基于農田運載平臺的煙葉輔助采收機設計與試驗

王曉萌,高 松,楊 碩,李 思,楊枕霏,王 秀

(1.云南省煙草公司 紅河州公司,云南 彌勒 652300;2.北京市農林科學院 智能裝備技術研究中心,北京 100097;3.農芯(南京)智慧農業研究院有限公司,南京 211800)

0 引言

煙草產業對我國經濟具有重要的支撐作用,全國煙草科技工作會議強調要突出科技創新支撐煙草行業高質量發展[1]。2020年,我國煙葉產量為213.40萬t,其中烤煙占比達94.73%,種植區域主要集中在云南、貴州與河南等地[2]。煙草生產環節較多,主要包括播種、耕地、移栽、覆膜、施肥[3]、噴藥[4]、采收、煙桿清理[5]及后處理環節[6],而煙草種植全程機械化是保證煙草行業高效發展的重要方面。目前,我國煙草種植全程機械化在采收等環節仍存在明顯短板[7],主要原因為缺乏適應各地區煙草采收農藝要求的典型機具。以烤煙主產區云南省為例,采收環節仍較多采用人工采收的方式,環境惡劣,勞動強度大,由于縣域、農村勞動力不足,尤其是煙葉采收季勞動力缺口巨大,嚴重限制煙草農業現代化的發展。目前,煙葉采收機主要包括全自動和半自動采收兩種方式。全自動煙葉采收機生產廠家主要以意大利DeCloet公司和美國MarCo公司為代表,典型的收獲方式為白肋煙收獲[8-9]。該全自動收獲機通過割刀直接剪切煙稈底部,使得整支煙稈煙葉完成采收,直接掛晾。國內德邦大為科技有限公司、鄭州容大科技發展有限公司、大連理工大學[10]和河南農業大學[11]等單位研制的煙葉全自動采收機,能夠區分煙葉生長的位置進行煙稈下部、中部和上部煙葉不同時段的采收,但存在著煙葉破損率較高、無法區分煙葉成熟度進行采收作業的問題。單只煙葉區分成熟度采收方面,Yi Chen等[12]研究了基于近紅外光譜和深度學習算法來區分新鮮煙葉成熟度。Jie Yu等[13]研究了煙葉與莖稈的切削特性,以支撐單枝煙葉自動采收作業機的研制,但目前仍處于試驗階段,尚無成熟產品。半自動煙葉采收機通過輔助人工進行采收作業,能夠實現煙葉生長位置和成熟度的收獲,適合中小地塊范圍內煙葉收獲作業[14]。王玲等[15]研究了煙草作業機無級變速驅動系統,實現了煙草作業平臺速度平穩控制,但仍存在煙葉提升裝置人機協同性能較差、價格昂貴以及符合采收田間農藝要求的輕簡型煙葉采收農機具及煙葉采收量監測系統缺失的問題。

為此,針對云南烤煙種植區的煙葉輔助采收機,基于農田運載平臺,開發人工輔助采收提升裝置及控制系統,并設計了煙葉田間采收量監測系統,旨在為降低煙草收獲勞動強度、提高作業效率及智能化水平提供技術支撐。

1 煙葉輔助采收機總體設計

煙葉輔助采收機主要由農田運載平臺和后懸掛煙葉輔助采收系統組成,如圖1所示。農田運載平臺為農田作業平臺提供動力,根據煙草高莖稈特征,為保證通過性能,設計了“M”型三輪高地隙框架;同時,為增加農田運載平臺的穩定性,發動機動力總成和液壓馬達動力總成布置于作業平臺中軸線位置,降低平臺重心位置;發動機動力輸出軸為液壓泵提供動力,液壓泵為設置于三輪中心位置的液壓馬達提供壓力和液壓流量。后懸掛煙葉輔助采收系統以農田運載平臺執行采收運載功能,通過人工輔助采收,經煙草提升機構運輸煙葉至農田運載平臺,完成煙葉采收和運輸作業。后懸掛煙葉輔助采收系統與農田運載平臺分體設置,農田運載平臺后端通過更換灌溉、噴藥和采收等機構,可達到多種類型田間管理作業、一機多用的目的。工作時,通過采收人員乘坐座椅,同時對3行煙葉進行采收,煙葉采收后即放入采收料斗,采收料斗盛滿后通過煙葉提升機構至運載平臺進行存儲,農田運載平臺承載煙包至農田地塊外,完成煙葉田間人工輔助采收和煙葉運輸的任務。

