李字增，蔣金琳，戰(zhàn)長(zhǎng)齡，岳　群，隋修旭

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 　266109)

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薯類收獲機(jī)輸送鏈條清土裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究

李字增，蔣金琳，戰(zhàn)長(zhǎng)齡，岳群，隋修旭

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

摘要：薯類收獲機(jī)薯土分離裝置在作業(yè)過(guò)程中，柵條容易粘著一層泥土，造成柵條之間的間隙變小，嚴(yán)重影響薯土分離效果，明薯率明顯降低。為了解決這一技術(shù)難題，設(shè)計(jì)研制了橡膠圓輥式和螺旋葉片式柵條清土裝置，在機(jī)具收獲作業(yè)的同時(shí)對(duì)輸送鏈條進(jìn)行清土處理。試驗(yàn)研究表明：沒(méi)有安裝清理裝置的柵條粘土厚度達(dá)到4.85mm，而安裝有螺旋葉片式和橡膠圓輥式柵條清土裝置的柵條粘土厚度分別為2.90mm和2.55mm；兩種柵條清土裝置均具有明顯的清理柵條粘土效果，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，尤其是橡膠圓輥式清土裝置對(duì)鏈條之間的粘土有很好的清理效果。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯收獲機(jī)；輸送鏈條；柵條清土裝置

0引言

隨著我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，種植面積也不斷擴(kuò)大，產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯收獲機(jī)械化成為必然趨勢(shì)[1]。馬鈴薯種植面積的增加，使得種植期和收獲期的耗工量增加。尤其是在收獲期，時(shí)間緊、工作量大，收獲不及時(shí)則會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失[2]。馬鈴薯收獲機(jī)械的發(fā)展在一定程度上解決了這個(gè)難題，但我國(guó)中小型薯類收獲機(jī)械的開(kāi)發(fā)和研制處在起步階段，生產(chǎn)應(yīng)用的機(jī)具收獲效率不高，收獲質(zhì)量也有待進(jìn)一步提高，而且在一些技術(shù)難題上沒(méi)有很好的解決辦法[3]。

目前，我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)械上所用的輸送機(jī)構(gòu)主要有桿條式、擺動(dòng)篩式和凸輪式3種形式[4]，輸送鏈?zhǔn)绞斋@機(jī)的輸送鏈柵條存在嚴(yán)重的柵條粘土問(wèn)題，每隔一段時(shí)間需要人工清理，清理不及時(shí)會(huì)影響薯土分離效果。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文在研究了輸送鏈上粘土分布情況的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了橡膠圓輥式和螺旋葉片式兩種柵條清土裝置，可在工作過(guò)程中對(duì)輸送鏈進(jìn)行清理。同時(shí)，與無(wú)柵條粘土清理裝置的馬鈴薯收獲機(jī)進(jìn)行的比試驗(yàn)與研究，進(jìn)一步改進(jìn)和完善了柵條清土裝置。

1柵條粘土分析

收獲機(jī)工作過(guò)程中，挖掘鏟將薯土混合物挖掘出來(lái)并送至輸送鏈；由于土壤粘附力與內(nèi)聚力以及土壤內(nèi)摩擦力等因素的影響，導(dǎo)致在輸送分離過(guò)程中輸送鏈柵條的表面會(huì)附著上一層層的泥土；附著在鏈條上的泥土并不是均勻分布在柵條上，而是主要附著在輸送鏈柵條的前上方，原因是這兩個(gè)方向在薯土混合物的壓力作用下不斷地被壓實(shí)，粘土效果最為嚴(yán)重。上方輸送鏈條的粘土分布情況如圖1所示。

圖1　柵條粘土分布示意圖

輸送鏈粘土主要與土壤的凝聚力和附著力、土壤的內(nèi)外摩擦力有關(guān)。其中，土壤的凝聚力與土壤的質(zhì)地和濕度有關(guān)，凝聚力越大土壤就越不易破碎；而附著力不僅與土壤的質(zhì)地和濕度有關(guān)，還與接觸面的材料和粗糙度有關(guān)[5]。土壤表面的水膜張力對(duì)土壤附著力也有影響：當(dāng)土壤含水率發(fā)生變化時(shí)，土壤粘附力將會(huì)成倍改變，土壤內(nèi)聚力與塑性也產(chǎn)生不同的變化。隨著土壤含水率的增加，土壤的內(nèi)聚力增加，而塑性較小[6]。

