蔡 毅，張寶珍，樊軍慶，張志強(qiáng)，劉 磊

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

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一種平臺(tái)式劍麻收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

蔡 毅，張寶珍，樊軍慶，張志強(qiáng)，劉 磊

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

本設(shè)計(jì)從劍麻本身的特征以及劍麻種植的規(guī)模著手，結(jié)合目前農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了劍麻機(jī)械化收獲。該機(jī)主要由工作平臺(tái)、分葉機(jī)構(gòu)、割葉機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件組成，依據(jù)其工作平臺(tái)軌道、分葉爪及割葉刀具等主要結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了具體參數(shù)設(shè)計(jì)。該機(jī)解決了劍麻收割費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，填補(bǔ)了國內(nèi)機(jī)械化收割劍麻的空白，對(duì)推動(dòng)劍麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。

劍麻收獲；工作平臺(tái)；分葉爪；割葉刀具；液壓系統(tǒng)

0 引言

劍麻，是一種常見的龍舌蘭屬植物，麻莖短粗，麻葉呈蓮座式排列，一般在開花之前，每株劍麻可以長葉約200～250片，其葉剛直、肉質(zhì)且呈劍型，是當(dāng)今世界用量最大和范圍最廣的多年生葉硬質(zhì)纖維作物。劍麻不僅可以應(yīng)用于漁航、工礦、運(yùn)輸、裝飾材料等各種規(guī)格繩索，而且還有很重要的藥用價(jià)值[1]。

劍麻的加工無論初加工還是深加工，均有相應(yīng)的機(jī)械研究成果，并且投入了實(shí)用當(dāng)中[2]。劍麻目前的收獲方式還是人力收獲，效率特別低。劍麻的割葉不僅要保證留葉的數(shù)量，還要保證不要損害未成熟葉片的葉基，否則會(huì)影響劍麻的再生長，影響劍麻下一季收割的產(chǎn)量。劍麻的葉基排列并不是均勻地圓弧線排列，而是呈累疊式排列，加大了機(jī)械化收割的難度。

華南熱機(jī)化所潘煜榮[3]的設(shè)計(jì)構(gòu)思包含底盤、組合平行四桿機(jī)構(gòu)和工作頭3部分，采用拖拉機(jī)牽引工作。其工作頭裝有沿圓弧軌跡運(yùn)行的刀鋸，可以完成一定數(shù)量的葉片切割工作。國外專門設(shè)計(jì)的車驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀架從整排劍麻上面行駛而過，刀架可以左右移動(dòng)以改變半徑來切割麻葉，操作人員可以在車上面就對(duì)劍麻收割進(jìn)行操作，省力而且效率也會(huì)有提高[4]。該設(shè)計(jì)仍然采用刀具由下向上割葉，不能避免損害劍麻葉基。

針對(duì)以上不足[5]，設(shè)計(jì)了機(jī)械收割平臺(tái)，由拖拉機(jī)牽引，平臺(tái)上安裝的分葉機(jī)構(gòu)可把未成熟的麻葉收攏包裹成圓柱狀，由割葉機(jī)構(gòu)控制旋轉(zhuǎn)刀鋸的運(yùn)動(dòng)軌跡，從上往下割葉，保證劍麻葉基的安全。該劍麻收獲機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)促進(jìn)劍麻產(chǎn)區(qū)的機(jī)械化收獲有很好的借鑒價(jià)值。

1 劍麻收獲機(jī)的總體設(shè)計(jì)

劍麻收獲機(jī)包括工作平臺(tái)軌道、分葉機(jī)構(gòu)及割葉機(jī)構(gòu)；工作平臺(tái)承載分葉機(jī)構(gòu)和割葉機(jī)構(gòu)，用拖拉機(jī)牽引工作，如圖1所示。

1.平臺(tái)升降液壓缸 2.工作平臺(tái) 3.支撐架 4.同步液壓缸組1 5.中心液壓缸 6.板1 7.板2 8.中心主軸 9.板3 10.刀架 11.環(huán)形刀具 12.分葉手

當(dāng)操作者準(zhǔn)確定位一株劍麻后，分葉機(jī)構(gòu)先把未成熟的麻葉收攏包裹成圓柱狀與成熟的麻葉分開，然后利用液壓缸推出圓筒式刀鋸；當(dāng)分葉機(jī)構(gòu)把麻葉分開之后，圓環(huán)刀具在液壓缸的推動(dòng)下直接將麻葉“沖割”下來，即可完成麻葉的切割。

