韓飛坡,朱 全,黃 魯,陳 華,盧旭珍,邵 帥

(1.馬鞍山學(xué)院 智造工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243100;2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243100)

0 引言

玉米作為我國(guó)三大主糧之一,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家糧食安全極其重要[1]。近年來(lái),隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷進(jìn)步,玉米收獲機(jī)械化也在不斷蓬勃發(fā)展,玉米種植面積逐年攀升。受大風(fēng)、暴雨等外界因素的影響,玉米在種植過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)大面積倒伏,不僅對(duì)玉米的光合作用、產(chǎn)量、品質(zhì)造成巨大的負(fù)面影響,同時(shí)也給機(jī)械化收獲帶來(lái)嚴(yán)重阻礙[2]。2017年公布的《主要農(nóng)作物品種審定標(biāo)準(zhǔn)》[3]中要求:普通玉米每年區(qū)域試驗(yàn)及生產(chǎn)試驗(yàn)中倒伏倒折率之和≤8.0%,且倒伏倒折率之和≥10.0%的試驗(yàn)點(diǎn)比例≤20%;適宜機(jī)械化收獲的普通玉米,每年區(qū)域試驗(yàn)及生產(chǎn)試驗(yàn)倒伏倒折率之和≤5.0%的試驗(yàn)點(diǎn)占全部試驗(yàn)點(diǎn)比例≥90%。

研究玉米抗倒伏機(jī)理,對(duì)實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和機(jī)械化收獲乃至農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有十分重要的意義。為此,很多學(xué)者從玉米的形態(tài)特征、莖稈化學(xué)成分、莖稈組織結(jié)構(gòu)、莖稈力學(xué)特性、種植密度、水肥管理調(diào)控栽培措施、病害蟲(chóng)害及莖稈抗倒特性的遺傳等多方面對(duì)玉米植株的抗倒伏性能進(jìn)行了研究[4-12],也有學(xué)者針對(duì)倒伏后的玉米機(jī)械收獲進(jìn)行了相關(guān)玉米收獲設(shè)備的改進(jìn),減少了玉米收獲損失[13-14]。除此之外,對(duì)于倒伏在地的玉米農(nóng)田,部分學(xué)者建議種植戶根據(jù)實(shí)際情況采取“一扶、二疏、三補(bǔ)、四防”的補(bǔ)救措施和“倒伏玉米見(jiàn)好就收,未倒伏玉米盡量推遲收獲”的應(yīng)對(duì)策略,盡量降低玉米產(chǎn)量的損失[15]。以上研究對(duì)國(guó)內(nèi)玉米生產(chǎn)方式起到了指導(dǎo)性作用,而關(guān)于倒伏后玉米植株的相關(guān)扶救農(nóng)具鮮有報(bào)道。為此,針對(duì)玉米莖稈倒伏設(shè)計(jì)了一套玉米莖稈扶直包扎裝置,力求使玉米植株經(jīng)扶直包扎后能夠較好地直立生長(zhǎng),降低倒伏對(duì)玉米產(chǎn)量、品質(zhì)等的影響。

1 玉米莖稈扶直包扎裝置設(shè)計(jì)

1.1 扶直包扎對(duì)象物理模型建立

玉米倒伏一般分為根倒、莖倒和莖折3種類型[16]。對(duì)于根倒、莖倒情況,可以將玉米莖稈扶直后加固根部土壤,減輕對(duì)玉米生長(zhǎng)的損傷;對(duì)于莖折情況,扶直玉米莖稈后還需要對(duì)折傷處包扎緊固,莖折相對(duì)于根倒、莖倒對(duì)玉米生長(zhǎng)傷害更大,且沒(méi)有較好的補(bǔ)救措施,故選擇莖折后玉米莖稈作為扶直包扎對(duì)象。

玉米大多進(jìn)入吐絲灌漿期之后發(fā)生莖折,且以穗下基部節(jié)間的莖折為主,大概率莖折發(fā)生在第3節(jié)間[5,17-19]。玉米株高因品種和栽培條件差異,一般矮稈株高只有0.5～0.8m,高稈有3～4m,莖稈為14～25節(jié)[20]。為了保證設(shè)計(jì)的扶直包扎裝置與真實(shí)莖稈具有較高的一致性,需對(duì)其物理結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)分析。因此,以河北邯鄲某試驗(yàn)田鄭單958品種吐絲灌漿期玉米植株為研究對(duì)象,對(duì)扶直包扎對(duì)象主要物理特性進(jìn)行了研究,包括玉米莖稈株高、第3節(jié)莖稈直徑、莖稈質(zhì)量(去除根部)等。其中,玉米莖稈橫截面可以近似為橢圓形,通過(guò)測(cè)量長(zhǎng)短軸徑計(jì)算平均直徑,即

