于曉陽，刁培松，陳美舟

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

近年來，隨著我國根莖類作物的種植面積不斷擴(kuò)大，根莖類作物的產(chǎn)量逐年增加且種類也越加豐富。其中，以花生、大蒜、馬鈴薯等為主的根莖類作物產(chǎn)量占據(jù)根莖類作物總產(chǎn)量較大的比重。根莖類作物相比于地上作物而言，生長環(huán)境復(fù)雜、收獲難度大，因此研發(fā)適用于根莖類作物收獲的機(jī)械設(shè)備就顯得尤為重要。

當(dāng)前國際收獲機(jī)械的發(fā)展,主要以美國約翰·迪爾公司(John Deere)和紐荷蘭公司(New Holland)、德國格力莫公司(Grimme)、日本久保田公司(Kurobota)等為代表，其研發(fā)制造的系列收獲機(jī)(如GT170馬鈴薯收獲機(jī)、T7030馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)、CH-201C胡蘿卜收獲機(jī)等)具有性能好、效率高、智能化程度高等優(yōu)勢，因而一直處于該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。但國外收獲機(jī)械因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大及價(jià)格昂貴等局限性，不適用于國內(nèi)小區(qū)域根莖類作物的收獲。國內(nèi)對根莖類作物收獲機(jī)械也開展了系列的研究，在積極引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，根據(jù)國內(nèi)根莖類作物的種植特性不斷地進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，取得了多項(xiàng)研究成果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該收獲機(jī)通過機(jī)架連接在微耕機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過帶輪二級(jí)減速后傳遞到收獲機(jī)挖掘部分的皮帶輪上。皮帶輪帶動(dòng)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得兩個(gè)挖掘鏟實(shí)現(xiàn)前后交替擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)的收獲作業(yè)。該收獲機(jī)主要由行走部分、挖掘部分、傳動(dòng)部分和機(jī)架4部分組成，如圖1所示。

1.發(fā)動(dòng)機(jī) 2.皮帶 3.皮帶輪 4.傳動(dòng)裝置 5.機(jī)架 6.轉(zhuǎn)向拉桿 7.從動(dòng)輪 8.挖掘鏟 9.變速箱 10.驅(qū)動(dòng)輪

其中，挖掘部分采用了偏心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)式前進(jìn)的收獲方式，且具有震動(dòng)小、噪音低及收獲效果好等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 工作原理

該收獲機(jī)與4.1kW以上的微耕機(jī)配套使用，通過機(jī)架與微耕機(jī)連接。作業(yè)時(shí)，拉緊張緊輪連桿，使張緊輪及皮帶處于工作狀態(tài)；動(dòng)力輸出軸通過皮帶傳動(dòng)，經(jīng)過兩級(jí)減速后帶動(dòng)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；偏心軸帶動(dòng)挖掘部分的連桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)兩個(gè)挖掘鏟前后交替擺動(dòng)；挖掘鏟將作物周圍的土壤松動(dòng)并將其提升至土壤表面，作物經(jīng)過人工撿拾和修剪處理之后，及時(shí)進(jìn)行晾曬處理或入庫儲(chǔ)存。其作業(yè)原理如圖2所示。

圖2 收獲原理示意圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

該收獲機(jī)采用170F汽油機(jī)提供動(dòng)力，作業(yè)速度及挖掘深度可調(diào)，能滿足不同根莖類作物的收獲要求，作業(yè)性能穩(wěn)定，收獲效率高。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 收獲機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 挖掘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)構(gòu)在作業(yè)過程中需要滿足碎土性能好、帶土量少、作業(yè)阻力小及果實(shí)損傷率低等要求。目前，國內(nèi)根莖類作物收獲機(jī)中常用的挖掘鏟主要有固定式和振動(dòng)式兩種。盡管固定式挖掘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為簡單，但存在碎土能力差、工作阻力大及果實(shí)損傷率高等缺點(diǎn)。振動(dòng)式挖掘機(jī)構(gòu)(見圖3)相對于固定式挖掘機(jī)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)勢比較明顯，采用了雙鏟交替往復(fù)式振動(dòng)原理，不僅能夠克服固定式挖掘機(jī)構(gòu)的不足，而且還能起到拋送土垡的作用。

