籽瓜收獲機(jī)割臺去草秧裝置的設(shè)計與試驗(yàn)

郭輝，王明闖，董遠(yuǎn)德，謝知軒

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

籽瓜，包括籽用西葫蘆、籽用南瓜、打瓜等，主要用于獲取瓜籽.籽瓜籽是集多種氨基酸和微量元素為一體的經(jīng)濟(jì)作物，具有較高的食用和藥用價值，是新疆農(nóng)戶重要的增收作物之一[1-4].籽瓜生長周期短，抗旱耐鹽堿能力強(qiáng)，在我國新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等地都有種植，其中新疆籽瓜的種植面積有21萬 hm2，產(chǎn)量達(dá)30萬t，主要分布在昌吉、阜康、塔城地區(qū)[5-7].籽瓜收獲期為每年的8～10月，傳統(tǒng)的收獲模式為先集條再收獲，且多為牽引式作業(yè)，勞動強(qiáng)度大、收獲成本高，工作效率低[8-11].隨著農(nóng)業(yè)勞動人員的減少，傳統(tǒng)的收獲模式已不能滿足籽瓜大田化的發(fā)展需求，因此，為加快籽瓜產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，必須逐步實(shí)現(xiàn)籽瓜機(jī)械化收獲.

去草秧裝置是籽瓜收獲機(jī)割臺的關(guān)鍵部件，目前國內(nèi)外對籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)械的研究較少，尤其針對割臺去草秧裝置的研究報道不多.以色列有大型的自走式打瓜聯(lián)合收獲機(jī)，但并未見對去除草秧功能的闡述，且其結(jié)構(gòu)龐大、價格昂貴，不適合我國的籽瓜種植模式[12].牛長河等[13]設(shè)計了3種去瓜秧裝置，但未對去瓜秧效果進(jìn)行明確闡述，且該裝置僅適用于牽引式籽瓜撿拾脫粒機(jī)，對自走式籽瓜收獲機(jī)適應(yīng)性不強(qiáng).

現(xiàn)有籽瓜收獲機(jī)械工作時易被草秧纏繞，導(dǎo)致籽瓜撿拾階段草秧分離效果較差，造成破碎裝置喂入口擁堵及后續(xù)脫粒裝置瓜籽含雜率增加；且草秧的大量擁堵造成機(jī)具工作一段時間需要停機(jī)維護(hù)，常需1～2人協(xié)同輔助清理草秧，增大了人力投入，降低了收獲機(jī)工作效率[14-16].隨著籽瓜收獲機(jī)械產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，如何去除機(jī)具瓜秧雜草的夾帶纏繞，降低瓜籽含雜率，已經(jīng)成為現(xiàn)階段提高籽瓜收獲機(jī)生產(chǎn)效率的關(guān)鍵所在[17-18].

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的去草秧裝置由傳動系統(tǒng)、打草輥、清草輥、割刀機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成.打草輥位于割臺最前端，割刀機(jī)構(gòu)位于撿拾機(jī)構(gòu)后方，清草輥位于割刀機(jī)構(gòu)上方.其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.2 工作原理

收獲機(jī)工作時，打草輥帶動打草抽條高速旋轉(zhuǎn)，由打草抽條將瓜秧打斷，完成籽瓜和瓜秧的分離；通過撿拾機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，伴隨著瓜秧雜草的纏繞，扎齒將籽瓜扎起并向前滾動；當(dāng)瓜秧雜草運(yùn)動至割刀機(jī)構(gòu)時，擺環(huán)箱將帶輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閿[桿的往復(fù)運(yùn)動，從而帶動割刀的直線往復(fù)運(yùn)動，通過動、定刀片的咬合，將直徑較大的秧草切斷，實(shí)現(xiàn)部分秧草的切斷掉落；當(dāng)運(yùn)動至清草輥時，清草輥帶動清草抽條作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，將纏繞在扎齒上的秧草再次清除，至此完成該裝置所有的去除草秧工作.

