釘齒式縱軸流花生摘果裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

胥 南,尚書旗,王東偉,何曉寧,高 振,劉建強(qiáng),張亞棟,郭 鵬

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109)

0 引言

花生是我國(guó)廣泛栽培的重要的經(jīng)濟(jì)作物與油料作物,花生聯(lián)合收獲已經(jīng)成為我國(guó)目前的主要收獲方式,具有效率高、省時(shí)省力的特點(diǎn)?；ㄉb置是花生聯(lián)合收獲機(jī)重要部件,直接影響著花生收獲的質(zhì)量。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的摘果方式主要分為兩種,分別是對(duì)輥式摘果和滾筒式摘果,而滾筒式摘果以全喂入摘果為主,滾筒的主要形式有釘齒式、彈齒式、差動(dòng)式、刮板式和篦梳式等。

使用釘齒式摘果滾筒具有摘果速度快、消耗功率小的突出特點(diǎn),且收獲損失率比較低,是一種在花生聯(lián)合收獲中常用的摘果方式。但目前現(xiàn)有的普通釘齒式花生摘果裝置依然存在摘果破損率偏高及摘果倉(cāng)內(nèi)易堵塞等問題。為此,在原有的普通釘齒式花生摘果裝置的基礎(chǔ)上,對(duì)釘齒式縱軸流花生摘果裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì),并制造釘齒式縱軸流花生摘果試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究,合理優(yōu)化了關(guān)鍵部件的尺寸參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)。同時(shí),應(yīng)用在4HZJ-2500型花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)上進(jìn)行田間試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在一定程度上解決了上述問題。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

釘齒式花生摘果裝置采用縱軸流全喂入式,與花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)的喂入口相連。工作機(jī)構(gòu)包括凹板篩、摘果滾筒上蓋、導(dǎo)流板、錐形喂入擋板、摘果滾筒、固定在摘果滾筒上的喂入攪龍葉片、釘齒、固定釘齒的U型齒桿和貫穿整個(gè)摘果滾筒的中心軸,整體呈縱向配置。整體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.中心軸 2.喂入攪龍葉片 3.錐形喂入擋板 4.摘果釘齒 5.導(dǎo)流板 6.凹板篩 7.摘果滾筒上蓋 8.摘果滾筒 9.U型齒桿 10.帶立式座軸承圖1 摘果裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall Structure Chart of Picking Device。

工作時(shí),中心軸的前端通過帶立式座軸承旋轉(zhuǎn)固定在機(jī)架上,后端通過帶方形座軸承旋轉(zhuǎn)固定在機(jī)架上,整個(gè)摘果裝置的動(dòng)力由設(shè)置在中心軸后端的固定雙排鏈輪提供。進(jìn)料口、出料口分別設(shè)計(jì)在摘果裝置的兩端,以保證花生在由摘果滾筒上蓋、凹板篩和摘果滾筒組合形成的摘果倉(cāng)內(nèi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行摘果工作。當(dāng)花生秧果通過喂料口由喂入攪龍葉片送入摘果倉(cāng)以后,中心軸帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),從而使摘果釘齒高速旋轉(zhuǎn),通過錐形喂入擋板的花生秧果形成了向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),使花生秧能夠纏繞在高速旋轉(zhuǎn)的固定在U型齒桿上的摘果釘齒上;由于離心作用,花生莢果的質(zhì)量與密度較大,集中在緊靠凹板篩處,凹板篩對(duì)運(yùn)動(dòng)的莢果產(chǎn)生剪切作用,使花生莢果與花生秧分離,實(shí)現(xiàn)摘果作業(yè);由于導(dǎo)流板的作用,花生秧會(huì)跟隨導(dǎo)流板的方向運(yùn)動(dòng),到出料口由慣性作用,使花生秧從摘果倉(cāng)中甩出,實(shí)現(xiàn)摘果全過程。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與參數(shù)

2.1 釘齒式摘果滾筒的設(shè)計(jì)

釘齒式摘果滾筒是摘果裝置的核心部件,對(duì)花生摘果作業(yè)的質(zhì)量有最直接的影響。不同于目前現(xiàn)有的摘果滾筒,摘果釘齒并不是直接焊接于滾筒之上,而是將U型齒桿整體焊接于滾筒之上,然后在摘果釘齒上加工螺紋,通過鎖緊裝置(即上下兩個(gè)螺母)將釘齒固定在U型齒桿,解決了目前作業(yè)過程中釘齒因?yàn)楹附硬焕蔚仍驅(qū)е碌牡酏X現(xiàn)象,更換釘齒也更加方便。釘齒式摘果滾筒如圖2所示。

