佟文玉，張健飛，曹光喬，宋志禹，金月，寧曉峰

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京市,210014; 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,沈陽市,110866)

0 引言

甘藍(lán)是我國蔬菜主要栽培作物,我國大部分地域四季均有種植[1],栽培面積廣且產(chǎn)量大[2]。甘藍(lán)現(xiàn)階段仍以人工收獲方式為主,人工成本約占生產(chǎn)成本的50%[3]。國外早在20世紀(jì)初已經(jīng)對甘藍(lán)收獲機(jī)作業(yè)性能開展了廣泛的研究。近年來,甘藍(lán)收獲裝備逐步向聯(lián)合收獲作業(yè)方向發(fā)展,尤其是用于商業(yè)推廣的機(jī)型,普遍要求收獲機(jī)更加高效智能,可以一次性完成收獲、集箱、運輸?shù)嚷?lián)合作業(yè)[4-5]。國內(nèi)由于蔬菜生產(chǎn)和農(nóng)機(jī)設(shè)備更新?lián)Q代的政策導(dǎo)向以及甘藍(lán)生產(chǎn)管理體系的完善和健全,各高校和科研機(jī)構(gòu)在汲取國外先進(jìn)科技方法的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新[4],先后對甘藍(lán)收獲理論與設(shè)備開展系列化探索與研究。Hsu等[5]研發(fā)試制了一臺雙行甘藍(lán)收獲機(jī),田間試驗效果不佳;王志強(qiáng)[6]、李小強(qiáng)[7]等設(shè)計并優(yōu)化了4YB-1型甘藍(lán)收獲機(jī),但并未制造出物理樣機(jī),只對整機(jī)進(jìn)行了虛擬設(shè)計,以期從結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化上破解甘藍(lán)收獲的問題;周成[8]設(shè)計了一款采用雙螺旋結(jié)構(gòu)輸送甘藍(lán)的收獲機(jī),進(jìn)一步減少輸送過程中對甘藍(lán)的損傷;杜冬冬[9]設(shè)計了一種履帶自走式甘藍(lán)收獲機(jī),但通過試驗發(fā)現(xiàn)收獲過程切根效果不理想;房欣等[10]設(shè)計了一種壓頂式甘藍(lán)收獲機(jī),采用壓頂式與雙螺旋輸送相結(jié)合的輸送形式,進(jìn)一步提高了甘藍(lán)的收獲性能;李天華等[11]設(shè)計了一種采用球夾式輸送結(jié)構(gòu)的履帶式雙行甘藍(lán)收獲機(jī),柔性輸送帶設(shè)計為波浪狀,降低了輸送損傷,但該結(jié)構(gòu)只能收獲球徑大小一致的甘藍(lán),對偏大或偏小的甘藍(lán),存在堵塞、漏采現(xiàn)象。張健飛等[12]研創(chuàng)了4GCSD-1200型自走式甘藍(lán)收獲機(jī),整機(jī)采用雙動力雙泵全液驅(qū)動系統(tǒng),主要由自走式雙動力履帶行走底盤、甘藍(lán)高效低損收獲割臺、智能管控系統(tǒng)等組成,一次性作業(yè)可實現(xiàn)雙行甘藍(lán)的拔取、輸送、切根、剝?nèi)~、集箱等功能。

因此,本文對江蘇一帶甘藍(lán)種植農(nóng)藝及市場化需求進(jìn)行調(diào)研,基于甘藍(lán)物理力學(xué)特性試驗及Ansys模態(tài)分析對關(guān)鍵部件進(jìn)行分析校核,設(shè)計一種適用于江蘇甘藍(lán)主栽品種及種植模式的手扶式單行甘藍(lán)收獲機(jī),以期提高甘藍(lán)收獲效率,降低勞動強(qiáng)度。

