施印炎，章永年，汪小旵，Morice O.Odhiambo，孫國祥

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南京 210031)

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基于Pro/E的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)設(shè)計(jì)

施印炎，章永年，汪小旵，Morice O.Odhiambo，孫國祥

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南京 210031)

針對(duì)目前莖葉類蔬菜收獲鋪放難、強(qiáng)度大的實(shí)際問題，研制了一種莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)了莖葉類蔬菜收獲的有序切割、有序輸送及有序收集。為此，論述了收獲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，分析確定了切割裝置、輸送裝置、收集裝置等關(guān)鍵部件的主要結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)；應(yīng)用Pro/E的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能建立收獲機(jī)各零部件三維實(shí)體模型，通過約束裝配完成虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，進(jìn)行模型仿真驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：所研制的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)結(jié)構(gòu)合理、輕簡(jiǎn)、新穎，各零部件之間不存在干涉現(xiàn)象，能滿足莖葉類蔬菜有序收獲的要求，提高了生產(chǎn)效率，為莖葉類蔬菜有序收獲要求提供了一種解決思路。

有序收獲；模型仿真；莖葉類蔬菜；有序收獲機(jī)

0 引言

近年來，我國蔬菜產(chǎn)量、產(chǎn)值均超糧食，成為我國第一大農(nóng)產(chǎn)品。隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化的要求越來越迫切。根據(jù)收獲蔬菜部位的不同，蔬菜收獲機(jī)械可以分為葉菜類收獲機(jī)、根菜類收獲機(jī)和果菜類收獲機(jī)等。中國是葉菜類蔬菜生產(chǎn)種類和品種最為豐富的國家，葉菜類占蔬菜生產(chǎn)總量的30%～40%(由于生產(chǎn)條件、市場(chǎng)需求等差異，各地區(qū)葉菜類蔬菜生產(chǎn)面積和產(chǎn)量差異較大)，我國消費(fèi)者喜愛葉菜類蔬菜，素有“三天不見青，兩眼冒金星”的說法[1-2]。在蔬菜生產(chǎn)作業(yè)中，收獲作業(yè)約占整個(gè)作業(yè)量的40%。由于蔬菜收獲的復(fù)雜性，我國的蔬菜收獲作業(yè)基本依靠人工完成，勞動(dòng)力緊缺、機(jī)械化水平低已經(jīng)成為葉菜類蔬菜生產(chǎn)發(fā)展的制約因素[3-5]。

由于設(shè)施蔬菜種植品種中，多數(shù)莖葉類蔬菜(如蘆蒿、芹菜、莧菜等)是需要有序收獲，而莖葉類蔬菜有序收割存在用工量大、成本高、生產(chǎn)效率低等弊端，并增加了收獲機(jī)械的收獲難度和適應(yīng)性，導(dǎo)致我國目前研制的葉類蔬菜收獲機(jī)實(shí)用性不強(qiáng)，只幾種較容易收獲的葉類蔬菜能實(shí)現(xiàn)實(shí)施無序收獲機(jī)械化作業(yè)。

這些產(chǎn)品沒有很好的適應(yīng)眾多類型的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)需求，因此并未得到大面積的推廣使用[6-8]。

針對(duì)目前我國葉菜收獲機(jī)具存在的問題，本文研制了一種葉類蔬菜莖葉兼收、電動(dòng)高效、自走式有序收獲機(jī)具，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、合理，工作效率高，適合推廣，改善了現(xiàn)有蔬菜收獲機(jī)械的不足，對(duì)我國設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

1 收獲機(jī)結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文新設(shè)計(jì)的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)主要由機(jī)架、撥禾裝置、切割裝置、傾斜立式輸送裝置、臥式輸送裝置、轉(zhuǎn)向裝置、收集裝置、行走裝置、電控系統(tǒng)及電池等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.底盤 2.行走輪 3.擺動(dòng)軸 4.機(jī)架 5.臥式輸送裝置 6.第1主動(dòng)帶輪 7.蝸輪 8.蝸桿 9.轉(zhuǎn)向裝置 10.張緊支撐裝置 11.電動(dòng)推桿 12.電池 13.扶禾裝置 14.仿形輪 15.第1從動(dòng)帶輪 16.立式輸送帶 17.切割裝置 18.撥禾裝置圖1 蘆蒿有序收獲機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of orderly harvester in stems-leafy vegetables

