劉 宇，韓長(zhǎng)杰，夏廣寶，葛 鵬

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

食葵作為新疆的油料作物之一，具有較強(qiáng)的耐鹽性、耐旱性、耐澇性等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。食葵收獲是生產(chǎn)種植中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，季節(jié)性強(qiáng)。截止2014年，新疆食葵品種多，種植面積已達(dá)13.36萬(wàn)hm2多[5]。食葵收獲采用半人工半機(jī)械化作業(yè)，先由人工砍下食葵盤插在高度為60～80cm的葵花稈上(俗稱插盤)，經(jīng)晾曬4～7天后，再由人工將食葵盤取下喂入田間葵花脫籽機(jī)進(jìn)行脫籽。人工取盤雖可減少籽粒損失率和破碎率，但勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高，因此機(jī)械化收獲逐漸被人們所關(guān)注。新疆豐達(dá)機(jī)械制造有限公司的馬新云等人研制的食葵收獲機(jī)，食葵盤采收由人工將插在葵稈晾曬后的葵盤拋扔到撿拾臺(tái)，再由撿拾臺(tái)內(nèi)部的螺旋輸送器將葵盤匯集輸送至升運(yùn)裝置[5]。新疆北屯一八八團(tuán)的李學(xué)道等人將油葵收割裝置進(jìn)行改裝，并反復(fù)試驗(yàn)[6]。

以上裝置能夠完成取盤，但食葵收獲機(jī)收獲前仍需人工取盤，并未降低勞動(dòng)強(qiáng)度；油葵收割裝置的改進(jìn)雖取得了一定成效，但往復(fù)式切割器存在慣性力，機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)，造成籽粒損失。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型取盤裝置，采用脫盤缺口代替人工雙手向上托起食葵盤結(jié)構(gòu)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 田間食葵植株分布

新疆常見的食葵種植大多采用單作，一般行距46cm，株距30cm。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，人工將食葵盤插在高度為60～80cm的食葵稈上進(jìn)行晾曬，田間食葵插盤晾曬圖如圖1所示。其中，AB代表行距，BC代表株距。

圖1 食葵插盤晾曬圖

1.2 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行單行食葵試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)主要包含取盤組件和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)兩部分。為避免前后植株擠壓造成落籽，由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將食葵植株逐一往兩側(cè)分流送入取盤組件的脫盤缺口中，隨著食葵稈后移，食葵盤被取下。其裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.電動(dòng)機(jī) 2.曲柄 3.擋板 4.止回銷 5.分禾器 6.脫盤缺口

1.3 工作原理

食葵裝置固定，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使用變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，由三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，使曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到試驗(yàn)要求。食葵稈在撥桿的作用下?lián)苋胙b有止回銷的脫盤缺口內(nèi)，人工抓住食葵稈根部相對(duì)于裝置往后拉，試驗(yàn)完成后，停止電動(dòng)機(jī)。

1.4 取盤裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)

取盤裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括收獲行數(shù)(單行)及適用行距(460mm)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 取盤組件

取盤組件主要包含分禾器、止回銷和脫盤缺口3部分，如圖3所示。

1.分禾器 2.止回銷 3.脫盤缺口

其中，分禾器位于脫盤缺口前方，為便于食葵莖稈順利進(jìn)入脫盤缺口，分禾器水平放置與脫盤缺口上表面成150°。止回銷位于脫盤缺口開口前端下方。

2.1.1 分禾器

分禾器是食葵取盤裝置的工作部件，其結(jié)構(gòu)直接影響整體工作性能。分禾器的主要作用是將食葵植株攏起并引入脫盤缺口，結(jié)構(gòu)參數(shù)為分禾器寬度b和錐角θ。圖4為分禾器軸測(cè)圖。其中，尖端離地高度設(shè)為H，O點(diǎn)為地面。

圖4 分禾器軸測(cè)圖

將食葵莖稈視為研究對(duì)象，假設(shè)分禾器以速度v運(yùn)動(dòng)，作用在食葵莖稈上的力為F，食葵莖稈受力分析如圖4所示。若食葵莖稈不被推倒[7]，應(yīng)滿足

式中N—分禾器對(duì)食葵莖稈的支持力；

f—分禾器對(duì)食葵莖稈的滑動(dòng)摩擦力；

μ—分禾器與食葵莖稈的摩擦因數(shù)。

由公式可得，tgθ·f<1。參照玉米莖稈與分禾器0.2～0.6的摩擦因數(shù)范圍[8]，通過(guò)計(jì)算分禾器錐角θ應(yīng)小于60°。為保證食葵植株順暢的喂入分禾器，本文分禾器的錐角取59°。根據(jù)食葵行距46cm，對(duì)行收獲給定分禾器間隙為7cm，通過(guò)計(jì)算寬度b為19.5cm。A點(diǎn)與B點(diǎn)應(yīng)低于食葵插盤高度，本文設(shè)計(jì)的食葵裝置插盤高度定在80cm，考慮到田間食葵盤有些處在傾斜狀態(tài)，綜合考慮H為70cm。

