發(fā)布時(shí)間：2020-03-09所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 為了明確玉米梳脫摘穗過程中的果穗受力特征，對(duì)梳齒桿與果穗的作用環(huán)節(jié)進(jìn)行了力學(xué)分析，基 于 能量平衡理論得知果穗的彈性勢能同籽粒與梳齒桿運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度有關(guān)，并對(duì)梳齒桿沿碰撞方向的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了分析。借助高速攝影手段對(duì)摘穗過程進(jìn)行分析，得
摘 要: 為了明確玉米梳脫摘穗過程中的果穗受力特征，對(duì)梳齒桿與果穗的作用環(huán)節(jié)進(jìn)行了力學(xué)分析，基 于 能量平衡理論得知果穗的彈性勢能同籽粒與梳齒桿運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度有關(guān)，并對(duì)梳齒桿沿碰撞方向的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了分析。借助高速攝影手段對(duì)摘穗過程進(jìn)行分析，得到梳齒桿摘穗的主要作用形式為沖擊、梳 刷、折 斷。通 過 梳齒桿與果穗作用的簡化力學(xué)分析，明確了果穗在不同摘穗形式下的摘穗特點(diǎn)。沖擊摘穗作用形式下依靠沖擊力將果穗摘落，梳刷摘穗下果穗分離的主要作用力為拉引力，折斷摘穗主要依靠果柄折斷實(shí)現(xiàn)果穗分離。研 究 可為我國不分行玉米收獲機(jī)的設(shè)計(jì)及理論分析提供參考。
關(guān)鍵詞: 玉米收獲; 梳脫摘穗; 受力分析; 高速攝影
0 引言
玉米是我國三大糧食作物之一，推進(jìn)玉米生產(chǎn)機(jī)械化對(duì)于保障糧食安全、促進(jìn)農(nóng)民增收具有重大意義[1]。收獲作為玉米生產(chǎn)過程中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，在玉米生產(chǎn)過程中占有重要地位。玉米收獲處于“三秋”時(shí)節(jié)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要占用大量勞力，發(fā)展玉米收獲機(jī)械化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然[2]。
由于我國玉米種植區(qū)域大，種植模式多種多樣，種植行距不統(tǒng)一，行距范圍為 300 ～ 800mm[3 -4]。種植模式和種植行距的不統(tǒng)一，造成了不對(duì)行收獲的問題，增加了玉米收獲的難度[5]。
我國現(xiàn)有玉米收獲機(jī)輥式割臺(tái)和板式割臺(tái)行距固定，收獲玉米時(shí)需要對(duì)行收獲。由于種植模式和種植行距的不統(tǒng)一，玉米收獲機(jī)可能將植株推倒，造成損失[6]。
與現(xiàn)有摘穗機(jī)構(gòu)擠拉莖稈實(shí)現(xiàn)摘穗的原理不同，梳脫式摘穗機(jī)構(gòu)模擬人手摘穗，梳齒之間的間隙小于果穗大端的直徑，大于莖稈的直徑。工作時(shí)，依靠梳齒桿對(duì)植株進(jìn)行梳刷，當(dāng)觸碰到果穗大端時(shí)，將果穗摘下[7]。
為了研究梳脫摘穗機(jī)構(gòu)對(duì)果穗的沖擊作用，明確梳脫摘穗機(jī)構(gòu)對(duì)果穗作用的力學(xué)特征和運(yùn)動(dòng)情況，分別開展了力學(xué)分析和高速攝影試驗(yàn)研究，旨在為梳脫摘穗機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。
1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理
