韓長(zhǎng)杰，王超超，朱興亮，張 靜，張學(xué)軍

食用向日葵仿人工取盤采收臺(tái)的設(shè)計(jì)

韓長(zhǎng)杰，王超超，朱興亮，張 靜，張學(xué)軍※

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

針對(duì)現(xiàn)階段人工取盤效率低、取盤成本高、籽粒易損失等問題，結(jié)合新疆食葵的種植模式和田間采收作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了一種模仿人工取盤方式的食葵采收臺(tái)，主要結(jié)構(gòu)包括撿拾裝置、輸送裝置、行走裝置、集盤箱、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。通過對(duì)食葵采收作業(yè)過程進(jìn)行理論分析，確定了撿拾裝置、輸送裝置等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，建立三維實(shí)體模型并針對(duì)撿拾裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出撿拾裝置取盤桿的位移、速度、加速度變化規(guī)律；分析動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，確定各級(jí)鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比。試制出食葵采收臺(tái)并以收獲總損失率為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，以插盤高度、取盤桿的轉(zhuǎn)速、機(jī)組的前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行田間采收試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，食葵采收臺(tái)可以完成葵盤采收、輸送、收集等功能；食葵采收臺(tái)工作時(shí)的較優(yōu)組合為插盤高度為650 mm、機(jī)組的前進(jìn)速度為0.88 m/s、取盤桿的轉(zhuǎn)速為23 r/min，收獲總損失率小于5%，能夠滿足新疆食葵收獲的作業(yè)要求。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；食葵；采收臺(tái)；撿拾裝置；凸輪機(jī)構(gòu)

0 引 言

食葵是食用型向日葵的簡(jiǎn)稱，具有耐旱、耐鹽堿、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，適宜在生長(zhǎng)條件較差的鹽堿地和旱薄地種植，主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、山東等省[2-4]。受陰雨天氣、晾曬場(chǎng)地等因素影響，新疆地區(qū)的食葵成熟后通常由人工將葵盤割下并插在食葵莖稈上，晾曬5～7 d后開始田間收獲作業(yè)。食葵收獲方式主要有人工收獲和機(jī)械收獲2種，人工收獲勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低；機(jī)械收獲損失率較高，研究表明割臺(tái)損失是機(jī)械收獲損失的主要環(huán)節(jié)，而葵盤漏撿、籽粒損失是導(dǎo)致割臺(tái)損失的關(guān)鍵因素。割臺(tái)損失已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了食葵全程機(jī)械收獲的進(jìn)程，發(fā)展和研制適合新疆種植模式的食葵采收臺(tái)迫在眉睫，對(duì)減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率、降低食葵生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效益等具有重要的意義。

國(guó)外葵花（食葵和油葵）因品種、氣候等原因均適宜采用聯(lián)合收獲機(jī)械進(jìn)行作業(yè)，割臺(tái)多為食葵、油葵通用割臺(tái)。美國(guó)Capello 公司設(shè)計(jì)的Capello Helianthus 9400系列葵花割臺(tái)，采用扶禾槽導(dǎo)向并收集落籽，由柔性撥禾輪向后輸送葵盤；Fantini 公司的葵花割臺(tái)采用折疊式結(jié)構(gòu)，用扶禾器兩側(cè)的鏈條帶動(dòng)柔性輸送帶進(jìn)行喂入；ZIEGLER 公司借鑒玉米割臺(tái)原理，利用拉莖輥向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，向下拉扯葵花莖稈。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)針對(duì)食葵收獲機(jī)械也開展了大量研究。吳強(qiáng)民等[5]研發(fā)了一種食葵輔助收獲裝備，田間作業(yè)時(shí)人工將葵盤從食葵莖稈取下送入攪龍箱，葵盤由兩側(cè)向中間集攏并輸送到脫粒裝置內(nèi)進(jìn)行脫粒；該裝備減少了食葵拉運(yùn)、分離等工序，但未設(shè)計(jì)取盤裝置，未進(jìn)行大面積推廣。許美珍等[6]設(shè)計(jì)了一種牽引式食葵收割機(jī)，其組成部件主要包括機(jī)殼、分株板、旋轉(zhuǎn)刀架等；當(dāng)食葵莖稈進(jìn)入分株板時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀架將葵盤從頸部切斷，落入進(jìn)料口；在旋轉(zhuǎn)刀架切割食葵莖稈的過程中，食葵莖稈發(fā)生抖動(dòng)導(dǎo)致葵盤掉落、籽粒損失。張雙俠等[7]公開了一種背負(fù)式食葵聯(lián)合收獲機(jī)，該機(jī)型主要由收割裝置、傳送裝置和脫粒裝置組成；收割裝置由分禾器和撥禾輪組成，食葵莖稈喂入分禾器，撥禾輪將葵盤從食葵莖稈取下，落入傳送裝置，經(jīng)輸送帶送入脫粒裝置進(jìn)行脫粒；由于插盤晾曬后的葵盤含水率較低，撥禾輪與葵盤表面接觸時(shí)發(fā)生摩擦容易造成籽粒損失，故該種收獲方式無(wú)法適應(yīng)新疆食葵的種植模式。