1：打草輥；2：打草抽條；3：機(jī)架；4：撿拾機(jī)構(gòu)；5：擺環(huán)箱；6：割刀機(jī)構(gòu)；7：傳動系統(tǒng)；8：清草輥；9：清草抽條.1：Cutting device；2：Cutting rubber sheet；3：Frame；4：Pick-up device；5：Wobble box；6：Cutter drive device；7：Transmission system；8：Clearing device；9：Clearing rubber sheet.圖1 籽瓜收獲機(jī)割臺去草秧裝置示意圖Figure 1 The diagram of stalks removing device of seed melon harvester

1.3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)的設(shè)計主要滿足割臺各裝置獲得匹配的功率，并保證各除草裝置協(xié)調(diào)工作，進(jìn)而滿足該割臺的作業(yè)要求.圖2為該割臺傳動系統(tǒng)示意簡圖.

發(fā)動機(jī)動力經(jīng)變速箱后，將動力傳遞到割臺動力輸入帶輪4，由主動帶輪8將動力傳遞給從動帶輪7，從而帶動擺環(huán)箱擺桿運(yùn)動；由于打草輥與清草輥轉(zhuǎn)速相反，所以設(shè)置換向齒輪5、3；因打草輥位于割臺最前端，動力傳輸距離較遠(yuǎn)，為動力傳輸穩(wěn)定，設(shè)置了過渡鏈輪9和過渡帶輪2；由主動鏈輪6帶動過渡帶輪9轉(zhuǎn)動，通過過渡帶輪2將動力傳遞給帶輪1，從而帶動打草輥轉(zhuǎn)動.

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與分析

2.1 打草輥的設(shè)計

打草輥的結(jié)構(gòu)如圖3所示，具有調(diào)節(jié)方便、籽瓜損傷率低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)；該打草輥主要由打草輥軸、打草抽條、打草輥筒、調(diào)節(jié)拉桿、支撐座等組成.整個打草輥通過支撐座安裝在機(jī)架上，調(diào)節(jié)拉桿調(diào)節(jié)距離在5～25 mm之間，調(diào)控打草輥與地面間的距離，以適應(yīng)田間實(shí)際作業(yè)情況；打草抽條采用天然橡膠，具有較好的韌性和耐磨性，寬25 mm，厚10 mm，長度500 mm，共48個，安裝間距240 mm.

1：帶輪；2：過渡帶輪；3：從動換向齒輪；4：動力輸入帶輪；5：主動換向齒輪；6：主動鏈輪；7：從動帶輪；8：主動帶輪；9：過渡鏈輪.1：Pulley；2：Transition pulley；3：Driven reverse gear；4：Power input pulley；5：Active reverse gear；6：Drive sprocket；7：Driven pulley；8：Active pulley；9：Transition sprocket.圖2 割臺傳動示意圖Figure 2 Transmission system diagram of the header

1：打草輥軸；2：調(diào)節(jié)拉桿；3：打草輥筒；4：打草抽條；5：支撐座.1：Axis；2：Adjusting yoke；3：Roller；4：Cutting rubber sheet；5：Support unit.圖3 打草輥結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 The diagram of cutting device

為實(shí)現(xiàn)有效打斷瓜秧且不損傷籽瓜的目的，需要合理設(shè)計打草輥轉(zhuǎn)速.打草輥工作時，其力學(xué)分析如圖4所示；此時，籽瓜受到打草抽條的切斷力F1,地面摩擦力f1,自身重力G；為方便分析，將打草抽條看作剛體計算，則：

1：打草輥筒；2：打草抽條；3：籽瓜.1：Roller；2：Cutting rubber sheet；3：Seed melon.圖4 打草輥工作力學(xué)分析圖Figure 4 Stress analysis of cutting device

(1)

式中，n1為打草輥轉(zhuǎn)速，r/min；α為打草輥加速度，r/s2；t1為打草輥穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)所用時間，s；ω1為打草輥角速度，rad/s.

