定點(diǎn)式山藥收獲裝置設(shè)計(jì)

符浩FU Hao；禚理成ZHUO Li-cheng；楊碩林YANG Shuo-lin

（①臨沂技師學(xué)院，臨沂 276000；②山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，濟(jì)南 250100）

0 引言

山藥的主要產(chǎn)出地區(qū)為東南亞，而從20世紀(jì)60年代，日本就開(kāi)始進(jìn)行了根莖類收割設(shè)備的研發(fā)，直到九十年代末，日本才開(kāi)發(fā)出了世界第一個(gè)小型的根莖類收割設(shè)備[1]，再此后日本也繼續(xù)小型根莖類收割設(shè)備的研發(fā)工作，而在二十一世紀(jì)初期，日本已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了相對(duì)完善的山藥設(shè)備，之后也逐漸發(fā)展完善，最后終于達(dá)到了全程機(jī)械化生產(chǎn)（種植—培育—收獲）雖然日本的山藥和我國(guó)山藥不一樣，結(jié)構(gòu)比較粗，且根部扎根很淺，但是最基本的生產(chǎn)方法還是應(yīng)該參考學(xué)習(xí)的。

由于山藥的脆性材料量大（易折斷）且落地生根程度較深，所以如果要在山藥下面進(jìn)行震動(dòng)松土或垂直開(kāi)挖是不行的，所以山藥收割機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)上更多的會(huì)側(cè)重開(kāi)溝機(jī)研發(fā)。國(guó)內(nèi)對(duì)開(kāi)溝式機(jī)械的研發(fā)起步相對(duì)較晚，20世紀(jì)50年代初才開(kāi)始出現(xiàn)構(gòu)造單一，但設(shè)備沉重且牽引阻力很大的犁鏵型開(kāi)溝器機(jī)械。在二零一八年初，中國(guó)山東省菏澤市栗廣臣公司開(kāi)發(fā)了一種振動(dòng)型的單行山藥收獲機(jī)，雖然改變了山藥的開(kāi)挖方式，使工作效率提高至人工挖掘的三十倍，但仍然存在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，收獲阻力大，山藥損傷率高等問(wèn)題[2-3]。

目前國(guó)外對(duì)根莖類糧食作物的機(jī)械化收割技術(shù)已經(jīng)相對(duì)完善，但國(guó)內(nèi)山藥行業(yè)的實(shí)際狀況以及對(duì)機(jī)械化收割的研究還面臨如種植農(nóng)藝多樣化，收割阻力大，機(jī)械和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等復(fù)雜諸多問(wèn)題，嚴(yán)重制約了山藥行業(yè)在中國(guó)的發(fā)展前景[4-5]。

該設(shè)計(jì)研究的山藥收獲的裝置、設(shè)備和方法，來(lái)改進(jìn)山藥收獲機(jī)收獲現(xiàn)存的問(wèn)題。此設(shè)計(jì)研究會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)山藥及其周圍土體的整體挖掘、取出，無(wú)需預(yù)先進(jìn)行挖掘，使得少量土體包裹山藥，在地面上散落取出，并能夠?qū)崿F(xiàn)山藥的快速、無(wú)損挖掘。從而再度提高山藥收獲機(jī)的可用率。

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)研究提供了一種山藥收獲的方法，山藥收獲設(shè)備進(jìn)行工作（如圖1），具體的山藥收獲方法分為四部：

第一步：山藥收獲裝置行走時(shí)，通過(guò)行走機(jī)構(gòu)調(diào)整工作位置，使挖掘槽朝向山藥栽種區(qū)域。第二步：電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)伸縮桿使得挖掘槽下落，然后逐漸深入到山藥周圍的土壤中，直至山藥整體位于挖掘槽內(nèi)。第三步：伸縮桿開(kāi)始繞球鉸中心擺動(dòng)，使挖掘槽內(nèi)包裹有山藥的土體與外部土體分離，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)挖掘槽整體提升至地面上方。第四步：調(diào)整工作位置至山藥栽種區(qū)域外，釋放挖掘槽內(nèi)包裹有山藥的土體，行走機(jī)構(gòu)前進(jìn)至下一栽種區(qū)域，進(jìn)行下一山藥栽種區(qū)域的收獲。

