4HLB-2型花生联合收获机起秧装置性能分析与试验.pdf

第 28 卷第 6 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.6262012 年3 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringMar.20124HLB-2 型花生联合收获机起秧装置性能分析与试验胡志超，王海鸥，彭宝良，陈有庆，吴峰，谢焕雄（农业部南京农业机械化研究所，南京 210014）摘要：为了解 4HLB-2 型花生联合收获机起秧作业过程和作业性能，该文对起秧装置进行运动分析，研究各部件主要运动参数和位置配置参数对起秧效果的影响，并进行田间试验验证。运动分析表明，采用扶禾器倾角 80、夹持链倾角 35、扶禾速度比（扶禾链速度与机器前进速度的比值）1.5、夹持速度比（夹持输送速度与机器前进速度的比值）1.2 等设计参数，起秧作业时花生秧蔓与夹持链呈近似垂直夹持状态，夹持链拔取作用力近似垂直向上；在解析花生秧蔓扶禾运动过程的基础上，确定了秧蔓扶禾次数和作用于单穴秧蔓最大拨指数的计算方法，优化扶禾器拨指间距为 150 mm；分析了扶禾器、挖掘铲、夹持链的位置关系对起秧作业的影响，确定 3 个部件侧视图方向的主要位置参数：拨禾指最低点距挖掘面的距离 170 mm；拨禾指最低点距夹持点所在铅锤面的距离 325 mm；夹持点距挖掘面的距离 290 mm；挖掘铲距夹持点所在铅锤面的最小距离 25 mm。田间试验表明，该起秧装置的运动参数及各部件位置配置能较好地满足起秧性能要求，起秧过程和状态与理论分析基本稳合。该研究为该类型花生起秧装置的结构完善设计和作业参数优化提供依据。关键词：收获机，运动参数，试验，花生，起秧装置doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.06.005中图分类号：S225.7+3文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-06-0026-06胡志超，王海鸥，彭宝良，等.4HLB-2 型花生联合收获机起秧装置性能分析与试验J.农业工程学报，2012，28(6)：2631.Hu Zhichao,Wang Haiou,Peng Baoliang,et al.Performance analysis and experiment on operation process of plant lifting devicein 4HLB-2 type peanut combine harvesterJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of theCSAE),2012,28(6):2631.(in Chinese with English abstract)0引言花生是中国重要的油料作物和经济作物，多年来中国花生种植面积和产量均稳居世界前2 位1-2。但中国花生机械化生产技术却相对滞后，尤其是收获作业环节3-10。近年来，随着花生种植面积的不断增加及农村劳动力短缺问题的加剧，一次完成所有作业工序的花生联合收获技术已成为花生收获机械的主要发展趋势11-13。4HLB-2 型花生联合收获机为近年研发出来的一种新型花生收获设备，能一次完成挖掘、清土、夹持输送、摘果、清选、集果等多种作业功能，已进入区域性推广和小批量生产阶段14-15。本花生联合收获机采用半喂入作业原理，花生植株挖掘起秧后由夹持链夹持秧蔓向后输送，并使花生果系进入清土和摘果部件分别完成清土和摘果作业。起秧是半喂入花生联合收获的关键技术，规则、有序地进行花生秧果夹持输送是确保花生联合收获后续清土、摘果等作业性能的首要前提和重要保障。为此，本文针对4HLB-2 型花生联合收获机起秧装置开展运动特性和位置配置研究，分析花生起秧作业性能并进行田间试验验证，本研究以期为完善该类型花生起秧装置的结构设计和作业参数优化提供依据。