屈哲，劉龍,2，趙胤偉，孫雅欣，王昊禹，余永昌

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長垣分院，河南 長垣 453400)

目前，中國大蒜生產(chǎn)過程中的播種和收獲基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化[1-7]。但是，蒜薹收獲依然以人工抽拔為主，尚未有成熟的蒜薹收獲機(jī)械，常見的是在簡單自制工具輔助下對(duì)蒜薹進(jìn)行人工抽拔收獲作業(yè)[8-9]。由于大蒜植株和蒜薹生長高度較低，蒜薹在人工抽拔過程中，需要人一直保持彎腰站立的姿勢，且在蒜薹抽拔時(shí)需要一定的技巧和力氣，存在著蒜薹抽斷、損傷大蒜植株和效率低等問題。國外沒有蒜薹采摘這一環(huán)節(jié)，因此沒有蒜薹收獲方面的機(jī)械和文獻(xiàn)資料。而國內(nèi)市場上也沒有成熟的蒜薹收獲機(jī)械。只有少數(shù)科研院所和高校進(jìn)行蒜薹收獲工具與機(jī)械的初步研究。朱新華等[10]開展了面向采摘機(jī)械手的蒜薹力學(xué)特性試驗(yàn)研究，得出了蒜薹在拉伸過程中的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。張利娟等[11]發(fā)明的蒜薹收獲機(jī)由輸送裝置、擺刀裝置、抽薹裝置、去皮裝置、車架等組成。楊健[12]發(fā)明的自動(dòng)回旋式蒜薹收獲機(jī)，利用滾輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蒜薹收獲。郭貴生等[13-14]發(fā)明的蒜薹收獲機(jī)采用雙輥加持的方式來抽拔蒜薹。郭志東[15]發(fā)明的蒜薹收獲機(jī)利用分禾器將大蒜植株扶正，利用壓緊輪、彈簧、托帶板和支撐桿組成的夾持輸送器，將蒜薹夾持并將蒜薹拔出。范素香等[16]發(fā)明的蒜薹收獲機(jī)由機(jī)架、蒜莖稈導(dǎo)入裝置、夾持提拔裝置、蒜薹切斷裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。李晨源等[17]發(fā)明的手持式蒜薹收獲工具，采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)控制刀片對(duì)蒜薹進(jìn)行收獲。李光燊[18]發(fā)明的蒜薹拔取器，通過鉸軸把兩個(gè)鉗體連接，鉗體前端固定的弧形片，能夠?qū)λ廪愤M(jìn)行刺針，提高收獲效率。以上都是蒜薹收獲機(jī)械或輔助工具的專利文獻(xiàn)，沒有轉(zhuǎn)化為成熟的產(chǎn)品。因此，本文設(shè)計(jì)了一種蒜薹收獲機(jī)械，可完成對(duì)蒜薹的分禾、撥禾、針扎、夾持與抽拔以及集箱等作業(yè)。利用SolidWorks軟件對(duì)收獲機(jī)進(jìn)行了關(guān)鍵零部件和整機(jī)的三維建模；并基于ADAMS軟件對(duì)蒜薹收獲機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，得到夾持器和針板的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度變化等參數(shù)。通過仿真分析可知影響蒜薹收獲成功率的主要因素有收獲機(jī)前進(jìn)速度、夾持抽拔機(jī)構(gòu)上的抽拔軸轉(zhuǎn)速和曲柄針扎機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速等。最后通過蒜薹收獲機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)田間試驗(yàn)，找出了收獲機(jī)最優(yōu)的參數(shù)范圍，為蒜薹收獲機(jī)的深入研究提供依據(jù)。

1 蒜薹收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

1.1 蒜薹收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的蒜薹收獲機(jī)由夾持抽拔機(jī)構(gòu)、撥禾機(jī)構(gòu)、導(dǎo)禾機(jī)構(gòu)、曲柄針扎機(jī)構(gòu)、收集箱、傳動(dòng)系統(tǒng)及行走機(jī)構(gòu)等部件組成，可完成對(duì)蒜薹的分禾、撥禾、針扎、夾持與抽拔以及集箱等作業(yè)。其中夾持抽拔機(jī)構(gòu)和曲柄針扎機(jī)構(gòu)是收獲機(jī)的核心部件，收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.夾持抽拔機(jī)構(gòu);2.撥禾機(jī)構(gòu);3.導(dǎo)禾與曲柄針扎機(jī)構(gòu);4.行走機(jī)構(gòu);5.機(jī)架;6.收集箱。1.Clamping and pull-out mechanism;2.Reel lift mechanism;3.Plant guiding grain and crank pin sticking mechanism;4.Walking mechanism;5.Rack;6.Collecting box.圖1 蒜薹收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of garlic scape harvester