1 種植模式及甘藍(lán)機(jī)采力學(xué)特性分析

1.1 種植模式

2021年,江蘇省甘藍(lán)種植面積約為450 km2,總產(chǎn)量約1 400 kt,露地種植比例高,約占甘藍(lán)種植面積的70%。為推行甘藍(lán)收獲機(jī)具宜機(jī)化標(biāo)準(zhǔn)并實現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝高度結(jié)合,同時為確保甘藍(lán)植株間距及行間距統(tǒng)一,應(yīng)制定適合機(jī)具作業(yè)的種植模式。甘藍(lán)在種植前要進(jìn)行開溝,之后由起壟機(jī)按照壟面寬度為900/2 200 mm,底面1 000/2 400 mm的要求進(jìn)行起壟作業(yè),同時預(yù)留機(jī)具作業(yè)通道寬度為200 mm,溝深150 mm,最后由移栽機(jī)進(jìn)行移栽定植,保證行間距范圍在420～480 mm,株間距范圍在300～350 mm[12]。種植模式如表1所示。

表1 起壟種植模式詳細(xì)參數(shù)

本文針對上述種植模式設(shè)計的手扶式單行甘藍(lán)收獲機(jī)收獲幅寬為400 mm,工作幅寬為700 mm,適應(yīng)行距范圍為400～500 mm,履帶寬度為180 mm,中心距為500 mm。以此來保證收獲機(jī)具在壟面進(jìn)行收獲作業(yè)時工作性能穩(wěn)定。

1.2 甘藍(lán)機(jī)采力學(xué)特性分析

本文選用江蘇主栽品種“春喜”甘藍(lán)作為試驗對象,該品種甘藍(lán)葉球緊實,下胚軸細(xì)長,單球重1.2～1.5 kg,成熟期球莖在180～200 mm左右。

1.2.1 剪切特性試驗

為選取適宜的割刀和合適的剪切力來滿足甘藍(lán)收獲的切根要求,需要對甘藍(lán)下胚軸莖處進(jìn)行剪切特性試驗。本試驗所用儀器為美國UTM6503萬能試驗機(jī)。試驗方法如下:采用靜態(tài)測量法,設(shè)定試驗裝置探頭量程:5 000 N;試驗前速度:500 mm/min;試驗速度:100 mm/min;下胚軸莖切斷后回程速度:500 mm/min;起始力:0.01 N。直至甘藍(lán)下胚軸莖被剪切至斷裂,即為試驗結(jié)束,每組試驗10個樣本并對其進(jìn)行編號,試驗結(jié)果如圖1所示。

(a) 試驗值

通過試驗可以發(fā)現(xiàn),剪切力在切割過程中,隨著加載時間的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律,在切割過程中剪切力達(dá)到最大值為137.138 N,此時甘藍(lán)根莖完全切除。剪切試驗擬合曲線公式如式(1)所示。

F剪=-x2+31.374x-2.067 3

(1)

1.2.2 壓縮特性試驗

為避免甘藍(lán)被夾持輸送帶擠壓破損,影響甘藍(lán)的品質(zhì),對甘藍(lán)球體進(jìn)行軸向與徑向壓縮力學(xué)特性試驗,通過壓縮特性試驗數(shù)據(jù),為一級輸送帶的安裝位置及角度提供設(shè)計依據(jù)。采用靜態(tài)測量法,設(shè)定加載速度為10 mm/min對試樣施加壓力,直至甘藍(lán)試樣破損,試驗結(jié)束。每組試驗10個樣本,加載部位如圖2所示。

(a) 擠壓頂部

通過壓縮試驗可發(fā)現(xiàn),甘藍(lán)球體在壓縮過程開始時,擠壓力隨位移的增加而增大,隨著變形的逐漸增大,擠壓力呈線性增長,所以此過程主要發(fā)生彈性變形;隨著位移繼續(xù)加載,壓力逐漸增大,當(dāng)擠壓力為Fc時達(dá)到破壞極限,甘藍(lán)球體發(fā)生碎裂,此時甘藍(lán)損傷。

根據(jù)擬合曲線圖3可知,當(dāng)壓縮位移為37.86 mm時,甘藍(lán)球體出現(xiàn)破裂,此時擠壓破裂力為1 198.3 N。擠壓試驗擬合曲線公式如式(2)所示。