打草輥轉(zhuǎn)動慣量J0

(2)

式中，J1為打草輥筒的轉(zhuǎn)動慣量，(kg·m2)；J2為打草抽條的轉(zhuǎn)動慣量，(kg·m2)；m1為打草滾筒質(zhì)量，kg；m2為單個打草抽條質(zhì)量，g；R1為打草輥筒外直徑，m；R2為打草輥筒內(nèi)直徑，m；l1為打草抽條有效工作長度，m.

打草抽條對瓜秧切斷力F1：

(3)

式中，M1為打草輥轉(zhuǎn)矩，N·m；l2為力F1的力臂，mm.

結(jié)合(1)、(2)、(3)式，得

(4)

式中，δ1為切斷瓜秧所需要的力，N；δ2為籽瓜破裂所需要的力，N.

從式(4)可知，打草抽條產(chǎn)生的瓜秧切斷力F1與打草輥轉(zhuǎn)速n1成正比關(guān)系.

正常工作時，打草輥筒內(nèi)外直徑R2、R1分別為213、219 mm；打草抽條有效工作長度l1取420～450 mm；打草滾筒質(zhì)量m1取30 kg；單個打草抽條質(zhì)量m2取150 g；打草輥穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)所用時間t1取5 s；籽瓜收獲時，瓜秧雜草多枯萎?dāng)?，切斷瓜秧所需要的力?較小，可忽略；籽瓜破裂形式不同，其破裂力大小就不同，文中籽瓜破裂指籽瓜破爛，漏出瓜籽，取破裂力δ2范圍為1 200～1 300 N；F1的力臂l2取530 mm.綜上，為確保打草輥不損傷籽瓜且順利將瓜秧打斷，取打草輥轉(zhuǎn)速385 r/min.

2.2 割刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.2.1 割刀機(jī)構(gòu) 該割刀機(jī)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)型往復(fù)式割刀[19-20].主要由擺環(huán)箱、定刀片、動刀片、護(hù)韌器等構(gòu)成，如圖5所示.

1：定刀片；2：動刀片；3：護(hù)韌器；4：刀架；5：擺環(huán)箱；6：擺桿.1：Cutter stator；2：Cutter blade；3：Protector；4：Cutting frame；5：Wobble box；6：Rocking bar.圖5 割刀機(jī)構(gòu)示意圖Figure 5 The diagram of cutter drive mechanism device

2.2.2 割刀運(yùn)動特性分析 割刀動刀片切割速度對割刀機(jī)構(gòu)的切割性能有重要影響.圖6為動刀片運(yùn)動特性簡圖.

建立動刀片的運(yùn)動方程為：

X=-rcosωt

(5)

式中，X為動刀片運(yùn)動距離，m；r為擺桿長度，m；ω為擺桿角速度，rad/s；t為擺桿擺動時間，s.

對上式求導(dǎo)，得動刀片速度vx：

(6)

結(jié)合式(5)，可得：

(7)

由此，可知割刀位移與割刀速度之間的關(guān)系為橢圓方程式，且在割刀運(yùn)動過程中，割刀的速度是時刻變化的.

為研究方便，將該橢圓方程長半軸縮小ω倍，則割刀位移與割刀速度之間的關(guān)系為標(biāo)準(zhǔn)圓方程：

X2+vx2=r2

(8)

1：動刀片；2：連桿；3：擺桿.1：Cutter blade；2：Rod；3：Rocking bar.圖6 動刀片運(yùn)動特性示意圖Figure 6 Schematic diagram of blade motion characteristics

割刀動刀片的平均速度vp的計算公式為：

(9)

式中，s為動刀片單個行程位移量，mm；t2為動刀片單個行程所用時間，s；n2為擺環(huán)箱曲柄轉(zhuǎn)速，r/min；H為割刀進(jìn)距，即收獲機(jī)在動刀片單個行程內(nèi)的前進(jìn)距離，mm；V為收獲機(jī)正常工作速度，km/h.

