拔取式白蘿卜聯合收獲機研制與試驗*

姚帥，薛臻，繆磊，譚俊，黃毅成，趙湛

(1. 江蘇大學農業工程學院,江蘇鎮江,212013; 2. 泰州攜創農業裝備有限公司,江蘇泰州,225312;3. 泰州市農業機械推廣站,江蘇泰州,225300)

0 引言

我國白蘿卜的種植面積和產量均居世界首位,且呈現持續增長趨勢。然而,白蘿卜機械化收獲水平相對較低,仍以人工收獲為主,少數采用半機械化作業,即通過機具進行松土、挖掘,然后由人工撿拾裝袋完成收獲過程,用工量大、勞動強度高、作業效率低[1]。由于飲食習慣的差異,歐美等國家以胡蘿卜種植為主,聯合收獲機的研究起步早、技術發展水平較高,基本實現了生產全過程的機械化與自動化[2-5]。

蘿卜聯合收獲主要分為拔取式和挖掘式兩類。青島農業大學研制了自走式胡蘿卜聯合收獲機,能夠進行雙行拔取式收獲,收獲行距20 cm,最大挖掘深度35 cm。中國農業機械化科學研究院研制的自走式胡蘿卜聯合收獲機,提出了三角鏟和鑿形鏟結構的蘿卜收獲松土鏟,并建立了土壤與松土鏟的動力學模型,具有低阻力、高擾動的優點[6]。德國SP系列拔取式胡蘿卜收獲機有單行、雙行和多行機型,為了解決種植行直線度低的收獲問題,開發出了夾拔膠帶起收裝置,具有橫向位移和自動找行功能,有效提高了收獲作業速度,損失顯著減少[7]。江蘇省南通市農機化技術推廣中心設計了挖掘式白蘿卜挖掘收獲機,作業時,挖掘鏟將白蘿卜根部附近土壤鏟松,壟內土壤受到松土鏟的擾動作用,實現果土分離,最后由人工撿拾裝車[8]。西班牙Mace挖掘式胡蘿卜收獲機,先由切頂裝置將蘿卜的櫻切除,隨后采用兩級輸送鏈將收獲的蘿卜和土分離,具有清潔度高、工作穩定等優點[9]。

挖掘式收獲機的結構簡單、通用性好,主要適用于疏松土質種植環境、入土深度淺的作物收獲,在黏性土壤、入土深度較大時,整機的功耗大、收獲損傷率也會隨之增加。國外先進的蘿卜收獲機以拔取式為主,具有清雜效果較好、收獲損傷低,可適用于體型大、入土深的作物,但整機結構復雜、價格昂貴。結合白蘿卜的幾何特性和種植環境,拔取式作業方式更適合白蘿卜的高效機械化收獲。白蘿卜塊根大、入土深,成熟的白蘿卜會有部分塊根裸露地面,裸露高度參差不齊,莖葉茂盛且相互交錯,莖葉倒伏現象嚴重。這些特點導致白蘿卜聯合收獲機械的研發難度更大,對復雜田間環境下作業的適用性和穩定性要求更高,國內外專門針對拔取式白蘿卜聯合收獲機的研究還較少。

本文在分析白蘿卜種植環境、生長特點和收獲特性的基礎上,開展了拔取式白蘿卜聯合收獲機的研制,包括整機機構和主要工作部件的設計和參數優化,使之能夠完成松土、夾持拔取、輸送、切櫻和裝箱收集等多工序一體化作業,并進行田間性能試驗。

1 整機結構與工作過程

研制的拔取式白蘿卜聯合收獲機采用側懸掛結構,主要由履帶自走底盤、機架、傳動系統和收獲工作部件等組成,如圖1所示。其中,收獲工作部件包括扶櫻、松土、夾拔、根莖分離和收集等裝置。拔取式白蘿卜聯合收獲機主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters

圖1 拔取式白蘿卜聯合收獲機結構圖

收獲過程中,松土鏟在白蘿卜底部進行松土來實現果土分離,減小拔取力,避免白蘿卜拔取過程莖葉折斷導致漏拔;扶櫻器將分散的白蘿卜葉聚攏、喂入夾拔裝置;莖葉進入夾持裝置后,在夾持帶作用下將白蘿卜從土壤中拔出并傾斜向上輸送至根莖分離裝置,完成切櫻和根莖分離,切下的莖葉拋灑回田,白蘿卜塊根則下落滑入集果箱,完成收獲過程。

2 關鍵部件設計

2.1 扶櫻器

成熟期的白蘿卜莖葉茂盛、相互交錯、倒伏現象嚴重,為了使不同壟間的白蘿卜莖葉相互分散開,并將倒伏的莖葉聚攏、喂入夾拔裝置,在夾拔裝置前端設計了扶櫻器,結構如圖2所示。

(a) 結構圖

它主要由錐度扶櫻頭、旋轉扶櫻套、攏櫻器、限位螺栓、電機等機構組成。錐度扶櫻頭焊接在支架前端、攏櫻器安裝在支架內側,在支架后端焊螺紋套管,通過調節限位螺栓在螺紋套管內的長度,可以改變扶櫻頭相對機架的高度。扶櫻器固定安裝在前縱梁上,兩側扶櫻套均在獨立電機驅動下轉動,方向相反。扶櫻器的錐形開口角度可以通過調節固定座上的螺栓進行設定,以提高攏櫻性能,避免攏櫻不全造成的莖葉拔斷。

影響扶櫻效果的主要參數為扶櫻器敞開角θ1,計算如式(1)所示。

(1)

式中:l0——白蘿卜莖葉展開距離,mm;

l1——旋轉扶櫻套長度,mm;

l2——前縱梁中心距,mm。

經試驗測量,白蘿卜莖葉展開距離l0=400 mm,已知l1=558 mm,l2=215 mm,求得敞開角θ1=19°。

2.2 松土裝置

我國的白蘿卜種植區域分布廣,不同地區土壤特性及種植品種存在差異。在沙土及沙壤土環境下,土壤與白蘿卜的黏接力小,易于直接拔取;在黏性土壤環境下,土壤與白蘿卜的黏接力較大,在自然生長狀態下直接拔取會造成白蘿卜莖葉被拔斷,增加漏拔率[10-11]。因此,設計一種由松土鏟、前鏟臂、后鏟臂和調節絲杠連桿構成的伸縮式松土裝置,松土鏟的入土深度和前后位置均可調節。

松土鏟固定安裝于前鏟臂頂端,工作過程中,它需要有效疏松白蘿卜根部土壤,避免損傷果實和漏鏟,同時減小行走阻力和功耗。本文設計了切土和碎土能力強的雙翼形鏟尖,如圖3所示。其工作參數主要包括松土深度h1和入土角α1,結構參數主要包括鏟面寬度B、鏟刃斜角λ、鏟面有效工作長度L1、安裝長度L2。

圖3 松土鏟結構示意圖

2.2.1 松土鏟工作參數

松土深度主要取決于白蘿卜根部的深度,由于品種的差異和生長環境的不同,白蘿卜根部入土深度一般在180～350 mm范圍,為防止根部被鏟傷,松土深度需大于白蘿卜根部入土深度,故取h1=360 mm。入土角α1是鏟面與水平地面的夾角,它是影響松土鏟的入土性能和挖掘阻力的重要因素。

由圖4可以建立收獲作業時鏟面的受力方程[12-15]。

圖4 松土鏟受力分析

Pcosα1-Tf-Gsinα1≥0

(2)

R-Gcosα1-Psinα1=0

(3)

μ=tanφ

(4)

Tf=μR

(5)

式中:R——松土鏟對土壤的作用力,N;

Tf——土壤對鏟面的摩擦力,N;

φ——崛起物與鏟面的摩擦角,(°);

G——鏟面上土壤的重力,N;

μ——摩擦系數;

P——阻力,N。

推導可得

(6)

