不對行大蒜聯(lián)合收獲機設(shè)計與試驗

徐國棟 李驊 齊新丹 傅杰一 王永健 孫新平

摘要：現(xiàn)有大蒜聯(lián)合收獲機主要采用振動挖掘、對行夾持輸送、自動切莖方式，這種收獲方式要求大蒜種植時要對行播種，同時在收獲過程中機具要盡量對行直線行駛，否則極易因?qū)π胁粶?zhǔn)而發(fā)生漏收、堵塞等問題。針對這一情況，設(shè)計一款可不對行收獲的大蒜聯(lián)合收獲機。首先，基于不對行收獲的特點和大蒜收獲的農(nóng)藝要求，進(jìn)行整機總體設(shè)計；其次，通過建立數(shù)學(xué)模型完成滅茬機構(gòu)設(shè)計和選型，建立運動學(xué)模型確定蒜秧切割機構(gòu)和振動挖掘機構(gòu)的運動參數(shù)；最后，以前進(jìn)速度、入土傾角和挖掘深度為試驗因素，以損傷率和漏收率為主要評價指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平正交組合試驗并利用SPSS軟件進(jìn)行方差分析。結(jié)果表明：當(dāng)前進(jìn)速度為0.35 m/s，入土傾角為20°，挖掘深度為100 mm時，不對行大蒜聯(lián)合收獲機性能最優(yōu)，此時損傷率為2.91%、漏收率為3.93%。

關(guān)鍵詞：大蒜聯(lián)合收獲機；不對行；切秧機構(gòu)；振動挖掘鏟；滅茬機構(gòu)；正交試驗

中圖分類號：S225

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0020-06

收稿日期：2022年11月25日

修回日期：2023年2月21日

*基金項目：江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機裝備與技術(shù)示范推廣項目（NJ2021—12）

第一作者：徐國棟，男，1998年生，江蘇鹽城人，碩士研究生；研究方向為智能種收裝備。E-mail： xgd15365763617@163.com

通訊作者：齊新丹，女，1971年生，山東德州人，碩士，副教授；研究方向為智能種收裝備。E-mail： xindanqi@njtech.edu.cn

Design and experiment of non-aligned garlic combined harvester

Xu Guodong^{1， 2}， Li Hua^{2， 3}， Qi Xindan¹， Fu Jieyi^{2， 3}， Wang Yongjian^{2， 3}， Sun Xinping^{1， 2}

（1. College of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing， 211816， China；

2. Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment in Jiangsu Province/Nanjing Agricultural University，

Nanjing， 210031， China； 3. College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210031， China）

Abstract： ?The existing garlic combine harvester mainly uses vibration mining， on the line clamping transmission， automatic stem cutting methods， this harvest method requires garlic planting to the row of sowing， while in the harvest process to try to travel in a straight line， otherwise it is easy to occur leakage， blockage and other problems due to the non-aligned row. In view of this situation， this paper designs a garlic harvester which can be harvested without parallel. Firstly， based on the characteristics of misaligned harvest and the agronomic requirements of garlic harvest， the overall design of the whole machine was carried out. Secondly， the stubble elimination mechanism was designed and selected through the establishment of mathematical model， and the kinematic model was established to determine the motion parameters of the garlic vine cutting mechanism and vibration mining mechanism. Finally， with forward speed， dip Angle and excavation depth as the experimental factors and damage rate and leakage rate as the main evaluation indexes， the orthogonal combination test of three factors and three levels was carried out and the SPSS software was used for variance analysis. The results showed that the performance of the combined harvester was optimal when the forward speed was 0.35 m/s， the dip angle was 20° and the digging depth was 100 mm. At this time， the damage rate was 2.91% and the leakage rate was 3.93%.

Keywords： garlic combined harvester; non-aligned; seedling cutting mechanism; vibration digging shovel; stubble removal knife; orthogonal test

0 引言

大蒜是常見的農(nóng)作物之一，廣泛種植在江蘇省大豐縣，邳州市以及山東，四川，云南新疆等地區(qū)。大蒜有很高的藥用價值，含有蛋白質(zhì)，大蒜素和低聚糖等，對預(yù)防心血管疾病，抗腫瘤能夠起到一定的作用。大蒜的收獲時間主要集中在4—5月份，所以勞動強度大、收獲效率低和大蒜損傷嚴(yán)重已成為大蒜收獲亟待解決的關(guān)鍵問題。

