側(cè)輸出馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)計研究

趙　達(dá) ，王士軍 ，李學(xué)強(qiáng)，文永雙，楊澤原，程　琳

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博　255091；2.天成工程機(jī)械有限公司，山東 德州　253600)

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側(cè)輸出馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)計研究

趙達(dá) ，王士軍 ，李學(xué)強(qiáng)，文永雙，楊澤原，程琳

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255091；2.天成工程機(jī)械有限公司，山東 德州253600)

摘要：針對馬鈴薯收獲機(jī)向大型聯(lián)合收獲的發(fā)展趨勢，在參考了國內(nèi)外先進(jìn)機(jī)型的基礎(chǔ)上，結(jié)合馬鈴薯在我國種植的實際國情，設(shè)計完成并制造了4U-1700A型側(cè)輸出馬鈴薯收獲機(jī)。新型收獲機(jī)將原有的中間輸出方式改進(jìn)為單側(cè)輸出，并與馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)配套使用，減少了聯(lián)合收獲機(jī)歸壟行數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。為此，介紹該款收獲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，說明了主要技術(shù)參數(shù)和基本結(jié)構(gòu)的原理與功能。田間收獲試驗表明：該收獲機(jī)可以實現(xiàn)薯土徹底分離，并規(guī)則地平鋪在另一側(cè)相鄰兩壟之間，供聯(lián)合收獲機(jī)二次收獲，具有傷薯率低、漏收率低、工作性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，提高了勞動生產(chǎn)率。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯收獲機(jī)；側(cè)輸出；配合

0引言

近年來，隨著農(nóng)業(yè)進(jìn)程化的發(fā)展和農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)，馬鈴薯在我國的種植面積和總產(chǎn)量在逐年增長，目前均已經(jīng)居于世界前列。馬鈴薯既能當(dāng)作主食也可以當(dāng)作蔬菜，具有二者兼?zhèn)涞奶厣?，以馬鈴薯為原料的食品深加工業(yè)發(fā)展速度很快，因此對馬鈴薯的需求量逐年增加。但我國馬鈴薯收獲機(jī)械化處于非常低的水平，傳統(tǒng)上的人工收獲主要依靠人力進(jìn)行挖掘，明薯率低，費(fèi)時費(fèi)力，且馬鈴薯易受損害。使用機(jī)械化收獲馬鈴薯，生產(chǎn)效率高、明薯率高，適用于大面積種植，可提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益[1]。

目前，我國大部分農(nóng)村動力機(jī)械偏小，制約著馬鈴薯生產(chǎn)朝機(jī)械化、大型化發(fā)展。針對此問題，設(shè)計了一種側(cè)輸出方式的馬鈴薯收獲機(jī)。該機(jī)可一次性完成挖掘、薯土分離并可將馬鈴薯收獲后通過側(cè)輸出裝置將薯塊均布在右側(cè)相鄰兩壟之間。

該款機(jī)型明薯率高，薯土分離更加徹底，有利于人工揀拾。隨著馬鈴薯大面積種植，聯(lián)合收獲機(jī)的使用更加廣泛。為了提高聯(lián)合收獲機(jī)單次行走收壟行數(shù)，可將聯(lián)合收獲機(jī)與側(cè)輸出收獲機(jī)配套使用，以提高生產(chǎn)效率。

1總體構(gòu)造及工作原理

在總體結(jié)構(gòu)布局上，該機(jī)型首先保證機(jī)具性能穩(wěn)定、整體強(qiáng)度可靠及部件之間配置合理。

1.1　整體結(jié)構(gòu)組成及工作原理

4U-1700A型側(cè)輸出馬鈴薯收獲機(jī)主要由牽引架、導(dǎo)向限深裝置、傳動系統(tǒng)、挖掘鏟裝置及機(jī)架等組成，如圖1所示。

1.牽引架　2.傳動系統(tǒng)　3.切土盤裝置　4.壓帶輪

工作原理：收獲機(jī)牽引架與拖拉機(jī)后懸掛采用三點(diǎn)背負(fù)式連接,動力全部由拖拉機(jī)提供，行走和挖掘依靠拖拉機(jī)牽引，兩級土薯分離輸送鏈機(jī)構(gòu)動力來源于拖拉機(jī)動力輸出軸；鎮(zhèn)壓限深輪、挖掘鏟裝置的升降可由人工手動操縱；牽引裝置與拖拉機(jī)液壓懸掛裝置下拉桿相連，通過拖拉機(jī)液壓懸掛裝置調(diào)節(jié)收獲機(jī)機(jī)架的水平狀態(tài)。

