馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與研制

戚江濤，蒙賀偉，李成松，坎 雜，李亞萍，陳紹杰，閆海峰

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子開(kāi)發(fā)區(qū)銳益達(dá)機(jī)械裝備有限公司，新疆 石河子 832000)

馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與研制

戚江濤1，蒙賀偉1，李成松1，坎 雜1，李亞萍1，陳紹杰2，閆海峰1

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子開(kāi)發(fā)區(qū)銳益達(dá)機(jī)械裝備有限公司，新疆 石河子 832000)

近年來(lái)，尤其是馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略提出以后，馬鈴薯已成為一種廣泛種植的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物。為此，針對(duì)人工收獲馬鈴薯存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下、收獲成本高等問(wèn)題，綜合考慮新疆馬鈴薯種植特點(diǎn)及現(xiàn)有馬鈴薯收獲技術(shù)，設(shè)計(jì)研制了一種馬鈴薯收獲機(jī)。該機(jī)主要由挖掘裝置、輸送分離裝置、集條裝置及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，能夠一次完成馬鈴薯的挖掘、輸送分離、集條等作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、工作可靠等特點(diǎn)。田間性能試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)作業(yè)速度2.8～4.5km/h，生產(chǎn)率0.25～0.6hm2/h，明薯率≥95%，挖凈率≥98%，破損率<3%。

馬鈴薯；收獲；挖掘裝置；輸送分離

0 引言

馬鈴薯具有營(yíng)養(yǎng)全面、產(chǎn)量高、生長(zhǎng)期短、適應(yīng)性強(qiáng)及產(chǎn)量高等特點(diǎn)，在我國(guó)是僅次于水稻、玉米、小麥與大豆的第五大糧食作物[1-3]。馬鈴薯已經(jīng)成為我國(guó)的主要糧食作物，是解決糧食安全問(wèn)題的重要保障。隨著我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的不斷延伸發(fā)展，2014年全國(guó)馬鈴薯種植面積已超過(guò)566.7萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量超過(guò)1億t。在馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，收獲環(huán)節(jié)是占用勞動(dòng)量較大的環(huán)節(jié)，目前主要采用人工收獲，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低及收獲成本高等突出問(wèn)題，已嚴(yán)重制約和影響馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。因此，機(jī)械化收獲已成為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前，國(guó)外開(kāi)展的馬鈴薯收獲技術(shù)研究的主要有意大利思培多公司生產(chǎn)的Cpp-BD-150/S型系列懸掛式馬鈴薯收獲機(jī)、日本東洋公司生產(chǎn)的裝有二級(jí)分裝裝置和帶液壓輸送器的薯箱的自走式馬鈴薯收獲機(jī)[4]、德國(guó)的格力莫(Grimme)公司所生產(chǎn)的RL1700型馬鈴薯收獲機(jī)和SE140型馬鈴薯收獲機(jī)[5]，以及挪威Kverneland Narbo AS 公司生產(chǎn)的集機(jī)械、液壓、電控為一體的UN2600型系列牽引式兩行馬鈴薯收獲機(jī)。國(guó)內(nèi)有甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院研制的側(cè)輸出式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)、現(xiàn)代農(nóng)裝北方(北京)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司研制的1710型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)[6]；主要研究學(xué)者有李洋、石林榕、李益民、孟利、陳長(zhǎng)海、楊世成、潘志國(guó)等人[7-13]。為此，在以上研究基礎(chǔ)上，針對(duì)新疆馬鈴薯種植模式及生長(zhǎng)特性，設(shè)計(jì)研制了一種馬鈴薯收獲機(jī)，以實(shí)現(xiàn)挖掘、輸送分離及集條等作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

該機(jī)主要由懸掛機(jī)架、挖掘鏟、輸送分離裝置、集條裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.懸掛機(jī)架 2.機(jī)架 3.動(dòng)力輸入軸 4.聯(lián)軸器 5.皮帶傳輸 6.輪子 7.集條裝置 8.偏心抖動(dòng)輪 9.輸送分離裝置 10.挖掘鏟 11.切土板圖1 馬鈴薯收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The Structure of the Potato harvester表1 技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameter

作業(yè)寬度/mm作業(yè)深度/mm適應(yīng)行距/mm配套動(dòng)力/kW收獲行數(shù)集薯類型2000200300～40029.4～58.82集條

1.2 工作原理

拖拉機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛方式牽引馬鈴薯收獲機(jī)前進(jìn)，拖拉機(jī)后輸出軸動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與變速器的輸入軸相連將動(dòng)力傳遞給變速器，采用鏈傳動(dòng)方式將變速器的動(dòng)力傳遞給分離和輸送機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，挖掘鏟挖出馬鈴薯薯塊和土塊的混合物，并將混合物輸送到輸送分離裝置進(jìn)行分離除雜；柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩在抖動(dòng)輪的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)混合物的篩分效果，土塊會(huì)在混合物相互之間及與柵條的碰撞過(guò)程中發(fā)生變形(即土塊尺寸變小)，小尺寸的土塊會(huì)在柵條之間的縫隙落至地面，剩余的混合物會(huì)被運(yùn)送至橫向鋪條裝置進(jìn)行二次分離；分離后的薯塊則被成條狀鋪放在收獲機(jī)的一側(cè)，便于人工撿拾或機(jī)械回收。其工作流程圖如圖2所示。