大蒜收獲機按照收獲方式可分為分段式和聯(lián)合式^[1]。分段式收獲機主要可以完成挖掘以及對大蒜的去土作業(yè)，但后續(xù)需要人力再進(jìn)行撿拾、去須等工作，分段式收獲機工作效率高，能夠兼收土豆和胡蘿卜等根莖類作物，且該機型造價成本低，適合小型種植戶。聯(lián)合式收獲機能夠一次性完成對大蒜的挖掘、切莖、去土、輸送收集等任務(wù)^{[2， 3]}，自動化程度高，可以有效地幫助蒜農(nóng)減少勞動量，改善勞動效率低的問題，但缺點是制造成本較高，適合中大型種植戶。

國外種植大蒜在播種的時候就能實現(xiàn)高度機械化，大蒜的行距相對固定，大多數(shù)以聯(lián)合收獲機為主。其中以法國的RECL大蒜聯(lián)合收獲機和RL3型打捆收獲機為代表，前者能夠一次性完成對大蒜的挖掘，切莖，夾持輸送，去土和收集，功能齊全，穩(wěn)定性強。后者可實現(xiàn)大蒜的挖掘、夾持輸送和蒜秧的打捆，但后期仍需人工撿拾^[1]。此類機型價格昂貴，且與我國種植規(guī)范不匹配，在實際推廣使用時存在較多問題。

目前，國內(nèi)分段式的大蒜收獲方式已較為成熟，孫華等^[4]通過對分段收獲機關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及性能試驗，提高了收獲機的性能。在聯(lián)合收獲方面，于向濤等^[5]研制了一臺4DLB-2型的半喂入自走式大蒜聯(lián)合收獲機，可一次完成挖掘、夾持輸送、去土、收集等功能，但后期需要人工對大蒜根須進(jìn)行切除。

當(dāng)前大蒜的聯(lián)合收獲均為對行收獲，要求大蒜播種時種植行直線度高、重播率低，否則極易出現(xiàn)漏收、堵塞等問題，影響收獲質(zhì)量^[6]。為此，本文設(shè)計一款可一次完成六行大蒜的切秧、挖掘、輸送、收集等工序的不對行大蒜聯(lián)合收獲機，確定其滅茬刀、挖掘鏟等關(guān)鍵部件的設(shè)計參數(shù)并通過試驗加以驗證，得到最優(yōu)工作參數(shù)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

本文機具的設(shè)計結(jié)合徐州地區(qū)大蒜種植的農(nóng)藝要求，在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)之上，確定不對行大蒜聯(lián)合收獲機的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該收獲機主要由滅茬機構(gòu)、蒜秧切割機構(gòu)、振動挖掘機構(gòu)、蒜頭輸送機構(gòu)、去土收集機構(gòu)、行走系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等組成；動力由16.2 kW的發(fā)動機提供，經(jīng)過兩組變速箱減速后分別將動力傳入行走系統(tǒng)和機具工作部件；液壓升降裝置設(shè)置在前輪處，通過液壓缸的抬升來調(diào)節(jié)挖掘鏟的入土深度；滅茬機構(gòu)安裝在機具的最前方，然后是蒜秧切割機構(gòu)；振動挖掘機構(gòu)安裝于前輪的后方；蒜頭輸送機構(gòu)在機具的中段；最后是去土收集機構(gòu)。工作流程如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

不對行大蒜聯(lián)合收獲機的動力由一個16.2 kW的柴油發(fā)動機提供，通過帶輪和鏈輪的傳動實現(xiàn)機具的行走和工作部件的運動。機器以0.5 m/s的速度行進(jìn)時，通過帶輪傳動，滅茬機構(gòu)以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速將頂部的蒜秧打碎，被打碎一截后的蒜秧隨后進(jìn)入蒜秧切割機構(gòu)，循環(huán)往復(fù)的割刀將剩余的蒜秧進(jìn)一步切斷；通過液壓缸以及連桿調(diào)節(jié)好挖掘鏟的入土深度和入土傾角度后，振動挖掘機構(gòu)將蒜頭底部的土壤進(jìn)行切割和拋翻；后續(xù)蒜頭輸送機構(gòu)上均勻分布的爪勺將蒜頭從土壤里帶出，可以完成蒜頭的運輸工作，也可在其輸送過程中實現(xiàn)初步去土；通過輸送機構(gòu)后的大蒜落入去土收集機構(gòu)，前后往復(fù)振動的去土柵可以將蒜頭上附著的土壤和蒜秧進(jìn)一步抖落；最后蒜頭通過兩塊傾斜的匯集板集中掉落在收集袋中或田間，以便轉(zhuǎn)移至場地晾曬或直接進(jìn)行田間晾曬。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 滅茬機構(gòu)設(shè)計

