動。為了保證輸送帶夾持胡蘿卜纓的過程中胡蘿卜纓既不會滑落也不會被輸送帶夾斷，本試驗臺的輸送帶為表層涂有金剛砂的多層復合型EVA輸送帶。由于本試驗要測試多組不同的參數(shù)，為了保證輸送帶的夾持效果，張緊輪的位置可調，通過安裝在機架上的張緊輪支撐架并由螺母緊固的方式調整并緊固張緊輪的位置。

圖8 輸送裝置Fig.8 Conveying equipment1.減速裝置 2.輸送帶 3.張緊輪

3.2 正交試驗

胡蘿卜纓果分離效果的評定指標主要有成功率、一致性和損傷率。成功率是指試驗過程中胡蘿卜纓果分離成功的概率；一致性是指胡蘿卜纓果分離之后頂部均不留纓的胡蘿卜(圖9b)占試驗樣本的比例；損傷率是指胡蘿卜在纓果分離過程中由于拉拽桿敲擊、摩擦胡蘿卜頂部造成胡蘿卜損傷的概率。從前面的理論分析可知，n、α3和v1是設計胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的關鍵參數(shù)，因此以n、v1和α3為試驗因素進行正交試驗。

圖9 胡蘿卜纓果分離正交試驗Fig.9 Orthogonal test of carrots with separation

3.2.1試驗方案設計

每個試驗因素設計水平如表1所示。參考拉拽式胡蘿卜收獲實際工作情況可知,拉拽桿轉速為120～200 r/min時，拉拽桿的轉速對胡蘿卜纓果分離成功率的影響顯著，故拉拽桿轉速取為120～200 r/min；胡蘿卜收獲機正常工作時輸送帶的線速度約1 m/s，故輸送帶線速度取0.8～1.2 m/s；收獲機工作時拉拽桿與輸送帶的夾角為35°～50°，故拉拽桿與輸送帶夾角取30°～50°。試驗過程中，每組試驗選取50個處于收獲期的胡蘿卜樣品進行試驗，觀察胡蘿卜纓果分離效果，記錄試驗數(shù)據(jù)[17-19]。

表1 正交試驗因素水平Tab.1 Factors of orthogonal test

3.2.2試驗材料與過程

在筆者走訪養(yǎng)殖場的過程中，發(fā)現(xiàn)有許多人面對現(xiàn)在的高壓政策有點無所適從，尤其是一些中小規(guī)模的雞場，甚至覺得蛋雞是不是就不能養(yǎng)了。其實大可不必擔心，在當前的情況下，之所以用藥是因為雞群發(fā)病，而只要控制了雞群的發(fā)病情況，用藥自然就會減少，這需要多個方面的努力。

在浙江杭州下沙地區(qū)農田試驗地里培育浙江地區(qū)普遍種植的“新紅胡蘿卜”品種，選取成熟期的胡蘿卜作為試驗樣品，將若干已經制備好的試驗樣品分成9個組，每組50棵[20-21]。調整試驗臺的參數(shù)按照正交試驗流程分組進行試驗，試驗過程如圖9所示。

3.3 試驗結果及分析

試驗設計與結果如表2所示，A、B、C分別為拉拽桿轉速、輸送帶線速度、拉拽桿與輸送帶夾角水平值。

表2 胡蘿卜纓果拉拽式分離正交試驗設計與結果Tab.2 Design and results of pull type carrots with separation of orthogonal test

3.3.1試驗因素主次順序分析

為了評價各因素對胡蘿卜纓果分離效果的影響程度，本試驗采用極差R作為評價指標分別評價各因素對胡蘿卜纓果分離結果的一致性、成功率和損傷率影響。采用各因素對應水平試驗指標的平均值Ki來評價每個因素各水平對指標的影響。各因素的極差R和指標平均值Ki如表3所示。

表3 各因素的極差Tab.3 Range of factors

3.3.2試驗因素顯著性分析

將各因素對胡蘿卜纓果分離效果的影響值進行方差分析，通過計算結果判斷各因素對胡蘿卜纓果分離效果影響的顯著性。方差分析結果如表4所示，α=0.05。從表4可以看出，拉拽桿的轉速和拉拽桿與輸送帶夾角對拉拽式胡蘿卜收獲裝置纓果分離效果的影響顯著，輸送帶的線速度對胡蘿卜纓果分離的效果影響不顯著。

表4 各因素對胡蘿卜纓果分離效果的方差分析Tab.4 Variance analysis of carrots with fruit separation efficiency

3.3.3試驗最優(yōu)參數(shù)組合

通過矩陣分析法計算出影響試驗結果的各因素各水平的權重[22]。根據(jù)試驗對各指標的要求，在求出的權矩陣內找出每個因素中最大值或最小值所對應的水平數(shù)，將其作為對應因素的最佳水平，進而找出所有因素的最佳水平搭配組合。

在多因素多水平試驗中，因素i的第j個水平上的指標平均值為Kij，極差為Ri。定義指標層的矩陣分別為M、T、S，權矩陣為

K=MTS

其中

影響胡蘿卜纓果分離效果的權矩陣計算結果為

由前面的計算可以看出：因素A的3個水平中，A3所占的權重最大；因素B的3個水平中，B3所占權重最大；因素C的3個水平中，C2所占權重最大。權重越大表示對結果的影響程度越高，因此方案A3B3C2為最佳組合方案。即最佳參數(shù)組合為：拉拽桿轉速為200 r/min、輸送帶線速度為1.2 m/s、拉拽桿與輸送帶夾角為40°，這組參數(shù)下纓果分離的一致性為97%，成功率為94%，損傷率為7.7%。

4 結論

(1)建立了胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的運動學分析模型，定性分析了各參數(shù)對拉拽桿速度曲線、兩組拉拽桿相對水平間距曲線和垂直間距曲線的影響，圓盤和拉拽桿的夾角α2的變化能使拉拽桿速度曲線整體上下平移，并改變波峰陡峭程度；兩組拉拽桿所在圓盤的中心距L的變化能使兩相對拉拽桿水平間距曲線整體上下平移；兩組拉拽桿的相對安裝相位角β的變化能使拉拽桿垂直間距曲線整體左右平移，同時改變波峰大小。

(2)設計了胡蘿卜纓果拉拽式分離試驗臺，通過正交試驗，得到拉拽桿轉速對胡蘿卜纓果分離效果影響最大，拉拽桿與輸送帶夾角對胡蘿卜纓果分離效果的影響顯著。得到了胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置的最佳參數(shù)組合：拉拽桿轉速為200 r/min、輸送帶線速度為1.2 m/s、拉拽桿與輸送帶夾角為40°，此時纓果分離的一致性為97%，成功率為94%，損傷率為7.7%。