經(jīng)過(guò)多次田間試驗(yàn)觀察可知：輸送鏈條之間距離對(duì)鏈條粘土情況有影響，鏈條之間距離小的收獲機(jī)工作一段時(shí)間后粘土厚度比鏈條之間距離大的粘土厚度小。這是因?yàn)槭硗粱旌衔镏饕谳斔玩湹纳戏?，接觸面積小，但鏈條之間距離小會(huì)使得漏土效果不好，容易壅土。鏈條之間距離大的在輸送過(guò)程中，馬鈴薯夾持在鏈條之間，接觸面積較大，不斷壓實(shí)鏈條上的粘土，導(dǎo)致粘土情況加重，從而降低薯土分離效果。

使用抖動(dòng)輪進(jìn)行薯土分離的收獲機(jī)對(duì)粘土有一定的自清能力，而且?guī)в卸秳?dòng)輪的收獲機(jī)鏈條粘土厚度較小，在工作一段時(shí)間之后，附著在柵條上的泥土?xí)_(dá)到一定的厚度，逐漸趨于穩(wěn)定。

2柵條清土裝置設(shè)計(jì)

為了清除輸送鏈柵條上的粘土，設(shè)計(jì)出兩種輸送鏈條清土裝置，分別是主動(dòng)圓輥式清理裝置和螺旋葉片式清土裝置。這兩種柵條清土裝置都是由輸送鏈主動(dòng)輪經(jīng)鏈輪傳動(dòng)提供動(dòng)力進(jìn)行工作,放置在輸送鏈的下方且靠近輸送鏈的后面，如圖2所示。

1.懸掛機(jī)架　2.挖掘鏟　3.輸送鏈　4.清土裝置　5.傳動(dòng)鏈 6.變速箱

該收獲機(jī)與中小型拖拉機(jī)采用三點(diǎn)懸掛式連接機(jī)架。在工作過(guò)程中，挖掘鏟對(duì)馬鈴薯進(jìn)行挖掘并將薯土混合物傳送到輸送裝置，經(jīng)抖動(dòng)輪抖動(dòng)進(jìn)行薯土分離，最后將分離出來(lái)的馬鈴薯拋擲到地面上，由人工進(jìn)行撿拾、裝袋；工作一段時(shí)間后，輸送鏈條上會(huì)粘著一層粘土，經(jīng)過(guò)兩種清土裝置的清土處理，使得薯土分離更加徹底。

2.1橡膠圓輥式清土裝置

本文設(shè)計(jì)的橡膠圓輥式清理裝置如圖3所示。其中，圓輥的長(zhǎng)度即為輸送鏈條的長(zhǎng)度，清土裝置圓輥的直徑略小于輸送鏈柵條的直徑，在設(shè)計(jì)時(shí)采用直徑為10mm的桿條，相鄰兩桿條之間的角度為36°。清土裝置的圓輥上分布有橡膠，并且相鄰兩個(gè)圓輥軸上的橡膠交替布置，由于橡膠與粘土和輸送鏈的摩擦，一段時(shí)間后可能會(huì)出現(xiàn)橡膠磨損現(xiàn)象，需要對(duì)部分橡膠進(jìn)行更換；本設(shè)計(jì)的橡膠塞孔可以簡(jiǎn)單替換圓輥上損壞的橡膠，并很好地卡住橡膠。

1.橡膠　2.圓輥　3.轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪　4.支架

根據(jù)輸送鏈上粘土的分布情況，圓輥與輸送鏈條之間存在一定間隙，防止磨損并減小消耗。當(dāng)輸送鏈條位于下方時(shí)，其粘土嚴(yán)重的地方是左下方，為了達(dá)到更好的清理效果，橡膠伸入輸送鏈條之間，并且清土裝置運(yùn)動(dòng)方向與輸送鏈行進(jìn)方向相反，能夠有效清理輸送鏈條之間的粘土。