圖1 煙葉輔助采收機總體示意圖Fig.1 The overall diagram of tobacco auxiliary harvester

經云南省彌勒市烤煙種植主產區調研,獲得煙葉種植品種為云煙87成熟煙稈高度范圍在105～115cm之間,煙草種植壟高在25～35cm之間,煙草種植株距在50～60cm之間,行距在1.2～1.4m之間,人工采收作業速度小于1km/h。在此基礎上,對農田作業平臺進行總體外形尺寸設計,確定農田作業平臺橫向和縱向軸距分別為2.4m和2.4m,跨行高度1.7m,最高車速10km/h。農田運載平臺其他關鍵參數如表1所示。

表1 農田運載平臺關鍵參數

2 煙葉輔助采收系統設計

2.1 煙葉輔助采收提升裝置設計

設計了基于電力驅動的小車滑槽的煙葉輔助采收提升裝置,如圖2所示。

圖2 煙葉輔助采收提升裝置Fig.2 Auxiliary harvesting and lifting device for tobacco leaf

煙葉輔助采收提升裝置主要由提升主架、提升主架安裝座、電動機提升動力機構、鏈條、運載小車、采收料斗和座椅高度調整機構等組成。其中,提升主架是所有部件的主體支架,通過安裝座與農田運載平臺連接;電動機提升動力機構安裝于主架上部,通過鏈輪帶動鏈條進行動力傳輸;運載小車內表面與鏈條固定連接,跟隨鏈條進行升降運動,運載小車外表面與采收料斗固定連接。針對分時段煙葉采收時,下部、中部、上部煙葉處于不同的高度,尤其人為采摘下部煙葉時勞動強度大的問題,在座椅下方底座出固接了一方板,方板與方管焊接,方管套在方管上,座椅在方管上前后移動實現調節作用,且方管設有緊固裝置。座椅高低調節板上有5個高度孔,座椅下方連接的方管可根據實際需要選擇不同高度孔進行連接實現座椅離地高度調節,范圍為20～90cm。

煙葉提升裝置關鍵機構如圖3所示。其中,防水罩包裹在發動機、上方軸承固定板、傳動軸和傳動鏈輪等的上方,如圖3(a)所示。導軌上方兩側軸承固定板用來固定傳動軸的軸承,上方軸承固定板焊接在導軌和導軌支撐方管上,電機座通過中間板與傳動軸的軸承座連接,通過軸套限制鏈輪水平運動。

采收料斗結構如圖3(b)所示。采收料斗由底座、主體和防護3部分組成,防護為橡膠墊結構,防止煙葉末端受損;采收料斗主體用于承載采收煙葉的質量,采用不銹鋼結構;采收料斗底座與運載小車連接,隨著運載小車的運動實現煙葉的提升和下降。由于煙草種植行距55cm,由于煙葉遮擋,實際田間通過寬度不宜大于60cm,故采收料斗寬度設置為50cm。此外,提升料斗的長度受到整支煙葉長度的影響,通過實地測量50支煙葉長度信息,得出煙葉長度的范圍為50～80cm,最終確定提升料斗的長度為50cm,采收料斗防護長度為30cm,減少了煙葉與金屬煙斗接觸的觸碰損傷。

運載小車結構如圖3(c)所示。為了盡可能地降低運載小車在滑軌內的晃動和摩擦阻力,將運載小車兩側各設置4個車輪,車輪內嵌于滑軌中,沿著滑軌上下滾動。運載小車車輪由軸承滾動車輪和限位滾珠車輪組成,軸承滾動車輪支撐小車在滑軌中滾動,由軸承以及螺桿組成;限位滾珠車輪限制小車在滑軌內的左右位移晃動,由滾珠裝置和螺桿組成。運載小車的兩側車輪內嵌于滑軌中上下移動,其小車背部板內側與鏈條連接,背部板外側與料斗底板連接。

煙葉提升裝置工作時,電機通過鏈輪帶動鏈條轉動,使得運載小車帶動采收料斗在滑軌內移動。采收料斗裝滿煙葉后提升至農田運載平臺,取出煙葉后空采收料斗下降返回;當返回至底部限位開關位置時,停止運動,重新開始煙葉裝載作業。如此往復,實現煙葉的采收和提升作業。

圖3 煙葉輔助采收提升裝置關鍵部件結構圖Fig.3 Structure diagram of key components of tobacco leaf auxiliary harvesting and lifting device

