自走式麻山藥收獲機(jī)的研究

宋帥帥，楊 欣，馮曉靜，殷夢(mèng)杰，何建華

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000)

自走式麻山藥收獲機(jī)的研究

宋帥帥，楊 欣，馮曉靜，殷夢(mèng)杰，何建華

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000)

針對(duì)麻山藥人工收獲效率低、傷根及收獲標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題，設(shè)計(jì)了專用的麻山藥收獲機(jī)。該機(jī)采用鏈?zhǔn)介_溝自走方式進(jìn)行作業(yè)，可同時(shí)平整土地、收獲山藥、自動(dòng)填溝，是一種多功能麻山藥收獲機(jī)。田間試驗(yàn)和收獲作業(yè)表明：收獲機(jī)作業(yè)過程中性能穩(wěn)定、效率高，收獲麻山藥根系完整、破損率低、開溝質(zhì)量及翻振效果良好，作業(yè)質(zhì)量符合農(nóng)藝要求。該機(jī)具的設(shè)計(jì)為產(chǎn)業(yè)化麻山藥收獲提供了技術(shù)支持。

麻山藥；收獲機(jī)；機(jī)械化；鏈?zhǔn)介_溝

0 引言

麻山藥是藥食兩用無公害作物，其蛋白質(zhì)含量高而含糖量低，種植投資少且產(chǎn)量高，近幾年市場(chǎng)需求量逐漸增大，在河北、山東、河南等省份均有較大面積種植，發(fā)展前景廣闊[1]。麻山藥的塊莖呈長(zhǎng)圓柱形，垂直向地下生長(zhǎng)，深度可達(dá)1m以上。麻山藥挖掘收獲絕大多數(shù)依靠人工刨溝采收，占用大量的勞動(dòng)力，增加了勞動(dòng)成本，影響了生產(chǎn)效率，不能滿足市場(chǎng)的大批量需求[2]。由于麻山藥特殊的生長(zhǎng)環(huán)境和自身生長(zhǎng)特點(diǎn)，其機(jī)械化收獲發(fā)展一直處于緩慢時(shí)期。近幾年，絕大多數(shù)農(nóng)戶開始借用單純的開溝機(jī)進(jìn)行輔助開溝作業(yè)，但塊莖受損度較高，農(nóng)戶也處在觀望狀態(tài)，等待更好的收獲方式出現(xiàn)，因此麻山藥收獲亟待實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。針對(duì)此問題，對(duì)麻山藥的收獲環(huán)節(jié)進(jìn)行了技術(shù)調(diào)研，根據(jù)麻山藥種植戶收獲要求，結(jié)合農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了麻山藥收獲機(jī)。

1 總體結(jié)構(gòu)

在整機(jī)結(jié)構(gòu)布局上，首先要考慮機(jī)具作業(yè)條件和機(jī)具性能的穩(wěn)定性，結(jié)合作業(yè)特點(diǎn)及實(shí)際作業(yè)中裝卸和安裝是否方便等因素對(duì)整機(jī)做出合理布局，要求適用性、通過性良好、結(jié)構(gòu)緊湊[3]。麻山藥收獲機(jī)主要工作部件包括推土機(jī)構(gòu)、駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架、覆土回填機(jī)構(gòu)、開溝器和土壤翻振機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

1.1 工作過程與特點(diǎn)

麻山藥收獲機(jī)采用自走鏈軌式行走，與103kW發(fā)動(dòng)機(jī)配套，動(dòng)力充足，性能穩(wěn)定。收獲機(jī)作業(yè)前，確認(rèn)連接與安裝部件連接安全。收獲機(jī)進(jìn)田前，先調(diào)節(jié)翻振機(jī)構(gòu)于升起狀態(tài)，便于開溝器入土，并通過駕駛室控制調(diào)整機(jī)具平行于作業(yè)路線并保證開溝機(jī)構(gòu)位于麻山藥兩側(cè)。為便于作業(yè)，機(jī)具前端的整土機(jī)構(gòu)開出平坦的作業(yè)路線，開溝裝置在山藥兩側(cè)挖出深溝，土壤翻振機(jī)構(gòu)跟隨機(jī)具在麻山藥下方進(jìn)行振動(dòng)翻土，將麻山藥完整托出土面。該機(jī)作業(yè)是進(jìn)行麻山藥根部土壤松動(dòng)，作業(yè)開始時(shí)開溝鏈轉(zhuǎn)動(dòng)入土，翻振機(jī)構(gòu)隨其后入土開始作業(yè)，從山藥的底部和兩側(cè)實(shí)現(xiàn)多方位的松動(dòng)。作業(yè)過程中，收獲機(jī)自動(dòng)回填機(jī)構(gòu)將開溝鏈附帶的土經(jīng)運(yùn)輸帶回填到上一行程產(chǎn)生的溝，實(shí)現(xiàn)覆土回填功能；隨著機(jī)具前進(jìn)，只需人工將松動(dòng)的麻山藥拾取放到一邊，不妨礙機(jī)具往返作業(yè)路線即可。該機(jī)適用性良好，操作簡(jiǎn)單，主要有以下3個(gè)特點(diǎn):

