蔡玉虎，呂釗欽

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引言

甘薯是重要的糧食、飼料、工業(yè)原料及新型的能源用料，是世界糧食生產(chǎn)的底線作物和極具競爭力的優(yōu)勢能源作物，也是優(yōu)質(zhì)的抗癌保健食品，是欠發(fā)達(dá)地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)收入之一，生產(chǎn)意義重大[2-4]。

我國是世界甘薯生產(chǎn)大國，目前我國甘薯的種植面積和總產(chǎn)量均居世界首位。根據(jù)FAO統(tǒng)計(jì)資料，2013年我國甘薯收獲面積356萬hm2，甘薯總產(chǎn)量7 763萬t，分別約占世界總產(chǎn)量43%和75%[1]。我國雖然是甘薯生產(chǎn)大國，但其機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)卻十分落后，作業(yè)機(jī)具的專用化、高效化、系列化程度還較低，區(qū)域發(fā)展不平衡，嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

甘薯是勞動(dòng)密集型土下作物，其生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要包括：育苗、起壟、剪苗、移栽、灌溉、中耕、施藥及收獲等環(huán)節(jié)。收獲包括：割蔓、挖掘、撿拾、清選及收集等。在國內(nèi)，割蔓環(huán)節(jié)主要采用人工割蔓，勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、效率低，嚴(yán)重影響了農(nóng)民種植積極性，因此研發(fā)適用的甘薯秧蔓處理機(jī)具有非常重要的意義。履帶式底盤機(jī)械設(shè)備具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小及跨溝越埂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，多數(shù)用于復(fù)雜地形機(jī)械設(shè)備。履帶式行走裝置廣泛用于工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械等野外作業(yè)設(shè)備[5]。

由于田間土壤比較松軟，為減少機(jī)械設(shè)備的接地比壓，減少機(jī)械設(shè)備對土壤壓實(shí)產(chǎn)生的不良影響和提高機(jī)械設(shè)備的通過性，采用橡膠履帶式底盤作為行走機(jī)構(gòu)。

對丘陵地區(qū)地塊較小的土地，大型的機(jī)械無法工作，故研究小型的甘薯機(jī)械也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的趨勢。小型機(jī)械機(jī)動(dòng)靈活，便于安裝拆卸，價(jià)格相對便宜，可減少生產(chǎn)成本。經(jīng)過相關(guān)理論研究，本文設(shè)計(jì)研制出一種履帶式小型甘薯秧蔓處理機(jī)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 作業(yè)要求

履帶式小型甘薯秧蔓處理機(jī)作業(yè)對象為地塊較小的土地，在收貨甘薯之前，進(jìn)行收割秧蔓，收割作業(yè)模式為單壟作業(yè)。在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行田間實(shí)地測量的甘薯壟形為：兩壟溝間中心距為1 000mm，壟頂寬度250mm，壟底寬度500mm,壟高200mm。甘薯壟的模式，如圖1所示。

圖1 甘薯壟示意圖Fig.1 Schematic diagram of sweet potato ridge pattern

1.2 總體結(jié)構(gòu)

履帶式小型甘薯秧蔓處理機(jī)主要由動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)、工作臺(tái)支架、履帶式底盤、切割機(jī)構(gòu)、立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)及集秧裝置等主要部分組成，如圖2所示。

1.挑秧?xiàng)U 2.藤蔓粉碎刀 3.變速箱 4.絞龍 5.工作臺(tái)支架 6.簡易駕駛室 7.操縱臺(tái) 8.發(fā)動(dòng)機(jī)罩 9.柴油機(jī) 10.輸送帶帶輪 11.集秧箱 12.履帶行走機(jī)構(gòu) 13.輸送帶箱體 14.帶輪 15.立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu) 16.根部圓盤切刀 圖2 整體結(jié)構(gòu)圖和局部剖視圖Fig.2 The overall structure drawing and partial section view

