李金川，鄭毅敏，胡欖慶，尚 欣，慕 松

(寧夏大學 a.機械工程學院；b.大學生就業(yè)創(chuàng)業(yè)指導服務中心，銀川 750021)

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基于TRIZ的旋轉分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機設計

李金川a，鄭毅敏b，胡欖慶a，尚 欣a，慕 松a

(寧夏大學 a.機械工程學院；b.大學生就業(yè)創(chuàng)業(yè)指導服務中心，銀川 750021)

針對其他根莖類作物收獲機滿足不了寶塔菜收獲要求的問題，應用TRIZ理論提出解決方案，設計了一種高效率、多功能，并不易損傷果實表皮的旋轉分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機。同時，簡述了該機的整體結構配置、工作過程、傳動系統(tǒng)以及關鍵零部件的設計等。依據(jù)TRIZ理論分析，分離裝置設置為四級篩選組合機構，包括兩級運輸分離機構、滾筒旋轉分離機構及振動篩分離機構，大大提高了果實清潔率。經(jīng)田間初步試驗，驗證了該機的可使用性，且收獲效果良好。

寶塔菜；聯(lián)合收獲機；旋轉分離；TRIZ

0 引言

寶塔菜原名草石蠶，地下根莖類作物，外觀呈現(xiàn)螺旋狀塔形，肉質脆嫩，表皮易磨損，春種秋收，可連續(xù)數(shù)年收獲。寶塔菜易與土壤粘連，在收獲過程中容易損傷果實表皮。其種植行距為25～30cm，株距為10～16cm，收貨時挖掘深度為15～20cm。

目前，國內外對寶塔菜收獲機的研究很少，市場上暫無投入生產(chǎn)的收獲機械，完全依靠人工完成收獲作業(yè)，不能滿足當前市場對寶塔菜的大量需求，嚴重制約了寶塔菜產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

基于上述寶塔菜的特性及種植工藝，其他根莖類作物(如馬鈴薯、花生等)收獲機并不能滿足其收獲要求。隨著市場對寶塔菜需求的不斷增加及寶塔菜的市場化、產(chǎn)業(yè)化、品牌化，實現(xiàn)寶塔菜的機械化收獲已經(jīng)成為必然趨勢。

作為取代人工收獲的機械，需要完成對收獲過程從破土、運送、分離到果實收集的一體化[1]，從而達到取代低效率人工收獲的目標。除此之外，其還應具備以下特點[2-3]：

1)果實的殘品率不高于5%；

2)果實的清潔度不低于95%；

3)遺漏損失率不高于5%；

4)整機田間作業(yè)時應適用于當?shù)胤N植模式，不對農(nóng)田表觀造成大面積損毀；

5)機械入土挖掘時，不應造成果實的損傷。

根據(jù)以上要求，設計了一種能一次性完成破土、挖掘、輸送、分離和收集等工作于一體，并不易損傷果實表皮的寶塔菜聯(lián)合收獲機。

1 TRIZ理論應用

寶塔菜具有皮質脆嫩、容易磨損、易與泥土粘連等特性，其他根莖類作物收獲機滿足不了寶塔菜收獲要求。針對上述問題，本文基于TRIZ理論進行了創(chuàng)新性方案設計，提出了一種具有“旋轉分離”裝置的“四級篩選”收獲機。

1.1 提出問題

問題1：寶塔菜表皮易磨損，普通根莖類作物收獲機會對其造成傷害，使殘品率升高。

問題2：寶塔菜果實體積較小，現(xiàn)有收獲機的篩選效率不高，果實清潔度不高。

1.2 定義技術矛盾

問題模型1中，需要改善收獲機對果實的磨損程度，對機器的制造精度提高了要求，增加了制造成本。

問題模型2中，需要提高收獲機的效率，即果實的清潔率，這可能要增加分離篩選裝置，分離的裝置的增加和布置使裝置的復雜性提高。技術矛盾如表1所示。

1.3 矛盾矩陣的建立及創(chuàng)新原理的應用

查矛盾矩陣表得：問題模型1的技術矛盾所對應的發(fā)明原理為不對稱原則、向另一維度過渡原則、部分剔除和再生原則及復制原則；問題模型2的技術矛盾所對應的發(fā)明原理為等勢原則、向另一維度過渡原則、代替力學原理原則及“中介”原則。具體解決方案如表2所示。

