大蒜聯(lián)合收獲機夾持輸送機構(gòu)的設(shè)計與分析

辛 杰，侯加林，李玉華，吳彥強，王后新，劉曉，牛子儒

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018)

0 引言

我國大蒜行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)查研究顯示，2016年我國大蒜種植面積總計達到37.9萬～40.5萬hm2，占全球大蒜種植面積的60%以上[1]。山東省的大蒜出口居國內(nèi)第1位，盡管山東大蒜種植面積大，但大蒜機械收獲效率較低。大蒜收獲主要有兩種方式：一種是傳統(tǒng)的人工收獲方式，另一種是大蒜收獲機械收獲。人工作業(yè)效率低、強度大，現(xiàn)有的大蒜收獲機作業(yè)質(zhì)量不高、自適應能力差，易發(fā)生擁堵和脫落，從而影響大蒜收獲效率，這些問題已成為制約我國大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸 。因此，研制開發(fā)適合我國大蒜機械化收獲裝備是我國農(nóng)業(yè)機械研究人員面臨的一項重要課題[2-6]。

夾持輸送機構(gòu)是大蒜聯(lián)合收獲機的重要組成部分，主要任務(wù)是將大蒜從土中向上拔起，并向后輸送，為下一步工序做準備。為此，根據(jù)我國國內(nèi)的種植模式和機具要求，參照國內(nèi)外的先進機型，創(chuàng)新研制了新型高效柔性夾持輸送機構(gòu)，并對其進行了理論分析與參數(shù)設(shè)計，以期為提升大蒜收獲機械夾持輸送質(zhì)量提供理論依據(jù)與參考[7-9]。

1 夾持輸送機構(gòu)的設(shè)計及工作原理

1.1 大蒜的種植模式

我國大蒜的主要產(chǎn)地：河南省中牟縣、杞縣，山東省金鄉(xiāng)縣、商河縣、蒼山縣，江蘇邳州市射陽縣、太倉市，上海嘉定，安徽亳州市、四川溫江縣、彭州市，云南大理及新疆等地。目前，我國大蒜種植模式主要為平畦、高壟、高畦模式。在南方地區(qū)地區(qū)，雨水較多，宜用高畦模式。山東地區(qū)春季易旱，大蒜的種植模式主要以平畦模式為主[10]，如圖1所示。

圖1 大蒜種植試驗田和種植模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of garlic planting pattern

1.2 夾持輸送機構(gòu)的設(shè)計及工作過程

夾持輸送機構(gòu)是大蒜收獲機重要組成部分，其工作性能直接影響后續(xù)的果秧分離和切根裝置的工作效果，從而影響整機的工作效率。夾持輸送機構(gòu)最為關(guān)鍵的是夾持力的大小控制，過大過小都不可以，過大會導致大蒜在輸送過程中被夾斷，過小則會造成大蒜掉落，從而影響收獲效率。因此，本文設(shè)計一種夾持輸送機構(gòu)，既保證了在輸送過程中不被夾斷，而且具有足夠的夾持力。夾持輸送機構(gòu)包括驅(qū)動部分、從動部分、張緊組件、輸送帶、大蒜夾緊機構(gòu)及主框架，如圖2所示。

1.從動齒輪 2.后端從帶帶輪 3.主動帶輪 4.主動齒輪 5.液壓馬達 6.輸送帶 7.夾緊輪 8.主框架 9.張緊裝置 10.前端從動輪

驅(qū)動部分包括主動帶輪、花鍵軸、軸承、液壓馬達及主動齒輪，液壓馬達通過花鍵軸與主動帶輪連接，驅(qū)動主動帶輪和主動齒輪同步轉(zhuǎn)動。從動部分包括前端從動部分和后端(液壓馬達安裝端)從動部分：前端從動部分由前端從動輪、柔性齒狀輪、軸承及軸組成；后端從動部分由后端從動帶輪、從動齒輪、軸承及軸組成；柔性齒狀輪與前端從動帶輪同步轉(zhuǎn)動，柔性齒輪在收獲喂入中起到分禾作用，從動齒輪與主動齒輪的嚙合實現(xiàn)后端從動帶輪的轉(zhuǎn)動。

