4BZ-800型荸薺收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張國(guó)忠，董昭，陳立明，劉浩蓬，張妮，陳龍，張清洪

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070

荸薺（Eleocharis dulcis）是我國(guó)南方地區(qū)種植的一種特色水生蔬菜，具有食用和藥用功效，經(jīng)加工后可用于制作蜜餞、罐頭等，具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值［1-2］。荸薺果實(shí)埋于地下，導(dǎo)致其收獲難度大，限制了荸薺產(chǎn)業(yè)發(fā)展［3］。我國(guó)主要依靠人工方式采收荸薺，可以分為旱地收獲和帶水收獲兩大類(lèi)型［4］。旱地收獲主要依靠人工使用平板鐵鍬挖掘采收，這種收獲方式存在破損率高、損失大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等問(wèn)題［5］。帶水收獲則是先放水將田間土壤浸泡松軟，隨后用水槍沖刷，使得荸薺與土壤分離，進(jìn)而進(jìn)行采收。這種收獲方式的破損率和損失率相對(duì)旱地收獲低，但同樣存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的問(wèn)題，且收獲的果實(shí)保存時(shí)間短的問(wèn)題至今難以解決［6］。國(guó)外荸薺種植面積較小，在采收方面研究甚少。套襯網(wǎng)荸薺栽培技術(shù)（http：//www.raingarden.us/waterchest?nut.pdf.），即在荸薺的種植區(qū)池底鋪放網(wǎng)狀塑料材料，然后鋪放培養(yǎng)土，收獲時(shí)通過(guò)水槍沖刷覆蓋在果實(shí)上的泥土并拽拉塑料網(wǎng)，待泥水通過(guò)網(wǎng)狀空隙漏掉后，露出荸薺果實(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)省采收所需勞動(dòng)力以及成本的效果。

為實(shí)現(xiàn)高效、低損采收荸薺，近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了多種荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)與裝備研究。陳子林［7］設(shè)計(jì)了一種牽引式荸薺收獲機(jī)，需要配合拖拉機(jī)使用，該機(jī)采用三點(diǎn)式懸掛，無(wú)自主動(dòng)力，無(wú)荸薺果實(shí)收集功能，需人工撿拾，機(jī)械自動(dòng)化程度不高。王川等［8］設(shè)計(jì)了一種具備清洗、收集功能的牽引式荸薺收獲機(jī)，完成了樣機(jī)設(shè)計(jì)和加工試制，該機(jī)能夠完成部分田間環(huán)境下的荸薺收獲工作，但適應(yīng)性稍差。李旭等［9］設(shè)計(jì)了一種無(wú)人駕駛分層式荸薺收獲機(jī)，該機(jī)采用土壤液化原理分離泥土和果實(shí)，更適用于在田間長(zhǎng)期積水的田塊使用，對(duì)其他田間環(huán)境適應(yīng)性不佳。從原理上來(lái)看，現(xiàn)有的荸薺機(jī)械化收獲研究可以分為3個(gè)大類(lèi)，旱地收獲多采用沖擊和振動(dòng)來(lái)分離泥土和荸薺果實(shí)，帶水收獲則可進(jìn)一步分為水力沖刷式和利用土壤振動(dòng)液化原理分離泥土和荸薺果實(shí)2種，基于這3種原理設(shè)計(jì)的荸薺收獲機(jī)械都存在一定的不足，因此本研究結(jié)合荸薺種植模式和農(nóng)藝要求，以人工帶水收獲方式為基礎(chǔ)，提出了一種全新的機(jī)械擾動(dòng)式荸薺收獲方法，該方法利用桿齒擾動(dòng)水和土壤，使兩者充分混合以降低土壤粘附力，達(dá)到分離土壤和荸薺的效果，根據(jù)該方法設(shè)計(jì)了一種4BZ-800型荸薺收獲機(jī)并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)，以期為荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)與裝備研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計(jì)需求和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

