油葵联合收获机拨禾链式割台关键部件设计及试验

【摘要】：油葵是我国重要油料作物,其种植面积高达400万hm~2,现有油葵机械化收获装备存在适应性差、智能化水平低、损失率高等不足,难以满足油葵作业需要,制约着油葵产业的发展,因此开发油葵专用收获装备至关重要。本文以长江中下游地区油葵为对象,结合其生物学特性及机械物理特性,分析油葵机械化收获工艺流程,设计了拨禾链式油葵割台,对割台关键部件进行理论分析和试验研究,在优化切割装置和夹持输送装置基础上,研制出拨禾链式油葵割台及整机。为检验割台及整机作业性能,开展了田间性能试验,主要研究内容如下:(1)测定与分析了油葵植株生物学特性,获取了对应参数范围,如植株折弯临界角范围为17.93°～56.85°,种植行距范围为400～600 mm,株距范围为200～360mm,株高范围为1201～2104 mm。对葵盘生物学特性测量分析可知,葵盘直径范围为100.2～260.2 mm,葵盘重量范围依次为155.2～1028.9 g,葵盘厚度范围为14.3～36.1 mm,千粒重范围为52.2～66.4g,葵盘高度范围为311～1810 mm。对油葵“DW667”茎秆开展物理特性试验,结果表明:除抗曲强度变化不明显外,由根部至梢部,茎秆最大剪切力、弯曲力、压缩力逐渐降低;随着直径增加,剪切力、弯曲力、压缩力逐渐增大,其中茎秆根部直径最大、剪切强度最大,因此根部切割所需功耗较大。摩擦特性试验可知,茎秆与碳素钢、不锈钢的最大摩擦角分别为29.5°、28.3°,因此选取碳素钢或者不锈钢为切割器材料时,选取的刃形滑切角应不小于最大滑动摩擦角29.5°。(2)结合我国长江中下游区域油葵种植分布特征及油葵生物学特性,对油葵机械化收获工艺流程进行分析,确定了整机布局,明确了割台研发的关键。比较分析了切割、拨禾、螺旋输送、行走方式等工艺流程对应的不同方案,结合油葵种植生物学特性和物理特性,确定了柔性夹持输送的拨禾方式,滑切角恒定的回转式切割方式,伸缩拨杆式螺旋的输送方式。依据油葵种植地分布零散、小而不平的特点,确定了履带式底盘的行走方式。设计了伸缩拨杆式螺旋输送器,开展了螺旋输送器及物料运动学和动力学分析,明确了螺旋升角为50°、滚筒转速为180 r/min、外径为450 mm、内径为250 mm、螺距为320 mm、偏心距为60 mm,伸缩拨杆长度为225 mm。设计了分禾机构,对植株分禾过程进行分析,确定了锥形分禾头水平锥角和竖直锥角分别为30°和25°。结合油葵种植农艺,确定了籽粒收集槽最大宽度为360 mm,结合切割后油葵长度,确定了籽粒收集槽长度为960 mm。(3)针对现有切割器切割油葵功耗大、植株易振动以及卡刀等不足,基于对数螺旋数学模型,设计了滑切角恒定的回转式滑切切割装置。对切割器关键参数进行了分析,确定刀盘直径为150 mm,最小刀片数目为3。分析了夹持切割过程,明确了割刀与主动喂入轮的相对位置范围为:-215 mm﹤X﹤305 mm。通过分析滑切及不产生滑切移条件,得出滑切角适用范围为:29.5°≤τ≤61.5°。解析了茎秆切割过程,构建了茎秆切割功耗模型,探明了影响功耗的关键因素为滑切角、转速、相对位置等因素。以切割功耗、落粒损失率为评价指标,开展了台架试验。单因素试验明晰了最适转速范围为750～1050 r/min,滑切角范围为50°～70°,相对位置范围为100～300 mm。二次回归正交旋转组合试验得出最优参数组合为:切割器刃形滑切角为61°,割刀转速为750 r/min,主动链轮中心与切割安装中心相对位置为180mm。(4)为了降低油葵输送过程的飞溅损失,基于柔性碰撞原理,设计了柔性夹持输送装置。对拨禾链空间布局和作业过程分析,明确了主从动链轮中心距为800 mm,链条前倾角为25°,链条后倾角为42°。对夹持元件结构分析,确定了夹持元件高度为45 mm、夹持元件安装宽度为76 mm、夹持元件宽度为80 mm。对拨禾过程、夹持输送过程、抛送过程进行了分析,构建了植株静力学模型、动力学模型及运动学模型,探明了影响夹持输送效果关键因素为夹持速比、夹持间隙、夹持长度等因素。以夹持速比、夹持间隙、夹持长度为探究变量,以植株输送成功率、落粒损失率为评价指标,开展了台架试验。单因素试验明晰了较优夹持间隙范围为20～40mm,夹持速比范围为1.2～1.6,夹持长度范围为250～450 mm。二次回归正交旋转组合试验得到最优参数组合为:夹紧间隙为20 mm,夹紧速度比为1.3,夹紧长度为345 mm。(5)为了检验割台关键部件参数设计的合理性,以植株输送成功率、漏割率为评价指标开展田间试验,结果表明:输送成功率范围为82.2%～85.5%,漏割率范围为3.4%～4.6%,表明夹持输送装置及切割部件参数设计合理。为检验优化后割台性能及整机联合作业的性能,在油葵完熟期进行田间试验,以割台损失率、籽粒破碎率、籽粒含杂率为评价指标,结果表明:割台损失率范围为3.1%～4.1%,籽粒破碎率范围为2.2%～2.9%,籽粒含杂率范围为3.2%～4.1%,说明整机各部件联合作业效果良好,分析可知,随着行走速度增大,籽粒损失率、籽粒破碎率、含杂率增高,综合考虑,机器行走速度不高于0.8m/s时,籽粒破碎率、籽粒损失率及含杂率不超过4%,整机能满足作业需求。