1.2 工作原理

研制的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)為純電動(dòng)無污染、自動(dòng)仿形、割茬高度可調(diào)、自走式智能有序收獲機(jī)，收獲幅寬為1m，撥禾裝置將作物分為3行收獲，整體機(jī)架為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，與地面呈一定夾角。具體工作過程和原理如下：機(jī)器作業(yè)前，整體傳動(dòng)裝置固接于自行走底盤上，電動(dòng)推桿調(diào)節(jié)機(jī)架與地面的角度，調(diào)整好切割裝置的離地高度，即割茬的高度控制。在整機(jī)前進(jìn)的過程中，撥禾裝置將葉菜作物分為3行收獲，立式輸送裝置通過輸送帶先將葉菜豎立夾持，傾斜向上輸送至切割裝置的切割刀進(jìn)行切割；葉菜往上輸送過程中，扶禾裝置對(duì)作物進(jìn)行輔助扶持作用，防止葉菜傾倒雜亂；支撐張緊裝置將立式輸送帶張緊，防止傳輸過程中作物掉落；作物輸送至上端轉(zhuǎn)向裝置，作物根部被絆住，葉菜倒向后下部的臥式輸送裝置，輸送帶將作物平躺著有序地輸送至兩端的收集筐。整個(gè)輸送過程滿足對(duì)蔬菜收獲的有序切割、有序輸送及有序收集，實(shí)現(xiàn)了葉菜的有序收獲。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)為全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制、無污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。根據(jù)對(duì)象作物的種植農(nóng)藝要求以及同類機(jī)型相關(guān)技術(shù)參數(shù)，其整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of orderly harvester in stems-leafy vegetables

2 收獲機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 切割裝置

切割裝置的作用是在收獲機(jī)具行走過程中切割待收獲作物，是作物收獲的首道工序，直接影響收獲機(jī)后續(xù)的收獲過程及整個(gè)收獲效果。通常設(shè)計(jì)切割裝置時(shí)可選擇旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式割刀，兩者各有利弊。收獲時(shí)，往復(fù)式割刀以其割幅較寬，剪切力均勻，無鋸齒，可獲得較好的收獲質(zhì)量。其割茬平齊、不產(chǎn)生割碎作物的現(xiàn)象及工作效率高等特點(diǎn)已成為主流[9-11]。本設(shè)計(jì)采用雙動(dòng)刀往復(fù)式切割器，兩組刀片反方向切割，動(dòng)平衡性優(yōu)越，刀片往復(fù)次數(shù)多，作業(yè)速度快，工作效率高。

切割裝置的工作動(dòng)力由直流無刷電機(jī)輸入，轉(zhuǎn)速可調(diào)，電機(jī)額定電壓48VDC，額定功率為300W，額定轉(zhuǎn)速為3 000r/min，額定扭矩為1N·m。往復(fù)式切割機(jī)構(gòu)主要由上、下動(dòng)刀片和偏置式同軸雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其動(dòng)刀片行程S=20mm,上，下動(dòng)刀片間隙通過螺釘調(diào)節(jié)，保證間隙§≤0.5；采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)保證割刀良好的受力情況，動(dòng)刀為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，工作平穩(wěn)、振動(dòng)小、空間占地較小，機(jī)構(gòu)緊湊，可延長割刀的使用壽命[12]。電機(jī)軸輸出動(dòng)力通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)偏心曲柄帶動(dòng)上動(dòng)刀直線移動(dòng)；另一個(gè)偏心曲柄帶動(dòng)下動(dòng)刀直線移動(dòng)。兩個(gè)偏心曲柄偏心方向相差 180°，保證兩上、下動(dòng)刀在任一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)方向正好相反，完成切割過程。

