玉米茎秆扶直包扎装置设计与试验

2024-01-11韩飞坡卢旭珍

农机化研究 2024年2期

韩飞坡,朱全,黄鲁,陈华,卢旭珍,邵帅

(1.马鞍山学院智造工程学院,安徽马鞍山 243100;2.安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山 243100)

0 引言

玉米作为我国三大主粮之一,对国民经济发展和国家粮食安全极其重要[1]。近年来,随着我国农业机械化水平的不断进步,玉米收获机械化也在不断蓬勃发展,玉米种植面积逐年攀升。受大风、暴雨等外界因素的影响,玉米在种植过程中常常会出现大面积倒伏,不仅对玉米的光合作用、产量、品质造成巨大的负面影响,同时也给机械化收获带来严重阻碍[2]。2017年公布的《主要农作物品种审定标准》[3]中要求:普通玉米每年区域试验及生产试验中倒伏倒折率之和≤8.0%,且倒伏倒折率之和≥10.0%的试验点比例≤20%;适宜机械化收获的普通玉米,每年区域试验及生产试验倒伏倒折率之和≤5.0%的试验点占全部试验点比例≥90%。

研究玉米抗倒伏机理,对实现玉米高产稳产和机械化收获乃至农业现代化发展具有十分重要的意义。为此,很多学者从玉米的形态特征、茎秆化学成分、茎秆组织结构、茎秆力学特性、种植密度、水肥管理调控栽培措施、病害虫害及茎秆抗倒特性的遗传等多方面对玉米植株的抗倒伏性能进行了研究[4-12],也有学者针对倒伏后的玉米机械收获进行了相关玉米收获设备的改进,减少了玉米收获损失[13-14]。除此之外,对于倒伏在地的玉米农田,部分学者建议种植户根据实际情况采取“一扶、二疏、三补、四防”的补救措施和“倒伏玉米见好就收,未倒伏玉米尽量推迟收获”的应对策略,尽量降低玉米产量的损失[15]。以上研究对国内玉米生产方式起到了指导性作用,而关于倒伏后玉米植株的相关扶救农具鲜有报道。为此,针对玉米茎秆倒伏设计了一套玉米茎秆扶直包扎装置,力求使玉米植株经扶直包扎后能够较好地直立生长,降低倒伏对玉米产量、品质等的影响。

1 玉米茎秆扶直包扎装置设计

1.1 扶直包扎对象物理模型建立

玉米倒伏一般分为根倒、茎倒和茎折3种类型[16]。对于根倒、茎倒情况,可以将玉米茎秆扶直后加固根部土壤,减轻对玉米生长的损伤;对于茎折情况,扶直玉米茎秆后还需要对折伤处包扎紧固,茎折相对于根倒、茎倒对玉米生长伤害更大,且没有较好的补救措施,故选择茎折后玉米茎秆作为扶直包扎对象。

玉米大多进入吐丝灌浆期之后发生茎折,且以穗下基部节间的茎折为主,大概率茎折发生在第3节间[5,17-19]。玉米株高因品种和栽培条件差异,一般矮秆株高只有0.5～0.8m,高秆有3～4m,茎秆为14～25节[20]。为了保证设计的扶直包扎装置与真实茎秆具有较高的一致性,需对其物理结构尺寸进行测量统计分析。因此,以河北邯郸某试验田郑单958品种吐丝灌浆期玉米植株为研究对象,对扶直包扎对象主要物理特性进行了研究,包括玉米茎秆株高、第3节茎秆直径、茎秆质量(去除根部)等。其中,玉米茎秆横截面可以近似为椭圆形,通过测量长短轴径计算平均直径,即

(1)

其中,D1为测量长轴直径值;D2为测量短轴直径;d为茎秆直径平均值。

选取20株未受虫害侵袭的吐丝灌浆期新鲜完整茎秆,擦洗干净,测量玉米植株株高、茎秆直径d(第3节)、第3节节中高度(距地面)、穗高等。玉米形态特征示意图如图1所示,测量结果如表1所示。

表1 玉米样品主要特征测量平均值Table 1 Average value of main characteristics of Maize samples

注:H1为第3节节中高度(mm);H2为穗高(mm);H为玉米植株株高(mm)。图1 玉米形态特征Fig.1 Morphological characteristics of Maize