1.2 蒜薹收獲機(jī)工作原理

蒜薹收獲機(jī)以蓄電池和直流電機(jī)為動(dòng)力源，鏈傳動(dòng)為主的夾持抽拔式蒜薹收獲機(jī)，使蒜薹準(zhǔn)確、低損傷地被夾持，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單根抽拔。首先，位于收獲機(jī)前端的導(dǎo)禾機(jī)構(gòu)把蒜薹與大蒜植株莖葉分離，然后在撥禾機(jī)構(gòu)、曲柄針扎機(jī)構(gòu)的作用下完成對(duì)蒜薹的撥禾與針扎作業(yè)，最后夾持抽拔機(jī)構(gòu)將蒜薹夾持住并從大蒜植株中抽拔出來，被抽拔出的蒜薹落入到收集箱。

收獲機(jī)工作時(shí)，蒜薹進(jìn)入收獲機(jī)前端的導(dǎo)禾機(jī)構(gòu)，蒜薹經(jīng)過兩個(gè)導(dǎo)禾桿前段時(shí)，大蒜植株上莖葉被分離到導(dǎo)禾桿下部，實(shí)現(xiàn)蒜薹與莖葉分離；隨著收獲機(jī)的前進(jìn)，位于導(dǎo)禾桿中部的曲柄針扎機(jī)構(gòu)對(duì)蒜薹根部進(jìn)行針扎，把蒜薹根部與植株的連接處扎斷，便于后續(xù)蒜薹的夾持與抽拔；針扎后的蒜薹在撥禾輪的作用下被撥入到夾持抽拔機(jī)構(gòu)中，夾持抽拔機(jī)構(gòu)上的夾持器張開并將蒜薹穩(wěn)穩(wěn)夾持住，隨抽拔機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)和收獲機(jī)的前進(jìn)將蒜薹抽拔出來，抽出的蒜薹掉落進(jìn)收集箱，完成蒜薹的收獲作業(yè)。

蒜薹收獲機(jī)主要分為以下4個(gè)工作過程：(1)導(dǎo)禾過程。收獲機(jī)開始工作并以固定速度前進(jìn)，導(dǎo)禾桿前段與大蒜植株開始接觸，可以將大蒜植株上的莖葉分離到導(dǎo)禾桿兩側(cè)，只保留蒜薹在兩個(gè)導(dǎo)禾桿之間，實(shí)現(xiàn)蒜薹收獲過程中的導(dǎo)禾作用。(2)針扎過程。在導(dǎo)禾機(jī)構(gòu)的中部設(shè)計(jì)有曲柄針扎機(jī)構(gòu)，當(dāng)蒜薹進(jìn)入針扎機(jī)構(gòu)范圍時(shí)，曲柄針扎機(jī)構(gòu)上的針板對(duì)蒜薹根部進(jìn)行針扎，使蒜薹根部斷裂，在蒜薹后期的抽拔過程中不再形成真空，易于蒜薹抽拔，降低蒜薹抽拔斷裂。(3)撥禾過程。在曲柄針扎機(jī)構(gòu)對(duì)蒜薹針扎作業(yè)的同時(shí)，撥禾機(jī)構(gòu)上的撥禾輪將蒜薹撥入到夾持抽拔機(jī)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)輔助喂入作用。(4)抽拔過程。蒜薹喂入到夾持抽拔機(jī)構(gòu)后，位于夾持抽拔機(jī)構(gòu)上的夾持器把蒜薹穩(wěn)穩(wěn)夾持住，并隨抽拔機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)和收獲機(jī)的前進(jìn)，把蒜薹從植株中抽出，實(shí)現(xiàn)蒜薹抽拔作業(yè)。