1.1 整體結(jié)構(gòu)
梳脫式玉米摘穗機(jī)主要由梳齒桿、梳 齒 桿 安 裝座、梳脫滾筒、膠套、滾筒軸等部件組成，如圖 1 所示。梳齒桿通過螺栓插裝在梳齒桿安裝座里，梳齒桿安裝座通過螺栓與梳脫滾筒連接。梳齒桿外側(cè)包有膠套，以減小梳齒桿對(duì)果穗的碰撞損傷。
1.2 工作原理
在傳動(dòng)軸上安裝有若干梳脫摘穗機(jī)構(gòu)單體，通過調(diào)節(jié)梳脫摘穗機(jī)構(gòu)單體之間的距離，來提高收獲玉米的行距適應(yīng)性。工作時(shí)，梳脫摘穗機(jī)構(gòu)在機(jī)器的帶動(dòng)下前進(jìn)，依靠機(jī)器提供的動(dòng)力，與機(jī)器前進(jìn)方向滾動(dòng)逆向旋轉(zhuǎn); 相鄰兩梳齒桿的間隙大于莖稈直徑，小于果穗大端直徑，果穗在旋轉(zhuǎn)的梳齒桿觸碰下被摘落，并向后輸送。玉米梳脫摘穗機(jī)構(gòu)可按照種植行距調(diào)節(jié)單體距離，具有較高的行距適應(yīng)性，且摘穗過程對(duì)莖稈擠壓程度較小，減少了摘穗時(shí)的功率消耗。
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2 梳脫摘穗過程分析
2.1 梳脫摘穗過程力學(xué)分析
梳脫摘穗過程為梳齒桿對(duì)果穗的碰撞過程，果穗在梳齒桿沖擊、牽拉等作用下被摘落，受力如圖 2 所示。所受沖擊力 F 的分力 F1沿果柄方向?qū)⒐欤?F2使果柄彎折。
3 高速攝影試驗(yàn)
3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備
采用山東岱農(nóng)農(nóng)業(yè)科技有限公司農(nóng)場種植的岱單 6641 作為試驗(yàn)植株，材料采集時(shí)間為 2017 年 10 月。試樣從玉米植株根上第 1 節(jié)整體切斷，要求莖稈通直、果穗無下垂，試驗(yàn)樣品的籽粒含水率為28.66%。
試驗(yàn)在自制的試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，如圖 6 所示。梳脫滾筒由 7.5kW 功率的變頻調(diào)速電機(jī) YVF132M-4 帶動(dòng)，利用自制的夾具完成植株的固定，夾具通過螺栓連接在運(yùn)輸小車上。為了便于拍攝梳脫摘穗元件對(duì)果穗的作用過程，在護(hù)罩的側(cè)板上開有拍攝窗口。
3.2 試驗(yàn)方法
植株由夾具固定在輸送小車上，沿軌道喂入到梳脫摘穗機(jī)構(gòu)。梳脫摘穗機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)按照前期試驗(yàn)中摘穗效果較好的參數(shù)匹配，梳脫滾筒轉(zhuǎn)速選擇 140 ～ 200r / min，前進(jìn)速度為 1.02m / s，梳脫滾筒軸位于果穗大端下方 100mm。果穗摘落過程主要位于梳脫摘穗機(jī)構(gòu)前部，因此重點(diǎn)拍攝摘穗機(jī)構(gòu)前部梳齒桿與果穗的碰撞接觸情況。
3.3 結(jié)果與分析
果穗的摘落情況與果穗和梳齒桿的接觸位置、梳脫滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度及植株的力學(xué)特性等因素有關(guān)。對(duì)摘穗過程圖像進(jìn)行分析，果穗的摘落形式可分為沖擊摘穗、梳刷摘穗及折斷摘穗 3 種。沖擊摘穗是指依靠旋轉(zhuǎn)梳齒桿的沖擊作用破壞果穗與果柄的連接力，果穗脫離的位置位于果柄與果穗的連接處; 梳刷摘穗是指梳齒桿與果穗碰撞接觸后梳齒桿挾持果穗運(yùn)動(dòng)，果穗在梳齒桿拉引力的作用下摘落，果穗與莖稈的分離的位置為果柄與果穗的連接處; 折斷摘穗是指梳脫摘穗機(jī)構(gòu)將果柄從莖稈上“掰斷”，果穗與莖稈分離位置處于果柄與莖稈的連接位置。
3.3.1 沖擊摘穗
梳齒桿與果穗的作用過程可以分為碰撞和分離階段，如圖 7 所示。
