蒲草收割船割臺的設計

王　永，王澤河，馬勝濤，王　偉，袁永偉

(1.河北農業大學 機電工程學院，河北 保定　071001；2.石家莊郵電職業技術學院，石家莊　050000 )

0　引言

蒲草別名蒲菜、蒲草，又稱水燭，屬于香蒲科水生或沼生多年草本植物，植株高多數在1.4～2.0m范圍內，根狀長而橫生，節部生須根，老根黃褐色；基部呈長鞘抱莖，莖圓柱形，直立，質硬而中實；葉扁平帶狀，光滑無毛[1]。蒲菜地下匍匐莖尖尖端的幼嫩部分和假莖部分可以食用，美味可口；成熟的短縮莖、匍匐莖還可以食用或當作飼料；雄花花粉又稱“蒲黃”，有滋補和藥用的功效，蒲草也是人造棉和造紙的主要原料，更能夠用于加工坐墊、蒲席等常用的生活用品[2]。

盡管蒲草的利用價值很大，但蒲草機械化收割技術還不成熟，人工收割效率低、勞動強度大；使用現有的水草類收割船收割的蒲草凌亂，雖然勞動強度明顯減小，但嚴重損壞了蒲草各個部位，收割效果差，不利于后續蒲草編織等方面應用，同時收割效率也難以保證。為了提高蒲草收割效率和實現整齊化收割，設計了一種應用于蒲草的收割船。

1　總體設計

蒲草收割船主要由平行四桿機構、割臺、分禾機構、扶禾機構、割刀、液壓控制系統、縱向輸送機構、橫向輸送機構、明輪及船體等組成[3-7]，如圖1所示。

其中，平行四桿機構由兩組四桿組成，中間連接有液壓缸，右端與船體固定，左端與割臺連接，通過調節四桿機構中的液壓缸，水平提升割臺。

當蒲草收割船整體向前行駛時，調節平行四桿機構中的液壓缸，割臺平動，整體水平升降，割臺前端的分禾機構將蒲草化分為待割區和切割區；切割區的蒲草由扶禾機構進行扶直，并把蒲草撥向割刀，通過調節割刀上端的液壓缸確定割刀上下位置；被割刀切割后的蒲草在扶禾機構的作用下輸送到擋板處，擋板旁邊的橫向輸送機構將蒲草輸送到右側；考慮到橫向與縱向機構有一過渡過程，在橫向輸送機構的右端增加一旋轉撥動盤，撥動盤將蒲草橫向平鋪在縱向輸送結構上，通過縱向輸送機構的作用下傳送到船上，完成蒲草的切割和整齊鋪放。

蒲草收割船是在以割臺[8]為關鍵部件，集切割、輸送為一體的設備。針對白洋淀蒲草生長水域及特點，結合相關行業標準，確定主要技術參數如下：

外形尺寸/mm：4 000×2 500×6 000

配用動力/kW：30

工作速度/km·h-1：3.2～5.1

生產/hm2·h-1：1.6～2.1

驅動方式：明輪

2　割臺結構及分析

2.1　割臺的設計

割臺是蒲草收割船的關鍵部件，是實現蒲草整齊、高效作業的保障。其主要由分禾機構、扶禾機構、橫向輸送機構、割刀[9]及液壓缸等組成，如圖2所示。割臺通過平行四桿連接點與外部的平行四桿機構連接，實現整體水平平動，割刀通過割刀架上的液壓馬達實現左右往復切割運動；通過割刀架上的液壓缸實現上下移動，割刀架上的滑槽沿著割臺上的固定套筒滑動實現上下位移，實現割深的微調。扶禾機構設計為縱向向上傾斜，右側通過液壓缸控制，當割刀部分整體向下移動時，能夠切割更深的蒲草莖稈；此時，為了能夠更好地扶禾，扶禾機構在液壓缸的作用下向上調整，被切割的蒲草在扶禾機構上的扶禾鏈、撥盤的作用下運輸到擋板處，橫向輸送機構再把已經切割的蒲草平鋪輸送到縱向輸送帶上，縱向輸送帶把蒲草輸送到船上。

1.船體　2.明輪　3.控制室　4.液壓馬達　5.橫向輸送機構　6.液壓缸 7.縱向輸送機構　8.防落板　9.分禾機構　10.扶禾機構　11.割刀　12.平行四桿機構

1.平行四桿連接點2、3、12.液壓缸4、14.液壓馬達 5.撥鏈　6.橫向輸送機構　7.擋板　8.撥盤　9.扶禾機構 10.扶禾鏈　11.分禾機構　13.扶禾架　15.割刀　16.割刀架

2.2 　橫向輸送機構

橫向輸送機構是扶禾機構與縱向輸送機構之間的過渡環節。蒲草通過扶禾機構的扶持作用輸送到扶禾架后端的橫向輸送機構處，經過橫向輸送機構傳送到船體右側的縱向傳送帶上。橫向輸送機構主要由液壓馬達、撥鏈、撥鏈架及撥盤組成等組成，如圖3所示。為了避免蒲草在橫向傳送過程中出現折斷現象，采用兩層輸送，撥鏈架固定在扶禾架上，撥盤是為了更好地把蒲草撥到縱向傳送帶上。