收稿日期：2011-07-26修订日期：2012-01-11基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金资助项目（CARS-14-08B）；公益性行业（农业）科研专项资助项目（200903053）作者简介：胡志超（1963），男，陕西蓝田人，研究员，博士，主要从事农业机械化工程及农产品加工技术装备研究。南京农业部南京农业机械化研究所，210014。Email：14HLB-2 型花生联合收获机简介本机可一次完成花生挖掘、输送、清土、摘果、清选、集果、秧蔓处理等所有收获作业工序，结构简图如图 1 所示。收获机前行时，扶禾器将待收的 2 行花生植株归拢扶起，同时挖掘铲铲断花生主根并松土，夹持链夹持并拔起花生植株向上（后）输送；在夹持输送前段下方设有清土器，以去除植株根部的沙土；花生植株输送到摘果段时，荚果被摘果辊刷落摘下，落入刮板输送带升运至振动清选筛上去除茎叶等杂物，分选出的花生荚果被提升输送到集果箱；脱荚后的花生秧蔓继续被向后输送排出机后。1.分禾器2.扶禾器3.挖掘铲4.清土器5.液压升降缸6.摘果辊7.橡胶履带底盘8.刮板输送带9.风机10.横向输送带11.清选筛12.秧蔓输送带13.集果箱14.垂直提升机15.秧蔓抛送链16.拔禾输送链图 1花生联合收获机结构简图Fig.1Structural schematic of peanut combine harvestor第 6 期胡志超等：4HLB-2 型花生联合收获机起秧装置性能分析与试验27本机主要技术参数为：收获行数：2 行；纯生产率：0.15 hm2/h；总损失率：3.5；动力：3035 kW。2花生起秧装置结构本花生联合收获机采用铲-链挖拔组合起秧技术，起秧装置结构示意如图 2 所示，主要由扶禾器、挖掘铲、夹持机构等部件组成。a.结构示意图b.A 向视图1.挖掘铲2.夹持链3.扶禾器4.扶禾器传动机构图 2起秧装置结构示意图Fig.2Schematic diagram of peanut plant lifting device扶禾器与水平方向成80 角度向后倾斜配置，其结构如图 3 所示，由左、右拨指链箱对称配置，拨指箱内装有传动链轮、张紧轮、滑轮、传动链和拨指等组成。扶禾器传动链转动方向如图 3 中箭头所示，花生秧由扶禾拨指从底向上逐渐合拢并向上导扶，并引导进入夹持输送链入口。挖掘铲采用双梯形铲左右对称配置，可一次挖掘垄上 2 行花生，其作用是铲断花生主根并松土，减少花生植株的拔起力，降低拔株过程中的掉埋果损失。夹持机构由两条相向回转并相互咬合的齿形链条构成，与水平方向成 35 倾角，其作用是将经过挖掘松土后的花生植株向上拔起并向后输送，完成清土、摘果作业。起秧装置通过合理组配上述 3 个作业部件，依次分别完成秧蔓导扶、挖掘送土、夹持输送3 个动作，可实现整齐、规则、有序的起秧作业。注：箭头方向为扶禾器传动链转动方向。1.右拔指链箱2.横杆3.传动链轮4.张紧轮5.拔指6.传动链7.滑轮图 3扶禾器结构图Fig.3Structural schematic of peanut vine uprearing device3扶禾运动分析3.1拨指运动合成扶禾器的工作元件是拨指，而拨指随着扶禾传动链作回转运动，其运动过程分为伸指搂禾、扶禾、缩指空行 3 个阶段，如图 4 所示。实际扶禾作业时，拨指从扶禾器内侧的圆弧运动段开始作用于秧蔓，将花生秧蔓向中间搂合，而后由圆弧运动过渡到直线运动，将花生秧蔓按照一定的方向进行导扶。收获作业时，秧蔓位置相对固定，扶禾器随机器一同运动，所以拨指运动是拨指随链条运动和机器前进运动的合成，且扶禾后的秧蔓状态主要取决于拨指直线运动段的扶禾合成运动作用。在直线扶禾轨迹段，扶禾链运动速度（也即拨指线速度）与机器前进速度合成关系如图 5 所示。注：R1为滑轮半径，mm；R2为拨指圆弧运动半径，mm；v1为扶禾链速度，m/s。图 4拨指运动示意图Fig.4Moving track of uprearing rods注：1为扶禾器倾角，即扶禾器与水平面的配置夹角，（）；1为合成速度 va与扶禾链速度的夹角，（）；扶禾指合成运动方向与水平面的夹角为11，（）；v0为机器前进速度，m/s；v1为扶禾链速度，m/s；va为拔指合成速度，m/s。