甘薯秧蔓收獲機專用割臺設(shè)計與試驗*

周子涵，尚書旗，王東偉，何曉寧，譚營，董成

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東青島，266000)

0 引言

甘薯是旋花科甘薯屬，又名紅薯、山芋、紅苕、地瓜和番薯等，是國際上公認(rèn)的多用途作物，是重要的糧食、飼料、工業(yè)原料，也是優(yōu)質(zhì)的抗癌保健食品[1]。甘薯在收獲前清理秧蔓可以提高收獲效率，還可以加快甘薯表皮老化，降低傷薯率[2]。甘薯秧蔓收獲質(zhì)量，決定著甘薯收獲效果和甘薯的品質(zhì)。甘薯秧蔓貼地蔓延無序生長，且十分茂盛，一條秧蔓甚至可以長到4 m，收獲2×104kg/hm2秧蔓[3]。因此，基于中國甘薯種植現(xiàn)狀及動力配置的國情，研制性能穩(wěn)定、易于推廣的甘薯秧蔓收獲機已提上日程。

國外對甘薯秧蔓收獲技術(shù)研究較早，美國利用甘薯秧蔓容易發(fā)生纏繞的特點，研究了一種牽引式大型卷蔓機，通過大功率拖拉機牽引將秧蔓纏繞在支架上，然后再做粉碎處理[4]。針對秧蔓處理技術(shù)的研究，美國研發(fā)的大型薯秧直收式聯(lián)合收獲機，可以將甘薯和秧蔓同時收起，但兩種方式均需要足夠的配套動力且農(nóng)機農(nóng)藝融合緊密，不適合中國國情[5]。日本研發(fā)了一種單壟單行自走式甘薯秧蔓收獲粉碎機，但價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適用于中國甘薯種植現(xiàn)狀。

中國自主研發(fā)的甘薯秧蔓處理機具以秧蔓粉碎還田機為主，甘薯秧蔓收獲技術(shù)及裝備還不成熟?，F(xiàn)有的甘薯秧蔓粉碎還田機有4HJH型甘薯碎蔓機、大型雙壟雙行去蔓機、4UL-80型薯類碎蔓機[6-8]。所述秧蔓粉碎還田設(shè)備均采用仿壟型甩刀安裝在高速轉(zhuǎn)輥上，秧蔓經(jīng)過甩刀、罩殼的擊打粉碎拋落至田間，類似于秸稈還田機的工作原理[9]，秧蔓粉碎還田技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但是甘薯秧蔓作為優(yōu)質(zhì)的飼料卻難以機械化收獲造成了很大的損失，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的單壟單行甘薯秧蔓回收機能夠?qū)崿F(xiàn)秧蔓收獲收集，但因無法解決喂入裝置發(fā)生纏繞沒有推廣使用[10]。

上述研究為甘薯秧蔓收獲裝備的研發(fā)提供了理論參照，但未能解決甘薯秧蔓收獲過程中發(fā)生纏繞、貼地?zé)o序生長的秧蔓無法有序切割等問題。本文提出將秧蔓分段切割的撥禾切割方式，解決甘薯秧蔓難以切割以及纏繞的問題，結(jié)合撿拾裝置以及螺旋輸送器，實現(xiàn)甘薯秧蔓切—送—歸集作業(yè)。

1 割臺整體結(jié)構(gòu)與工作原理

甘薯秧蔓收獲機專用割臺由傳動系統(tǒng)、圓盤側(cè)刀切割裝置、撥禾切割裝置、撿拾裝置、螺旋絞龍輸秧裝置等組成，可一次完成甘薯收獲前秧蔓切割拋送、撿拾撥送、歸集輸送作業(yè)。撥禾切割裝置在傳統(tǒng)撥禾輪的基礎(chǔ)上增加了仿壟型排列的割刀和彈齒，在撥禾、扶禾基本功能的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)甘薯秧蔓無纏繞勾切拋送。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 甘薯秧蔓收獲機專用割臺結(jié)構(gòu)示意圖

工作時，割臺前方兩側(cè)安裝的圓盤割刀將壟底的秧蔓切割，安裝在撥禾輪上的仿壟型割刀在高速回轉(zhuǎn)下把壟頂和壟側(cè)的甘薯秧蔓割斷并勾起，再通過撥禾輪將秧蔓撥送到撿拾機構(gòu)，在撿拾器的撿拾撥送作用下，秧蔓順利進入螺旋輸送器，在變螺距螺旋絞龍的作用下秧蔓被歸集至割臺一側(cè)，完成甘薯秧蔓的切—送—歸集作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 撥禾切割裝置

