馬鈴薯挖掘鏟試驗(yàn)臺(tái)架的研制

楊金磚　李曉明　李國民　鄒雪劍　姜明海

摘 要：馬鈴薯挖掘鏟屬于馬鈴薯收獲機(jī)上的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)及工作原理直接影響整機(jī)的作業(yè)性能，尤其在粘重壤土條件下，要使其達(dá)到減粘脫附、減阻增效以及挖深穩(wěn)定的目的，須開展相關(guān)的試驗(yàn)研究工作。為此，依據(jù)近年開展的仿生挖掘技術(shù)的研究成果，通過專門的試驗(yàn)裝置開展其在馬鈴薯挖掘收獲方面的應(yīng)用研究，以此獲得試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)，從中選擇出較佳性能參數(shù)的挖掘鏟，以共性技術(shù)的形式推廣應(yīng)用在需要的收獲機(jī)上，以解決現(xiàn)有機(jī)器該關(guān)鍵零部件性能方面所存在的問題。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯挖掘鏟;實(shí)驗(yàn)臺(tái)架;減粘脫附

中圖分類號(hào)：S225.71文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.003

作者簡介：楊金磚（1981-），男，黑龍江哈爾濱人，主要從事馬鈴薯機(jī)械、播種機(jī)械的研究設(shè)計(jì)工作，E-mail：67588894@qq.com。

0 引言

馬鈴薯收獲機(jī)是馬鈴薯種植生產(chǎn)過程中所使用的關(guān)鍵設(shè)備，隨著近年來我國農(nóng)機(jī)化事業(yè)的發(fā)展，目前該類機(jī)具的簡易機(jī)型——馬鈴薯挖掘機(jī)的市場保有量較高。各種類型的挖掘機(jī)基本能滿足馬鈴薯分段收獲的使用要求，其工作原理和機(jī)器結(jié)構(gòu)較多類似，基本結(jié)構(gòu)大致由懸掛（牽引）機(jī)架、挖掘裝置、土薯分離裝置、薯雜分離裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等組合而成。作業(yè)時(shí)由拖拉機(jī)懸掛或牽引，挖掘裝置中的挖掘鏟入土，隨著拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)器前行，含薯的壟作土壤被切挖、掘起，通過鏟面上升到分離篩上（也有采用轉(zhuǎn)籠式分離輥的），邊升運(yùn)邊實(shí)現(xiàn)土與薯分離和薯與雜的分離。一般分離過程隨土壤條件及收獲物潔凈要求的不同而呈1級(jí)、2級(jí)或多級(jí)配置，其中分離篩（輥）部分的轉(zhuǎn)動(dòng)由傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)完成。動(dòng)力源一般為拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸，通過齒輪箱變速變向和鏈傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)升運(yùn)與分離功能。經(jīng)過分離后的收獲物從最末一級(jí)分離裝置上被卸下鋪放在作業(yè)后的土壤上，從而完成一個(gè)挖掘收獲過程?？v觀這一過程不難看出，拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)器前行時(shí)含薯的壟作土壤被切挖、掘起的過程，是造成拖拉機(jī)牽引功率消耗的主要因素，尤其對(duì)于粘重壤土以及因挖掘深度控制不當(dāng)而造成的深挖犁底層時(shí)，因此而呈現(xiàn)的較大牽引阻力極大地增加了拖拉機(jī)的動(dòng)力消耗，也影響了機(jī)器工作效率的提高，額外的阻力還對(duì)機(jī)器的可靠性造成了潛在的威脅?？傊瑢?duì)馬鈴薯收獲機(jī)來說，挖掘裝置部分的工作效果在整個(gè)收獲過程中是個(gè)不容忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而開展入土、挖掘、土壤適應(yīng)性、挖深穩(wěn)定性控制等方面的研究，對(duì)于解決粘重壤土條件下的減粘脫附、減阻增效問題，以及提高挖深穩(wěn)定性方面的問題等具有重要意義。

目前，單就挖掘裝置為題開展上述研究的還不多見，這也造成了現(xiàn)有馬鈴薯收獲（挖掘）類機(jī)械中的挖掘裝置，尤其是挖掘鏟方面存在著結(jié)構(gòu)雷同化、減粘脫附及減阻耐磨等性能粗放化，凸顯設(shè)計(jì)與制造方面的諸多不足，為此我們開展了馬鈴薯挖掘鏟試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)研究工作。

