尹　健，陳　蘭，黃年月，肖龍祥，潘遠(yuǎn)香

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械學(xué)院， 貴陽(yáng)　550025；2.貴航飛機(jī)有限責(zé)任公司，貴州 安順　561000)

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輪距可調(diào)的電驅(qū)式小型半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)

尹健1，陳蘭2，黃年月2，肖龍祥1，潘遠(yuǎn)香1

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械學(xué)院， 貴陽(yáng)550025；2.貴航飛機(jī)有限責(zé)任公司，貴州 安順561000)

摘要：山地丘陵地區(qū)要實(shí)現(xiàn)水稻收獲的機(jī)械化，必須解決現(xiàn)有機(jī)型機(jī)器重、體積大、轉(zhuǎn)運(yùn)難的問(wèn)題。本文從兩個(gè)方面來(lái)解決這些矛盾，輪距可調(diào)解決了田埂上行走問(wèn)題，電驅(qū)左右輪的方式解決了轉(zhuǎn)向靈活問(wèn)題，并省去了復(fù)雜的差速及傳動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)，給出了主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算,設(shè)計(jì)了一種控制電路。

關(guān)鍵詞：水稻聯(lián)合收割機(jī)；半喂入；電驅(qū)式；可調(diào)輪距

0引言

我國(guó)南方是主要糧食作物水稻的主產(chǎn)區(qū)，主要為山地丘陵地貌。其運(yùn)輸條件差，大中型收割機(jī)械無(wú)法到田間作業(yè)。因此，水稻聯(lián)合收割機(jī)的小型化、輕量化是我國(guó)南方山區(qū)、丘陵地區(qū)實(shí)現(xiàn)水稻收獲機(jī)械化的關(guān)鍵技術(shù)。

對(duì)水稻聯(lián)合收割機(jī)的小型化、輕量化有較多研究。高玉根[1]等提出了一款割前脫粒的機(jī)型，割幅600mm收兩行水稻但機(jī)型很長(zhǎng)。時(shí)勝德等[2]提出了一種臥式割臺(tái)的半喂入機(jī)型，明顯降低了莖稈輸送距離，割幅700mm,由于脫粒滾筒與割臺(tái)并排放置故寬度很大。王峰等[3]采用了“U型”行走路線的半喂入機(jī)型，即莖稈切割后橫向輸送，轉(zhuǎn)180°彎后進(jìn)入脫粒夾持鏈繼續(xù)橫向輸送脫粒，該機(jī)型割幅600mm，其長(zhǎng)度和寬度介于上述兩款機(jī)型之間。

在驅(qū)動(dòng)方式上，上述機(jī)型均采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)將動(dòng)力引到各處。這樣處理的弊端是：傳動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，當(dāng)遇到需要變換位置及角度時(shí)更甚；特別地，各部分的轉(zhuǎn)速受到既定傳動(dòng)系統(tǒng)的約束而成固定的速比關(guān)系，對(duì)收獲不同成熟度及倒伏度的水稻而言，無(wú)法通過(guò)控制油門(mén)達(dá)到調(diào)整其中某個(gè)環(huán)節(jié)速度變化之目標(biāo)。近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展為水稻聯(lián)合收割機(jī)的驅(qū)動(dòng)提供了新思路。嚴(yán)萍華[4]研究了一款純電動(dòng)垃圾清掃車(chē)，通過(guò)充電為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。宋珂[5]等研究了增程式電動(dòng)汽車(chē)，在傳統(tǒng)的純電動(dòng)汽車(chē)上增加了一套能發(fā)電且給車(chē)載動(dòng)力蓄電池充電的輔助裝置。

上述幾款機(jī)械式半喂入機(jī)型由于長(zhǎng)寬方面尺寸較大，在道路崎嶇、田塊狹窄的山地稻田使用，還會(huì)遇到許多困難；純電動(dòng)或帶有增程器的驅(qū)動(dòng)模式，因必須攜帶質(zhì)量較大的動(dòng)力蓄電池也不適合本項(xiàng)目提出的山地半喂入機(jī)型。