(1)

其中,D1為測(cè)量長(zhǎng)軸直徑值;D2為測(cè)量短軸直徑;d為莖稈直徑平均值。

選取20株未受蟲(chóng)害侵襲的吐絲灌漿期新鮮完整莖稈,擦洗干凈,測(cè)量玉米植株株高、莖稈直徑d(第3節(jié))、第3節(jié)節(jié)中高度(距地面)、穗高等。玉米形態(tài)特征示意圖如圖1所示,測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 玉米樣品主要特征測(cè)量平均值Table 1 Average value of main characteristics of Maize samples

注:H1為第3節(jié)節(jié)中高度(mm);H2為穗高(mm);H為玉米植株株高(mm)。圖1 玉米形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of Maize

1.2 扶直包扎裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扶直包扎裝置主要由扶直裝置和包扎裝置兩部分組成,如圖2和圖3所示。

1.抓手 2.電動(dòng)推桿圖2 扶直裝置組成Fig.2 Composition of straightening device

扶直裝置由電動(dòng)推桿與抓手組成。電動(dòng)推桿與抓手通過(guò)螺栓連接,啟動(dòng)電源電動(dòng)推桿會(huì)將抓手伸出一定距離,抓套玉米植株后可利用電動(dòng)推桿將抓手縮回一定距離,完成玉米植株的扶直工作。

包扎裝置是利用平行四邊形機(jī)構(gòu)的原理,使連接處的4個(gè)支鏈可以進(jìn)行伸長(zhǎng)和縮短,從而實(shí)現(xiàn)裝置的展開(kāi)與閉合。圖3(a)、(b)分別為包扎裝置展開(kāi)、閉合時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖。包扎裝置主要由主板、次板、連桿、夾口組成,主板分上下兩層,其間由兩個(gè)支撐柱連接,還預(yù)留有與連桿鉸接的若干鉸接柱;主板與次板通過(guò)鉸接柱鉸接,連桿之間通過(guò)夾口鉸接。

1.3 工作原理

利用扶直裝置將玉米莖稈扶直后,左手拇指與中指/食指固定包扎裝置端部主板,同時(shí)左手協(xié)助左臂匡扶玉米莖稈,右手繞玉米莖稈轉(zhuǎn)動(dòng)其他主板、次板,通過(guò)包扎裝置末端連桿與主板鉸接扣合,完成對(duì)玉米莖稈的包扎工作。包扎時(shí),注意夾口應(yīng)與玉米莖稈貼合。

1.4 包扎裝置模塊及自由度確定

包扎裝置在對(duì)玉米莖稈包扎過(guò)程中,空間結(jié)構(gòu)均在與玉米莖稈垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。為進(jìn)一步對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,可將結(jié)構(gòu)向與玉米莖稈垂直平面投影。平面機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 包扎裝置展開(kāi)閉合示意圖Fig.4 Schematic diagram of opening and closing of binding device

圖4中,實(shí)線表示包扎裝置閉合狀態(tài),虛線為展開(kāi)狀態(tài)。

為了設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的包扎裝置及尺寸參數(shù),將其分為固定模塊和N個(gè)活動(dòng)模塊,每個(gè)模塊由1個(gè)板、2個(gè)連桿組成。圖4中,板A1A2A3A4、桿A3A5、桿A5B4為一組固定模塊,板A2B2B3B4、桿B3B5桿B5C4為第1個(gè)活動(dòng)模塊,板B2C2C3C4、桿C3C5、桿C5D4為第2個(gè)活動(dòng)模塊。當(dāng)機(jī)構(gòu)中的可展模塊數(shù)繼續(xù)增加時(shí),以此類推。

圖4中,1個(gè)固定模塊共有3個(gè)構(gòu)件,即板A1A2A3A4、桿A3A5、桿A5B4,鉸鏈總數(shù)為2。根據(jù)平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式,則

F=3n-2PL-PH

(2)

此時(shí),包扎裝置機(jī)構(gòu)的自由度為

F=3×2-2×2=2

(3)

