辣椒收获机弹齿式采摘台的设计与分析

辣椒收获机弹齿式采摘台的与 辣椒收获机弹齿式采摘台的设计与分析 2010年第6期新疆衣机化.开发研究? 辣椒收获机弹齿式采摘台的设计与分析 丁志欣1,2,杨宛章,靳范 (1.新疆农业大学机械交通学院,新疆鸟鲁术齐830052;2.新疆维吾尔自治区农牧业机械试验鉴定站,新疆乌鲁木齐 830054:3.新疆机械研究院股份有限公司,新疆鸟鲁水齐830013) 摘要:根据辣椒特征,设计了弹齿式采摘台,从原理上分析了利用弹齿收获辣椒的可行性,得出弹齿的运动方程, 弹齿齿尖的运动轨迹利用多个连续弹齿齿尖的运动轨迹得出了弹齿在滚筒上的排列规律,并给出了计算. 关键词:采摘台;辣椒;弹齿;设计;分析 中图分类号:$225文献标识码:A 文章编号:1007—7782(2010)06—0023—03 线辣椒作为新疆特色产业正日渐成为新疆红色 产业的重要组成部分,至2009年全疆线辣椒种植面 积已超过5万inn,鲜红辣椒产量达150万t以上. 目前,线辣椒普遍采用人T采摘,鲜辣椒的采收费用 已占到其售价的40%,并且劳动强度大,生产效率 低,严重制约了辣椒产业的发展?. 1采摘台的基本结构及工作原理 辣椒机械采摘主要工作部件是由采摘台实现 的.辣椒采摘台的类型较多,主要有螺旋杆式采摘 台,滚筒式采摘台和梳齿式采摘台.螺旋杆式和滚 筒式采用持续敲打,对辣椒伤害较大,本文设计 了一种弹齿式采摘台,采用从下向上挑的方法采摘 辣椒,辣椒的采净率达98%,可以满足农业生产的 需求_3--41.弹齿在滚筒上横向排成一排,形成一个采 摘梳齿,采摘梳齿沿滚筒径向排列形成弹齿式采摘 滚筒,再加上扶禾板,辣椒升运器等部件构成弹齿式 采摘台,具体结构如图1. 图1弹齿式采摘台的结构示意图 1扶禾板2扶禾辊3采摘滚筒4.弹齿5采摘台体6.辣椒升运器 自走式辣椒收获机采摘台主要由滚筒和弹齿构 成,弹齿固定在滚筒上,滚筒顺时9t'转动时,弹齿从 下往上挑过整棵辣椒,将辣椒和部分细小枝叶从植 收稿日期:2O1012-05 基金项目:科技部科技型中小企业技术创新基金"自走 式辣椒收获机中试及推』心用"(10C26216505514) 株上摘下,随着滚筒的旋转,摘下的辣椒和枝叶在弹 齿的带动下向后运动,最后被甩到后面的输送带上, 从而实现辣椒的采摘. 2弹齿的设计 弹齿采用不锈钢弹簧钢丝OCrl8Ni9环绕而 成,钢丝直径为6mm,端部有162.倾角,具有采摘, 抛送,防止采摘物脱落的特点,适宜于辣椒等作物的 采收;在采摘辣椒时,弹齿能够抓住辣椒防止其向前 滑落造成落地损失,角度太大宜造成辣椒滑落,角度 太/hN<J~,在经过输送带上方时不能被及时甩出,形成 落地损失或缠绕在弹齿上造成堵塞.弹齿结构如图 2.弹齿基体为奥氏体,与其它不锈钢相比,具有高的 耐蚀性,低温及高温下均有较高的塑性和韧性,及较 好的冷作成型性l5l. {0o 西 图2弹齿结构图 下面就弹齿的工作过程作一介绍: (1)上挑采摘辣椒过程.如图3,上挑采摘辣椒 的过程就是弹齿顺时针方向从a点运动到b点,把 辣椒和部分枝叶从辣椒植株上摘下的过程,同时将 摘下的物料加速至弹齿的运动速度.该过程直接影 响摘净率和辣椒的破损率,如果弹齿旋转速度过慢, 则割台的喂人量增加,容易造成割台的堵塞;如果弹 齿旋转速度过快,可能将辣椒打断或打伤造成破损. (2)携带旋转过程.如图3,携带旋转过程就是 弹齿携带辣椒从b点运动到c点的过程.该过程是 一 个输送过程,将辣椒的运动方向由向前运动转变 为向后下运动,为辣椒的抛送做准备.摘下辣椒在弹 齿的带动下做圆周运动,由于弹齿表面光滑,辣椒向 ? 开发研究?