質(zhì)量輕、體積小、轉(zhuǎn)向靈活、轉(zhuǎn)運(yùn)方便同時(shí)具有一定生產(chǎn)率的機(jī)型，是真正適合山地丘陵地區(qū)使用的機(jī)型。在此總體目標(biāo)下，本文提出了一種可調(diào)輪距的、直接電驅(qū)式的小型半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)。

1總體結(jié)構(gòu)及輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

水稻聯(lián)合收割機(jī)的長(zhǎng)、寬、高及生產(chǎn)率之間是互相牽制的。仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn)：長(zhǎng)、寬、高之間的關(guān)系就是一個(gè)此消彼長(zhǎng)的關(guān)系；不過(guò)，采取適當(dāng)?shù)拇胧┎⒆屑?xì)布置，是可以在長(zhǎng)、寬、高之間很好協(xié)調(diào)的。作為一款山地半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的4LB-0.6半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)在這方面進(jìn)行了有益的嘗試。

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作時(shí)，扶禾機(jī)構(gòu)將倒伏的禾稈扶起，交給夾禾機(jī)構(gòu)；禾稈在夾持狀態(tài)下完成切割，然后進(jìn)入脫粒夾持機(jī)構(gòu)；禾稈在脫粒夾持鏈的帶動(dòng)下進(jìn)入脫粒滾筒完成脫粒并將禾稈拋于機(jī)器后方。

為適應(yīng)不同高度禾稈的抓取，設(shè)計(jì)夾禾咬入點(diǎn)的高度可調(diào)，通過(guò)夾禾機(jī)構(gòu)的安裝底板繞其尾部轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)整，本機(jī)夾持高度設(shè)定為420～750mm；采用夾持后切割方式，扶起鏈的前伸量設(shè)計(jì)成可調(diào)。若該距離太大，則收獲短莖稈時(shí)，扶起后的莖稈有可能會(huì)再次傾倒而導(dǎo)致夾持不好；該距離太小，則收獲長(zhǎng)莖稈時(shí)會(huì)出現(xiàn)尚未扶起就開(kāi)始夾持也會(huì)導(dǎo)致夾持不好。為調(diào)節(jié)不同的喂入深度，脫粒夾持機(jī)構(gòu)的壓緊點(diǎn)為三段可調(diào)，即通過(guò)調(diào)節(jié)螺母抬起或放下壓板實(shí)現(xiàn)壓緊位置的變換。

1.扶禾機(jī)構(gòu)　2.夾禾機(jī)構(gòu)　3.電動(dòng)推桿　4.脫粒夾持機(jī)構(gòu)　5.轉(zhuǎn)臂

機(jī)器在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，利用電動(dòng)推桿先將轉(zhuǎn)臂抬起，則扶禾機(jī)構(gòu)和割刀均被抬高，便于通過(guò)障礙。當(dāng)需要調(diào)整履帶輪距時(shí)，先將機(jī)器尾部的伸縮支架放下，然后伸長(zhǎng)電動(dòng)推桿，使轉(zhuǎn)臂向下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將整機(jī)抬起，履帶離開(kāi)地面以便于調(diào)整。輪距設(shè)計(jì)成可調(diào)，便于機(jī)器在田埂等狹窄地帶上通行。

扶禾鏈及履帶均采用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其電能來(lái)源于汽油發(fā)電機(jī)增程器。扶禾鏈用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)十分簡(jiǎn)單，且便于調(diào)速，以適應(yīng)不同倒伏狀態(tài)及不同成熟度的水稻收獲[6]。行走部分設(shè)計(jì)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)，避免了使用差速器；理論上只要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn), 便可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑小，便于在狹小田塊上通行。