表1 技術矛盾表

表2 矛盾矩陣表

綜合分析各原理解，采用塑料材質運輸機構，并增加旋轉提升分離裝置。目的如下：一是減小機器與物料之間的相對移動，降低因摩擦對果實表皮的損傷；二是較現(xiàn)有根莖類作物收獲機增加了一級分離裝置，達到了四級篩選效果，提高了果實的清潔率。

2 整機結構與工作原理

根據(jù)TRIZ理論分析，該機采用四級篩選方式，增加滾筒分離裝置，既節(jié)省了布置空間，又增大了分離強度，提高了生產(chǎn)率。

為了適應當?shù)厣a(chǎn)需要，方便動力傳遞，將收獲機設計為牽引式，將其置于農(nóng)用拖拉機的后端，采用傳動軸連接；拖拉機的動力輸出軸為收獲機的動力輸入，液壓調節(jié)裝置可對挖掘深度和機具高度進行調整，保證機具的挖掘要求。

寶塔菜聯(lián)合收獲機由破土旋耕刀、組合二階平面鏟、一級鏈桿式輸送裝置、二級鏈桿式輸送裝置、三級滾筒提升分離裝置、四級振動篩分離裝置及塊莖收集裝置組成，結構配置如圖1所示。

1.旋轉提升輪 2.機架 3.二階平面鏟 4.破土旋耕刀 5.一級輸送鏈 6.集果箱 7.振動篩選器 8.減速器 9.動力輸入軸 10.二級橫向輸送鏈 11.連桿機構

該機具有如下優(yōu)點：能一次性完成破土、挖掘、輸送、分離、篩選和收集等工作；分離篩選裝置不易對果實表皮造成損傷，這是其他普通收獲機械所達不到的；傳動裝置采用鏈傳動，能保證準確的平均傳動比，傳動效率高，能在低速重載、高溫條件及露天等不良環(huán)境中工作；破土旋耕刀為雙向旋向，可將土壤充分分散到一級輸送裝置上，減少了收獲機兩側的積土量，可達到對果實的充分收獲。該機的一級鏈桿式輸送裝置行程較短，不會因行程過長而造成壅土現(xiàn)象；采用的鏈桿機構既能完成對寶塔菜果實的輸送，又能達到莖土分離的作用；裝備有兩級運輸分離裝置、一個滾筒提升裝置和一個振動篩選裝置，可達到四級篩選的效果，大大提高了果實清潔率。

收獲機工作過程：機器由拖拉機牽引運行，破土旋耕刀使地表板結土壤破損，并進行松土、碎土；隨后組合二階平面鏟將寶塔菜果實挖出并將其送入一級鏈桿式輸送裝置：經(jīng)第一次篩選后，果實隨一級分離機構進入橫向運輸?shù)亩夋湕U式輸送裝置；最后，快速進入三級滾動篩，滾動篩可將果實提升至振動篩選器，寶塔菜果實經(jīng)振動篩選后進入集果箱。

3 主要機構及關鍵部件設計

3.1 傳動系統(tǒng)設計

該機采用分路動力傳輸系統(tǒng)，首先由動力輸入軸(軸1)通過減速箱將動力傳遞給軸3。之后，動力分為3路路傳遞：一路通過錐齒輪轉換方向后傳遞給軸2，并帶動二級輸送裝置和振動篩運動；另一路傳遞給軸5帶動一級輸送裝置運動；最后一路帶動滾動篩旋轉。傳動系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 寶塔菜聯(lián)合收獲機傳動系統(tǒng)

