田連祥，尚書旗，王東偉, 申世龍

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

0 引言

花生是我國廣泛種植的油料作物和重要的出口創(chuàng)匯農(nóng)產(chǎn)品[1]。我國花生的種植歷史悠久，地域廣闊，種植面積占世界面積的20%，居世界第二位[2]?；ㄉN植區(qū)域主要集中在河南、山東、安徽、河北、遼寧、江蘇及廣東等省份。我國花生種植面積雖廣，但是還普遍存在著收獲難及收獲方式雜亂等問題[5]。就目前我國的總體生產(chǎn)狀況來看，花生收獲主要依靠人工完成，勞動強度大、作業(yè)成本高、效率低、損失大已成為花生生產(chǎn)與發(fā)展的主要瓶頸[9]。而花生的收獲環(huán)節(jié)是花生生產(chǎn)過程中用工量最大也是作業(yè)成本最高的作業(yè)環(huán)節(jié)，其成本所占比例超過50%[9]。而且，花生收獲一般在雨季，難免會遇到暴雨等惡劣天氣，如果收獲不及時，花生就會在土壤中腐爛，對花生的產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響。雖然部分地區(qū)已經(jīng)引進了花生收獲機械，但大部分收獲機械的適應(yīng)性較差，收獲效率不高。

針對花生收獲過程中可能遇到的這些問題及現(xiàn)有花生收獲機械適應(yīng)性差、收獲效率不高的情況，設(shè)計了一種新型的花生條鋪收獲機。其能夠依次實現(xiàn)花生的挖掘拔取、夾持輸送、抖土去土及有序條鋪等作業(yè)，提高了收獲效率和收獲質(zhì)量，大大減小了勞動強度和勞動投入，從而減輕農(nóng)民負擔(dān)，增加農(nóng)民的收益，實現(xiàn)高效增產(chǎn)。

1 總體方案的確定

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該花生收獲機械配套動力為16kW以上的四輪拖拉機，可一次性實現(xiàn)花生的挖掘拔取、夾持輸送及有序條鋪等工序，并能實現(xiàn)雙行作業(yè)。本機主要由挖掘裝置、夾持輸送裝置、碎土裝置和有序鋪放裝置等部分組成，如圖1所示。

1.挖掘鏟 2.夾持鏈輪 3.夾持鏈 4.夾持鏈張緊桿 5.張緊鏈輪 6.機架 7.傳動齒輪 8.有序條鋪桿 9.皮帶輪 10.皮帶 11.正弦線去土桿 12.變速箱 13.限深裝置 14.懸掛架

1.2 工作原理

作業(yè)時，機具在拖拉機的牽引下前行，挖掘鏟在下地作業(yè)之前進行了安裝調(diào)節(jié)，使其能夠以一定的入土角度(一般為20°)和入土深度入土。拖拉機的動力通過動力輸出軸傳輸?shù)阶兯傧渖?，進行變速、動力換向，然后經(jīng)皮帶傳輸?shù)狡л?，皮帶輪與其中一個傳動齒輪相連，傳動齒輪通過與其相嚙合的另一個傳動齒輪將動力輸送至齒形夾持鏈；挖掘鏟將花生從土壤中挖掘出的同時，植株被齒形鏈夾持進入夾持輸送裝置，由齒形鏈夾持花生植株輸送到收獲機尾部；在夾持輸送過程中，花生受到拍土桿的阻擋拍打作用，將粘附在花生莢果上的大部分泥土清除掉；花生秧果被輸送到機器尾部后，在有序條鋪導(dǎo)向裝置的作用下以同一方向按條狀有序鋪放于田間。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 主要工作部件的設(shè)計

2.1 挖掘裝置

花生挖掘是花生收獲作業(yè)的第一步，也是花生收獲過程最為重要的一步，挖掘效果的好壞會對收獲效果帶來直接的影響，挖掘裝置作為完成這一作業(yè)環(huán)節(jié)的功能部件，是花生條鋪收獲機的關(guān)鍵部件。挖掘鏟是挖掘裝置的重要組成部分，符合收獲標(biāo)準(zhǔn)的挖掘鏟要具有良好的入土性能，并能迅速地鏟斷花生根系和松碎土壤，在保證所有作物被鏟起和挖凈的同時做到不鏟果。同時，挖掘鏟需要對作物施加一個提升力，使其能夠順利進入夾持輸送的作業(yè)環(huán)節(jié)。挖掘裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

結(jié)合花生的生長特性與種植模式，本機具采用的是平面雙鏟結(jié)構(gòu)，左右雙鏟通過挖掘鏟連接架固定在機架上，其挖掘深度與鏟間間距可以通過限位閥進行調(diào)節(jié)，入土角度可以通過改變平面鏟與挖掘鏟連接架的弧形槽連接位置進行調(diào)節(jié)。

