單壟洋蔥聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有洋蔥收獲機(jī)功能比較少、收凈率低下等問(wèn)題，以壟作洋蔥收獲為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一款單壟洋蔥聯(lián)合收獲機(jī)。主要由挖掘裝置、交接輸送裝置、蔥秧分離裝置、分選裝置、收集裝置等部分組成，能夠一次性完成一壟洋蔥的挖掘、蔥土分離、去秧、分選、收集等作業(yè)。在闡述總體結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)輥動(dòng)式挖掘鏟進(jìn)行模態(tài)分析，判斷挖掘鏟在工作中不會(huì)產(chǎn)生共振與疲勞損傷，并對(duì)輸送桿條進(jìn)行靜力學(xué)分析，判斷桿條剛度滿足要求，整體變形也比較微弱，不會(huì)影響輸送桿條的使用。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：挖掘鏟的轉(zhuǎn)速為288r/min、收獲機(jī)的前進(jìn)速度為0.58m/s、蔥土分離裝置的線速度為0.91m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的挖凈率為97.433%、損傷率為2.981%。

關(guān)鍵詞：洋蔥；收獲機(jī)；農(nóng)業(yè)機(jī)械；挖掘鏟；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：S225.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 01-0044-09

Design and experiment of single ridge onion combine harvester

Wang Xiaowei¹， Wang Huiqiang¹， Zhang Yong²， Li Wenxiang ³， Sun Yulin⁴， Sun Guangjun⁵

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Agricultural University， Baoding， 071001， China;

2. Baoding Polytechnic Secondary Professional School， Baoding， 071000， China; 3. Guantao Feixiang Machinery and

Equipment Manufacturing Co.， Ltd.， Handan， 056000， China; 4. Hebei Field Water-Saving Irrigation Equipment

Co.， Ltd.， Handan， 056000， China; 5. Tangshan Lijun Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Tangshan， 063000， China）

Abstract：

Aiming at the problems of less function and low net rate of existing onion harvesters， a single ridge onion combine harvester is designed with the goal of ridge onion harvesting. It is mainly composed of excavation device， transfer conveying device， onion seedling separation device， sorting device， collection device and other parts. It can complete the excavation， onion soil separation， seedling removal， sorting， collection and other operations of a ridge of onion at one time. On the basis of expounding the overall structure and working principle， the modal analysis of the roller-driven digging shovel is carried out to judge that the digging shovel will not produce resonance and fatigue damage in its work， and the static analysis of the conveying rod is carried out to judge that the stiffness of the rod meets the requirements， and the overall deformation is relatively weak， which will not affect the use of the conveying rod. The field test results show that when the rotation speed of the digging shovel is 288r/min， the forward speed of the harvester is 0.58m/s， and the linear speed of the onion-soil separation device is 0.91m/s， the corresponding digging rate is 97.433%， and the damage rate is 2.981%.

Keywords：

onion； harvesting machine； agricultural machinery; digging shovel; modal analysis

0"引言

洋蔥是典型的２年生植物^［1］，具有很高的食用價(jià)值、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值以及藥用價(jià)值^［2］。其原產(chǎn)于中亞地區(qū)，后在世界范圍內(nèi)廣泛栽植^［3］，全球洋蔥年平均生產(chǎn)面積約為3800khm²，年產(chǎn)量約為9.8×10⁹t^［4］。

洋蔥收獲相比于其它根莖類作物來(lái)說(shuō)更加復(fù)雜，而且在未來(lái)，大規(guī)模的洋蔥種植將成為我國(guó)洋蔥種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，全程聯(lián)合收獲機(jī)在未來(lái)市場(chǎng)中也將占據(jù)主導(dǎo)地位^［5］。目前洋蔥產(chǎn)量較大的中國(guó)、印度、美國(guó)和日本這四個(gè)國(guó)家中，只有美國(guó)和日本實(shí)現(xiàn)了洋蔥的全程機(jī)械化。