本山藥收獲裝置與其他山藥收獲裝置主要區(qū)別在定點(diǎn)式工作，為了減輕設(shè)備質(zhì)量與成本，本設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)部只選擇了一個(gè)動(dòng)力源，這個(gè)動(dòng)力源用來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行挖掘動(dòng)作，種植山藥的土地一般不會(huì)太濕潤(rùn)，這里就需要?jiǎng)恿ψ銐虻膭?dòng)力源，同時(shí)為了保護(hù)裝置的挖掘槽和山藥本體，動(dòng)力源又不能太大，所以給此裝置選擇動(dòng)力源時(shí)要理論結(jié)合實(shí)踐做出選擇，以便達(dá)到理想的設(shè)備使用壽命。因?yàn)闆](méi)有選擇前進(jìn)動(dòng)力源，所以山藥收獲裝置行進(jìn)時(shí)需要依賴牽引裝置，一般選擇最常見(jiàn)的拖拉機(jī)作為牽引裝置來(lái)使山藥收獲機(jī)前進(jìn)，如圖2所示。

山藥收獲設(shè)備是需要工作在廣闊的田野中，如果采用外部供電會(huì)要求有很長(zhǎng)的電線，并且在設(shè)備工作時(shí)超長(zhǎng)的電線是一種安全隱患，就算解決以上問(wèn)題，對(duì)電線的質(zhì)量要求也會(huì)很高，在各方面考慮之后，此設(shè)備選用了內(nèi)部供電，如圖3所示。

在設(shè)備的最上方是一個(gè)動(dòng)力艙，動(dòng)力艙內(nèi)部安裝著提供電能的供電箱，為操控方便，外端部安裝著控制面板，控制面板設(shè)置主啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、主關(guān)閉開(kāi)關(guān)以及電機(jī)開(kāi)關(guān)、氣缸開(kāi)關(guān)、激振器開(kāi)關(guān)，并且在收獲同一片田地山藥收獲機(jī)的收獲速度是一定的，因此設(shè)備通過(guò)控制線路對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行了特定時(shí)間的控制，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化，脫離人工[6-7]。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 伸縮桿的設(shè)計(jì)

如圖4所示，伸縮桿包含同軸布置的第一軸和第二軸，第一軸一端穿過(guò)球鉸后配合伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，另一端通過(guò)螺紋配合第二軸一端，第二周遠(yuǎn)離第一軸的一端鏈接著挖掘槽，其中第一軸為工作外軸，其與第二軸鏈接的一端設(shè)有螺紋內(nèi)孔，第二軸為工作內(nèi)軸，與第二軸鏈接的一端為螺紋桿，二者配合形成螺紋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在外軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外軸保持不動(dòng)，內(nèi)軸沿軸向做往復(fù)移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)挖掘槽一起沿著軸做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

第二軸上設(shè)有矩形通孔，且側(cè)圓周面的母線上分布著插板槽，插板槽內(nèi)配合著能夠沿著內(nèi)軸軸向且相對(duì)于插板槽滑動(dòng)的固定板，固定板的另一端固定在支架上，這樣在外軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)被約束，從而使內(nèi)軸沿著其軸向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

在山藥收獲機(jī)工作時(shí)，伸縮桿可通過(guò)繞球鉸中心的擺動(dòng)調(diào)節(jié)自身與支架的夾角，來(lái)提高工作時(shí)的精準(zhǔn)度，伸縮桿的一端配合伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，另一端為輸出端，且同軸配合著筒狀挖掘槽，這樣伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就會(huì)通過(guò)伸縮桿帶動(dòng)挖掘槽工作，且能改變挖掘槽與支架的豎直間距。