撥禾切割裝置(圖2)由撥禾輪和仿壟型割刀、彈齒組成，用于完成甘薯秧蔓的勾割和殘余秧蔓的撥送，保證貼地?zé)o序生長的秧蔓被仿壟型割刀勾起割斷，并在撥禾輪彈齒的作用下?lián)芩椭翐焓皺C構(gòu)。其中，仿壟型割刀為鋼刀，其作用是將壟面和壟坡上的秧蔓勾起、切割；仿壟型割刀通過套筒和螺栓固定在撥禾輪的橫桿上，隨撥禾輪做圓周撓鉤運動。其中，彈齒有一定的彈性，起作用是將仿壟型割刀割斷的秧蔓撥送至撿拾機構(gòu)；彈齒通過焊接均勻分布在撥禾輪橫桿上。

(a) 主視圖 (b) 左視圖

2.1.1 排列方式

工作中，仿壟型割刀和彈齒均為旋轉(zhuǎn)運動部件，依靠仿壟型割刀將秧蔓割斷進而通過彈齒撥送，對仿壟型割刀和彈齒端點的線速度要求較高。在工作時，仿壟型割刀和彈齒在撥禾輪的帶動下回轉(zhuǎn)，運動形式和軌跡受到壟大小和形狀的影響，工作狀態(tài)、勾切力和振動都具有隨機性。按照壟型均勻分布仿壟型割刀和彈齒的安裝位置與長短，不僅可以實現(xiàn)無纏繞切割秧蔓，還可以保證機具運動的平穩(wěn)性和工作性能。

在割臺寬度L、撥禾輪轉(zhuǎn)速n、機具作業(yè)速度Vm不變的條件下，仿壟型割刀和彈齒的安裝數(shù)量越多，對撥禾輪負(fù)載越大，不利于撥禾切割裝置正常工作；數(shù)目過少，因甘薯秧蔓過于密集，達不到秧蔓勾切撥送干凈的效果，而且極其容易發(fā)生纏繞。則仿壟型割刀和彈齒的排列密度

C=N/L

(1)

式中：N——仿壟型割刀和彈齒的數(shù)量；

L——機具的作業(yè)寬幅，mm。

機具運行過程中，相鄰安裝的仿壟型割刀和彈齒的工作距離即為進距S，應(yīng)滿足式(2)～式(4)。

S=Vm×t

(2)

(3)

(4)

式中：Vm——機具前進速度，m/s；

Z——仿壟型割刀和彈齒的排數(shù)；

n——撥禾輪轉(zhuǎn)速，r/min；

S——工作進距，m；

t——機具行駛時間，s；

ω——撥禾輪角速度，rad/s。

增加撥禾輪速度、減小機器作業(yè)速度、增加仿壟型割刀和彈齒的排數(shù)，均可以減小撥禾切割裝置的進距，從而達到提高秧蔓勾切撥送的效果。但降低機具行進速度，機器的工作效率受到影響；增加轉(zhuǎn)速，撥禾輪的轉(zhuǎn)動慣量變大且機具作業(yè)穩(wěn)定性大大降低；增加仿壟型割刀和彈齒的排數(shù)，相鄰撥板間隙減小，秧蔓容易纏繞在相鄰撥板上。同時，撥禾輪的撥板數(shù)較少，撥禾輪的轉(zhuǎn)速過高，雖不易發(fā)生纏繞，但秧蔓勾切撥送的效果難以實現(xiàn)，不宜采用。

經(jīng)調(diào)研國內(nèi)大部分甘薯壟壟頂長550 mm，壟底長700 mm，確保生長在壟上的秧蔓都能被勾切撥送，將割臺的作業(yè)幅寬確定為1 000 mm?？紤]仿壟型割刀和彈齒的位置關(guān)系和長短，防止在安裝時發(fā)生干涉，在工作時漏切、纏繞，確定撥禾輪為4板式撥禾輪，即Z為4。仿壟型割刀和彈齒安裝的過于密集，秧蔓被勾切的過于粉碎難以將碎蔓撥送至撿拾機構(gòu)，安裝過于稀疏，秧蔓會纏繞在撥禾輪上影響作業(yè)效果，通過預(yù)試驗確定6片仿壟型割刀6片彈齒，即彈齒和刀的排列密度為12片/m。參照甘薯留茬高度40～60 mm將最靠近甘薯主莖的兩個割刀距離設(shè)置為50 mm，剩下的仿壟型割刀以及彈齒均勻交錯分布在橫桿上，如圖3所示。結(jié)合拖拉機底盤高度和甘薯壟高，將撥禾輪空間定位在離壟頂100 mm處，再根據(jù)仿壟型排列要求，以一側(cè)為例，將割刀和彈齒的安裝長度定為103、103、103、283、403、403 mm，誤差為3 mm。預(yù)試驗表明，安裝高度不會對刀具造成額外磨損，且不會傷薯。

