基于碰撞特性的鲜食玉米摘穗装置对比试验

张红梅, 陈博, 胡经营, 李志杰, 何勋, 王万章

(河南农业大学机电工程学院,河南 郑州 450002)

摘穗部件是玉米装置中的核心部件之一。由于鲜食玉米收获于乳熟期,该期间含水量较高,大多通过粮食玉米机械进行收获,容易对高含水率玉米果穗造成较大损伤。因为粮食玉米收获时籽粒含水率较低且有一定强度,不易受到损伤。但是对于高含水率的鲜食玉米果穗[1],其籽粒所受强度低[2-5],受到大的正向拉伸摘穗力时,极易造成果穗底部啃伤和籽粒破损[6-10],严重影响鲜食玉米的质量以及后续的储存、加工和销售[11-13]。

李心平等[14-15]对玉米果穗进行了冲击试验,并分析了含水率、果穗受冲击部位及冲击方向对玉米籽粒破损率的影响,得出了当含水率超过16%时,以垂直下落施加力时,玉米果穗所受到的破碎位置分别为上、中、下部。李心平等[16]还对玉米果穗进行了抗压力和破碎方面的测试,得出果穗的抗压受玉米芯的含水率影响,抗压随着玉米芯含水率的升高而上升,特别是高于25%后玉米果穗的抗压明显减弱;受压时玉米果穗由内向外逐步破裂,先是芯髓,再是外围体。除此之外,其他学者对其他作物的抗压特性进行了深入研究,分别分析了变化规律和压缩破坏特征,也为机构对果穗作用力的大小等参数设计提供参考[17-20]。

付乾坤等[21-22]分析了玉米果穗和摘穗部件的碰撞过程,发现碰撞参数和结构体影响所接触的时间,设计了具有缓冲装置的刚柔耦合玉米摘穗割台,同时对刚柔耦合的装置进行了不同材料的试验研究,为玉米割台的优化提供了思路。贺俊林等[23]为探究玉米损伤的原因,对辊式装置进行了全方面试验研究,发现了影响玉米损伤的主因分别为摘穗高度和拉茎结构。耿爱军等[24]针对辊式玉米收获机籽粒损伤高的问题,建立了果穗数学受力模型,发现摘穗的摩擦力和加速度是影响籽粒损伤的主要因素。陈美舟等[25]利用高速摄像技术对玉米摘穗过程进行分析,得出造成果穗二次损伤的主要原因为果穗在摘穗辊上的“弹跳”现象。

综上所述,虽然许多学者已经对玉米果穗的碰撞进行了各种试验分析,但是针对柔性表面的摘穗机构却鲜有研究,特别是对柔性橡胶、柔性发泡材料表面的试验研究。所以,本研究为探究缓冲弹簧和柔性触穗表面两种摘穗机构要素在摘穗过程中的低损作用及机制,进行了不同表面摘穗机构的试验研究,本研究为鲜食玉米低损收获装备的研制提供理论依据和设计参考。

1 碰撞过程分析

摘穗装置与鲜食玉米果穗碰撞会发生冲击力的现象,假定外部力的冲击量不变,则碰撞时间Δt的长短会严重影响冲击力峰值。延长碰撞时间,可以使碰撞冲击力明显降低,从而减小籽粒破损率。将鲜食玉米果穗看作质点,其碰撞过程符合冲量-动量定理:

(1)

式中:I为玉米果穗受到的冲量,N·s;m为玉米果穗质量,kg;a为加速度,m·s-2;t为时间,s。

由式(1)可知,鲜食玉米果穗在摘穗过程中受到的冲量除了与自身的重量有关外,还深受碰撞时间和碰撞加速度的影响。

记y为鲜食玉米果穗中部在竖直方向的坐标,则此单自由度系统的运动方程为:

(2)

在欠阻尼的情况下,式(2)的解为:

y=Ae-λωitsinωst

(3)