(a) 試驗值

F擠=0.185x2+23.217x+69.054

(2)

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該甘藍(lán)收獲機(jī)主要由履帶式動力底盤、拔取機(jī)構(gòu)、夾持輸送機(jī)構(gòu)、雙圓盤切根機(jī)構(gòu)等組成。甘藍(lán)割臺位于行走動力底盤前部,采用三點懸掛式結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉸接,以對稱中心面為基準(zhǔn)呈縱向排列,單行甘藍(lán)收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。整機(jī)前部為甘藍(lán)收獲割臺裝置,由履帶行走底盤動力輸出軸提供動力,通過皮帶及鏈條實現(xiàn)動力傳遞,可一次性實現(xiàn)單行甘藍(lán)的拔取、夾持輸送、切根、集箱等聯(lián)合作業(yè)功能。

圖4 單行甘藍(lán)收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

通過調(diào)整甘藍(lán)收獲割臺高度使拔取輥緊貼地面,由行走底盤的發(fā)動機(jī)輸出軸提供動力,經(jīng)皮帶及鏈條傳輸后使拔取輥、輸送帶、割刀等關(guān)鍵部件協(xié)調(diào)運作。收獲作業(yè)時,拔取輥外旋完成甘藍(lán)拔取,通過撥禾葉片旋轉(zhuǎn)撥正甘藍(lán)并送入柔性夾持輸送機(jī)構(gòu),柔性夾持輸送機(jī)構(gòu)將甘藍(lán)夾持向后輸送的同時,切根機(jī)構(gòu)將甘藍(lán)根部切除并通過橫向輸送平臺清除多余外包葉后進(jìn)入集料箱,完成收集,從而實現(xiàn)甘藍(lán)聯(lián)合收獲作業(yè)。手扶式單行甘藍(lán)收獲機(jī)基本參數(shù)如表2所示。

表2 整機(jī)技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 撥禾機(jī)構(gòu)

撥禾輪位于輸送帶喂入口上方,當(dāng)甘藍(lán)被拔取后即將進(jìn)入夾持輸送裝置時起到輔助導(dǎo)正喂入的作用。撥禾輪工作時外沿的線速度與機(jī)具工作時的前進(jìn)速度的比值稱為撥禾速率比λ,當(dāng)λ≤1時,撥禾輪的工作軌跡擺線幅度較小,無法實現(xiàn)對甘藍(lán)的扶持及導(dǎo)正功能;當(dāng)λ>1時,撥禾輪可正常工作,如圖5所示。

圖5 撥禾輪運動軌跡

(3)

式中:Vo——撥禾輪工作時外沿線速度,m/s;

vx——機(jī)具工作時的前進(jìn)速度,m/s。

將撥禾輪中心O在地面上的垂直投影點On設(shè)為坐標(biāo)原點,甘藍(lán)收獲機(jī)進(jìn)行收獲作業(yè)時前進(jìn)方向為X軸正方向,Y軸垂直向上,則撥禾輪運動軌跡方程為

x=vxt+RncosWnt

(4)

y=Hn-RnsinWnt

(5)

式中:t——機(jī)具工作時前進(jìn)時間,s;

Rn——撥禾輪的半徑,mm;

Wn——撥禾輪的角速度,rad/s;

Hn——撥禾輪中心到地面的高度,mm。

假設(shè)撥禾輪共有m張撥禾葉片,當(dāng)一張撥禾葉片轉(zhuǎn)動一周時,收獲機(jī)具前進(jìn)距離

(6)

式中:Vn——撥禾輪的轉(zhuǎn)速,r/min。

當(dāng)撥禾輪正常工作時,為使每一張葉片轉(zhuǎn)動時都扶持導(dǎo)正一顆甘藍(lán),撥禾輪外形尺寸應(yīng)滿足

(7)

式中:d1——收獲甘藍(lán)直徑,mm。

為實現(xiàn)連續(xù)收獲,撥禾輪長幅余擺線之間的節(jié)距Sn應(yīng)滿足

(8)