收獲機(jī)工作過(guò)程中，下方的輸送鏈向左運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。橡膠圓輥式清土裝置對(duì)鏈條上的粘土進(jìn)行清理，要求去土裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)速度在最高點(diǎn)的線速度略小于輸送鏈的行進(jìn)速度，能夠?qū)γ總€(gè)輸送鏈條進(jìn)行清理，并利用去土裝置自身轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力將清理的粘土分離出去；間隔分布的橡膠也防止清土裝置自身粘土問(wèn)題的發(fā)生。

1.輸送鏈　2.傳動(dòng)輪　3.主動(dòng)圓輥式清土裝置　4.固定輪

2.2螺旋葉片式清土裝置

螺旋葉片式清理裝置的主要參數(shù)包括葉片直徑、開(kāi)口角度、展開(kāi)內(nèi)直徑和外直徑等，如圖5所示。

圖5　螺旋葉片參數(shù)設(shè)計(jì)圖

螺旋葉片一個(gè)導(dǎo)程的展開(kāi)長(zhǎng)度為

(3)

(4)

展開(kāi)內(nèi)直徑為

5)

展開(kāi)外徑為

(6)

開(kāi)口角度為

(7)

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，選取外徑D=218mm，內(nèi)徑d=30mm，h=100mm，b=90mm。由上述公式計(jì)算，可確定展開(kāi)內(nèi)直徑d1=46mm，展開(kāi)外直徑D1=228mm，開(kāi)口角度α=23°。

螺旋葉片按照螺旋葉片的個(gè)數(shù)可分為雙螺旋葉片式和單螺旋葉片式兩種形式，如圖6所示。螺旋葉片與輸送鏈柵條在運(yùn)行過(guò)程中接觸，為了防止鏈條和螺旋葉片磨損，在螺旋葉片外延處安裝耐磨橡膠。在輸送鏈條行進(jìn)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片對(duì)柵條上的粘土進(jìn)行清理，當(dāng)兩個(gè)輸送鏈條位于螺旋葉片最高點(diǎn)處時(shí)，此時(shí)螺旋葉片嵌入輸送鏈條之間，對(duì)鏈條之間的粘土進(jìn)行清理，清理下來(lái)的泥土在離心力作用下分離出去。

1.輸送鏈條　2.柵條粘土　3.傳動(dòng)齒輪　4.旋轉(zhuǎn)支架　5.螺旋葉片

單螺旋葉片式清土裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清理出來(lái)的粘土在離心力的作用下分離至一側(cè)。雙螺旋葉片式清土裝置是由兩個(gè)對(duì)稱的單螺旋葉片組合而成，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受到軸向的作用力相互抵消，清土過(guò)程穩(wěn)定，而且清理出來(lái)的粘土在離心力作用下被分離至兩側(cè)。所以，雙螺旋葉片式清土裝置相比于單螺旋葉片式清土效果更好、穩(wěn)定性更高。

3對(duì)比試驗(yàn)研究

本次對(duì)比試驗(yàn)中，選用安裝有上述兩種柵條清土裝置的收獲機(jī)與沒(méi)有安裝清土裝置的收獲機(jī)進(jìn)行田間性能對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在膠州市膠萊鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)的試驗(yàn)田，土質(zhì)為中壤土。為了達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果，試驗(yàn)時(shí)間選在下雨后進(jìn)行。試驗(yàn)前，測(cè)得在200mm以內(nèi)的土層平均含水率為18%、土壤硬度為120kPa。

所選試驗(yàn)機(jī)具以1m/s的收獲速度進(jìn)行工作，每50m記錄一次柵條的粘土厚度，以粘土層厚度最大的方向?yàn)闇?zhǔn)，并用精度為0.05mm的游標(biāo)卡尺記錄土層厚度，設(shè)定作業(yè)總長(zhǎng)度為500m。柵條上粘土厚度測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1　柵條粘土厚度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試柵條上粘土情況與粘土厚度的對(duì)比分析，可以得出：