式中,

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:λ为黏性阻尼比,λ<1;A为振幅,mm;ωs为有阻尼固有频率,Hz;ωi为无阻尼固有频率,Hz。

在初速度为0的情况下,碰撞时间由式(8)的最小正根确定:

(8)

可得碰撞时间为:

(9)

式中:

(10)

式中:λ为黏性阻尼比,λ<1;ωi为无阻尼固有频率,Hz;k为摘穗机构刚度,N·m-1。

由式(9)和式(10)可知,碰撞时间与摘穗机构的无阻尼固有频率、黏性阻尼比有关,而这些固有参数取决于摘穗机构的结构和材料。

综上所述,通过改变摘穗机构的结构和接触材料,可以改变鲜食玉米果穗与摘穗机构的碰撞参数。而碰撞参数与收获时的籽粒破碎率息息相关,因此研究鲜食玉米果穗与不同摘穗机构、不同触穗表面的碰撞参数和籽粒破碎率的关系,探究不同摘穗机构、不同触穗表面对籽粒破碎的影响机制,可为低损伤鲜食玉米收获装备的研发提供参考。

2 试验设备与材料

对传统刚性摘穗机构、柔性摘穗机构进行鲜食玉米收获机作业速度下的玉米果穗碰撞试验,采集并分析碰撞加速度峰值、碰撞时间和碰撞冲量等参数。刚性摘穗机构采用粮食玉米收获常用的板式摘穗机构,柔性摘穗机构则选择本研究设计的由缓冲弹簧和柔性触穗表面组合的柔性摘穗机构,刚性触穗表面选择Q235钢,柔性触穗表面选用真空橡胶板和EPDM发泡材料。

2.1 碰撞试验台

碰撞试验台架包括落料装置、支撑杆、摘穗机构和支撑底座,如图1所示。落料装置可将鲜食玉米果穗固定在试验需要高度,释放后的鲜食玉米果穗加速下落,当达到与鲜食玉米收获机作业相同的碰撞速度时,然后和固定在落料装置下方的摘穗机构产生碰撞。

图1 碰撞试验台架

2.2 摘穗机构设计

摘穗机构为传统的板式摘穗机构和柔性摘穗机构两种方式,每种摘穗结构可用3种材料,以刚性触穗表面、柔性橡胶触穗表面和柔性发泡材料触穗表面的板式摘穗机构和以刚性触穗表面、柔性橡胶触穗表面和柔性发泡材料触穗表面的柔性摘穗机构的共6种摘穗形式,如图2所示。

(a)刚性板式摘穗机构;(b)柔性橡胶板式摘穗机构;(c)柔性发泡材料板式摘穗机构;(d)刚性表面的柔性摘穗机构;(e)刚性表面的柔性橡胶摘穗机构;(f)刚性表面的柔性发泡材料摘穗机构。

根据查阅文献[21-22],刚性表面的板式摘穗机构以传统粮食玉米板式收获机摘穗装置进行设计,如图2(a)所示。刚性摘穗板材料为Q235,屈服强度235 MPa,抗拉强度375 MPa,断裂伸长率26%,厚度4 mm,摘穗板间隙20 mm,因试验过程中设定鲜食玉米果穗的下落方式为一定高度自由落下,为满足试验要求,设置两侧摘穗板的长度和宽度分别为150 mm和120 mm。刚性触穗表面柔性摘穗机构的摘穗板材料为Q235,厚度4 mm,通过物料特性测定、理论计算及优化试验后确定摘穗板的相关几何尺寸,摘穗板的长度为150 mm,宽度为40 mm,如图2(d)所示。

柔性橡胶板式摘穗机构是在刚性板式摘穗机构的基础上添加柔性橡胶为触穗表面,如图2(b)所示。柔性橡胶表面厚度为4.5 mm,室温下硬度45 SHA,密度1.6 g·cm-3左右,拉伸强度6 MPa,断裂伸长率300%,橡胶张紧后贴在刚性摘穗板上。刚性表面的柔性橡胶摘穗机构是在刚性表面基础上添加橡胶,如图2 (e)所示,橡胶参数同上。