1) 可同時(shí)收獲兩行，中間鏈條配合振動(dòng)鏟對(duì)麻山藥底部進(jìn)行充分松動(dòng)；

2) 機(jī)具液壓轉(zhuǎn)向代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)向，采用液壓控制，方便可靠;

3)可同時(shí)平整土地、收獲山藥、自動(dòng)填溝，極大地降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2 主要參數(shù)

麻山藥收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 主要工作部件及工作性能

2.1 鏈?zhǔn)介_溝器

鏈?zhǔn)介_溝器縱向開溝時(shí)，鏈刀的刀齒主要受到兩種力，分別是動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)力及開挖土壤所受到的阻力。開溝作業(yè)中，兩種力同時(shí)施加在鏈條上，鏈刀上的刀齒部分必然會(huì)發(fā)生小幅度晃動(dòng)。經(jīng)研究，為了確保開溝質(zhì)量，應(yīng)盡量減小鏈刀在開溝過程中的振動(dòng)，對(duì)鏈刀的線速度在設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行一定的限定[4]。根據(jù)國外研究人員進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，鏈?zhǔn)介_溝方式的開溝鏈對(duì)于沙性土來說，鏈速不宜過高，一般為 1.0～2.0m/s[5]。經(jīng)綜合分析，設(shè)計(jì)開溝裝置基本參數(shù)如表2所示。

1.推土機(jī)構(gòu) 2.駕駛室 3.發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng) 4.機(jī)架 5.覆土回填機(jī)構(gòu) 6.開溝器 7.土壤翻振機(jī)構(gòu)圖1 自走式麻山藥收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of hemp yam harvester表1 主要參數(shù) Tabl 1 The main parameters

參數(shù)單位數(shù)值機(jī)長(zhǎng)mm5200機(jī)寬mm1940機(jī)高mm2500發(fā)動(dòng)機(jī)功率kW103入土最大深度mm1200作業(yè)速度m/h130作業(yè)幅寬mm800

表2 開溝裝置基本參數(shù)

為了保證開溝質(zhì)量，要求開溝裝置與機(jī)組行走速度和動(dòng)力輸出系統(tǒng)相匹配。作為收獲機(jī)主要工作部件，其材料的選用也很重要?；诓牧厦芏取O限強(qiáng)度、泊松比和耐磨性等，結(jié)合材料造價(jià)和可維護(hù)性，選用65Mn鋼。優(yōu)質(zhì)65Mn剛性好，耐磨損，最常用于農(nóng)機(jī)部件中的觸土工作部件[ 6-7]。開溝裝置應(yīng)在保證開溝掘土性能的前提下較少增加整機(jī)質(zhì)量，阻力最小，節(jié)省材料，降低生產(chǎn)成本。

2.2 土壤翻振機(jī)構(gòu)

土壤翻振機(jī)構(gòu)是麻山藥收獲機(jī)關(guān)鍵部件，關(guān)鍵在于振動(dòng)鏟作業(yè)于麻山藥兩側(cè)進(jìn)行振動(dòng)松土。振動(dòng)鏟采用兩側(cè)式，保證不傷及麻山藥的根系，降低破損率。該機(jī)構(gòu)由振動(dòng)鏟、偏心機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖2所示。同時(shí)，設(shè)計(jì)了撥土裝置，其作用是將已松動(dòng)麻山藥聚集到中間位置，便于人工拾取。

2.3 覆土自動(dòng)回填機(jī)構(gòu)

覆土自動(dòng)回填機(jī)構(gòu)將所挖深溝進(jìn)行土壤自動(dòng)回填，極大地方便后期的人工作業(yè)和土地平整。該機(jī)構(gòu)利用開溝刀切削土壤產(chǎn)生的阻力將土壤刨到輸送帶上，隨輸送帶運(yùn)動(dòng)到機(jī)構(gòu)一側(cè)。在土壤輸送一側(cè)，設(shè)置可調(diào)節(jié)擋土板，通過調(diào)節(jié)卡板控制擋土板。通過擋土板的作用，可變化輸送帶上的土被拋出去的距離。農(nóng)戶可根據(jù)自身需求設(shè)定卡板的位置,完成土壤自動(dòng)回填。覆土自動(dòng)回填機(jī)構(gòu)如圖3所示。

1.偏心機(jī)構(gòu) 2.撥土裝置 3.振動(dòng)鏟 4.擺臂圖2 土壤翻振機(jī)構(gòu)Fig.2 Soil vibration turning mechanism

圖3 覆土自動(dòng)回填機(jī)構(gòu)Fig.3 The backfill mechanism of Soil covering automatic