食葵植株的傾斜角如圖5所示。

由圖5知

將數(shù)據(jù)代入式中，經(jīng)計(jì)算可得β=18.2°。對(duì)行收獲時(shí)食葵植株不被推倒，食葵植株的傾斜角需小于18.2°。

圖5 食葵植株傾斜角

2.1.2 止回銷與脫盤缺口

根據(jù)食葵莖稈直徑和分禾器寬度設(shè)定單個(gè)脫盤缺口長(zhǎng)度為10cm，寬度為10cm(食葵稈直徑3～5cm)。止回銷的放置角度直接影響食葵稈的有效喂入，本設(shè)計(jì)將其安放在脫盤缺口前端下方。直立狀態(tài)下的食葵莖稈處在兩脫盤缺口位置，作業(yè)時(shí)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將直立的食葵莖稈撥進(jìn)脫盤缺口內(nèi)。圖6為食葵莖稈向脫盤缺口移動(dòng)通過(guò)止回銷前后的狀態(tài)。

1.開口銷 2.螺母 3.彈簧

2.2 其它部件

將直徑為10mm的鋼筋布置在距離導(dǎo)桿前方3cm、下方4cm處，其作用是在抽稈的瞬間，使食葵稈與往復(fù)中的導(dǎo)桿保持一定的間距，防止曲柄搖桿機(jī)構(gòu)被卡住，以提高工作的可靠性。

3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)使用SolidWorks Motion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過(guò)對(duì)仿真后的行程、速度和加速度變化曲線分析，以保證曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的工作質(zhì)量。

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)主要由曲柄、搖桿、導(dǎo)桿和撥桿組成。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.曲柄 2.搖桿 3.導(dǎo)桿 4.撥桿

根據(jù)機(jī)器前進(jìn)速度0.6m/s和株距30cm，從兩脫盤缺口中間的第一株算起，推算出曲柄轉(zhuǎn)速為1.5r/s。輸入虛擬電機(jī)轉(zhuǎn)速為90r/min，給定仿真時(shí)間為5s。圖8顯示的是撥桿在x軸方向上的移動(dòng)行程變化規(guī)律。由圖8可以看出：撥桿的運(yùn)動(dòng)周期是0.67s，行程15.3cm。

圖8 撥桿在x軸方向上的移動(dòng)行程

圖9是撥桿在x方向上的速度變化規(guī)律圖。由圖9可以看出：撥桿移動(dòng)速度在-0.7～0.7m/s范圍內(nèi)往復(fù)移動(dòng)。

圖9 撥桿在x方向上速度曲線

圖10是撥桿在x方向上的加速度變化規(guī)律圖。由圖10可以看出：撥桿移動(dòng)加速度在-6～9m/s2范圍內(nèi)往復(fù)移動(dòng)。

圖10 撥桿在x方向上加速度曲線

通過(guò)對(duì)撥桿x軸移動(dòng)行程仿真，可以得出撥桿在x軸方向的運(yùn)動(dòng)行程滿足食葵稈的喂入要求；對(duì)x軸運(yùn)動(dòng)速度、加速度仿真得出，撥桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)食葵莖稈存在一定沖擊和振動(dòng)，應(yīng)通過(guò)慣性力平衡法加配重和確定配重的位置來(lái)減緩裝置的振動(dòng)。

3.1 取盤裝置振動(dòng)原因

取盤裝置中的質(zhì)量元件大體可分為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量元件和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量元件[9]。其中，導(dǎo)桿和撥桿屬于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量元件，曲柄、連桿、搖桿、曲柄銷和各桿間的活動(dòng)鉸接處屬于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量元件。它們產(chǎn)生的慣性力通過(guò)軸承傳遞，從而引起取盤裝置的振動(dòng)。

3.2 導(dǎo)桿的慣性力平衡

食葵適時(shí)收獲時(shí)，葵盤極其干燥，籽粒易落。為了減少食葵籽粒落地?fù)p失，曲柄需低速作業(yè)，該取盤裝置可簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，對(duì)導(dǎo)桿的慣性力采取部分平衡法。導(dǎo)桿部分平衡分析如圖11所示。

圖11 導(dǎo)桿部分平衡分析

水平方向慣性力平衡式為

其中，P1為導(dǎo)桿與2/3連桿部分的慣性力；M1為導(dǎo)桿和撥桿質(zhì)量；M2為連桿質(zhì)量；r為曲柄半徑；ω為曲柄角速度；α為曲柄轉(zhuǎn)角；P2為連桿1/3部分的離心慣性力；P3為加配重后的曲柄盤產(chǎn)生的離心力；P3=M3r3ω2；M3為曲柄盤質(zhì)量；r3為曲柄盤重心半徑。

往復(fù)慣性力的平衡度λ=0.25～0.50[8]，后期搭建試驗(yàn)臺(tái)架，秤出上述各桿的質(zhì)量，通過(guò)改變配重的質(zhì)量和位置使其處在往復(fù)慣性力的平衡度范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1) 對(duì)食葵取盤裝置工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析：確定寬度b為19.5cm和錐角θ為59°。

2) 通過(guò)SolidWorks Motion對(duì)曲柄搖桿-導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到了撥桿的行程、速度和加速度曲線。

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