图 5拨指直线运动合成Fig.5Composition velocity of uprearing rods假定作业时机器前进速度、拨指线速度均恒定，则拨指扶禾轨迹为一条直线，扶禾方向决定于扶禾链速度v1和机器前进速度 v0的比值 k1（称为扶禾速度比）以及扶禾器的倾角 1，根据三角形正弦定理，满足如下关系28农业工程学报2012 年111101sin()sinvkv（1）式中，1为扶禾器与水平面的配置夹角，（）；1为合成速度 va与扶禾链速度的夹角，（）。本机传动系统中，机器行走装置与扶禾器为同一路传动，扶禾链速度与机器前进速度成一定比例增减。实际设计时扶禾速度比 k1为 1.5，扶禾器的倾角 1为 80，由公式（1）可得拨指合成速度与水平方向夹角（11）为 117。而本机夹持链与水平方向呈 35 倾角配置，因此拨指合成速度与夹持链的夹角为 82，即经过拨指扶禾作用后，花生秧蔓与夹持链呈近似垂直状态，以便于秧蔓夹持整齐以及后续得清土合摘果作业。3.2秧蔓扶禾过程与状态针对扶禾器的上述结构与运动参数设计，以下通过实例来具体分析花生秧蔓的扶禾过程。本扶禾器对花生秧蔓的扶禾过程示意如图 6 所示，x 定义为：直线运动段的任意高度，拨指每拨一次机器前进的距离（单位：mm），可用如下公式表示011bbddxvvk（2）式中，db为拨指间距，mm。注：x 为拨指每拨一次机器前进的距离，mm；t1t4为扶禾器等间距 x 的4 个连续运动时刻；14 为连续相邻的拨指序号；AD 为拨指在 4 个运动状态下对应的作用高度，mm；为花生秧蔓株丛范围，mm；H0为花生秧蔓高度，mm；db为拨指间距，mm；R2为拨指圆弧运动半径，mm；1为扶禾器倾角，（）。图 6扶禾过程示意图Fig.6Schematic of peanut vine uprearing假定花生秧蔓始终处于垂直状态，扶禾器直线运动段的任意高度处穿过单穴花生秧蔓株丛的过程中，拨指对秧蔓的扶禾次数 Nf可用下式表示111fbkNxd（3）式中，为穴花生株丛范围，mm。对于直立态花生秧蔓，作用于同一穴花生秧蔓的最大拨指数 Nb可近似用以下公式表示021sin1bbHRNd（4）式中，H0为花生秧蔓高度，mm；R2为拨指圆弧运动轨迹半径，mm。为了获得较好的扶禾效果，通常要求扶禾器直线运动段的任意高度处穿过单穴花生秧蔓株丛过程中的扶禾次数 Nf不少于 2 次，作用于同一穴花生植株的最大拨指数 Nb不少于 2 个。将 =150 mm，k1=1.5，Nf2 代入公式（3），计算得 db225 mm；直观分析可知，秧蔓高度越小，Nb则越小，因此确定拨指间距 db要充分考虑到低矮作物。将H0=300 mm，180，R2155 mm，Nb2 代入公式（4），计算得 db150 mm。因此，本扶禾器拨指间距 db确定为150 mm。本扶禾器主要设计参数确定为：k1=1.5，180，db=150mm。当株丛范围 为 150mm 时，扶禾器直线段任意高度处穿过株丛的扶禾次数Nf为2 次。当收获低矮株高花生时，H0约为300 mm，通过公式（4）计算Nb为2.0，即作用于同一株的最大拨指数为2 个；当收获中等株高花生时，H0约为 450 mm 时，计算 Nb为 3.0，作用于同一株的最大拨指数为 3 个；当收获较高株高花生时，H0约为 600 mm，计算Nb为4.0，即作用于同一株的最大拨指数为4 个。在图 6 中，1、2、3、4 为相继经过高度线 A 的 4 个拨禾指代码，根据公式（2）及图5 中的运动合成分析可知，拨指1 在 t1、t2、t3、t44 个时刻分别处于A1、B1、C1、D14 个位置状态，且在同一直线上，即为拨指1 的扶禾轨迹线。同理，A2、B2、C2 处于同一扶禾轨迹直线上，为拨指2 的扶禾轨迹线；A3、B3 为拨指 3 的扶禾轨迹线。从图6 所示状态可知，扶禾次数Nf为2，最大拨指数Nb为3，在 t1t4的时间段内，扶禾器前进 3 个 x 步长，期间拨指 1、2、3分别沿着各自的扶禾轨迹线对花生秧蔓进行连续扶禾作用，最终将花生秧蔓导扶成与拨指运动合成方向一致的位置状态，即与水平方向夹角近似为117。4秧蔓夹持运动分析与扶禾器一样，夹持输送链与行走系统为同一路传动，秧蔓夹持输送的快慢也与行走速度关联。秧蔓夹持点的速度与方向决定了秧蔓夹持拔取的状态。收获作业时，在夹持链喂入端处花生秧蔓一但被夹持住后，夹持链应正向上拔起植株使花生果系快速出土，以减少落埋果损失。