國(guó)外的洋蔥收獲機(jī)有意大利的0L-1400型洋蔥收獲機(jī)、美國(guó)的TL4400XT洋蔥收獲機(jī)、丹麥的一系列洋蔥收獲機(jī)具等，主要為大型收獲設(shè)備。我國(guó)洋蔥種植區(qū)域跨度比較大，地形和地貌較為復(fù)雜，大型收獲機(jī)具不適用于我國(guó)的洋蔥種植模式，而且國(guó)外的洋蔥收獲機(jī)的價(jià)格較為昂貴，也容易出現(xiàn)溝通困難導(dǎo)致售后服務(wù)不及時(shí)等問(wèn)題^［6］，所以國(guó)外的收獲機(jī)雖然先進(jìn)，但是在我國(guó)的使用率非常小。而國(guó)內(nèi)的洋蔥在收獲階段，主要還是以人工挖掘、撿拾為主，不過(guò)勞動(dòng)強(qiáng)度較大，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，嚴(yán)重制約了我國(guó)洋蔥種植面積的擴(kuò)大。雖然國(guó)內(nèi)也有一些廠家設(shè)計(jì)了幾款洋蔥收獲機(jī)，像青島農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的圓蔥收獲機(jī)，可以一次性收獲四行的洋蔥；甘肅酒泉市農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣站研制的4U-125型洋蔥挖掘機(jī)^{［7， 8］}，能一次性完成洋蔥的挖掘、蔥土分離和鋪條作業(yè)，但是這些設(shè)備原理還是比較簡(jiǎn)單，功能比較少，對(duì)洋蔥的損害較大，收凈率低下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)。除此之外，我國(guó)真正可以應(yīng)用的洋蔥收獲機(jī)專利也不多，收獲洋蔥的質(zhì)量和效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到生產(chǎn)需求^［9］。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一款適用于壟作洋蔥收獲的收獲機(jī)，通過(guò)對(duì)該收獲機(jī)收獲作業(yè)過(guò)程的分析得出其各機(jī)構(gòu)的相關(guān)工作參數(shù)，并通過(guò)開(kāi)展田間試驗(yàn)確定各機(jī)構(gòu)最佳的參數(shù)組合，以滿足洋蔥收獲機(jī)的性能要求。

1"整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1"洋蔥的種植農(nóng)藝及物理特性

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，紅皮洋蔥是種植最廣泛的，大約占全部洋蔥總面積的55%，剩下的28%為黃皮洋蔥，17%為白皮洋蔥。同時(shí)，洋蔥種植要求肥沃、疏松、通氣的土壤，而沙壤土的特點(diǎn)相對(duì)符合洋蔥的生長(zhǎng)要求，故針對(duì)在沙壤土中壟作種植的紅皮洋蔥展開(kāi)研究。經(jīng)調(diào)查，紅皮洋蔥的壟作種植農(nóng)藝一般起壟寬度為1250mm，高度為100mm，洋蔥的種植株距和行距都為150mm，種植深度為30mm。

在洋蔥收獲期，選取一塊洋蔥長(zhǎng)勢(shì)良好的地塊，用五點(diǎn)法在該地塊取樣，并在每個(gè)取樣點(diǎn)連續(xù)測(cè)定30株洋蔥，最終得到該地塊洋蔥主要的物理特性參數(shù)如表1所示。

1.2"整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

單壟洋蔥聯(lián)合收獲機(jī)由挖掘裝置、交接輸送裝置、蔥秧分離裝置、分選裝置、收集裝置等組成，能夠一次性完成一壟洋蔥的挖掘、蔥土分離、去秧、分選、裝袋等作業(yè)。其中，切片裝置、輥動(dòng)式挖掘鏟、帶桿式蔥土分離裝置組成挖掘裝置。單壟洋蔥聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。單壟洋蔥聯(lián)合收獲機(jī)的具體參數(shù)如表2所示。

作業(yè)時(shí)，調(diào)整液壓缸控制挖掘部分的挖掘深度，通過(guò)左右切片切斷土壤和雜草，并輔助收獲機(jī)對(duì)行，收獲機(jī)依托橡膠輪胎沿壟前行。輥動(dòng)式挖掘鏟通過(guò)滾動(dòng)翻動(dòng)洋蔥底部的泥土，將洋蔥向后上方輕輕拋起，配合帶桿式蔥土分離裝置完成洋蔥挖掘和第一次蔥土分離。挖掘好的洋蔥在帶桿式蔥土分離裝置輸送帶的輸送下由交接輸送裝置向上抬升并完成第二次蔥土分離。后方的蔥秧分離裝置對(duì)洋蔥秧苗進(jìn)行去除，再經(jīng)過(guò)分選裝置淘汰尺寸過(guò)小的洋蔥，最后進(jìn)入收集裝置。

2"關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1"挖掘裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