1.2履帶輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖2所示。左右履帶分別安裝在兩個(gè)獨(dú)立的滑動(dòng)導(dǎo)軌上。當(dāng)需要調(diào)整輪距時(shí)，先將履帶抬離地面，然后將緊定螺栓松開(kāi)，通過(guò)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿使立柱聯(lián)接梁在斜線方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)輪距的調(diào)整。固定導(dǎo)軌斜置，避免了在縮小輪距時(shí)，滑動(dòng)導(dǎo)軌與輸谷攪龍外殼發(fā)生干涉，同時(shí)又不至于使機(jī)器重心高度太大。

2履帶調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1輪距調(diào)整量

履帶輪距調(diào)節(jié)的各部分尺寸如圖3所示。

1)最大最小輪距為

Lmax=2[(l1+l2)cos30°+l3]-2(l4+l5)

Lmin=Lmax-2+l2cos30°

式中Lmax、Lmin—最大、最小輪距(mm)；

l1—滑動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度(mm)，l1=165；

l2—滑動(dòng)導(dǎo)軌行程(mm)，l2=135；

l3—滑動(dòng)導(dǎo)軌在最下位時(shí)與中心距離(mm)，l3=52；

l4—履帶寬(mm)，l4=120；

l5—滑動(dòng)導(dǎo)軌在最上位時(shí)履帶與邊緣距離(mm)，l5=42。

故Lmax=305mm，Lmin=72mm。

2)高度變化。由于采用斜置導(dǎo)軌的方式，因而在調(diào)整前后高度變化不應(yīng)過(guò)大，以免引起操作上的困難及重心不穩(wěn)?？s小輪距后重心抬高量為

H=l2sin30°=67mm

本機(jī)總體高度850mm，重心高度590mm。調(diào)寬時(shí)導(dǎo)致高度的變化很小，不會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。

3)適應(yīng)田埂寬。將履帶輪距縮小到最窄，則履帶邊緣尺寸即為適應(yīng)田埂寬度，有

B=Lmin+2l4=312mm

1.驅(qū)動(dòng)組件　2.立柱　3.緊定螺栓　4.固定導(dǎo)軌　5滑動(dòng)導(dǎo)軌

圖3　輪距調(diào)節(jié)

2.2電動(dòng)推桿設(shè)計(jì)

電動(dòng)推桿作為一種傳力機(jī)構(gòu)，在使用上較液壓缸更為簡(jiǎn)單。目前，電動(dòng)推桿的標(biāo)準(zhǔn)行程從100～400mm，級(jí)差為50mm，最大推力可達(dá)6 000N，空載速度為5～35mm/s。

1)行程確定。

安裝推桿的凸耳螺栓孔中心距：轉(zhuǎn)臂處于最上位時(shí)為140mm、處于最下位時(shí)270mm，行程130mm，選標(biāo)準(zhǔn)行程為150mm規(guī)格。

2)推力確定。

圖4為電動(dòng)推桿將轉(zhuǎn)臂提起時(shí)，要克服裝在轉(zhuǎn)臂上所有部分的質(zhì)量；將轉(zhuǎn)臂放下時(shí)，要克服整機(jī)質(zhì)量。

已知G1=280N，G2=970N，其余尺寸如圖4所示。

(a)　抬起轉(zhuǎn)臂　　　　　　　 (b)　抬起機(jī)器

經(jīng)計(jì)算，抬起轉(zhuǎn)臂時(shí)，電動(dòng)推桿拉力F1=481N；放下轉(zhuǎn)臂并抬起整機(jī)時(shí)，電動(dòng)推桿推力F2=371N。

據(jù)此，電動(dòng)推桿選擇行程150mm、推力500N的標(biāo)準(zhǔn)推桿。

3履帶驅(qū)動(dòng)底盤(pán)的設(shè)計(jì)

3.1牽引功率

本機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　收割機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.1.1收割機(jī)速度