2 蒜薹收獲機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 夾持抽拔機(jī)構(gòu)

夾持抽拔機(jī)構(gòu)是收獲機(jī)的核心部件，主要完成蒜薹的夾持與抽拔過程。夾持抽拔機(jī)構(gòu)主要由凸輪、夾持器、導(dǎo)夾器支撐板、導(dǎo)夾器、抽拔轉(zhuǎn)盤、抽拔軸等組成(圖2)。一個(gè)夾持抽拔機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)有2個(gè)抽拔轉(zhuǎn)盤，抽拔轉(zhuǎn)盤圓周外側(cè)均勻布置有若干個(gè)導(dǎo)夾器支撐板，導(dǎo)夾器支撐板內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有凹槽滑道，為導(dǎo)夾器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供軌道。導(dǎo)夾器外側(cè)設(shè)計(jì)有凸臺(tái)滑道，與導(dǎo)夾器支撐板內(nèi)側(cè)的凹槽滑道相互配合，形成移動(dòng)副；導(dǎo)夾器與夾持器相接觸的部分設(shè)計(jì)為楔形，二者相互配合形成楔形滑塊機(jī)構(gòu)，其中導(dǎo)夾器一端裝有軸承，軸承始終與凸輪相接觸，并能在凸輪上滾動(dòng)；夾持器上設(shè)計(jì)安裝有輕質(zhì)短軸、輕質(zhì)彈簧等。

導(dǎo)夾器支撐板與抽拔轉(zhuǎn)盤固定連接，二者在抽拔軸的驅(qū)動(dòng)作用下作圓周運(yùn)動(dòng)；與導(dǎo)夾器支撐板相互配合的導(dǎo)夾器壓向凸輪，導(dǎo)夾器一端的軸承始終與凸輪接觸，凸輪固定不動(dòng)且為導(dǎo)夾器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供支撐；導(dǎo)夾器支撐板與夾持器之間通過輕質(zhì)短軸連接，2個(gè)夾持器之間的輕質(zhì)短軸上安裝有輕質(zhì)彈簧；在輕質(zhì)彈簧和導(dǎo)夾器的共同作用下，夾持器沿軸向?qū)崿F(xiàn)張開與閉合，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒜薹的夾持；隨著收獲機(jī)的前進(jìn)和夾持抽拔機(jī)構(gòu)的圓周運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)蒜薹的夾持與抽拔作業(yè)。

1.凸輪;2.夾持器;3.輕質(zhì)短軸;4.導(dǎo)夾器支撐板;5.導(dǎo)夾器;6.抽拔轉(zhuǎn)盤;7.軸套;8.抽拔軸。1.Cam;2.Gripper;3.Light short axis;4.Clamping guide support plate;5.Cliping guide;6.Pulling turntable;7.Shaft sleeve;8.Pulling shaft.圖2 夾持抽拔機(jī)構(gòu)Fig.2 Clamping and pull-out mechanism

前期對(duì)蒜薹試驗(yàn)測得：蒜薹最大直徑dmax為6.15 mm，蒜薹露出大蒜植株部分的平均直徑d為5.71 mm，蒜薹露出大蒜植株60～80 mm時(shí)會(huì)稍微打彎，此時(shí)收獲效果最好。因此，設(shè)計(jì)夾持器的寬度小于60 mm，綜合考慮蒜薹的力學(xué)特性，選取夾持器的寬度D1為 30 mm，長度L1為 50 mm。

2.2 曲柄針扎機(jī)構(gòu)

曲柄針扎機(jī)構(gòu)作為收獲機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)蒜薹根部進(jìn)行針扎，扎斷蒜薹底部，便于蒜薹抽拔，降低在抽拔過程中拔斷率，保證蒜薹品質(zhì)。曲柄針扎機(jī)構(gòu)主要由針板、曲柄連桿、驅(qū)動(dòng)軸、固定板等組成(圖3)。

1.驅(qū)動(dòng)軸;2.針板;3.固定板;4.曲柄連桿。1.Driving shaft;2.Needle plate;3.Fixed plate;4.Crank connecting rod.圖3 曲柄針扎機(jī)構(gòu)Fig.3 The crank pin sticking mechanism

