4TQ-2A型甜菜切頂機的設(shè)計與試驗

張振宇,王方艷

(青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

甜菜是我國東北、華北、西北地區(qū)重要的經(jīng)濟作物和糖料作物。我國甜菜收獲主要以人工和分段式收獲為主[1-4]:人工收獲需要對甜菜進行挖掘、清土、切頂、收集,作業(yè)環(huán)節(jié)繁瑣且效率低;甜菜分段式收獲分為清纓、切頂、挖掘3個環(huán)節(jié)。其中,清纓和切頂作業(yè)的質(zhì)量直接影響甜菜的產(chǎn)糖率和后續(xù)的挖掘作業(yè)效果[5-10]。因此,甜菜切頂機的研制對于提升甜菜收獲質(zhì)量、節(jié)約勞動力和推進甜菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

國外對甜菜切頂機的研制起步于20世紀30年代,已經(jīng)擁有了成熟的技術(shù)體系和裝備[11],且以德國荷馬、羅霸公司的產(chǎn)品為主,多采用單輥甩刀清纓及齒板仿形切頂,用于甜菜標準化種植的大型農(nóng)場或甜菜種植基地[12]。

國內(nèi)對甜菜切頂機研制起步較晚,山東理工大學研制的滑切去頂式甜菜切頂機尺寸較大,作業(yè)過程中仿形效果較差,切頂過程中易發(fā)生壅堵和雜草纏繞,仍有待改進[13]。青島農(nóng)業(yè)大學研制的4TSQ-2型切頂機由三輥軸的除葉裝置和平板仿形切頂裝置組成,導致整機結(jié)構(gòu)尺寸大、功耗高、易漏切或少切甜菜[14]。為此,針對我國多樣化的甜菜種植模式,設(shè)計了一種4TQ-2A型甜菜切頂機,解決了甜菜切頂作業(yè)過程中甜菜纓葉清理不凈及切頂裝置易發(fā)生壅堵的問題,提高了甜菜切頂?shù)暮细衤始吧a(chǎn)效率,為甜菜收獲機具的研發(fā)提供了參考。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作過程

4TQ-2A型甜菜切頂機主要由牽引架、液壓油缸、變速箱、清纓輥a、機架總成、清纓輥b、切頂裝置及地輪總成組成,如圖 1 所示,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.牽引架 2.變速箱 3.清纓輥a 4.機架總成 5.清纓輥b 6.切頂裝置 7.地輪總成圖1 4TQ-2A甜菜切頂機Fig.1 4TQ-2A sugar beet top cutting machine

工作時,牽引架與拖拉機掛接,切頂機在拖拉機的牽引下前行,液壓缸控制清纓輥a和清纓輥b的離地高度,保證橡膠條與甜菜青頭接觸的長度小于50mm,作業(yè)過程中不對甜菜塊根造成損傷;變速箱與拖拉機動力輸出軸相鏈接,將動力傳遞給清纓輥,對向回轉(zhuǎn)的清纓輥不斷擊打甜菜青頭和纓葉,通過摩擦力將甜菜纓葉清理干凈,為后續(xù)切頂作業(yè)的順利進行提供保障;切頂裝置懸掛于機具的最后方,調(diào)壓裝置給予切頂裝置的下壓力和切頂裝置自身重力,保證切頂裝置在作業(yè)過程中能及時回落、實時仿形浮動,實現(xiàn)甜菜的穩(wěn)定切削。

表1 4TQ-2A型切頂機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 4TQ-2A sugar beet top cutting machine

2 清纓裝置

2.1 清纓裝置結(jié)構(gòu)

清纓裝置由橡膠條、箍、尼龍?zhí)住⒒剞D(zhuǎn)軸及銷軸等組成,如圖2所示。軸銷上串裝橡膠條,并通過箍相隔90°均布安裝于回轉(zhuǎn)軸,利于回轉(zhuǎn)軸高速回轉(zhuǎn)的動平衡;相鄰軸銷上的橡膠條錯位排布,保障擊打纓葉不遺漏。工作時,兩根回轉(zhuǎn)軸高速對轉(zhuǎn),擊打甜菜青頭上的纓葉,依靠擊打力及摩擦力清除甜菜頂部纓葉。橡膠條硬度小時,受力易變形,清纓效果較差;硬度大時,易損傷甜菜。同時,橡膠條的絕對速度為輥軸回轉(zhuǎn)速度和機具前進速度的合成,決定清纓條與甜菜青頭間的擊打力及摩擦力,影響纓葉的粉碎效果及甜菜青頭的損傷率。