圖2 摘果滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural sketch of picking drum。

破損率是衡量一個(gè)摘果裝置作業(yè)效果的一個(gè)重要指標(biāo)。為減少摘果釘齒在高速旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)花生莢果的碰撞,以進(jìn)一步降低摘果時(shí)花生莢果的破損率,也為解決現(xiàn)有摘果釘齒在作業(yè)過程中磨損過于嚴(yán)重的問題,將釘齒折彎的第1段壓為扁平狀,增大與花生莢果的直接接觸面積,有效地減小了對(duì)花生莢果的沖擊力,降低了破損率及磨損程度。

摘果率是評(píng)價(jià)一種摘果裝置作業(yè)質(zhì)量的有效指標(biāo)。為提高摘果的質(zhì)量與效率,進(jìn)一步提高摘果率,將釘齒設(shè)計(jì)成折彎狀,折彎角度為70°～80°,在帶動(dòng)花生秧果與凹板篩接觸時(shí)便于產(chǎn)生更明顯的剪切作用,不僅可以使花生秧果對(duì)釘齒的纏繞更加緊密,且使摘果更加干凈。

2.2 釘齒式摘果滾筒參數(shù)的確定

摘果釘齒在滾筒上的排列對(duì)整個(gè)摘果裝置的摘果性能有顯著的影響。為了提高摘果效率,在一個(gè)摘果釘齒的運(yùn)動(dòng)軌跡上應(yīng)該有多個(gè)釘齒經(jīng)過并回轉(zhuǎn)。為此,釘齒應(yīng)該在多頭螺旋線上均勻排列與分布。

將螺旋線條數(shù)記為n,一般情況下,固定釘齒的U型槽方管的數(shù)量是螺旋線條數(shù)n的整數(shù)倍,即每個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡上有n個(gè)齒經(jīng)過。所以,理論上來說,n越大,越能提高摘果效率,但試驗(yàn)表明n值應(yīng)該在5以內(nèi)。

相鄰的兩個(gè)釘齒在U型齒桿上的距離應(yīng)為

其中,a為相鄰的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡之間的距離;M為固定釘齒的U型齒桿的數(shù)量,常取M=4～8。

滾筒長(zhǎng)度的計(jì)算公式為

其中,a通常在50～80mm之間;Z是摘果滾筒上摘果釘齒的總數(shù);l是釘齒到U型齒桿端頂?shù)木嚯x,依據(jù)設(shè)計(jì)的需要確定。

摘果滾筒直徑則需要根據(jù)6行花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)的喂入量和工作效率進(jìn)行設(shè)計(jì),滾筒直徑(包含釘齒尺寸)比較適宜的范圍是600～800mm。根據(jù)滾筒直徑的計(jì)算公式,即

其中,h為摘果釘齒的高度;s為U型齒桿的間距。

經(jīng)過計(jì)算與分析,確定a=65mm,n=3,M=6個(gè),B=130mm,Z=72個(gè),l=120mm,L=1 800mm,h=100mm,s=270mm,D=710mm。若不含釘齒等尺寸,滾筒直徑則為480mm。

根據(jù)理論分析與相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),釘齒的直徑取16～18mm,材料選取高錳耐磨鋼,經(jīng)過熱處理至50HRC,并做表面鍍鋅處理。摘果釘齒的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 摘果釘齒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural schematic diagram of pin teeth for fruit picking。

2.3 凹板篩的設(shè)計(jì)

在縱軸流花生摘果裝置中,凹板篩與摘果滾筒之間的配合是影響摘果質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。在花生秧果進(jìn)入由凹板篩和摘果滾筒組成的摘果倉(cāng)內(nèi)時(shí),在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下,由于離心力的作用,質(zhì)量與密度較大的花生莢果集中緊靠在凹板篩處,并對(duì)運(yùn)動(dòng)的花生莢果產(chǎn)生剪切作用,被分離開的花生莢果通過凹板篩篩格落入后續(xù)的清選裝置,花生秧則會(huì)被從輸出端排除。因此,凹板篩與摘果釘齒因此凹板篩的設(shè)計(jì)和與摘果滾筒之間的配合設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