而夹持链也是随机器一同运动，所以秧蔓夹持运动是夹持链条运动和机器前进运动的合成，如图 7 所示。为了保证夹持链起秧时为向上正拔取，夹持合成速度应近似垂直向上。设 k2为夹持速度比（即夹持输送速度与机器前进速度比），同样，根据三角形的正弦定理，满足如下关系222202sin()sinvkv（5）式中，2为夹持链与水平面的夹角，（）；2为夹持合成运动方向与夹持链的夹角，（）；v2为夹持输送速度，m/s。第 6 期胡志超等：4HLB-2 型花生联合收获机起秧装置性能分析与试验29注：v0为机器前进速度，m/s；v2为夹持输送速度，m/s；vb为夹持链合成速度，m/s；2为夹持链与水平面夹角，（）；2为夹持合成运动方向与夹持链的夹角，（）。图 7秧蔓夹持运动合成Fig.7Composition velocity of vine clamping本机夹持链与水平方向的夹角 2为 35 左右，夹持速度比 k2按 1.2 来设计，夹持链合成速度与水平方向夹角 22为 92，即秧蔓被夹持后运动方向始终保持正向上，实现正拔取作业。5扶禾器、挖掘铲、夹持链的配置位置5.1理想起秧过程分析通过前述分析，按扶禾器倾角 80、扶禾速度比 1.5、夹持链倾角 35、夹持速度比 1.2 等参数来设计，作业时花生秧蔓与夹持链呈现正夹持状态，夹持链拔取作用力正向上。为了获得良好的起秧效果，除了要满足上述条件外，扶禾器、挖掘铲、夹持链的位置配置也至关重要，位置配置不当会造成喂入口堵塞、秧蔓倾倒、夹持凌乱等问题，将直接影响机器工作可靠性和收获质量。扶禾器、夹持链、挖掘铲的位置关系决定了该 3 个部件对花生果秧作业的先后顺序。理想起秧作业过程如图 8 所示：扶禾器将花生秧蔓向前扶起，与夹持链成近似垂直状态；当挖掘铲的整个铲身穿过花生果系位置，完成花生挖掘和松土工作的过程中，花生植株上部秧蔓逐渐脱离扶禾器；当花生果系经挖掘松土、秧蔓整体基本脱离扶禾器后，夹持喂入端前部夹持链开始将花生秧蔓向内侧拢合收集，并快速完成夹持工作向后输送。注：1、2、3 分别为花生秧蔓拔取前、拔取中、拔取后的 3 个连续状态；H1为拨禾指最低点距挖掘面的距离，mm；L1为拨禾指最低点距夹持点所在铅锤面（与机器前进方向相垂直）的距离，mm；H2为夹持点距挖掘面的距离，mm；L2为挖掘铲距夹持点所在铅锤面（与机器前进方向相垂直）的最小距离，mm。图 8理想起秧状态及位置配置参数Fig.8Idealvine-liftingstatusandpositionparametersofleft-sideview5.2主要位置关系的确定扶禾器、挖掘铲、夹持链的空间位置关系很复杂，而 3 个部件在俯视图（图 2b）上位置关系更多地决定于种植行距、花生植株状态等农艺因素，在收获相同农艺条件的花生时，3 个部件的侧视图（图 8）位置关系对花生起秧效果影响更大。因此为了简化问题，仅考查 3 个部件侧视图的位置关系参数，标注如图 8 所示，H1、L1、H2、L24 个参数基本能够确定扶禾器、挖掘铲、夹持链在侧视图上位置关系。但本机作业时一次收获 2 行花生，在夹持起秧时，2行花生植株受夹持链作用向中间靠拢后再侧向倾斜拔起，秧蔓进入夹持点的实际状态如图 9 所示。a.秧蔓夹持侧视图b.A 向视图注：H3为夹持点离地面的垂直高度，mm；为花生植株的前倾角，（）；H4为秧蔓夹持长度在侧视图上的投影距离，mm；H5为花生植株行距，mm；H6为秧蔓夹持长度，mm；为花生植株的内倾角，（）。图 9秧蔓进入夹持点的实际状态Fig.9Vine actual status at clamping point图 9 中各个参数满足如下关系34sinHH（6）225644HHH（7）46sinHH（8）式中，H3为夹持点离地面的垂直高度，mm；H4为秧蔓夹持长度在侧视图上的投影距离，mm；H5为花生植株行距，mm；H6为秧蔓夹持长度，mm；为花生植株的内倾角，（）；为花生植株的前倾角，（）。作业时夹持高度 H3一般取 200 mm 左右，花生植株前倾角 计算为 63，花生植株行距 H5一般为 250 mm，则根据上述公式分别计算 H4为 224 mm，H6为 256 mm，为 61 通过计算可知，夹持链夹持秧蔓时，2 行上的花生植株向内侧合拢约呈 60 倾角，待拔起植株后，2 穴花生植株合并成束，秧蔓实际夹持长度 H6比其侧视投影距离 H4约多出 30 mm。