烟叶全自动采收机械设备的设计

　　摘要：由于烟叶手工采收效率低, 不能满足现代农业要求, 因此烟叶采收机械的研发势在必行。为此, 根据烟叶采收原理, 从机构和动力两方面研究了全自动烟叶采收机的方案, 给出了全自动烟叶采收机的整体结构及关键机构的方案设计, 并对比分析了全液压驱动的优点, 给出了部分液压驱动方案。田间试验结果表明:该采收机采收作业质量能够满足农艺要求。最后, 提出了烟草收获机械未来的发展方向。

　　关键词：全自动烟叶采收机; 方案设计; 田间试验;

　　Abstract：Due to the low efficiency of hand-harvesting of tobacco leaves, Manual work can not meet the requirements of modern agriculture, so the development of tobacco harvesting machinery is imperative. According to the principle of tobacco harvesting, the scheme of automatic tobacco harvester was studied from both institutional and dynamic. The design of the whole structure and the key mechanism of the automatic tobacco harvester are given. The advantages of the full hydraulic drive are analyzed and some hydraulic drive schemes are given. Field test shows that the machine works well.And finally the future development direction of tobacco harvesting machinery is put forward.

　　Keyword：automatic tobacco harvester; scheme design; field test;

　　烟草是一种重要的经济作物, 在我国的国民经济中占有重要地位, 产量占世界总产量的67%, 是世界上主要的产烟大国之一。在烟叶生产过程中, 采收是基础性的工作, 烟叶的采收时期和采收方法关系到烟叶产量和烟叶质量, 所以科学、及时地采收烟叶是保证烟叶品质的关键[1]。在国外, 如美国、意大利、加拿大等发达国家, 烟草机械化采收发展较快, 半自动、全自动化的烟叶采收机械已批量生产且投入使用, 效果良好。然而, 目前我国绝大多数烟农还是手工采收, 不仅需要消耗大量的劳动力和时间, 且采收效率低, 很难保证及时采收。当需要在大面积烟田上进行采收作业时, 手工采收显然已经不能满足农业要求, 而机械化的烟叶采收机采收效率高, 能够及时完成采收作业。因此, 研发适应我国国情的全自动烟叶采收机具有重要意义。

　　1、国内外发展现状

　　美国、意大利、加拿大等国家的烟叶采收机械化相对成熟, 已经开发出了多种不同类型的烟叶采收机。加拿大De Cloet公司在1979年制造了世界上第1台全自动自走式烟叶采收机, 在此基础上又研发了较为先进的2TTH型烟叶采收机, 实现了完全机械化采收, 1人操作1台采收机, 1次采收两行烟叶。另外, 美国Mar Co公司生产了6360型自走式烟叶采收机, 意大利SPAPPERI公司针对烟叶采收部位的不同生产了RA341等型号的烟叶采收机[1]。

　　虽然我国是烟叶生产大国, 但烟叶采收机械化发展却相对落后, 烟叶采收一直处于人工作业阶段。由于各个国家和地区间烟草种植行间距、烟草特性等烟田情况的不同, 从国外直接引进的烟叶采收机械并不适宜国内的烟田种植情况。国内很多高校和企业也在积极研发适合我国国情的烟叶采收机, 如山东曲阜汇众机械设备有限公司生产的小型半机械化烟叶收割机, 适用于小地块的烟叶收割;吉林大学陶永兰等老师设计的“自适应行距烟叶收获机[2]”, 悬挂在拖拉机等小型机械上完成收割作业, 属于半自动烟叶收获机。随着国内人工费用的提高和大块烟田种植面积的增加, 一种高效、适合我国烟田的全自动烟叶采收机的研发迫在眉睫。

　　2、全自动烟叶采收机总体方案设计

　　2.1、烟草植株及其采收原理

　　烟草属一年生草本植物, 种植范围较广, 烟叶具有较高的经济价值, 采收烟叶时根据其成熟时间不同而进行分时采收[3]。

　　烟叶采收的目标是分离烟草植株的茎和叶, 而且要做到不损伤茎皮和烟叶, 避免影响烟株的生长和烘烤质量。机械采收参考人工采收的动作, 利用采收机械产生的外力完成采收作业, 结合烟叶的传送与收集, 完成烟叶采收机械化过程。

　　2.2、总体结构方案

　　根据烟叶采收功能的要求, 一台全自动烟叶采收机主要由行走、采收和存储三大部分组成。由于烟叶采收机主要是在烟田上低速行驶, 对行走系统的工况要求相对简单, 类比其他农用机械的设计, 简化整机的悬挂系统、转向机构和行走机构, 为采收机构和存储机构的布置提供空间。全自动烟叶采收机主要由驾驶室、主机架、采收机构、传送机构、风机和烟筐组成, 如图1所示。