單壟洋蔥聯(lián)合收獲機(jī)挖掘裝置由切片裝置、輥動(dòng)式挖掘鏟、帶桿式蔥土分離裝置等機(jī)構(gòu)組成，其中，連接機(jī)架、主動(dòng)軸、輸送帶、輸送桿條、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、抖動(dòng)輪、梅花輪以及張緊裝置組成帶桿式蔥土分離裝置，如圖2所示。帶桿式蔥土分離裝置在輸送帶的張緊邊下方安裝抖動(dòng)輪，抖動(dòng)輪中心線與驅(qū)動(dòng)輪中心線間存在一定的偏距，可使輸送帶在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)上下抖動(dòng)，加大對(duì)土塊的破壞，相比于平面柵條式分離篩、滾筒篩等機(jī)械式分離機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)分離土塊和洋蔥的性能強(qiáng)。

2.1.1"切片裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)不同地區(qū)的洋蔥挖掘深度不一致，挖掘部分前端安裝有切片裝置，主要負(fù)責(zé)在機(jī)具前進(jìn)時(shí)切斷土壤和雜草，并防止挖起的洋蔥滑到壟溝，且有輔助收獲機(jī)對(duì)行的作用。

通過(guò)前期對(duì)洋蔥種植農(nóng)藝的調(diào)查，再結(jié)合作業(yè)的土壤類型、條件以及收獲機(jī)質(zhì)量的綜合考慮，確定該切片直徑為600mm，厚度為10mm，并通過(guò)可調(diào)節(jié)的裝置固定在帶桿式蔥土分離裝置上。這使得用戶可以根據(jù)不同的作業(yè)需求進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)更加精確地控制。該切片裝置如圖3所示，由切片、切片軸、切片臂、調(diào)節(jié)器組成，將兩個(gè)切片分別與兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行組合，兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別與帶桿式蔥土分離裝置的兩個(gè)側(cè)板固定連接，使切片變成可調(diào)節(jié)的，方便操作。

2.1.2"輥動(dòng)式挖掘鏟設(shè)計(jì)

成熟的洋蔥會(huì)有1/3～1/2的鱗莖暴露在土壤外^［10］，該研究又主要針對(duì)壟作洋蔥種植，故設(shè)計(jì)了一款輥動(dòng)式挖掘鏟^{［11， 12］}，如圖4所示。該挖掘鏟既避免了固定式挖掘鏟易造成土壤堆積的缺點(diǎn)，又避免了振動(dòng)式挖掘鏟易造成蔥秧和雜草纏繞機(jī)具難以清理的弊端，而且挖掘鏟滾動(dòng)時(shí)可以翻動(dòng)土壤，這樣上土均勻，松土效果好，有利于篩土工作；且所需牽引動(dòng)力較小，不會(huì)產(chǎn)生堵塞；收獲過(guò)程又可以擊碎土垡，減少對(duì)后面機(jī)具的影響，可以延長(zhǎng)機(jī)具壽命。

該輥動(dòng)式挖掘鏟的截面為六邊形，在土壤中的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。在洋蔥收獲時(shí)，挖掘鏟會(huì)隨著調(diào)整好挖掘深度的挖掘裝置從壟頭開(kāi)始進(jìn)入土壤，并隨著收獲機(jī)向前行駛，挖掘鏟開(kāi)始向后旋轉(zhuǎn)，挖掘鏟的六條邊就會(huì)翻動(dòng)洋蔥下方的土壤，并將洋蔥連同土壤向后輕輕拋起進(jìn)入帶桿式蔥土分離裝置。根據(jù)田間試驗(yàn)的工作情況以及相似機(jī)具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置轉(zhuǎn)速n為240～360r/min。

2.1.3"帶桿式蔥土分離裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶桿式蔥土分離裝置目的是將挖掘鏟挖起的洋蔥與土塊分離并輸送到下一部分，該輸送桿條采用直—彎—直桿輸送桿條^［13］，如圖6所示。該輸送帶采用圓弧同步帶，在傳遞動(dòng)力時(shí)具有較高的傳動(dòng)效率，能夠有效地減少傳動(dòng)能量的損失，且傳動(dòng)精度更高，不容易出現(xiàn)滑動(dòng)或打滑等現(xiàn)象，噪音和振動(dòng)都相對(duì)較小，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，不易出現(xiàn)故障。