則割刀的速度vp與收獲機(jī)前進(jìn)速度V的比值λ為：

(10)

收獲機(jī)正常工作時，前進(jìn)速度為1.8 km/h，λ一般取0.8～1.2，則動刀片切割速度取0.6 m/s.

2.3 清草輥的設(shè)計

清草輥與打草輥結(jié)構(gòu)相似，由清草輥軸、清草抽條、清草輥筒、支撐板等組成，如圖7所示，其功能是清除纏繞在扎齒上的草秧枝蔓.清草輥由位于兩側(cè)的支撐板固定在機(jī)架上；清草抽條均勻安裝在清草滾筒上，長170 mm，寬25 mm，共48個，安裝間距200 mm，材質(zhì)與打草抽條一致.為避免清草抽條將籽瓜從扎齒上打落，清草抽條外端距扎齒頂部15～20 mm.

1：清草輥軸；2：清草輥筒；3：清草抽條；4：支撐板.1：Axis；2：Roller；3：Clearing rubber sheet；4：Support plate.圖7 清草輥結(jié)構(gòu)示意圖Figure 7 The diagramof grass clearing device

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，籽瓜經(jīng)過清草輥時，由于受重力和離心力的影響，部分籽瓜從扎齒根部向外脫落，造成清草抽條與籽瓜直接接觸.為避免籽瓜掉落，對清草抽條與籽瓜接觸瞬間進(jìn)行力學(xué)分析，此時，籽瓜受到清草抽條產(chǎn)生的力F3，籽瓜間的擠壓力FN、摩擦力f等，具體力學(xué)分析如圖8所示.

1：清草抽條；2：籽瓜；3：扎齒.1：Clearing rubber sheet；2：Seed melon；3：Stab rods.圖8 清草輥工作力學(xué)模型Figure 8 Stress analysis of grass clearing device

籽瓜不掉落，須滿足：

FNcosχ+fsinχ+F4-mg-F3cosχ>0

(11)

式中，F(xiàn)4為草秧對籽瓜的拉力，N；F3為清草抽條對籽瓜的力，N；m為籽瓜質(zhì)量，kg；χ為F3與重力的夾角，(°)；g為重力加速度，取10 m/s2.

由式(4)同理可知，清草抽條產(chǎn)生的力F3為：

(12)

式中，m3為清草輥筒質(zhì)量，kg；m4為單個清草抽條質(zhì)量，kg；R3為清草輥筒外直徑，mm；R4為清草輥筒內(nèi)直徑，mm；l3為清草抽條長度mm；l4為F3的作用力臂，mm；t3為清草輥穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)所用時間，s；n3為清草輥轉(zhuǎn)速，r/min.

結(jié)合式(12)可得：

(13)

其中，清草輥筒內(nèi)外直徑R3、R4分別取173、180 mm；清草輥筒質(zhì)量m3取20 kg；清草抽條質(zhì)量m4取0.12 kg；籽瓜質(zhì)量m取2.6 kg；清草抽條長度l3取170 mm；F3作用力臂l4取260 mm；清草輥穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)所用時間t3取5 s；秧草對籽瓜的拉力F4由萬能試驗(yàn)機(jī)測定，取96 N；籽瓜撿拾過程中，籽瓜間的擠壓力形式復(fù)雜，為方便研究，本文以接觸面積為4 cm2，通過萬能試驗(yàn)機(jī)測定使籽瓜變形的最小壓力FN為1 285 N；摩擦力f由籽瓜隨撿拾機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向心力提供，較小可忽略不計；χ值與扎齒的安裝位置有關(guān)，取6.5°；則清草輥轉(zhuǎn)速小于445 r/min，考慮到轉(zhuǎn)速過快功耗增加，且傳動比不易調(diào)整，取清草輥轉(zhuǎn)速為405 r/min.

