摘要
针对荸荠(Eleocharis dulcis)收获劳动强度大和可应用于实际生产的收获机具匮乏的问题,结合荸荠种植田土壤条件和现有人工收获方式,设计了一种应用于带水收获的自走式荸荠收获机。该机由行走系统、传动系统、旋转扰动装置、提升分离装置、收集装置等组成,整机传动系统分为液压传动部分和机械传动部分,液压传动部分为收获机行走系统和挖掘收获装置提供动力,可实现机具行走速度控制、挖掘收获装置高度调节、旋转扰动装置转速控制、提升分离装置转速控制,机械传动部分可为各级旋转扰动辊及提升分离装置间提供稳定的转速差,保障收获过程顺利进行。三级旋转扰动辊构成旋转扰动装置,实现对土壤和水分的充分扰动混合;齿形挖掘铲和升运链构成提升分离装置,完成荸荠果实的挖掘、果土分离、升运工作。田间试验结果显示,该机可一次性完成荸荠的挖掘、果土分离、升运、收集等工作,试验条件下该型荸荠收获机田间道路最大行驶速度为0.97 m/s,田间差速转向最小转向半径为2.1 m,原地转向半径为1.3 m,最大爬坡角度为24.2°,果实挖净率为53.19%,损伤率4.21%。
荸荠(Eleocharis dulcis)是我国南方地区种植的一种特色水生蔬菜,具有食用和药用功效,经加工后可用于制作蜜饯、罐头等,具有较高经济价
为实现高效、低损采收荸荠,近年来国内学者也开展了多种荸荠机械化收获技术与装备研究。陈子
荸荠带水收获时会在田间灌入一定深度的水并浸泡1周左右,导致收获时土壤含水率较高,作业环境复杂,要求收获机行走系统在作业过程中底盘接地比压小、离地间隙高、转弯半径小和一定的脱困能力。根据农艺要求,荸荠果实生长深度分布于泥下20 cm深度处,对于收获部件而言,要求其挖掘深度达到20 cm以上且能够调整挖掘深度以适应不同的田间环境。同时按照荸荠市场供应需求,收获部件应能完成荸荠果实和泥土的分离、果实的收集等工作并能尽量减少对荸荠果实的损伤。
4BZ-800型荸荠收获机由行走系统、传动系统、旋转扰动装置、提升分离装置、收集装置等组成,可一次性完成荸荠的挖掘、果土分离、升运、收集等工作,整机总体结构和主要工作部件结构如

图1 4BZ-800型荸荠收获机结构示意图
Fig.1 Structural diagram of 4BZ-800 water chestnut harvester
A:整机结构简图Structure diagram of the whole machine;B:工作部件结构简图 Structural diagram of working parts;1.蓄电池Battery;2.工作部件Working parts;3.座椅Seat;4.操作台Console;5.液压泵Hydraulic pump;6.发动机Engine;7.履带底盘Track chassis;8.机架Fram;9.可调节轴承座Adjustable bearing seat;10.工作部件侧板Working part side plate;11.液压马达Hydraulic motor;12.轴承座Bearing seat;13.升运链Lifting chain;14.提升分离铲Lifting and separating shovel;15.旋转扰动辊Rotating disturbance roll.
4BZ-800型荸荠收获机底盘采用全液压驱动,液压泵将发动机输出的机械能转化为液压能,液压能通过管路传递至行走马达,驱动履带轮转动,完成前进、后退及转向动作。工作部件的动力来源于另一路液压回路,液压泵将动力传递至液压马达后由链传动对动力进行二次分配。整机的工作原理示意图如

图2 4BZ-800型荸荠收获机工作原理
Fig.2 Working principle of 4BZ-800 water chestnut harvester
传动系统由液压传动系统和机械传动系统组成。液压传系统为机器的行走、工作部件运转和工作部件的升降提供动力。机械传动将液压马达输出的动力按设计的传动比分配给各工作部件。整个传动系统采用分路传动的方式。动力由发动机输出分4路,经发动机输出轴输出,通过带传动驱动各液压回路对应的液压泵转动,两路经手动换向阀的调节分别为两侧行走液压马达提供动力,一路经手动换向阀的调节为工作部件驱动马达提供动力,最后一路通过手动换向阀的调节为工作部件的升降提供动力。具体动力传动系统及各级传动比如