為解決葵盤漏撿、籽粒損失等問題，對(duì)田間采收食葵的作業(yè)過程進(jìn)行調(diào)研與分析，發(fā)現(xiàn)人工取盤的方式可以減少葵盤漏撿、籽粒損失。因此，本文模仿人工取盤方式設(shè)計(jì)了一種食葵采收臺(tái)，可以將成熟葵盤從食葵莖稈上取下并直接送入撿拾裝置內(nèi)部的輸送裝置中，減少葵盤向后輸送造成的損失，為食葵收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作過程

1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)要求

為減少食葵采收過程中落籽、漏撿現(xiàn)象，食葵采收臺(tái)整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需滿足以下要求：1）整機(jī)能夠模仿人工田間采收食葵的作業(yè)流程，完成食葵取盤、輸送、集盤作業(yè)；2）食葵采收臺(tái)撿拾裝置的作業(yè)幅寬、取盤桿間距應(yīng)符合新疆食葵的種植模式；3）撿拾裝置在進(jìn)行食葵撿拾作業(yè)時(shí)，需防止沖擊過大引起落籽損失；4）食葵采收臺(tái)需具備合理的傳動(dòng)比，使撿拾裝置的轉(zhuǎn)速與輸送裝置的轉(zhuǎn)速相匹配。

1.2 整機(jī)方案設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)新疆食葵的種植模式，食葵采收方案設(shè)計(jì)如下：食葵采收臺(tái)主要由撿拾裝置、輸送裝置、集盤箱等組成，食葵采收臺(tái)前端設(shè)置取盤桿式撿拾裝置，輸送裝置位于撿拾裝置后部，輸送裝置末端設(shè)有集盤箱。整機(jī)作業(yè)時(shí)，撿拾裝置隨拖拉機(jī)前進(jìn)，將葵盤從莖稈上挑起，落入輸送裝置；輸送裝置把葵盤向右集攏并輸送至集盤箱；集盤箱將取下的葵盤進(jìn)行收集。該方案設(shè)計(jì)的撿拾裝置可模仿人工方式將葵盤從莖稈上挑起，直接落入輸送裝置，避免多道工序造成的落籽損失。

1.3 整機(jī)結(jié)構(gòu)組成

食葵采收臺(tái)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、撿拾裝置、輸送裝置、集盤箱、行走裝置、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)組成。食葵采收臺(tái)與拖拉機(jī)配套使用，能代替人工完成取盤、輸送、集盤作業(yè)，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)架 2.動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng) 3.集盤箱 4.行走裝置 5.輸送裝置 6.撿拾裝置

表1 食葵采收臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.4 整機(jī)工作過程

食葵采收臺(tái)與拖拉機(jī)連接，構(gòu)成食葵采收作業(yè)機(jī)組，完成食葵采收作業(yè)。整機(jī)工作過程可分為葵盤采收和葵盤輸送2個(gè)過程。

1）葵盤采收過程

整機(jī)作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸通過動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)滾筒盤轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒盤帶動(dòng)取盤桿旋轉(zhuǎn)，將葵盤從食葵莖稈上挑起，完成葵盤采收作業(yè)。整個(gè)葵盤采收過程如圖2所示，可分為4個(gè)階段：

第一階段稱為準(zhǔn)備階段。當(dāng)拖拉機(jī)牽引食葵采收臺(tái)以固定速度行走時(shí)，動(dòng)力輸出軸通過動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)撿拾裝置各部件工作。食葵莖稈隨機(jī)組前進(jìn)喂入撿拾裝置，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)滾筒盤旋轉(zhuǎn)，滾筒盤帶動(dòng)取盤桿轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)取盤桿與葵盤下表面逐漸接觸時(shí)，取盤桿趨近水平狀態(tài)，機(jī)組準(zhǔn)備采收葵盤。

