青菜頭收獲機(jī)切割裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

黎奎良，葉 進(jìn)，岳高峰，李明生，龔境一

(1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站，重慶 402160)

0 引言

青菜頭是我國(guó)特色農(nóng)產(chǎn)品，在重慶市“十三五”期間，青菜頭排名七大百億產(chǎn)業(yè)鏈之首位，涪陵榨菜已成為重慶的重要名片。

青菜頭深加工已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，然而青菜頭的收獲卻還停留在人工收獲階段。勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高已成為制約榨菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大障礙。目前，僅有浙江寧波特能機(jī)電公司吳渭堯[1-3]等人及西南大學(xué)葉進(jìn)、龔境一等人在開(kāi)展青菜頭收割機(jī)[4-5]的研發(fā)，還存在收獲不干凈、損傷菜頭及不適宜丘陵山區(qū)地形等問(wèn)題，而切割效果直接影響到整機(jī)工作效率，因此對(duì)青菜頭切割裝置的研究需求日趨迫切。

目前，適合丘陵山區(qū)的青菜頭切割裝置研制基本處于空白，設(shè)計(jì)一款適宜于丘陵山區(qū)與微耕機(jī)匹配使用的青菜頭切割裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)切割裝置進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)研究，并開(kāi)展了田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 切割裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)介紹

切割裝置主要由對(duì)行機(jī)構(gòu)、護(hù)刀板、電動(dòng)切割系統(tǒng)、倒鋪板、平行四桿連接機(jī)構(gòu)及底板組成，如圖1所示。

1.對(duì)行圓盤 2.單向滾針軸承 3.對(duì)行支桿 4.緊固螺栓 5.護(hù)刀板 6.倒鋪板 7.平行四桿連接機(jī)構(gòu) 8.預(yù)緊彈簧 9.直流減速電機(jī) 10.圓鋸片 11.底板

1)對(duì)行機(jī)構(gòu)由對(duì)行圓盤、單向滾針軸承、對(duì)行支桿和緊固螺栓組成，通過(guò)緊固螺栓調(diào)節(jié)兩圓盤的合適距離，將田間的青菜頭導(dǎo)入切割通道。

2)護(hù)刀板是帶有一定弧度的兩塊金屬板，分別安裝在兩側(cè)底板上面。其作用：一是保護(hù)圓盤鋸減少損傷；二是利用護(hù)刀板上面設(shè)計(jì)的弧度導(dǎo)入青菜頭，盡可能不損傷青菜頭，提高收獲質(zhì)量。

3)電動(dòng)切割系統(tǒng)是安裝有圓鋸片的直流減速電機(jī)，按一定的高度裝配在底板上，實(shí)現(xiàn)青菜的切根工作。

4)倒鋪板裝置安裝在圓鋸片切割部位后面，通過(guò)一定的傾斜角度將切根后的青菜頭倒向一側(cè)。

5)由平行四桿連桿機(jī)構(gòu)將前述切割裝置連接到微耕機(jī)前端，通常它受預(yù)緊彈簧的作用，不發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)偏離切割區(qū)域的青菜頭與對(duì)行圓盤作用時(shí)，平行四桿連接機(jī)構(gòu)受到作用力發(fā)生偏移，使切割裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)行功能。

1.2 工作原理

根據(jù)田間調(diào)查研究，制定了青菜頭切割裝置的工作原理[6]。切割裝置在田間進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由位于切割裝置后方的微耕機(jī)提供前進(jìn)動(dòng)力，切割裝置底板作為前部支撐，工作時(shí)貼土滑行；當(dāng)青菜頭莖瘤偏離切割裝置時(shí)，與對(duì)行圓盤接觸，產(chǎn)生作用力傳遞給平行四桿連接機(jī)構(gòu)使其發(fā)生偏移，進(jìn)而使切割裝置中間的切割通道對(duì)準(zhǔn)青菜頭切割部位；隨后，青菜頭根莖被圓鋸片切割，通過(guò)倒鋪板將切割過(guò)后的青菜頭倒鋪在一側(cè)。切割裝置具體工作原理如下：