入土角α和鏟刃翼張角γ的大小是直接影響挖掘鏟性能的兩個因素。分析挖掘鏟的受力情況，如圖3所示。

圖3 鏟面受力分析

為了使挖掘鏟給予花生植株一個向上托起的力并且保證鏟面鏟起的土壤能夠順利往鏟后移動，挖掘鏟面掘起土壤的力P應(yīng)滿足以下條件[4]，即

Pcosα-T-Gsinα≥0

(1)

R-Gcosα-Psinα=0

(2)

T=Rμ

(3)

式中P—鏟面掘起土壤所需的力(N)；

R—鏟對土壤的反作用力(N)；

T—鏟面對土壤的摩擦力(N)；

G—鏟面所承受的土壤的重力(N)；

α—挖掘鏟的入土角(°)；

μ—土壤對鏟的摩擦因數(shù)，μ=tanφ，φ為土壤與鏟面的摩擦角(°)。

將式(2)、式(3)代入式(1)整理可得

P≥Gtan(α+φ)

(4)

由式(4)可知：作用于挖掘鏟面上的力與入土角 的大小呈正相關(guān)關(guān)系，但在不同的角度區(qū)間內(nèi)其變化率不盡相同。當(dāng)入土角α位于0°～25°之間時，作用于鏟面上的力隨α的增大而增大，但是變化情況不明顯；當(dāng)α超過25°后，作用于鏟面上的力會隨著入土角α的增大急劇增大。因此，取α<25°為宜[5]。本機具確定α<20°，滿足要求。

挖掘鏟工作時切斷花生根蔓的能力主要取決于鏟刃翼張角γ[6]。γ過大時，根蔓易纏結(jié)鏟片；γ過小時，根蔓則不易被切斷且會發(fā)生滑脫現(xiàn)象。因此，鏟刃翼張角γ過大或過小都不利于挖掘作業(yè)的正常開展。當(dāng)鏟刃翼張角在適宜的角度區(qū)間內(nèi)變化時，翼張角γ越小，滑切性能越好；但鏟片長度也會同時增大，使整機縱向尺寸變大，與整機的輕簡化設(shè)計理念不符。為確保挖掘鏟有良好的挖掘性能，鏟刃翼張角需滿足以下條件

γ<90°-φ

(5)

其中，φ為土壤與挖掘鏟表面的摩擦角。

由于土壤對鋼的摩擦因數(shù)tanφ=0.4～0.8，所以γ<55.1°。田間試驗得出，取γ=48°時，可靠滑切來鏟斷花生根系，且可有效減少阻力和壅土[7-8]。挖掘鏟配置圖如圖4所示。

圖4 挖掘鏟結(jié)構(gòu)圖

2.2 夾持輸送裝置

夾持輸送裝置是機具進行有序條鋪收獲作業(yè)的重要裝置，主要由夾持鏈、夾持鏈輪及張緊鏈輪組成。它的作用是確?；ㄉ仓暝谕诰虺鐾林竽軌虮黄鋳A持拔起并向后有序運送到機器后端，其結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。

機器在田間作業(yè)時，夾持輸送裝置與地面會有一定的傾角[7]，為保證其良好的夾持效果，傾角β可由式(6)確定。有

(6)

式中β—機具作業(yè)夾角；

H—植株高度；

θ—齒形鏈夾持角；

L—夾持作業(yè)幅長。

其中，花生的植株高度H一般為400～480mm，λ=0.33～0.50，夾持夾角θ的取值范圍為80°～90°，L取620～650mm。代入式(6)中可知，β取25°合適。

夾持輸送裝置在輸送花生植株時，既要考慮到夾持鏈輸送速度Vj過小與機具前進速度Vm不匹配造成輸送裝置堵塞，進而導(dǎo)致作業(yè)故障增加的問題，又要考慮到輸送速度Vj過大使花生秧果與拍土桿碰撞劇烈，導(dǎo)致拍土效果不佳及掉果率嚴(yán)重的問題。因此，合理確定夾持輸送裝置的運動參數(shù)尤為重要。對夾持輸送裝置進行速度分解[10]，如圖6所示。

1.夾持鏈輪 2.夾持鏈 3.張緊鏈輪 4.夾持鏈張緊桿

圖6 夾持輸送速度分解圖

由速度分解圖可知

(7)

由速度分解圖可知

bc=Vjsin(ψ-β)=Vmsinψ

(8)