第二階段稱為采收階段。撿拾裝置的取盤桿插入食葵莖稈之間，模仿人工雙手取盤的作業(yè)情形。取盤桿隨滾筒盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將葵盤從食葵莖稈上挑起，完成葵盤采收作業(yè)。該階段取盤桿始終處于水平狀態(tài)，以便將葵盤從食葵莖稈豎直向上端起。

注：vm為食葵采收機(jī)組的作業(yè)速度,m·s-1；ω為取盤桿的角速度，rad·s-1。

第三階段稱為拋送階段。在葵盤隨取盤桿保持相同速度旋轉(zhuǎn)的過程中，葵盤自身的重力與取盤桿推力的夾角逐漸減小，葵盤受到的離心力逐漸增大。離心力大于葵盤與取盤桿之間的摩擦力，葵盤逐漸脫離取盤桿并向后拋送，落入輸送裝置。

第四階段稱為空回階段。完成準(zhǔn)備、采收和拋送階段后，撿拾裝置的取盤桿將返回初始工位，準(zhǔn)備下一次食葵采收作業(yè)。

2）葵盤輸送過程

采收的葵盤經(jīng)輸送裝置向右側(cè)集攏并輸送至集盤箱，完成葵盤輸送作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1 撿拾裝置

食葵采收臺(tái)撿拾裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由曲柄、滾輪、凸輪滑道、護(hù)板、取盤桿、取盤桿固定管、滾筒盤組成。取盤桿與滾筒盤安裝在取盤桿固定管上，取盤桿固定管末端裝有曲柄；曲柄一端安裝滾輪，滾輪沿凸輪滑道滾動(dòng)可使取盤桿實(shí)現(xiàn)不同角度翻轉(zhuǎn)；凸輪滑道固定在護(hù)板上，護(hù)板固定在機(jī)架上。

1.曲柄 2.滾輪 3.凸輪滑道 4.護(hù)板 5.取盤桿 6.取盤桿固定管 7.滾筒盤

2.1.1 凸輪滑道基本參數(shù)設(shè)計(jì)

注：θ1為準(zhǔn)備相位角，(°)；θ2為撿拾相位角，(°)；θ3為拋送相位角，(°)；θ4為空回相位角，(°)；h為取盤桿上移高度，mm；e為偏心距，mm；R4為空回階段圓弧的半徑，mm。

在凸輪輪廓曲線（圖4）中，存在個(gè)別坐標(biāo)點(diǎn)偏離凸輪輪廓曲線。為優(yōu)化凸輪輪廓曲線，實(shí)際生產(chǎn)過程中常采用多項(xiàng)式擬合法修正坐標(biāo)值、舍棄毛刺點(diǎn)[12-16]。本次設(shè)計(jì)采用Matlab軟件對(duì)凸輪輪廓曲線4個(gè)工作階段分別進(jìn)行多項(xiàng)式擬合[17]，擬合方程依次為

式中為時(shí)間，s；S、S、S、S為凸輪輪廓、、、的軌跡，mm。

為避免曲線曲率過大，曲線采用圓弧作為過渡曲線。在坐標(biāo)系下，以4（53,0）為圓心、4=310 mm為半徑作圓，交曲線為點(diǎn)，交曲線為點(diǎn)，圓弧的軌跡方程為

2.1.2 取盤桿基本參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)新疆食葵的種植模式及采收機(jī)理，對(duì)撿拾裝置的取盤桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。取盤桿的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有取盤桿總長(zhǎng)、取盤桿總寬、取盤桿直徑、桿端長(zhǎng)度、彎曲角度、彎曲半徑0等。圖5所示為取盤桿結(jié)構(gòu)示意圖，表2所示為取盤桿的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

注：L為取盤桿總長(zhǎng)，mm；B為取盤桿總寬，mm；d為取盤桿直徑，mm；L1為桿端長(zhǎng)度，mm；α為彎曲角度，(°)；R0為彎曲半徑，mm。

表2 取盤桿的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

室內(nèi)試驗(yàn)表明，撿拾性能不僅與取盤桿的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與取盤桿的排列方式有關(guān)。當(dāng)取盤桿沿固定管線性排列時(shí)，若排列密度過小，則易造成葵盤落地或漏撿；若排列密度過大，則易將食葵植株的莖葉捋下，影響后續(xù)的脫粒、清選作業(yè)?；谛陆晨脑灾裁芏?，初步設(shè)計(jì)圖6所示的排列方式：取盤桿固定管上設(shè)有2組8的定位孔，每組有4個(gè)定位孔；每4個(gè)取盤桿設(shè)為一組，相鄰取盤桿間距=200 mm，=90 mm。

1. 取盤桿 2. 取盤桿固定管

1. Bar for taking plate 2. Fixed tube of the bar for taking plate

注：為同一組相鄰取盤桿的間距，mm；為相鄰兩組取盤桿的間距，mm。

Note:is the spacing of the same set of adjacent take-up rods, mm;is the spacing between adjacent sets of take-up rods, mm.