當(dāng)包扎裝置機(jī)構(gòu)有2個(gè)模塊(1個(gè)固定模塊、1個(gè)活動(dòng)模塊)時(shí),機(jī)構(gòu)自由度為

F=3×5-2×6=3

(4)

當(dāng)機(jī)構(gòu)模塊數(shù)擴(kuò)展為N時(shí),活動(dòng)構(gòu)件總數(shù)為3N-1,總鉸鏈數(shù)為4(N-1)+2,則機(jī)構(gòu)自由度為

F=3(3N-1)-2[(4(N-1)+2)]=N+1

(5)

由以上分析可知:當(dāng)包扎裝置模塊數(shù)發(fā)生改變時(shí),機(jī)構(gòu)整體自由度隨模塊數(shù)增加而變大。這說(shuō)明,當(dāng)包扎裝置包扎玉米莖稈時(shí),為了使得包扎裝置能夠按照預(yù)定軌跡繞玉米莖稈包扎,需要雙手提供更多的原始動(dòng)力觸發(fā)點(diǎn)。

包扎裝置(模塊數(shù)1～6)機(jī)構(gòu)自由度如表2所示。

表2 1～6模塊包扎裝置自由度Table 2 Freedom of binding device for Module 1～6

為使包扎器能夠穩(wěn)固夾持玉米莖稈,至少需要3個(gè)模塊,如圖5所示。隨著模塊增多,與玉米莖稈夾持點(diǎn)也增多。

圖5 不同模塊包扎裝置閉合示意圖Fig.5 Closing diagram of binding devices of different modules

人手是人臂前端的一部分,由拇指、食指、中指、無(wú)名指、小指和手掌組成。人手可以借助手指的功能,來(lái)實(shí)現(xiàn)各類靈活多變的動(dòng)作和對(duì)物體的抓取[21]。在操作包扎裝置時(shí),手指能夠提供一定的原始動(dòng)力,調(diào)整包扎裝置各模塊位置,包扎裝置模塊越多,需要調(diào)整位姿的模塊數(shù)量也越多,不便于用戶手工操作;同時(shí),考慮到玉米莖稈截面近似橢圓,三模塊夾持點(diǎn)可能會(huì)有夾空現(xiàn)象,因此確定包扎器模塊數(shù)為4。經(jīng)多次試驗(yàn),包扎時(shí)固定模塊由左手拇指與中指/食指手持固定,右手對(duì)其余模塊調(diào)整位姿,進(jìn)行包扎閉合操作較為便捷。期間共需要提供5處原始動(dòng)力觸發(fā)點(diǎn),用于對(duì)包扎裝置的姿態(tài)調(diào)整。

1.5 扶直包扎裝置主要尺寸參數(shù)確定

1)扶直裝置主要尺寸參數(shù)的確定。圖6為人體操作扶直裝置將玉米植株扶直工作過(guò)程。根據(jù)《中國(guó)成年人人體尺寸》,18～60歲男、女上臂平均長(zhǎng)度為524mm[22],扶直時(shí)人體到玉米植株距離H3不應(yīng)超過(guò)上臂長(zhǎng)度524mm,且不超過(guò)玉米種植行距和株距。玉米植株扶直過(guò)程中,玉米雌穗對(duì)玉米植株作用力較大,扶直裝置抓套玉米植株時(shí)應(yīng)該在玉米雌穗附近處抓套。同時(shí),人體操作扶直器為站姿操作,考慮操作舒適性,玉米植株扶直過(guò)程中人體上臂與人體冠狀面大致成45°角,算出扶直裝置行程約1000mm,玉米植株除去根部質(zhì)量大約為3kg,扶直裝置拉力應(yīng)大于43N。綜上所述,確定扶直器主要參數(shù):行程1000mm,拉力45N。

注:H3為人體冠狀面到玉米植株距離(mm)。圖6 扶直裝置工作示意圖Fig.6 Working diagram of straightening device

2)包扎裝置主要尺寸參數(shù)的確定。圖4中,∠A1A2A3=45°。包扎裝置由展開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為閉合狀態(tài)過(guò)程中,lA3A5=lA5B4,在包扎裝置閉合時(shí)應(yīng)保持桿A3A4與莖稈邊緣相切或者相離。取莖稈直徑20mm,為保證夾持點(diǎn)能夠夾持到玉米莖稈,lA3A5應(yīng)滿足的條件為

(6)