2.3 拍土裝置

挖掘裝置將花生植株挖掘出土后，一般會有大量泥土黏附在花生根系上，這樣的植株被輸送到機具后端拋出后很難實現(xiàn)有序鋪放[8]。因此，機具的去土效果成為決定花生有序條鋪質(zhì)量的關(guān)鍵因素。為了實現(xiàn)較好地去土效果，提高有序條鋪質(zhì)量，本機研制了正弦線型拍土桿。正弦線型拍土桿外觀彎曲呈正弦線型，拍土桿的總長為850mm，有兩個波峰，其有效拍打去土長度為710mm。在由夾持輸送裝置輸送到有序條鋪裝置過程中,拍土裝置對花生拍打去土2次，通過花生植株與正弦線型拍土桿波峰的撞擊震蕩使土塊破碎脫落，可以有效去除粘附在花生植株根系上的泥土。拍土裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 拍土桿結(jié)構(gòu)圖

2.4 有序條鋪裝置

傳統(tǒng)的花生挖掘機已經(jīng)可以實現(xiàn)挖掘、去土等作業(yè)過程，這類花生收獲機結(jié)構(gòu)簡單，但是收獲后的花生鋪放雜亂，為后續(xù)的花生撿拾收獲帶來不必要的麻煩，嚴(yán)重影響花生收獲的效率與質(zhì)量。為了解決上述花生收獲難題，本機設(shè)計采用了簡單有效的花生有序條鋪裝置，如圖8所示。該有序條鋪裝置分為兩部分，分別裝備在機架側(cè)部尾端的相對位置，利用花生夾持輸送裝置對花生植株的后拋慣性，模擬花生植株整體鋪放動作，對花生的鋪放軌跡與鋪放方向進行有序引導(dǎo)，既可以達到良好的鋪放效果，又能夠降低花生條鋪收獲機的制造成本。

圖8 條鋪導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)圖

3 田間性能試驗

3.1 試驗地點

本文設(shè)計的4HT-2型花生條鋪收獲機由青島明鴻農(nóng)業(yè)機械有限公司試制生產(chǎn)，并選取山東平度市店子鎮(zhèn)的代表性地塊進行花生田間收獲試驗。用于試驗的花生品種為海花1號，種植模式為壟作，花生植株平均高度為380mm，鋪放寬度為140mm，株距為150mm；花生莢果深度區(qū)間為60～100mm，莢果直徑為145～180mm，莢果產(chǎn)量為2 352.3g/m2；試驗土壤類型為壤土，平均作業(yè)速度為4.44km/h。

3.2 試驗方法

試驗設(shè)置單個試驗區(qū)域的長度為20m，隨機選取3個試驗區(qū)域進行重復(fù)試驗[7]。收獲試驗結(jié)束，先后對泥土未除凈的花生植株及人工除凈泥土后的花生植株進行稱量并作記錄；撿拾各試驗區(qū)收獲過程中脫落的花生稱量并做記錄；挑選收獲過程中破碎的花生稱量并作記錄[4]。

3.3 試驗結(jié)果

該機具試驗過程中，運行流暢，操作簡單、方便，性能可靠穩(wěn)定，各項性能指標(biāo)如圖9、表2所示。

圖9 條鋪機田間試驗效果

項目埋果率/%破碎率/%含土率/%生產(chǎn)率/hm2·h-1技術(shù)要求≤2.0≤1.0≤200.15～0.30檢測結(jié)果0.230.8212.20.36

由表2的數(shù)據(jù)可以看到，收獲機的性能指標(biāo)達到了相關(guān)設(shè)計要求與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

1)采用夾持有序鋪放機械化技術(shù)，可一次性完成花生的挖掘、輸送、去土及有序鋪放等作業(yè)過程，實現(xiàn)花生的有序條鋪收獲，利于花生莢果的晾曬，為下一階段花生的撿拾摘果做準(zhǔn)備。

2)采用的平面雙鏟結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本低廉，入土性能好，能較好地避免纏草和壅土現(xiàn)象的發(fā)生。

3)設(shè)計的鏈?zhǔn)綂A持輸送裝置，在挖掘裝置進行松土切根作業(yè)之后，模擬手工拔持動作，對花生植株進行拔取和夾持輸送作業(yè)，實現(xiàn)果土分離的柔性化，夾持輸送效果好，機械損傷落果少。

4)設(shè)計的正弦線形拍土裝置與有序條鋪裝置結(jié)構(gòu)簡單，具有便于制造、無動力消耗、生產(chǎn)與使用成本低、震蕩拍打去土效果好，以及植株田間鋪放整齊等特點，省去后續(xù)的人工抖土與規(guī)整環(huán)節(jié)，可有效節(jié)省人力投入。

5)整機性能可靠，投資成本低，生產(chǎn)效率高，作業(yè)損失小，方便靈活，推廣適用性強。

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