工作時，拖拉機(jī)牽引整機(jī)靠地輪從動行走，鎮(zhèn)壓限深輪壓碎地表土塊并限定挖掘深度，兩側(cè)切土圓盤刀切開土壤中的莖蔓及雜草；薯塊及土壤等被挖掘鏟掘起后進(jìn)入一級土薯分離輸送裝置，經(jīng)一級鋼柵條土薯分離輸送帶的抖動、疏松、破碎，使小于鋼柵條間隙的土壤和夾雜物被篩下，莖稈、薯塊和大于桿條間距的土塊、地膜及夾雜物被輸送到一級分離裝置，絕大部分莖稈、雜草、地膜被彈性梳桿阻擋并沿梳桿下滑，在一級土薯分離輸送帶和一級莖稈分離摘輥的作用下被拋在地上；結(jié)塊土壤由一級土薯分離輸送帶落入二級土薯分離輸送帶后進(jìn)一步破碎，經(jīng)二級土薯分離輸送裝置的抖動篩分被完全篩下；分離輸送帶上的薯塊及尚未除去的莖稈、雜草、地膜等夾雜物經(jīng)過二級皮帶式莖稈分離裝置時，莖稈、雜草、地膜等易夾持物被皮帶和分離輸送帶夾持住強(qiáng)制拽落于地面，莖稈上未脫落的薯塊則被摘薯桿強(qiáng)制摘下，薯塊落入側(cè)輸出輸送機(jī)構(gòu)，并將馬鈴薯平鋪到右側(cè)倆壟壟溝之間。

1.2　主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)構(gòu)形式：背負(fù)式

外形尺寸(長寬高)/mm：4 462×1 860×554

機(jī)器質(zhì)量/kg：1600

配套動力/kW：≥54

適用行(壟)寬/mm：800～900

最大挖掘深度/mm：≥250

作業(yè)速度/km·h-1：≤25

明薯率%：≥98

振動器：機(jī)械式振動

2主要部分構(gòu)件的設(shè)計

2.1　挖掘機(jī)構(gòu)的設(shè)計

挖掘機(jī)構(gòu)由刀桿及挖掘鏟組成，考慮到幅寬及減少堵塞，挖掘鏟采用單壟3小鏟設(shè)計，每個小鏟由鏟體和鏟翼組成。挖掘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

1.曲臂　2.直管　3.鏟體　4.連接軸　5.鏟翼

此機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本原則是：在保證馬鈴薯收獲率及不傷薯的前提下，盡量減少挖掘阻力并防止堵塞。挖掘鏟調(diào)整范圍為27°～35°，可以將馬鈴薯連同土壤整幅寬挖起。采用這種結(jié)構(gòu)可有效降低挖掘阻力，提高傳動效率，設(shè)計鏟翼可以防止石塊等堅硬物體損壞輸送鏈。

挖掘鏟要求碎土性能好，入土?xí)r阻力小，保證挖掘起的土薯等順暢地運(yùn)送到輸送分離裝置上。因此，設(shè)計了單壟三小鏟的方式。鏟面傾角α對挖掘鏟的入土、碎土性能及挖掘阻力有關(guān)鍵性的影響，因此選擇合適的傾角α十分重要。對鏟面進(jìn)行受力分析得

P0cosα-F0-G0sinα≥0

(1)

N0-G0cosα-P0sinα=0

(2)

其中，P0為掘起物唄挖掘鏟移動所需的力；G0為掘起物在鏟面上的重力；N0為土壤對挖掘鏟的作用力；F0為土壤和鏟面之間的摩擦力，F(xiàn)0=u N0,u=tanφ；u為挖掘鏟和土壤之間的摩擦因數(shù)；φ為挖掘鏟和土壤的摩擦角。

(3)

由式(3)可以推出：鏟面傾角α越小，入土性能越好，挖掘阻力越小，但碎土性能變差，容易產(chǎn)生壅土現(xiàn)象;鏟面傾角α越大，碎土性能會提高，但入土性能會降低，挖掘阻力也會隨之升高，也容易產(chǎn)生壅土。因此，α應(yīng)設(shè)定在一個合理的范圍內(nèi)。通過多次收獲實驗表明：α在27°～35°范圍內(nèi)，機(jī)具行進(jìn)速度為4～6km/h時挖掘阻力較小，同時也能保證挖掘質(zhì)量。