如果設計入土角α1小于式(6)計算值,松土作業的阻力較小,但松土鏟入土性能和對土壤擠壓破碎能力差,土壤擾動效果不佳;若入土角α1大于上述值,則入土性能好,但是土壤提升量過大甚至造成土壤翻轉,松土阻力激增甚至導致鏟前壅土[16]。結合性能試驗,實際選取α1在20°～30°范圍。

2.2.2 松土鏟結構參數

為了防止漏挖,鏟面寬度B需綜合考慮白蘿卜植株平均分布寬度、植株分布寬度標準差和收獲機行走偏差,確定設計鏟面寬度

B≥ξ+τ+σ

(7)

式中:ξ——白蘿卜平均種植寬度,mm;

σ——植寬度標準差,mm;

τ——收獲機行走偏差,mm。

實際取ξ=70 mm、σ=10 mm、τ=70 mm,計算得到B=150 mm。

鏟刃斜角λ決定了松土鏟的土壤切割性能,應滿足λ≤90°-φ。鑒于入土角α1設計范圍為20°～30°,土壤與鏟面的摩擦角φ為40°～50°,可以得到λ的取值范圍為40°～50°。鏟刃斜角越小,入土性能越好,但對土壤的擾動性能會隨之降低;鏟刃斜角越大,入土性能較差,但對土壤擾動性能好?？紤]到白蘿卜根部入土深度大、與土壤顆粒間黏結力較大,取鏟刃斜角λ=45°。當B=150 mm、λ=45°,得到鏟面有效工作長度L1=(Btanλ)/2,約為75 mm,安裝長度L2為50 mm。

2.2.3 松土鏟強度校核

白蘿卜收獲機作業時,松土鏟的入土深度大,受到阻力也隨之增加,容易導致松土鏟變形、折斷等情況。為驗證松土鏟設計的合理性和可靠性,采用SolidWorks中Simulation對松土鏟進行有限元受力分析和強度校核[17-18]。建立松土鏟三維模型并進行網格劃分,定義材料為65Mn,其屈服強度為430 MPa、密度為7 820 kg/m3、泊松比為0.288。根據實際結構和工作參數,在鏟面安裝段施加兩個螺栓約束,松土作業的主要載荷包括鏟面崛起的土壤重力、土壤對鏟面的摩擦力以及牽引力,采用阻力公式計算得到松土鏟所受的正壓力約為483 N、摩擦力為293 N,應力和形變計算結果如圖5所示。最大應力出現在前端固定螺栓孔上,約為236 MPa,安全系數為1.8;最大變形量在鏟尖處,約為0.206 mm,均在材料允許范圍之內,強度滿足要求。

(a) 應力圖

2.3 夾拔裝置

常用的夾拔裝置主要有鏈夾式和夾帶式兩種,鏈夾式主要由拔取鏈、鏈輪和拉緊彈簧等構成,由于鏈條是剛性體,易夾斷白蘿卜莖葉,造成漏拔,且結構復雜、制造成本高。夾帶式采用橡膠皮帶柔性夾持,但是夾持力不足,需增加張緊裝置。

如圖6所示,夾拔裝置主要由兩條撓性回轉皮帶、固定拔取夾持機構、托輪、主動輪、夾持力調節機構、傳動機構和前縱梁等組成。平行前縱梁的一側安裝夾持力調節機構,另一側為固定拔取夾持機構,夾持帶選用橡膠材質的皮帶,工作面上印有防滑花紋,可以確保整條皮帶具有均勻、穩定的夾持力,且夾持力的大小可以調節,從而實現柔性夾持、避免將莖葉夾斷。

圖6 夾拔裝置結構圖

2.3.1 夾拔裝置工作參數

夾拔裝置的工作參數主要包括拔取傾斜角度和回轉皮帶線速度,其中,拔取傾斜角度越大,拔取力會對白蘿卜產生轉矩,增加白蘿卜對土壤的擠壓力,導致拔取阻力增加。因此,拔取作業的理想狀態是沿蘿卜生長的縱向軸心施加拔取力。

如圖7所示,回轉皮帶的線速度vr取決于機具前進速度vm及夾拔裝置對地面的傾斜角δ,如式(8)所示。

圖7 白蘿卜拔取示意圖

(8)