圖6 取盤桿的排列示意圖

Fig.6 Arrangement diagram of bar for taking plate

2.1.3 撿拾裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

食葵采收臺(tái)撿拾裝置的核心是一個(gè)擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)[18-19]。如圖7所示，在直角坐標(biāo)系中，以機(jī)組前進(jìn)速度的方向?yàn)檩S的正方向，以垂直地面向上的方向?yàn)檩S的正方向，以撿拾裝置取盤桿末端為研究對(duì)象進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，則取盤桿末端點(diǎn)的位移方程、速度方程、加速度方程分別為

機(jī)組以速度v進(jìn)行葵盤采收作業(yè)過程中，撿拾裝置取盤桿的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖7所示。采收階段，取盤桿保持水平狀態(tài)將葵盤端起，完成采收作業(yè)；空回階段，取盤桿快速收回并逐漸恢復(fù)至初始工位的作業(yè)姿態(tài)，節(jié)省了作業(yè)空間和時(shí)間。在整個(gè)葵盤采收作業(yè)過程中，撿拾裝置的取盤桿一方面隨機(jī)組前進(jìn)，另一方面受凸輪滑道控制繞取盤桿固定管翻轉(zhuǎn)。因此，撿拾裝置取盤桿的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是直線運(yùn)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成，其絕對(duì)速度方程為

注：x為取盤桿末端點(diǎn)的水平位移，m；y為取盤桿末端點(diǎn)的豎直位移，m；為取盤桿的擺角，rad；0為取盤桿的初始擺角，rad；為取盤桿固定管的旋轉(zhuǎn)半徑，m。

Note:xis the horizontal displacement of the end pointof thebar for taking plate,m;yis the vertical displacement of the end pointof the bar for taking plate,m;is the swing angle of the bar for taking plate,rad;0is the primary swing angle of the bar for taking plate,rad;is the radius of rotation for the rod-retaining tube, m.

圖7 撿拾裝置運(yùn)動(dòng)分析

Fig.7 Movement analysis chart of pickup device

圖8所示為撿拾裝置取盤桿在轉(zhuǎn)速=17 r/min、機(jī)組前進(jìn)速度v=0.68 m/s條件下進(jìn)行葵盤采收作業(yè)的速度曲線圖。依據(jù)葵盤采收的作業(yè)過程將速度曲線圖劃分為4個(gè)部分，分別是準(zhǔn)備階段的速度曲線、采收階段的速度曲線、拋送階段的速度曲線、空回階段的速度曲線。在0.82～1.76 s時(shí)間段內(nèi)（準(zhǔn)備階段），取盤桿的擺角始終保持不變，取盤桿的速度逐漸減小。取盤桿速度減小可有效降低取盤桿對(duì)葵盤的沖擊力，符合葵盤采收的作業(yè)要求。當(dāng)采收階段結(jié)束時(shí)（點(diǎn)），取盤桿末端的速度達(dá)到?0.68 m/s。

圖8 取盤桿在作業(yè)過程中的速度曲線

撿拾裝置取盤桿的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀由撿拾裝置取盤桿的翻轉(zhuǎn)速度與作業(yè)機(jī)組前進(jìn)速度的比值決定[20-21]，即

式中為撿拾速度比；v為取盤桿的翻轉(zhuǎn)速度，m/s。

當(dāng)1時(shí)，撿拾裝置取盤桿的運(yùn)動(dòng)軌跡不具備向后的水平分速度[20]，無(wú)法將取下的葵盤向后拋送。為確保撿拾裝置正常工作，其撿拾速度比需滿足1的作業(yè)要求，即撿拾裝置的取盤桿作用點(diǎn)位于運(yùn)動(dòng)軌跡環(huán)扣最長(zhǎng)弦以下[21]。

2.1.4 撿拾裝置取盤桿單株取盤條件

滾筒盤圓周方向均勻分布著4排取盤桿，其主要作用是：撿拾作業(yè)過程中，取盤桿隨滾筒盤旋轉(zhuǎn)，對(duì)插在食葵莖稈上的葵盤進(jìn)行梳刷，將葵盤從食葵莖稈上挑起，完成葵盤撿拾作業(yè)。為確保食葵采收臺(tái)具備良好的作業(yè)效率，當(dāng)食葵植株喂入撿拾裝置時(shí)，取盤桿的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足食葵單株喂入、連續(xù)取盤的條件[22]。

1.取盤桿 2.滾筒盤

1. Bar for taking plate 2. Roller plate

注：①為準(zhǔn)備工位；②為采收工位；③為拋送工位；④為空回工位。

Note:① is the preparation station; ② is the harvesting station; ③ is the throwing station; ④ is the empty return station.