图1 全自动烟叶采收机总体结构简图

　　2.3、总体动力方案

　　在工程机械中, 主要有以下4种传动方式:机械传动、液力传动、液压传动和电力传动。

　　1) 机械传动。纯机械传动通常只能进行有级变速, 且它的布置方式有局限[4];但机械传动制造成本低, 早期收获机械常采用机械传动。

　　2) 液力传动。液力传动采用液力变矩器或液力耦合器实现了发动机与变速器的离合, 液力变矩器使传动系统获得自动、无级变速和变矩能力[5], 突出优点是有近似双曲线的输出扭矩—转速的特点;但其布置方式有局限, 变矩范围窄、制动能力较差、效率低, 不适用于需求速度稳定的情况。

　　3) 液压传动。液压传动使用液体 (一般为矿物油) 作为工作介质传递动力和信号, 相比于机械传动和液力传动, 液压传动更易控制其运动参数和动力参数, 有优良的低速负载特性[6]。由于液压元件功率大、易于受控、安装方便、操作简单且故障率低, 因此十分适用于结构多变、大功率传递及工作条件恶劣的大型收获机械。其结合电子技术, 更易调节和控制, 进一步提高了收获机械的操纵性、舒适性、方便性和智能化水平[7]。

　　4) 电力传动。电力传动由内燃机驱动发电机, 调速范围广, 便于远距离自动控制;但由于技术受限、成本高, 适用于行走机械的功率电元件还没有成熟和普及。

　　综上所述, 相对于其它几种传动方式, 液压传动易于实现自动化控制, 适用性广, 经济性较好, 更适合用于工作条件恶劣的农用收获机械。

　　3、关键部件方案设计

　　3.1、关键部件机构方案

　　3.1.1、烟叶采收机构

　　烟叶采收相对于其它作物采收有其特殊性, 烟叶具有易破损的特点, 采收时要保证其较小的破损率, 否则其经济价值会大大下降。由于烟草植株各个高度的烟叶成熟时间不同, 需要分时、分部采收, 类比人工采收烟叶的动作, 采用1对相对旋转的柔性采收刀来采收烟叶, 如图2所示[8-13]。

图2 采收机构简图

　　1.采收马达2.采收刀

　　烟叶采收的重要指标一个是破损率, 另一个是采净率。为了提高烟叶采净率和降低烟叶破损率, 从采收刀的形状、材料和安装位置三方面来考虑。

　　1) 采收刀的形状。采收刀形状会对烟叶采净率有一定影响, 相比于矩形采收刀, 采用波形的采收刀能增大采净率。

　　2) 采收刀的材料。刀片材质对采净率和破损率都有一定影响, 偏硬的材料更容易采净烟叶, 但容易造成烟叶的破损, 因此选用合适的塑胶等柔性材料。

　　3) 采收刀的安装位置。河南农业大学的张秀丽等人发表的“下部烟叶机械采收的最佳施力方式实验[14]”一文中表明, 成熟烟叶最佳施力方式为斜向施力, 安装采收刀时若与地面有一定夹角, 采收效果会更佳。

　　3.1.2、烟叶传送机构

　　为了将采摘下的烟叶传送到烟筐中, 需要一套适应整机的烟叶传送系统。采摘下的烟叶需要传送到机器上部的烟筐, 因此需要提升传送装置。采用辊轮加传送带的方式可以保证采摘的烟叶准确地输送至烟筐。云南昆船电子设备有限公司设计了一种垂直提升机构, 由固定输送带和下端由拉伸弹簧连接的可活动的输送带组成, 当烟叶由输送辊轮送至提升机构时, 被两条输送带夹住向上提升[15-17], 这种传送机构的方案能够准确实现烟叶的传送, 但烟叶需要完全克服重力输送至烟筐。为此, 本文提出了一种改进方案, 增加一条水平传送带, 并在机器允许的空间内将提升传送带设置一定的倾斜角度, 使烟叶能够更顺利地输送到烟筐, 如图3所示。

图3 传送机构运动简图

　　3.1.3、其他机构

　　除了采收机构和传送机构外, 全自动烟叶采收机还需要一些辅助机构, 如烟筐收集机构和采收台升降机构。这两种机构普遍存在于其他农用收获机械中, 属于农用机械通用部分, 方案都比较成熟。

