CN205389454U - 一种弹齿滚筒式花生捡拾装置 - Google Patents
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Abstract
一种弹齿滚筒式花生捡拾装置，属于农业机械技术领域。包括开放式捡拾滚筒、滚筒滑道、捡拾弹齿及侧板，所述捡拾弹齿均匀间隔固定在弹齿轴上，捡拾滚筒的中心轴穿过两侧的左、右侧板分别连接轴承座，滚筒滑道固定安装在其中一个侧板内，弹齿轴一端通过曲柄凸轮机构连接滚筒滑道，曲柄凸轮机构的滚轮嵌入滚筒滑道并限制在滑道内滚动。中心轴转动同时带动捡拾滚筒转动，滚筒滑道在各个相位角对应的形状保证了弹齿在捡拾过程中各个工位的摆动姿态，可实现弹齿捡拾、举升、推送和空回工位的动作。本实用新型根据花生植株捡拾要求，确定捡拾弹齿在各个工位的初始姿态与摆动规律。本实用新型捡拾过程中弹齿逐渐回摆，减少弹齿对花生植株的打击，增大了捡拾区域。
Description
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，特别是涉及一种弹齿滚筒式花生捡拾装置。
背景技术
在世界油料生产和国际贸易中，花生是主要的创汇农产品之一，仅次于大豆居于第二位。近几年，随着花生种植面积、产量的不断增加，花生生产机械化的发展显得尤为重要。我国在本世纪初开始花生联合收获机研究，但因受植株性状、收获环境和种植方式等农艺影响尚未大面积推广，目前仍以小型机械和人工分段收获为主，花生收获机械化水平仅为23.3％。
目前，已研制出带齿带式捡拾装置的背负式花生收获机与带有弹齿滚筒式捡拾装置的花生收获机；一些小型农机企业也陆续开发出带有滚齿筒式、搂齿齿带式和齿带式捡拾装置的小型花生捡拾收获机。然而，这些机械田间试验均出现漏捡率和掉果率高的问题，成为制约花生两段机械收获的关键问题。
基于农机农艺结合的原则综合分析，发现根本原因在于：我国正在研制的各种类型花生捡拾收获机，主要引用了适于稻麦与牧草的弹齿式捡拾装置或适于油菜的齿带式捡拾装置，而未深入研究适用于分段或两段收获的花生捡拾装置；而美国KMC花生捡拾收获机适用于起收后形成连续条铺的本土匍匐型花生，难以适合我国起收后放铺质量差的直立型花生，因而捡拾收获过程中严重存在植株“壅堆”与“抛起”问题，花生机械漏捡和掉果损失十分严重。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种弹齿滚筒式花生捡拾装置，其体积小，捡拾弹齿可相对于滚动的滚筒做摆动运动，能够完成复杂的捡拾动作，具有更好的捡拾性能和适应性，其捡拾率高，损失率低。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种弹齿滚筒式花生捡拾装置，包括开放式捡拾滚筒、滚筒滑道、捡拾弹齿及侧板，所述捡拾弹齿均匀间隔设置于捡拾滚筒的弹齿轴上，捡拾滚筒的中心轴穿过两侧的左、右侧板分别连接轴承座，滚筒滑道置于其中一个侧板内，与捡拾滚筒滑动连接，捡拾滚筒沿滚筒滑道转动，实现弹齿捡拾、举升、推送和空回工位的动作。
进一步地，所述捡拾滚筒包括中心轴、滚筒盘及弹齿轴，滚筒盘为两个，对称安装在中心轴上，两滚筒盘之间沿圆周均匀设置4个弹齿轴，每个弹齿轴的一端均连接曲柄凸轮机构与滚筒滑道滑动连接，曲柄凸轮机构的滚轮置于左侧板内设置的滚筒滑道上，曲柄连接在弹齿轴上。
进一步地，所述滚筒滑道为偏心不规则环形凸轮滑道，由四部分弧线过渡连接构成，每一部分弧线分别对应捡拾、举升、推送和空回四个工位，捡拾滚筒沿凸轮滑道转动，形成弹齿绕中心轴做圆周运动和弹齿沿中心轴轴线摆动运动的合成运动。