滅茬機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示，滅茬機構(gòu)由軸管、軸頭和粉碎刀組成。軸管由Φ60 mm的鋼管制成，其上均勻的焊有多組刀座，刀座上用銷軸鉸接三把粉碎刀。其工作原理是：在機具前進(jìn)時，高速旋轉(zhuǎn)的粉碎刀對地面的蒜秧進(jìn)行粉碎，打碎后的蒜秧被拋送到田間，剩下的留茬平均高度小于90 mm。

2.1.1 粉碎刀設(shè)計

按照結(jié)構(gòu)不同，粉碎刀分為錘爪型、甩刀型和直刀型三類，如圖4所示。錘爪型質(zhì)量較大，可以產(chǎn)生較大的粉碎力，但消耗功率大，甩刀和直刀型體積小質(zhì)量輕，雖然對韌性較高的莖稈粉碎效果不如錘爪型，但消耗功率小^[7]。

為保證較好的粉碎效果，本文粉碎刀結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用65Mn鋼材制造的兩把Y型甩刀和一把直刀，三片刀片為一組，刀片間隔較小，排列較密。作業(yè)時有多個刀片同時參與切碎，粉碎效率高。

2.1.2 刀軸轉(zhuǎn)速確定

滅茬刀切碎方式屬于無支撐切割，這對動刀刀端的線速度要求較高^[8]。研究表明^[9]，動刀刀端的線速度在30 m/s時才能起到良好的粉碎效果。本文滅茬刀旋轉(zhuǎn)半徑為150 mm，為達(dá)到30 m/s的線速要求，刀軸轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于1 910 r/min，所以滅茬刀刀軸的轉(zhuǎn)速最終設(shè)計采用2 000 r/min。

2.1.3 刀軸動平衡校核

刀軸與刀軸上均勻分布的粉碎刀構(gòu)成一個多剛體的轉(zhuǎn)子，因其鉸接的連接方式，轉(zhuǎn)動慣量并不是常值。由于刀軸轉(zhuǎn)速較高，粉碎刀質(zhì)量大，受到的離心慣性力也較大，作業(yè)時產(chǎn)生的偏擺很小且很快可恢復(fù)到動平衡位置^[8]。因此，把粉碎刀和刀軸看成一個剛體后，粉碎刀在刀軸圓周方向的角度排列滿足式（1）、式（2），即可達(dá)到動平衡^[10]。

sinθ₁+sinθ₂+…+sinθ_m=0（1）

cosθ₁+cosθ₂+…+cosθ_m=0（2）

式中： θ——刀座角度；

m——刀軸上刀座組數(shù)。

為滿足動平衡要求，本文設(shè)計的粉碎刀沿刀軸周向分布4組，每組間隔90°，軸向按等距離排列。

2.1.4 粉碎刀的合理排列密度

在機具前進(jìn)速度與刀軸轉(zhuǎn)速相同的條件下，粉碎刀的數(shù)量有一個最優(yōu)值，此時可以達(dá)到較好的粉碎效果，降低功耗，節(jié)約制造成本。刀的數(shù)量最優(yōu)值一般由刀的密度C來確定^[8]，計算如式（3）所示。

C=N/L（3）

式中： N——粉碎刀數(shù)量；

L——機具作業(yè)幅寬，cm。

對于直刀式甩刀，刀片的排列密度一般為0.60～0.73片/cm；對于Y型甩刀一般為0.23～0.40片/cm^[8]。本文采用兩片Y型中間夾一片直刀型的設(shè)計，排列密度取為0.60片/cm。

2.2 蒜秧切割機構(gòu)設(shè)計

本文蒜秧切割機構(gòu)采用一個往復(fù)式切割器，如圖6所示。切割時，護刃器尖端的護舌和定刀片構(gòu)成對蒜秧的雙支撐，動刀在曲柄連桿的驅(qū)動下進(jìn)行往復(fù)運動，完成對蒜秧的切割^[11]。

2.2.1 動刀片設(shè)計

動刀片呈六邊形，由高頻等溫淬火后的65Mn鋼制成。刃片厚度為2～3 mm，每厘米刀刃上有6～7個齒。常見的齒紋分為3種：等深齒紋三角形斷面、梯形斷面、不等深齒紋變梯形斷面^[12]。變梯形斷面齒強度相對較大，耐磨性好且不易崩斷，因此本文動刀片齒紋采用的是變梯形斷面齒。