花生摘果的過程多數(shù)應(yīng)該發(fā)生在凹板篩前端,后端的工作負(fù)荷較低,且隨著摘果工作的進(jìn)行,花生秧果與裝置撞擊,會(huì)產(chǎn)生斷莖碎秧,易發(fā)生擁堵現(xiàn)象。所以,凹板篩的前端30～40mm應(yīng)被設(shè)計(jì)為錐形,以提高前端摘果效率;后端則為直筒型即可,可降低擁堵概率。結(jié)合摘果倉(cāng)內(nèi)的結(jié)構(gòu),錐度為1,應(yīng)與錐形喂入擋板的錐度相同。摘果釘齒頂部與凹板篩之間的間隙應(yīng)該在20mm以上,設(shè)置在20～30mm為宜。

凹板篩篩格的大小影響著花生莢果與花生秧分離之后的通過性。如果篩格較大,不僅花生莢果會(huì)通過,一些在摘果過程中產(chǎn)生的長(zhǎng)度較短的斷莖殘秧等也會(huì)落入后續(xù)的清選裝置上,影響清選作業(yè);如果篩格較小,影響花生莢果的通過率,花生莢果不能及時(shí)通過,容易損傷莢果,甚至?xí)S花生秧被排出。結(jié)合現(xiàn)有花生莢果的實(shí)際平均尺寸,花生秧蔓在摘果倉(cāng)內(nèi)被打碎的程度,凹板篩篩格的間隙應(yīng)該在50～70mm之間。凹板篩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 凹板篩結(jié)構(gòu)與尺寸示意圖Fig.4 Structure and dimension diagram of concave screen。

2.4 摘果滾筒轉(zhuǎn)速的確定

摘果作業(yè)過程中,花生莢果破碎的主要原因花生莢果與凹板篩相互作用產(chǎn)生剪切力,還有花生莢果在摘果倉(cāng)內(nèi)與摘果釘齒和導(dǎo)流板等相碰撞導(dǎo)致的花生莢果破碎。為降低花生莢果的破損率,要根據(jù)花生成熟收獲期的受剪切力能力和可承受最大撞擊能力來確定摘果滾筒在工作中的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)前人的試驗(yàn)研究與分析,花生能夠承受的最大的撞擊力的最大速度為16.328m/s,前文確定了花生滾筒的直徑(包含釘齒尺寸)應(yīng)為710mm,根據(jù)計(jì)算公式,則

其中,v為摘果滾筒的轉(zhuǎn)速;r為摘果滾筒的半徑。根據(jù)上述公式計(jì)算,結(jié)合花生莢果的物理特性和現(xiàn)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),摘果滾筒的轉(zhuǎn)速應(yīng)為400～500r/min。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)對(duì)象與設(shè)備

試驗(yàn)采用的花生品種是魯花10號(hào),屬普通型中熟直立大花生,春播生育期140天,株高40～45cm,分枝8～10條,百果質(zhì)量250g左右,百仁重100g以上,出米率73%。

為能夠調(diào)節(jié)摘果滾筒轉(zhuǎn)速和角度等試驗(yàn)因素,設(shè)計(jì)了一種釘齒式縱軸流花生摘果試驗(yàn)臺(tái),動(dòng)力由電磁調(diào)速電機(jī)提供,型號(hào)為YCT-132-4B,通過鏈傳動(dòng)連接至中心軸后端。同時(shí),使用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)摘果滾筒的工作角度。

3.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)釘齒式縱軸流花生摘果裝置的研究與分析,試驗(yàn)因素應(yīng)選取摘果滾筒的轉(zhuǎn)速、摘果釘齒與凹板篩的間隙和凹板篩篩格的間隙3個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí),選擇摘果率和破損率為試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)的因素水平如表1所示。

表1 因素與水平Table 1 Factors and levels。

由于滾筒轉(zhuǎn)速、釘篩間隙和篩格間隙3個(gè)因素與摘果率和破損率兩個(gè)指標(biāo)之間存在的是多元非線性回歸的關(guān)系,所以試驗(yàn)使用BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)方法,即通過建立響應(yīng)面模型的分析方法完成對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析。嚴(yán)格按照上述表各因素的水平數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn),得到如下試驗(yàn)結(jié)果,如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental project and results。

由表2可以看出:在以滾筒轉(zhuǎn)速、釘篩間隙和篩格間隙3個(gè)因素為研究對(duì)象來探究影響摘果裝置主要性能(摘果率、破損率)的相關(guān)結(jié)論,摘果率y1一般在97.24%～99.23%之內(nèi),而摘果作業(yè)過程中莢果的破損率為0.89%～2.26%。