曲柄針扎機(jī)構(gòu)與導(dǎo)禾桿通過螺栓連接，在導(dǎo)禾桿上，與曲柄針扎機(jī)構(gòu)配合的一側(cè)設(shè)計(jì)有針板運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，針板在導(dǎo)軌內(nèi)可以進(jìn)行快速的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。曲柄針扎機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)軸、曲柄連桿帶動(dòng)針板實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成蒜薹根部針扎作業(yè)。

前期試驗(yàn)測得，大蒜植株的最大直徑為20 mm、平均直徑為15.6 mm，同時(shí)避免對(duì)蒜薹進(jìn)行針扎過程中出現(xiàn)漏扎。針板寬度要大于大蒜植株最大直徑，設(shè)計(jì)為30 mm。針板上均勻安裝5個(gè)針，針的直徑為2 mm，相鄰兩根針的間距為5 mm，針伸出針板的長度為20 mm。

3 基于ADAMS關(guān)鍵機(jī)構(gòu)仿真試驗(yàn)

對(duì)蒜薹收獲機(jī)的夾持抽拔機(jī)構(gòu)和曲柄針扎機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)描述。利用SolidWorks軟件建立關(guān)鍵機(jī)構(gòu)三維模型，然后基于ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析，計(jì)算和模擬出關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析設(shè)計(jì)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)其功能，準(zhǔn)確地反應(yīng)其實(shí)際工作狀態(tài)與相關(guān)數(shù)據(jù)[19]。

3.1 夾持抽拔機(jī)構(gòu)仿真

收獲機(jī)前進(jìn)時(shí)，夾持抽拔機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以分解為沿水平方向的直線運(yùn)動(dòng)，以及與水平面垂直方向的圓周運(yùn)動(dòng)。以上2個(gè)運(yùn)動(dòng)合成后夾持抽拔機(jī)構(gòu)近似的做簡諧運(yùn)動(dòng)，收獲機(jī)前進(jìn)速度和夾持抽拔機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了夾持抽拔機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。合理確定夾持抽拔機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，故需要建立蒜薹夾持抽拔機(jī)構(gòu)的仿真模型，根據(jù)仿真分析的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，并確定其相關(guān)參數(shù)。

3.1.1 夾持抽拔機(jī)構(gòu)仿真模型 在SolidWorks軟件中創(chuàng)建夾持抽拔機(jī)構(gòu)三維模型。然后將該機(jī)構(gòu)裝配體文件保存為ADAMS可識(shí)別的“xt”格式，再從ADAMS/Exchange(圖形接口模塊)將實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中。為保證仿真進(jìn)行順利，在ADAMS/View中選擇“Tool|Model Verify”菜單，進(jìn)行模型自檢，根據(jù)顯示的Information對(duì)話框檢驗(yàn)導(dǎo)入的模型各項(xiàng)信息，排除建模過程中現(xiàn)在錯(cuò)誤。然后在ADAMS中重新定義模型質(zhì)量參數(shù)，創(chuàng)建完整的仿真模型。

夾持抽拔機(jī)構(gòu)仿真前需施加約束。ADAMS/View中設(shè)置建模環(huán)境；主參考系為OXYZ；Setting菜單中設(shè)置系統(tǒng)單位(Units Settings)，調(diào)整Working Grid，如圖4a所示。圖4b為施加約束后的夾持抽拔機(jī)構(gòu)仿真模型，在抽拔轉(zhuǎn)盤與抽拔軸處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，輸入30 d×time。在夾持器處添加一點(diǎn)，方便測量夾持器的運(yùn)動(dòng)變化。

圖4 夾持抽拔機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.4 Simulation model of clamping and pull-out mechanism

3.1.2 夾持抽拔機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果分析 建立正確的運(yùn)動(dòng)初始條件，擬定仿真分析和試驗(yàn)有關(guān)控制參數(shù)，設(shè)定步長(步)、時(shí)間(s)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。經(jīng)過給定輸入運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)夾持抽拔機(jī)構(gòu)模型模擬仿真。當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度一定，夾持抽拔機(jī)構(gòu)的抽拔軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過仿真可得到夾持抽拔機(jī)構(gòu)上的夾持器夾持部位的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度隨時(shí)間變化的曲線，仿真結(jié)果如圖5所示。