圖3 振動(dòng)式挖掘機(jī)構(gòu)三維示意圖

2.1.1 挖掘鏟工作原理

挖掘鏟是挖掘機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件之一，在收獲作業(yè)中起到切土、碎土、挖掘、分離等作用。因此，挖掘鏟的作業(yè)方式是影響收獲機(jī)作業(yè)效果的重要的因素。其工作原理為：兩端裝有軸承的連桿將偏心軸與焊接在方管上的傳動(dòng)桿連接，挖掘鏟鏟臂通過U型螺栓固定在方管上。作業(yè)過程中，偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)傳動(dòng)臂在前后方向上往復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)挖掘鏟鏟臂擺動(dòng)，焊接在鏟壁下端的挖掘鏟隨之?dāng)[動(dòng)。其工作原理簡圖如圖4所示。

頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌謀劃，必須準(zhǔn)確把握其科學(xué)內(nèi)涵。水利改革發(fā)展頂層設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)“四個(gè)堅(jiān)持”，即堅(jiān)持圍繞中心、服務(wù)大局，堅(jiān)持統(tǒng)籌兼顧、上下互動(dòng)，堅(jiān)持整體推動(dòng)、集中突破，堅(jiān)持立足實(shí)際、注重實(shí)效?！八膫€(gè)堅(jiān)持”貫穿到水利改革發(fā)展頂層設(shè)計(jì)系統(tǒng)及子系統(tǒng)、中層、基層，是今后一個(gè)時(shí)期水利工作的基本原則，也是衡量一切水利工作的標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 挖掘鏟擺動(dòng)頻率

挖掘鏟的擺動(dòng)頻率是影響收獲質(zhì)量的重要影響因素。設(shè)挖掘鏟的擺動(dòng)頻率為n，通過查閱文獻(xiàn)獲知，挖掘鏟的擺動(dòng)頻率應(yīng)為507min-1

1.偏心軸 2.連桿 3.傳動(dòng)桿 4.挖掘鏟鏟壁 5.挖掘鏟

2.1.3 挖掘鏟運(yùn)動(dòng)軌跡

挖掘機(jī)構(gòu)在進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，左右兩個(gè)挖掘鏟進(jìn)行前后交替擺動(dòng)前進(jìn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡特點(diǎn)是：①兩個(gè)挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線呈現(xiàn)相同的周期性；②挖掘鏟在1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)沿著兩條不同的曲線軌跡運(yùn)動(dòng)，由最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)過程中的曲線斜率小于從最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)過程中的曲線斜率；③當(dāng)一個(gè)挖掘鏟鏟尖運(yùn)動(dòng)到行程的最高點(diǎn)時(shí)，另一個(gè)挖掘鏟鏟尖恰好運(yùn)動(dòng)到行程的最低點(diǎn)。

以挖掘鏟挖掘深度為60mm為例，左右兩個(gè)挖掘鏟的鏟尖運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

圖5 挖掘鏟鏟尖運(yùn)動(dòng)軌跡圖

2.1.4 傳動(dòng)臂有限元分析

傳動(dòng)臂在挖掘機(jī)構(gòu)中主要起到力的傳遞及運(yùn)動(dòng)方向改變等作用。在進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，該部件將連桿的作用力傳遞到挖掘鏟鏟臂上，進(jìn)而帶動(dòng)鏟臂往復(fù)擺動(dòng)，同時(shí)將水平方向上的直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樨Q直方向上的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在樣機(jī)試驗(yàn)過程中,該部件底部折彎部分出現(xiàn)了斷裂的情況，因此借助SimulationXpress軟件對該部件進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 有限元分析圖

圖6(a)中，傳動(dòng)臂底部折彎處的應(yīng)力值明顯高于其他處的應(yīng)力值，表明折彎處的應(yīng)力較為集中。圖6(b)中，傳動(dòng)臂底部折彎處的位移值遠(yuǎn)小于頂端位置的位移值，表明了底部折彎處應(yīng)力較為集中。因此，可得出結(jié)論：傳動(dòng)臂底部折彎處在作業(yè)過程中存在應(yīng)力集中的情況，非常容易出現(xiàn)變形、裂紋，甚至斷裂等情況。所以，需要對該處進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便提高收獲機(jī)的作業(yè)效率及使用壽命，如圖7所示。為此，可以通過增加厚度及前后兩側(cè)焊接加強(qiáng)板的方式來提高強(qiáng)度。