进一步地，所述捡拾、举升、推送和空回四个工位对应的相位角分别为β1～β4，其中捡拾工位的初始时捡拾倾角θ为20～25°，所述捡拾倾角θ为捡拾弹齿与滚筒Y轴间沿捡拾装置前进方向的夹角，四个相位角沿顺时针依次为β1＝80°～85°，β2＝95°～100°，β3＝95°～115°，β4＝65°～85°。
进一步地，所述捡拾弹齿与曲柄轴线间的夹角为55°～60°。
进一步地，所述捡拾工位弧线段由与两段圆弧组成，其中，段为捡拾初始段即搂拾段，弹齿与滚筒无相对摆动，为以同截面滚筒圆心O1为圆心、O1A为半径的圆弧，捡拾倾角θ保持不变，OA为O1和曲柄滚轮圆心间的距离，O1B为滚筒轴线Y轴反向延长线；
段为捡拾段：其圆弧半径由O1A通过五次多项式逐渐过渡为O1C，弹齿随滚筒转动且相对平缓回摆，捡拾工位结束时θ＝0，其中O1C为捡拾工位结束时，O1和曲柄滚轮圆心间的距离；
(2)举升工位弧线段是以O1为圆心、O1C为半径的圆弧，捡拾弹齿与滚筒之间无相对摆动；
(3)推送工位弧线段由和EF直线段组成，是以O2(X1，Y1)为圆心、O2D为半径、点D为起始点的圆弧，X1坐标轴反向延长线与圆弧交于E点，直线EG相切于并垂直X轴于G点并延伸至F点，滚轮沿EF滚动，捡拾弹齿与上护板夹角逐渐变小直至捡拾弹齿完全收缩进上护板内；推送工位结束，其中X1为-30～-45mm，Y1为25～45mm；
(4)空行工位的弧线段是以O1F距离向OA逐渐增大的正弦加速度或五次多项式方法得到的过渡弧线。
进一步地，所述左右侧板还连接有后侧板，相邻弹齿间设置的护板安装在后侧板上，相邻护板间留有的间隙25～30mm，确保捡拾弹齿在护板间伸出与缩回。
进一步地，所述护板由上下护板连接弧形护板构成，上护板相对于滚筒水平面的倾角γ的弧度为0.1～0.5rad，推送工位，弹齿与上护板相接触时，之间的夹角α为75°～80°。
进一步地，所述曲柄长度为50～70mm；滚筒半径为70～120mm；捡拾弹齿伸出护板的最大长度L为130mm。
进一步地，所述捡拾弹齿材料为65Mn弹簧钢。
本发明的有益效果为：
1.本发明结合我国直立型花生植株条铺特点与捡拾特性，以捡拾弹齿伸出护板130mm为前提条件，以捡拾装置护板半径最小及滚轮对凸轮滑道冲击最小为目标函数，进行多目标机构参数优化设计，获得理想机构参数。
2.本发明根据花生植株捡拾要求，确定捡拾弹齿在各个工位的初始姿态与摆动规律，重新设计了凸轮滑道。捡拾工位初始时捡拾弹齿与竖直方向成20-25°，捡拾过程中弹齿逐渐回摆，减少弹齿对花生植株的打击，增大了捡拾区域。
3.由于花生植株条铺紧贴地面，本发明捡拾收获时弹齿须划入地表一定深度才能将花生植株拾起，因此捡拾弹齿材料选用65Mn弹簧钢，具备高的弹性极限和屈强比，在高载荷下不易产生永久变形，表面具有良好的耐磨性，从而减少弹齿的更换频率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为图1的B-B剖视图。
图4为本发明参数关系示意图。
图中：1、中心轴，2、轴承座，3、右侧板，4、弹齿，5、弹齿轴，6、左侧板，7、滚筒盘，8、曲柄，9、滚轮，10、滑道，11、链轮，12、后侧板，13、护板，14.滚筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：本发明结合我国东北典型花生品种、种植和两段收获农艺特点并基于仿生学原理，从分析花生捡拾元件的理想姿态与运动规律入手，研究滑道式弹齿滚筒捡拾装置的核心机构即弹齿捡拾机构，并进行机构参数的优化。根据弹齿摆动规律初步确定凸轮滑道中心线轨迹，根据花生植株捡拾特性与机构运动特性确定优化目标函数，推导机构中各个参数与目标函数的几何关系，采用目标优化算法对机构参数进行优化，获得理想机构参数组合。