1.橡膠條 2.箍 3.尼龍?zhí)?4.回轉(zhuǎn)軸 5.軸銷圖2 清纓裝置Fig.2 Leaf cleaning device

作業(yè)過程中,當機器前進速度為Vm,輥軸上安裝了Z排橡膠條時,輥軸轉(zhuǎn)速n滿足

(1)

式中Vm—樣機前進速度(m/s);

Z—橡膠條排數(shù);

S—橡膠條工作進距(m)。

由此可見,當前進速度Vm、橡膠條的排數(shù)Z確定后,輥軸轉(zhuǎn)速n與工作進距S成反比。因此,提高輥軸轉(zhuǎn)速n,可減小工作進距S,提高清纓效果;但會增加機具功耗、振動,且易損傷甜菜青頭。

2.2 橡膠條優(yōu)化選型

甜菜的垂直高度400～500mm,平鋪范圍400～500mm,甜菜地上高度30～80mm,通過預試驗確定輥軸直徑為210mm,橡膠條的排列密度為26片/m。根據(jù)甜菜生長特性及清纓要求,設(shè)計3種橡膠條,長度、質(zhì)量均一致,如圖3所示。

圖3 橡膠條結(jié)構(gòu)Fig.3 Rubber strip structure

在機具正常作業(yè)速度1m/s時,選取400、600、800、1000r/min 4個轉(zhuǎn)速條件下,測定不同橡膠條的作業(yè)效果,結(jié)果如表2所示。

橡膠條a和橡膠條b為聚乙烯材料,邵氏硬度分別為80和85。相比橡膠條a、橡膠條b的擊打面帶有凸點,能增加橡膠條與甜菜的摩擦力,清纓效果相對好;但對甜菜的擊打力大,使得甜菜損傷率高。當回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速達到600r/min時,橡膠條a和橡膠條b的清纓效果好,合格率大于85%;但隨著回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的提升,甜菜青頭的損傷率增加,影響甜菜的收獲質(zhì)量。橡膠條c為橡膠材料,邵氏硬度為75,具有較好的柔韌性及摩擦力,對甜菜損傷較小。當回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速大于800r/min時,從左至右以此為橡膠條a、橡膠條b、橡膠條c作業(yè)效果甜菜損傷情況如圖4所示。3種橡膠條中,橡膠條c的清纓合格率、甜菜損傷率均優(yōu)于橡膠條a和橡膠條b。考慮作業(yè)過程中回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與功耗之間的正比例關(guān)系,選擇橡膠條c,回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速800r/min時,清纓作業(yè)效果最佳。

表2 橡膠條試驗結(jié)果Table 2 Rubber strip test results

圖4 甜菜損傷情況Fig.4 Sugar beet damage

3 切頂裝置

切頂裝置由機座、彈簧、調(diào)節(jié)桿、連架桿、仿形板、刀座及切刀等組成,如圖5所示。連架桿和連桿構(gòu)成的平行四桿結(jié)構(gòu)使得仿形板與切刀相對位置穩(wěn)定,保障切頂厚度一致;傾斜仿形板不斷接觸甜菜青頭,影響甜菜碰撞力的方向;切刀對甜菜的切割運動分為砍切和滑切,切割角影響著切刀的切削能力及切割空間。工作中,仿形板接觸甜菜后,沿甜菜青頭輪廓滑動,連桿與連架桿相對轉(zhuǎn)動,仿形板與切刀同時抬升,并配合完成切頂作業(yè)。仿形板與甜菜青頭分離后,在切頂裝置自身重力及彈簧壓力共同作用下,切頂裝置及時回落,確保仿形板實時與甜菜青頭接觸,防止跨越甜菜而發(fā)生甜菜漏切。連架桿尺寸決定切頂裝置的浮動空間,與彈簧共同決定仿形板從甜菜頂?shù)浇佑|下一個甜菜的時間和運動狀態(tài)。連架桿較短時,仿形板的響應速度靈敏度高;連架桿較長時,切頂裝置響應速度減慢,運動靈敏性減弱。切頂過程中,甜菜受到沿切刀刃口的滑切力、垂直于切刀刃口的砍切力。當滑切力大于甜菜的滑動摩擦力時,甜菜沿刃口線滑動,處于不穩(wěn)定切削狀態(tài);當砍切力大于甜菜的破裂強度后,甜菜被切削。切頂裝置工作狀態(tài)如圖6所示。