包扎裝置展開(kāi)狀態(tài)時(shí),在ΔA2A3A5中,有

(7)

(8)

為保證包扎器具有較好的剛度和強(qiáng)度,取lA1A2=50,lA3A5=15,lA2A3=21.21,包扎裝置主要尺寸取整如表3所示。

表3 包扎裝置主要尺寸參數(shù)Table 3 Working diagram of straightening device main dimensional parameters of binding device

2 試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)扶直包扎裝置的使用性能,采購(gòu)了電動(dòng)推桿,并配備抓手作為扶直裝置,搭建了包扎裝置,如圖7所示。

圖7 包扎裝置實(shí)物模型Fig.7 Physical model of binding device

選定河北邯鄲某一農(nóng)戶種植田地進(jìn)行扶直包扎試驗(yàn),試驗(yàn)對(duì)象選取鄭單958品種吐絲灌漿期第3節(jié)間倒折玉米植株,試驗(yàn)區(qū)玉米行距390mm,株距180mm。將具有多年農(nóng)耕經(jīng)驗(yàn)玉米種植戶分成兩組,每組10人。其中,一組為徒手扶直,利用木條與塑料捆扎繩等對(duì)玉米莖稈扶直包扎,為傳統(tǒng)組;另一組手持扶直包扎裝置對(duì)玉米莖稈扶直包扎,為裝置組。規(guī)定扶植包扎時(shí)間為10min,兩組分別沿著田間玉米行進(jìn)行扶植包扎,記錄每分鐘內(nèi)每組玉米莖稈扶直包扎數(shù)目。兩組扶直包扎數(shù)目對(duì)比如表4所示。

表4 玉米莖稈扶直包扎數(shù)目對(duì)比Table 4 Comparison of the number of corn stalk straightening and binding 株

扶直包扎試驗(yàn)結(jié)果表明:在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),傳統(tǒng)組玉米莖稈扶直包扎的總數(shù)目為167株,平均每分鐘可扶直包扎16.7株;裝置組玉米莖稈扶直包扎的總數(shù)目為607株,平均每分鐘可扶直包扎60.7株。可以看出,裝置組效率明顯高于傳統(tǒng)組。

通過(guò)圖8所示的玉米莖稈扶直包扎數(shù)目對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)組扶直包扎效率低下,隨著時(shí)間推移,扶直包扎數(shù)目逐漸較少。分析原因可能是:扶直包扎工作需要扶直、包扎兩道工序完成,在沒(méi)有專用裝備輔助下,一個(gè)人單獨(dú)完成較為困難,在試驗(yàn)中往往是兩個(gè)人協(xié)作完成,扶直玉米莖稈時(shí)需要頻繁的彎腰、俯身,該過(guò)程中玉米葉片對(duì)人體胳膊、面部皮膚會(huì)造成一定的拉傷,包扎時(shí)需要兼顧固定木條與塑料捆扎繩的操作,惡劣的作業(yè)環(huán)境和復(fù)雜的操作增加了扶直包扎時(shí)間及體力消耗。裝備組扶直包扎效率約是傳統(tǒng)組的3.6倍,扶直包扎數(shù)量明顯多于傳統(tǒng)組,隨著時(shí)間進(jìn)一步增加,裝備組扶直包扎效率趨于穩(wěn)定。原因?yàn)?初步操作對(duì)扶直包扎裝備使用不熟練,前期效率有所波動(dòng),后期逐漸熟練,效率趨于穩(wěn)定;操作過(guò)程中不需彎腰扶直玉米莖稈,包扎裝置可直接對(duì)玉米莖稈進(jìn)行包扎是高效率的主要原因。

圖8 扶直包扎對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of straightening and binding

3 結(jié)論

1)從人因工程學(xué)角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一套針對(duì)玉米莖稈倒伏的扶直包扎裝置,并介紹了整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理。同時(shí),以鄭單958品種吐絲灌漿期第3莖節(jié)倒折的玉米植株為研究對(duì)象,確定了扶直包扎農(nóng)具主要參數(shù)。

2)扶直包扎試驗(yàn)表明:裝置組玉米莖稈扶直包扎的總數(shù)目為607株,平均每分鐘可扶直包扎60.7株,效率明顯高于傳統(tǒng)組,包扎穩(wěn)固,可以避免彎腰扶直、徒手包扎等復(fù)雜操作,使得勞動(dòng)強(qiáng)度降低,保障了人身安全,體力消耗均勻。