1)作業(yè)速度為

vm1=S/3600b=0.185～0.32m/s

式中vm1—收割機(jī)作業(yè)速度(m/s)；

S—作業(yè)效率(m2/h)，本機(jī)S=400～700；

b—收割機(jī)割幅(m)。

2)收割機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)行駛速度為

本機(jī)設(shè)定為vm2=0.6m/s。

3.1.2牽引力

本機(jī)的移動(dòng)速度較低，空氣阻力可以忽略不計(jì)，因而只需考慮兩種工況下的牽引力。

1)上坡行駛工況，有

F1=fcosα+Gsinα=787.4N

式中F1—上坡行駛牽引力(N)；

G—收割機(jī)質(zhì)量(N)；

f—履帶行走機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)阻力系數(shù)。

不同路面下的滾動(dòng)阻力如表2所示[7]。按最大值0.15計(jì)算。

表2　不同土質(zhì)路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)

2)水平行駛工況，有

F2=GF=187N

式中F2—水平行駛牽引力(N)。

3.1.3牽引功率

P=Fvm/1000

式中P—履帶機(jī)構(gòu)的牽引功率(kW)。

1) 以作業(yè)速度上坡行駛，有

P1=F1vm1/1000=0.251kW

2)以最高車(chē)速水平行駛，有

P2=F2vm2/1000=0.112kW

故牽引功率P=max{P1,P2}=0.251kW。

3.2履帶選型

本機(jī)要求整機(jī)質(zhì)量輕，因此選用橡膠履帶，履帶花紋選用一字型。

1)履帶節(jié)距?？砂聪率焦浪鉡9]，有

2)驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)[10]為

Z′=60×1000vm/nt=12.8

式中Z′—估算的驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)；

n—與vm對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)速(r/min)，作業(yè)速度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速取為n=30。

實(shí)際采用的齒數(shù)Z>Z′，取偶數(shù)且便于加工時(shí)分度，故取Z=16。

3)驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑[10]為

式中D—驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑(mm)；

δ—履帶鋼絲層中心至履帶內(nèi)滾動(dòng)面距離(mm)，取δ=10mm。

4)履帶長(zhǎng)度。根據(jù)整機(jī)的設(shè)計(jì)要求，履帶主從動(dòng)輪中心距為L(zhǎng)0=485mm，水稻聯(lián)合收割機(jī)的履帶長(zhǎng)寬比λ=L0/b，一般λ=3～4[11]，選取b=120mm。

履帶周長(zhǎng)：L=2L0+D=1205mm。

4電路設(shè)計(jì)

相對(duì)傳統(tǒng)的純機(jī)械式驅(qū)動(dòng)，電驅(qū)式水稻聯(lián)合收割機(jī)的提出，主要是從轉(zhuǎn)向靈活、傳統(tǒng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單的角度出發(fā)，這與電動(dòng)汽車(chē)主要追求環(huán)保無(wú)污染不盡相同。

所謂電動(dòng)汽車(chē)，是指由車(chē)載儲(chǔ)能元件提供能源，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛的汽車(chē)，可分為純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)。為彌補(bǔ)純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程不足的問(wèn)題，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家首先提出了增程式純電動(dòng)汽車(chē)模式[5]，其基礎(chǔ)是純電動(dòng)汽車(chē)，但增加了一套能夠發(fā)電且能給蓄電池充電的裝置即增程器。當(dāng)蓄電池電能不足時(shí)，增程器工作，給蓄電池充電或直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的半喂入機(jī)型，主要追求質(zhì)量小，因而采用了將增程器發(fā)出的電能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作方式。增程器發(fā)出的電經(jīng)處理后為24V直流電。

4.1電機(jī)選擇

1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為

Pm=λP/η1η2=0.48kW

式中λ—過(guò)載系數(shù)[5]，取λ=1.2；

P—牽引功率；

η1—履帶的傳動(dòng)效率[8]，取η1=0.90；

η2—減速器的傳動(dòng)效率, 取單頭蝸桿傳動(dòng)η2=0.7[12]。

故每個(gè)電機(jī)功率為0.24kW，該功率值能滿足低速上坡及高速行駛的要求。

2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為

式中i—蝸桿減速器傳動(dòng)比，本機(jī)i=10。

故每個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩6.6N·m，該值能滿足最大上坡要求。因此，電機(jī)選用額定電壓為24V，額定功率為0.25kW，轉(zhuǎn)矩為6.6N·m的直流電機(jī)。