工作原理：首先，中心液壓缸向下推出分葉機(jī)構(gòu)，并把未成熟的麻葉抱攏與成熟麻葉分開；然后，液壓缸組2推出，向下推出所有行程，把板2向下移動(dòng)其行程的距離；接著，液壓缸1推出，向下推動(dòng)板3，板3推著刀架完成麻葉的切割。切割之后，液壓缸組1向上回退其行程距離，板3恢復(fù)到原來位置；然后，液壓缸組2回退其行程距離，板2也回到原來位置；最后，中心液壓桿也回退其行程距離，使分葉機(jī)構(gòu)也回到原來位置，完成了一株劍麻的收割；接著在工作平臺(tái)上移動(dòng)機(jī)器，進(jìn)行下株劍麻的割葉工作。

分葉機(jī)構(gòu)通過支撐架聯(lián)接到工作平臺(tái)上工作。該設(shè)計(jì)采用了兩組同步液壓缸和一個(gè)中心液壓缸，通過3塊板把割葉動(dòng)作分成兩次向下運(yùn)動(dòng)。板1固定在支撐架上，作為相對(duì)固定的一層；板1上固定有液壓缸組2和中心液壓缸，使其也相對(duì)固定不動(dòng)。液壓缸組2的推出桿聯(lián)接著板2，控制板2的運(yùn)動(dòng)；板2上固定有中心主軸和液壓缸組1，液壓缸組2通過控制板2來控制中心主軸和液壓缸組1的位置。液壓缸組1的推出桿聯(lián)接著板3；板3上聯(lián)接著刀架，且板3套在中心主軸上，以中心主軸為導(dǎo)向軸上下運(yùn)動(dòng)。液壓缸組1通過控制板3來控制刀架以及環(huán)形刀具上下割葉運(yùn)動(dòng)。中心液壓缸的推出桿聯(lián)接著分葉機(jī)構(gòu)的推桿，控制分葉機(jī)構(gòu)的張開收攏與上下運(yùn)動(dòng)。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 工作平臺(tái)軌道設(shè)計(jì)

目前，劍麻的種植密度應(yīng)根據(jù)土壤、氣候、地勢(shì)、栽培管理水平及機(jī)械化程度來定，既要充分利用土地提高產(chǎn)量，又要方便管理、收割和運(yùn)輸。劍麻的種植分為單行和雙行，目前推廣的是雙行種植，這樣不僅單位面積植株數(shù)多、產(chǎn)量高，而且方便管理[6]。目前，各地區(qū)麻地采用的行距有：3.24+1.2×1.2(大行距3.24m，劍麻雙行種植圖小行距1.2m，株距1.2m)，每公頃種植3 750株；3.5+1.2×1.14，每公頃種植3 750株；3.5+1×1，每公頃種植296株。一般大行距采用3～3.5m，小行間距及株距采用1～1.2m，每公頃種植3 750～4 995株比較適合。本設(shè)計(jì)采用間距為3.5+1.2×1.2，每公頃種植3 750株的方案，采用雙行種植，如圖2所示。

圖2 劍麻種植間距

根據(jù)劍麻的種植密度及株行距，本設(shè)計(jì)采用一次收割多株的工作形式，即在工作平臺(tái)上依照劍麻位置設(shè)置固定工作位若干[7]。拖拉機(jī)牽引工作平臺(tái)一個(gè)工作距離后，各工作位進(jìn)行微調(diào)，對(duì)待收割劍麻進(jìn)行人工定位，故需要在工作平臺(tái)安裝前后左右各兩條軌道以滿足要求。工作臺(tái)軌道設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 平臺(tái)軌道設(shè)計(jì)

沿劍麻種植方向在大平臺(tái)上安裝兩排軌道，以實(shí)現(xiàn)收割機(jī)械的前后移動(dòng)定位。本設(shè)計(jì)采用輕型軌道YB222-63：材質(zhì):Q235，55Q；規(guī)格24kg/m。長軌道上設(shè)有小平臺(tái)，小平臺(tái)上橫向安裝短導(dǎo)軌，以滿足收割機(jī)械的左右移動(dòng)。軌道輪選取型號(hào)X05，厚度55mm，直徑80mm，材質(zhì)鑄鐵，最大載荷800kg。

2.2 分葉爪的設(shè)計(jì)

采用雨傘骨架的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)一個(gè)像雨傘那樣可以張開合攏的機(jī)構(gòu)，利用液壓缸提供動(dòng)力控制其展開與合攏，把不用收割的麻葉合攏包聚在一起與要收割的麻葉分開。分葉爪具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 分葉手結(jié)構(gòu)圖