柔性发泡材料板式摘穗机构是在刚性板式摘穗机构的基础上添加柔性发泡材料为触穗表面,如图2(c)所示。表面的柔性发泡材料为EPDM,柔性发泡材料表面厚度为4.5 mm,室温下硬度35 SHA,密度0.87 g·cm-3左右,拉伸强度15 MPa,断裂伸长率400%,发泡材料张紧后贴在刚性摘穗板上。刚性表面的柔性发泡材料摘穗机构是在刚性表面的基础上添加了发泡材料,如图2(f)所示,发泡材料的参数同上。

柔性摘穗机构由摘穗架、支撑板、支撑轴、上下摘穗板、摘穗板支撑轴、缓冲弹簧等组成。该装置的作用原理是杠杆,各部分通过左、右支撑板连接在一起:摘穗板与摘穗板支撑轴位于支撑板前端,摘穗板在缓冲弹簧的作用下保持与鲜食玉米果穗的接触面积最大;支撑轴位于支撑板中部,支撑板在轴承的作用下可绕支撑轴转动;缓冲弹簧安装在支撑板后部,下端固定在摘穗架上,以最小摘穗力作为缓冲弹簧的设计依据,计算得出缓冲弹簧丝粗为4 mm,中径为32 mm,高度为104.5 mm。在摘穗架上,焊接有限位块来控制摘穗板运动范围[26]。

2.3 数据采集系统

碰撞数据采集系统包含多通道数据采集卡、恒流适配器、计算机和压电式加速度传感器,如图3所示,满足了摘穗机构与鲜食玉米果穗碰撞时产生的加速度的采集与存储。

图3 碰撞数据采集设备

碰撞数据由多通道数据采集系统进行采集,该模块有8通道,最高采样率为100 kS·s-1。采用压电式加速度传感器,其灵敏度为9.91 mV·g-1,响应频率范围(±10%)为1～10 000 Hz,测量峰值范围为±500 g。由于加速度传感器不能直接与鲜食玉米果穗相连,所以在鲜食玉米果穗上加装了一个不锈钢圆箍,然后通过螺栓将加速度传感器与鲜食玉米果穗连接在一起,保证与鲜食玉米尾端(直径大的一端)的距离为40 mm,如图4所示,另一个加速度传感器直接磁吸在摘穗机构的工作部件上。

图4 加速度传感器固定方式

2.4 试验材料

试验所用材料为万糯2018鲜食玉米果穗,于2022年6月2日手工采自河南省新乡市鲜食玉米种植基地。试验选用大小基本一致生长状况良好的鲜食玉米果穗,平均长度为235 mm,果穗最大处平均直径为55 mm,玉米籽粒含水率为60%。由于鲜食玉米摘穗机构作用于鲜食玉米果穗的中下部,并不与玉米须集中分布的鲜食玉米果穗上部接触,未避免玉米须影响玉米果穗在碰撞中的受力,故在试验前去除玉米须,以避免跌落碰撞时影响果穗受力。此外,测量前为了避免鲜食玉米果穗的质量不同对碰撞参数造成影响,将鲜食玉米果穗顶部果穗去除一部分,保证每个玉米果穗的质量均为(420±0.1)g。鲜食玉米果穗上加装的圆箍质量和传感器质量也要计算在内,其中传感器的质量为8.2 g,圆箍的质量为6.8 g。处理后的试验材料如图5所示。

图5 鲜食玉米果穗试样

3 试验方法与结果

3.1 试验方法

3.1.1 碰撞参数确定 摘穗时,柔性摘穗爪在链轮的带动下,从上往下运动作用于鲜食玉米果穗表面,在摘穗区间保持近似直线运动,故在鲜食玉米果穗和摘穗板发生碰撞时,产生的速度约等于链轮转动的线速度,速度计算公式为:

(11)