張緊組件包括張緊桿、彈簧、彈簧擋板及螺母，大蒜夾緊機構(gòu)包括支座及多個夾緊帶輪。夾緊帶輪通過調(diào)整安裝位置調(diào)節(jié)夾持力的大小，以適應不同實際需求，增強適應能力。夾緊帶輪交錯分布在兩側(cè)主框架上，其大小不同，自下而上依次增大，這是由于大蒜在輸送過程中經(jīng)歷了去土、切莖，需要較大的夾緊力。

工作過程中，相鄰的柔性齒狀輪通過嚙合實現(xiàn)大蒜的喂送作用，從而利于大蒜平穩(wěn)地進入夾持輸送機構(gòu)；大蒜進入夾持輸送機構(gòu)后，在夾緊裝置和張緊裝置的共同作用下，夾持輸送帶呈S型輸送，使得大蒜夾持可靠，運行平穩(wěn)，為后續(xù)的果秧分離和切根裝置做準備。

2 夾持機構(gòu)設(shè)計及參數(shù)的確定

2.1 帶型的選擇及帶輪的尺寸確定

夾持機構(gòu)所用的皮帶為B型雙聯(lián)皮帶，皮帶表面較寬且有一定的韌性，能將大蒜莖稈充分夾持且不會將其夾斷。圖3為夾持輸送裝置截面圖。在夾持過程中，如果夾持帶間隙過大會使大蒜不能被充分夾持而滑落，從而影響夾持輸送效果，夾持間隙過小會導致大蒜被夾傷、夾斷。為了避免出現(xiàn)上述狀況，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》皮帶傳動部分及大蒜的相關(guān)參數(shù)可知，設(shè)計中夾持間隙δ=4mm，行距l(xiāng)=200mm。取a=3mm，b=50mm，c=18mm，則皮帶輪的直徑為

(1)

其中，l為行距(mm)；a為皮帶高出帶輪的高度(mm)；δ為夾持間隙(mm)；將參數(shù)代入式(1)計算得出皮帶輪的直徑D=90mm。

a.皮帶高出帶輪高度 b.雙聯(lián)帶的寬度c.雙聯(lián)帶節(jié)距 D.皮帶輪直徑

2.2 張緊機構(gòu)的設(shè)計

張緊機構(gòu)安裝在機架上，通過彈簧的伸縮實現(xiàn)輸送帶的自動張緊，包括張緊桿、彈簧、彈簧擋板及螺母，如圖4所示。張緊桿通過固結(jié)在傳送框架上兩個方形管插裝于傳送框架上，彈簧安裝在螺桿上，一端擋在前端從動輪支臂上，另一端擋在彈簧擋板上。彈簧擋板固定在主框架上，彈簧擋板中間有個孔，便于螺桿從中穿過，螺桿另一端用螺母鎖緊，防止整個張緊組件滑出掉落。

1.主框架 2.螺母 3.彈簧擋板 4.螺桿 5.從動輪支臂 6.從動帶輪 7.柔性齒狀輪

3 夾持機構(gòu)年技術(shù)參數(shù)的確定

3.1 夾持輸送機構(gòu)傾角的確定

夾持輸送機構(gòu)在工作過程中傾斜的角度是恒定的，傾角的選取對大蒜穩(wěn)定有序地夾持輸送具有重要意義，傾角過大或過小都會影響后續(xù)的大蒜收獲效果。因此，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械制造常用計算大全》，本設(shè)計夾持輸送帶的傾角α取25°。

3.2 夾持位置的確定

夾持位置指的是大蒜莖稈夾持點相對于地面的高度，夾持位置由莖稈的質(zhì)量和重心高度決定，是影響莖稈輸送性能的重要因素。夾持位置越接近于根部，其抗拉強度越大，夾持越可靠。夾持點的高度為

(2)