如图1所示，本发明包括开放式捡拾滚筒、滚筒滑道10、捡拾弹齿4及侧板，所述捡拾弹齿4均匀间隔设置于捡拾滚筒的弹齿轴5上，捡拾滚筒的中心轴1穿过两侧的左、右侧板6、3分别连接轴承座2，滚筒滑道10置于其中一个侧板内，与捡拾滚筒滑动连接，捡拾滚筒沿滚筒滑道10转动，带动转动中捡拾滚筒上的捡拾弹齿4相对摆动，捡拾滚筒14在转动过程中，滚筒滑道10在各个相位角对应的形状保证了弹齿4在捡拾过程中各个工位的摆动姿态，实现弹齿4捡拾、举升、推送和空回工位的动作。
如图1、图2所示，所述捡拾滚筒14包括中心轴1、滚筒盘7及弹齿轴5，滚筒盘7为两个，对称安装在中心轴1上，两滚筒盘7之间沿圆周均匀设置4个弹齿轴5，每个弹齿轴5的一端均连接曲柄凸轮机构与滚筒滑道10滑动连接，曲柄凸轮机构的滚轮9置于左侧板内设置的滚筒滑道10上，曲柄8连接在弹齿轴5上。
如图3所示，所述滚筒滑道10为偏心不规则环形凸轮滑道，由四部分弧线过渡连接构成，每一部分弧线分别对应捡拾、举升、推送和空回四个工位，捡拾滚筒沿凸轮滑道10转动，形成弹齿4绕中心轴1做圆周运动和弹齿4沿中心1轴轴线摆动运动的合成运动。
如图4所示，所述捡拾、举升、推送和空回四个工位对应的相位角分别为β1-β4，其中捡拾工位的初始时捡拾倾角θ为20-25°，本例θ＝20，所述捡拾倾角θ为捡拾弹齿与滚筒Y轴间沿捡拾装置前进方向的夹角，本例四个相位角沿顺时针依次为β1＝84°，β2＝96°，β3＝111°，β4＝69°，所述捡拾弹齿4与曲柄8轴线间的夹角为57°。
(1)所述捡拾工位弧线段由与两段圆弧组成，其中，A点为捡拾工位起始点，C点为捡拾工位结束点；段为捡拾初始段即搂拾段，段为捡拾段；
在捡拾初始段区间，弹齿4与滚筒无相对摆动，以便增大弹齿搂拾机会，为以O1为圆心、O1A为半径的圆弧，O1A为O1和曲柄滚轮9圆心间的距离，O1B为滚筒轴线Y轴反向延长线，滚轮9在内滑动，捡拾弹齿4与径向夹角θ保持不变。在捡拾段区间，弹齿4随滚筒转动的同时相对回摆，捡拾工位结束时θ＝0，段是圆弧半径由OA通过五次多项式逐渐过渡为OC，使捡拾弹齿平缓回摆，以便减少弹齿对花生植株的打击，增大捡拾区域，同时，减轻滚轮对凸轮滑道的冲击力；其中O1C为捡拾工位结束时，O1和曲柄滚轮圆心间的距离；
(2)举升工位弧线段是以O1为圆心、O1C为半径的圆弧，捡拾弹齿与滚筒之间无相对摆动；捡拾弹齿4在平稳上升、与滚筒之间无相对摆动。滚轮9运动到D点举升运动结束，捡拾弹齿与上护板基本垂直。
(3)推送工位弧线段由和EF直线段组成，其中是以O2(X1，Y1)为圆心、O2D为半径、点D为起始点的圆弧，X1坐标轴反向延长线与圆弧交于E点，直线EG相切于并垂直X轴于G点并延伸至F点，滚轮沿EF段滚动，捡拾弹齿与上护板夹角逐渐变小直至捡拾弹齿完全收缩进上护板内；此时滚轮所处位置为F点，推送工位结束，捡拾弹齿4与上护板的夹角α大于金属表面对花生植株相互作用的钳制角，避免在推送工位结束时发生夹持现象；其中X1为-30～-45mm，Y1为25～45mm；本例取X1＝-39mm，Y1＝31mm；
(4)空行工位的弧线段是以O1F距离向OA逐渐增大的正弦加速度或五次多项式方法得到的过渡弧线。