图3 4BZ-800型荸荠收获机动力传动示意图
Fig. 3 Schematic diagram of 4BZ-800 water chestnut harvester power transmission
A:机械传动示意图 Schematic diagram of mechanical transmission; B:液压传动原理图 Schematic diagram of hydraulic transmission.i1为发动机和液压泵的传动比;i2为液压马达和三级扰动辊的传动比;i3为三级扰动辊和提升分离装置的传动比;i4、i5为各级扰动辊间的传动比。i1 is the ratio of engine to hydraulic pump; i2 is the ratio of sprocket to third disturbance roll;i3 is the ratio of third disturbance roll to lifting and separating device;i4 and i5 are the ratio between disturbance rollers.1.皮带轮 Belt pulley; 2.液压油管 Hydraulic tubing; 3.链轮 Sprocket; 4.三级扰动辊Third disturbance roll; 5.提升分离装置 Lifting and separating device; 6.二级扰动辊 Second disturbance roll; 7.一级扰动辊First disturbance roll; 8.左侧行走马达 Left hand drive motor; 9.右侧行走马达 Right hand drive motor; 10.工作部件驱动马达 Working parts dive motor; 11.左侧工作部件升降液压缸 Left working part lifting hydraulic cylinder; 12.右侧工作部件升降液压缸 Right working part lifting hydraulic cylinder; 13.液压双联泵Hydraulic duplex pump; 14.液压泵Hydraulic pump.
1)履带底盘的结构设计。履带底盘具有接地比压小、附着性能优、转弯半径小、越障能力强等优

图4 底盘结构示意图
Fig.4 Schematic diagram of chassis structure
1.纵梁Longitudinal beam; 2.行走液压马达Hydraulic motor; 3.横梁Cross beam; 4.竖向增高梁 Vertical heightening beam; 5.加强筋 Stiffener; 6.履带驱动轮 Track driving wheel; 7.支重轮 Supporting wheel; 8.张紧轮 Tensioning wheel; 9.履带 Track.
履带式底盘在水田土壤条件下的许用接地比压一般在15~25 kP
(1) |
履带接地长度L与轨距B的比值L/B应为1.2~1.5,比值如果超过1.5则履带底盘转向困难;如果比值小于1.2则会导致直线行驶稳定性较
2)履带底盘驱动系统设计。考虑到田间环境与条件,所设计的荸荠收获机液压驱动系统需要提供较大扭矩,以满足荸荠收获机低速大扭矩、工作阻力大、行走和转向阻力大等需求,且需要较高响应速度,以降低驾驶员的操作难度,提高作业效率。液压驱动系统的基本设计目标是要实现机具的行走和转向功能。为此,设计了该型荸荠收获机的液压驱动系统。系统采用单个定量双联泵驱动2个定量液压马达的设计。左右两侧的2个液压行走马达工作回路相互独立,互不干涉,采用2个换向阀单独控制,可实现2个液压马达的独立运动,通过等排量的双联泵驱动,可保证2个液压马达在直行时的同步性。
液压驱动系统关键部件选项如下,收获机在爬坡工况下运转阻力最大,此时最大阻力
(2) |
液压行走马达所受扭矩为:
(3) |
液压行走马达理论排量为:
(4) |
液压行走马达应满足该型荸荠收获机设计最大行驶速度的要求,因此,液压行走马达最大转速为:
(5) |
将设计参数代入式(
工况参数Duty parameter | 排量/(mL/r) Dispalce-ment | 转速/(r/min) Rotation speed | 工作压力/MPa Working pressure | 输出扭矩/(N·m)Output torque |
---|---|---|---|---|
连续Continued | 310 | 485 | 17.0 | 775 |
间断Intermittent | 310 | 698 | 27.5 | 1 225 |
在确定了液压马达的型号后,选择配套液压泵的型号,液压泵输出流量为:
(6) |
液压泵理论排量为:
(7) |
将设计参数代入
3)履带底盘转向性能分析。考虑部分种植田块较小以及田间路径较窄等实际条件,4BZ-800型荸荠收获机底盘转向方式采用差速转向和原地转向2种。差速转向时2条履带以不同转速差运动时,即可完成不同半径的转向。当单边履带制动,另一边履带转动时,具有最小的转弯半径。样机原地转向时两侧履带以相等转速反向运动,样机绕几何中心旋转,完成机具原地转向。
由几何分析可得,差速转向最小转弯半径为:
(8) |
同理可得,原地转向转向半径为:
(9) |
4BZ-800型荸荠收获机底盘履带轮距B为1 320 mm,履带轴距Lz为1 600 mm,代入
4)履带底盘稳定性分析。履带底盘的稳定性对驾驶员的安全性和底盘的操纵性能都有较大的影响。由于4BZ-800型荸荠收获机主要在平坦地面上作业,只有在上下田和翻越田埂等少数情况下需要上下坡,且上下坡时基本为纵向行驶。因此,本研究仅针对底盘纵向极限倾覆状态进行分析,以纵向极限倾覆角衡量整机的行驶稳定性。当该型荸荠收获机匀速行驶上坡时,极限倾覆状态如
(10) |