尽管在夹持起秧时无法避免花生植株向内侧倾斜的现象，但本作用不会影响花生植株拔起后秧蔓与夹持链的近似垂直位置状态。图 8 中花生秧蔓长度为 450 mm，则花生植株 1、2、3 分别为秧蔓拔取前、拔取中、拔取后的 3 个连续状态。当挖掘铲完成对 1 号植株的挖掘松土后，1 号植株秧蔓上30农业工程学报2012 年端逐渐脱离扶禾器，秧蔓中下部则开始进入夹持链拢合收集区。与此同时，2 号植株秧蔓已完全脱离了扶禾器，并被夹紧开始向上拔取，而 3 号花生植株则已被拔取正向后输送。按图 8 所示，机器前行时，依次对 3、2、1号植株完成起秧过程，而且每株花生起秧状态均能较好的满足上述要求。根据图 8 位置关系，分别取 H1为170 mm、L1为 325 mm、H2为 290 mm、L2为 25 mm。6花生起秧试验以上是针对该花生起秧装置结构和运动参数开展的运动分析，为验证理论分析结果，在 4HLB-2 型花生联合收获机制造单位所在地江苏泰兴选定花生试验地进行田间收获试验，重点考查起秧装置的起秧效果。试验地花生品种为泰花 4 号，采用垄作种植模式，行距为 250300 mm，株距为 150200 mm，株高为350450 mm，株丛直径为 150200 mm。收获作业时，挖掘深度为 120 mm，前进速度调整为 1 m/s，扶禾链速度为 1.5 m/s，夹持输送速度为 1.2 m/s。实际起秧状态如图 10 所示。人工观察发现：秧蔓经扶禾器导扶后与夹持链呈近似垂直夹持状态，起秧过程中扶禾、挖掘松土、喂入夹持等作业顺畅、连贯，秧蔓夹持有序，且较整齐，起秧后落果损失率检测值小于 1%。试验证明，本起秧装置运动参数及各部件位置配置能较好地满足起秧性能要求，与前述理论分析基本吻合。a.前侧视图b.后侧视图图 10花生植株起秧状态Fig.10Rise status of peanut plants7结论1）本文对 4HLB-2 型花生联合收获机起秧装置的扶禾器、夹持输送链 2 个运动部件进行运动分析，研究扶禾速度比对秧蔓状态的影响、夹持速度比对拔取方向的影响。分析认为，采用扶禾器倾角 80、扶禾速度比（扶禾链与机器前进速度的比值）1.5、夹持链倾角 35、夹持速度比（夹持输送速度与机器前进速度的比值）1.2 等设计参数，起秧作业时花生秧蔓与夹持链呈近似垂直夹持状态，夹持链拔取作用力近似垂直向上。2）在花生秧蔓扶禾过程进行运动分析的基础上，确定秧蔓扶禾次数和同时作用于秧蔓最大拨指数的计算方法，优化确定扶禾器拨指间距为 150 mm。3）分析了扶禾器、挖掘铲、夹持链的位置关系对起秧作业的影响，确定 3 个部件侧视图方向的主要位置参数：拨禾指最低点距挖掘面的距离 170 mm；拨禾指最低点距夹持点所在铅锤面的距离 325 mm；夹持点距挖掘面的距离 290 mm；挖掘铲距夹持点所在铅锤面的最小距离25 mm。4）田间试验表明，本起秧装置的运动参数及各部件位置配置能较好地满足起秧性能要求，起秧过程和状态与上述理论分析基本吻合。参考文献1张智猛，胡文广，许婷婷，等.中国花生生产的发展与优势分析J.花生学报，2005，34(3)：610.Zhang Zhimeng,Hu Wenguang,Xu Tingting,et al.Analysison the development and advantages of Chinese peanutproductionJ.Journal of peanut science,2005,34(3):610.