撐桿是用來支撐分葉機(jī)構(gòu)的，控制分葉爪的位置與張開合攏功能。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，撐桿的長度設(shè)計(jì)為195cm、直徑為2cm的圓柱桿。其頂端焊接有一個(gè)直徑8cm、厚度1cm的法蘭盤，用于與中心液壓缸推出桿聯(lián)接。底端用螺栓聯(lián)接一個(gè)專門設(shè)計(jì)的套，用于控制“手”的工作，包括8條直臂和8條彎臂及1個(gè)滑動(dòng)套和1個(gè)固定套。在設(shè)計(jì)上，根據(jù)目前已有數(shù)據(jù)，先設(shè)計(jì)為合攏時(shí)包攏直徑為40cm，展開時(shí)直徑可達(dá)80cm。為了保證可以把麻葉完全包住，設(shè)計(jì)為張開時(shí)形成兩個(gè)半徑不同的圓，直徑分別為80cm和70cm。彎臂有長臂和短臂，長臂與彎臂垂直，臂寬2cm，厚1cm，長臂長50cm，短臂長145cm；直臂長30cm，分為大端和小端，大端要與彎臂聯(lián)接，小端與滑套聯(lián)接；彎臂長臂末端是直徑為40cm圓環(huán)的1/4，這樣當(dāng)臂合攏時(shí)就能把麻葉聚攏。

2.3 割葉刀具的設(shè)計(jì)

刀座要安裝環(huán)形刀刃，因此刀座設(shè)計(jì)為兩個(gè)對(duì)稱的圓弧形法蘭盤，刀刃設(shè)計(jì)為圓環(huán)形刀，刀刃鋒利，用M10螺桿聯(lián)接在刀座上，刀座再與刀架聯(lián)接。環(huán)形刀刃外徑為51cm，內(nèi)徑為47cm，總長18cm，除了楔形刀刃，長8cm，如圖5所示。

圖5 刀座、刀刃組裝

2.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需要選取5個(gè)液壓缸，分別是兩兩同步的液壓缸組1和液壓缸組2及中心液壓缸。根據(jù)每塊板所要承受載荷的大小分析，液壓缸組2受到的載荷最大，液壓缸組1其次，中心液壓缸最小。其具體大小有待實(shí)驗(yàn)考究[8]。液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 液壓系統(tǒng)原理圖

用行程開關(guān)控制的多缸順序動(dòng)作，按啟動(dòng)按鈕，使1YA得電，換向閥5左位工作，缸12(中心液壓缸)的活塞向上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)中心液壓缸推出動(dòng)作;到頂端端后，缸12推出桿觸碰行程開關(guān)2s，使1YA斷電、3YA得電，換向閥6左位工作，壓力油進(jìn)入缸13、14(同步液壓缸組1)的無桿腔，其活塞上移，實(shí)現(xiàn)缸組1推出動(dòng)作;到頂端后，缸13的推出桿觸碰到行程開關(guān)4s，使電磁鐵3YA斷電，5YA得電，換向閥7左位工作，壓力油進(jìn)入缸16、17(同步液壓缸組2)的無桿腔，其活塞上移，實(shí)現(xiàn)同步液壓缸組2推出動(dòng)作。到行程端點(diǎn)后，缸16的推出桿觸碰到行程開關(guān)6s，使電磁鐵5YA斷電、6YA得電，換向閥7右位工作，壓力油進(jìn)入缸16、17的有桿腔，其活塞下移，實(shí)現(xiàn)液壓缸組2收回動(dòng)作；到行程端點(diǎn)后，缸16達(dá)到壓力觸碰到行程開關(guān)5s,使電磁鐵6YA斷電、4YA得電，換向閥6右位工作，缸13、14的活塞退回，實(shí)現(xiàn)同步液壓缸組1收回動(dòng)作；到行程端點(diǎn)后，缸13的推出桿觸碰到行程開關(guān)3s，使電磁鐵4YA斷電，2YA得電，換向閥1右位工作，缸12的活塞向下退回，實(shí)現(xiàn)中心液壓桿收回動(dòng)作。中心液壓缸到左端后，缸12的推出桿觸碰到行程開關(guān)1s，使電磁鐵2YA斷電，即完成了一次順序動(dòng)作，重新按開關(guān)按鈕，即可進(jìn)入下一次順序動(dòng)作。此處實(shí)現(xiàn)液壓缸同步采用了兩個(gè)相同的液壓馬達(dá)剛性連接，通過液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)其同步，同步精度可達(dá)到95%以上[9]。