新疆农机化2010年第6期 a=(xy)L9)弹齿末端运动,由于弹齿末端具有一定的角度,再加 上辣椒和枝I1t-的缠绕作用延缓了辣椒的离心运动, 只要弹齿旋转速度足够快,摘下的辣椒就可jI顶利通 过携带过程而不会脱离弹齿. 图3弹齿采摘辣椒示惫图 1.辣椒植株2弹齿3.滚筒4.输送带 (3)抛送辣椒过程.如图3,抛送辣椒的过程即 弹齿从C点运动到d点的过程.该过程决定了摘下 的辣椒能否及时脱离弹齿,由于辣椒此时在做离心 运动,受离心力作用,再加上自身重力,辣椒的离心 力增加,此时辣椒的线速度越大越容易脱离弹齿.如 果弹齿运动速度过慢,辣椒初速度过低,则辣椒不能 脱离弹齿,当运动到滚筒最低端时脱落造成落地损 失,若仍缠绕在弹齿上,则造成堵塞,影响下一次采摘. 3弹齿的运动方程 滚筒以角速度?绕轴0转动,机具以v的速度 前进,弹齿的顶端M点在做圆周运动的同时还向前 做水平运动,如图4所示建立直角坐标系,则M点 的位移方程为: x=fR+L)cos+vt(1) x=(R+L)sin(2) =(ot(3) 式中,x为M点横坐标位移;y为M点纵坐标位移; R为滚筒直径,Ill;L为弹齿伸出滚筒外的径向距离, in;v为机具水平前进速度,m/s;t为时间,s;为弹 齿转动的角速度.对M点的位移方程求一阶,二阶 导数,得M点的速度和加速度的方程: x,-一~o(R+L)sm?+v(4) 式中,X为M点横坐标速度. y-_-?(R+L)c0s(5) 式中,y为M点纵坐标速度. Vm=(X%y1(6) 式中,为M点速度. x=一to2(/~+L)cos?(7) 式中,X为M点横坐标加速度. y,=一to2(R+L)sin?(8) 式中,Y,为M点纵坐标加速度. 24 图4弹齿平面结构简图图5M点的运动轨迹 4弹齿顶点的运动轨迹 根据公式(4),(5)绘制图4中M点的运动轨迹. 结果如图5所示.根据图5可以研究弹齿机构是否 具备连续摘辣椒的功能,滚筒一周上排齿量是多少. 滚筒轴心距弹齿顶尖的距离为400Ill.单辣椒的平 均自然高度为990.3mm,最低结椒高度平均值为 407.3mm.最低结椒高度为辣椒果柄与植株连接处 的高度,减去辣椒的平均长度199.5mill,弹齿顶尖 离地面的最小距离为207.8mm,弹齿顶尖距地面的 最高距离为l007.8film.辣椒的株距平均度为 115.7lll[1l,因此,单株辣椒上有辣椒的区域为115.7mrtk,< 782.5mm的矩形域如图6中abcd区域所示. !O0 —1006} l 翥一l 委m ==!..} H———————————一一,一一——————J j500100015007O.o M横坐际(nt) 图6弹齿顶点M1一M5的运动轨迹 从图6可看出,当弹齿M1离开abed区域 后,弹齿M2一M4依次经过abcd区域,弹齿M5扫过 当前植株的最低结椒高度后也离开abcd区域,因此 该区域的辣椒可以全部摘完,此时收获机器前进的 距离为1个平均株距S严1115.7mlil,假设收获机器 的前进速度不变,即v=1.5rids,则摘完1棵的辣椒 所用时间t=Sl/v,计算得,t=0.0771s.假设滚筒转速 为210r/min,则滚筒转过的角度=?f,此,滚筒l 周上所应有的弹齿数可按下式计算, N=nx[2w/O](1O) 式中,.7v为滚筒l周具有的弹齿数,个;n为摘完l 棵辣椒所有弹齿数,个;0为摘完1棵辣椒时滚筒转 过的角度,弧度. 将以上数据代人公式(10),经计算得,该机具滚 (下转第26页) ,/ ,厂,.__.一 一/.\一生一.,\\\1一 0 ? 开发研究?新疆农机化2010年第6期 2008年在芳草湖五场进行了采棉性能试验,图 2是第一次试验样机,主要测试采棉质量,效率和整 机通用性能.