圖9 食葵單株喂入示意圖

Fig.9 Feeding diagram of single plant of edible sunflower

即

式中12為食葵株距，取0.45～0.50 m；v取0.50～1.5 m/s；為取盤桿轉(zhuǎn)速，r/min。

計(jì)算得：撿拾裝置取盤桿轉(zhuǎn)速≥15 r/min?？紤]到撿拾裝置轉(zhuǎn)速越高越容易將葵盤挑飛，故在滿足食葵單株喂入、連續(xù)取盤的條件下，撿拾裝置取盤桿轉(zhuǎn)速越低越好。初步選取轉(zhuǎn)速17 r/min。

2.2 輸送裝置

2.2.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

食葵采收臺(tái)的輸送裝置采用螺旋推運(yùn)器（即攪龍），其三維模型如圖10所示，主要由外殼、螺旋葉片和螺旋軸三部分組成。

1. 外殼 2. 螺旋葉片 3. 螺旋軸

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[20-21]，初步確定螺旋推運(yùn)器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 螺旋推運(yùn)器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.2 螺旋推運(yùn)器的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

工程設(shè)計(jì)時(shí)，主要依據(jù)葵盤的物理特性、裝置的輸送力（即生產(chǎn)率）和葵盤輸出的壓縮成型程度進(jìn)行螺旋推運(yùn)器的轉(zhuǎn)速計(jì)算[23]，其一般計(jì)算公式為

式中為螺旋升角，取22.5°；為葵盤與螺旋葉片表面的摩擦角，取45°；0為作業(yè)過程中葵盤絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與水平方向的夾角，經(jīng)分析計(jì)算取-22°；為重力加速度，取9.8 m/s2；1為葵盤與螺旋推運(yùn)器外殼的摩擦系數(shù)，查閱摩擦系數(shù)表初步選取0.3；1為葵盤距離螺旋軸中心的平均半徑，取0.165 m。

在滿足田間作業(yè)要求的前提下，螺旋推運(yùn)器的轉(zhuǎn)速不宜太大，以免葵盤因切向力過大而脫離螺旋推運(yùn)器，造成葵盤損失。本次設(shè)計(jì)結(jié)合食葵撿拾的生產(chǎn)效率指標(biāo)，初步選取螺旋推運(yùn)器的轉(zhuǎn)速0=92 r/min。

2.2.3 螺旋推運(yùn)器的生產(chǎn)率計(jì)算

螺旋推運(yùn)器的生產(chǎn)率直接影響食葵采收臺(tái)的作業(yè)效率。工程設(shè)計(jì)時(shí)，主要根據(jù)式（14）來(lái)計(jì)算螺旋推運(yùn)器的生產(chǎn)率[24-25]

式中為螺旋葉片的外徑，取0.5 m；為螺距，取0.46 m；0為螺旋推運(yùn)器的轉(zhuǎn)速，取92 r/min；為螺旋葉片與外殼表面的間隙，取0.015 m；為螺旋軸的直徑，取0.14 m；為傾斜輸送系數(shù)[24]，取1；為被輸送的葵盤容重[26]，取0.35 t/m3；為充滿系數(shù)，取0.012。經(jīng)計(jì)算得：螺旋推運(yùn)器的理論生產(chǎn)率=2.19 t/h，滿足作業(yè)要求。

2.3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

食葵采收臺(tái)通過牽引裝置與東方紅-354拖拉機(jī)連接，構(gòu)成食葵采收作業(yè)機(jī)組，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)如圖11所示。當(dāng)拖拉機(jī)牽引作業(yè)機(jī)組按照一定速度進(jìn)行食葵采收作業(yè)時(shí)，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)通過萬(wàn)向節(jié)將動(dòng)力傳遞到變速箱的動(dòng)力輸入軸，經(jīng)相互嚙合的錐齒輪將動(dòng)力輸出至變速箱的動(dòng)力輸出軸；然后通過一級(jí)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到螺旋軸，帶動(dòng)螺旋推運(yùn)器轉(zhuǎn)動(dòng)；在螺旋軸兩側(cè)同時(shí)布置有二級(jí)鏈傳動(dòng)，二級(jí)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力分別傳遞到左、右側(cè)傳動(dòng)軸；在左、右側(cè)傳動(dòng)軸上同時(shí)布置有三級(jí)鏈傳動(dòng)，三級(jí)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)撿拾裝置的滾筒盤轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒盤帶動(dòng)取盤桿轉(zhuǎn)動(dòng)，完成食葵采收作業(yè)。