式中:Sl——甘藍(lán)種植株間距,mm;

n——撥禾葉片間隔量,一般取1,2,3。

本文機(jī)具撥禾葉片數(shù)為6,撥禾輪半徑為240 mm,甘藍(lán)種植株間距選擇350 mm,n取2。由此計算得撥禾速率比λ為1.435>1,由式(3)可知,撥禾輪可實現(xiàn)扶持導(dǎo)正功能,因此本文撥禾機(jī)構(gòu)設(shè)計合理。

3.2 夾持輸送機(jī)構(gòu)

甘藍(lán)進(jìn)入喂入口并被夾持輸送的必要條件,如圖6所示,應(yīng)滿足如下公式。

圖6 甘藍(lán)在喂入口的受力情況

(9)

式中:FT——摩擦力,N;

FN——輸送帶浮動輪對甘藍(lán)的壓力,N;

μ——輸送帶與甘藍(lán)的摩擦系數(shù)。

(10)

式中:D——輸送帶浮動輪的直徑,mm;

l——輸送帶浮動輪的間距,mm。

輸送帶喂入口夾持位置應(yīng)為甘藍(lán)腰部,本文試驗對象“春喜”甘藍(lán)成熟期單球重1.2～1.5 kg,球莖180～200 mm之間,本文設(shè)計的夾持輸送機(jī)構(gòu)喂入口間距為彈簧式可調(diào)且最小間距為160 mm,因此可計算得出輸送帶與甘藍(lán)摩擦系數(shù)的最大值為

甘藍(lán)所受最大擠壓力為

(11)

式中:G——甘藍(lán)成熟期單球重力,N。

由甘藍(lán)機(jī)采特性試驗可知,此時甘藍(lán)所受擠壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于甘藍(lán)最大擠壓破碎力1 198.4 N,因此該夾持輸送裝置設(shè)計合理。

3.3 切根機(jī)構(gòu)

假設(shè)切根機(jī)構(gòu)的兩個圓盤刀都是理想圓盤,并且將待切根的甘藍(lán)根莖理想化為正圓,根莖的直徑理想化為D1,同時切割工作中,圓盤刀與根莖均不變形,為理想化切割,根莖圓與兩個圓盤刀同時相切,見圖7。

圖7 甘藍(lán)根莖受力分析圖

由圖7中的受力分析可知切根力RX和夾持力TY兩個作用力通過正交分解得出以下方程式。

RX=NX+FX

(12)

TY=FY-NY

(13)

式中:N——圓盤切割刀對甘藍(lán)的法向反作用力,其水平分量為NX、豎直分量NY,N;

F——形刀盤對甘藍(lán)根莖的摩擦力F的水平分量FX、豎直分量FY,N。

若要使得甘藍(lán)被圓盤割刀所夾持住,則需要滿足的條件是

TY>0

(14)

即FY>NY,其中F=N·f。

N·fcosα>N·sinα

(15)

因此,當(dāng)f>tanα?xí)r,圓盤刀具有較好的夾持性能;

(16)

式中:f——圓盤刀與甘藍(lán)根莖的摩擦系數(shù);

α——圓盤刀對甘藍(lán)根莖的法向反作用力與X軸的夾角,(°);

L——兩個圓盤割刀之間的間距,mm;

d2——切割處的甘藍(lán)根直徑,mm;

D1——圓盤割刀直徑,mm。

為了避免甘藍(lán)根部切割的不完全,在兩圓盤刀中心線方向使得兩刀保持一定距離,并且在軸線方向上兩刀要重疊一部分來平衡切根過程中甘藍(lán)根莖所受的水平力,從而保證切根的平整度和完整性。本文設(shè)計的雙圓盤刀具中心距為190 mm,圓盤割刀的刀盤直徑為200 mm,夾角α≈31.02°,此時f>tanα,可以很好地滿足夾持性能要求。