收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，夾持抽拔機(jī)構(gòu)上夾持器的運(yùn)動(dòng)主要由隨著收獲機(jī)前進(jìn)做直線運(yùn)動(dòng)和隨著抽拔軸旋轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)2部分構(gòu)成。因此，夾持器上夾持蒜薹的部位其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是抽拔軸圓周運(yùn)動(dòng)和收獲機(jī)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)2種運(yùn)動(dòng)的合成。由仿真結(jié)果圖5a可知，收獲機(jī)工作時(shí)夾持器上夾持部位在豎直方向上運(yùn)動(dòng)的最大位移為115 mm；由圖5b可知，夾持器的線速度相對(duì)穩(wěn)定，成正弦曲線周期性變化，夾持器最大速度為95 mm·s-1；由圖5c可知由于收獲機(jī)做勻速直線前進(jìn)，并且抽拔軸轉(zhuǎn)速不變，故夾持部位的絕對(duì)加速度不發(fā)生變化為32 mm·s-2。對(duì)夾持抽拔機(jī)構(gòu)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析可以得出：影響收獲機(jī)蒜薹收獲質(zhì)量的主要因素為收獲機(jī)前進(jìn)速度和抽拔軸轉(zhuǎn)速。

圖5 夾持器運(yùn)動(dòng)曲線Fig.5 The motion curve of gripper

3.2 曲柄針扎機(jī)構(gòu)仿真

3.2.1 曲柄針扎機(jī)構(gòu)仿真模型 根據(jù)收獲機(jī)上曲柄針扎機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，將曲柄針扎機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入到ADAMS中，并設(shè)置系統(tǒng)單位、建模環(huán)境等，然后對(duì)模型進(jìn)行約束添加，仿真模型如圖6所示。在驅(qū)動(dòng)軸處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，以及針扎機(jī)構(gòu)隨收獲機(jī)前進(jìn)的水平速度。在曲柄針扎機(jī)構(gòu)上針板的針尖處添加一點(diǎn)，方便測量針扎機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位移、速度和加速度曲線。

圖6 曲柄針扎機(jī)構(gòu)的ADAMS約束模型Fig.6 ADAMS constraint model of crank pin sticking mechanism

3.2.2 曲柄針扎機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果分析 建立正確的運(yùn)動(dòng)初始條件，擬定仿真分析和試驗(yàn)有關(guān)控制參數(shù)，設(shè)定步長(步)、時(shí)間(s)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。經(jīng)過給定輸入運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)曲柄針扎機(jī)構(gòu)模型模擬仿真。當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度一定，曲柄針扎機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速一定，通過仿真可得到針板上針尖處一點(diǎn)在水平方向的位移、速度和加速度的變化曲線，仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在收獲機(jī)前進(jìn)和驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的共同作用下，曲柄針扎機(jī)構(gòu)上的針板在水平面上的位移呈余弦曲線周期性變化，最大位移與最小位移之間的水平距離約為20 mm；在針板進(jìn)程至最遠(yuǎn)即位移(波峰)處可將蒜薹扎斷；針板回程至最近即波谷處，針板完全返回到針扎機(jī)構(gòu)內(nèi)。通過波峰與波谷對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)針扎在進(jìn)程接近蒜薹時(shí)速度較快、較為穩(wěn)定。針扎過程中針板的速度變化相對(duì)穩(wěn)定，最大速度約為680 mm·s-1。針板線加速度從大蒜植株退出過程中，針板的線加速度最大約為50 000 mm·s-2。對(duì)夾持抽拔機(jī)構(gòu)的仿真結(jié)果分析可以看出，曲柄針扎機(jī)構(gòu)有利于扎斷蒜薹根部，且對(duì)大蒜植株的損傷小，為后期曲柄針扎機(jī)構(gòu)針扎速度的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

圖7 針板運(yùn)動(dòng)曲線Fig.7 The motion curve of needle plate

3.3 蒜薹收獲機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)田間試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c條件 對(duì)設(shè)計(jì)的蒜薹收獲機(jī)進(jìn)行加工試制，2019-04-28正值蒜薹成熟期與抽拔期，在河南省開封市通許縣對(duì)蒜薹收獲機(jī)的曲柄針扎機(jī)構(gòu)和夾持抽拔機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖8所示。試驗(yàn)地塊大蒜品種為金育6號(hào)，大蒜植株平均行距為160 mm，平均株距為100 mm。收獲試驗(yàn)區(qū)長度為20 m。

