一種小型馬鈴薯撿拾機的研制與試驗

時　永，閆小麗，朱瑞祥，李　江，黃閃閃，劉　源

(西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西 楊凌 712100)

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一種小型馬鈴薯撿拾機的研制與試驗

時永，閆小麗，朱瑞祥，李江，黃閃閃，劉源

(西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西 楊凌 712100)

目前國內應用較為普遍的馬鈴薯挖掘機將薯塊挖掘條鋪后需人工撿拾，工作效率低、勞動強度大。針對以上問題，設計了一種與30 kW拖拉機配套的小型馬鈴薯撿拾機。該機主要由撿拾裝置、薯土分離裝置、薯塊升運裝置、薯塊收集裝置等幾部分組成，制作了樣機并進行了田間試驗。試驗表明：該機薯土分離徹底，機組純工作小時生產率為0.35～0.38 hm2·h-1，平均傷薯率為4.4%，漏薯率為2.1%，含雜率為6.3%。

馬鈴薯收獲；撿拾機；研制

馬鈴薯是繼水稻、小麥、玉米之后的第四大糧食作物，具有營養(yǎng)豐富、適應性強、產量高、用途廣等特點[1-5]。發(fā)達國家馬鈴薯收獲早已實現(xiàn)了機械化，且技術先進[6-12]。中國是馬鈴薯種植面積最大的國家，超過550萬hm2，總產量約0.8億t，居世界首位[13-17]，但占生產總用工40%～45%的馬鈴薯收獲作業(yè)仍主要靠人畜力完成[18-19]，機械化程度很低。

目前，我國馬鈴薯收獲機械大致分為兩種[20-23]：一是聯(lián)合收獲，一次性完成挖掘、分離輸送、收集等工作，可大大降低勞動強度，收獲效率很高，這是馬鈴薯機械化收獲的未來發(fā)展趨勢。但就目前而言，我國馬鈴薯種植區(qū)以中小地塊為主，而現(xiàn)有的幾種聯(lián)合收獲機多為大型機械，尺寸大，在中小地塊調頭困難，只適用于大面積地塊作業(yè)[24]；機具重量大，易壓實土壤；價格較高，用戶購機成本高。因此，聯(lián)合收獲機短時間內難以在我國大面積推廣應用。二是分段收獲，即機器挖掘加人工撿拾，這是我國現(xiàn)階段采用的主要收獲方式[19,25-27]。目前，馬鈴薯挖掘機有多種類型，應用普遍，但功能大同小異，只能將薯塊挖掘后條鋪于地表，在一定程度上提高了生產效率，減輕了勞動強度，但后續(xù)的撿拾工作完全依靠人工進行，生產效率仍較低，勞動強度很大，這種半機械化的方式不能完全滿足馬鈴薯機械化收獲的需求[28-33]；加之勞動力季節(jié)性短缺、成本增加等問題日益突出[34]，迫切需要設計一種能夠代替人工撿拾的馬鈴薯撿拾機械。為此，本研究開發(fā)了一種體積小、重量輕、價格低，尤其適應中小地塊的小型馬鈴薯撿拾機，該機可大大提高收獲效率，節(jié)省勞動力，降低收獲成本，具有一定實用性和先進性，能滿足我國馬鈴薯機械化收獲的需要。

1　整機結構及主要技術參數(shù)

1.1整機結構及工作原理

設計的小型馬鈴薯撿拾機主要由撿拾裝置、薯土分離裝置、薯塊升運裝置、薯塊收集裝置、傳動系統(tǒng)、液壓裝置以及支撐輪、機架等部件組成，其結構如圖1所示。

注：1.彈性橡膠擋簾； 2.箱底提升滑輪； 3.箱底提升架； 4.集薯箱； 5.活動箱底； 6.箱底提升液壓缸； 7.卸料口； 8.支撐輪； 9.過渡耙齒； 10.桿條式分離輸送鏈； 11.仿形輪； 12.撿拾鏟； 13.防漏薯柵條； 14.仿形輪高度調節(jié)機構； 15.機架； 16.液壓泵； 17.傳動箱； 18.連接架； 19.升運耙； 20.除雜刀組； 21.升降軌道； 22.升運鏈