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》可知：農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械切割刀結(jié)構(gòu)參數(shù)(見圖2)主要包括：刀片兩端寬度c和d、切割角α(即刃線傾角)及刃部高度h。其中，切割角α是切割刀片的一個(gè)重要參數(shù)，既影響切割阻力的大小，又決定能否夾住蔬菜莖稈保證可靠的切割[12-14]，與其它參數(shù)關(guān)系式為

(1)

根據(jù)滑切速度公式V1=V.sinα(V為刀片運(yùn)動(dòng)速度)，當(dāng)切割角α由20°增至60°時(shí)，刀片相對(duì)于蔬菜莖稈的滑切速度V1增大，切割阻力減??；若切割角α過大將引起切割時(shí)蔬菜莖稈沿刃線向外滑動(dòng)，無法保證可靠切割。所以，要保證在夾住蔬菜莖稈的基礎(chǔ)上，選擇較大的切割角α。本文設(shè)計(jì)的切割角α取為30°，符合切割刀片夾持蔬菜莖稈條件[18]，根據(jù)式(1)取刀片寬度c=28mm，d=5mm，刃部高度h=20mm。

1.偏心雙曲柄機(jī)構(gòu) 2、3.上、下動(dòng)刀片 4. 調(diào)節(jié)螺釘圖2 切割裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)圖Fig.2 Structure and parameter diagram of cutting device

2.2 傾斜立式輸送裝置

傾斜立式輸送裝置的結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)架、3對(duì)立式皮帶傳動(dòng)及6對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)(蝸桿同軸)等部件，如圖3所示。其主要功能是先將蔬菜莖稈豎立夾持，傾斜向上有序輸送至切割裝置的刀口進(jìn)行切割，而后夾持蔬菜繼續(xù)往上有序輸送。傾斜立式輸送裝置的動(dòng)力由電機(jī)軸輸出，轉(zhuǎn)速可調(diào)，通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪與帶傳動(dòng)的主動(dòng)輪同軸，從而使帶傳動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。選用直流無刷電機(jī)額定電壓48VDC，額定功率為300W，額定轉(zhuǎn)速為2 000r/min，額定扭矩為1.5N·m。根據(jù)所設(shè)計(jì)的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)以及帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求選擇平帶傳動(dòng),帶寬B=50mm，帶長L=2 500mm，兩帶輪直徑相等，節(jié)圓直徑d=140mm, 傳動(dòng)比i=1,初定軸中心距a=1 000mm。

1.帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 2. 蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3. 支撐張緊裝置 4.扶禾裝置 5. 同步帶 6.切割裝置 7.撥禾裝置圖3 輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of transmission device

有序輸送過程中輸送帶夾持位置中心應(yīng)在蔬菜莖稈質(zhì)心的下方，質(zhì)心上端通過扶禾裝置扶持，以保證作物有序輸送。若蔬菜莖稈已切割部分長度為L，其質(zhì)心位置一般在頂部向下的1/3處[13-16]， 蔬菜莖稈理論受力分析如圖4所示。

圖4 蔬菜莖稈夾持受力分析圖Fig.4 Force analysis diagram of vegetables clamped

圖4中：G為作物本身重力；F為輸送帶對(duì)作物的支持力；P為輸送帶對(duì)作物傾斜向上的輸送動(dòng)力。根據(jù)圖4中的受力分析可得方程式為

其中，θ為輸送帶傾斜角度。由上述方程組可知：輸送帶對(duì)作物莖稈的支持力F以及輸送力P都與輸送帶傾角θ有關(guān)。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，傾角過大或過小，都會(huì)影響后序的蔬菜有序收獲效果，本設(shè)計(jì)選取輸送帶安裝傾角為 10°～20°。