存在的问题有初次设计的机型较长, 主要考虑操作者可以不弯腰,通过试验发现机型长, 不灵活,重量大,消耗功率大;另外棉花输送速度慢, 输送过程中有堵塞情况;采棉专用袋不合适;噪音 大,轴承磨损快,易发热等缺陷. 针对试验结果,2009年对样机尺寸,内部零件 的大小进行了改进设计,改进后样机的主要技术参 数如下: 外形尺寸(长×宽×高,Illn1)350x50x200 电动机电压(V)12 功率(W)25 电动机转速(r/min)17000 采棉机重量(kg)0.95 附带电瓶重量(kg)2.5 链轮转速(r/rain)950 作业效率(kg/min)0.23,0.26 针对棉花堵塞的问题,选用微型高速电机;将排 棉口前移;电动机轴承由滑动轴承变为滚动轴承,解 决了快速磨损的问题;高速电机发热快,装一个风扇 加以冷却,如图3. 目前,该产品已在市场上少量使用,该机具有以 下特点:体积小,便携易带,操作方便,成本低;与人 工摘花相比效率高;采摘的棉花质量等级高于大型 机采棉;对分片作业的棉田更加适合;设备使用10h 所耗费的电量成本仅为0.2元,使用成本低. 叶图2改进前样机图3改进后样机 5存在的问题及改进思路 操作者在使用设备一段时间后感觉沉重,手累; 工作过程中噪音大,不利于长时间工作. 针对以上问题,提出改进思路.(1)对设备的结 构进行改造,使结构更加紧凑.(2)重新选用齿轮和 链齿的,达到降低重量和减少噪音的目的. 参考文献: [1]郭登芳,吴松明.北疆棉区采棉机引进使用的实践与思考 ?】.新疆农机化,2001,1:34,35. [2]安爱琴,宋长源,王宏强,聂永芳.基于Solidworks的液压泵 T作原理动态仿真[J】.煤矿机械,2007.12(12):89,92. [3】卫江红.基于SolidWorks的运动分析与仿真【J].机械:[程 与自动化.2008.1:67,69. —— 卜一—卜一+一—卜一—卜-+一—+_一—卜+一+一—?一一+-—+一一—+_一— +一+*—+_一—-卜一+-一一—+--+-—+-一—卜一—?+_-—?+一一—+-一—卜-+- —+-一—r一+-+一—卜一—一一+一—卜一—?卜-+一十"—卜一—卜一—卜一— +_-+? (上接第24页) 筒一周弹齿数为18个,利用该算法可进一步探寻滚 筒一周上应布置的最优弹齿数. (a)(b) 图7弹齿在滚筒上排列示方式意图 a.弹齿排列正视图b弹齿排列右视图 新疆的辣椒产量居全国首位,但辣椒的种植模 式不统一,多为宽窄行模式,主要有一膜两行和一膜 四行等种植模式,行间距多种多样,因此,辣椒收获 机只能进行不对行设计以提高适用范围.为提高收 获效率,弹齿横向的间距设定为100mm.弹齿在滚 筒上的排列方式如图7所示. 5结论 (1)分析了弹齿的运动规律,得出弹齿的运动方 程,并绘出弹齿顶点运动轨迹,从理论上计算出了采 摘弹齿的排列方式,为采摘台的设计提供理论基础. (2)试验证明,弹齿式采摘台的摘净率达98%, 作业速度2.5,5.5km/h,由于采摘台质量小,需要输 出的动力也小,工作性能稳定. 参考文献: 【11毛宜卉.对我国辣椒产业发展对策的思考….辣散杂志, 2007,f3):1-4. [21赖晓英,贺稚非,吴I{Ili红.辣椒的研究及开发现状fJ1.中国 调味品2006,(3):4-8. 【3】王小雄.2007年辣椒行情概览【JJ.辣椒杂志,2007,(4):44, 45. f4】胡爽吉,陈永成,李玉林,刘晓丽.浅谈辣椒收获机械的研 究现状『JI.新疆农机化.2010,(3):10,12. 【5】靳范.4JD2型悬挂式辣椒收获机的研~l[J1.新疆农机化, 20l0.(1):37,38.