縱向藤蔓粉碎刀安裝在整機(jī)的前方，主要由刀軸和粉碎刀片組成，采用甩刀式，刀片采用直刀片。其作用主要為切斷挑秧?xiàng)U挑起的秧蔓，使秧蔓變短并且與相鄰兩壟生長的秧蔓分離，實(shí)現(xiàn)模塊化切割，可使立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)(喂入機(jī)構(gòu))和輸送機(jī)構(gòu)能夠更加高效、快捷地將甘薯秧蔓收集到集秧箱。

一對立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)(喂入機(jī)構(gòu))豎直安裝在工作臺(tái)支架上，該機(jī)構(gòu)由立式滾筒、盤形凸輪機(jī)構(gòu)及行星齒輪機(jī)構(gòu)組成，其轉(zhuǎn)速相同、方向向內(nèi)且相反。運(yùn)用行星齒輪機(jī)構(gòu)，體積小、質(zhì)量輕、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)，能夠符合在尺寸空間較小的情況下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊和平穩(wěn)傳動(dòng)。盤形溝槽凸輪安裝在行星齒輪機(jī)構(gòu)的下方，分3層安裝，凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)桿件作為撥禾齒，可解決秧蔓纏繞撥禾齒的問題。

輸送機(jī)構(gòu)主要由橡膠傳送帶、傳送帶軸、液壓油缸及傳送帶箱體組成。橡膠傳送帶表面有間距均勻分布的擋板，防止傳送的秧蔓滑落。被粉碎過的秧蔓經(jīng)絞龍輸送到傳動(dòng)帶上，秧蔓在傳送帶的末端滑落至集秧箱。

橡膠履帶式行走機(jī)構(gòu)采用由“四輪一帶(驅(qū)動(dòng)輪、負(fù)重輪、支撐輪、導(dǎo)向輪和橡膠履帶)”組成，根據(jù)作業(yè)要求合理地設(shè)計(jì)出其基本參數(shù)，適合甘薯種植田的運(yùn)行。

1.3 工作原理

作業(yè)時(shí)，在液壓油缸的作用下將前部的收割工作臺(tái)放下，位于工作臺(tái)支架下部的根部圓盤切刀將甘薯秧蔓根部切斷，縱向藤蔓粉碎刀將秧蔓粉碎成合適的長度，并將收割壟范圍內(nèi)的秧蔓與左右相鄰壟內(nèi)的秧蔓切割分離，從而實(shí)現(xiàn)模塊化切割。在機(jī)器前進(jìn)速度作用下，被粉碎的秧蔓喂入立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)，通過撥禾機(jī)構(gòu)將秧蔓傳給絞龍，并由輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)輸?shù)郊硐?。主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下：

外形尺寸(長×寬×高)/mm: 3 575×1 570×1 660

作業(yè)幅度/mm:1 000

作業(yè)行數(shù):單壟單行

工作速度/km·h-1：3

配套動(dòng)力/kW:2.205(17.5馬力水冷式柴油機(jī))

生產(chǎn)率/hm2·h-1：0.3～0.4

除凈率/%：﹥90

留茬高度/mm：﹤75

傷薯率/%：﹤0.8

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 藤蔓粉碎刀

藤蔓粉碎刀采用甩刀式，甩刀片是該裝置的核心部件，且容易磨損。刀片的形狀和尺寸不僅對刀軸的設(shè)計(jì)和甩刀片的排列有較大的影響，而且對粉碎秧蔓的效果有較大的影響[6-7]。

刀片按照形狀分裂主要有直刀、T型刀、Y型刀、錘爪、L型刀及其改進(jìn)型刀。根據(jù)本機(jī)設(shè)計(jì)要求，采用直刀片，雙面開刃。為使刀片具有較高的耐磨性和抗沖擊韌性，甩刀材料選用6mm厚65Mn鋼片，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 刀片結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Blade structure diagram

甩刀片的數(shù)量要合理，數(shù)量過多增大啟動(dòng)扭矩和功率的消耗，數(shù)量過少莖秧不能完全切割，起不到粉碎的效果，理論上甩刀的數(shù)量為