1 馬鈴薯挖掘鏟實(shí)驗(yàn)臺(tái)架整體方案的設(shè)計(jì)

研發(fā)馬鈴薯挖掘鏟實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的目的，是為了測(cè)試馬鈴薯收獲機(jī)上的挖掘裝置（挖掘鏟）入土作業(yè)時(shí)的牽引阻力。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種全新的馬鈴薯挖掘裝置試驗(yàn)臺(tái)架。在主體機(jī)架上設(shè)置安裝了可調(diào)節(jié)挖掘角度的鏟架焊合部件，在鏟架底面可更換安裝不同挖掘鏟，其挖掘角度可通過鏟架體繞其下鉸軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié);每一種角度可對(duì)應(yīng)不同形式的挖掘鏟做對(duì)比試驗(yàn)，同樣每一種鏟也可通過變角度獲得不同挖掘狀態(tài)下的阻力數(shù)值;其挖掘深度由限深部件凹鼓形仿形輪來控制，調(diào)節(jié)仿形輪與鏟面間距，可保證挖掘深度的穩(wěn)定;為消除兩個(gè)側(cè)向粘連影響的因素，在鏟架兩側(cè)安裝有立式切土圓盤部件，其作用是控制挖掘?qū)挾?在主體機(jī)架后部設(shè)置安裝2個(gè)后支撐輪部件。該輪通過絲杠調(diào)節(jié)高度，其作用是調(diào)節(jié)機(jī)架前后水平狀態(tài)以保證挖掘角度準(zhǔn)確，還可使臺(tái)架縱垂面垂直受力保持平衡。同時(shí)，為適應(yīng)拖拉機(jī)單壟作業(yè)時(shí)輪距跨壟要求，及兼顧平作和土槽試驗(yàn)時(shí)的要求，設(shè)置可橫向調(diào)整安裝位置的三點(diǎn)式懸掛架。該架的縱向?qū)ΨQ中心面與鏟架縱向?qū)ΨQ中心面可偏置或重合配置安裝。測(cè)力時(shí)該懸掛架下懸掛點(diǎn)處安裝I類懸掛用測(cè)力傳感器的下懸掛銷，上懸掛點(diǎn)處通過上懸掛銷安裝角度和拉力綜合傳感器的上拉桿，分別對(duì)應(yīng)聯(lián)接動(dòng)力源的三個(gè)懸掛點(diǎn)，即可測(cè)出各個(gè)力的矢量。其具體結(jié)構(gòu)如圖所示（為清楚表達(dá)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主視圖為局部剖或透視圖）。

2 馬鈴薯挖掘鏟實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的主要技術(shù)參數(shù)

掛接方式：三點(diǎn)懸掛式;

作業(yè)寬度：800 mm;

配套動(dòng)力：≥50 hp;

外形尺寸（長×寬×高）：2550 mm×1450 mm×1260 mm;

整機(jī)重量：220 kg;

入土角調(diào)整范圍：0°～44°。

3 馬鈴薯挖掘鏟實(shí)驗(yàn)臺(tái)架工作原理及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

馬鈴薯挖掘鏟試驗(yàn)臺(tái)架是由拖拉機(jī)或土槽車提供牽引動(dòng)力，試驗(yàn)臺(tái)架采用三點(diǎn)懸掛方式與動(dòng)力源連接固定。試驗(yàn)時(shí)由動(dòng)力源牽引其行走，鏟架入土深度應(yīng)控制在機(jī)架兩側(cè)板底邊保持在土壤地面之上，避免產(chǎn)生額外的挖掘阻力。鏟架安裝各類型鏟子以一定入土角前行挖掘時(shí)，會(huì)在地面上切挖出U形斷面的土壤槽，而斷面為長方形的條狀土壤帶會(huì)經(jīng)過傾斜鏟面輸送到鏟子的后方落地。整個(gè)挖掘過程實(shí)現(xiàn)了土壤與鏟架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，鏟架受力通過機(jī)架反饋給測(cè)力傳感器。而切挖土壤過程中，作用在鏟子上的力可分解為水平和垂直兩個(gè)方向的分力，其中垂直方向的力應(yīng)盡量由凹鼓形仿形輪和機(jī)架后支撐輪所平衡，但作用在鏟面上的壓力會(huì)隨挖掘角度的增大而造成摩擦阻力的增加。而水平方向的分力即為牽引力的反作用力，以此通過測(cè)力傳感器即可測(cè)定挖掘裝置的牽引阻力。通過在鏟架上更換不同結(jié)構(gòu)的鏟子，即可測(cè)出相同土壤條件下的不同挖掘阻力，通過對(duì)比，找出適合不同土壤的最佳鏟型結(jié)構(gòu)，為馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