1.機座 2.彈簧 3.調(diào)節(jié)桿 4.連架桿 5.仿形板 6.刀座b 7.切刀圖5 切頂裝置Fig.5 Top cutting device

(a)主視圖

(b)俯視圖圖6 切頂裝置工作狀態(tài)Fig.6 Working state of top cutting device

由甜菜與機構(gòu)的切頂位置關(guān)系可知,仿形板的折角α與切刀的切割角β滿足

(2)

B=2(rb+Δ)

(3)

式中S—株距(mm);

L—仿形板水平長度(mm);

α—仿形板彎折角(°);

rb—甜菜青頭半徑(mm);

b—切刀寬度(mm);

B—切頂裝置寬度(mm);

β—切頂裝置切割角(°);

H—甜菜青頭高度差(mm);

hg—甜菜切割厚度(mm);

W—仿形板超前量(mm)。

仿形板與甜菜不斷接觸與碰撞,在完成甜菜切頂后,才可接觸下一個甜菜輪廓,以保證甜菜切口整齊、無撕裂,提高對甜菜株距的適應性。在株距S一定條件下,減小折角α、切割角β,會縮小切刀的安裝空間,并適應不同的甜菜高度及株距條件。為保障切削穩(wěn)定、切口平整,仿形板的水平長度L>2rb, 超前量Wrb。一般,甜菜高度差H為30～50mm,株距S為200～250mm,甜菜切割厚度hg為15mm,甜菜青頭半徑rb為20～30mm,甜菜半徑r為30～50mm。結(jié)合切頂裝置的安裝空間及運動特性,確定L=80mm,W=25mm,B=160mm,b=50mm,β=30°。

4 田間試驗

4.1 試驗方法

2021年10月,在黑龍江省齊齊哈爾市依安縣試驗基地進行甜菜切頂機試驗。田間土壤含水率為14.2%,硬度為1120kPa,土壤容重為1.12g/cm3;甜菜纓葉無倒伏,纓葉自然高度為480mm;甜菜種植的行距為650mm,株距為250mm,甜菜青頭地上高度為30～80mm。經(jīng)過理論分析和預試驗確定機具前進速度為1m/s,清纓裝置轉(zhuǎn)速為800r/min,切頂裝置切割角度為30°。

采用47.8kW拖拉機牽引機具試驗。依據(jù)《甜菜收獲機作業(yè)質(zhì)量》(NY/T 1412-2018),測定甜菜的切頂指標。第一片葉痕上5mm±2mm處(根頭垂直高度小于15mm),定義為合格切削位置。在作業(yè)區(qū)內(nèi)隨機抽取一個15m×15m的作業(yè)小區(qū),利用游標卡尺和直尺等測定切頂?shù)暮穸?記錄試驗工作狀況及甜菜切頂試驗數(shù)據(jù)。測定甜菜塊根總數(shù)、甜菜切頂合格數(shù)量及甜菜損傷數(shù)量,并求得切頂合格率和損傷率。重復試驗5次,結(jié)果取平均值,則

(4)

(5)

式中K1—切頂合格率(%);

K2—甜菜損傷率(%);

Q1—切頂合格甜菜數(shù)(個);

Q2—損傷甜菜數(shù)(個);

Q—甜菜總數(shù)(個)。

4.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果Table 3 Experimental results %

經(jīng)5次試驗取平均值后,切頂合格率K1為95.56%,甜菜損傷率K2為2.60%,均滿足甜菜機械化收獲標準。

5 結(jié)論

1)通過對甜菜切頂機工作過程中的運動特性與力學分析,確定了甜菜切頂機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及參數(shù),并設(shè)計了一種4TQ-2A型甜菜切頂機。該機采用兩輥對轉(zhuǎn)的橡膠條進行纓葉清理,平行四邊形仿形機構(gòu)保證切頂裝置的穩(wěn)定切削,提高了切頂合格率。

2)通過單因素試驗對清纓裝置進行了優(yōu)化設(shè)計,確定了4TQ-2A切頂機清纓裝置的最佳工作組合為橡膠條c、轉(zhuǎn)速800r/min。通過對切頂裝置的工作空間分析,確定了切頂裝置的尺寸和最佳切割角度β=30°

3)田間試驗表明,4TQ-2A型甜菜切頂機的作業(yè)效果滿足甜菜機械化收獲標準,提升了甜菜收獲效率。