2.3 轉(zhuǎn)向裝置

轉(zhuǎn)向裝置的主要功能是將立式輸送帶傳送過來的作物莖稈先絆倒后脫離帶的夾持，實(shí)現(xiàn)蔬菜作物換向，由豎立式轉(zhuǎn)為平躺臥式。其結(jié)構(gòu)主要就是一根細(xì)長方桿，且正對(duì)蔬菜輸送方向全部倒圓角，防止損傷蔬菜莖稈。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，有序收獲機(jī)的收獲幅寬為1m，則選取轉(zhuǎn)向桿長度L=1m。在收獲作業(yè)過程中，輸送帶將作物傾斜輸送至上端轉(zhuǎn)向桿處，作物根部被轉(zhuǎn)向桿絆住，瞬時(shí)速度為0，停止運(yùn)動(dòng)；而作物上部輸送帶繼續(xù)傳送，將葉菜倒向后下部的臥式輸送帶上，實(shí)現(xiàn)輸送過程中蔬菜作物的轉(zhuǎn)向。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要條件是要使作物莖稈轉(zhuǎn)向順利，不能造成雜亂阻塞。經(jīng)輸送帶輸送的蔬菜莖稈接觸到轉(zhuǎn)向桿時(shí)，假想為完全非彈性接觸，莖稈下端和轉(zhuǎn)向桿保持相對(duì)靜止，在莖稈質(zhì)心上端必須有一逆時(shí)針力矩才可使作物莖稈實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向過程[17]，此力矩則由輸送帶對(duì)作物的輸送力產(chǎn)生，受力分析如圖5所示。

圖5 蔬菜莖稈轉(zhuǎn)向受力分析圖Fig.5 Force analysis diagram of vegetables turning

根據(jù)上述分析，輸送帶夾持作物莖稈可順利轉(zhuǎn)向的條件為

aN2cosθ-af2sinθ>0

(2)

其中，θ為輸送力法線與水平方向的夾角；a為作物底端到作物質(zhì)心的距離；G為作物本身重力；N1為臥式輸送帶對(duì)作物的支持力；f1為輸送帶對(duì)作物的摩擦反力；N2為立式輸送帶對(duì)作物的輸送力；f2為轉(zhuǎn)向桿對(duì)作物的摩擦力?？梢钥闯觯狠斔土εc水平方向的夾角直接影響蔬菜莖稈轉(zhuǎn)向是否順利?？梢娸斔蛢A角θ是本莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，前文已做選取。

2.4 臥式輸送裝置

臥式輸送裝置是將轉(zhuǎn)向鋪放在輸送帶上的蔬菜作物有序地輸送至兩端的收集筐，其輸送動(dòng)力由直流無刷電機(jī)提供，轉(zhuǎn)速可調(diào)，電機(jī)額定電壓48VDC，額定功率為100W，額定轉(zhuǎn)速為1 000r/min，額定扭矩為1N·m。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，有序收獲機(jī)割幅為1m、輸送帶寬B=30mm，帶長L=1 800mm，兩帶輪直徑相等，帶輪直徑d=76mm,傳動(dòng)比i=1,初定軸中心距a=800mm。

2.5 其他結(jié)構(gòu)裝置

傾角調(diào)節(jié)裝置由兩個(gè)電動(dòng)推桿組成，對(duì)稱安裝，通過改變電動(dòng)推桿的行程大小調(diào)節(jié)立式輸送裝置的傾角θ；撥禾裝置是由6根經(jīng)過折彎變形的細(xì)長型材組裝，分成3對(duì)，兩兩配合，在收獲幅寬1m內(nèi)將葉菜作物分為3行收獲；扶禾裝置的功能是對(duì)作物進(jìn)行輔助扶持作用，防止葉菜傾倒雜亂無序，不利于有序收獲；支撐張緊裝置主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜立式輸送裝置輸送帶的支撐作用，通過改變圓筒直徑，也可實(shí)現(xiàn)帶傳動(dòng)的張緊度調(diào)節(jié)。