3.4 割臺機(jī)架模態(tài)分析

甘藍(lán)收獲機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多變,甘藍(lán)收獲機(jī)割臺機(jī)架除了受到搭載機(jī)構(gòu)的壓力影響,還會受到多自由度振動影響[13]。本文基于Ansys軟件對甘藍(lán)收獲割臺機(jī)架進(jìn)行振型模態(tài)分析(圖8),通過觀察其固有頻率及振型來檢驗該機(jī)架在工作時是否會發(fā)生共振以及結(jié)構(gòu)剛度是否合格。

設(shè)定收獲割臺機(jī)架材料為Q235,約束條件為機(jī)架后端添加固定鉸接,橫梁處添加固定約束來釋放橫向自由度,工作過程中,割臺機(jī)架受到自身重力,工作地面對機(jī)具的支持力、柔性輸送裝置的壓力等。本機(jī)選用的發(fā)動機(jī)工作頻率為50 Hz,地面平整度和機(jī)具收獲速率會影響田間地面所產(chǎn)生的外部激勵頻率[13],因此本文將割臺機(jī)架與割刀選用同一單元進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,由Ansys分析模擬可以得到該割臺機(jī)架前6階模態(tài)振型。

(17)

式中:fo——地面激勵頻率,Hz;

λ——地形不平度波長,一般取320 mm;

Vm——整機(jī)行走速度,m/s,取0.4～5 km/h。

由式(17)可知,地面產(chǎn)生激勵頻率范圍為0.012 5～15.625 Hz。而收獲機(jī)割臺機(jī)架前六階振型固有頻率為65.984～142.74 Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面的激勵頻率,收獲機(jī)割臺不會在進(jìn)行收獲作業(yè)時發(fā)生共振而產(chǎn)生破壞。由圖8可知,振幅最大處為割刀處,可以通過更換高剛度材料來減少其彎曲與扭轉(zhuǎn)振動。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

試驗地點位于江蘇省常熟市橫塘蔬菜專業(yè)合作社,試驗時間為2021年11月17—19日,采收對象為“春喜”甘藍(lán),該基地采用上述單壟雙行種植模式。試驗設(shè)備及儀器包括:手扶式單行甘藍(lán)收獲機(jī)、米尺、電子秒表、電子秤、計數(shù)器、紙、筆。

試驗前,對試驗田進(jìn)行檢查,保證機(jī)具作業(yè)環(huán)境平坦、無障礙物,并按要求調(diào)試手扶式甘藍(lán)收獲機(jī)各部分裝置保證其正常工作。

4.2 試驗方法及評價指標(biāo)

甘藍(lán)機(jī)械化收獲沒有明確的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定,因此本試驗參照GB/Z 26582—2011《結(jié)球甘藍(lán)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范》[14]及NY/T 3664—2020《手扶式莖葉類蔬菜收獲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[15]等國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測試方法相關(guān)指標(biāo),選取收獲成品率、有效切根率、機(jī)采損傷率為評價指標(biāo)進(jìn)行田間試驗。

每次試驗在甘藍(lán)生長狀況優(yōu)異的壟面進(jìn)行(長度約60 m),每壟大約有280～330顆甘藍(lán)。甘藍(lán)收獲機(jī)分別以0.92 km/h、1.22 km/h、1.44 km/h、1.78 km/h、2.17 km/h進(jìn)行采收,每組試驗重復(fù)5次,共5組,試驗結(jié)果取平均值。每組試驗結(jié)束后,對收獲的甘藍(lán)總數(shù)、損傷數(shù)、切根合格數(shù)、收獲合格數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計。

4.2.1 有效切根率

根據(jù)結(jié)球甘藍(lán)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范及莖葉類蔬菜收獲質(zhì)量要求定義甘藍(lán)的切根效果,須滿足以下條件,即屬于有效切根。(1)機(jī)械切根截面須平整,不能發(fā)生折斷或切出兩個截面的情況;(2)切割位置須在甘藍(lán)外包葉上10～15 mm處,同時把外包葉切斷。

有效切根率公式如式(18)所示。

(18)

式中:C——有效切根率,%;

C1——無效切根甘藍(lán)數(shù),顆;