荸薺帶水收獲時(shí)會(huì)在田間灌入一定深度的水并浸泡1周左右，導(dǎo)致收獲時(shí)土壤含水率較高，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，要求收獲機(jī)行走系統(tǒng)在作業(yè)過(guò)程中底盤(pán)接地比壓小、離地間隙高、轉(zhuǎn)彎半徑小和一定的脫困能力。根據(jù)農(nóng)藝要求，荸薺果實(shí)生長(zhǎng)深度分布于泥下20 cm深度處，對(duì)于收獲部件而言，要求其挖掘深度達(dá)到20 cm以上且能夠調(diào)整挖掘深度以適應(yīng)不同的田間環(huán)境。同時(shí)按照荸薺市場(chǎng)供應(yīng)需求，收獲部件應(yīng)能完成荸薺果實(shí)和泥土的分離、果實(shí)的收集等工作并能盡量減少對(duì)荸薺果實(shí)的損傷。

4BZ-800型荸薺收獲機(jī)由行走系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)裝置、提升分離裝置、收集裝置等組成，可一次性完成荸薺的挖掘、果土分離、升運(yùn)、收集等工作，整機(jī)總體結(jié)構(gòu)和主要工作部件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要技術(shù)參數(shù)為：整機(jī)外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為2 400 mm×1 500 mm×1 250 mm，配套動(dòng)力功率為16.2 kW，樣機(jī)采用履帶底盤(pán)驅(qū)動(dòng)，作業(yè)幅寬800 mm；設(shè)計(jì)最大行駛速度0.8 m/s。

圖1 4BZ-800型荸薺收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of 4BZ-800 water chestnut harvester

1.2 工作原理

4BZ-800型荸薺收獲機(jī)底盤(pán)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，液壓泵將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，液壓能通過(guò)管路傳遞至行走馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)履帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，完成前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)向動(dòng)作。工作部件的動(dòng)力來(lái)源于另一路液壓回路，液壓泵將動(dòng)力傳遞至液壓馬達(dá)后由鏈傳動(dòng)對(duì)動(dòng)力進(jìn)行二次分配。整機(jī)的工作原理示意圖如圖2所示。作業(yè)時(shí)，借助調(diào)整液壓缸控制挖掘深度，保證足夠的挖掘深度，依靠履帶行走系統(tǒng)，推動(dòng)機(jī)器前進(jìn)。三級(jí)旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)輥通過(guò)機(jī)械擾動(dòng)將水、土壤和荸薺果實(shí)充分混合，使土壤水分達(dá)到過(guò)飽和，混合物呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)。帶提升分離鏟的升運(yùn)鏈隨即將混合物鏟起提升，在此過(guò)程中土壤和水從鏟齒間漏下，完成荸薺的提升分離，升運(yùn)鏈將荸薺果實(shí)輸運(yùn)至后部收集板，完成荸薺的收獲。

圖2 4BZ-800型荸薺收獲機(jī)工作原理Fig.2 Working principle of 4BZ-800 water chestnut harvester

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成。液壓傳系統(tǒng)為機(jī)器的行走、工作部件運(yùn)轉(zhuǎn)和工作部件的升降提供動(dòng)力。機(jī)械傳動(dòng)將液壓馬達(dá)輸出的動(dòng)力按設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比分配給各工作部件。整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)采用分路傳動(dòng)的方式。動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出分4路，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸輸出，通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)各液壓回路對(duì)應(yīng)的液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，兩路經(jīng)手動(dòng)換向閥的調(diào)節(jié)分別為兩側(cè)行走液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，一路經(jīng)手動(dòng)換向閥的調(diào)節(jié)為工作部件驅(qū)動(dòng)馬達(dá)提供動(dòng)力，最后一路通過(guò)手動(dòng)換向閥的調(diào)節(jié)為工作部件的升降提供動(dòng)力。具體動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及各級(jí)傳動(dòng)比如圖3所示。

圖3 4BZ-800型荸薺收獲機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of 4BZ-800 water chestnut harvester power transmission

1.4 履帶底盤(pán)設(shè)計(jì)與分析

1）履帶底盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。履帶底盤(pán)具有接地比壓小、附著性能優(yōu)、轉(zhuǎn)彎半徑小、越障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［10-11］，成為4BZ-800型荸薺收獲機(jī)驅(qū)動(dòng)底盤(pán)的首選，其底盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖4示。由于該型荸薺收獲機(jī)的工作部件安置于2條履帶內(nèi)側(cè)，為提升工作效率和生產(chǎn)率，在滿(mǎn)足田間行駛性能要求下盡量使用寬度較窄的履帶。