2.2 煙葉提升機構受力分析

為了確定提升電機功率和鏈輪傳動設計參數,對煙葉提升機構受力進行了分析,如圖4所示。已知煙草車高h1=1940mm,為了減小提升機構的長度及總車長度,煙葉提升機構在垂直方向上的夾角盡可能小;但兩側煙葉提升機構與車后輪處于同一平面,為了不使小車后輪與煙葉提升機構干涉,選定提升機構在垂直方向上的夾角θ=13°?？紤]到煙葉種植壟高范圍為25～35cm,為了保證通過性能,選定提升機構底部離地h2=600mm;考慮到農田運載平臺人員提取煙葉的舒適性,初定提升機構主從鏈輪之間的中心距a=2500mm。

注:h1為煙草車高(mm),h2為提升機構底部離地距離(mm),θ為提升機構在垂直方向上的夾角(°),a為主從鏈輪之間的中心距(mm),G為煙斗、煙葉與運載小車重力(N),F為提升力(N),Fa為空氣阻力(N),Ff為摩擦阻力(N),Fn為垂直支撐力(N)。

鏈傳動平均速度計算公式為

(1)

式中v—鏈傳動平均速度(m/s);

l—采收料斗有效運動距離(m);

t—采收料斗有效運動距離的時間(s)。

在采收料斗煙葉盛裝完成后,煙葉提升機構開始工作,在采收料斗到達最高位置時可得鏈條拉力做功計算公式為

W=Glcosθ+Ffl+Fal

(2)

式中W—鏈條拉力做功(J);

Ff—摩擦阻力(N),Ff=μGsinθ。

空氣阻力影響較小可忽略,根據式(2)可計算在煙葉提升機構提升采收料斗時平均功率為

(3)

式中P—提升機構提升作業平均功率(W);

t—提升機構從底部運動到上部的時間(s)。

由于煙葉提升機構采用鏈傳動,通過提供煙葉提升作業平均功率P修正鏈條額定功率為

(4)

式中P0—鏈條額定功率(W);

KA—工作情況系數,KA=1.5;

KZ—鏈輪齒數系數,KZ=1.46;

Km—多排鏈系數,Km=1。

由式(4)得鏈條額定功率為P0=65.59W,由機械設計手冊[16]查表選擇鏈條型號08B。

提升機構的動力傳動由直流電機通過渦輪蝸桿減速機傳遞給鏈條,可以得出電機所需的最小功率為

(5)

式中Pm—電機所需功率(W);

η—減速機傳動效率,η=0.80;

鏈條與提升機構的軌道平行,由于同等轉速下鏈輪越大鏈條的轉速越快,因此選定大鏈輪為主動輪,鏈輪齒數分別為Z1=26、Z2=19。

(6)

式中n1—主動輪轉速(r/min);

Z1—主動輪齒數;

N—鏈條節距,N=12.7mm。

采收料斗提升時間t=6s,有效位移l=2m,采收料斗的最大承載質量15kg,采收料斗與運載小車質量約為3kg,故G=18kg。將上述數值代入式(1)～(6)可得:電機轉速n1=60.5r/min,所需電機功率Pm=82.00W。

初定鏈條中心距a=2500mm,得出鏈條鏈節數為

(7)

式中a—初定鏈條中心距(mm);

Lp—鏈節數。

為了減小鏈條的損耗,鏈節數取偶數Lp=400。

由鏈節數計算實際中心距a0為

(8)

由式(7)得出,實際中心距a0=2525.4mm。通過對煙葉提升機構進行受力分析,為保證煙葉提升動力,式(4)未考慮電機啟動功率的影響。由經驗值可得電機啟動功率約為正常工作功率的3～5倍,則保守估計電機功率為410W。最終,選定電機功率為500W,供電電壓為12V,鏈條型號為08B,鏈輪齒數Z1=26,Z2=19,鏈節數400。

2.3 煙葉提升電機控制系統設計

煙葉輔助采收過程中,需要根據煙葉采收狀況對煙葉提升電機進行控制,故設計了煙葉提升電機控制系統,如圖5所示?？紤]到煙葉采收料斗中煙葉承載量由底部采摘人員和農田運載平臺卸煙葉人員共同控制,且以卸煙葉人員的控制為主,設計了能夠實現主從雙控的電機控制電路,以實現卸煙人員和采煙人員同時對采收料斗進行自動升降控制的功能。該控制系統主要由三檔上換向開關、三擋下換向開關、上限位開關、下限位開關、繼電器及電機正反轉驅動模塊等組成,可實現對提升電機的雙向主從控制。首先,上換向開關中位擋連接電源VCC和繼電器控制端,其左擋位短接且連接至下換向開關左擋位和上限位開關常閉控制端(NC),其右擋位短接且連接至下換向開關右擋位和下限位開關的常閉控制端(NC);下換向開關的中擋位連接至繼電器的常閉輸出端,繼電器常閉輸出端連接至VCC。工作時,上換向開關為主控制器,當上限位開關撥動至左擋位時,繼電器控制端連接電源VCC,繼電器工作,繼電器常閉輸出端斷開,則下換向開關失靈;當煙草運料斗運動至上限位開關時,常閉上限位開關斷開,電機正反轉控制器信號降為12V以下,電機停止工作;反之,上述情況同樣成立,通過限位開關、換向開關和繼電器的工作,可實現電機主從雙向控制,提高煙葉采收和提升效率。

