辣椒收获机复摘装置的研究

2018-07-03赵永满刁雪洋陈永成熊志远

农机化研究 2018年7期

赵永满，刁雪洋，陈永成，付威，熊志远

(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000)

0 引言

新疆种植的辣椒和内地对比具有高产量、品质高、色泽好及供货期长等优点，许多国内食品企业、提炼色素和辣椒碱的工厂把其视为优先选择原料，市场需求潜力巨大[1-3]。近年来，辣椒的种植规模不断扩大，2010年新疆种植线辣椒面积远超50 000hm2，新鲜红辣椒产量已经超过150万t。然而，鲜辣椒的收获目前完全靠人工采摘，已占到辣椒田间生产总费用的30%～50%。按目前棉花、加工番茄等作物机械收获费用类比，辣椒机械采收费用4 500元/ hm2，人工采收费用400元/t，按30t/ hm2产量计，机械收获可节省采收费7 500元/hm2。按目前新疆种植面积50 000hm2算，一年可节省采收费37 500万元[4,6]。

针对辣椒机械化收获的迫切需求，国内一些单位自主研发了牵引式或自走式的辣椒收获机[5]。石河子大学机电学院研制了一台集采摘、清选分离及装箱的牵引式联合收获机。从试验效果看，清选装置对辣椒叶子和细小的茎秆分选效果良好，但对一些大的茎秆上残余的辣椒还无法从中采摘下来，后期这些未采净的辣椒如果不进行复摘和分离，长期堆放时辣椒容易引起霉变，直接影响辣椒的品质；而进行人工清选则将增加作业程序，增加采收成本，从而直接导致农民经济效益降低[6-10]。辣椒采收期正直新疆棉花收获时节，劳动力需求十分紧张，椒农希望采用机械收获时尽可能完成所有的采收工作，使其后期劳动程度降到最低；但是，当前的辣椒收获机还不能实现所有的功能，制约了辣椒收获机在新疆的推广。为适应新疆线辣椒机械化收获的需要，发展成熟的辣椒收获机，设计出结构合理、性能稳定、采摘效果满意，以及适应性强的复摘分离装置对快速实现辣椒机械化收获有着深远的意义。

1 装置结构与工作原理

1.1 整体与装置结构

复摘分离装置安装在有采摘头、底盘、发动机、清选装置及物料箱等组成的整机上，如图1所示。整机的一级升运器的倾斜角度β由收获机驾驶室底座空间和辣椒的物理机械所决定，发动机的位置固定在底盘上无法移动且其高度为900mm；发动机离物料箱的距离M决定了机架宽度；二级升运器的倾斜角度φ和物料箱的高度N一起决定了机架C尺寸。

图1 整机结构

在设计复摘分离装置时，需要使装置在整机中的安装位置和动力传动的路线合理和紧凑，尽量充分利用空间位置，在借鉴国外的辣椒收获机对类似复摘分离装置的研究中提出了旋转滚筒加定挡齿的形式[11-14]。该装置由底盘及车轮、接料箱、机架、星形轮、弧板定挡齿、弹齿滚筒及分隔板等部分组成，如图2所示。此装置主要通过滚筒弹指和弧形定挡齿与物料的相互冲击碰撞作用后，使辣椒从茎秆上分离掉落。

1.2 工作原理

从前期国内的辣椒收获机收获情况看，收获的辣椒混合物中大多数掺杂了椒叶和未采净的辣椒茎秆。其中，椒叶可以通过风机将其清选，但未采净的辣椒茎秆因其外形和密度与辣椒采用的风选方式不能将其彻底分离，一般通过星形轮装置将其进行分选，而分选后剩余的辣椒茎秆尚未见相关装置将其进一步采摘分离。本文设计的复摘分离装置能有效地将其剩余的辣椒从茎秆上采摘下来，减少了辣椒的损失和采收成本，其装置紧凑，合理利用了空间。

收获后的所有辣椒混合物通过一级升运器输送到图1装置的左边的星形轮式清选部分，星形轮式清选部分利用辣椒与茎秆的外形尺寸的差异，从地里收获起来的所有物料掉落在其上方后，所有星形轮顺时针旋转，物料在星形轮的旋转作用下分离出干净的辣椒从星形轮之间的间隙掉落到下方的接料箱中，最后被二级升运器输送到后方的物料箱中；收获上来一些未采净的辣椒茎秆会在星形轮的作用下自左向右运送到右边的复摘分离装置，辣椒的茎秆输送到弧板定挡齿处后，定挡齿之间的间距介于辣椒茎秆和辣椒宽度之间，在旋转滚筒的梳刷和冲击作用下，辣椒果柄便会从辣椒茎秆处断裂，辣椒与茎秆分离；分离后的辣椒从弧板下的间隙处掉落到下方的接料箱中，茎秆在旋转滚筒作用下把茎秆抛到装置外掉落到地上。

复摘分离装置工作时，因滚筒弹指与下方的定挡齿之间的间隙小于物料的径向尺寸，此时物料在弧板中的排列呈无规则形态，当滚筒弹指旋转冲击物料时弹指与物料接触作用时可能与辣椒果实、辣椒茎秆、辣椒果柄发生碰撞，这样在滚筒弹指的冲击下辣椒果实随机地与果柄发生断裂从而完成复摘分离的过程。

2 传动系统的设计

辣椒收获机的发动机按照水平对置安放，发动机旋转方向和机器行走的方向一致，复摘分离装置机架的安装位置和机器行走的方向互相垂直。这样，发动机输出的动力传递到装置时，可通过减速器进行换向，清选装置和复摘分离装置运动相反，整个过程要实现滚筒的转速可调节。装置的动力传递选择链传动，其传动系统过程如图3所示。