圖4 底盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of chassis structure

履帶式底盤(pán)在水田土壤條件下的許用接地比壓一般在15～25 kPa［12］。履帶接地長(zhǎng)度、履帶寬度以及接地比壓的關(guān)系如式（1）所示［13］。

式（1）中：L為接地長(zhǎng)度，m；G為整機(jī)重力，取12 000 N；［p］為許用接地比壓，15～25 kPa；b為履帶寬度，在比較市面上常見(jiàn)的履帶后選擇了寬度為180 mm的履帶作為該機(jī)使用的履帶。代入式（1）中計(jì)算可得，L≥1.33 m或者L≤2.22 m，即該型荸薺收獲機(jī)的履帶接地長(zhǎng)度為1.33～2.22 m?？紤]到工作部件的尺寸和整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取履帶接地長(zhǎng)度為1.6 m。

履帶接地長(zhǎng)度L與軌距B的比值L/B應(yīng)為1.2～1.5，比值如果超過(guò)1.5則履帶底盤(pán)轉(zhuǎn)向困難；如果比值小于1.2則會(huì)導(dǎo)致直線(xiàn)行駛穩(wěn)定性較差［14-15］。為使得履帶底盤(pán)具有更好的轉(zhuǎn)向性能，L/B的值應(yīng)盡量取小，結(jié)合工作部件和整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此處軌距取1.32 m，接地長(zhǎng)度L與軌距B的比值為1.21，符合要求。經(jīng)計(jì)算可得樣機(jī)履帶底盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：軌距1 320 mm、履帶寬度180 mm、履帶接地長(zhǎng)度1 600 mm、接近角45°、離去角40°、底盤(pán)最小離地間隙450 mm。

2）履帶底盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？紤]到田間環(huán)境與條件，所設(shè)計(jì)的荸薺收獲機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要提供較大扭矩，以滿(mǎn)足荸薺收獲機(jī)低速大扭矩、工作阻力大、行走和轉(zhuǎn)向阻力大等需求，且需要較高響應(yīng)速度，以降低駕駛員的操作難度，提高作業(yè)效率。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)機(jī)具的行走和轉(zhuǎn)向功能。為此，設(shè)計(jì)了該型荸薺收獲機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單個(gè)定量雙聯(lián)泵驅(qū)動(dòng)2個(gè)定量液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)。左右兩側(cè)的2個(gè)液壓行走馬達(dá)工作回路相互獨(dú)立，互不干涉，采用2個(gè)換向閥單獨(dú)控制，可實(shí)現(xiàn)2個(gè)液壓馬達(dá)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，通過(guò)等排量的雙聯(lián)泵驅(qū)動(dòng)，可保證2個(gè)液壓馬達(dá)在直行時(shí)的同步性。

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件選項(xiàng)如下，收獲機(jī)在爬坡工況下運(yùn)轉(zhuǎn)阻力最大，此時(shí)最大阻力為［16］：

式（2）中：Fz為爬坡阻力，N；m為整機(jī)質(zhì)量，1 200 kg；α為設(shè)計(jì)最大爬坡角度，20°；f1為履帶與地面間滾動(dòng)阻力系數(shù)，取值范圍為0.02～0.15，本研究取最大值0.15；f2為履帶底盤(pán)內(nèi)部摩擦阻力系數(shù)，取值為0.1；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

液壓行走馬達(dá)所受扭矩為：

式（3）中：Mm為單個(gè)液壓行走馬達(dá)所受扭矩，N·m；R為驅(qū)動(dòng)輪半徑，0.2 m；n為液壓行走馬達(dá)數(shù)量，2；η1為液壓行走馬達(dá)機(jī)械效率，0.9；η2為履帶輪效率，0.9。