式中:v碰为鲜食玉米的果穗碰撞时的速度,m·s-1;n1为主动链轮转速,r·min-1;z1为主动链轮齿数;p为主动链轮节距,mm。

经计算,鲜食玉米果穗与摘穗板碰撞时链轮的线速度为2 m·s-1。把鲜食玉米果穗自由落体运动的碰撞速度作为试验速度,据此可以得到果穗的下落高度,其计算公式为:

(12)

式中:g为重力加速度,取9.8 m·s-2。

经计算,本试验中鲜食玉米果穗下落高度约为204 mm。

3.1.2 碰撞参数采集方法 在实际收获时,对于单个鲜食玉米果穗来说,其只与单个摘穗部件发生碰撞。因此,对摘穗机构的数量和位置进行调整,使试验的鲜食玉米果穗仅与其发生碰撞,调整后的摘穗机构碰撞试验装置如图6所示。

试验时,将鲜食玉米果穗竖直夹持在落料板上,开始试验时将玉米果穗两侧的落料板快速抽掉,鲜食玉米果穗和传感器一起加速下落,到达摘穗装置位置时发生碰撞。加速度传感器负责采集信号,并通过数据采集模块输送到计算机。当玉米果穗下落到摘穗装置出现图形数据后,将原始数据进行手动滤波处理后,绘制碰撞加速度曲线,将加速度积分后乘以鲜食玉米果穗质量,即可得到摘穗机构对鲜食玉米果穗的碰撞冲量。

1.加速度传感器Ⅰ;2.落料装置;3.鲜食玉米试样;4.加速度传感器Ⅱ;5.摘穗机构;6.恒流适配器;7.多通道数据采集卡;8.计算机。

3.2 试验结果与分析

通过碰撞力的加速度曲线,可以对鲜食玉米果穗与摘穗机构发生碰撞时,鲜食玉米果穗和摘穗机构的受力情况进行分析。鲜食玉米果穗与不同摘穗装置、同一摘穗装置不同触穗表面的碰撞加速度曲线呈现出较大的差异性。

3.2.1 鲜食玉米果穗与刚性摘穗机构碰撞曲线 鲜食玉米果穗与刚性摘穗机构碰撞加速度曲线如图7所示。由图7可知,刚性表面对鲜食玉米果穗的加速度值变化最大,说明鲜食玉米果穗受到的冲击较大,容易造成籽粒破损。加速度从0到峰值再降至0所消耗的时间较短,说明碰撞是在较短时间内完成的,碰撞时间的缩短,加剧了鲜食玉米果穗的破损。图7中,相比较于刚性表面,柔性橡胶表面的峰值明显降低且碰撞时间也被延长,显示的曲线也比较平缓。柔性发泡材料表面的加速度峰值更低,碰撞时间更长,曲线也更加平缓。

图7 鲜食玉米果穗与刚性摘穗机构碰撞加速度曲线

3.2.2 鲜食玉米果穗与柔性摘穗机构碰撞曲线 鲜食玉米果穗与柔性摘穗机构的碰撞加速度曲线如图8所示。由图7和图8对比得出,鲜食玉米果穗在柔性摘穗机构上的加速度峰值略低于板式摘穗机构,但加速度峰值上升和下降的时间被明显缩短。在加速度降到0后,曲线有明显波动,表明鲜食玉米果穗在柔性摘穗结构的作用下产生了较大的反向加速度。鲜食玉米果穗与柔性橡胶表面摘穗机构的碰撞加速度峰值远低于刚性表面柔性摘穗机构,碰撞时间也在柔性材料橡胶的作用下被延长。在加速度降至0以后,仍出现了较为明显的波动,说明鲜食玉米果穗仍受到一定的反方向的速度。鲜食玉米果穗与柔性发泡材料表面的碰撞加速度峰值更是明显降低,碰撞时间也被大大加长。在加速度降至0以后,曲线同样存在波动,但鲜食玉米果穗受到的反向加速度较小。