2.2.2 割刀切割速度確定

本文往復(fù)式切割器是由曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動，其運動可看作一近似的簡諧運動。動刀片刀刃上點的位移x、速度v_x和加速度a_x計算如式（4）～式（6）所示。

x=－rcosωt（4）

v_x=rωsinωt=ωr²－x²（5）

a_x=rω²cosωt=－ω²x（6）

式中： r——曲柄半徑，mm；

ω——曲柄旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s；

t——曲柄由極左點a開始轉(zhuǎn)過的時間，s。

切割器中動刀片與曲柄的參數(shù)如圖7所示，其中e為動刀片頂寬，S為刀片切割行程，b為動刀片底寬。當(dāng)位移為0時，最大速度v_xmax=ωr；當(dāng)位移為±r時，速度為最小值0 m/s。

常用動刀片的平均速度v_p表示切割速度。動刀的平均速度v_p、始切速度v_s、終切速度v_e、平均剪切速度v_jp^[13]計算如式（8）～式（11）所示。

v_p=nS/30×10^－3=rn/15×10^－3（8）

v_s=πn/60S²－b²×10^－3（9）

v_e=πn/60S²－（b-e-b₁）²×10^－3（10）

v_jp=（30n/Q）（b-e）×10^－3（11）

式中： n——曲柄轉(zhuǎn)速，r/min；

b₁——定刀片寬度，mm；

Q——曲柄由起點到終點轉(zhuǎn)過的角度，（°）。

本文割刀切割行程為76.2 mm，曲柄轉(zhuǎn)速為600 r/min，則割刀平均速度為1.52 m/s。

2.3 振動挖掘機構(gòu)

振動挖掘機構(gòu)是不對行大蒜聯(lián)合收獲機的主要工作部件之一，由偏心輪，連桿、挖掘鏟、角度調(diào)節(jié)桿等組成，如圖8所示。挖掘裝置利用偏心連桿機構(gòu)往復(fù)運動的特性實現(xiàn)挖掘鏟的前后振動，將大蒜和土壤挖起并喂入輸送機構(gòu)。

2.3.1 挖掘鏟設(shè)計

為滿足如下的挖掘鏟設(shè)計要求：挖掘深度穩(wěn)定并能根據(jù)要求調(diào)節(jié)；在挖出大蒜的同時盡可能少的挖取土壤；對于黏土挖掘鏟應(yīng)有一定的碎土能力；挖掘鏟應(yīng)具有自潔功能以避免出現(xiàn)纏草和壅土；挖掘鏟還應(yīng)具備較好的耐磨性^[14]，本文設(shè)計的挖掘鏟剖面視圖如圖9所示，其中γ為挖掘鏟鏟刃傾角，α為挖掘鏟入土傾角。

2.3.2 挖掘鏟寬度

徐州地區(qū)大蒜種植行距一般為200～220 mm。考慮到大蒜種植行距、種植偏差，機具行進(jìn)偏差等因素，本文挖掘鏟寬度B取為1 150 mm，可同時完成六行大蒜不對行收獲。

2.3.3 鏟刃傾角

要使挖掘鏟具備一定的自清潔作用，鏟刃傾角γ應(yīng)滿足式（12）。

90°－γ>φ（12）

式中： φ——土壤與鏟的摩擦角，（°）。

研究表明^[15]，在入土傾角為20°左右時，γ一般取為40°～50°。如果要求挖掘出的溝底平坦，γ一般為70°?；诖?，本文挖掘鏟鏟刃傾角取為50°。

2.3.4 入土傾角

挖掘鏟鏟面與土壤水平面所形成的夾角為入土傾角α。入土傾角過大，收獲機前進(jìn)所受的阻力也會更大；入土傾角過小，會使得土壤破碎不易，同時挖掘鏟底面也會產(chǎn)生更大的磨損，降低其使用壽命。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》^[16]可知，在沙壤土中作業(yè)時，挖掘鏟的入土傾角α為14°～20°。當(dāng)入土傾角α≥25°時，挖掘鏟表面會附著大量的土壤不易抖落，機具前進(jìn)所受的阻力會隨著入土傾角增大而增大，能耗也變的更高。因此，挖掘鏟與土壤水平面之間的角度設(shè)計為15°～25°之間可調(diào)，默認(rèn)初始為15°。