液壓行走馬達(dá)理論排量為：

式（4）中：Vm為液壓行走馬達(dá)理論排量，mL/r；Pm為系統(tǒng)工作壓力，20 MPa；η3為液壓行走馬達(dá)容積效率，0.94。

液壓行走馬達(dá)應(yīng)滿(mǎn)足該型荸薺收獲機(jī)設(shè)計(jì)最大行駛速度的要求，因此，液壓行走馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速為：

式（5）中：nmax為液壓行走馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速，r/min；vmax為收獲機(jī)設(shè)計(jì)最大行駛速度，2.88 km/h。

將設(shè)計(jì)參數(shù)代入式（2）～（5）可得液壓行走馬達(dá)理論排量Vm=287.26 mL/r，最大轉(zhuǎn)速nmax=38.20 r/min。通過(guò)查詢(xún)液壓馬達(dá)產(chǎn)品手冊(cè)，確定液壓行走馬達(dá)選用BMT-310，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 液壓行走馬達(dá)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of hydraulic walking mtor

在確定了液壓馬達(dá)的型號(hào)后，選擇配套液壓泵的型號(hào)，液壓泵輸出流量為：

式（6）中：Qp為液壓泵輸出流量，L/min；kp為泄露系數(shù)，1.1。

液壓泵理論排量為：

式（7）中：Vp為液壓泵理論排量，mL/r；nf為液壓泵轉(zhuǎn)速，2 200 r/min；η4為液壓泵容積效率，0.94。

將設(shè)計(jì)參數(shù)代入式（6）和式（7）計(jì)算可得，液壓泵輸出流量Qp=12.10 L/min，理論排量Vp=5.84 mL/r。通過(guò)查詢(xún)液壓泵產(chǎn)品手冊(cè)，確定選用CBNE-306/306雙聯(lián)齒輪液壓泵，其主要參數(shù)如下：公稱(chēng)排量6 mL/r、額定壓力20 MPa、最高壓力25 MPa、最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

3）履帶底盤(pán)轉(zhuǎn)向性能分析。考慮部分種植田塊較小以及田間路徑較窄等實(shí)際條件，4BZ-800型荸薺收獲機(jī)底盤(pán)轉(zhuǎn)向方式采用差速轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向2種。差速轉(zhuǎn)向時(shí)2條履帶以不同轉(zhuǎn)速差運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可完成不同半徑的轉(zhuǎn)向。當(dāng)單邊履帶制動(dòng)，另一邊履帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，具有最小的轉(zhuǎn)彎半徑。樣機(jī)原地轉(zhuǎn)向時(shí)兩側(cè)履帶以相等轉(zhuǎn)速反向運(yùn)動(dòng)，樣機(jī)繞幾何中心旋轉(zhuǎn)，完成機(jī)具原地轉(zhuǎn)向。

由幾何分析可得，差速轉(zhuǎn)向最小轉(zhuǎn)彎半徑為：

式（8）中：Rmin為最小轉(zhuǎn)彎半徑，mm；B為履帶軌距，mm；Lz為履帶軸距，mm。

同理可得，原地轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向半徑為：

式（9）中：R'原地轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向半徑，mm；B履帶軌距，mm；Lz軸距，mm。

4BZ-800型荸薺收獲機(jī)底盤(pán)履帶輪距B為1 320 mm，履帶軸距Lz為1 600 mm，代入式（8），求得差速轉(zhuǎn)向最小轉(zhuǎn)彎半徑為1 543.50 mm，代入式（9），求得原地轉(zhuǎn)向半徑為1 037.11 mm。該履帶底盤(pán)的轉(zhuǎn)向半徑較小，轉(zhuǎn)向性能優(yōu)秀，能夠滿(mǎn)足荸薺收獲作業(yè)和田間轉(zhuǎn)運(yùn)需求。

4）履帶底盤(pán)穩(wěn)定性分析。履帶底盤(pán)的穩(wěn)定性對(duì)駕駛員的安全性和底盤(pán)的操縱性能都有較大的影響。由于4BZ-800型荸薺收獲機(jī)主要在平坦地面上作業(yè)，只有在上下田和翻越田埂等少數(shù)情況下需要上下坡，且上下坡時(shí)基本為縱向行駛。因此，本研究?jī)H針對(duì)底盤(pán)縱向極限傾覆狀態(tài)進(jìn)行分析，以縱向極限傾覆角衡量整機(jī)的行駛穩(wěn)定性。當(dāng)該型荸薺收獲機(jī)勻速行駛上坡時(shí)，極限傾覆狀態(tài)如圖5A所示，忽略空氣阻力和履帶彈性形變，建立樣機(jī)上坡極限傾覆狀態(tài)力學(xué)平衡方程：