C0——試驗甘藍(lán)總數(shù),顆。

4.2.2 機(jī)采損傷率

根據(jù)試驗甘藍(lán)總數(shù),定義機(jī)采損傷率,即統(tǒng)計每次試驗甘藍(lán)總數(shù),機(jī)械收獲后損傷的甘藍(lán)數(shù)Q1。機(jī)采損傷率公式如式(19)所示。

(19)

式中:Q——機(jī)采損傷率,%;

Q1——機(jī)械收獲后損傷甘藍(lán)數(shù),顆。

4.2.3 收獲成品率

根據(jù)市場需求定義收獲成品率,在收割時保證甘藍(lán)表皮整潔,無破損、裂球,切根斷裂等情況,且保留2～3片蓮座葉保護(hù)葉球,經(jīng)過簡單處理可直接進(jìn)行售賣。

(20)

式中:N——收獲成品率,%;

n1——收獲成品數(shù),顆。

4.2.4 機(jī)采損失率

根據(jù)試驗甘藍(lán)總數(shù),定義機(jī)采損失率,即統(tǒng)計每次試驗甘藍(lán)總數(shù),機(jī)械收獲后漏收的甘藍(lán)數(shù)M1。機(jī)采損失率公式如式(21)所示。

(21)

式中:M——機(jī)采損失率,%;

M1——漏收甘藍(lán)數(shù),顆。

4.3 試驗結(jié)果

田間采收效果如圖9所示,試驗結(jié)果如表3所示。

(a) 田間收獲效果

表3 田間試驗結(jié)果

從表3可以看出,手扶式單行甘藍(lán)收獲機(jī)的機(jī)采損傷率平均值為6.6%,機(jī)采損失率平均值為4.2%,有效切根率為93.5%,收獲成品率為92.8%。甘藍(lán)各項收獲指標(biāo)隨著行走速率的增加而逐步降低,其原因是當(dāng)機(jī)具作業(yè)速率過快時,甘藍(lán)之間相互擠壓使其偏離收獲割臺喂入口,導(dǎo)致甘藍(lán)因撞擊機(jī)械機(jī)構(gòu)而產(chǎn)生損傷從而降低評價指標(biāo)。手扶式單行甘藍(lán)收獲機(jī)整體為機(jī)械式傳動,動力由底盤提供并通過皮帶及鏈條進(jìn)行傳遞,因此未開展收獲機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化試驗,在今后工作中,將在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計甘藍(lán)收獲關(guān)鍵部件,并進(jìn)行液壓傳動系統(tǒng)研究,實現(xiàn)甘藍(lán)工作參數(shù)可調(diào)來確定最佳工作參數(shù)組合等工作。

5 結(jié)論

1) 針對甘藍(lán)收獲作業(yè)人工勞動強(qiáng)度大、成本高、沒有專用收獲機(jī)械等問題,本文基于甘藍(lán)物理力學(xué)特性試驗及Ansys模態(tài)分析設(shè)計了一款適用于江蘇種植模式的手扶式單行甘藍(lán)收獲機(jī),并闡述了其整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理;該機(jī)主要由履帶動力底盤動力輸出軸通過皮帶及鏈條為甘藍(lán)收獲割臺拔取機(jī)構(gòu)、夾持輸送機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)件提供動力,一次可實現(xiàn)甘藍(lán)的拔取、輸送、切根和收集的聯(lián)合作業(yè)需求。

2) 田間試驗數(shù)據(jù)表明,手扶式單行甘藍(lán)收獲機(jī)甘藍(lán)機(jī)采損傷率為6.6%,機(jī)采損失率為4.2%,有效切根率為93.5%,收獲成品率為92.8%,完全符合手扶式莖葉類蔬菜收獲機(jī)評價指標(biāo)及甘藍(lán)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范。該機(jī)操作安全簡單,工作性能穩(wěn)定,收獲質(zhì)量優(yōu)異,研究成果可為甘藍(lán)收獲裝備開發(fā)及結(jié)構(gòu)完善提供參考。