具體參數(shù)設(shè)計(jì)[10]如下：

1)液壓缸。綜合數(shù)據(jù)及工作要求，選取TG型伸縮式套筒液壓缸，型號(hào)2TGV-E80×2200，伸出套筒外徑80/60mm，總行程2 200mm，安裝中心距1 500mm，額定壓力16MPa；理論最大推力為首級(jí)78.45kN，末級(jí)44.13kN。

2)液壓泵。確定液壓泵實(shí)際所需工作壓力：

管路的局部壓力損失一般取0.5～1.5MPa，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局未定之前，可用局部損失代替總的壓力損失，先選取總壓力損失Δpt=1MPa，則泵的實(shí)際工作壓力計(jì)算為

pp=p+Δp=17MPa

根據(jù)平臺(tái)上升下降速度要求4m/min，所需最大流量為

選取液壓系統(tǒng)的泄露系數(shù)kl=1.1，則所需輸入流量為

qp=klqmax=12.44L/min

所以，4個(gè)液壓缸總流量約為50L/min，并考慮到壓力損失，選擇63MCY14-1B型柱塞泵。

選取液壓泵的總效率為η=0.8，則所需的液壓泵的最大功率為

3)同步閥。根據(jù)選取液壓缸的壓力流量需求選擇分流-集流自調(diào)式同步閥，可以雙向同步，且能自動(dòng)減少或消除誤差。一級(jí)分流集流閥為FJL-B20H，二級(jí)分流閥為FJL-B10H。

4)油管及油箱。查鋼管的公稱通徑、外徑以及壁厚，連接螺紋和推薦流量表。在液壓泵的出口，按流量60L/min，查表取管路通徑為ф12.6,；在液壓泵的入口，選擇較粗的管道，選取管徑ф15.5；一級(jí)分流集流閥出口油管按流量20L/min，選取管徑ф10.3，其他油管按流量12.44L/min，查表取ф8.5。

油箱的容量一般取泵流量的3～5倍，本設(shè)計(jì)取4倍，其有效容積為

Vt=4qp=240L

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

2014年9月，在海南省昌江縣十月田鎮(zhèn)劍麻種植基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，配套動(dòng)力為一臺(tái)18kW拖拉機(jī)，試驗(yàn)作業(yè)面積0.2hm2,測試結(jié)果如表2所示。

田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該平臺(tái)式劍麻收獲機(jī)在收獲兩行種植的劍麻時(shí)，可滿足機(jī)械化收割劍麻葉片的設(shè)計(jì)要求，割葉數(shù)、留葉數(shù)及葉基留長量都達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且很好地降低了劍麻葉基的損傷率，達(dá)到使用要求。

表2 平臺(tái)式劍麻收獲機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

基于劍麻機(jī)械化收獲程度低的問題，設(shè)計(jì)了一種平臺(tái)式劍麻收獲機(jī)，對(duì)工作平臺(tái)軌道、分葉機(jī)構(gòu)及割葉機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)液壓系統(tǒng)等控制部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。該劍麻收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)了劍麻收獲的機(jī)械化，在不影響劍麻再生產(chǎn)能的前提下，大幅節(jié)省了人力，尤其適用于大規(guī)模種植區(qū)使用。但是，由于該機(jī)器需要人工對(duì)劍麻位置進(jìn)行定位，因此接下來可以在對(duì)劍麻精確定位方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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Design of Platform-type Sisal Harvesting Machine

Cai Yi, Zhang Baozhen, Fan Junqing, Zhang Zhiqiang, Liu Lei

(Mechanic and Electronic Engineering,Hainan University,Haikou 570228,China)

This design started from the characteristics of sisal and sisal planting scale, combined with the design concept of the agricultural machinery, realized the mechanization of sisal harvest. This machine is mainly composed of key parts such as working platform,leaf separating mechanism,leaf cutting mechanism and hydraulic control system, and so on .determined the main structure and working principle of orbit of the machine work platform,leaf claw, leaf cutting tools, designed the specific parameters of hydraulic system. The design of machine solved the problem of sisal harvest time consuming.To fill the gaps in the domestic mechanical harvesting of sisal,it is great significance to promoting the development of sisal industry.

sisal harvest; working platform; leaf claw; leaf cutting tool; hydraulic system

2016-04-22

海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20155205)

蔡 毅(1991-)，男，湖南沅江人，碩士研究生，(E-mail)13876544229@163.com。

張寶珍(1969-)，女，河北唐山人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)baozhen-zh@163.com。

S225.91+3

A

1003-188X(2017)05-0155-04