伸縮桿還配合著擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端接在伸縮桿上，從而帶動(dòng)伸縮桿、伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)共同繞球鉸中心擺動(dòng)，通過(guò)伸縮桿的擺動(dòng)，能夠帶動(dòng)末端的挖掘槽繞球鉸中心擺動(dòng)，伸縮桿擺動(dòng)時(shí)，利用伸縮桿的擺動(dòng)動(dòng)作使得挖掘槽內(nèi)的土體能夠脫離外部土體，保證挖掘槽能夠?qū)猩剿幍耐馏w從挖掘槽外部的土壤中取出。

①連接端：利用軸套與電機(jī)相連，用于傳遞電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力。②固定端：安裝有擺動(dòng)球，其配合著擺動(dòng)球能實(shí)現(xiàn)氣缸對(duì)挖掘方向的控制，從而能保證挖掘時(shí)不損壞山藥。③內(nèi)螺紋：內(nèi)部采用螺紋傳動(dòng)，用于將動(dòng)力傳遞給內(nèi)工作軸。④外螺紋：接收外工作軸傳來(lái)的動(dòng)力，與插入矩形通孔的固定板配合，能夠?qū)⑤S向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向移動(dòng)。⑤挖掘槽：其直徑大于山藥直徑，用于將山藥及其周圍泥土整體挖掘取出。

2.2 整機(jī)裝配

本定點(diǎn)式山藥收獲機(jī)由電動(dòng)機(jī)、振蕩器、球鉸、挖掘槽和行走箱以及其他部件等組成，實(shí)現(xiàn)山藥的無(wú)損挖掘，并有效地提升作業(yè)效率。山藥收獲機(jī)的裝配簡(jiǎn)化圖如圖5所示。

2.3 整體裝置的工作過(guò)程

主開(kāi)關(guān)啟動(dòng)后整個(gè)裝置在牽引裝置牽引下行駛，裝置中所述行走側(cè)箱通過(guò)行走輪在行走溝內(nèi)行走，過(guò)程中所述工作外軸或所述工作內(nèi)軸的中心線保持在種植溝范圍內(nèi)，當(dāng)行走到挖掘槽正對(duì)第一個(gè)山藥栽域時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)開(kāi)關(guān)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)電機(jī)連接軸將轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能傳遞給工作外軸，由于工作外軸內(nèi)部設(shè)置有螺紋內(nèi)孔，由于工作內(nèi)軸被內(nèi)軸固定板在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上進(jìn)行了限位，但工作內(nèi)軸恰好在插板槽內(nèi)上下滑移移動(dòng)，最后工作內(nèi)軸帶動(dòng)挖掘槽下移，接觸種植土壤并深入下去，且挖槽板最小直徑大小等于近似圓形的山藥栽域，將整個(gè)山藥栽域包含在內(nèi)，所述工作外軸與所述工作內(nèi)軸可螺紋調(diào)節(jié)的距離成為延伸長(zhǎng)度D1，所述挖掘槽可深入到種植土壤的深度為山藥深度D2，且延伸長(zhǎng)度D1為山藥深度D2的2倍，保證深入深度大于鐵棍山藥最大長(zhǎng)度-山藥深度D2，當(dāng)達(dá)到規(guī)定深度后，挖掘槽內(nèi)出現(xiàn)鐵藥土槽柱，這時(shí)關(guān)閉電機(jī)開(kāi)關(guān)，電機(jī)正轉(zhuǎn)停止，并啟動(dòng)氣缸開(kāi)關(guān)，氣缸動(dòng)作軸快速伸出推動(dòng)電機(jī)固定板擺動(dòng)，由于電機(jī)連接軸與擺動(dòng)球的配合，使得電機(jī)、電機(jī)連接軸、挖掘槽等在擺動(dòng)球的擺動(dòng)角度δ下，也產(chǎn)生相同的擺動(dòng)角度δ，這就會(huì)使得挖掘槽內(nèi)的鐵藥土槽柱與種植土壤分離，并且所述挖掘槽底端面均勻設(shè)置有挖掘齒，所述挖掘槽設(shè)置有小于90°的槽板內(nèi)角，約為89°，保證挖掘槽的深入以及分離后的鐵藥土槽柱暫時(shí)固定于挖掘槽內(nèi)，這時(shí)啟動(dòng)電機(jī)開(kāi)關(guān)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，挖掘槽等結(jié)構(gòu)在螺紋內(nèi)孔中的工作內(nèi)軸作用下上移，直到挖掘槽帶動(dòng)鐵藥土槽柱上升脫離種植土壤一定高度，這時(shí)再次啟動(dòng)主開(kāi)關(guān)，裝置行走前進(jìn)，到達(dá)種植溝的間隔位置后，快速按下激振器開(kāi)關(guān)，激振軸的激振皮墊快速振擊工作外軸，此振動(dòng)力將挖掘槽內(nèi)的鐵藥土槽柱突然脫落，這時(shí)候可以著落在種植溝的間隔位置供種植人篩選鐵棍山藥，也可著落在配套設(shè)置相應(yīng)的傳輸篩選機(jī)構(gòu)中進(jìn)行鐵棍山藥自動(dòng)化篩選收集，之后裝置前行到達(dá)下一個(gè)山藥栽域位置，同理操作，依次循環(huán)，整個(gè)控制過(guò)程通過(guò)控制面板與控制線路實(shí)現(xiàn)，電能供應(yīng)裝置為供電箱。