2.3.5 挖掘鏟運動分析

挖掘鏟工作時，由曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動作往復(fù)運動，其工作過程分為向下切割土壤和向上拋翻土壤兩個階段^[17]。如圖10所示，設(shè)挖掘鏟的前進(jìn)速度為v_m，沿振動方向的速度為v_z，當(dāng)挖掘鏟向下運動的時候，鏟的絕對速度為v_j=v_m+v_z，此時為切割土壤階段。當(dāng)鏟向上振動的絕對速度v_j向上，此時為拋翻土壤階段。鏟的振動應(yīng)滿足式（13）、式（14）^[16]。

1.7K₀<ω₁²rg<2.6K₀（13）

K₀=cosα/sinε（14）

式中： ω₁——偏心輪旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s；

g——重力加速度；

ε——振動方向角，ε一般為10°～15°。

當(dāng)曲柄半徑為26 mm時，偏心輪轉(zhuǎn)速為507

3 田間試驗

3.1 試驗方法

為得到不同工作參數(shù)對樣機的大蒜收獲效果影響規(guī)律，以前進(jìn)速度、挖掘鏟入土傾角和挖掘深度3個因素^[18]進(jìn)行正交試驗；采用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最優(yōu)參數(shù)組合。

試驗在江蘇省徐州市碾莊鎮(zhèn)進(jìn)行，該地區(qū)種植品種為徐州白蒜，蒜株高度為230～270 mm，蒜頭直徑為45～55 mm，鱗莖深度為0～80 mm，種植行距為180～220 mm。在土壤深度為80～100 mm處，土壤含水率為37.78%，土壤堅實度為0.07 kN/cm²。

試驗方法如下：將田塊分為3個測試區(qū)域，每個區(qū)域長度為10 m。在樣機試驗完成后人工挑選出受到損傷的大蒜、未成功切秧的大蒜以及漏收的大蒜，并分別稱重，根據(jù)它們在收獲總重中的占比得出試驗結(jié)果。本試驗為三因素三水平正交試驗，試驗因素和水平如表2所示。

3.2 試驗結(jié)果與分析

正交試驗結(jié)果如表3所示，將試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4、表5所示。A、B、C為各因素編碼值。

由表4、表5可知，不對行大蒜收獲機的前進(jìn)速度對損傷率和漏收率的影響極顯著，這是因為隨著前進(jìn)速度的增大，收獲機蒜頭輸送裝置與前進(jìn)速度不匹配，致使漏收率增大；入土傾角對損傷率的影響顯著，這是由于入土傾角過大，挖掘鏟容易與蒜頭發(fā)生觸碰，造成損傷率提高；挖掘深度對損傷率的影響顯著，對漏收率的影響不顯著，這是因為收獲機在工作時，挖掘鏟通過循環(huán)往復(fù)的運動將泥土進(jìn)行拋翻，挖掘深度的變化會造成大蒜蒜頭的損傷，但對漏收率影響不大。對損傷率的影響程度大小順序為A、C、B，對漏收率的影響程度大小順序為A、B、C，綜合考慮最優(yōu)方案為A_-1B₀C₀，即前進(jìn)速度為0.35 m/s，入土傾角為20°，挖掘深度為100 mm，此時損傷率為2.91%，漏收率為3.93%。

4 結(jié)論

1） 為解決大蒜的不對行收獲問題，根據(jù)收獲特點和種植的農(nóng)藝要求設(shè)計一款不對行自走式大蒜聯(lián)合收獲機；并通過建立數(shù)學(xué)模型完成滅茬機構(gòu)的設(shè)計和選型；建立運動學(xué)模型確定蒜秧切割機構(gòu)和振動挖掘機構(gòu)的運動參數(shù)；設(shè)計三因素三水平正交試驗，得到機具工作的最優(yōu)參數(shù)。

2） 大蒜聯(lián)合收獲機采用16.2 kW的柴油發(fā)動機提供動力，工作幅寬為1 150 mm，可同時對6行大蒜進(jìn)行不對行收獲，前進(jìn)速度0.5 m/s?？梢淮螌崿F(xiàn)對大蒜切秧、挖掘、輸送、去土、收集等功能。其中，滅茬刀軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，粉碎刀排列密度為0.6片/cm，割刀平均速度為1.77 m/s，振動挖掘鏟偏心輪轉(zhuǎn)速為600 r/min。

3） 通過三因素三水平正交試驗，得出對損傷率的影響程度大小順序為前進(jìn)速度、挖掘深度、入土傾角，對漏收率的影響程度大小順序為前進(jìn)速度、入土傾角、挖掘深度，并得出不對行大蒜收獲機最優(yōu)工作參數(shù)，即前進(jìn)速度為0.35 m/s，入土傾角為20°，挖掘深度為100 mm，此時損傷率為2.91%，漏收率為3.93%。

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