图5 4BZ-800型荸荠收获机底盘纵向极限倾覆受力分析
Fig.5 Analysis of longitudinal limit pverturning force of 4BZ-800 water chestnut harvester chassis
A:上坡状态Uphill state;B:下坡状态Downhill state;FT为地面对履带的切向作用力;FN为地面对履带的法向作用力;G为重力;L1为履带接地长度;L2为重心到履带后接地点的距离;h为重心至地面的垂直高度;αlim为上坡极限倾覆角;α'lim为下坡极限倾覆角。FT is the tangential force of the ground to the track; FN is the normal force of the ground to the track; G is gravity; L1 is the track grounding length; L2 is the distance from the center of gravity to the rear grounding point of the track; h is the vertical height from the center of gravity to the ground; αlim is the uphill overturning angle; α'lim is the downhill limit overturning angle.
4BZ-800型荸荠收获机的上坡极限倾覆状态为样机绕履带后接地点旋转的临界状态,此时土壤对样机的支撑力FN作用于履带后接地点即旋转中心点,样机重力沿坡面和垂直坡面方向的分力与对应力臂的乘积相等,可得上坡极限倾覆角为:
(11) |
分析
(12) |
通过上述分析可知,机具重心越低,稳定性越好,抗倾覆能力越强,在保证足够的离地间隙的前提下应尽量降低机具重心,同时要合理配置机具重心位置。运用SolidWorks软件对机具重心位置进行测定,得到机具重心至履带后端接地点距离L2为808.33 mm,机具重心至地面垂直高度h为552.79 mm,机具履带接地长度为1 600 mm,将上述参数代入
1)旋转扰动辊。4BZ-800型荸荠收获机配备有三级旋转扰动辊,在相同挖掘深度的前提下,相较于单级扰动辊,能够有效降低旋转辊所受的阻力,同时减小收获过程中对荸荠的损伤。旋转扰动辊其结构与水稻联合收割机杆齿式脱粒滚筒的结构类似(

图6 旋转扰动辊结构示意图
Fig.6 Structural diagram of rotating disturbance roller
1.主轴 Principal axis; 2.横杆 Cross bar; 3.杆齿 Finger; 4.端盖End cap.
2)提升分离铲。4BZ-800型荸荠收获配备的挖掘铲是齿形挖掘铲,其主要功能是收集荸荠果实,在工作过程中,挖掘铲首先将泥土、水和荸荠的混合物铲入,随后在提升过程中,受重力作用泥水从铲齿间漏出,而荸荠果实被输运至后部收集起来。根据提升分离铲实际工作情况、外形特点和荸荠果实物料特性,结合前人对挖掘铲的研究,可确定铲斗张角、铲齿尺寸、齿间间距、工作幅宽等是影响提升分离铲工作性能的主要参数,如

图7 提升分离铲结构示意图
Fig.7 Structure diagram of lifting and separating shovel
A:铲斗张角示意图 The angle of shovel face; B:提升分离铲尺寸示意图 Schematic diagram of shovel dimensions; a:提升分离铲工作幅宽 Working wide of shovel; b:提升分离铲挖掘深度 Digging depth of shovel; c:提升分离铲铲齿间距 Tooth spacing of shovel.
1)试验条件。2022年1月在湖北省黄冈市团风县方高坪镇进行了田间试验(