1)在收獲機(jī)工作500m后，沒(méi)有安裝柵條清土裝置的柵條粘土厚度達(dá)到4.85mm，而安裝有螺旋葉片式和橡膠圓輥式柵條去土裝置的柵條粘土厚度分別為2.90mm和2.55mm；螺旋葉片式和橡膠圓輥式清土裝置的清理效果相差不大。

2)安裝兩種柵條清土裝置的收獲機(jī)的柵條粘土厚度的變化規(guī)律：機(jī)具從開(kāi)始工作到工作了400m的過(guò)程中，輸送鏈柵條的粘土厚度不斷地增加；當(dāng)作業(yè)距離超過(guò)400m之后，輸送鏈柵條的粘土厚度基本保持穩(wěn)定，趨于水平狀態(tài)。

3)在相同條件下多次進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)后的柵條粘土情況和柵條清土裝置的情況加以觀察，結(jié)果表明：螺旋葉片式柵條去土裝置對(duì)輸送鏈條的外部清理效果較好且穩(wěn)定，在離心力的作用下能很好地將粘土分離出去；但其對(duì)整個(gè)柵條的去土效果不好，尤其是粘土分布最多的柵條之間的部分。橡膠圓輥式柵條清土裝置的橡膠位于輸送鏈條之間，使得輸送鏈條上的粘土與橡膠摩擦，達(dá)到清土的效果；同時(shí)，安裝的橡膠裝置對(duì)輸送鏈條前、后及中間的粘土都有很好的清理效果。由于橡膠圓輥式中的橡膠部分與輸送鏈條接觸，消耗功率相比于螺旋葉片式較大，而且一段時(shí)間后橡膠會(huì)出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，需要對(duì)橡膠進(jìn)行更換。

4結(jié)論

1)在粘重土壤條件下，薯類收獲機(jī)輸送鏈?zhǔn)绞硗练蛛x裝置的柵條容易粘著一層泥土且不容易清除，需要增加機(jī)械裝置，強(qiáng)制清除柵條上的粘土，以確保收獲質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)的兩種輸送鏈柵條清土裝置具有良好的清理粘土效果，尤其是橡膠圓輥式清土裝置對(duì)輸送鏈條前、后及中間的粘土都有很好的清理效果。

2)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：沒(méi)有安裝清理裝置的柵條粘土厚度達(dá)到4.85mm，而安裝有螺旋葉片式和橡膠圓輥式柵條清土裝置的柵條粘土厚度分別為2.90mm和2.55mm。這說(shuō)明，本文設(shè)計(jì)的兩種柵條清土裝置均具有明顯的清理柵條粘土的效果，可滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

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Design and Experimental Study on the Conveying Chain Soil Cleaning Device of Potato Harvester

Li Zizeng, Jiang Jinlin, Zhan Changling, Yue Qun, Sui Xiuxu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：The potato and soil separation device of Potato harvester in the process of operation, grid article easy to stick with a layer of dirt, gaps between bars caused by the smaller, seriously affect the separation effect of potato and soil, come to light rate of potato significantly reduced. In order to solve the technical problem, this paper designed the rubber round roll bars and spiral vane of soil device, the machine harvest operation of conveyor chain at the same time to clean up. Test research shows that the bars do not install the cleaning device of the clay thickness is 4.85 millimeters, and equipped with the spiral vane bars and rubber roller circle the black bars of the clay soil device thickness of 2.90 millimeters and 2.55 millimeters respectively, two kinds of bars of black soil device has obvious effect of bars cleaning clay, satisfies the requirement of practical production, especially the rubber round roll soil device has good cleaning effect on the clay between the chain.

Key words：potato harvester; conveyor chains; soil device

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0123-05

中圖分類號(hào)：S225.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李字增(1989-)，男，山東滕州人，碩士研究生，(E-mail)18306391243@163.com。通訊作者：蔣金琳(1956-)，男，山東龍口人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)gcdzz@qau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203028)

收稿日期：2015-01-09