該機傳動系統(tǒng)的各零件參數(shù)是根據(jù)拖拉機動力輸出軸轉速和行走速度而設計的。本文根據(jù)約翰，迪爾404拖拉機設計，拖拉機以I擋速度(1.88km/h)運行，動力輸出軸轉速n=540r/min。一級、二級輸送裝置為升運鏈裝置，類似于鏈板式輸送機，根據(jù)鏈板輸送機的輸送能力可求得兩級輸送裝置鏈條的平均速度[4]：第一級鏈條輸送速度1.04m/s，第二級鏈條輸送速度1.77m/s。由此確定各鏈輪轉速，第三級滾動篩的轉速為90r/min，振動篩振動頻率為194次/min。

3.2 破土旋耕刀

根據(jù)寧夏大學陳虎[2-3]的實驗結果，寶塔菜收獲機在收獲后會造成收獲路徑旁的積土量過多，一些寶塔菜果實也會存留在積土里，使果實遺漏損失率升高；加之寧夏收獲季節(jié)土壤表層干燥、板結嚴重，所以設置破土旋耕刀，并將其設計為雙向螺旋，在松土的同時，將土壤、遺漏果實及其他雜物通過旋耕刀螺旋推移的作用，進入第一級鏈桿式輸送裝置，既達到了破土的效果，又減少了積土量，從而降低了果實遺漏率。該裝置左右螺旋片的高度均為420mm，螺距均為130mm ，為對稱布置，其外形如圖3所示。

圖3 破土旋耕刀

3.3 二階平面鏟

在寶塔菜的挖掘收獲過程中，出土量較多，綜合考慮入土性能、碎土能力及制造成本等方面因素，選用二階平面鏟來改善寶塔菜收獲機的碎土性能[5-6]。本設計的二階平面鏟具有兩個不同的傾角，可使土壤破碎程度加大，在很大程度上提高了碎土能力，減小了機具的動力消耗；在制造成本方面，加工制造也相對容易，適用于收獲寶塔菜這類表皮較薄的作物。

通過引入土壤破裂模型和挖掘鏟力學模型[7-8]，對挖掘鏟鏟面傾角進行多目標優(yōu)化[9]，運用Mathematica軟件優(yōu)化得到了一階鏟面傾角20.44°，二階鏟面傾角43.64°，一階鏟面高度0.12m，虛擬鏟面傾角30.53°。二級平面鏟截面參數(shù)如圖4所示。

圖4 二階平面鏟截面參數(shù)

考慮一級輸送裝置采用鏈桿輸送機構，桿長不能太長，為實現(xiàn)鏟與輸送裝置的良好對接，將鏟件設計為組合鏟。組合鏟由3個二階平面鏟構成，它們均固定在機架上。組合鏟可分擔土壤對單鏟的法向載荷、土壤對鏟面的摩擦力等，降低了對機架的剛度要求。二階平面鏟的結構布置圖如圖5所示，從左至右，二階平面鏟的寬度依次為270、320、270mm。

圖5 二階平面鏟結構布置圖

針對寶塔菜易受損傷、體積小等特點進行優(yōu)化設計得到的二階平面鏟，理論上提高了挖掘鏟的碎土能力，降低了果實破損率，也為小型根莖類作物收獲機挖掘裝置的設計與改良提供了方向。

3.4 鏈桿式輸送裝置

鏈桿式輸送裝置分為一級輸送裝置和二級橫向輸送裝置，二者均采用鏈桿結構(即傳統(tǒng)馬鈴薯收獲機中所說的升運鏈裝置)。鏈桿由輸送鏈條和圓柱形長桿構成，如圖6所示。該裝置采用鏈傳動是考慮到鏈傳動具有無彈性滑動和打滑現(xiàn)象及過載能力強等優(yōu)點，既可作為輸送器，又可篩選果實。由于寶塔菜果實呈螺旋塔形，橫截面直徑為8mm左右，為使果實在輸送過程中不會掉落，故將鏈條節(jié)距、鏈桿直徑均設為8mm。一級輸送裝置中的鏈桿長度依次為264、314、264mm(從左至右)，其輸送行程均為450mm；二級輸送裝置中的鏈桿長度為230mm，輸送行程為1 150mm。