圖3 仿壟型割刀和彈齒安裝排列示意圖

2.1.2 撥禾輪參數(shù)

通過對仿壟型割刀和彈齒排列方式的分析，確定撥禾輪為4板式，在結(jié)構(gòu)簡單并且不影響秧蔓勾切撥送效果情況下，該機具采用普通撥禾輪。撥禾輪運動軌跡如圖4所示，撥禾輪撥板上一點的運動軌跡為余擺線[11]。

甘薯種植株距為250～400 mm，在威海市文登區(qū)的試驗田種植株距為270 mm，考慮到撥禾輪在工作時每個撥禾輪上安裝的仿壟型割刀均應(yīng)切割每一株甘薯的主莖，即機具的工作進距S為270 mm。

撥禾輪轉(zhuǎn)速n和撥禾板圓周速度Va關(guān)系如式(5)所示。

(5)

式中：D——撥禾輪直徑，mm。

撥禾切割裝置正常工作的前提是仿壟型割刀和彈齒的圓周速度Va大于機具的前進速度Vm[12]，撥禾速比λ表達式如式(6)所示。

(6)

通過查閱農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊，四板式撥禾輪的撥禾速比為1.2～1.5，為了將秧蔓勾切撥送的效果更好，將撥禾速比設(shè)置為1.5。由于甘薯秧蔓生長非常密集且雜亂無章，結(jié)合馬鈴薯殺秧機的工作速度，將機具的前進速度定為0.6 m/s。通過式(3)確定撥禾輪轉(zhuǎn)速為46 r/min，通過式(5)確定撥禾輪直徑為1 070 mm，由于在計算中將仿壟型割刀和彈齒的長度計算到撥禾輪直徑中，因此撥禾輪的實際直徑

I=D-2L

(7)

由上文可知L=100 mm，因此撥禾輪的實際直徑為870 mm，符合撥禾輪的相關(guān)設(shè)計要求。

2.2 撿拾裝置

撿拾裝置位于撥禾輪和螺旋輸送絞龍之間，將撥禾切割裝置勾切的秧蔓輔助撥送至螺旋輸送絞龍。作業(yè)時，保證彈齒齒尖在回轉(zhuǎn)過程中最低點離地面有一定距離，隨著機具前進和撥禾輪轉(zhuǎn)動，甘薯秧蔓在撿拾裝置的撥送作用下，向上向下輸送至螺旋輸送絞龍，再由螺旋輸送絞龍歸集到一側(cè)，完成甘薯秧蔓的切送歸集過程。撿拾裝置由撿拾彈齒、輸送板、支撐板、主軸、彈齒安裝座、傳動輪組成，主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 撿拾器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 彈齒間距確定

彈齒間距指相鄰兩個彈齒之間的距離。彈齒間距的大小影響著撥送秧蔓的效果，間距過大，彈齒無法挑到切割后的秧蔓，導(dǎo)致漏撥；間距過小，增加制造成本和難度，輸送板寬度減小，輸送效果差且容易發(fā)生堵塞。

彈齒間距根據(jù)切割后的甘薯秧蔓的長度確定，選取經(jīng)撥禾切割裝置切割后的秧蔓50份樣本，測得其平均長度為148 mm，最長為200 mm，最短為111 mm。只要彈齒的間距小于切割后甘薯秧蔓的長度，理論上就能保證甘薯秧蔓被彈齒挑起輸送至螺旋輸送絞龍，因此確定彈齒間距為100 mm，工作幅寬為1 000 mm，所以設(shè)置11排彈齒10個輸送板。

2.2.2 撿拾器轉(zhuǎn)速確定

為了將切割后的秧蔓輔助撥送至螺旋輸送絞龍，避免秧蔓堆積過多造成阻塞以及增加不必要的動力消耗和磨損，造成輸送效果差，需要確定撿拾彈齒的線速度。彈齒線速度取決于彈齒長度和撿拾器轉(zhuǎn)速，在撥禾輪轉(zhuǎn)速和機具行進速度確定的情況下，若撿拾器轉(zhuǎn)速過小，會造成秧蔓漏撥掉落至地面，且大量的秧蔓會堆積在輸送板上容易造成堵塞；撿拾器轉(zhuǎn)速過大，增加動力消耗和加劇磨損，撿拾器穩(wěn)定性變差。因此，撿拾器轉(zhuǎn)速對切割后甘薯秧蔓的撥送傳輸效果至關(guān)重要。在撿拾器工作的回程點要有向后的力，才能實現(xiàn)有效地將秧蔓撥送，避免堵塞。需要滿足彈齒齒尖線速度Vc大于機具前進速度Vm，彈齒齒尖線速度Vc大于撥禾輪的線速度Vb[13]。