1)對(duì)行圓盤受單向軸承作用，與青菜頭莖瘤接觸后兩圓盤向內(nèi)側(cè)切割通道旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)作用力傳遞給位于切割裝置后方的平行四桿連接機(jī)構(gòu)。

2)平行四桿連接機(jī)構(gòu)此前受預(yù)緊彈簧作用力的影響，不發(fā)生運(yùn)動(dòng)。當(dāng)偏離切割區(qū)域的青菜頭與對(duì)行圓盤作用時(shí)，平行四桿連接機(jī)構(gòu)受到作用力發(fā)生偏移，實(shí)現(xiàn)對(duì)行功能。

3)對(duì)行結(jié)束后青菜頭順利進(jìn)入切割通道，由微耕機(jī)推動(dòng)切割裝置前行，電動(dòng)切割系統(tǒng)對(duì)青菜頭進(jìn)行切割，切割后的青菜頭被倒鋪板引導(dǎo)排放至切割裝置的一側(cè)。

1.3 目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣機(jī)時(shí)，整機(jī)配置方案既要滿足切割要求，又要考慮丘陵山區(qū)的復(fù)雜地形特點(diǎn)。該試驗(yàn)樣機(jī)的主要技術(shù)要求如表1所示。

表1 切割裝置目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 切割裝置部件設(shè)計(jì)

2.1 圓盤式切割器的選型

圓盤式切割器是青菜頭切割裝置中最為核心的零件，合理選擇與切割材料相對(duì)應(yīng)的切割器可以提高切割質(zhì)量。青菜頭的收獲要求明確指出其莖瘤的破損率需低于15%，切口需平整。對(duì)比幾種圓盤式切割器發(fā)現(xiàn)，圓鋸片具有切割精度高、切縫整齊、切面光滑、切割噪音小、基體不變形，以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，符合青菜頭收獲的基本要求，故本文切割裝置中的切割器采用圓鋸片。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)，根據(jù)青菜頭根莖處直徑較大(厚料)、含水率高(濕材)、硬度低等特點(diǎn)，選用合適的合金圓鋸片，具體參數(shù)如表2所示。

表2 圓鋸片主要參數(shù)

2.2 護(hù)刀板的設(shè)計(jì)

該護(hù)刀板是保護(hù)刀具、引導(dǎo)青菜頭切割及保證青菜頭豎直被切割的重要零件，如圖2所示。

圖2 護(hù)刀板示意圖

將護(hù)刀板與青菜頭莖瘤接觸區(qū)域設(shè)計(jì)成弧形曲面，用螺栓將其固定在護(hù)刀板支座上。當(dāng)根莖進(jìn)入兩塊護(hù)刀板中央時(shí)，由于莖瘤形狀不規(guī)則，弧形曲面可以對(duì)莖瘤起到扶正的作用，同時(shí)增大了青菜頭與護(hù)刀板的接觸面積，降低青菜頭莖瘤對(duì)護(hù)刀板的壓力，減小護(hù)刀板變形。

護(hù)刀板主視圖如圖3所示。參照青菜頭根莖直徑的統(tǒng)計(jì)分析，將兩塊長(zhǎng)500cm護(hù)刀板間距設(shè)定為40mm，青菜頭根莖都可以從護(hù)刀板中央通過(guò)。護(hù)刀板主要工作區(qū)域由半徑5mm及70mm的兩段圓弧曲面構(gòu)成。

2.3 電機(jī)及電源的選型

電機(jī)選用理一訊公司的LX60A直流齒輪減速電機(jī)，額定功率25W，額定電壓12V，減速比7.9，經(jīng)過(guò)齒輪箱減速后的可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍為0～800r/min，額定力矩4kg·cm。該型電機(jī)與齒輪減速箱為一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、輸出力矩大等特點(diǎn)，在田間作業(yè)時(shí)能有效保證切割質(zhì)量。電源選用零帕公司100Ah大容量鋰電池，輸出電壓12V，質(zhì)量5kg。