(in Chinese with English 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and experiment on operation process of plant liftingdevice in 4HLB-2 type peanut combine harvesterHu Zhichao,Wang Haiou,Peng Baoliang,Chen Youqing,Wu Feng,Xie Huanxiong(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization,Ministry of Agriculture,Nanjing 210014,China)Abstract:In order to investigate the operation process and performance of plant lifting of 4HLB-2-type peanut combineharvester,the motion analysis of the plant lifting device was carried out to explore the influence of motion parametersand location configuration parameters of all parts on plant lifting effect,and the field experimental verification wasperformed subsequently.According to the motion analysis,when the design parameters of vine uprearing deviceobliquity was 80,clamping chain obliquity was 35,vine uprearing speed ratio was 1.5,chain speed ratio was 1.2 andso on,peanut plant was nearly perpendicular with the clamping chain,and the pulling force of clamping chain was nearlydirected in up-vertical orientation.Based on the analysis of the peanut vine uprearing motion process,the calculationmethods of the vine uprearing times and the maximum active uperaring fingers for individual peanut plant weredetermined,and the separation distance of uprearing fingers optimized was 150 mm.The theoretical analysis alsoinvolved the influence of the location relation of vine uprearing device,digging shovel and clamping chain on the peanutplant lifting performance.And the main location parameters in the side view of the three parts were determined.Fieldtests showed that the motion parameters and location configuration of all parts can meet the performance requirements ofpeanut plant lifting,and the practical process and status of plant lifting were in agreement with the results of theoreticalanalysis.This paper provides a reference for improvement of structural design and optimization of working parametersin same type device.Key words:harvesters,kinetic parameters,experiments,peanut,plant lifting device