鏟刃角度θ應(yīng)保證鏟刃將雜草及莖桿等滑離分開，因此θ應(yīng)滿足以下條件

(4)

其中，P0為鏟刃的阻力，F(xiàn)0為鏟刃受莖桿及雜草等的摩擦力。

F=u1R0u1=tanφ

(5)

其中，u1為挖掘鏟與雜草等的摩擦系數(shù)；φ為挖掘鏟與雜草等的摩擦角。

(6)

(7)

式中，如果θ過大，將不能切斷雜草及莖桿，可能會產(chǎn)生堵塞；如果θ過小，將使挖掘鏟阻力增大。根據(jù)公式計算，θ應(yīng)該在 95°～110°之間為宜。

2.2　圓盤刀機(jī)構(gòu)設(shè)計

圓盤刀主要由上下連接板、壓簧調(diào)節(jié)桿、固定板和切土盤等組成，如圖3所示。圓盤刀無動力驅(qū)動，主要用來將馬鈴薯藤枝及雜草等在彈簧的壓力下切斷，使挖掘部件利于挖掘，同時防止機(jī)具倆側(cè)莖蔓、雜草等纏繞堵塞,工作深度要與收獲深度相呼應(yīng)，應(yīng)該在3～8cm。圓盤刀機(jī)構(gòu)與鏟架橫梁采用U型連接，使其能夠沿著橫梁移動，從而根據(jù)收貨間距調(diào)整圓盤刀之間的距離。每個圓盤刀的工作深度可通過絲杠來調(diào)節(jié)，所有的圓盤刀必須設(shè)定一樣。如果在硬地上作業(yè)，犁刀達(dá)不到要求的收獲深度時，要調(diào)節(jié)小圓盤切刀的深度。主網(wǎng)與圓盤切刀之間的距離：長的或者粗的薯秧可能導(dǎo)致收獲時壅堵，圓盤切刀與主網(wǎng)會被薯秧卡住。在這種情況下，要將圓盤切刀與主網(wǎng)之間的距離調(diào)大。主網(wǎng)與切刀間的距離一般為15～30mm，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為20mm，兩邊的調(diào)節(jié)要一致。切土盤采用的鋼板規(guī)格為Φ645×6mm。

2.3　側(cè)輸出裝置設(shè)計

側(cè)輸出裝置由液壓馬達(dá)、傳動軸、膠輪及機(jī)架等組成，如圖4所示。由液壓馬達(dá)提供動力速度可以通過流量控制閥控制，速度取決于輸送馬鈴薯的多少。整個側(cè)輸出裝置與收獲機(jī)機(jī)架成角度為6°放置，保證馬鈴薯從輸送分離裝置輸送到側(cè)輸出裝置上均勻分布。通過此裝置，可將收獲的馬鈴薯平鋪到收獲機(jī)一側(cè)的壟溝里，既可以進(jìn)行人工撿拾，也可以與聯(lián)合收獲機(jī)配套使用。作為一種附加機(jī)構(gòu)，其成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、易于操作，對中小農(nóng)戶和大農(nóng)戶均適用。

1.上連接板　2.壓簧　3.調(diào)節(jié)桿　4.固定板　5.下連接板　6.切圖盤

1.液壓馬達(dá)　2.傳動軸　3.機(jī)架　4.膠輪

2.4　輸送分離機(jī)構(gòu)和機(jī)架的設(shè)計

輸送分離機(jī)構(gòu)主要由輸送分離篩及抖動輪組成，由鏈條來傳遞動力，主要由膠帶、鏈條、驅(qū)動輪、被動輪及抖動輪等5部分組成。輸送帶由橡膠齒狀驅(qū)動輪驅(qū)動，與鋼柵條恰好嚙合，工作過程中磨損輕、使用可靠、壽命長且傷薯率低。抖動輪可抖動輸送分離篩，幫助分離土豆和土，振動器要與土壤條件適應(yīng)。