图8 鲜食玉米果穗与柔性摘穗机构碰撞加速度曲线

3.2.3 摘穗机构加速度曲线 板式摘穗机构的碰撞加速度曲线如图9所示。由图9可知,对于板式摘穗机构来说,柔性触穗表面的加速度峰值低于刚性触穗表面的加速度峰值,说明柔性材料可以吸收部分的碰撞冲击力,实现碰撞的缓冲。且柔性触穗表面的振动周期比刚性触穗表面的振动周期长,则柔性触穗表面的振动频率比刚性触穗表面的振动频率低。

图9 板式摘穗机构碰撞加速度曲线

柔性摘穗机构的碰撞加速度曲线如图10所示。由图10可知,对于柔性摘穗机构来说,刚性表面的加速度峰值明显高于两种柔性表面的峰值,说明柔性材料相对于刚性材料确实可以降低冲击力。而对比两种柔性表面,柔性发泡材料与鲜食玉米果穗的碰撞加速度相对于柔性橡胶的峰值更小,且周期更长,说明柔性发泡材料降低冲击力的效果更明显。此外,不同触穗表面的柔性摘穗机构均在碰撞激励下产生频率较高的阻尼,可以明显减少碰撞时间。

图10 柔性摘穗机构碰撞加速度曲线

3.2.4 鲜食玉米果穗碰撞参数对比 (a)碰撞时间 鲜食玉米果穗与六种摘穗机构的平均碰撞时间分别为2.13、3.81、3.95、0.72、1.14、1.18 ms。从不同触穗表面材料来说,对于板式摘穗机构,鲜食玉米果穗与柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面的碰撞时间比刚性触穗表面分别增加了78.9%和85.6%。对于柔性摘穗机构,鲜食玉米果穗与柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面的碰撞时间比刚性触穗表面分别增加了58.7%和63.2%。从不同摘穗机构来说,鲜食玉米果穗有刚性、柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面柔性摘穗机构的碰撞时间分别比对应表面材料的板式摘穗机构降低了66.2%、70.1%和70.1%。

(b)加速度峰值 鲜食玉米果穗与6种摘穗机构的平均碰撞加速度峰值分别为1 645.5、873.8、809.6、1 492.7、559.8、467.2 m·s-2。从不同触穗表面材料来说,对于板式摘穗机构,鲜食玉米果穗与柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面碰撞的加速度峰值,分别比刚性触穗表面降低了46.9%和50.8%。对于柔性摘穗机构,鲜食玉米果穗与柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面碰撞的加速度峰值,分别比刚性触穗表面降低了62.5%和68.7%。从不同摘穗机构来说,当触穗表面材料相同时,柔性摘穗机构并不能比板式摘穗机构更加有效地降低摘穗冲击力。

(c)碰撞冲量 鲜食玉米果穗与6种摘穗机构的碰撞冲量分别为1.02、0.86、0.74、0.33、0.19、0.15 kg·m·s-1。从不同触穗表面材料来说,对于板式摘穗机构,鲜食玉米果穗与柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面的碰撞冲量,分别比刚性触穗表面降低了15.7%和27.5%。对于柔性摘穗机构,鲜食玉米果穗与柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面的碰撞冲量,分别比刚性触穗表面降低了42.4%和54.5%。从不同摘穗机构来说,鲜食玉米果穗与刚性、柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面柔性摘穗机构的碰撞冲量,相较于对应触穗表面板式摘穗机构,分别降低了67.6%、77.9%和79.7%。可知,柔性摘穗机构(缓冲弹簧和柔性触穗表面组合)可降低鲜食玉米果穗在摘穗机构上的碰撞冲量。