在食葵采收臺(tái)的整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，因撿拾裝置的轉(zhuǎn)速影響著葵盤采收的速度，輸送裝置的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著葵盤輸送的效率，故在機(jī)組作業(yè)時(shí)輸送裝置的轉(zhuǎn)速必須與撿拾裝置的轉(zhuǎn)速相匹配，確保進(jìn)入輸送裝置內(nèi)葵盤不堆積、不堵塞。

1. 變速箱動(dòng)力輸入軸 2. 變速箱動(dòng)力輸出軸 3. 右側(cè)傳動(dòng)軸 4. 螺旋軸 5. 左側(cè)傳動(dòng)軸

1. Gearbox power input shaft 2. Gearbox power output shaft 3. On right side of shaft 4. Screw shaft 5. On left side of drive shaft

注：1為變速箱動(dòng)力輸入軸的齒數(shù)；2為變速箱動(dòng)力輸出軸的齒數(shù)；3為一級(jí)鏈傳動(dòng)小齒輪的齒數(shù)；4為一級(jí)鏈傳動(dòng)大齒輪的齒數(shù)；5為二級(jí)鏈傳動(dòng)小齒輪的齒數(shù)；6為二級(jí)鏈傳動(dòng)大齒輪的齒數(shù)；7為三級(jí)鏈傳動(dòng)小齒輪的齒數(shù)；8為三級(jí)鏈傳動(dòng)大齒輪的齒數(shù)。

Note:1is the number of teeth of the transmission power input shaft;2is the number of teeth of the transmission power output shaft;3is the number of teeth of the small gear in the first chain transmission;4is the number of teeth of the large gear in the first chain transmission;5is the number of teeth of the small gear in the secondary chain transmission;6is the number of teeth of the large gear in the secondary chain transmission;7is the number of teeth of the small gear in the three-stage chain transmission;8is the number of teeth of the large gear in the three-stage chain transmission.

圖11 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

Fig.11 Schematic diagram of power transmission system

根據(jù)田間預(yù)備試驗(yàn)及收獲機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，初步確定各級(jí)鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比分別為變=1/2=1/2,1=3/4=13/38，2=5/6=21/34，3=7/8=19/63。

按照拖拉機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速1=540 r/min進(jìn)行計(jì)算，則：變速箱動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速2=270 r/min，螺旋軸的轉(zhuǎn)速4=92 r/min，左右兩側(cè)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速6=57 r/min，取盤桿的轉(zhuǎn)速8=17 r/min。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與材料

本次試驗(yàn)所需的工具或儀器有：卷尺（測(cè)量范圍0～5 m）、秒表、TCS系列電子臺(tái)秤（精度0.01 kg）、游標(biāo)卡尺（精度0.02 mm）、科學(xué)計(jì)算器、托盤、標(biāo)簽紙、馬克筆、保鮮袋、編織袋、數(shù)字式高精度轉(zhuǎn)速表。試驗(yàn)選用東方紅-354拖拉機(jī)與食葵采收臺(tái)組成作業(yè)機(jī)組，要求拖拉機(jī)車況良好、農(nóng)機(jī)手駕駛技術(shù)熟練并掌握食葵采收的田間作業(yè)要求。

2018年9月29日，在新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州吉木薩爾縣二工鎮(zhèn)十八戶村對(duì)食葵采收臺(tái)進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖12所示。試驗(yàn)選取食葵為研究對(duì)象，測(cè)得成熟期食葵株距約為45～50 cm，插盤高度約為50～80 cm，葵盤含水率約為38.97%，莖稈含水率約為65.49%。

圖12 食葵采收臺(tái)田間試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)?zāi)康呐c方法