帶桿式蔥土分離裝置要求能夠分離挖掘部分帶起的土塊、殘余地膜和雜草，又不能使鱗莖較小的洋蔥從鏈桿間掉落^［14］，洋蔥鱗莖的橫徑范圍為60～100mm，因此，輸送桿條的間距設(shè)定為62mm，桿條的直徑設(shè)定為12mm，彎桿條的凹槽深度設(shè)定為25mm，桿條表面應(yīng)套有橡膠，防止分離過(guò)程中損傷洋蔥。

為了保證洋蔥不會(huì)倒滑，帶桿式蔥土分離裝置的傾角β 存在一臨界值β0，βgt;β0時(shí)，洋蔥將無(wú)法沿桿條輸送方向向后上方滑動(dòng)，從而出現(xiàn)洋蔥倒滑的現(xiàn)象；只有當(dāng)βlt;β0時(shí)才能順利把洋蔥塊輸送到帶桿式蔥土分離裝置末端，但β角也不能過(guò)小，否則會(huì)導(dǎo)致輸送帶過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)洋蔥塊在輸送桿條上處于滑動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)，受力分析如圖7所示。

將與帶桿式蔥土分離裝置運(yùn)行方向相同的方向設(shè)置為X軸的正方向，將垂直于帶桿式蔥土分離裝置運(yùn)行方向的方向設(shè)置為Y軸的正方向，對(duì)其列力平衡方程得

Gcosβ₀=F₁sinα₁+F₂sinα₂

Gsinβ₀=F₁cosα₁－F₂cosα₂

（1）

式中：

β0——

帶桿式蔥土分離裝置傾角臨界值，（°）。

解得

F₁=Gcos（β₀－α₂）sin（α₁+α₂）

F₂=Gcos（β₀+α₂）sin（α₁+α₂）

（2）

只有使洋蔥所受的平行于地面方向的合外力方向是與收獲機(jī)前進(jìn)方向相反的，就可確保洋蔥可以正常輸送而不會(huì)往回滾，即

F₁cos（α₁+β）－F₂cos（α₂－β）gt;0

（3）

沿收獲機(jī)前進(jìn)方向的相反方向的合外力越大，就說(shuō)明該裝置越有著良好的輸送洋蔥的能力。由式（3）可知，當(dāng)α1減小、α2增大時(shí)，沿收獲機(jī)前進(jìn)方向的相反方向的合外力就會(huì)增大，保證輸送桿條可以更好地輸送洋蔥。該直—彎—直桿條配置又增大了分離裝置的工作傾角，進(jìn)一步提升了蔥土分離裝置的輸送能力和分離能力，也在一定的程度上降低了洋蔥的損傷率。

洋蔥在輸送過(guò)程中，帶桿式蔥土分離裝置輸送桿條的線速度若過(guò)快，就會(huì)損傷洋蔥，通常其線速度與收獲機(jī)前進(jìn)速度（v0=0.6m/s）的比值需略大于1^［15］，范圍可設(shè)定為0.8～1m/s；為了防止洋蔥在輸送過(guò)程中發(fā)生過(guò)多的碰撞，洋蔥在帶桿式蔥土分離裝置上的運(yùn)動(dòng)時(shí)間一般小于5s。

2.2"洋蔥交接輸送裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該交接輸送裝置采用刮板式升運(yùn)裝置，作用是將經(jīng)過(guò)帶桿式蔥土分離裝置的洋蔥提升輸送到蔥秧分離裝置，由弧柵交接機(jī)構(gòu)、刮板、輸送桿條、張緊輪裝置和機(jī)架組成，如圖8所示。

挖掘裝置上的洋蔥要能夠準(zhǔn)確落入交接輸送裝置上的刮板間隙，且不會(huì)損傷洋蔥，因此，交接輸送裝置除了要調(diào)整到適當(dāng)?shù)膬A角外，其運(yùn)行速度必須小于帶桿式蔥土分離裝置的輸送速度^［16］。以洋蔥為研究對(duì)象，將帶桿式蔥土分離裝置上的洋蔥的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，以帶桿式蔥土分離裝置的最高點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖9所示。