3 三維實(shí)體建模與仿真

Pro/ENGINEER Wildfire軟件因其參數(shù)化強(qiáng)大、建模功能豐富等特點(diǎn)，而成為機(jī)械設(shè)計(jì)建模的首選[18]。根據(jù)以上分析確定的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，選用Pro/E軟件建立莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)的三維實(shí)體模型，如圖6所示，相關(guān)尺寸與實(shí)際樣機(jī)尺寸相一致。根據(jù)零件間的幾何關(guān)系以及相應(yīng)的自由度約束，選擇適當(dāng)連接類型(剛性、銷釘、圓柱、球、焊接等)裝配零部件，然后導(dǎo)入Pro/Mechanism環(huán)境進(jìn)行運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真以及干涉檢查，確保所研制的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)零部件設(shè)計(jì)和裝配合理。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)相關(guān)零部件參數(shù)選取符合設(shè)計(jì)要求，各零部件之間運(yùn)動(dòng)不存在干涉現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)莖葉類蔬菜有序收獲，為該種同類有序收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

圖6 莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)三維圖Fig.6 3D solid model of orderly harvester in stems-leafy vegetables

4 結(jié)論

1)針對(duì)現(xiàn)有的蔬菜收獲機(jī)械收獲作業(yè)雜亂無序的現(xiàn)狀，通過零部件設(shè)計(jì)、三維模型的建立、樣機(jī)的試制及虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)的仿真分析，成功研制了一款莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)。

2)選用功能強(qiáng)大的Pro/E軟件對(duì)葉菜有序收獲機(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)的建模、仿真，優(yōu)化了有序收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，提高了整機(jī)的設(shè)計(jì)效率，縮短了整機(jī)設(shè)計(jì)周期，保證了整機(jī)的設(shè)計(jì)精度。

3)所研制的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)顯著特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①整機(jī)動(dòng)力都是純電動(dòng)，且各執(zhí)行電機(jī)根據(jù)不同收獲條件轉(zhuǎn)速可調(diào)，環(huán)保無污染，工作效率高；②有序收獲機(jī)割茬高度在10～200mm范圍內(nèi)可調(diào)，可適應(yīng)不同種類的莖葉類蔬菜的收獲作業(yè)，收獲對(duì)象廣；③底盤小車具有自行走功能，以PLC為控制器主體，通過觸摸顯示屏或者旋鈕控制機(jī)器收獲作業(yè)，減小人力勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本；④本機(jī)既能夠滿足莖葉類蔬菜收獲作業(yè)中有序切割、有序輸送、有序收集，又能保證機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單合理，同時(shí)還能減少輸送過程中造成的雜亂、破損，并能提高葉菜有序收獲的作業(yè)效率。

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Design of Orderly Harvester in Stems-leafy Vegetables Based on Pro/E

Shi Yinyan, Zhang Yongnian, Wang Xiaochan, Morice O. Odhiambo, Sun Guoxiang

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China)

Aiming at recent actual problems of laying difficult, high cost,low efficiency and big intensity on stems-leafy vegetables harvesting, a harvester in stems-leafy vegetables was developed, which realized the stems-leafy vegetables harvesting orderly cutting, orderly delivery and orderly collecting.The basic structure and working principle of the harvester was discussed, main structure and key parameters of key components were analyzed to determine in cutting device, transmission device, collection device and so on.AndPro/e with parametric design function was applied to establish 3D entity model of harvester, completed virtual prototype design through the constraint assembly,achieved model simulation verify. The results showed that this harvester reasonably structured and novel，and there was no interference between each component, which met the requirements of harvesting orderly in stems-leafy vegetables, improved the production efficiency, provided a solution of harvesting orderly in stems-leafy vegetables．

orderly harvest; model simulation; stems-leafy vegetables; orderly harvester

2016-03-04

江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程-項(xiàng)目(NJ2014-08);江蘇省科技廳現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)示范類項(xiàng)目(BE2015334)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金子項(xiàng)目(CX(15)1033)

施印炎(1990-)，男，江蘇如皋人，博士研究生，(E-mail)2015212011@njau.edu.cn。

汪小旵(1968-)，男，安徽安慶人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)wangxiaohan@njau.edu.cn。

S225.92

A

1003-188X(2017)03-0139-05