碰撞階段如圖 7( a) 所示，梳齒桿運(yùn)動(dòng)到果穗大端的下方。由前述分析可知: 梳齒桿運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度與梳齒桿同果穗的接觸位置( 即 α 角) 、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ω 有關(guān)，因此靠近梳齒桿尖端的位置及較大的運(yùn)動(dòng)速度都會(huì)使摘穗前梳齒桿沿碰撞方向的相對(duì)速度較大。運(yùn)動(dòng)速度較高的梳齒桿與果穗大端發(fā)生碰撞，忽略碰撞過程重力、摩擦力等作用的影響，果穗主要受到?jīng)_擊力 F。當(dāng)沖擊力沿果柄方向的分力 F1 大于果柄與果穗間連接力 F連 時(shí)，果穗被摘落，果穗與植株分離位置主要集中在果柄與果穗的連接位。
在分離階段，果穗與梳齒桿分離的瞬間，果穗運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榻佑|點(diǎn)的法線方向，如圖 7( b) 所示。此時(shí)，由于碰撞的作用，果穗具有接觸點(diǎn)法線方向的速度 ven 及切線方向的速度 vet，如圖 7( c) 所示。法線方向的速度 ven會(huì)使分離后的果穗繼續(xù)沿接觸點(diǎn)法線方向運(yùn)動(dòng)，接觸點(diǎn)處的果穗所具有的切線方向的速度 vet會(huì)使果穗具有繞重心的角速度 ωe，使果穗產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。因此，分離后果穗的運(yùn)動(dòng)為沿接觸點(diǎn)法線方向的直線運(yùn)動(dòng)和繞重心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成，如圖 7( d) 所示。
3.3.2 梳刷摘穗
與沖擊摘穗方式不同，梳刷摘穗方式主要依靠拉引力將果穗摘下，果柄斷裂的位置位于果穗與果柄的連接處。梳刷摘穗過程可分為碰撞、拉引、分離 3 個(gè)階段，如圖 8 所示。
在碰撞階段，梳脫摘穗機(jī)構(gòu)一邊前進(jìn)，一邊旋轉(zhuǎn)，在圖 8( a) 所示位置與果穗發(fā)生碰撞。在相同轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度下，梳齒桿同果穗的接觸點(diǎn)處于梳齒桿尖部靠下的位置，果穗所受沖力小于沖擊摘穗下所受沖力。果穗受力情況如圖 2 所示。由于果穗與植株連接力 F連 較大，碰撞過程中產(chǎn)生的沖力 F 沿果柄方向的分力 F1小于 F連 ，碰撞階段果穗未被摘落。
在拉引階段，梳齒桿對(duì)果穗的作用力轉(zhuǎn)變?yōu)槔?FL，梳齒桿牽拉植株進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，如圖 8( b) 、圖 8( c) 所示。將植株視為懸臂梁模型，在果穗摘落前，果穗大端近似于處于同一高度; 隨著摘穗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，果穗與梳齒桿間的作用點(diǎn)不斷向梳齒桿內(nèi)側(cè)( 即梳脫滾筒圓心方向) 滑動(dòng)，梳齒桿對(duì)果穗的拉引作用不斷增強(qiáng)，拉引力 FL增大，沿果柄方向的拉引力 FLn增大，當(dāng)拉引力 FLn大于 F連 時(shí)，果穗被摘落，果穗摘落的主要作用力為拉引力。
在分離階段，與沖擊摘穗不同，梳齒桿將果穗摘落后，分離后的果穗運(yùn)動(dòng)速度較低，在梳齒桿的挾持下，果穗被向后進(jìn)行輸送，如圖 8( d) 所示。
3.3.3 折斷摘穗
由于果穗與梳齒桿接觸位置、植株生物特性等差異，在同一作業(yè)條件下( 相同的梳脫滾筒角速度 ω 及相同的前進(jìn)速度 v) ，梳脫摘穗機(jī)構(gòu)的摘穗過程存在折斷摘穗的現(xiàn)象。折斷摘穗過程可分為碰撞、拉引、掰穗 3 個(gè)階段，如圖 9 所示。