1. 一級鏈桿輸送裝置 2.二級鏈桿橫向輸送裝置

3.5 滾筒提升分離裝置

該裝置具有兩個作用：一是將果實提升至頂部的振動篩中；二是篩選果實，相當于第三級分離篩選裝置。滾筒提升分離裝置結構如圖7所示。滾筒直徑1 000mm，厚度250mm，其內部裝有25塊均勻分布的并與水平面成30°的塑料板，用于果實的提升。為減少對果實表皮的損傷，滾筒由尼龍制成，滾筒四周為均勻的網(wǎng)孔，用于分離碎土。

圖7 滾筒提升分離裝置配置圖

3.6 振動篩

該裝置的作用是進一步對果實進行篩選，提高果實清潔度，相當于第四級分離篩選裝置。為了有效地從挖掘物中分離出寶塔菜果實，并減輕對寶塔菜表皮的損傷，該裝置采用塑料圓柱條形篩，利用連桿機構驅動振動篩左右擺動。振動篩越長，分離效果越佳，所以本設計將振動篩貫穿整機，已達到良好的分離效果。振動篩長度設計為1 350mm，為使果實順利進入集果箱，將振動篩設計為傾斜狀態(tài)，傾斜角度為15°，其結構布置圖如圖8所示。

1.集果箱 2.小連桿 3.振動篩 4.大連桿 5.偏心圓盤

4 初步試驗

該機委托寧夏銀川凱盛機械制造有限公司制造，并于2015年11月在寧夏銀川市賀蘭縣寶塔菜種植基地進行初步試驗考核。該產(chǎn)區(qū)的寶塔菜種植方式為平種，行距為25cm，株距為10cm，作業(yè)時一次收獲4行。

試驗結果顯示：果實遺漏情況不明顯，不存在果實磨損情況；但由于寧夏地區(qū)土地較為干旱，板結嚴重，造成碎土顆粒過硬，從而導致了部分碎土顆粒分離不完全的現(xiàn)象。本次試驗旨在測定該聯(lián)合收獲機的可使用性，為后續(xù)的設計工作提供理論與實踐依據(jù)。田間試驗如圖9所示。

圖9 田間初步試驗

5 結論

1)應用TRIZ理論找出來解決關鍵問題的方法，設計制造了一種能一次性完成破土、挖掘、輸送、分離和收集等工作，并不易損傷果實表皮的旋轉分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機，實現(xiàn)了寶塔菜的機械化收獲。

2)試驗結果表明：該機收獲效果良好，不易對果實表皮造成損傷，果實遺漏現(xiàn)象不明顯，且果實清潔度較高，為后續(xù)的設計制造及試驗研究奠定了基礎。

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Design of Rotary Type Artichoke Combine Harvester Based on TRIZ

Li Jinchuana，Zheng Yiminb，Hu Lanqinga, Shang Xina，Mu Songa

(a.School of Mechanical Engineering; b.Career Guidance Students' Employment Service Center，Ningxia University，Yinchuan 750021，China)

Aimed at the existing problem that other root-tuber harvester can’t meet the harvest requirements of artichoke, this article puts forward some solutions based on TRIZ, and designs a rotary type artichoke combine harvester which has high efficiency, multifunction, and no damage on fruit epidermis. This paper describes the overall structural configuration, operating process, transmission system, and the design of key components. With the theoretical analysis based on TRIZ, this design sets up four filter combination mechanism which includes two separate conveyors, a picking roller, and a shaker. This design improves the fruit-cleaning rate. The initial field-test verified the usability of the machine and achieved good results.

artichoke; combine harvester; picking roller; TRIZ

2016-03-28

寧夏回族自治區(qū)科技支撐計劃項目(413-0224)

李金川(1992-)，男，山東夏津人，碩士研究生，(E-mail)ljcnxu@163.com。

鄭毅敏(1964-)，男，銀川人，教授，碩士研究生，(E-mail)XJKZym@nXu.edu.cn。

S225.92

A

1003-188X(2017)04-0149-05