N=C·L

(1)

式中N—甩刀總片數(shù)(片)；

C—甩刀的密度(片/mm)；

L—甩刀在刀軸上的分布長度(mm)。

對于甩刀的密度C，直刀一般取0.04～0.07；本機(jī)的甩刀的作業(yè)幅寬為900mm，甩刀片的數(shù)量取36片。為減小甩刀的振動(dòng)，增加機(jī)具的平衡性能，甩刀的排列方式選取對稱排列分布，刀片在刀軸軸向上等間距分布，在刀軸圓周方向上等角分布(3排刀具，每排刀具之間的夾角為120°)。藤蔓粉碎刀具的總體結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

1.刀軸 2.螺栓 3.螺母 4.刀片 圖4 藤蔓粉碎刀結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure diagram of seedling crushing knife

甩刀的絕對運(yùn)動(dòng)是由機(jī)器前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和刀具的旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)的合成，對刀片尖端任意一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析，如圖5所示。以刀軸的旋轉(zhuǎn)中心O為原點(diǎn)，經(jīng)過時(shí)間t時(shí)刀片尖端任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

對式(2)中時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)得到的速度方程為

(3)

式中x—刀片尖端水平方向位移(m)；

y—刀片尖端豎直方向位移(m)；

v1—機(jī)具前進(jìn)的速度(m·s-1)；

R—刀片尖端的回轉(zhuǎn)半徑(m)；

ω—刀片的角速度(rad/s)。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程和速度方程對藤蔓粉碎刀運(yùn)用Adams進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得到刀片尖端的軌跡線，其軌跡線，如圖6所示。

圖5 刀片尖端運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.5 Motion analysis diagram of the tip of the blade

圖6 刀片尖端軌跡線Fig.6 The trajectory of the tip of blade

在仿真中設(shè)置機(jī)具前進(jìn)速度為0.833m/s，粉碎刀的轉(zhuǎn)速為1 200r/min，刀片尖端的軌跡線為余擺線，刀具的進(jìn)距(相鄰旋轉(zhuǎn)周期的中心距)為85mm，小于甘薯株距(200mm)，保證了該刀具不會(huì)出現(xiàn)漏切的情況。

2.2 立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)

為了避免喂入甘薯秧蔓時(shí)堵塞撥禾齒，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，并參考青貯飼料收獲機(jī)的撥禾形式，設(shè)計(jì)了立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)，解決了秧蔓纏繞撥禾齒的問題。其工作原理，如圖7所示。

該機(jī)構(gòu)由立式滾筒、行星齒輪機(jī)構(gòu)(傳動(dòng)作用即帶動(dòng)立式滾筒轉(zhuǎn)動(dòng))及平面盤形溝槽凸輪機(jī)構(gòu)(在滾筒內(nèi)分3層布置)組成。其中，3層凸輪機(jī)構(gòu)中的凸輪固定于立式滾筒之中，立式滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪從動(dòng)桿件(撥禾齒)沿凸輪溝槽運(yùn)動(dòng)同時(shí)從動(dòng)桿件在立式 滾筒里做伸縮運(yùn)動(dòng)。

立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，如圖8所示。

圖7 工作原理圖Fig.7 The working principle diagram

1.齒圈 2.凸輪 3.撥禾齒 4.太陽輪 5.行星輪 6.立式滾筒 7.傳動(dòng)軸 8.行星齒輪支架 9.滾筒底座 圖8 立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of vertical roller pulling mechanism

凸輪機(jī)構(gòu)是該機(jī)構(gòu)的核心部件，根據(jù)本機(jī)的工作要求，選取從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為5次多項(xiàng)式，適用于高速、輕載。該凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of cam mechanism

運(yùn)用Adams對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真(設(shè)置的轉(zhuǎn)速為1 200r/min，機(jī)器的前進(jìn)速度為0.833m/s)，得到從動(dòng)桿件(撥禾齒)的質(zhì)心的位移、速度、加速度曲線，如圖9所示。根據(jù)曲線圖，可以得到該機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)瞬間振動(dòng)較強(qiáng)，運(yùn)行期間有輕微振動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)滿足需求。