碰撞階段如圖 9( a) 所示。果穗與梳齒桿的接觸點(diǎn)位于梳齒桿中部，α 角相對(duì)較大，此時(shí)碰撞沖力 F 沿果柄方 向 的 分 力 F1 小于 F連 ，碰撞階段果穗未能摘落。
在初始拉引階段，果穗受到梳齒桿的拉引力 FL，由于 FL小于碰撞產(chǎn)生的沖力 F，并小于 F連 ，果穗未能摘落。果穗被梳齒桿挾持，并拉引植株共同運(yùn)動(dòng)。果穗所受拉引力 FL在果柄方向的分力 FLn可分解為對(duì)莖稈產(chǎn)生與前進(jìn)方向相反的拉引力 FLn 1 和將莖稈向上的拉引力 FLn 2。莖稈以與地面接觸點(diǎn) D1點(diǎn)為固定端，拉引力 FLn 1使莖稈產(chǎn)生彎曲，如圖 9( b) 、9( d) 所示。隨著摘穗作業(yè)的進(jìn)行，經(jīng)過時(shí)間△t1，摘穗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到梳齒桿安裝座與莖稈接觸的位置。此時(shí)，莖稈的進(jìn)一步彎曲受到限制，莖稈可以分為兩段，上段為莖稈自由端到 D2段，下段為 D1D2段。下段莖稈在摘穗機(jī)構(gòu)推動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)，上段莖稈的運(yùn)動(dòng)受到梳齒桿和護(hù)罩的共同作用向后拉引，如圖 9( e) 所示。
在掰穗階段，上段莖稈在梳齒桿的拉引及護(hù)罩的限制下，逐步運(yùn)動(dòng)到極限位置，莖稈的彎曲程度達(dá)到最大。此后，隨著梳齒桿的旋轉(zhuǎn)，莖稈不再進(jìn)一步彎曲，梳齒桿牽拉果穗，開始相對(duì)于莖稈運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，果穗大端與梳齒桿的接觸點(diǎn)逐步向梳齒桿內(nèi)側(cè)移動(dòng)，果穗以果柄與莖稈的連接點(diǎn)為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，果穗大端頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似于一條圓弧，如圖 9( e) 所示。在這一過程中，果穗受梳齒桿的拉引力 FL在沿果柄方向的分力 FLn小于 F連 n，在垂直果柄方向的分力 FLt小于 F連 t。由于 F連 n>F連 t，果穗在果柄法線方向施加作用力摘穗更為容易，當(dāng)果穗受到在果柄法向方向的分力 FLt大于 F連 t時(shí)，果穗即被摘落，摘穗過程近似于人手掰穗過程。
4 結(jié)論
1) 對(duì)梳脫摘穗機(jī)構(gòu)摘穗過程進(jìn)行力學(xué)分析，明確了梳脫摘穗過程能量轉(zhuǎn)換的主要形式，得到梳齒桿與果穗運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度是造成籽粒損傷的原因。通過對(duì)梳脫摘穗機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到梳齒桿與果穗碰撞接觸前的法向運(yùn)動(dòng)速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
2) 借助高速攝影試驗(yàn)得到了果穗在梳脫摘穗機(jī)構(gòu)作用下的 3 種摘落形式，即沖擊摘穗、梳刷摘穗、折斷摘穗。分析表明，梳脫摘穗機(jī)構(gòu)摘穗時(shí)的作用形式和果穗與梳齒桿接觸位置、植株力學(xué)特性等因素有關(guān)。
3) 果穗在摘穗過程中首先受到?jīng)_擊力作用。若沖擊力未能將果穗摘落，梳脫摘穗機(jī)構(gòu)對(duì)果穗的作用力轉(zhuǎn)變?yōu)槔? 若果穗仍未被摘落，果穗會(huì)在梳齒桿拉引作用運(yùn)動(dòng)到極限位置，通過將果柄彎折，將果穗摘落。