圖3 護(hù)刀板主視圖

2.4 對(duì)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)行機(jī)構(gòu)主要由對(duì)行支桿、對(duì)行圓盤及單向滾針軸承構(gòu)成，如圖4所示。對(duì)行機(jī)構(gòu)可以沿底板上的對(duì)行支座軸向方向移動(dòng)、圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)，待調(diào)整好距離后用緊固螺栓將其固定在對(duì)行支座上。參考青菜頭莖瘤直徑的統(tǒng)計(jì)分析，將對(duì)行圓盤間距調(diào)節(jié)到180mm，對(duì)行圓盤采用直徑150mm、厚3mm的鋁板制成。

1.緊固螺栓 2.對(duì)行支桿 3.對(duì)行圓盤圖4 對(duì)行機(jī)構(gòu)示意圖

2.5 平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

平行四桿連接機(jī)構(gòu)主要是為了配合對(duì)行機(jī)構(gòu)，使切割裝置水平擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行功能，主要由連桿支座、連桿、銷軸、R銷、預(yù)緊彈簧構(gòu)成，如圖5所示。連桿支座與微耕機(jī)通過(guò)螺栓連接固定，使用銷軸及R銷將連桿連接在支座上，使其具有軸向旋轉(zhuǎn)的能力；預(yù)緊彈簧裝配在支座及連桿上，使對(duì)行機(jī)構(gòu)受力只有到達(dá)彈簧預(yù)緊力后連桿才發(fā)生旋轉(zhuǎn)。田間調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，左右偏離距離最大值為50mm。為了避免切割裝置偏移較大，偏移角取值20°，通過(guò)計(jì)算可得連桿長(zhǎng)度為146mm。

1.連桿支座 2.R銷 3.銷軸 4.連桿 5.預(yù)緊彈簧

平行四桿連接機(jī)構(gòu)受力情況如圖6所示。切割裝置工作時(shí)，可以得到平行四桿連接機(jī)構(gòu)工作的受力平衡條件，即

Fcx=Fccosθ

(1)

FcxH1+FbH2-FaH3=0

(2)

式中Fcx—預(yù)緊彈簧在豎直方向的分力(N)；

Fb—切割裝置底板與土壤的摩擦力(N)；

Fa—青菜頭對(duì)對(duì)行圓盤的作用力(N)；

H1—預(yù)緊彈簧在豎直方向的分力力臂(m)；

H2—切割裝置底板與土壤的摩擦力力臂(m)；

H3—青菜頭對(duì)對(duì)行圓盤的作用力力臂(m)；

θ—預(yù)緊彈簧與豎直方向夾角(°)。

由公式可以知，當(dāng)青菜頭作用力矩大于彈簧預(yù)緊力矩與土壤阻力矩之和時(shí)，平行四桿連接機(jī)構(gòu)發(fā)生偏移，實(shí)現(xiàn)對(duì)行功能。

圖6 平行四桿機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

3 試驗(yàn)

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

試驗(yàn)采用重慶市青菜頭主要種植品種“涪雜2號(hào)”作為材料，選取4顆成熟、無(wú)病害、根莖直徑約30mm的青菜頭，去掉葉片，保留少量葉柄，待試驗(yàn)切割時(shí)使用。切割試驗(yàn)[7-8]在自制的圓鋸片切割試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)主要由高速攝像機(jī)、LED補(bǔ)光燈、電動(dòng)行走機(jī)架、電機(jī)、圓鋸片、鉗工臺(tái)組成，如圖7所示。圓鋸片參數(shù)為直徑250mm、厚1.3mm、40齒，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)行走機(jī)架模擬微耕機(jī)行走速度。