(8)

(9)

又因Vb>Vm，則Vc>Vb>Vm，Vb=0.9 m/s，所以有

(10)

式中：n1——撿拾器轉(zhuǎn)速，r/min；

r——彈齒的回轉(zhuǎn)半徑，mm。

結(jié)合撥禾輪的直徑以及現(xiàn)有的花生撿拾聯(lián)合收獲機和稻草撿拾收獲機的彈齒回轉(zhuǎn)半徑，將該機的回轉(zhuǎn)半徑確定為200 mm，可得撿拾器的轉(zhuǎn)速大于42.99 r/min。避免增加不必要的動力消耗和磨損，要求撿拾器轉(zhuǎn)速盡量小，將其確定為43 r/min。

2.2.3 彈齒排數(shù)確定

在撿拾器轉(zhuǎn)速確定的情況下彈齒排數(shù)越少，彈齒“空回”的時間越長，越容易漏撥。彈齒排數(shù)過多，制造成本和難度增加且容易發(fā)生堵塞。避免秧蔓漏割和堵塞再結(jié)合花生撿拾聯(lián)合收獲機的撿拾彈齒排數(shù)，將撿拾器彈齒確定為6排。

2.3 輸送裝置

輸送裝置選用螺旋輸送器，主要作用是將切割撥送后的甘薯秧蔓歸集輸送至割臺一側(cè)。螺旋輸送器由罩殼、筒體、螺旋葉片、輸送撥板、撥板安裝底座、螺栓、軸頭、傳動齒輪等組成，如圖6所示，其中：軸頭與筒體通過螺栓連接、螺旋葉片焊接在筒體上、撥板與撥板安裝底座螺栓連接、撥板安裝底座焊接在筒體一側(cè)。在傳動齒輪的帶動下，進入螺旋輸送絞龍的秧蔓一邊在螺旋葉片上滑動，一邊沿筒體軸向一側(cè)移動，移動至撥板處在撥板的撥送作用下經(jīng)排秧口離開割臺。

圖6 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

螺旋輸送器的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括筒體直徑、外徑、螺距、螺旋升角、撥板數(shù)。為了防止甘薯秧蔓發(fā)生纏繞，筒體的周長應(yīng)大于切割后秧蔓的平均長度，由上文知甘薯秧蔓的平均長度是148 mm，又考慮到甘薯秧蔓數(shù)量過多，本機將筒體直徑設(shè)計為200 mm，螺旋葉片的外徑D4為400 mm。

螺距的大小影響螺旋輸送器的工作效率和效果，螺距過大容易發(fā)生堵塞，螺距過小輸送效率太低。對于水平布置的輸送器，參照玉米秸稈螺旋輸送器的設(shè)計，取螺距與外徑之比為0.6，則螺距E為240 mm。螺旋葉片內(nèi)任意點的法線與軸線間的角為螺旋升角，螺旋葉片上螺旋升角的計算公式如式(11)所示[14-18]。

(11)

式中：Ci——螺旋葉片上任意一點到軸線的距離，mm。

由螺旋升角的計算公式可知螺旋升角在螺旋葉片上由內(nèi)向外逐漸減小，螺旋葉片內(nèi)側(cè)螺旋升角γ1=71.9°，外側(cè)螺旋升角γ2=36.1°。

2.3.2 螺旋輸送器運動參數(shù)確定

甘薯秧蔓在輸送過程中是軸向運動和徑向運動的復(fù)合運動。將秧蔓看作一個質(zhì)點Q把葉片沿螺旋線展開在任意點O進行動力學(xué)分析，設(shè)螺旋輸送器角速度為ω，質(zhì)點Q處半徑為R，螺旋升角為γ，秧蔓和螺旋葉片間的摩擦角為β，對質(zhì)點Q進行運動分析如圖7所示。

圖7 Q點受力分析圖

秧蔓在螺旋輸送器內(nèi)的運動可以分解為軸向分速度V1和圓周方向分速度V2。

V1=Vdcos(γ+β)

(12)