其中，h為大蒜莖稈夾持點相對于大蒜生長地面的高度，經(jīng)過多次的田間試驗及大蒜莖稈物理特性分析，選取h=80mm；D為皮帶輪直徑(mm)；a為皮帶高出帶輪的高度(mm)；α為夾持輸送帶的傾角(°)。將參數(shù)全部代入式(2) 得出夾持點離地面的高度H=100mm。

3.3 夾持輸送帶速度分析

夾持輸送帶速度與機器的前進速度有關(guān)，二者成正比關(guān)系。夾持拔取大蒜的最佳的狀態(tài)是沿著大蒜生長的軸心方向施加起拔力。此時，施加的起拔力最小，并且對大蒜未造成損傷。實際收獲過程中，大蒜會受到挖掘鏟的推力作用，從而在土壤中傾斜一定的角度(即大蒜的軸心相對于豎直方向的角度λ)，此時起拔力的方向也由豎直方向傾斜一定的角度，且由夾持輸送帶的絕對速度的方向決定，如圖 5所示。

圖5 大蒜拔取示意圖Fig.5 Schematic diagram of garlic selection

皮帶的相對速度Vt為

(3)

其中，Vm為機器的前進速度；α為夾持輸送機構(gòu)的傾斜角度。

夾持輸送機構(gòu)在拔取輸送大蒜之前，需要挖掘鏟對大蒜進行松土，破壞大蒜根莖與土壤的粘結(jié)力，在此過程中大蒜就會轉(zhuǎn)動λ角，如圖5所示。拔取皮帶的相對速度為

(4)

在大蒜自然生長、莖葉沒有倒伏時，夾持機構(gòu)拔取大蒜最佳的狀態(tài)是沿著大蒜生長的軸心方向(垂直于大蒜生長的畦面)施加起拔力，即

β+λ=90°

(5)

其中 ，β為實際的夾持輸送帶的絕對速度的矢量Vb2與機器前進的速度Vm所成的角度(°)；λ為大蒜在挖掘鏟作用下轉(zhuǎn)動的角度(°)。由式(4)、式(5)可以得出大蒜隨土壤轉(zhuǎn)動到某一角度時Vt的公式， 即

(6)

由式(6)可知：夾持輸送機構(gòu)的傾角α影響著夾持輸送帶的傳送速度，且要考慮收獲機整機的結(jié)構(gòu)配置。綜合以上方面來考慮，取α=25°。λ為大蒜在挖掘鏟深松作用下沿著機器前進方向轉(zhuǎn)動的角度，根據(jù)經(jīng)驗通常取λ=5°～10°，則Vt=(1.02～1.06 )Vm，這里取Vt= 1.06Vm。此時，夾持輸送帶拔取方向能達到最佳拔取狀態(tài)，其速度又大于機器的前進行速度，從而防止在收獲過程中出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。

3.4 夾持輸送機構(gòu)夾持力的確定

夾持輸送機構(gòu)實際工作過程包含兩個階段：一是大蒜從土壤中拔起未脫離土壤階段，此時大蒜蒜頭在土壤中運動，受力較復雜；二是大蒜脫離土壤后并在夾持輸送帶中運動，此時大蒜受力比較簡單。因此，夾持輸送機構(gòu)夾持力分為兩個部分。

3.4.1 大蒜從土壤中的拔起時的夾持力的確定

大蒜主要由莖稈和鱗莖組成，且鱗莖根須分布較廣。在大蒜被夾持拔起的同時，挖掘鏟已經(jīng)將大蒜鱗莖根須鏟斷、挖松并向上抬起，在此過程中由于受到挖掘鏟推力的作用，大蒜在土壤中會傾斜一個角度，并且大蒜逐漸與土壤分離。為了便于分析，假設(shè)在大蒜夾持拔起的過程中，有接近1/2的土壤與鱗莖分離，且無鱗莖損傷等現(xiàn)象[11]。根據(jù)大蒜在這一階段中的運動特點，建立的力學模型如圖6所示。

1.土壤 2.夾持輸送帶 3.大蒜莖稈 4.鱗莖 5.挖掘鏟

根據(jù)圖6中的受力分析可得

G+G′+Ff=F+FN

(7)

FN=Gcosδ

(8)