所述左、右侧板6、3还连接有后侧板12，相邻弹齿4间设置的护板13安装在后侧板12上，相邻护板13间留有间隙26mm，确保捡拾弹齿4在护板13间伸出与缩回。
所述护板13由上下护板连接弧形护板构成，上护板相对于滚筒水平面的倾角γ的弧度为0.1～0.5rad，本例取0.3rad；推送工位，弹齿与上护板相接触时，之间的夹角α为75°～80°，本例α＝78°。
所述捡拾弹齿4的材料为65Mn弹簧钢。为了使护板半径最小与滚轮对滑道冲击最小，所述曲柄长度为50～70mm，本例选择50mm；滚筒半径为70～120mm，本例选择99mm；捡拾弹齿伸出护板的最大长度L为130mm，本例选择捡拾弹齿长度L＝203mm。
本发明使用拖拉机万向节提供动力，由于捡拾弹齿轴5与曲柄8固联成刚体，固连处与滚筒盘7铰接，曲柄8端部的滚轮9在固定的凸轮滑道10内滚动，凸轮滑道10形状直接控制弹齿4摆动规律。捡拾装置作业时，捡拾滚筒转动一周，每个弹齿4相继连续完成“捡拾”、“举升”、“推送”和“空回”4个工位的一个捡拾循环，完成对花生植株的捡拾。
(1)捡拾工位(捡拾弹齿相位角β1)：弹齿4捡拾初始时，捡拾弹齿4保持一定前倾插入地面浅表与植株之间，然后弹齿逐渐趋于水平，在捡拾滚筒转动和机组水平前进的合成速度作用下，捡拾弹齿4端部速度开始逐渐向上，以便将花生植株挑起，区别于牧草、水稻等弹齿滚筒捡拾装置，本发明捡拾工位初始时的捡拾倾角，在捡拾过程中弹齿4逐渐回摆，以增大弹齿4在捡拾过程中对花生植株的搂拾区域，同时减少对花生荚果的打击力度，达到减少漏捡区域与花生荚果损失，捡拾工位结束时θ＝0。
(2)举升工位(捡拾弹齿相位角β2)：举升工位初始，捡拾弹齿4与滚筒径向方向一致并处于水平状态；随着滚筒的转动，齿端线速度由垂直向上变为后上方，以便将花生植株升起并送至护板13上方。
(3)推送工位(捡拾弹齿相位角β3)：推送工位初始，捡拾弹齿4基本处于近似铅垂状态，相对速度方向呈水平向后，将花生植株向后做推送运动；在推送工位后期，捡拾弹齿4逐渐相对于滚筒径向有较大的后倾，以免捡拾弹齿4相对护板13形成钳止角，不利于花生植株沿护板向后运动，并避免堵塞于相邻护板的缝隙之中。
(4)空回工位(捡拾弹齿相位角β4)：随滚筒的不停转动，做相对运动的捡拾弹齿4在完成捡拾、升运和推送工位后，回到捡拾工位初始位置，为进行下一个捡拾循环做准备。此间捡拾弹齿4虽然不接触花生植株与地面，但其相对于滚筒的摆动角加速度较大，以便尽快在下一个捡拾工位开始时保持原来的捡拾位置。
实施例2：本例与实施例1不同的是：本例中捡拾工位的初始时捡拾倾角θ为25°，四个相位角沿顺时针依次为β1＝85°，β2＝100°，β3＝98°，β4＝77°；所述捡拾弹齿与曲柄轴线间的夹角为55°。相邻护板间留有的间隙30mm，确保捡拾弹齿在护板间伸出与缩回。上护板相对于滚筒水平面的倾角γ的弧度为0.26rad，推送工位，弹齿与上护板相接触时，之间的夹角α为76°。曲柄长度为50mm；，捡拾弹齿长度203mm。X1为-35mm，Y1为36mm。
实施例3：本例与实施例1不同的是：本例中捡拾工位的初始时捡拾倾角θ为25°，四个相位角沿顺时针依次为β1＝80°，β2＝95°，β3＝110°，β4＝75°；所述捡拾弹齿与曲柄轴线间的夹角为58°。相邻护板间留有的间隙28mm，确保捡拾弹齿在护板间伸出与缩回。上护板相对于滚筒水平面的倾角γ的弧度为0.21rad，推送工位，弹齿与上护板相接触时，之间的夹角α为79.5°。曲柄长度为50mm，捡拾弹齿长度203mm。X1为-41mm，Y1为29mm。
Claims (10)