機(jī)架要保證足夠的剛度和強(qiáng)度，保證各部件在機(jī)架中合理布置及整機(jī)適應(yīng)不同土質(zhì)，有一定的通過能力。輸送分離裝置主要將挖掘鏟收起物中的土壤、薯塊、薯秧和雜草等分離，其結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動參數(shù)對土薯分離率及傷薯率有直接的影響，該機(jī)型設(shè)計有兩級輸送分離裝置。輸送分離裝置的3個主要運(yùn)動參數(shù)為線速度、振動幅度及振動頻率。一般情況下，根據(jù)鋼柵條帶的線速度V1與機(jī)具行進(jìn)速度V2的比值λ來確定鋼柵條帶的線速度，則

λ=V1/V2

(8)

在選擇鋼柵條帶的線速度時應(yīng)因地制宜，根據(jù)不同的土壤條件，馬鈴薯的種類及拖拉機(jī)的動力進(jìn)行選擇。根據(jù)以往的試驗表明：鋼柵條帶的線速度V≈1.1～1.8m/s時分離效率較高；超出這一范圍，會造成薯塊在鋼柵條上產(chǎn)生相對滑動，造成破皮現(xiàn)象，也會對機(jī)具造成損壞。因此，在避免壅土并且減小破皮率的前提下，λ取值略大于1。試驗表明：在保證收獲質(zhì)量和生產(chǎn)效率的雙重前提下，機(jī)具作業(yè)速度控制在4～6km/h為宜，對應(yīng)鋼柵條的線速度為1.1～1.7m/s。

3田間收獲試驗

2014年9月，在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市商都馬鈴薯種植基地進(jìn)行樣機(jī)田間收獲試驗，選用配套動力58.8kW的拖拉機(jī)牽引，作業(yè)速度控制在4～6km/h。在收獲試驗期間，純工作時間生產(chǎn)率0.4～0.8hm2/h，明薯率≥96%，傷薯率≤1.5%，破皮率≤2%。 田間收獲試驗結(jié)果表明：側(cè)輸出馬鈴薯收獲機(jī)各項指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，明薯率明顯高于國家標(biāo)準(zhǔn)，傷薯率遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，側(cè)輸出收獲機(jī)各項指標(biāo)均達(dá)到了馬鈴薯收獲的農(nóng)藝要求，說明帶有側(cè)輸出裝置的馬鈴薯收獲機(jī)性能可靠、故障率低，達(dá)到了設(shè)計要求。

4結(jié)論

介紹了一種側(cè)輸出馬鈴薯收獲機(jī)，通過田間試驗表明：該收獲機(jī)達(dá)到了設(shè)計預(yù)期，一次收獲作業(yè)可完成馬鈴薯挖掘、薯土分離，并通過側(cè)輸出裝置平鋪到右側(cè)兩壟之間。該機(jī)型各個部件布置合理，可調(diào)部件調(diào)整方便、適應(yīng)性強(qiáng)，性能達(dá)到了設(shè)計預(yù)期要求。

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Structural Design and Calculation of Side Output Potato Harvester

Zhao Da， Wang Shijun， Li Xueqiang, Wen Yongshuang, Yang Zeyuan， Cheng Lin

(1.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255091, China; 2.Tiancheng Construction Machinery Co.Ltd., Dezhou 253600, China)

Abstract：Aiming at the development trend of the potato harvester to the large scale ，in reference to the basis of the advanced models, combined with the actual situation of China's potato planting, design and manufacture of the 1700A-type-side output potato harvester. The new harvester will improve the existing intermediate output unilateral output, and with supporting the use of potato harvester, combine harvester owned by reducing the number of ridge lines, improve production efficiency. The basic structure and operating parameters which harvester, the principle and function of the main technical parameters and the basic structure. After the design is complete harvest field tests show: The potato harvesting machine can achieve complete separation of the soil, and was tiled rule on the other side between two adjacent ridges, combine harvester for the second harvest. Potato have hurt low-drain low yield, stable performance advantages, improve labor productivity .

Key words：potato harvester; side output; coordination

中圖分類號：S225.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0101-04

作者簡介：趙達(dá)(1989-)，男，山東德州人，碩士研究生，(E-mail)358498338@qq.com。通訊作者：王士軍(1969-),男，山東菏澤人，副教授，(E-mail)Wsjwang2008@126.com。

基金項目：山東省技術(shù)創(chuàng)新項目(201320113013)

收稿日期：2015-07-08