圖2 工作流程Fig.2 The workflows

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架

機(jī)架上安裝的部件主要有挖掘鏟、輸送分離機(jī)構(gòu)、鋪條裝置及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，在保證各部件的安裝位置準(zhǔn)確的前提下，應(yīng)減輕整機(jī)質(zhì)量、降低拖拉機(jī)功耗、提高整體工作強(qiáng)度。因此，機(jī)架的尺寸為3 000mm×2 100mm×1 500mm，焊接材料為80×80×5的矩形方鋼。機(jī)架主要由牽引架、橫梁、左側(cè)板、右側(cè)板等組成，如圖3所示。

2.2 挖掘鏟設(shè)計(jì)

合理的挖掘鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅可以減少整機(jī)動(dòng)力消耗，降低收獲成本，而且還能提高入土和碎土能力，保證收獲馬鈴薯薯塊的質(zhì)量。本設(shè)計(jì)采用三角平面鏟(見(jiàn)圖4)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及入土性好等特點(diǎn)。整機(jī)的挖掘裝置由4個(gè)三角平面鏟并排組成(每行有兩個(gè)三角平面鏟)，與地面傾角為25°，材料為65Mn鋼，通過(guò)鏟柄固定在機(jī)架上。在挖掘鏟的后方設(shè)置一列直線布置的L型圓鋼，以對(duì)挖掘起來(lái)的混合物進(jìn)行導(dǎo)流，且相鄰的圓鋼之間設(shè)有間隙，可以漏掉少量土壤。在挖掘鏟的兩側(cè)設(shè)置厚度為10mm、材料為65Mn鋼的切土板(見(jiàn)圖5)，可以將壟兩側(cè)切割為土垡，切斷互相纏繞的草蔓，保證了薯塊和土塊混合物能夠連續(xù)輸送，不發(fā)生側(cè)向流動(dòng)，避免造成薯塊丟失現(xiàn)象。

圖3 機(jī)架三維造型圖Fig.3 The three-dimensional modeling of frame

圖5 切土板Fig.5 Soil cutting device

2.3 分離輸送裝置設(shè)計(jì)

分離輸送裝置由柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩、偏心抖動(dòng)輪及鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，主要完成薯塊、土塊等混合物的輸送和有效分離，最終得到未被土壤包裹的薯塊，如圖6所示。分離輸送裝置對(duì)混合物的輸送分離行程為1 700mm，允許最大寬度1 500mm。為了保證柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩承載和運(yùn)輸強(qiáng)度，根據(jù)馬鈴薯尺寸平均長(zhǎng)度40～60mm、寬40～50mm、厚40～50mm[14-15]的狀況，柵桿條材料為直徑10mm的圓鋼，按38mm的間距固定在兩條傳送帶上，并在柵桿條上包裹橡膠材料減少柵桿條對(duì)馬鈴薯薯塊的碰撞損傷。在柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩與混合物接觸的工作面下方設(shè)置有兩個(gè)偏心抖動(dòng)輪(大節(jié)圓半徑210mm，小節(jié)圓半徑150mm)，其轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周速度與輸送篩的工作速度相同，偏心抖動(dòng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)工作篩面上下周期運(yùn)動(dòng)，達(dá)到對(duì)混合物的篩分作用。為了達(dá)到最佳的篩分效果，工作篩面與地面傾角為20°。另外，根據(jù)新疆馬鈴薯種植土壤多為沙壤土的特性，對(duì)回轉(zhuǎn)篩的線速度進(jìn)行確定。當(dāng)線速度過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)混合物在篩面上相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象，不利于分離。最佳的回轉(zhuǎn)篩的線速度根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)回轉(zhuǎn)篩線速度大于等于機(jī)組作業(yè)速度時(shí)能夠獲得較好的分離效果。取λ≥1，本設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)篩線速度取1.3m/s，則

(1)

其中，λ為比值；vp為回轉(zhuǎn)篩線速度(m/s)；vm為機(jī)組作業(yè)速度(m/s)。

1.柵條 2.抖動(dòng)輪圖6 輸送分離裝置三維造型圖Fig.6 The three-dimensional modeling of conveying and separating device

2.4 集條裝置設(shè)計(jì)