1.2 扶直包扎装置结构设计

扶直包扎装置主要由扶直装置和包扎装置两部分组成,如图2和图3所示。

1.抓手 2.电动推杆图2 扶直装置组成Fig.2 Composition of straightening device

扶直装置由电动推杆与抓手组成。电动推杆与抓手通过螺栓连接,启动电源电动推杆会将抓手伸出一定距离,抓套玉米植株后可利用电动推杆将抓手缩回一定距离,完成玉米植株的扶直工作。

包扎装置是利用平行四边形机构的原理,使连接处的4个支链可以进行伸长和缩短,从而实现装置的展开与闭合。图3(a)、(b)分别为包扎装置展开、闭合时结构示意图。包扎装置主要由主板、次板、连杆、夹口组成,主板分上下两层,其间由两个支撑柱连接,还预留有与连杆铰接的若干铰接柱;主板与次板通过铰接柱铰接,连杆之间通过夹口铰接。

1.3 工作原理

利用扶直装置将玉米茎秆扶直后,左手拇指与中指/食指固定包扎装置端部主板,同时左手协助左臂匡扶玉米茎秆,右手绕玉米茎秆转动其他主板、次板,通过包扎装置末端连杆与主板铰接扣合,完成对玉米茎秆的包扎工作。包扎时,注意夹口应与玉米茎秆贴合。

1.4 包扎装置模块及自由度确定

包扎装置在对玉米茎秆包扎过程中,空间结构均在与玉米茎秆垂直平面内运动。为进一步对该结构进行研究,可将结构向与玉米茎秆垂直平面投影。平面机构简图如图4所示。

图4 包扎装置展开闭合示意图Fig.4 Schematic diagram of opening and closing of binding device

图4中,实线表示包扎装置闭合状态,虚线为展开状态。

为了设计出结构合理的包扎装置及尺寸参数,将其分为固定模块和N个活动模块,每个模块由1个板、2个连杆组成。图4中,板A1A2A3A4、杆A3A5、杆A5B4为一组固定模块,板A2B2B3B4、杆B3B5杆B5C4为第1个活动模块,板B2C2C3C4、杆C3C5、杆C5D4为第2个活动模块。当机构中的可展模块数继续增加时,以此类推。

图4中,1个固定模块共有3个构件,即板A1A2A3A4、杆A3A5、杆A5B4,铰链总数为2。根据平面机构自由度计算公式,则

F=3n-2PL-PH

(2)

此时,包扎装置机构的自由度为

F=3×2-2×2=2

(3)

当包扎装置机构有2个模块(1个固定模块、1个活动模块)时,机构自由度为

F=3×5-2×6=3

(4)

当机构模块数扩展为N时,活动构件总数为3N-1,总铰链数为4(N-1)+2,则机构自由度为

F=3(3N-1)-2[(4(N-1)+2)]=N+1

(5)

由以上分析可知:当包扎装置模块数发生改变时,机构整体自由度随模块数增加而变大。这说明,当包扎装置包扎玉米茎秆时,为了使得包扎装置能够按照预定轨迹绕玉米茎秆包扎,需要双手提供更多的原始动力触发点。

包扎装置(模块数1～6)机构自由度如表2所示。

表2 1～6模块包扎装置自由度Table 2 Freedom of binding device for Module 1～6

为使包扎器能够稳固夹持玉米茎秆,至少需要3个模块,如图5所示。随着模块增多,与玉米茎秆夹持点也增多。

图5 不同模块包扎装置闭合示意图Fig.5 Closing diagram of binding devices of different modules

人手是人臂前端的一部分,由拇指、食指、中指、无名指、小指和手掌组成。人手可以借助手指的功能,来实现各类灵活多变的动作和对物体的抓取[21]。在操作包扎装置时,手指能够提供一定的原始动力,调整包扎装置各模块位置,包扎装置模块越多,需要调整位姿的模块数量也越多,不便于用户手工操作;同时,考虑到玉米茎秆截面近似椭圆,三模块夹持点可能会有夹空现象,因此确定包扎器模块数为4。经多次试验,包扎时固定模块由左手拇指与中指/食指手持固定,右手对其余模块调整位姿,进行包扎闭合操作较为便捷。期间共需要提供5处原始动力触发点,用于对包扎装置的姿态调整。