由圖9可知，洋蔥拋物運(yùn)動(dòng)的方程為

x=v₁tcosβ

y=v₁tsinβ－12gt²

（4）

式中：

t——洋蔥拋物運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s；

g——重力加速度，取9.8m/s²。

又因?yàn)?/p>

tanθ=yx

（5）

由式（4）和式（5）可得，洋蔥拋物運(yùn)動(dòng)的時(shí)間

t=2v₁（sinβ－cosβtanθ）g

（6）

則洋蔥落到刮板上的瞬時(shí)速度為

v_x=v₁cosβ

v_y=v₁sinβ－gt

v=v_x²+v_y²

（7）

式中：

vx——

洋蔥落到刮板上水平方向的瞬時(shí)速度，m/s；

vy——

洋蔥落到刮板上垂直方向的瞬時(shí)速度，m/s；

v——洋蔥落到刮板上的瞬時(shí)速度，m/s。

解得

v=v₁1－4sinβcosβtanβ+4cos²βtan²θ

（8）

交接輸送裝置的運(yùn)行速度過(guò)慢時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)洋蔥堆積造成浪費(fèi)，運(yùn)行速度過(guò)快時(shí)，會(huì)造成洋蔥與刮板和輸送桿條碰撞導(dǎo)致?lián)p傷洋蔥，根據(jù)前期試驗(yàn)可知，交接輸送裝置的運(yùn)行速度應(yīng)取0.6～0.72m/s。交接輸送裝置的傾角過(guò)大時(shí)，不利于洋蔥的提升輸送，傾角過(guò)小時(shí)，會(huì)影響整機(jī)的尺寸，故傾角取60°～70°。

2.3"蔥秧分離裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

成熟的洋蔥根部和秧苗會(huì)變得枯黃，且秧苗通常會(huì)變得干燥且脆弱，比較容易折斷，故采用多組相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)輥^{［17， 18］}將秧苗夾斷，該蔥秧分離裝置由機(jī)架、傳送帶、洋蔥導(dǎo)流板、電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)輥、張緊裝置和洋蔥導(dǎo)出板組成，如圖10所示。

作業(yè)時(shí)，電機(jī)輸出端可帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪又帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輥轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)輥帶動(dòng)連接齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并使得連接齒輪帶動(dòng)另一個(gè)連接齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輥相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其余幾組轉(zhuǎn)動(dòng)輥與這一組轉(zhuǎn)動(dòng)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)方式相同，從而使得相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輥可夾去洋蔥上的秧苗，在去秧過(guò)程中不會(huì)傷到洋蔥，提高洋蔥去秧質(zhì)量。

2.4"分選裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

分選裝置由機(jī)架、篩分帶和洋蔥導(dǎo)出板組成，如圖11所示。經(jīng)過(guò)蔥秧分離后的洋蔥會(huì)落入分選裝置，并隨著篩分帶向后運(yùn)輸，篩分帶由天然橡膠制成，篩分孔的尺寸由不同的要求決定，在此篩分過(guò)程中，過(guò)小或者無(wú)法商業(yè)化利用的洋蔥將會(huì)從篩分孔中落下，作為有機(jī)肥料從洋蔥導(dǎo)出板上放回土壤，以幫助以后的植物生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量，合格的洋蔥會(huì)進(jìn)入后端的收集裝置。

2.5"收集裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

收集裝置由張緊機(jī)構(gòu)、傳送帶、機(jī)架、洋蔥分流板、洋蔥收集口和調(diào)節(jié)隔板組成，如圖12所示。合格的洋蔥會(huì)隨著傳送帶向后運(yùn)輸，并經(jīng)洋蔥分流板將洋蔥分成左右兩批次后通過(guò)第一個(gè)洋蔥收集口進(jìn)行裝袋，第一袋裝滿后通過(guò)調(diào)節(jié)隔板讓后續(xù)洋蔥從第二個(gè)收集口進(jìn)行裝袋，并依次向后裝袋。

3"仿真分析

3.1"輥動(dòng)式挖掘鏟模態(tài)分析

挖掘裝置在挖掘過(guò)程中機(jī)器會(huì)伴隨產(chǎn)生大量的振動(dòng)，當(dāng)裝置的運(yùn)動(dòng)與自身材料、結(jié)構(gòu)之間頻繁達(dá)到共振條件時(shí)，裂紋、斷裂等材料損傷便會(huì)在挖掘裝置內(nèi)部或表面形成^［19］。挖掘鏟是挖掘裝置的主要工作部件，因此，在工作過(guò)程中，為了保證其在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生共振現(xiàn)象，發(fā)生疲勞損傷，需要對(duì)挖掘鏟的旋轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)模態(tài)分析得到挖掘鏟的臨界轉(zhuǎn)速。