2.3 挑秧?xiàng)U

挑秧?xiàng)U將貼在地面上的甘薯藤蔓挑離地面，是實(shí)現(xiàn)藤蔓處理效果的基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)由上板(等腰梯形)、底板、彈簧、固定桿及銷軸組成，底板安裝位置與地面平行，上板和下板呈22°(可調(diào))，整體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖9 立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)仿真曲線圖Fig.9 Simulation curve of vertical roller pulling mechanism

1.上板 2.固定桿 3.底板 4.彈簧 圖10 整體結(jié)構(gòu)圖Fig.10 The overall structure diagram

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)基本條件

田間性能試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)甘薯試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)土壤為壤土，土壤含水率為15%，粘度適中；試驗(yàn)地平整，壟型規(guī)范，覆土嚴(yán)實(shí)，能夠滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)甘薯品種為寧紫2號(hào)，在其收獲期第14天進(jìn)行，莖稈含水率為81.5%，平均藤蔓莖稈直徑為6.2mm。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在整機(jī)行進(jìn)速度為3km/h的情況下，進(jìn)行單壟單行處理作業(yè)試驗(yàn)，主要對留茬高度、除凈率、生產(chǎn)率、傷薯率4個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表2所示。

表2 整機(jī)性能測試結(jié)果Table 2 Test results of the whole machine

3.3 結(jié)果分析

從履帶式小型甘薯秧蔓處理機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果可以看出：平均留茬高度為72.4mm，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)留茬高度應(yīng)不低于70mm為宜，所以該機(jī)滿足農(nóng)藝要求；除凈率為92.3%，滿足技術(shù)指標(biāo)；生產(chǎn)率滿足對甘薯收貨效率的要求；傷薯率為6.9%，能夠保證甘薯的收貨質(zhì)量，保護(hù)了農(nóng)民的利益。

4 結(jié)論

1)理論分析與試驗(yàn)表明：研制的履帶式小型甘薯秧蔓處理機(jī)能順利完成甘薯秧蔓的處理作業(yè)，各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，滿足秧蔓處理的農(nóng)藝要求，為甘薯秧蔓處理作業(yè)提供了一種新機(jī)型。

2)設(shè)計(jì)了挑秧裝置、粉碎裝置、秧蔓喂入裝置；對粉碎刀片尖端的軌跡進(jìn)行了分析，能夠保證粉碎刀片不漏切藤蔓，保證良好的效果；首次采用立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對秧蔓的無堵塞喂入，解決了秧蔓纏繞的撥禾齒的問題。

3)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：立式滾筒撥禾機(jī)構(gòu)有輕微的振動(dòng)，尤其是在啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)強(qiáng)烈。這一問題需要進(jìn)一步對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證機(jī)器的壽命。

[1] 馬標(biāo)，胡良龍，許良元，等.國內(nèi)甘薯種植及生產(chǎn)機(jī)械[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013,34(1)：42-46.

[2] 馬大夫，邱軍.國家甘薯區(qū)試考察與產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議[J].雜糧作物，2004,24(5)：306-308.

[3] 劉慶昌.甘薯在我國糧食和能源安全中的重要作用[J].科技導(dǎo)報(bào)，2004(9)：21-22.

[4] 馬大夫.世界甘薯生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展預(yù)測[J].世界農(nóng)業(yè)，2001(1)：17-19.

[5] 徐錫晨.履帶式小型甘蔗收割機(jī)底盤和鋼架設(shè)計(jì)與分析[D].南寧：廣西大學(xué)，2006：17-21.

[6] 何玉靜，楊釗星，孫衛(wèi)平.甘薯秧莖切碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43(6)：639-641.

[7] 涂建平，徐雪紅，夏中義，等.棉桿粉碎還田機(jī)刀具優(yōu)化排列的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003(2)：102-104.