Note: 1. Elastic rubber check curtain; 2. Lifting block of box bottom； 3. Lifting frame of box bottom； 4. Potato collecting box； 5. Mobile box bottom； 6. Lifting hydrocylinder of box bottom； 7. Discharge port； 8. Stabilizing wheel； 9. Transition tine； 10. Bar type separating and conveying chain； 11. Copying wheel； 12. Pickup shovel； 13. Bars of preventing leakaging potato； 14. Height adjustment mechanism of copying wheel； 15. Rack； 16. Hydraulic pump； 17. Transmission case； 18. Connecting frame； 19. Hoisting rake； 20. Knife set； 21. Lifting orbit； 22. Hoisting chain

圖1小型馬鈴薯撿拾機結構示意圖

Fig.1Structure diagram of the small potato pickup machine

該小型馬鈴薯撿拾機采用牽引式與拖拉機連接，動力由拖拉機后動力輸出軸提供。仿形輪控制撿拾鏟入土深度并隨地表起伏做同步仿形，防漏薯柵條將薯帶邊緣處的薯塊向中間收攏，薯土混合物經撿拾裝置喂入桿條式分離輸送鏈上，土壤由桿條間隙落回地表，薯塊則輸送至過渡耙齒上，被升運耙向上托送，到最高位置后拋離升運耙，與彈性橡膠擋簾相撞，落入集薯箱。操作液壓手柄，使活動箱底每次下降預設高度，待集薯箱裝滿薯塊后，將機具停至地頭卸料。

1.2主要技術參數(shù)

主要技術參數(shù)如表1所示。

表1　小型馬鈴薯撿拾機主要技術參數(shù)

2　關鍵部件設計

2.1撿拾裝置設計

撿拾鏟工作傾角α關系到機具工作阻力、撿拾鏟長度以及薯塊撿拾難易程度；恰當且穩(wěn)定的入土深度l是撿拾作業(yè)順利進行的關鍵。為確定以上兩個關鍵參數(shù)，結合薯塊在地表的分布深度，如圖2所示，設計并制造了試驗臺，如圖3所示。經查閱文獻及大量試驗，確定撿拾鏟工作傾角α=30°，入土深度l=40～60 mm。

圖2　撿拾前薯帶分布示意圖

注：1.桿條式分離輸送鏈； 2.長攪土齒； 3.短攪土齒； 4.撿拾鏟； 5.防漏薯柵條； 6.仿形輪； 7.仿形輪高度調節(jié)機構

Note: 1. Bar type separating and conveying chain; 2. Long mixing soil tooth; 3. Short mixing soil tooth; 4. Pickup shovel; 5. Bars for potato leakage prevention; 6. Copying wheel; 7. Height adjustment mechanism of copying wheel

圖3撿拾裝置試驗臺

Fig.3Test bed of the potato pickup unit

根據(jù)薯塊在地表的分布寬度，如圖2所示，確定撿拾裝置作業(yè)幅寬為500 mm。撿拾鏟由鏟片和滑薯柵條焊接組成，參照馬鈴薯挖掘機挖掘鏟的尺寸及試驗，鏟片長度與撿拾裝置作業(yè)幅寬相同，為500 mm，寬度為l1=60 mm，選用耐磨的中碳鋼65Mn制造；滑薯柵條選用直徑為10 mm的圓鋼，長度為l2=190 mm，根據(jù)設計要求中馬鈴薯最小方向尺寸，確定柵條間隙為30 mm。

本設計利用仿形輪及其高度調節(jié)機構來滿足地形變化對撿拾鏟鏟尖與仿形輪行走地面的垂向距離可調的要求，且保證撿拾深度穩(wěn)定。參閱資料[35]及田間試驗，確定仿形輪直徑為300 mm，寬度為40 mm，結構如圖3所示。

2.2薯土分離裝置設計

薯土分離裝置結構如圖3所示，主要部件為桿條式分離輸送鏈[36]，即將直徑為10 mm的圓鋼用螺栓連接固定在雙耳鏈條上，其工作傾角β、有效輸送距離L及線速度v1是影響薯土分離及薯塊輸送的關鍵參數(shù)。利用撿拾裝置試驗臺進行試驗，確定桿條式分離輸送鏈工作傾角β=25°。為了保證輸送順暢，在分離輸送鏈桿條上裝有一定數(shù)量按規(guī)律排列的長、短攪土齒，長度分別為50、25 mm。本文取機具最小離地間隙Hmin=250 mm；輸送鏈寬度與撿拾鏟長度相同，為500 mm。撿拾、分離輸送裝置簡圖如圖4所示，有效輸送距離L可由下式確定。最終取L=600 mm。