食葵采收預(yù)試驗(yàn)表明：食葵采收臺(tái)的撿拾效果與取盤桿的轉(zhuǎn)速、機(jī)組的前進(jìn)速度及食葵的插盤高度有關(guān)，調(diào)整各因素的搭配次序，將直接影響食葵撿拾臺(tái)的工作性能。為驗(yàn)證食葵采收臺(tái)關(guān)鍵部件理論分析及仿真分析的正確性、提高食葵采收臺(tái)在作業(yè)過程中的工作效率，本文研究取盤桿的轉(zhuǎn)速、機(jī)組的前進(jìn)速度及食葵的插盤高度三因素搭配次序變化對(duì)食葵采收臺(tái)工作性能的影響，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果中撿拾效果最佳的試驗(yàn)組，選出食葵采收的最優(yōu)工作參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)提供理論依據(jù)。

本次試驗(yàn)依據(jù)GB/T 8097-2008《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》[27]、GB/T 21961-2008《玉米收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》[28]進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)選用的試驗(yàn)田由三部分組成，分別是穩(wěn)定區(qū)、測(cè)定區(qū)和停車區(qū)。本次試驗(yàn)測(cè)定區(qū)長(zhǎng)25 m；穩(wěn)定區(qū)長(zhǎng)20 m，位于測(cè)定區(qū)前；停車區(qū)長(zhǎng)10 m，位于測(cè)定區(qū)后。在進(jìn)行食葵采收作業(yè)前，需要將測(cè)定區(qū)內(nèi)食葵落盤、斷離的食葵植株、自然落籽清除。在進(jìn)行食葵采收作業(yè)時(shí)，需要進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

食葵采收臺(tái)作業(yè)機(jī)組的可靠性評(píng)價(jià)主要依據(jù)JB/T 6287-2008《谷物聯(lián)合收割機(jī)可靠性評(píng)定試驗(yàn)方法》[29]，田間作業(yè)質(zhì)量要求參照DB65/T 3541-2013《葵花生產(chǎn)機(jī)械化操作技術(shù)規(guī)程》[30]，試驗(yàn)指標(biāo)選用收獲總損失率，試驗(yàn)結(jié)果取多組試驗(yàn)指標(biāo)的平均值。收獲總損失率的計(jì)算式為

式中為食葵的收獲總損失率，%；W為試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)損失的葵盤質(zhì)量（含未撿拾葵盤、落地葵盤及籽粒），kg；W為試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)收集的葵盤質(zhì)量，kg。

3.4 正交試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)選取食葵的插盤高度（）、取盤桿的轉(zhuǎn)速（）、機(jī)組的前進(jìn)速度（v）為試驗(yàn)因素，選取食葵收獲總損失率（）為試驗(yàn)指標(biāo)?？紤]到田間食葵的種植模式和實(shí)際作業(yè)效果，將插盤高度的水平設(shè)置為800、650、500 mm，取盤桿轉(zhuǎn)速的水平設(shè)置為17、23 r/min，機(jī)組前進(jìn)速度的水平設(shè)置為慢二擋（0.42 m/s）、慢三擋（0.68 m/s）、慢四擋（0.88 m/s）。表4為食葵采收臺(tái)樣機(jī)的試驗(yàn)因素水平表。田間作業(yè)過程中，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，然后取收獲總損失率的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。在確定較優(yōu)生產(chǎn)條件時(shí)，應(yīng)選擇各試驗(yàn)因素中較小收獲總損失率對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)水平。食葵采收作業(yè)機(jī)組田間試驗(yàn)方案與結(jié)果如表5所示。

由表5可知，上述試驗(yàn)因素影響食葵采收臺(tái)收獲總損失率的主次順序?yàn)椋荆荆词晨牟灞P高度、機(jī)組的前進(jìn)速度、取盤桿的轉(zhuǎn)速；較優(yōu)組合為223，即插盤高度為650 mm、取盤桿的轉(zhuǎn)速為23 r/min、機(jī)組前進(jìn)速度為0.88 m/s。此組合恰好為第5組試驗(yàn)，收獲總損失率小于5%，滿足食葵收獲的作業(yè)要求[30]。

表4 樣機(jī)的試驗(yàn)因素水平

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果

4 結(jié) 論

1）本文介紹了一種食葵采收臺(tái)，該采收臺(tái)與拖拉機(jī)配套使用，能代替人工完成食葵采收、輸送、收集作業(yè)。通過對(duì)凸輪輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，確定了凸輪輪廓曲線各階段的參數(shù)方程；對(duì)撿拾裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出取盤桿末端的位移、速度、加速度方程變化規(guī)律。

2）設(shè)計(jì)食葵采收臺(tái)輸送裝置，得出其轉(zhuǎn)速為92 r/min、理論生產(chǎn)率2.19 t/h。通過分析動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，確定各級(jí)鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比。