3 技術(shù)效果

本研究設(shè)計(jì)的山藥收獲機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①當(dāng)山藥收獲機(jī)進(jìn)行挖掘工作時(shí)，將山藥和其周圍的土體整體取出，避免對(duì)山藥周圍土體的大量挖掘，取出的土體會(huì)對(duì)山藥進(jìn)行保護(hù)，避免了山藥在收獲時(shí)受損，并在取出落到底面上后散落，露出山藥實(shí)現(xiàn)收獲，提高山藥的收獲速度；②此設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)能夠跨山藥種植壟行走，利用山藥壟之間的區(qū)域作為行走空間和行走路徑，保證挖掘槽始終位于山藥種植區(qū)域的上方；將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體布置在挖掘槽的上方及種植區(qū)域的上方，從而能夠避免挖掘過(guò)程中土體對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生干涉，由于無(wú)需翻動(dòng)大量土壤，也減少了土體的堆積高度，避免土體從種植壟滑落到壟行之間影響行走機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)行進(jìn)；③利用伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)挖掘槽的縱向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)挖掘和取出，利用伸縮桿的擺動(dòng)動(dòng)作使得挖掘槽內(nèi)的土體能夠脫離外部土體，保證挖掘槽能夠?qū)猩剿幍耐馏w從土壤中取出，配合挖掘槽的端部小開(kāi)口結(jié)構(gòu)，避免在提升過(guò)程中包裹有山藥的土體從挖掘槽中脫落，從而實(shí)現(xiàn)良好的挖掘、取出效果；④伸縮桿的第二軸通過(guò)插板槽配合固定板能夠?qū)Φ诙S的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行限定，并且固定板能夠沿插板槽擺動(dòng)，滿足挖掘槽需求的同時(shí)，能夠在驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)的作用下進(jìn)行軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滿足挖掘過(guò)程中的下落和提升需求；⑤在挖掘槽取出包裹山藥的土體后，利用激振器對(duì)伸縮桿進(jìn)行震蕩，使得土體從距離地面一定高度脫落，使得土體落在地面上分散露出內(nèi)部的山藥，激振器還能夠避免土體在挖掘槽的粘附積累，在每次挖掘后，完全清空挖掘槽內(nèi)的土體，保證下一挖掘位置時(shí)的良好運(yùn)行。