圖4撿拾、輸送裝置示意圖

Fig.4Schematic diagram of the potato pickup and

transportation unit

L=[Hmin+l-(l1+l2)sinα]/sinβ

(1)

式中，Hmin為機具最小離地間隙，mm；l為撿拾鏟入土深度，mm；l1為撿拾鏟鏟片寬度，mm；l2為撿拾鏟滑薯柵條長度，mm；α為撿拾鏟工作傾角，°；β為桿條式分離輸送鏈工作傾角，°。

薯塊在撿拾鏟和分離輸送鏈上的運動如圖5所示，桿條式分離輸送鏈線速度v1可由下式確定：

v1=v機/cosαcos(α-β)

(2)

式中，v機為動力機前進速度，km·h-1；α為撿拾鏟工作傾角，°；β為桿條式分離輸送鏈工作傾角，°。

圖5薯塊運動示意圖

Fig.5Schematic diagram of potato movement

根據(jù)式(2)計算結果并利用撿拾裝置試驗臺進行檢驗，確定桿條式分離輸送鏈線速度v1=2.2 km·h-1。

2.3薯塊升運裝置設計

薯塊升運裝置結構如圖6所示，在鋼絲繩作用下沿軌道移動，軌道與鉛垂面呈10°夾角，既可防止薯塊在升運過程中滾落，又利于薯塊脫離升運耙。工作時，將薯塊升運裝置下落至最低點，與過渡耙齒配合，將薯塊托送至集薯箱。單個薯塊的平均尺寸為：長度60～120 mm，寬度46～75 mm，厚度37～58 mm[37]，通過實地測量統(tǒng)計薯塊最大方向尺寸，如表2所示，確定相鄰兩升運耙之間的距離為150 mm，耙齒長度為120 mm；根據(jù)設計要求中馬鈴薯最小方向尺寸，取耙齒間隙為30 mm；薯塊升運裝置后上方裝有彈性橡膠擋簾。

注：1.彈性橡膠擋簾； 2.升運鏈； 3.除雜刀組； 4.升運架； 5.過渡耙齒； 6.液壓泵； 7.傳動箱； 8.升運耙； 9.側板

Note: 1. Elastic rubber check curtain; 2. Hoisting chain; 3. Knife set; 4. Hoisting frame; 5. Transition tine; 6. Hydraulic pump; 7. Transmission case; 8. Hoisting rake; 9. Side panel

圖6　薯塊升運裝置結構示意圖

2.4薯塊收集裝置設計

薯塊收集裝置主要由集薯箱、箱底提升液壓缸和滑輪組件等組成，結構如圖7所示。集薯箱尺寸(長×寬×高)為1000 mm×800 mm×900 mm。薯塊安全下落高度 是影響集薯傷薯率的關鍵參數(shù)。根據(jù)跌落損傷試驗測得，當馬鈴薯下落高度小于300 mm時，馬鈴薯損傷率小于3%，而本文中箱體高度為900 mm，因此，設計了可沿箱壁升降的活動箱底，由液壓缸及滑輪組件帶動。操作液壓手柄，使活動箱底每次下降300 mm，直至集薯箱內裝滿薯塊。

注：1.箱底提升滑輪； 2.集薯箱； 3.活動箱底； 4.箱底提升液壓缸； 5.箱底提升架； 6.卸料口

Note: 1. Lifting block of box bottom; 2. Potato collecting box; 3. Mobile box bottom; 4. Lifting hydrocylinder at box bottom; 5. Lifting frame of box bottom; 6. Discharge port

圖7薯塊收集裝置結構示意圖

Fig.7Structural diagram of potato collecting unit

3　田間試驗

3.1試驗條件

2014年9月在青海省平安縣進行了田間樣機撿拾試驗。試驗地地勢平坦，為沙壤土壟播旱地，含水率約為20%。試驗前一周植株經割秧處理，先由雙行馬鈴薯挖掘機將薯塊挖出，條鋪于地表，薯條分布情況如圖2所示，然后進行撿拾試驗。試驗區(qū)長度為70 m，寬度約為40 m，馬鈴薯品種為青海2號(白皮)和青海9號(紅皮)。試驗地壟高200 mm，壟底寬700 mm，壟頂寬400 mm，雙排種植，排距150 mm，株距400 mm，壟形如圖8所示。試驗配套動力為約翰迪爾JD—404型拖拉機，樣機田間試驗如圖9所示。