式中:β——皮帶的絕對速度va與機器前進速度vm的夾角,(°)。

白蘿卜被拔取時,先由松土鏟將蘿卜底部土壤疏松,白蘿卜會隨著土垡一起轉動一定的角度γ,理想的拔取作業條件如式(9)所示。

β+γ=90°

(9)

則皮帶的相對速度

(10)

夾拔裝置結構參數δ=30°、γ=5°～10°,因此,設計皮帶線速度與前進速度的比例為vr=(1.05～1.1)vm。

2.3.2 夾拔裝置結構參數

夾拔裝置結構參數如圖8所示,為了滿足白蘿卜夾持拔取的條件,即白蘿卜莖葉與皮帶間的摩擦角大于起軋角,皮帶輪直徑應該滿足

圖8 拔取示意圖

(11)

式中:D——皮帶輪直徑,mm;

e——皮帶的厚度,e=9 mm;

d——白蘿卜莖葉直徑,d=10～30 mm;

φ——莖葉與皮帶的摩擦角,(°)。

皮帶輪直徑越大,起軋角越小,則莖葉越容易被夾持。結合結構空間,設計皮帶輪直徑D為90 mm。

莖葉夾持位置越靠近根部,莖葉越集中、抗拉強度越大,越有利于保證夾持的穩定性。設計夾持位置距離地面高度

(12)

式中:h——皮帶輪前緣距地面高度,mm。

考慮到成熟期白蘿卜會有部分果實裸露地表,實際取h=80 mm,夾持位置高度H約為102.25 mm,能夠在保證穩定夾持拔取的前提下,避免夾拔裝置損傷果實。

2.3.3 夾持力調節機構

夾持力調節機構是用來控制對蘿卜莖葉的壓緊力,以確保收獲的連續性和可靠性,是白蘿卜收獲機的重要組成部分。如圖9所示,主要由壓緊輪、拉伸彈簧、刮土板、帶輪安裝座和限位軸等部件組成。固定座安裝在限位軸上,并能繞限位軸轉動,壓緊輪安裝在固定座上,固定座一側裝有刮土板,另一側安裝油杯,刮土板可以清理壓緊輪上的雜物,避免增加帶傳動的附加阻力,油杯能夠對限位軸進行潤滑,確保固定座能夠靈活轉動,拉伸彈簧一側固定于機架,另一側與固定座連接,為壓緊輪提供壓緊力,壓緊力的大小可以根據拉伸彈簧的彈性系數和固定座的轉動角度來調節。

圖9 夾持力調節機構示意圖

2.4 切櫻裝置

雙圓盤鋸齒切櫻裝置結構如圖10所示,主要由圓盤割刀、電機、擋圈、墊圈、聯軸器、連接座和電機支架等組成。兩組電機通過聯軸器驅動圓盤割刀逆向旋轉,電機與電機支架下端的連接板通過螺栓連接,調節電機支架可改變切櫻角度,調節卡座與導向梁的相對高度從而改變切櫻高度。切櫻裝置具有結構簡單,適應性強、莖葉切割面整齊、刀片耐磨等優點,可以有效避免莖葉的撕裂和拉斷現象。

圖10 切櫻裝置結構圖

本文設計的切櫻裝置圓盤刀的直徑為180 mm,刀盤厚度2 mm,刀盤有2 mm重疊區域,上下疊合設計;切割過程中,兩片刀盤相對內旋,假定切櫻裝置的兩個圓盤刀均為理想圓盤,白蘿卜莖稈在切割處為一理想圓,其在切割過程中根莖不發生形變,根莖位置與圓盤刀位置左右對稱,則此時莖稈的切割過程如圖11所示。

圖11 白蘿卜莖稈受力分析

可得切割力Qx和拉力Py的方程分別為

(13)

要使得莖稈被切斷且不在接觸刀盤時打滑,應該滿足

Py>0,即Ty>Ny

(14)

(15)