圖5 煙葉提升電機控制電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of tobacco leaf lifting motor control circuit

2.4 基于衛星定位的煙葉采收量監測系統

煙葉采收量分布對煙葉種植管理具有指導作用,但目前針對煙葉整葉采收量分布監測仍處于空白狀態。為此,在煙葉輔助采收提升的基礎上,設計了基于衛星定位的煙葉采收量分布監測系統,主要由GNSS2000B型GNSS定位模塊、豪衡ERP電子秤和上位機電腦組成,監測流程如圖6所示。煙葉采收量分布信息監測時,首先判斷GNSS模塊輸出信號幀頭$GNRMC字符串中第2個和第3“,”之間的字符是否為A,若為A則說明GNSS模塊定位成功;在GNSS模塊定位成功的基礎上,判斷上位機是否接收到電子秤發送的煙包質量(采收料斗內的煙葉總重)信息,若收到信息,通過配套的Excle上位機記錄系統中煙包上傳的時間。GNSS模塊定位信息更新頻率為1Hz,首先獲取幀頭為$GNGGA的UTC時間,該時間加8即為北京時間,以秒為最小單位;對GNSS時間與電子秤發送的煙包時間進行對比,確定相同時間時的經度、緯度和煙包質量組合,通過上述方法即可獲得地塊范圍內煙葉采收量分布。

3 煙葉輔助采收機性能試驗

3.1 煙葉提升負載性能試驗

首先,對煙葉輔助采收機的煙葉提升負載性能進行了試驗,目的是驗證提升系統的提升負載能力和提升速度。通過改變料斗內放置的鐵塊質量,使其在5～16kg范圍內,以1kg遞增,記錄采收料斗在提升機構運行最大行程中上升和下降時間;同一個質量下重復采集3次時間,取平均值。試驗結果如表2所示。由表2可知:系統載重不低于15kg,提升上升時間不超過13s,提升下落時間不超過8s。由調研可知,煙包最大質量在10kg左右,采收行進速度小于1km/h。該提升速度和提升質量能夠滿足煙草采收時對提升效率和提升質量的要求。

圖6 煙葉采收量監測流程圖Fig.6 Flow chart of tobacco harvest monitoring

表2 煙草提升質量試驗結果Table 2 Tobacco lifting weight test results

3.2 煙葉采收量監測田間性能試驗

基于煙葉采收量監測系統,獲取煙葉輔助采收機的田間采收量分布。GNSS定位模塊選用GNSS2000B型定位模塊,定位精度為亞米級;電子秤選用豪衡ERP電子秤,精度為1g,能夠實現串口傳輸質量信息。試驗地點為云南省彌勒市虹溪鎮弘毅公司流轉地(見圖7),煙葉采收品種為云煙87,煙葉采收為整枝煙葉,采收位置為煙稈上部,時間為2021年9月2日。試驗時,農田運載平臺承載煙葉輔助采收裝置行走,采摘人員將采收的煙葉放入采收料斗,料斗內布置煙包,待煙包盛滿后由主控開關控制電機將煙包提升至農田運載平臺,卸煙人員將煙包取出,放入承重托盤內;由GNSS定位模塊獲取定位信息,電子秤獲取煙包質量信息,傳輸至PC機進行存儲,通過時間確定定位信息和煙包質量信息組合。

圖7 煙葉采收量監測田間試驗Fig.7 Field experiment of tobacco harvest monitoring

組合中,經緯度坐標為WGS84坐標系,通過ArcGIS 10.0軟件進行投影坐標轉換,計算獲得煙葉采收量分布結果,如表3所示。由表3可知:煙葉輔助采收機從北向南行駛過程中,煙包質量產生波動,煙包質量最大為10613g,最小為4729g,煙包平均質量為6395g,標準差為1588g。這說明,對于不同的采收位置,煙葉的采收量存在差異。