3 試驗(yàn)與結(jié)果

在河北蠡縣試驗(yàn)田進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，檢驗(yàn)麻山藥收獲機(jī)的性能和作業(yè)質(zhì)量，圖4為田間試驗(yàn)情況。試驗(yàn)田面積0.08hm2，土質(zhì)為黃沙土。麻山藥類型為小白嘴山藥，設(shè)定開溝深度為1 200mm，寬度800mm。

圖4 田間試驗(yàn)Fig.4 The field test

3.1 測(cè)試方法

對(duì)每一行程開溝深度、開溝寬度及塊莖完整度進(jìn)行記錄，抽取其中的4組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)收獲機(jī)在作業(yè)過程中的性能檢測(cè)記錄，來檢驗(yàn)收獲機(jī)的性能指標(biāo)和破損率是否符合農(nóng)藝要求。

3.2 測(cè)試結(jié)果

隨機(jī)抽取4個(gè)行程作業(yè)情況記錄，每個(gè)行程中包括隨機(jī)抽取的 4 組數(shù)據(jù)。機(jī)具作業(yè)性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示，破損率測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 機(jī)具性能統(tǒng)計(jì)

利用下列公式進(jìn)行計(jì)算，具體如下:

單個(gè)行程的平均開溝深度為

4 個(gè)行程的平均開溝深度為

每個(gè)行程的開溝深度變異系數(shù)為

4 個(gè)行程的開溝深度變異系數(shù)為

每個(gè)行程開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為

u=1-υ

4 個(gè)行程開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為

um=1-υm

每個(gè)行程的開溝深度標(biāo)準(zhǔn)差為

4 個(gè)行程的開溝深度標(biāo)準(zhǔn)差為

式中αi—各測(cè)點(diǎn)的測(cè)定開溝深度;

談職業(yè)信息采集與大學(xué)生就業(yè)………………………………………………………………………………………田孝彥（3.74）

n—每行程的測(cè)定點(diǎn)數(shù)；

nm—4個(gè)行程的測(cè)定點(diǎn)數(shù);

υ、υm—開溝深度變異系數(shù);

s、sm—開溝深度標(biāo)準(zhǔn)差;

u、um—開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)。

表4 破損率測(cè)試表

續(xù)表4

將記錄數(shù)據(jù)通過下列公式進(jìn)行計(jì)算，具體如下:

每個(gè)行程的平均破損率為

4 個(gè)行程的平均開溝深度為

式中bi—各測(cè)點(diǎn)的破損率;

n—每行程的測(cè)定點(diǎn)數(shù);

nm—4個(gè)行程的測(cè)定點(diǎn)數(shù);

計(jì)算結(jié)果為：收獲機(jī)破損率b=2.7%。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)和作業(yè)情況表明：該機(jī)開溝深度比較穩(wěn)定，變異系數(shù)較小，收獲麻山藥完整度較高，作業(yè)速度快，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過實(shí)地調(diào)研和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，針對(duì)收獲麻山藥這一技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了自走式麻山藥收獲機(jī)。該機(jī)可同時(shí)平整土地、收獲山藥、自動(dòng)填溝，是一種多功能麻山藥收獲機(jī)。田間試驗(yàn)表明：收獲機(jī)破損率在5%以下，滿足農(nóng)藝要求。

[1] 梁學(xué)強(qiáng)，張景崎，翟雯雯，等.山藥收獲機(jī)械化技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2012(13):42,45.

[2] 閆帥華，劉文君，劉憶，等.山藥收獲機(jī)械化研究的現(xiàn)狀分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2016(18)：190-192.

[3] 路志坤，劉俊峰，李建平，等.蘋果樹起苗機(jī)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(2):55-61.

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[5] 曾德超.機(jī)械土壤動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

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[7] 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院．農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))[K]．北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007．

Study of the Yam Harvester

Song Shuaishuai,Yang Xin, Feng Xiaojing, Yin Mengjie, He Jianhua

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China)

In view of the problems of low efficiency of artificial harvesting, the injury of root and the standard of harvest, the special purpose of the flax yam harvester was designed. This machine adopts the chain trencher self-propelled operation means. Field test and harvesting operation showed that harvest machine has stable performance, high efficiency, harvest Yam Root integrity, quality and good effect on vibration of ditching, work quality meets the agronomic requirements. The design of this machine is to provide technical support for the industrial production of yam.

hemp yam; harvest machine; mechanical; chain ditcher

2016-11-28

國家蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系果園機(jī)械崗項(xiàng)目(CARS-28)

宋帥帥(1990-),男，河北邯鄲人，碩士研究生，(E-mail) 540214667@qq.com。

楊 欣(1976-)，男，河北定州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)yangxin@hebau.edu.cn。

S225.7+2

A

1003-188X(2018)02-0080-05