　　农用机械的卸料系统通常采用升降机构或翻转机构来实现, 因此采用烟筐升降机构或烟筐翻转机构将烟叶转移。由于烟草植株各个高度的烟叶成熟时间不同, 因此将烟叶划分为上中下三部分来进行分时分部采收, 针对农作物不同高度的收割, 通常采用升降机构来实现。对于农用机械的升降机构和翻转机构, 目前国内外大都采用液压缸实现, 其优点为结构简单、操纵省力、动作平稳、故障率低, 十分适用于大功率、工作条件恶劣的农用机械。

　　3.2、关键部件动力方案

　　3.2.1、全液压行走驱动系统

　　设计全自动烟叶采收机的行走驱动系统时, 借鉴了其他较成熟农用机械。在张志起等人发表的“4YX-4型全液压自走式玉米收获机液压系统设计[18]”一文中, 其收获机液压行走系统由1个液压泵驱动1个液压马达组成, 具有较好的无级调速能力。在此基础上, 为使烟叶收获机械更好地适应多种作业环境的要求, 选用如图4所示的三轮液压驱动的容积调速回路, 其优点为调速范围大, 被广泛用于大功率液压传动系统。

图4 三轮液压驱动回路

　　3.2.2、收获机液压转向系统

　　液压转向系统中的全液压转向器根据工作原理, 可分为开芯转向系统、闭芯转向系统、无反应转向系统、有反应转向系统和负荷传感转向系统。其中, 闭芯转向系统主要用于重载大型行走机械, 有反应转向系统油缸必须采用双杆结构形式, 负荷传感转向系统较其他系统有节能降耗、响应灵敏等优点, 但系统复杂、成本高昂。因此, 在全自动烟叶采收机中选择开芯无反应转向系统是一种性价比较高的方案, 不仅能够满足使用要求, 而且系统简单、成本低。

　　3.2.3、收获机液压操纵系统

　　对全自动烟叶采收机而言, 其液压操纵系统控制烟叶采收、传送、收集和采收台升降, 通过液压马达和液压缸实现。

　　对于烟叶的采收和传送, 采用液压马达控制。采收刀马达串联连接, 实现采收刀的相向转动, 并且转速相同。在此基础上, 考虑到采收刀与传送系统同时工作, 将传送马达并入采收回路中, 不仅能够简化油路, 还能保证烟叶采收和传送的协作性能, 如图5所示。

图5 采收传送液压回路

　　对于烟叶的收集与采收台的升降, 采用锁紧回路, 如图6所示。双向液压锁的锁紧回路的优点是活塞可在任意位置被锁紧, 能够防止停止运动后因外界因素而发生窜动。由于液控单向阀是锥阀式结构, 所以密封性好, 泄露极少, 常用在工程机械、汽车起重机支腿和飞机起落架等回路上。

图6 液控单向阀的锁紧回路

　　4、田间试验与结果

　　4.1、试验基本条件

　　郑州容大科技发展有限公司试制的全自动烟叶采收机样机田间性能试验在河南省许昌市襄城县双庙乡烟田和河南省禹州市小吕乡烟田进行, 试验用烟为中烟100, 株距平均为50cm。2017年7月20日至2017年9月20日进行烟叶收获作业, 每次采收2~3片烟叶, 一次采收两行, 作业速度为70~90m/min, 如图7所示。

图7 田间试验

　　4.2、试验结果与分析

　　试制的全自动烟叶采收机在田间通过性良好, 主要针对烟叶采净率和烟叶破损率两个技术指标进行了测定, 结果如表1所示。

表1 全自动烟叶采收机试验性能结果

　　从试验结果来看, 烟叶采净率和破损率在一个合理的范围内, 满足农艺要求, 但仍有改进的空间。烟叶采净率和破损率不仅与采收刀的形状、材料、安装位置有关, 还与采收刀的转速、喂入速度等有很大关系, 不合适的转速和喂入速度也会导致烟叶的漏摘和破损。

　　5、结论与展望

　　整机采用全液压传动, 实现了烟叶的全自动采收, 节省了人力, 提高了效率, 并且结构简单、性能稳定、操作方便。柔性采收刀的设计保证了较高的烟叶采净率和较低的烟叶破损率。水平传送带与提升传送带的结合, 实现了烟叶从采收装置到烟筐的传送。

　　在未来的研究中, 需要完善我国各个地区烟草茎、叶的物理特性研究, 获得烟叶的低损伤机理, 为烟叶采收机械的结构设计提供理论基础。为提高收获机的智能性, 还需进一步研究其机电液一体化技术, 可引入机器视觉系统实现智能识别烟叶成熟度。在满足使用要求的前提下, 还可进一步简化与优化机械结构, 提高市场竞争力。

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