圖5 4BZ-800型荸薺收獲機(jī)底盤(pán)縱向極限傾覆受力分析Fig.5 Analysis of longitudinal limit pverturning force of 4BZ-800 water chestnut harvester chassis

式（10）中，F(xiàn)T為地面對(duì)履帶的切向作用力，N；FN為地面對(duì)履帶的法向作用力，N；G為整機(jī)重力，N；αlim為上坡極限傾覆角，（°）；L1為整機(jī)履帶接地長(zhǎng)度，mm；L2為重心到履帶后接地點(diǎn)的距離，mm；h為整機(jī)重心至地面的垂直高度，mm。

4BZ-800型荸薺收獲機(jī)的上坡極限傾覆狀態(tài)為樣機(jī)繞履帶后接地點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的臨界狀態(tài)，此時(shí)土壤對(duì)樣機(jī)的支撐力FN作用于履帶后接地點(diǎn)即旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，樣機(jī)重力沿坡面和垂直坡面方向的分力與對(duì)應(yīng)力臂的乘積相等，可得上坡極限傾覆角為：

分析式（11）可知，機(jī)具的縱向傾覆角與重心位置有關(guān)，上坡時(shí)當(dāng)重心位于履帶后輪受力點(diǎn)前時(shí)，即可避免向后傾覆。同理，下坡極限傾覆角受力分析如圖5B所示，此時(shí)機(jī)具下坡極限傾覆角為：

通過(guò)上述分析可知，機(jī)具重心越低，穩(wěn)定性越好，抗傾覆能力越強(qiáng)，在保證足夠的離地間隙的前提下應(yīng)盡量降低機(jī)具重心，同時(shí)要合理配置機(jī)具重心位置。運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)機(jī)具重心位置進(jìn)行測(cè)定，得到機(jī)具重心至履帶后端接地點(diǎn)距離L2為808.33 mm，機(jī)具重心至地面垂直高度h為552.79 mm，機(jī)具履帶接地長(zhǎng)度為1 600 mm，將上述參數(shù)代入式（11）和式（12）中，可得機(jī)具上下坡極限傾覆角αlim和α'lim分別為55.63°和55.08°。與普通履底盤(pán)相比較，該履帶底盤(pán)雖然離地間隙較高，但由于其工作部件均布置在較低的位置，因此重心比普通底盤(pán)低，使得底盤(pán)縱向極限翻傾角較大，能夠滿(mǎn)足最大爬坡角度為20°的設(shè)計(jì)要求，能夠保證4BZ-800型荸薺收獲機(jī)在坡面作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。

1.5 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇

1）旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)輥。4BZ-800型荸薺收獲機(jī)配備有三級(jí)旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)輥，在相同挖掘深度的前提下，相較于單級(jí)擾動(dòng)輥，能夠有效降低旋轉(zhuǎn)輥所受的阻力，同時(shí)減小收獲過(guò)程中對(duì)荸薺的損傷。旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)輥其結(jié)構(gòu)與水稻聯(lián)合收割機(jī)桿齒式脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)類(lèi)似（圖6）。其由主軸、端蓋、橫桿和桿齒組成，橫桿沿端蓋均勻分布，桿齒按一定間距焊接在橫桿上，相鄰兩橫桿上的桿齒交錯(cuò)排列。由于該型荸薺收獲機(jī)的挖掘深度需要達(dá)到20 cm方可確保收獲絕大部分的荸薺果實(shí)，故設(shè)計(jì)擾動(dòng)輥桿齒長(zhǎng)度為7 cm，保證足夠的挖掘深度；設(shè)計(jì)桿齒間距為2倍的荸薺長(zhǎng)軸直徑以保證荸薺能夠順利從桿齒間通過(guò)，通過(guò)測(cè)量可知荸薺直徑大多分布于45 mm附近，故選擇桿齒間距為90 mm。