1.5 扶直包扎装置主要尺寸参数确定

1)扶直装置主要尺寸参数的确定。图6为人体操作扶直装置将玉米植株扶直工作过程。根据《中国成年人人体尺寸》,18～60岁男、女上臂平均长度为524mm[22],扶直时人体到玉米植株距离H3不应超过上臂长度524mm,且不超过玉米种植行距和株距。玉米植株扶直过程中,玉米雌穗对玉米植株作用力较大,扶直装置抓套玉米植株时应该在玉米雌穗附近处抓套。同时,人体操作扶直器为站姿操作,考虑操作舒适性,玉米植株扶直过程中人体上臂与人体冠状面大致成45°角,算出扶直装置行程约1000mm,玉米植株除去根部质量大约为3kg,扶直装置拉力应大于43N。综上所述,确定扶直器主要参数:行程1000mm,拉力45N。

注:H3为人体冠状面到玉米植株距离(mm)。图6 扶直装置工作示意图Fig.6 Working diagram of straightening device

2)包扎装置主要尺寸参数的确定。图4中,∠A1A2A3=45°。包扎装置由展开状态转化为闭合状态过程中,lA3A5=lA5B4,在包扎装置闭合时应保持杆A3A4与茎秆边缘相切或者相离。取茎秆直径20mm,为保证夹持点能够夹持到玉米茎秆,lA3A5应满足的条件为

(6)

包扎装置展开状态时,在ΔA2A3A5中,有

(7)

(8)

为保证包扎器具有较好的刚度和强度,取lA1A2=50,lA3A5=15,lA2A3=21.21,包扎装置主要尺寸取整如表3所示。

表3 包扎装置主要尺寸参数Table 3 Working diagram of straightening device main dimensional parameters of binding device

2 试验

为了检验扶直包扎装置的使用性能,采购了电动推杆,并配备抓手作为扶直装置,搭建了包扎装置,如图7所示。

图7 包扎装置实物模型Fig.7 Physical model of binding device

选定河北邯郸某一农户种植田地进行扶直包扎试验,试验对象选取郑单958品种吐丝灌浆期第3节间倒折玉米植株,试验区玉米行距390mm,株距180mm。将具有多年农耕经验玉米种植户分成两组,每组10人。其中,一组为徒手扶直,利用木条与塑料捆扎绳等对玉米茎秆扶直包扎,为传统组;另一组手持扶直包扎装置对玉米茎秆扶直包扎,为装置组。规定扶植包扎时间为10min,两组分别沿着田间玉米行进行扶植包扎,记录每分钟内每组玉米茎秆扶直包扎数目。两组扶直包扎数目对比如表4所示。

表4 玉米茎秆扶直包扎数目对比Table 4 Comparison of the number of corn stalk straightening and binding 株

扶直包扎试验结果表明:在规定的时间内,传统组玉米茎秆扶直包扎的总数目为167株,平均每分钟可扶直包扎16.7株;装置组玉米茎秆扶直包扎的总数目为607株,平均每分钟可扶直包扎60.7株。可以看出,装置组效率明显高于传统组。

通过图8所示的玉米茎秆扶直包扎数目对比可以发现:传统组扶直包扎效率低下,随着时间推移,扶直包扎数目逐渐较少。分析原因可能是:扶直包扎工作需要扶直、包扎两道工序完成,在没有专用装备辅助下,一个人单独完成较为困难,在试验中往往是两个人协作完成,扶直玉米茎秆时需要频繁的弯腰、俯身,该过程中玉米叶片对人体胳膊、面部皮肤会造成一定的拉伤,包扎时需要兼顾固定木条与塑料捆扎绳的操作,恶劣的作业环境和复杂的操作增加了扶直包扎时间及体力消耗。装备组扶直包扎效率约是传统组的3.6倍,扶直包扎数量明显多于传统组,随着时间进一步增加,装备组扶直包扎效率趋于稳定。原因为:初步操作对扶直包扎装备使用不熟练,前期效率有所波动,后期逐渐熟练,效率趋于稳定;操作过程中不需弯腰扶直玉米茎秆,包扎装置可直接对玉米茎秆进行包扎是高效率的主要原因。