圖8 田間試驗(yàn)Fig.8 The field experiment

3.3.2 試驗(yàn)方案 設(shè)定蒜薹收獲機(jī)曲柄針扎速度為100 r·min-1，以針扎成功率和抽拔成功率為指標(biāo)，分別以收獲機(jī)前進(jìn)速度、抽拔軸轉(zhuǎn)速為影響因素開展單因素試驗(yàn)。蒜薹收獲品質(zhì)要求為從針扎處完整抽拔出，無斷裂且無機(jī)械損傷。在收獲試驗(yàn)區(qū)中，被扎斷的蒜薹數(shù)與蒜薹總數(shù)的比值定義為針扎成功率；在收獲試驗(yàn)區(qū)中，被完整抽拔出的蒜薹數(shù)與被有效夾持住的蒜薹數(shù)的比值定義為抽拔成功率。試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表Table 1 Test factors and levels

3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 按照上述試驗(yàn)方案開展蒜薹收獲機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)田間試驗(yàn)，得出試驗(yàn)結(jié)果如表2—表3所示。

表2 收獲機(jī)速度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響Table 2 Effect of harvester speed on test index

表3 抽拔成功率與抽拔軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系Table 3 The relationship of success rate and pull shaft rotation speed

由表2可知，當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度為20～35 mm·s-1時(shí)，針扎成功率在99%以上，抽拔成功率在85.2%以上；當(dāng)速度為35～50 mm·s-1時(shí)，針扎成功率降低，抽拔成功率急劇下降。為保證抽拔成功率，收獲機(jī)速度應(yīng)為20～35 mm·s-1。

由表3可知，抽拔軸轉(zhuǎn)速在3.6～5.0 r·min-1時(shí)，抽拔成功率隨著抽拔軸轉(zhuǎn)速增大而增大，并逐漸趨于平穩(wěn)。為保證抽拔成功率與效率，選擇抽拔軸轉(zhuǎn)速為4.2～5.0 r·min-1，抽拔成功率在85.4%以上。

綜上分析可知，當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度為20～35 mm·s-1、曲柄針扎速度為100 r·min-1、抽拔軸轉(zhuǎn)速為4.2～5.0 r·min-1，針扎成功率在99%以上，抽拔成功率在85%以上。

4 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種蒜薹收獲機(jī)，該收獲機(jī)可完成對(duì)蒜薹的分禾、撥禾、針扎、夾持與抽拔以及集箱等作業(yè)。并重點(diǎn)對(duì)收獲機(jī)的夾持抽拔機(jī)構(gòu)和曲柄針扎機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

(2)基于ADAMS軟件對(duì)收獲機(jī)的夾持抽拔機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，收獲機(jī)在工作時(shí)夾持器上夾持部位在豎直方向上運(yùn)動(dòng)的最大位移為115 mm；夾持器的線速度相對(duì)穩(wěn)定，成正弦曲線周期性變化，最大速度為95 mm·s-1；夾持部位絕對(duì)加速度不發(fā)生變化為32 mm·s-2。

(3)基于ADAMS軟件對(duì)收獲機(jī)的曲柄針扎機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，曲柄針扎機(jī)構(gòu)上的針板在水平面上的位移呈余弦曲線周期性變化，最大位移與最小位移之間的水平距離為20 mm；針扎過程中針板的最大速度為680 mm·s-1；針板線加速度從大蒜植株退出過程中，線加速度最大為50 000 mm·s-2。設(shè)計(jì)的曲柄針扎機(jī)構(gòu)有利于扎斷蒜薹根部，且對(duì)大蒜植株損傷小。

(4)通過蒜薹收獲機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)田間試驗(yàn)，確定收獲機(jī)前進(jìn)速度為20～35 mm·s-1、曲柄針扎速度為100 r·min-1、抽拔軸轉(zhuǎn)速為4.2～5.0 r·min-1，其針扎成功率在99%以上，抽拔成功率在85%以上。