圖6 旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of rotating disturbance roller

2）提升分離鏟。4BZ-800型荸薺收獲配備的挖掘鏟是齒形挖掘鏟，其主要功能是收集荸薺果實(shí)，在工作過(guò)程中，挖掘鏟首先將泥土、水和荸薺的混合物鏟入，隨后在提升過(guò)程中，受重力作用泥水從鏟齒間漏出，而荸薺果實(shí)被輸運(yùn)至后部收集起來(lái)。根據(jù)提升分離鏟實(shí)際工作情況、外形特點(diǎn)和荸薺果實(shí)物料特性，結(jié)合前人對(duì)挖掘鏟的研究，可確定鏟斗張角、鏟齒尺寸、齒間間距、工作幅寬等是影響提升分離鏟工作性能的主要參數(shù)，如圖7所示為提升分離鏟的結(jié)構(gòu)示意圖。由于鏟斗張角β的常見(jiàn)取值范圍在30°～60°，且鏟斗的填充量隨鏟斗張角的增大而增大［17-18］，故選擇提升分離鏟鏟斗張角為60°。經(jīng)測(cè)量，荸薺厚度大多分布于22 mm附近，故選擇鏟齒間距為15 mm，可保證荸薺不會(huì)從鏟齒間漏出。

圖7 提升分離鏟結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of lifting and separating shovel

1.6 樣機(jī)試驗(yàn)

1）試驗(yàn)條件。2022年1月在湖北省黃岡市團(tuán)風(fēng)縣方高坪鎮(zhèn)進(jìn)行了田間試驗(yàn)（圖8）。試驗(yàn)儀器設(shè)備有卷尺、角度儀、秒表、水分測(cè)定儀、土壤堅(jiān)實(shí)度儀等。試驗(yàn)前參照GB/T 5256—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件 測(cè)定方法的一般規(guī)定》，對(duì)田間環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示：試驗(yàn)田淺層土壤平均含水率為47.76%、深層土壤平均含水率為37.76%、試驗(yàn)田淺層土壤平均土壤堅(jiān)實(shí)度為2.95 kPa、深層土壤平均土壤堅(jiān)實(shí)度為36.56 kPa。

圖8 田間試驗(yàn)Fig.8 Field experiment

2）底盤(pán)性能試驗(yàn)。參照GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》對(duì)4BZ-800型荸薺收獲機(jī)樣機(jī)底盤(pán)的行駛速度、轉(zhuǎn)向半徑和爬坡角度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。行駛速度：選取長(zhǎng)度大于30 m的田間道路，測(cè)定樣機(jī)走過(guò)30 m測(cè)定區(qū)所需時(shí)間，重復(fù)3次，計(jì)算行駛速度。轉(zhuǎn)向半徑：讓樣機(jī)在田間以低速平穩(wěn)行駛，一側(cè)履帶輪制動(dòng)，另一側(cè)履帶輪前進(jìn)，待平穩(wěn)行駛360°后駛離測(cè)試區(qū)，利用卷尺測(cè)量履帶在地面留下的軌跡圓半徑，得到差速轉(zhuǎn)向最小轉(zhuǎn)向半徑；讓樣機(jī)一側(cè)履帶前進(jìn)，一側(cè)履帶后退，待整機(jī)旋轉(zhuǎn)360°后駛離測(cè)試區(qū)，利用卷尺測(cè)量履帶在地面留下的軌跡圓半徑，得到原地轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向半徑。爬坡角度：利用帶有可傾斜平板的道路清障車(chē)，駕駛樣機(jī)朝平板行駛，逐漸增大平板傾斜角度直至樣機(jī)無(wú)法駛上平板，測(cè)量此時(shí)平板傾斜角度即可得到機(jī)具最大爬坡角度。