圖8　試驗地壟形示意圖

圖9樣機田間試驗

Fig.9Field test on the prototype

3.2試驗方法

按照國家行業(yè)標準的規(guī)定進行撿拾試驗[38]。試驗時，機器行進速度2 km·h-1，撿拾鏟鏟面傾角30°，以30 m長的薯帶為一個試驗區(qū)，每種薯均重復試驗3次，每次試驗完成后測定機組純工作小時生產率、傷薯率、漏薯率、含雜率4個指標，考察撿拾機薯塊撿拾、薯土分離、薯塊輸送、薯塊收集及卸料、傳動系統(tǒng)、液壓操縱裝置等各部分及整機的工作性能。另外，對最小尺寸小于30 mm的馬鈴薯不予考慮。

3.3試驗結果

小型馬鈴薯撿拾機田間試驗主要性能指標如表3所示。

試驗結果表明：該機適合在土質松軟、無板結的沙壤土條件下進行馬鈴薯撿拾。薯塊撿拾、輸送順暢，薯土分離效果明顯，整機性能穩(wěn)定，可大大提高生產效率，減輕勞動強度。機組純工作小時生產率為0.35～0.38 hm2·h-1，撿拾傷薯率為4.4%，漏薯率為2.1%，含雜率為6.3%，除含雜率外，其它指標均達到國家行業(yè)標準。

表3　小型馬鈴薯撿拾機田間試驗主要性能參數(shù)

存在的主要問題：部分根系隨薯塊進入集薯箱，導致含雜率偏高，可通過增加莖稈清除裝置加以解決。

4　結　論

1) 小型馬鈴薯收獲機對中小地塊適應性強，可大大提高生產效率，減輕勞動強度，在當前小型挖掘機普遍應用、馬鈴薯收獲機械化程度日益提高的背景下，本設計小型馬鈴薯撿拾機具有廣闊的應用前景。

2) 本設計小型馬鈴薯撿拾機撿拾鏟工作傾角為30°，入土深度為40～60 mm；薯土分離裝置寬度為500 mm，長度為600 mm；桿條式薯塊輸送鏈線速度為2.2 km·h-1，工作傾角25°；馬鈴薯安全下落高度為30 mm。

3) 本設計小型馬鈴薯撿拾機機組純工作小時生產率為0.35～0.38 hm2·h-1，傷薯率為4.4%，漏薯率為2.1%，含雜率為6.3%，含雜率高于國家相關標準。該機性能穩(wěn)定，能夠完成馬鈴薯挖掘、條鋪后的撿拾、輸送和收集，滿足設計要求。

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Design and test of a small potato pickup machine

SHI Yong, YAN Xiao-li, ZHU Rui-xiang, LI Jiang, HUANG Shan-shan, LIU Yuan

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Currently, the domestic potato excavator can only excavate the potatoes, but it can’t pick them up, which requires additional human labor, resulting in low working efficiency and high labor intensity. To address these problems, this paper discusses a design of a small potato pickup machine which is compatible with the 30 kw tractor. This machine is mainly composed of pickup device, potato soil separation device, potato elevator device and potato collection device. The prototype has been finished and the test was carried out in the field. The test showed that it could separate potato and soil thoroughly. The pure hour productivity was 0.35～0.38 hm2·h-1, the average damaged potatoes rate was 4.4%, the potato leakage rate was 2.1%, and the impurity rate was 6.3%, demonstrating that it has a broad application prospect.

potato harvesting; potato pickup; research

1000-7601(2016)04-0287-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.43

2015-07-07

楊陵示范區(qū)科技計劃項目

時永(1988—)，男，河北唐山人，碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代農業(yè)裝備技術。 E-mail：shiliuxiabeizi@163.com。

朱瑞祥(1956—)，男，陜西三原人，教授，碩士生導師,主要從事農業(yè)機械化技術及裝備研究。 E-mail：zrxjdxy2006@sohu.com。

S225.2+3

A