1.電流電壓采集電路 2.高速攝像機(jī) 3.LED補(bǔ)光燈

將青菜頭根部夾持在鉗工臺(tái)上，青菜頭根莖處與圓鋸片同高，與圓鋸片圓心橫向距離60mm，縱向距離300mm。使用非接觸式激光轉(zhuǎn)速表對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)速標(biāo)定，使用米尺、秒表對(duì)電動(dòng)行走機(jī)架進(jìn)行前進(jìn)速度標(biāo)定。通過(guò)高速攝像觀測(cè)青菜頭在切割過(guò)程中的切割情況[9-10]，并根據(jù)圖8切割情況綜合評(píng)分。

青菜頭切割試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過(guò)對(duì)榨菜切割效果綜合評(píng)定得分的分析，得出以下結(jié)論：影響切割效果的因子主次為B>A，即圓鋸片的轉(zhuǎn)速>整個(gè)裝置的前進(jìn)速度；青菜頭切割的最佳參數(shù)組合方式為切割裝置進(jìn)給速度0.3m/s、圓盤鋸轉(zhuǎn)速700r/min。

圖8 青菜頭切割樣圖

因子1A進(jìn)給速度/m·s-12B鋸切速度/r·min-13yi110.31500175212700285320.41265422180極差分析K1j807077.5K2j72.582.575.0Rj7.512.52.5因子主次BA最優(yōu)組合A1B2

3.2 田間試驗(yàn)及結(jié)果

圖9為青菜頭切割裝置與3TGQ-4型微耕機(jī)匹配作業(yè)圖。根據(jù)前面青菜頭切割裝置的整機(jī)設(shè)計(jì)及圓鋸片參數(shù)的確定，按照設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了樣機(jī)的制作及。為了檢驗(yàn)青菜頭切割裝置能否在丘陵山區(qū)正常作業(yè)及切割后的青菜頭是否滿足收獲要求，選擇在重慶市涪陵區(qū)麻磊村青菜頭種植基地進(jìn)行田間試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用重慶宗申巴貝銳拖拉機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的3TGQ-4型微耕機(jī)，額定功率為4.2kW。將旋耕輸出軸換上經(jīng)計(jì)算后能匹配切割速度的橡膠輪胎，行走擋為切割裝置提供前進(jìn)的動(dòng)力。將擋位調(diào)至1擋，即切割裝置進(jìn)給速度調(diào)為0.3m/s，同時(shí)將圓盤鋸轉(zhuǎn)速調(diào)到700r/min，在重慶市涪陵區(qū)麻磊村青菜頭種植基地田間對(duì)100顆青菜頭進(jìn)行切割試驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)分析被成功切割的青菜頭。結(jié)果表明：青菜頭切割裝置的作業(yè)性能滿足設(shè)計(jì)要求，青菜頭切口表面平整，切割裝置切割成功率為79%，達(dá)到了收獲要求。

圖9 青菜頭切割裝置與3TGQ-4型微耕機(jī)匹配作業(yè)圖

4 結(jié)論

1)針對(duì)青菜頭種植農(nóng)藝及收獲要求，設(shè)計(jì)了一款適用于丘陵山區(qū)的青菜頭切割裝置，可完成青菜頭的自動(dòng)對(duì)行、電動(dòng)切割及鋪倒工作。對(duì)青菜頭切割裝置進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并制定了相關(guān)參數(shù)。

2)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，分析了各參數(shù)對(duì)切割效果的影響，得出影響切割效果的影響因子主次為切割速度>進(jìn)給速度，青菜頭切割的最佳參數(shù)為進(jìn)給速度0.3m/s、切割速度700r/min。

3)田間試驗(yàn)驗(yàn)證了針對(duì)重慶丘陵山區(qū)青菜頭收獲所設(shè)計(jì)的切割裝置的有效性，結(jié)果表明：該青菜頭切割裝置與匹配的3TGQ-4型微耕機(jī)能夠在丘陵山區(qū)正常作業(yè)，切割平穩(wěn)，切割后的青菜頭莖瘤切口平整，青菜頭切割裝置的作業(yè)性能滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了青菜頭莖瘤破損率低于15%的收獲要求。