4.2電機(jī)調(diào)速

實(shí)際收割作業(yè)時(shí)，對(duì)扶禾鏈及履帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)都需要調(diào)速。扶禾鏈的速度在0.7～0.9m/s，以適應(yīng)不同倒伏狀態(tài)、不同成熟度的水稻收獲；履帶的行駛速度在0.3～0.6m/s之間，以適應(yīng)作業(yè)及轉(zhuǎn)運(yùn)的需求。

當(dāng)前直流電機(jī)最好的調(diào)速方式即脈寬調(diào)制，即PWM。采用該種方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速有兩優(yōu)點(diǎn)：

1)主要是通過(guò)改變輸出方波的占空比，使得負(fù)載上的平均接通時(shí)間從0～100%變化，以達(dá)到調(diào)整負(fù)載速度的目的。其好處是電源的能量能得到充分利用，電路的效率高；而采用常見(jiàn)的電阻降壓調(diào)速時(shí)，部分消耗在電阻的壓降及熱耗上。

2)采用PWM方式可以使負(fù)載在工作時(shí)得到滿電源電壓，有利于克服電機(jī)內(nèi)在的線圈電阻而使電機(jī)產(chǎn)生更大的力矩。

選用的調(diào)速器參數(shù)如下：

輸入電壓：12～40VDC

額定電流/A：8～20

負(fù)載功率/W：0～400

頻率/kHZ：13

脈沖調(diào)速范圍/%：10～100

4.3控制電路

本機(jī)的控制電路示意圖如圖5所示。其采用繼電器控制履帶電機(jī)的行走和轉(zhuǎn)向，避免過(guò)大電流直接進(jìn)入開(kāi)關(guān)造成觸點(diǎn)燒壞。

圖5　控制電路示意圖

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)，采用輪距可調(diào)技術(shù)，解決了田埂上行走問(wèn)題，可在310mm寬度的田埂上行駛；采用發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式驅(qū)動(dòng)，左右電機(jī)均為24V直流電機(jī)，額定功率0.25kW；電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右輪的方式解決了轉(zhuǎn)向靈活問(wèn)題，并省去了復(fù)雜的差速及傳動(dòng)系統(tǒng)；機(jī)器質(zhì)量控制在125kg以下。本機(jī)適用于山區(qū)、丘陵地區(qū)使用，田間試驗(yàn)即將開(kāi)展。

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Design of an Electrical Driven Semi-feed Rice Combine Harvester with Adjustable Wheel Distance Device

Yin Jian1, Chen Lan2, Huang Nianyue2, Xiao Longxiang1,Pan Yuanxiang1

(1.College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025,China; 2.Guizhou Aviation Co Limited,Anshun 561000,China)

Abstract：In order to realize mechanization of rice harvest, some key issues at the present rice combine harvesters must be solved such as heavy in weight, big in size and difficult in transportation.In the paper, the issues are solved from two aspects by means of adjustable wheel distance device and electrical driving system.The adjustable wheel distance makes it possible to drive on a lynch while electrical driven wheel to turn easily. In the paper, the major structures and relative calculations are presented and the control circuit is suggested.

Key words：rice combine harvester； semi-feed; electric driving； adjustable wheel distance

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0129-05

中圖分類號(hào)：S225.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：尹健(1962-)，男，貴陽(yáng)人，教授，工學(xué)碩士，(E-mail)yinjian100@qq.com。

基金項(xiàng)目：貴州省科技廳農(nóng)業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(黔科合NZ字[2013]3020)

收稿日期：2015-02-24