1.一种弹齿滚筒式花生捡拾装置，其特征在于：包括开放式捡拾滚筒、滚筒滑道、捡拾弹齿及侧板，所述捡拾弹齿均匀间隔设置于捡拾滚筒的弹齿轴上，捡拾滚筒的中心轴穿过两侧的左、右侧板分别连接轴承座，滚筒滑道置于其中一个侧板内，与捡拾滚筒滑动连接，捡拾滚筒沿滚筒滑道转动，实现弹齿捡拾、举升、推送和空回工位的动作。
2.根据权利要求1所述弹齿滚筒式花生捡拾装置，其特征在于：所述捡拾滚筒包括中心轴、滚筒盘及弹齿轴，滚筒盘为两个，对称安装在中心轴上，两滚筒盘之间沿圆周均匀设置4个弹齿轴，每个弹齿轴的一端均连接曲柄凸轮机构与滚筒滑道滑动连接，曲柄凸轮机构的滚轮置于左侧板内设置的滚筒滑道上，曲柄连接在弹齿轴上。
3.根据权利要求2所述弹齿滚筒式花生捡拾装置，其特征在于：所述滚筒滑道为偏心不规则环形凸轮滑道，由四部分弧线过渡连接构成，每一部分弧线分别对应捡拾、举升、推送和空回四个工位，捡拾滚筒沿凸轮滑道转动，形成弹齿绕中心轴做圆周运动和弹齿沿中心轴轴线摆动运动的合成运动。
4.根据权利要求3所述弹齿滚筒式花生捡拾装置，其特征在于：所述捡拾、举升、推送和空回四个工位对应的相位角分别为β1～β4，其中捡拾工位的初始时捡拾倾角θ为20～25°，所述捡拾倾角θ为捡拾弹齿与滚筒Y轴间沿捡拾装置前进方向的夹角，四个相位角沿顺时针依次为β1＝80°～85°，β2＝95°～100°，β3＝95°～115°，β4＝65°～85°。
5.根据权利要求1或3所述弹齿滚筒式花生捡拾装置，其特征在于：所述捡拾弹齿与曲柄轴线间的夹角为55°～60°。
6.根据权利要求5所述弹齿滚筒式花生捡拾装置，其特征在于：所述捡拾工位弧线段由与两段圆弧组成，其中，段为捡拾初始段即搂拾段，弹齿与滚筒无相对摆动，为以同截面滚筒圆心O1为圆心、O1A为半径的圆弧，捡拾倾角θ保持不变，OA为O1和曲柄滚轮圆心间的距离，O1B为滚筒轴线Y轴反向延长线；
段为捡拾段：其圆弧半径由O1A通过五次多项式逐渐过渡为O1C，弹齿随滚筒转动且相对平缓回摆，捡拾工位结束时θ＝0，其中O1C为捡拾工位结束时，O1和曲柄滚轮圆心间的距离；
(2)举升工位弧线段是以O1为圆心、O1C为半径的圆弧，捡拾弹齿与滚筒之间无相对摆动；
(3)推送工位弧线段由和EF直线段组成，是以O2(X1，Y1)为圆心、O2D为半径、点D为起始点的圆弧，X1坐标轴反向延长线与圆弧交于E点，直线EG相切于并垂直X轴于G点并延伸至F点，滚轮沿EF滚动，捡拾弹齿与上护板夹角逐渐变小直至捡拾弹齿完全收缩进上护板内；推送工位结束，其中X1为-30～-45mm，Y1为25～45mm；
(4)空行工位的弧线段是以O1F距离向OA逐渐增大的正弦加速度或五次多项式方法得到的过渡弧线。
7.根据权利要求1所述弹齿滚筒式花生捡拾装置，其特征在于：所述左右侧板还连接有后侧板，相邻弹齿间设置的护板安装在后侧板上，相邻护板间留有的间隙25～30mm，确保捡拾弹齿在护板间伸出与缩回。
8.根据权利要求7所述弹齿滚筒式花生捡拾装置，其特征在于：所述护板由上下护板连接弧形护板构成，上护板相对于滚筒水平面的倾角γ的弧度为0.1～0.5rad，推送工位，弹齿与上护板相接触时，之间的夹角α为75°～80°。
9.根据权利要求1-8所述弹齿滚筒式花生捡拾装置，其特征在于：所述
曲柄长度为50～70mm；
滚筒半径为70～120mm；
捡拾弹齿伸出护板的最大长度L为130mm。
10.根据权利要求1所述弹齿滚筒式花生捡拾装置，其特征在于：所述捡拾弹齿材料为65Mn弹簧钢。
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