表3 煙葉采收量分布試驗結果

對相鄰煙包投影位置距離進行分析,結果如圖8所示。由圖8可知:相鄰煙包的定位點距離最大為13.6m,最小為0.24m,相鄰煙包的平均距離為5.64m,標準差為4.38m。由此可知,采煙車同時對3行煙葉進行采收,其煙包電動提升系統由于采用了雙控開關和獨立提升驅動的設計,使得提升系統能夠滿足對不同行煙葉采收量的提升和存儲作用,每人采收單行兩側平均距離為5.64m時煙包即進行提升操作,證明了煙葉輔助采收機與采收量分布采集系統結合能夠獲得煙田不同位置的煙葉采收量。

圖8 煙葉采收量分布圖Fig.8 Distribution map of tobacco harvest

3.3 煙葉輔助采收機煙葉收獲效率對比試驗

為了驗證煙葉輔助采收機的煙葉收獲效率,與純人工采收時煙葉收獲效率相比,開展了煙葉收獲效率對比試驗。煙葉收獲效率計算公式為

(8)

式中E—煙葉收獲效率(g/s);

Q—煙葉采收量(g);

T—作業時間(s)。

純人工采收通過隨機選取采煙人員共11名,由6名男性和5名女性工作人員組成,對單位時間段內的采收量進行采集。純人工煙葉采收的過程如圖9所示。由采煙人員進入地塊開始計時,在煙田地塊范圍內進行煙葉采摘,采摘煙葉運載通過人工摟抱的方式。采摘完成后出地塊,放入托盤內同時停止計時,利用電子秤稱取煙葉質量,由式(8)計算純人工單人煙葉收獲效率。

煙葉輔助采收車進行采收時,通過煙葉采收量監測系統獲取煙葉采收量和間隔時間。由于煙葉采收車為3人煙葉同時進行收獲,為了方便與純人工煙葉收獲對比,由式(8)計算煙葉輔助采收車煙葉收獲效率時取1/3,即為煙葉輔助采收車單人煙葉收獲效率。煙葉收獲效率試驗結果如表4所示。

圖9 純人工煙葉收獲效率試驗Fig.9 Experiment on harvest efficiency of artificial tobacco leaves

表4 煙葉收獲效率對比試驗結果Table 4 Experimental results of tobacco harvest efficiency

由表4可知:煙葉輔助采收車單人煙葉收獲效率平均為30.46g/s,標準差為4.73g/s;純人工單人煙葉收獲效率平均為17.03g/s,標準差為6.53g/s,其中男性工作人員的煙葉收獲效率平均為21.10g/s,女性工作人員的煙葉收獲效率平均為12.15g/s。由試驗結果可知:采用煙葉輔助采收機后,煙葉收獲效率得到提升,且煙葉采收效率的穩定性較好,比純人工收獲時標準差降低1.80g/s。這表明,煙葉輔助采收車能夠較好地保證采收效率的穩定性。

對采收效率進行對比分析,煙葉輔助采收車與純人工相比煙葉收獲效率的比值w為

(9)

式中E1—煙葉輔助采收機單人煙葉收獲效率(g/s);

E2—純人工單人煙葉收獲效率(g/s)。

由式(9)得出:煙葉輔助采收車單人與純工作單人平均煙葉收獲效率的比值為178%,總體平均采收效率提升78%。其中,與男性工作人員的煙葉采收效率比值為144%,采收效率提升44%;與女性工作人員的煙葉采收效率比值為251%,采收效率提升151%。由此得出,采用煙葉輔助采收車后,使得男性和女性人員的采收效率得到提升,尤其在女性工作人員的煙葉收獲效率方面得到顯著提升,且使得男性和女性采收人員的采收效率趨于一致。

4 結論

1)基于高地隙農田運載平臺,設計了煙葉輔助采收機,包括基于運載小車的煙葉提升裝置及基于雙向主從雙控的電機控制系統。開展了煙葉提升機構受力分析,確定電機功率為需大于410W,鏈輪型號為08B,鏈輪齒數為主動輪Z1=26,從動輪Z2=19,鏈節數400,實際鏈輪中心距為2525.4mm。

2)設計了煙葉采收量分布監測系統,利用GNSS定位模塊、電子秤和上位機實現了煙葉采收量和定位位置的組合記錄。田間試驗結果表明:系統記錄煙包平均質量為6395g,標準差為1588g;相鄰煙包的平均距離為5.64m,標準差為4.38m,獲得了煙葉采收質量地理位置分布結果。

3)開展了煙葉輔助采收機煙葉收獲效率對比田間試驗,試驗結果與純工作單人平均煙葉收獲效率相比,煙葉輔助采收機單人煙葉收獲總體平均采收效率提升78%,標準差降低1.80g/s,證明煙葉輔助采收車能夠在提升采收效率的同時保證了采收效率的穩定性。