3）收獲性能試驗(yàn)。由于當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于荸薺收獲方面的研究較少，沒(méi)有相關(guān)的評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范，故以同為塊根、塊莖類(lèi)作物的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T648—2002 《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》為參照，設(shè)計(jì)荸薺收獲機(jī)收獲性能試驗(yàn)。在試驗(yàn)中測(cè)定該型荸薺收獲機(jī)挖凈率、損失率和傷果率等3個(gè)指標(biāo)，作為該型荸薺收獲機(jī)收獲性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。挖凈率和損失率：可將試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)全部荸薺果實(shí)的質(zhì)量m劃分為3類(lèi)，收獲機(jī)掘出并收集的荸薺質(zhì)量m1，收獲機(jī)掘出但未順利收集的荸薺質(zhì)量m2，收獲機(jī)未掘出的荸薺質(zhì)量m3，挖凈率即為m1與m的百分比，損失率即為m2、m3之和與m的百分比。損傷率：將試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)收集到的所有果實(shí)中有損傷的果實(shí)集中，單獨(dú)測(cè)量其質(zhì)量m4，損失率即為m4與m的百分比。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，4BZ-800型荸薺收獲機(jī)田間道路行駛速度為0.97 m/s，差速轉(zhuǎn)向最小轉(zhuǎn)彎半徑為2.1 m，原地轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向半徑為1.3 m，最大爬坡角度為24.2°。由于發(fā)動(dòng)機(jī)全油門(mén)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速大于液壓系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速，故實(shí)測(cè)行駛速度大于理論行駛速度，但在實(shí)際使用中應(yīng)適當(dāng)減小油門(mén)避免損壞液壓系統(tǒng)。受土壤滑移等因素的影響，機(jī)具實(shí)際轉(zhuǎn)向半徑大于理論轉(zhuǎn)向半徑，但均能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。

在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，收獲到荸薺的全部質(zhì)量m為14.72 kg，其中，由收獲機(jī)掘出并收集的荸薺質(zhì)量m1為7.83 kg，收獲機(jī)掘出但未順利收集的荸薺質(zhì)量m2為4.52 kg，收獲機(jī)未掘出的荸薺質(zhì)量m3為2.37 kg，有損傷的果實(shí)質(zhì)量m4為0.62 kg，即可計(jì)算出該型荸薺收獲機(jī)挖凈率為53.19%，損失率為46.81%，損傷率為4.21%。結(jié)果表明，該型收獲機(jī)挖凈率偏低，損失率偏高，分析收獲的荸薺各個(gè)部分的質(zhì)量占比可以發(fā)現(xiàn)，收獲機(jī)掘出但未順利收集的荸薺質(zhì)量m2的占比較高，若此部分能夠順利收集，則該型荸薺收獲機(jī)的挖凈率可提高至83.90%。通過(guò)試驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致m2占比較高的主要原因是大量荸薺順著水流飄走，導(dǎo)致無(wú)法順利收集。

3 討論

根據(jù)荸薺種植田土壤條件和現(xiàn)有人工收獲方式，提出了一種全新的基于帶水收獲的機(jī)械擾動(dòng)式荸薺收獲方法，研制了4BZ-800型荸薺收獲機(jī)。整機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向，配套動(dòng)力功率為16.2 kW，最小離地間隙450 mm，履帶寬度180 mm，滿(mǎn)足荸薺收獲作業(yè)過(guò)程對(duì)底盤(pán)的性能要求；樣機(jī)配備有三級(jí)旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)輥構(gòu)成旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)裝置和帶挖掘鏟的升運(yùn)鏈構(gòu)成了提升分離裝置，兩者共同構(gòu)成了4BZ-800型荸薺收獲機(jī)的主要工作部件，能夠完成荸薺的收獲工作。4BZ-800型荸薺收獲機(jī)樣機(jī)田間性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，該型荸薺收獲機(jī)底盤(pán)田間道路行駛速度為0.97 m/s，差速轉(zhuǎn)向最小轉(zhuǎn)向半徑為2.1 m，原地轉(zhuǎn)向半徑為1.3 m，最大爬坡角度為24.2°，挖凈率、損失率和損傷率分別為53.19%、46.81%、4.21%，表明該型收獲機(jī)底盤(pán)性能能夠滿(mǎn)足田間工作需求。同時(shí)，受試驗(yàn)條件、手段和環(huán)境等因素的影響，樣機(jī)的損失率較高，還需要進(jìn)一步研究與提高。