式中:α——刀盤對莖稈的法向反力N與x軸的夾角,(°);

f——刀盤對莖稈的摩擦系數,取f=0.7;

N——刀盤對莖稈的法向反力,N;

T——刀盤對莖稈的摩擦力,N。

所以,當f>tanα時,圓盤刀具有良好的切割性能,此時

(16)

式中:A——兩圓盤中心距,mm;

D1——圓盤刀直徑,mm;

d1——莖稈切割出直徑,mm。

為避免機械結構的相互干涉,圓盤刀的直徑為180 mm,重疊部分為2 mm,中心距為176 mm為適宜。此時α為27.8°,tanα=0.53,f>tanα,所以該切櫻裝置具有良好的切櫻性能。

3 性能試驗與分析

3.1 試驗條件和方法

研制的拔取式白蘿卜聯合收獲機在泰興市河西村白蘿卜種植基地進行田間性能試驗。氣溫24 ℃,收獲前試驗地無降雨,試驗地為沙壤土,土壤含水率16.7%,土壤堅實度約為1.67 MPa。白蘿卜品種為江山美玉。

根據《白蘿卜收獲機》(Q/XTLJ 032—2020)企業標準和《收獲機械聯合收割機試驗方法》(GB 8097—2008),以損傷率、漏拔率和收獲效率為機器的性能評價指標,計算方式如式(17)～式(19)所示。

(17)

(18)

(19)

式中:m1——損傷的白蘿卜質量,kg;

m2——漏拔的白蘿卜質量,kg;

m——收獲的白蘿卜總質量,kg;

η2——漏拔率,%;

η1——損傷率,%;

η——收獲效率,hm2/h;

Lt——試驗區域長度,m;

W——行距,m;

t——作業時間,s。

3.2 試驗結果及分析

在試驗地塊選取30 m作為試驗區,試驗區前5 m設為機器的調整區域。每次試驗開始時,在調整區域內將速度加速至勻速狀態。在同一工況下,采用不同擋位,分別統計白蘿卜總質量、損傷質量和漏挖質量,試驗重復進行3次。得到損傷率、漏拔率和收獲效率如表2所示。

表2 田間性能試驗結果Tab. 2 Field performance test results

田間性能試驗結果表明:機器能夠流暢地完成白蘿卜聯合收獲作業,整機運行平穩,損傷率小于2.7%、漏拔率小于1.8%、收獲效率為0.08～0.26 hm2/h。

分析收獲作業過程發現,造成損傷的原因主要是由于種植行直線度低、壟面不平整,導致夾持輸送莖葉位置變化,在切櫻環節中,會有部分果實被割刀損傷。漏拔率主要是由于攏櫻不全,夾取時只有少量莖葉被夾持,導致莖葉被拔斷、蘿卜未能有效拔取。因此,在后續的研究可以圍繞扶櫻夾持位置的自適應調節、拔取輸送裝置的結構和工作參數優化等方面開展,以進一步提高夾持位置控制精度、改善夾持拔取性能、增強收獲機對田間復雜環境的適應性。

4 結論

1) 結合白蘿卜生長特點和土壤力學特性,研發了拔取式白蘿卜聯合收獲機,可以實現松土、夾持、輸送、切櫻、收集一體化作業,有效降低了勞動強度,提高了生產效率。

2) 設計了白蘿卜專用的扶櫻器,解決了收獲時莖葉倒伏造成攏櫻不全的問題,降低了漏拔率;根據白蘿卜生長環境、土壤力學特性和作業受力特點,采用有限元分析計算,優化設計了松土鏟的結構參數;設計了柔性夾拔和夾持力調節裝置,可以實現穩定的拔取和夾持輸送,避免在拔取和輸送過程造成莖葉掐折,計算了夾持皮帶線速度、夾拔位置等參數;設計了雙圓盤式割刀,具有切割面平整等優點,可以避免切櫻損傷。

3) 田間性能試驗結果表明,整機收獲作業性能穩定,損傷率小于2.7%、漏拔率小于1.8%、收獲效率為0.08～0.26 hm2/h。