(d)籽粒破损率 鲜食玉米果穗与6种摘穗机构碰撞的籽粒破碎率分别为1.32%、0.78%、0.73%、0.38%、0.2%、0.12%。从不同触穗表面材料来说,对于板式摘穗机构,鲜食玉米果穗与柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面的籽粒破碎率,分别比刚性触穗表面降低了40.9%和44.7%。对于柔性摘穗机构,鲜食玉米果穗与柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面的籽粒破碎率,分别比刚性触穗表面降低了47.4%和68.4%。从不同摘穗机构来说,鲜食玉米果穗与刚性、柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面柔性摘穗机构的籽粒破碎率,相较于对应触穗表面板式摘穗机构,分别降低了71.2%、51.3%和83.6%。

3.3 试验结果讨论

通过以上碰撞试验结果可以得到:从不同触穗表面材料来说,柔性触穗表面如柔性橡胶、柔性发泡材料等可以使摘穗装置的表面变为柔性接触,增加阻尼系数,降低碰撞系统的固有频率,因为机构的固有频率与碰撞时间息息相关,固有频率越高,碰撞时间越短。从上述试验结果显示,鲜食玉米果穗与刚性、柔性橡胶、柔性发泡材料柔性摘穗机构的碰撞时间分别比对应表面材料的板式摘穗机构降低了66.2%、70.1%和70.1%,表明本研究所设计的柔性摘穗机构能够明显降低碰撞时间,即相对于板式摘穗机构来说,柔性摘穗结构机构的固有频率被明显提高。故在碰撞冲量不变的前提下,可有效降低鲜食玉米果穗的碰撞加速度。各种摘穗机构碰撞过程中的加速度峰值大小与玉米籽粒破碎率的高低具有较强的相似性,说明鲜食玉米籽粒破碎率受摘穗过程中碰撞冲击力的影响较大。从不同摘穗机构来说,柔性摘穗机构受到鲜食玉米果穗碰撞时,缓冲弹簧被压缩并产生高频率振动,且振动周期远小于板式摘穗机构,大大缩短摘穗爪与鲜食玉米果穗的碰撞接触时间,由动量定理可知,碰撞接触时间缩短可使鲜食玉米果穗受到的碰撞冲量减小,从而降低鲜食玉米籽粒破碎率。

综上所述,相对于传统收获用刚性表面板式摘穗机构来说,具有缓冲弹簧和柔性触穗表面的柔性摘穗机构可以有效改变与鲜食玉米果穗的碰撞参数,可实现降低玉米籽粒破碎率的目的。

4 结论

(1)采用缓冲弹簧和柔性触穗表面组合的柔性摘穗机构,能够有效改变鲜食玉米果穗与摘穗机构的碰撞时间,柔性触穗表面可有效降低鲜食玉米果穗的碰撞加速度。柔性摘穗机构可产生高频率振动,缩短碰撞接触时间。两者组合可有效降低鲜食玉米果穗受到的碰撞冲量,从而降低收获时的鲜食玉米籽粒破碎率。

(2)从不同触穗表面材料来说,对于板式摘穗机构,鲜食玉米果穗与柔性橡胶、柔性发泡材料的碰撞时间比刚性表面分别延长了78.9%和85.6%。碰撞的加速度峰值,分别降低了46.9%和50.8%。碰撞冲量,分别降低了15.7%和27.5%。籽粒破碎率,分别降低了40.9%和44.7%。对于柔性摘穗机构,鲜食玉米果穗与柔性橡胶、柔性发泡材料的碰撞时间比刚性表面分别延长了58.7%和63.2%。碰撞的加速度峰值,分别降低了62.5%和68.7%。碰撞冲量,分别降低了42.4%和54.5%。籽粒破碎率,分别降低了47.4%和68.4%。

(3)从不同摘穗机构来说,当触穗表面材料相同时,柔性摘穗机构并不能比板式摘穗机构更有效地降低果穗冲击力。鲜食玉米果穗与刚性、柔性橡胶、柔性发泡材料触穗表面柔性摘穗机构的碰撞时间分别比对应表面材料的板式摘穗机构降低了66.2%、70.1%和70.1%。碰撞冲量分别降低了67.6%、77.9%和79.7%。籽粒破碎率分别降低了71.2%、51.3%和83.6%。