F1=fF

(9)

其中，G為大蒜鱗莖的重量(N)；G’為抬起土壤的質(zhì)量(N)；Ff為鱗莖與土壤之間的阻力(N)；FN為挖掘鏟對鱗莖的支撐力在垂直方向上的分力(N)；F為大蒜莖稈對夾持輸送帶的總阻力(N)；δ為挖掘鏟的鏟面的傾角(°)。

在已知大蒜鱗莖質(zhì)量、抬起土壤的質(zhì)量、鱗莖與土壤之間的阻力、大蒜莖稈與夾持輸送帶之間的摩擦因數(shù)、挖掘鏟的鏟面的傾角的情況下，聯(lián)立式(7)～式(9)，可求得夾持力F1的大小。

3.4.2大蒜脫離土壤進入夾持輸送過程中夾持力的確定

夾持輸送過程中，大蒜逐漸脫離土壤，進入夾持輸送運動。由于機械行走速度和輸送帶傳動速度保持不變，所以大蒜在此過程中做勻速運動，受力比較簡單。建立力學模型如圖7所示。

根據(jù)圖7受力分析可得

Psinα=G

(10)

Pcosα=F′

(11)

P=uF2

(12)

其中，G為大蒜的質(zhì)量(N)；P為夾持輸送機構(gòu)對大蒜的提升力(N)；F＇為機構(gòu)對大蒜的推力(N)；F2為夾持輸送機構(gòu)對大蒜的夾持力(N)；α為夾持機構(gòu)的傾角(°)；μ為大蒜莖稈與夾持帶之間的摩擦因數(shù)。

在已知大蒜重量G、夾持機構(gòu)的傾角α、大蒜莖稈與夾持輸送帶之間的摩擦因數(shù)μ的情況下，聯(lián)立式(10)～式(12)，可求得夾持力F2的大小。

圖7 大蒜輸送時夾持持受力模型Fig.7 Mechanical model of force on garlic root in transporting

4 田間試驗及結(jié)果分析

4.1 試驗的目的、條件及方法

通過對大蒜聯(lián)合收獲機的夾持輸送機構(gòu)進行田間性能試驗分析，驗證大蒜聯(lián)合收獲機夾持輸送機構(gòu)在實際收獲過程中的作業(yè)效果，以及機構(gòu)在本地區(qū)是否具有先進性、適用性及安全性。

試驗地點選擇在山東省金鄉(xiāng)縣大蒜種植基地，品種為金鄉(xiāng)白蒜，收獲時溫度為30℃，試驗地土壤為沙土性土壤，含水率(21.09±4.07)%，硬度(12.12±3.24)kg/cm2，容重(1.31±0.26)g/cm3。

在田間試驗時，收獲距離為20m，重復收獲5次，記錄每次收獲前田間的總株數(shù)、收獲的總株數(shù)及損傷數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 試驗結(jié)果及分析

經(jīng)過多次試驗，對獲得試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并分析，如表1所示。

表1 大蒜聯(lián)合收獲機性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of green Chinese Galic

在試驗過程中，結(jié)構(gòu)可以平穩(wěn)運行，輸送過程安全可靠，且不會發(fā)生擁堵的現(xiàn)象，但是損傷率較高。其原因是由于機構(gòu)的預緊力較大，從而使得大蒜的莖稈被夾斷，掉落地上因相互碰撞而發(fā)生破損。

5 結(jié)論

1)根據(jù)大蒜的種植模式及機具設(shè)計要求，對夾持輸送機構(gòu)中的帶輪、夾持輸送帶、張緊裝置等主要結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。

2)確定了在夾持收獲大蒜時夾持大蒜莖稈的位置、夾持輸送機構(gòu)的傾角及夾持輸送的速度。

3)建立了大蒜收獲時的力學模型，通過受力分析，得到了不同情況下夾持輸送機構(gòu)對莖稈的夾持力。本文夾持輸送機構(gòu)的設(shè)計對于大蒜的可靠輸送、減少大蒜損傷率及提高大蒜聯(lián)合收獲機整機性能具有重要意義。