3）對(duì)食葵采收臺(tái)進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：食葵采收臺(tái)撿拾裝置的取盤桿在準(zhǔn)備階段、采收階段、拋送階段、空回階段均能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，整機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)較為合理。

4）以食葵收獲總損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，以食葵的插盤高度、取盤桿的轉(zhuǎn)速、機(jī)組的前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)食葵的插盤高度為650 mm、取盤桿的轉(zhuǎn)速為23 r/min、機(jī)組的前進(jìn)速度為0.88 m/s時(shí)，食葵采收臺(tái)收獲總損失率小于5%，滿足新疆食葵收獲的作業(yè)要求。

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Design of imitating manual harvesting device for edible sunflower

Han Changjie, Wang Chaochao, Zhu Xingliang, Zhang Jing, Zhang Xuejun※

(, 830052,)

In most areas of Xinjiang, edible sunflower is harvested in stages by means of transplanting plates for drying and taking plates for threshing. In some areas, edible sunflower harvesters are used for field operations, and problems such as edible sunflower plate leakage and grain loss exist in the process of harvest, which seriously hinder the development of edible sunflower scale and industrialization. In order to solve these problems and improve the harvesting efficiency of edible sunflower machine, this paper conducted a field survey on planting mode and biological characteristics of the edible sunflower in Xinjiang, and summarized the harvesting mechanism of edible sunflower. Starting from the operation path of manual harvesting sunflower tray, and combining with the requirements of field harvesting, a kind of collecting station for edible sunflower was designed. Field experiment was carried out to verify the field performance of the collecting station for edible sunflower. The specific research contents and conclusions were as follows. First of all, experimental study on the physical characteristics of edible sunflower was made during harvest in Xinjiang. It mainly included the determination test of the basic physical quantity, the friction characteristic test and the impact seed falling test. The average moisture content of edible sunflower plate was 38.97% and that of culm was 65.49%. By the bevel method, we got the friction angle between the dish and the steel plate was about 29.2°, the static friction coefficient was 0.56. The experiments were carried out to obtain the operating parameters with less loss of sunflower plate, which provided the theoretical basis for the field operation of edible sunflower harvesting platform. Secondly, in this paper, the whole plan of the collecting station for edible sunflower was determined, and the structural design and parameter analysis of the key devices were carried out. This paper designed a kind of station for collecting edible sunflower by imitating the manual way of picking dish. The whole machine structure was mainly composed of the pick-up device, conveying device, collecting dish box, walking device, power transmission system and frame. By analyzing the segmented path map of manual picking-up and parabolic dish, and combining the working posture of the pick-up device in each harvesting stage, the bionic pick-up device was designed and the basic structural parameters were determined to achieve the goal of bionic dish taking action and the shortest parabolic dish path. The 3D model of the pick-up device was established and the kinematics analysis were carried out to obtain the displacement, speed and acceleration change rules of the pickup device's disk-bar and determined the best structure and working parameters combination of the pickup device. The conveying device was designed and the speed of it was calculated to be 92 r/min, the theoretical productivity was 2.19 t/h. By analyzing the power transmission system, we got the transmission law of chain. The field harvest test finally was carried out with the total harvest loss rate as the test index, the height of the plug plate, the rotational speed of the take-up rod and the forward speed of the unit as the test factors. The results showed that the collecting station for edible sunflower could complete the functions of picking up, transporting and collecting. The optimal combination of the collecting station for edible sunflower was that the height of the disc was 650 mm, the forward speed of the unit was 0.88 m/s, the rotational speed of the take-up rod was 23 r/min, and the total loss rate of harvest was less than 5%, which could meet the operation requirements of Xinjiang edible sunflower harvesting.

mechanization; design; optimization; edible sunflower; collecting station; pickup device; cam mechanism

2019-03-14

2019-07-15

2016國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0702104-3）

韓長(zhǎng)杰，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與智能農(nóng)業(yè)裝備的研究。Email：hcj_627@163.com

張學(xué)軍，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與智能農(nóng)業(yè)裝備的研究。Email：tuec@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.002

S225.5+9

A

1002-6819(2019)-16-0014-09

韓長(zhǎng)杰，王超超，朱興亮，張 靜，張學(xué)軍.食用向日葵仿人工取盤采收臺(tái)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(16)：14－22. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.002 http://www.tcsae.org

Han Changjie, Wang Chaochao, Zhu Xingliang, Zhang Jing, Zhang Xuejun. Design of imitating manual harvesting device for edible sunflower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 14－22. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.002 http://www.tcsae.org