图8 田间试验
Fig.8 Field experiment
2)底盘性能试验。参照GB/T 5667—2008《农业机械生产试验方法》对4BZ-800型荸荠收获机样机底盘的行驶速度、转向半径和爬坡角度等指标进行测量。行驶速度:选取长度大于30 m的田间道路,测定样机走过30 m测定区所需时间,重复3次,计算行驶速度。转向半径:让样机在田间以低速平稳行驶,一侧履带轮制动,另一侧履带轮前进,待平稳行驶360°后驶离测试区,利用卷尺测量履带在地面留下的轨迹圆半径,得到差速转向最小转向半径;让样机一侧履带前进,一侧履带后退,待整机旋转360°后驶离测试区,利用卷尺测量履带在地面留下的轨迹圆半径,得到原地转向的转向半径。爬坡角度:利用带有可倾斜平板的道路清障车,驾驶样机朝平板行驶,逐渐增大平板倾斜角度直至样机无法驶上平板,测量此时平板倾斜角度即可得到机具最大爬坡角度。
3)收获性能试验。由于当前国内外关于荸荠收获方面的研究较少,没有相关的评价技术规范,故以同为块根、块茎类作物的国家行业标准NY/T648—2002 《马铃薯收获机质量评价技术规范》为参照,设计荸荠收获机收获性能试验。在试验中测定该型荸荠收获机挖净率、损失率和伤果率等3个指标,作为该型荸荠收获机收获性能的评价标准。挖净率和损失率:可将试验区域内全部荸荠果实的质量m划分为3类,收获机掘出并收集的荸荠质量m1,收获机掘出但未顺利收集的荸荠质量m2,收获机未掘出的荸荠质量m3,挖净率即为m1与m的百分比,损失率即为m2、m3之和与m的百分比。损伤率:将试验区域内收集到的所有果实中有损伤的果实集中,单独测量其质量m4,损失率即为m4与m的百分比。
试验结果显示,4BZ-800型荸荠收获机田间道路行驶速度为0.97 m/s,差速转向最小转弯半径为2.1 m,原地转向的转向半径为1.3 m,最大爬坡角度为24.2°。由于发动机全油门运转时转速大于液压系统额定转速,故实测行驶速度大于理论行驶速度,但在实际使用中应适当减小油门避免损坏液压系统。受土壤滑移等因素的影响,机具实际转向半径大于理论转向半径,但均能满足实际生产需求。
在试验区域内,收获到荸荠的全部质量m为14.72 kg,其中,由收获机掘出并收集的荸荠质量m1为7.83 kg,收获机掘出但未顺利收集的荸荠质量m2为4.52 kg,收获机未掘出的荸荠质量m3为2.37 kg,有损伤的果实质量m4为0.62 kg,即可计算出该型荸荠收获机挖净率为53.19%,损失率为46.81%,损伤率为4.21%。结果表明,该型收获机挖净率偏低,损失率偏高,分析收获的荸荠各个部分的质量占比可以发现,收获机掘出但未顺利收集的荸荠质量m2的占比较高,若此部分能够顺利收集,则该型荸荠收获机的挖净率可提高至83.90%。通过试验观察,发现导致m2占比较高的主要原因是大量荸荠顺着水流飘走,导致无法顺利收集。
根据荸荠种植田土壤条件和现有人工收获方式,提出了一种全新的基于带水收获的机械扰动式荸荠收获方法,研制了4BZ-800型荸荠收获机。整机采用全液压驱动,可实现差速转向和原地转向,配套动力功率为16.2 kW,最小离地间隙450 mm,履带宽度180 mm,满足荸荠收获作业过程对底盘的性能要求;样机配备有三级旋转扰动辊构成旋转扰动装置和带挖掘铲的升运链构成了提升分离装置,两者共同构成了4BZ-800型荸荠收获机的主要工作部件,能够完成荸荠的收获工作。4BZ-800型荸荠收获机样机田间性能试验结果显示,该型荸荠收获机底盘田间道路行驶速度为0.97 m/s,差速转向最小转向半径为2.1 m,原地转向半径为1.3 m,最大爬坡角度为24.2°,挖净率、损失率和损伤率分别为53.19%、46.81%、4.21%,表明该型收获机底盘性能能够满足田间工作需求。同时,受试验条件、手段和环境等因素的影响,样机的损失率较高,还需要进一步研究与提高。
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