1.液壓馬達　2.撥鏈盤　3.撥鏈　4.撥盤

2.3　切割機構

切割機構主要由滑塊、液壓缸、傳動桿、液壓馬達及割刀架等組成，如圖4所示。其中，切割機構整體通過上端的液壓缸伸縮實現上下移動，從而實現不同深度的蒲草收割；滑塊在外部平行四桿機構活動架滑槽內上下滑動；液壓馬達通過曲柄滑塊原理帶動割刀部分左右往復運動，割刀片切割蒲草。

1.滑塊　2.液壓缸　3.傳動桿　4.液壓馬達　5.割刀片　6.割刀架

2.4　平行四桿機構

割臺的水平平動通過平行四桿機構實現，始終保持割刀與蒲草莖稈垂直、切割面積最小、切割效率最高。平行四桿機構主要由液壓缸，固定架及活動架等組成，如圖5所示。調節液壓缸的伸縮，從而實現活動架豎直平動。

1.船板　2.液壓缸　3.固定架　4.支撐桿 5.活動架　6、7.液壓缸一端　8.滑槽

2.5　割臺運動分析

收割船向前運動的同時，分禾機構對蒲草進行扶禾作業。首先，進行分禾的是在扶禾機構支撐板外的最低點A；然后，經過直線運動，完成經過A-B-C-D的扶禾，如圖6所示。

圖6中：A為開始扶禾作業的最低點；B為開始直線扶禾的最低點；C為結束直線扶禾的點；D為扶禾結束的最高點；α為圓弧扶禾段的夾角；V1為收割船前進速度；V2扶禾鏈的線性速度；L3為割刀從開始扶禾到切割時的前進距離；L4為扶禾鏈兩驅動盤中心距；L5為開始扶禾到結束扶禾的傾斜方向距離；θ為扶禾傾斜面與兩驅動盤中心連線的夾角，β為兩驅動盤中心線與水平面的夾角。

圖6　扶禾機構簡化分析圖

扶禾以后的蒲草被后置的割刀切割完成，最后由傳送機構進行輸送到收割船上。為了完成最大扶禾，當一個扶禾齒從最低點運動到最高點時，割刀正好完成最高點扶禾的蒲草切割。由圖6可得

(1)

化簡得

(2)

由式(2)可知：收割船的前進速度與扶禾速度成正比。其中，比例系數K1反映了扶禾質量。K1過小，扶禾鏈速度小引起扶禾工作段變小，蒲草穩定性變差，切割效果差；K1過大，扶禾鏈速度大引起割刀還未來得及切割已被完成扶禾，導致蒲草凌亂，后續割刀工作效果極差，應避免發生。

本收割船的各項作業主要依靠液壓缸來完成。為了達到理想的收割效果，液壓缸的準確調節是一個難題，因此液壓缸的伸縮量進行計算分析很有必要。如圖6所示，當割刀下降到一定距離切割更深的蒲草時，扶禾架整體下降，為使扶禾蒲草高度不變，需要對液壓缸3進行調節。由圖6可知

(3)

L5sin(θ+β)=H

(4)

由式(3)、式(4)求導得

-2X3dX3=-2L4L5sinθdθ

L5cos(θ+β)dX3=dH

兩式相除化簡得

(5)

3　收割試驗與結果

3.1　試驗基本條件

收割性能試驗在河北省中部的保定市安新縣白洋淀進行。試驗地屬于由海而湖，由湖而陸的反復演變而形成的湖泊，為沖積平原洼地。年平均降水量5522.7mm，平均氣溫12.1℃，日照2638.3h，無霜期203天。試驗地塊蒲草成熟后，蒲草收割船割臺收割作業。

試驗用蒲草為晚秋季節池沼域蒲草，莖出水面直立，高可達2.5m；葉二列式互生，長0.8～1.3m，寬4～10mm；花黃似蠟燭狀，高達2.5m，苞葉2～8片，早落。

3.2　試驗結果

本收割船實驗結果，如表2所示。

表2　收割船試驗性能結果

3.2.1扶禾高度及收割數

在白洋淀湖泊蒲草凌亂直立的情況下，收割質量完全滿足后期蒲草功能的農藝要求。表2中，平均扶禾高度為80cm，合格率為87%，標準差為0.91，變異系數為20.3。本收割船在收割過程中由于船體水中作業，導致播種變異系數偏大。

3.2.2蒲草切割截面

由表2可知：蒲草切割截面夾角平均為9°，合格率為95%，這種情況下更有利于蒲草切割機構的收割作業，保證了切割質量。測量結果表明：截面夾角不是水平面。其原因是先扶禾后切割產生了距離差。

3.2.3割臺可行性

本試驗在蒲草收割船工作速度4km/h的條件下測試兩行，每次測試割幅為120cm,收割效率明顯高于人工收割，可行性高。

4　結論

1)蒲草收割船通過平行四桿機構使得割臺保持水平工作狀態，割刀垂直切割蒲草，提高了切割質量和切割效率。

2)分禾機構和橫向輸送機構的設計使得蒲草切割整齊，鋪放整齊，減少大量繁瑣勞動。

3)液壓缸的伸縮量與割刀升降的計算，對智能化控制來實現收割滿足農藝要求研究具有重要意義。收割船扶禾機構，割刀等都有液壓缸，更好地增加了不同水域的適應性。

4)蒲草收割船割臺工作效率高，實現了機械化生產；但試驗過程中發現：割臺穩定性差，扶禾高度，切割效果還不能夠實現預想的效果， 需要進一步優化割臺機構，保持各構件之間的協調性和穩定性。