集條裝置主要由柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，其輸送方向?yàn)闄M向(與分離輸送裝置的輸送方向垂直)，對(duì)經(jīng)過(guò)輸送分離裝置分離后的混合物進(jìn)行二次分離并將分離干凈的薯塊集成條狀鋪在收獲機(jī)的一側(cè)。工作過(guò)程中，該裝置的柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩的線速度不宜過(guò)大，應(yīng)略小于輸送分離裝置的閉合回轉(zhuǎn)篩線速度，取1m/s。為了降低集條裝置功率損耗、提高輸送效率及減少薯塊落至地面集條時(shí)的損傷，閉合回轉(zhuǎn)篩的輸送長(zhǎng)度1 500mm，寬度1 400mm，與地面傾角為10°。柵桿條(直徑為10mm，固定間距為30mm)上包裹橡膠材料，減少對(duì)馬鈴薯薯塊在運(yùn)輸鋪條過(guò)程中的損傷。

2.5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求其具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、功率損失小及無(wú)噪聲等特點(diǎn)。收獲機(jī)的分離輸送裝置和集條裝置的動(dòng)力均是由拖拉機(jī)后輸出軸輸出經(jīng)過(guò)萬(wàn)向傳動(dòng)軸、減速器、皮帶、鏈輪等部件傳遞的，結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。工作過(guò)程中，拖拉機(jī)后輸出軸輸出恒定轉(zhuǎn)速540r/min，輸送分離裝置的輸送速度也保持不變，這樣會(huì)出現(xiàn)如果挖掘裝置挖掘的薯塊、土的混合物過(guò)多，輸送分離裝置的喂入量過(guò)大，導(dǎo)致混合物在閉合回轉(zhuǎn)篩上堆積堵塞、分離效果不佳的現(xiàn)象。目前，解決此問(wèn)題的方式主要是憑駕駛員的經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行前進(jìn)速度變換，易導(dǎo)致駕駛員疲勞。后期的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是輸送分離裝置的動(dòng)力來(lái)源于變頻電機(jī)或者液壓馬達(dá)，在裝置上安裝重力傳感器或圖像測(cè)試器等進(jìn)行喂入量的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)裝置的輸送分離速度根據(jù)喂入量的大小而變化，從而提高分離質(zhì)量。

1.動(dòng)力輸入軸 2.變速器 3.皮帶傳動(dòng) 4.集條動(dòng)力輸入 5.鏈傳動(dòng) 6.輸送分離動(dòng)力輸入圖7 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 The Structure of transmission mechanism

3 生產(chǎn)試驗(yàn)與結(jié)果分析

該機(jī)研制完成后，于2015年在昌吉進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，最終定型了樣機(jī)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)其生產(chǎn)工藝等進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了裝備的批量生產(chǎn)。研制生產(chǎn)的裝備先后在精河、伊犁、塔城等地推廣使用，使用效果良好，獲得了馬鈴薯種植戶的一致認(rèn)可。

3.1 試驗(yàn)條件

2015年，依據(jù)馬鈴薯收獲技術(shù)指標(biāo)要求，以對(duì)研制的馬鈴薯收獲機(jī)性能考核為目的，在昌吉進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 試驗(yàn)條件

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)研制完成了集懸掛機(jī)架、挖掘鏟、輸送分離裝置、鋪條裝置及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等為一體的馬鈴薯收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯收獲的機(jī)械化。

2)通過(guò)對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)的研制與生產(chǎn)試驗(yàn)，結(jié)果表明：作業(yè)速度2.8～4.5km/h，生產(chǎn)率0.25～0.6hm2/h，明薯率≥95%，挖凈率≥98%，破損率<3%。該機(jī)在作業(yè)過(guò)程中性能穩(wěn)定可靠，作業(yè)效率及質(zhì)量高，符合馬鈴薯收獲技術(shù)要求。

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The Design and Development of Potato Harvester

Qi Jiangtao1, Meng Hewei1, Li Chengsong1, Kan Za1, Li Yaping1, Chen Shaojie2, Yan Haifeng1

(1.College of Mechanical and Electronical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832000,China; 2.Shihezi Development Zone Ruiyida Machinery and Equipment Co. LTD.,Shihezi 832000,China)

In recent years, the potato has been a kind of food crops and cash crops widely cultivated especially after the proposed strategy of potato staple food.In this paper，according to the problem with manual harvesting, labor-intensive, low efficiency and high cost of harvesting and so on, considering the characteristics of potato growing in Xinjiang and potato harvesting technology, a potato harvesting machine was designed and developed which consists of digging device, conveying and separating device, collection device and transmission and other components,it can complete the digging, conveying,separation and other operations and also have a simple structure,stable performance and working reliability.The results showed that:0.8-1.3m/s of working speed,0.25-0.6 hm2/h of productivity,not less than 95%of clear potato rate,not less than 98%of net dig rate,less than 3% of breakage rate.

potato; harvest; digging device; conveying and separating

2016-08-26

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)工業(yè)及高新技術(shù)科技攻關(guān)與成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(2016AB003)

戚江濤(1990-),男，內(nèi)蒙古赤峰人，實(shí)驗(yàn)師，(E-mail)qjt510014078@163.com。

蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

S225.7+1

A

1003-188X(2018)02-0124-04