3 去草秧裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 去草秧裝置試驗(yàn)條件

2019年8月中旬，在新疆吉木薩爾縣紅旗農(nóng)場對該籽瓜收獲機(jī)割臺去草秧裝置進(jìn)行了田間試驗(yàn).試驗(yàn)地種植品種為籽瓜‘紅大片’，種植模式為滴灌覆膜平作，一膜雙行，膜間距0.7 m，株距20～25 mm.試驗(yàn)車體為4ZZ-300型自走式籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)，由新疆振隆農(nóng)機(jī)制造有限公司制造，配套動力92 kW，作業(yè)幅寬3 m.圖9為該去草秧裝置田間試驗(yàn).

圖9 去草秧裝置田間試驗(yàn)Figure 9 Field experiment of stalks removing device

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)DG-T115-2019農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱中對籽瓜收獲機(jī)的相關(guān)規(guī)定，對測區(qū)內(nèi)瓜籽含雜率進(jìn)行測量.瓜籽含雜率是指：測區(qū)內(nèi)，從出籽口中隨機(jī)取樣，瓜秧雜草等雜質(zhì)占樣品質(zhì)量比例.本次試驗(yàn)收獲機(jī)工作車速為1.8 km/h，其中打草輥轉(zhuǎn)速為385 r/min、割刀動刀片速度為0.6 m/s、清草輥轉(zhuǎn)速為405 r/min；試驗(yàn)地長度125 m，測區(qū)長度為80 m，測區(qū)寬度10 m.試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果見表1.

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果 由表1可知，當(dāng)打草輥轉(zhuǎn)速為385 r/min、割刀動刀片速度為0.6 m/s、清草輥轉(zhuǎn)速為405 r/min時，收獲機(jī)瓜籽含雜率為12.31%.

3.3.2 分析 通過對去草秧裝置田間工作過程觀察分析，發(fā)現(xiàn)造成含雜率的因素有以下2點(diǎn)：

表1 去草秧裝置田間試驗(yàn)結(jié)果

1)打草輥與地面間距：試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，打草輥與地面間的距離隨田地的平整程度變化；間距變小，籽瓜易被打草抽條損傷；間距變大，部分瓜秧無法被切斷，造成較多瓜秧隨籽瓜一同被撿拾，增大了去草秧難度.解決方法：根據(jù)地面情況，調(diào)整打草輥調(diào)節(jié)拉桿；可通過機(jī)具割臺調(diào)節(jié)油缸，將割臺整體向上適當(dāng)調(diào)整.

2)清草輥與割刀的安裝位置：為避免割刀刀片將瓜損傷及清草抽條將瓜打落造成籽粒損失，割刀機(jī)構(gòu)和清草輥距扎齒頂部有一定距離，造成纏繞在扎齒根部的秧草無法被去除，從而增大了瓜籽含雜率.草秧纏繞在扎齒根部，現(xiàn)有去草秧裝置無法將其清除，需今后對此類問題作進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

該去草秧裝置設(shè)計3個環(huán)節(jié)將瓜秧雜草去除：通過打草輥將秧草切斷避免秧草纏繞撿拾裝置，由割刀機(jī)構(gòu)切斷附著在扎齒外部的秧草，通過清草輥實(shí)現(xiàn)扎齒外部秧草的清除打落，有效解決了瓜籽含雜率較高的問題.

通過對打草輥、割刀機(jī)構(gòu)、清草輥的設(shè)計分析，確定打草輥打草抽條安裝間距240 mm，共48個，打草輥轉(zhuǎn)速為385 r/min；確定割刀機(jī)構(gòu)動刀片速度為0.6 m/s；確定清草輥清草抽條安裝間距200 mm，共48個，抽條外端距扎齒頂部15～20 mm，清草輥轉(zhuǎn)速405 r/min.最后對該機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得：瓜籽含雜率為12.31%，該結(jié)果可為后續(xù)研制籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)提供參考.