1.减速器输入带轮 2.减速器输出带轮 3.装置动力带轮 4.动力输入端链轮 5.张紧链轮 6.堕轮 7.滚筒端大链轮 8.转速调节链轮 9.清选端动力输入链轮 10.星形轮端链轮

3 关键结构及部件设计

3.1 弧板及定挡齿的设计

弧板及定挡齿尺寸参数主要包括弧板的开合角度及圆弧弧尺寸半径、安装定挡齿的角钢长度和及其上孔的排列尺寸，以及定挡齿的长度、排数、排列组合关系。其装配示意如图4所示。图5为是弧板尺寸。其中，α1=153°，α2=20°，α3=35°，α4=35°，α5=35°，R1=385mm，R2=345mm。

1.弧板 2．角钢 3．定挡齿

图5 弧板尺寸

3.2 复摘滚筒设计

复摘滚筒的作用是安装固定弹指，弹指复摘辣椒，并输送果实到清选部分。辣椒复摘装置关键部件为弹指滚筒，结构如图6所示。其主要由两端轴、弹指(见图7)及滚筒组成。

1.两端轴 2.弹指 3．.滚筒

图7 滚筒弹指尺寸

弹指主要尺寸L1=70、L2=130、L3=20，综合考虑滚筒中心距离地面高度、辣椒植株平均高度及平均结椒高度而确定，确保从结椒位置采摘辣椒。弹指末端成一定弧度，取β=165°，便于抓取植株上的辣椒及后续抛送辣椒。

3.3 滚筒弹指与物料作用力分析

3.3.1 对物料运动的简化假设

1)喂入的物料(受力系统)看作单株物料，称作物料系统。

2)物料系统所承受的推动力主要是滚筒弹指的冲击。物料在喂入的瞬间与其他元件无关，视作无约束系统。对于互相缠绕在一起并且受定挡齿限制了碰撞速度和方向的物料称为受约束系统。

3)物料在受冲击后作减速运动，其切向速度小于滚筒弹指，所以一缕物料会受到多次的冲击，其平均冲击周期，靠近滚筒的内层时间短，外层的时间比内层长。物料在滚筒内随机地完成分离过程。

3.3.2 无约束的冲击碰撞分析

物料无约束碰撞的主要形式是斜碰撞，图8中碰撞瞬时接触点为o，y为滚筒弹指运动的瞬时切向，z为滚筒的轴向。假设碰撞速度为滚筒元件与作物的速度差ν。设滚筒弹指固定，作物相对滚筒弹指运动，且令入射角为φ，反射角为φ；碰撞后作物的速度为u，与ν在同一平面内，则物料速度的切向分量y'和轴向分量z'为

当物料含水率高时，恢复系数为0，出现塑性碰撞,即物料勾挂在滚筒弹指上。

3.3.3 受约束的冲击碰撞分析

作物受约束系统的碰撞运动的特殊情况如图9所示。假定有3株作物AB、BC和CD ,简化为等长均质杆,质量均为m,相互牵连状态在瞬时视为光滑绞相连。若在滚筒弹指同一线内时，物料AB的A点受到一弹指的冲击，冲量为P，其方向与AB垂直，p、q、r、s分别为A、B、C、D处的速度，均垂直于杆系。根据离散分析动力学知，均匀直钢杆的动能W可表示为两端速度的函数，即

图8 物料与滚筒弹指斜碰撞

图9 受约束物料

应用冲击运动的高斯最小约束原理,得

计算表明：直接受碰撞物料缠绕的物料在碰撞发生后速度也发生改变，但其值和直接受碰撞物料相比要小得多，且方向并不全与冲量相同，其距离冲击点越远速度越低。

3.4 物料受循环冲击碰撞分析

当物料的含水率过高时，此时受到冲击后恢复系数为0，容易挂在滚筒弹指上，物料受到循环冲击。设物料承受冲击的平均周期为T，即t=T时，物料承受冲击，而在两次冲击之间，物料做减速运动。其微分方程：

当t=(i-1)T时，有

当(i-1)·T

μK1—物料之间的动摩擦因数；

μK2—物料与弧板之间的动摩擦因数；

μK3—物料与定挡齿的动摩擦因数；

R—滚筒弹指半径；

V—弹指的线速度。

4 滚筒弹指的有限元分析

滚筒弹指作为复摘分离装置中的主要零件，在设计时考虑与物料进行碰撞时容易导致其产生或者断裂，其承受外力冲击后的变形是设计过程中的重点。零件的受力情况可以用借助SolidWorks选择应力分析进行仿真分析。

滚筒弹指材料选择冷拔钢筋，相关参数为泊松比0.29NA，抗剪模量8×1010N/m2，密度7.85×103kg/m3，如表1所示。

辣椒茎秆断裂时所需的力最大值为97.6N，即滚筒弹指所受到的反作用力大小，滚筒受力如图10所示。

仿真分析得弹指的应力(见图11)及位移图(见图12)。从图11可以看出：滚筒弹指与物料碰撞后最大应力出现在弹指与滚筒相接处，即弹指根部，最大值为2.5×108N/m2小于冷拔钢筋的抗剪模量，理论上根部不会发生断裂。如果使用小于2.5×108N/m2材料时，弹指会从根部发生断裂。对图12进行分析，得到弹指受碰撞后最大变形量发生在与物料接触的弹指前端，最大值为5.79mm。弹指受到外力时可看做悬臂梁的受力分析，为了提高弹指的安全系数，在不改变其质量前提下，对其弹指前方的弯曲角度进行调整，由原来的165°调整为160°。