利用Ansys軟件對(duì)輥動(dòng)式挖掘鏟進(jìn)行模態(tài)分析，得到的6階振動(dòng)頻率如表3所示。經(jīng)分析后得到6階模態(tài)圖如圖13所示。

由式（9）可以確定各階模態(tài)的共振轉(zhuǎn)速

n=60f

（9）

式中：

n——挖掘鏟的共振轉(zhuǎn)速，r/min；

f——挖掘鏟的旋轉(zhuǎn)頻率，Hz。

代入計(jì)算得，n₁=9189r/min，n₂=9201.6r/min，n₃=25045.8r/min，n₄=25078.2r/min，n₅=48384.6r/min，n₆=48444r/min。

各模態(tài)下所對(duì)應(yīng)的共振轉(zhuǎn)速均大于挖掘鏟的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速（240～360r/min），因此斷定挖掘鏟在工作中不會(huì)產(chǎn)生共振與疲勞損傷。

3.2"輸送桿條靜力學(xué)分析

輸送桿條是帶桿式蔥土分離裝置的核心部件，隨著洋蔥被挖起輸送桿條也會(huì)頻繁受力，一旦桿條損壞就會(huì)嚴(yán)重影響洋蔥的收獲效率，故對(duì)輸送桿條進(jìn)行靜力學(xué)分析。利用Ansys軟件對(duì)輸送桿條進(jìn)行靜力學(xué)分析，由于洋蔥鱗莖的不規(guī)則性，洋蔥與輸送桿條的接觸面以及接觸位置均是不固定的，所以取桿條正中心沿桿條徑向投影為1mm×1mm的正方形位置進(jìn)行仿真^［20］。單顆洋蔥鱗莖質(zhì)量為200～300g，假設(shè)一次挖起5顆洋蔥，則單根輸送桿條的最大承載力為15N，全部施加在正方形位置上，載荷壓強(qiáng)為15MPa，最后得到輸送桿條的應(yīng)力、應(yīng)變和總變形圖如圖14所示。

根據(jù)圖14（a）～圖14（c），直桿條的最大等效應(yīng)力為36.37MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.90×10^-4mm，最大總變形為0.91mm；根據(jù)圖14（d）～圖14（f），彎桿條的最大等效應(yīng)力為17.26MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.69×10^-5mm，最大總變形為0.66mm，桿條材料選用Q235鋼，屈服強(qiáng)度為235MPa，最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，所以桿條剛度完全滿足要求，整體變形也比較微弱，不會(huì)影響輸送桿條的使用。

4"洋蔥收獲試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1"試驗(yàn)條件與方法

為確定洋蔥聯(lián)合收獲機(jī)挖掘部分最佳工作參數(shù)，于2022年9月在河北承德市萬(wàn)聯(lián)機(jī)械制造有限公司試驗(yàn)田進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)田洋蔥種植為壟作種植，壟寬1250mm，壟高100mm，土壤為沙壤土。試驗(yàn)過(guò)程中，挖掘深度為100mm，每次收獲壟長(zhǎng)100mm，配有2名工人在收集裝置兩側(cè)進(jìn)行洋蔥的裝袋。

4.2"試驗(yàn)因素與指標(biāo)選取

根據(jù)前文的力學(xué)分析并結(jié)合洋蔥聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，選擇挖掘鏟轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度及蔥土分離裝置線速度為試驗(yàn)因素，將洋蔥鱗莖的挖凈率和損傷率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，使用表4所示的因素編碼。挖掘鏟轉(zhuǎn)速越快，拋起的洋蔥和土壤越高，越容易被蔥土分離裝置收集，挖凈率越高; 機(jī)具前進(jìn)速度越快，蔥土分離裝置越容易收集到被拋起的洋蔥，挖凈率越高；蔥土分離裝置線速度適中時(shí)，機(jī)構(gòu)間相互配合較好，挖凈率越高。挖掘鏟轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度和蔥土分離裝置線速度越快，洋蔥鱗莖受到的沖擊越大，損傷率越高。

每次平行試驗(yàn)后，人工收集未被機(jī)具收集的洋蔥，并用電子秤分別稱量收集裝置上的洋蔥總質(zhì)量M1和未被收集的洋蔥質(zhì)量M2，再人工篩選并稱量損傷洋蔥質(zhì)量M3，其中，損傷洋蔥是指被機(jī)器作業(yè)損傷到鱗莖果肉的洋蔥。由式（10）、式（11）計(jì)算挖凈率Y1和損傷率Y2。