V2=Vdsin(γ+β)

(13)

如圖7所示，利用速度三角形可知

(14)

(15)

(16)

式中：V1——O點軸向速度，m/s；

V2——O點圓周方向速度，m/s；

Vd——O點的絕對速度，m/s；

Vd′——O點的切向速度，m/s；

β——秧蔓與葉片間的摩擦角，(°)；

γ——螺旋升角，(°)；

n1——螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，rad/min。

秧蔓輸送的效率與螺旋輸送器轉(zhuǎn)速、螺旋升角和摩擦角有關(guān)，在轉(zhuǎn)速和螺距一定的條件下，螺旋升角越大O點的軸向速度V1越小。

3 田間試驗與分析

3.1 試驗條件

2020年10月，在山東省威海市文登區(qū)甘薯試驗田開展樣機田間試驗。機具主要技術(shù)參數(shù)及試驗田條件及種植技術(shù)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 機具主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of machines and tools

表2 試驗田條件及種植技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Experimental field conditions and planting technical parameters

3.2 試驗方案與結(jié)果分析

依據(jù)GB/T 8097—2008《收獲機聯(lián)合收獲機試驗方法》、GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》對甘薯秧蔓收獲機專用割臺進行田間作業(yè)性能試驗。

每次田間試驗時，整機穩(wěn)定作業(yè)20 m，在該區(qū)域內(nèi)隨機選取3壟600 mm×1 000 mm區(qū)域作為測試區(qū)域，測量區(qū)域內(nèi)甘薯秧蔓的留茬高度、遺留秧蔓數(shù)量及長度，重復(fù)試驗三次，并取秧蔓留茬高度以及遺留秧蔓數(shù)量的平均值。對歸集在割臺一側(cè)的甘薯秧蔓進行稱重并在試驗時進行計時，通過式(17)～式(19)計算割臺的喂入量Fm，割臺漏割率Sw，傷薯率Hb。機器的行走速度為0.6 m/s，割臺工作效率為0.45 hm2/h。樣機的各項性能指標(biāo)與試驗結(jié)果如表3所示。

(17)

式中：Wm——歸集后秧蔓的重量，kg。

(18)

式中：Wp——漏割秧蔓的重量，kg；

W——秧蔓的重量，kg。

(19)

式中：Bn——破損甘薯的個數(shù)，個；

B——甘薯的總個數(shù)，個。

表3 樣機性能指標(biāo)與試驗結(jié)果Tab. 3 Performance index and test results of the prototype

作業(yè)后的甘薯秧蔓留茬平均長度為46.33 mm，符合甘薯收獲作業(yè)留茬要求，割臺喂入量達1.2 kg/s，秧蔓收凈率達90%以上，傷薯率僅為0.45%，各項指標(biāo)均已達標(biāo)。作業(yè)過程中甘薯秧蔓喂入輸送順暢，撥禾切割裝置、撿拾裝置、螺旋輸送裝置均無秧蔓纏繞、堵塞，該甘薯秧蔓收獲機專用割臺有效解決了甘薯收獲前秧蔓處理的問題，對提升我國甘薯全程機械化水平具有重要意義。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種撥禾切割式甘薯秧蔓收獲機專用割臺，包括撥禾輪、仿壟型割刀、撿拾器、螺旋輸送絞龍、圓盤割刀等部件，能夠?qū)崿F(xiàn)甘薯秧蔓順暢切—送—歸集，解決了甘薯秧蔓收獲機切割裝置和喂入裝置纏繞、堵塞、堆積等問題，提高了甘薯秧蔓割臺的輸送能力，有效解決了甘薯秧蔓難以切割歸集的問題。

2) 設(shè)計了撥禾切割裝置，根據(jù)壟寬設(shè)計撥禾輪工作幅寬為1 000 mm，直徑為870 mm，為保證切割后的秧蔓符合留茬要求，中間的割刀安裝距離定為50 mm，其余割刀和彈齒交錯均勻分布；設(shè)計撿拾器轉(zhuǎn)速為43 r/min，彈齒間距為100 mm；設(shè)計螺旋輸送器內(nèi)徑為200 mm，外徑為400 mm，螺距為240 mm。

3) 樣機以0.6 m/s的作業(yè)速度進行田間試驗時，整機工作性能穩(wěn)定，甘薯秧蔓喂入順暢，喂入量為1.2 kg/s，收凈率達90%以上，傷薯率僅為0.45%，整機作業(yè)效率為0.54 hm2/h，各項指標(biāo)均達到或超過設(shè)計技術(shù)指標(biāo)。