通過上述試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行摘果率的回歸系數(shù)及顯著性分析,根據(jù)上表反饋的信息,去除此次試驗(yàn)中的3個(gè)不顯著項(xiàng),得到此摘果裝置摘果率的回歸方程為

y1=99.08+0.23x1-0.43x2-0.27x3+

對(duì)x1x2交互作用進(jìn)行顯著性分析,得到了滾筒轉(zhuǎn)速和釘篩間隙對(duì)摘果率影響的響應(yīng)等值線圖,如圖5所示。

圖5 滾筒轉(zhuǎn)速和釘篩間隙對(duì)摘果率的影響Fig.5 Effect of rotary speed of drum and clearance between Screen and Nail on Fruit Picking Rate。

由圖5可知:當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到450r/min左右、篩格間隙在22.5mm左右時(shí),摘果率可以達(dá)到最優(yōu)水平,此時(shí)釘篩間隙對(duì)摘果率的影響較為顯著。

對(duì)x1x3交互作用進(jìn)行顯著性分析,得到了滾筒轉(zhuǎn)速和篩格間隙對(duì)摘果率影響的響應(yīng)等值線圖如圖6所示。

圖6 滾筒轉(zhuǎn)速和篩格間隙間隙對(duì)摘果率的影響Fig.6 Effect of rotary speed of drum and clearance of screen gap on fruit picking rate。

由圖6可知:當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到425～475 r/min左右時(shí),相較于篩格間隙,摘果滾筒的轉(zhuǎn)速對(duì)摘果率的影響較大;當(dāng)釘篩間隙在50mm以上時(shí),摘果率的波動(dòng)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài),隨著摘果滾筒轉(zhuǎn)速變化時(shí)的變化較小。

對(duì)x2x3交互作用進(jìn)行顯著性分析,得到釘篩間隙和篩格間隙對(duì)摘果率影響的響應(yīng)等值線圖,如圖7所示。

圖7 篩格間隙和釘篩間隙對(duì)摘果率的影響Fig.7 Effect of screen gap and Nail-screen gap on fruit picking rate。

由圖7可知:釘篩間隙的降低至25mm以下時(shí),相較于篩格間隙,釘篩間隙對(duì)摘果率產(chǎn)生較大影響;當(dāng)篩格間隙達(dá)到65mm以下時(shí),摘果率波動(dòng)較小,處于較為穩(wěn)定階段,在釘篩間隙出現(xiàn)明顯變化時(shí),篩格間隙對(duì)摘果率的影響并不會(huì)存在明顯變化。

進(jìn)行摘果率的回歸系數(shù)及顯著性分析,根據(jù)表2的反饋的信息,去除此次試驗(yàn)中的不顯著項(xiàng),得到摘果裝置摘果率的回歸方程為

y2=1.70+0.20x1-0.41x2-0.19x3-

由回歸方程可以看出,交互項(xiàng)均不顯著。因此,只需要對(duì)各試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)分析,結(jié)果表明:在保證摘果裝置順利作業(yè)和摘果率的情況下,盡量降低摘果滾筒的轉(zhuǎn)速,以降低花生莢果的破損率;盡量增大摘果釘齒與凹板篩之間的間隙,以降低花生莢果的破損率;盡量增大凹板篩篩格的間隙,以降低花生莢果的破損率。

經(jīng)上述分析,選擇滾筒轉(zhuǎn)速為460r/min,釘齒與凹板篩間隙為24mm,凹板篩篩格間隙為57mm。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,在最優(yōu)組合情況下,摘果率為99.06%,破損率為0.93%,結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)且效果良好。

4 結(jié)論

1) 研制的釘齒式縱軸流花生摘果裝置具有摘果速度快、消耗功率小的突出特點(diǎn),且在一定程度上解決了目前現(xiàn)有的普通釘齒式花生摘果裝置依然還存在摘果破損率偏高、摘果倉(cāng)內(nèi)易堵塞的問題。

2) 通過試驗(yàn)驗(yàn)證,選出各試驗(yàn)因素的最優(yōu)組合,即在滾筒轉(zhuǎn)速為460r/min、釘齒與凹板篩間隙為24mm、凹板篩篩格間隙為57mm的情況下,工作效果最佳。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明:裝置能夠摘果性能良好,摘果率為99.06%,破損率為0.93%,數(shù)據(jù)結(jié)論都優(yōu)于NY/7502-2002標(biāo)準(zhǔn),滿足作業(yè)要求。