Y₁=M₁M₁+M₂×100%

（10）

Y₂=M₃M₁×100%

（11）

式中：

M1——收集裝置上的洋蔥總質(zhì)量，kg；

M2——未被收集的洋蔥質(zhì)量，kg；

M3——損傷洋蔥質(zhì)量，kg。

4.3"試驗(yàn)結(jié)果與參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求，對(duì)挖掘鏟轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度及蔥土分離裝置線速度進(jìn)行試驗(yàn)研究，最終結(jié)果如表5所示，X1、X2、X3 為對(duì)應(yīng)的因素編碼值。

將表5數(shù)據(jù)導(dǎo)入Design-Expert軟件建立回歸模型并進(jìn)行方差分析，最終得到的結(jié)果如表6所示。

由表6可知， X1、X2、X3、X1X2、X2X3、X3²對(duì)挖凈率Y1有顯著影響， X1、X2、X3、X2X3、X3²對(duì)損傷率Y2有顯著影響。在保證挖凈率Y1和損傷率Y2的模型顯著，失擬不顯著的情況下，排除不顯著的回歸項(xiàng)后，得到的回歸方程如式（12）、式（13）所示。

Y₁=

97.66+1.52X₁+0.302 5X₂+0.167 5X₃－

0.247 5X₁X₂+1.04X₂X₃－0.351 4X₃²

（12）

Y₂=

3.29+1.08X₁+1.033 75X₂+0.469 9X₃+

0.527 5X₂X₃－0.476 5X₃²

（13）

使用Design-Expert軟件對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)置約束條件為

maxY₁

minY₂

240 r/min≤x₁≤360 r/min

0.5 m/s≤x₂≤0.7 m/s

0.8 m/s≤x₃≤1 m/s

（14）

得到較優(yōu)的參數(shù)組合：挖掘鏟轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度及蔥土分離裝置線速度分別為287.738r/min、0.581899m/s和0.913892m/s，此時(shí)模型預(yù)測(cè)的挖凈率和損傷率分別為97.223%和3.012%?？紤]到實(shí)際田間試驗(yàn)時(shí)的可操作性，將挖掘鏟轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度及蔥土分離裝置線速度分別設(shè)置為288r/min、0.58m/s和0.91m/s，此時(shí)洋蔥挖凈率和洋蔥損傷率分別為97.433%和2.981%，該數(shù)據(jù)與優(yōu)化結(jié)果基本一致，滿足洋蔥收獲的基本要求。

5"結(jié)論

1） 針對(duì)目前洋蔥收獲機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一款適用于壟作洋蔥收獲的收獲機(jī)，由挖掘裝置、交接輸送裝置、蔥秧分離裝置、分選裝置、收集裝置等部分組成，并通過(guò)對(duì)收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程的力學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出其各機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)，可一次性完成一壟洋蔥的挖掘、去土、升運(yùn)、去秧、收集裝袋等作業(yè)。

2） 對(duì)輥動(dòng)式挖掘鏟進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)各階模態(tài)下所對(duì)應(yīng)的共振轉(zhuǎn)速的分析判斷挖掘鏟在工作中不會(huì)產(chǎn)生共振與疲勞損傷；對(duì)輸送桿條進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)對(duì)直桿條和彎桿條等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和總變形的分析判斷桿條剛度完全滿足要求，整體變形也比較微弱，不會(huì)影響輸送桿條的使用。

3） 田間試驗(yàn)選擇挖掘鏟轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度及蔥土分離裝置線速度為試驗(yàn)因素，洋蔥的挖凈率和損傷率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過(guò)方差分析和響應(yīng)面分析，剔除不顯著項(xiàng)，建立單壟洋蔥聯(lián)合收獲機(jī)挖掘部分參數(shù)優(yōu)化模型，得到最優(yōu)參數(shù)組合：挖掘鏟轉(zhuǎn)速為288r/min、機(jī)具前進(jìn)速度為0.58m/s、蔥土分離裝置線速度為0.91m/s，對(duì)應(yīng)的挖凈率為97.433%、損傷率為2.981%，能較好地滿足實(shí)際的洋蔥收獲作業(yè)要求。

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