3.2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)架挖掘鏟裝置和普通收獲機(jī)有所不同，我們?cè)谠囼?yàn)臺(tái)架上創(chuàng)新設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)挖掘角度的鏟架焊合部件（鏟架上可安裝不同類型的挖掘鏟）。靠鏟架體繞其下鉸軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)挖掘角度的調(diào)節(jié)，用兩組螺紋拉桿來固定該角度，從而滿足多種入土角度的實(shí)驗(yàn)要求。

設(shè)計(jì)了凹鼓形仿形輪，用來穩(wěn)定控制挖掘深度，其縱向高度取決于活動(dòng)橫梁的固定位置，該位置可調(diào)。其橫向安裝位置保證凹鼓形仿形輪縱向?qū)ΨQ中心面與鏟架縱向?qū)ΨQ中心面重合。

設(shè)計(jì)了立式切土圓盤部件，其作用是消除挖掘鏟兩側(cè)泥土粘連的不利影響，同時(shí)也能限制挖掘?qū)挾?。其縱向高度依賴活動(dòng)橫梁的固定位置，其橫向安裝位置保證切土圓盤在土壤中開拓切出的溝槽置于鏟架兩側(cè)板的正前方。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)了可橫向調(diào)整安裝位置的懸掛架，該架的縱向?qū)ΨQ中心面與鏟架縱向?qū)ΨQ中心面可偏置或重合配置安裝，以適應(yīng)拖拉機(jī)單壟作業(yè)時(shí)輪距跨壟距要求。懸掛架的縱向?qū)ΨQ中心面與鏟架縱向?qū)ΨQ中心面的距離可按0 mm、325 mm、400 mm、425 mm調(diào)整。懸掛架前面的三個(gè)點(diǎn)與拖拉機(jī)等動(dòng)力源連接，其中下兩懸掛點(diǎn)處可安裝I類懸掛用測(cè)力傳感器，同時(shí)配備了可使機(jī)架縱垂面垂直受力平衡的后支撐輪部件，該輪可通過絲杠調(diào)節(jié)高度。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種全新的專門用于測(cè)試馬鈴薯收獲機(jī)上的挖掘裝置（挖掘鏟）入土作業(yè)時(shí)的牽引阻力的試驗(yàn)臺(tái)架。通過在該試驗(yàn)臺(tái)架上更換不同類型的鏟子，在不同土壤條件下，通過改變鏟子的入土角度和挖掘深度，對(duì)土壤實(shí)施切挖和通過作業(yè)，進(jìn)行所受阻力的試驗(yàn)和測(cè)試對(duì)比，可獲得同等土壤條件下最佳減阻效果的仿生挖掘鏟的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而將其作為共性技術(shù)應(yīng)用到馬鈴薯收獲機(jī)上，降低作業(yè)時(shí)的挖掘阻力，降低能耗，減少磨損，提高效率，達(dá)到節(jié)本增效的目的。

本試驗(yàn)臺(tái)架考慮到挖掘裝置測(cè)力試驗(yàn)時(shí)的不同工況和動(dòng)力源配置，既可適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工模擬土壤狀態(tài)下以土槽車為動(dòng)力源的情況，也可在室外田間實(shí)際作業(yè)情況下為拖拉機(jī)配套，從而保證試驗(yàn)的連續(xù)性和試驗(yàn)的廣泛性。田間室內(nèi)均可不受天氣影響，即影響因素的不同設(shè)定，通用性好。

本試驗(yàn)臺(tái)架具有工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)思新穎巧妙，挖掘裝置配備凹鼓形仿形輪部件具有限深穩(wěn)定的作用，切土圓盤部件具有消除側(cè)向黏連的阻力影響作用，鏟架調(diào)節(jié)和控制鏟子的入土角方便、準(zhǔn)確，從結(jié)構(gòu)上限定了切挖土壤的范圍，使得切挖和通過土壤時(shí)的阻力與鏟形具有直接和純粹的關(guān)系，從中獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比性強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)論準(zhǔn)確可靠、科學(xué)合理。因此，本試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)研究馬鈴薯挖掘裝置的合理結(jié)構(gòu)與配置，及仿生挖掘鏟在減粘脫附、減阻增效方面具有重要作用。

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