圖7 傳動(dòng)臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2 偏心軸設(shè)計(jì)

偏心軸材質(zhì)上選用42CrMo，該材料具有強(qiáng)度高、韌性好及抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上采用了單根軸上有兩個(gè)偏心短軸的設(shè)計(jì)，從而使兩個(gè)挖掘鏟振動(dòng)頻率一致，動(dòng)作準(zhǔn)確性高。偏心軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

對偏心軸進(jìn)行三維建模之后，借助DFMXpress軟件對偏心軸的可制造性進(jìn)行核準(zhǔn)和分析,結(jié)果如圖9所示。

圖8 偏心軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 制造可行性分析結(jié)果圖

分析結(jié)果表明:偏心軸的所有設(shè)計(jì)規(guī)則全部通過，其制造可行性達(dá)標(biāo)，可以進(jìn)行加工制造。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)選在山東省日照市莒縣。試驗(yàn)地屬于一年兩熟丘陵地區(qū)，土壤為沙壤土，年平均降水量為750mm左右。該地區(qū)土壤具有土質(zhì)疏松、透氣性好、排水性好及有機(jī)質(zhì)含量高等特點(diǎn)，非常適宜根莖類作物的生長。試驗(yàn)地塊種植的作物有大蒜、花生、馬鈴薯等作物。以下試驗(yàn)是對大蒜進(jìn)行收獲來檢測該收獲機(jī)的作業(yè)性能，進(jìn)而為機(jī)具進(jìn)一步優(yōu)化與提升提供參考依據(jù)。

3.2 測試方法

樣機(jī)進(jìn)行大蒜收獲時(shí)的作業(yè)效果測試評(píng)價(jià)指標(biāo)為生產(chǎn)率、傷蒜率和損失率。在試驗(yàn)地中隨機(jī)選取A、B、C等3個(gè)測試區(qū)，每個(gè)測試區(qū)長度為20m、寬度為6m。在收獲機(jī)采用低速擋作業(yè)過程中，用秒表記錄下完成測試區(qū)收獲作業(yè)的時(shí)間，對收獲機(jī)挖掘出的蒜進(jìn)行稱重，從中挑選出被機(jī)械切傷、挖傷和碰傷的蒜進(jìn)行稱重，用人工的方法挖出埋蒜和漏挖蒜進(jìn)行稱重。生產(chǎn)率P、損失率T1、傷蒜率T2計(jì)算方法為

P=0.36LW/T

(1)

T1=(M1/M)×100%

(2)

T2=(M2/M3)×100%

(3)

式中P——生產(chǎn)率(hm2/h)；

L——樣機(jī)測試區(qū)長度(m)；

W——樣機(jī)測試區(qū)寬度(m)；

T——樣機(jī)在測試區(qū)的作業(yè)時(shí)間(s)；

M1——測試區(qū)中損失蒜的質(zhì)量(kg)；

M——測試區(qū)大蒜總質(zhì)量(kg)；

M2——樣機(jī)收獲的大蒜中損傷蒜的質(zhì)量(kg)；

M3——樣機(jī)收獲的大蒜的總質(zhì)量(kg)。

3.3 測試結(jié)果

對試驗(yàn)過程中所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算,得到的測試結(jié)果如表2所示。

表2 收獲機(jī)測試結(jié)果

3.4 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果表明:樣機(jī)的生產(chǎn)率、傷蒜率、損失率各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；作業(yè)效率是人工作業(yè)效率的10倍以上，極大提高了收獲效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了勞動(dòng)生產(chǎn)力，較好地滿足了大蒜的收獲要求。在對其他種類的地下作物進(jìn)行相關(guān)收獲試驗(yàn)之后，驗(yàn)證了該收獲機(jī)不僅能收獲大蒜，而且能兼收花生、馬鈴薯等根莖類作物。

4 結(jié)論

在我國丘陵、山地等小區(qū)域耕地上，由于受到地形及地理位置等因素的影響，大型根莖類作物收獲機(jī)械不適用于小區(qū)域地塊內(nèi)作物的收獲作業(yè)。本文設(shè)計(jì)的與微耕機(jī)匹配的振動(dòng)式根莖類收獲機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、性能穩(wěn)定及操作靈活等特點(diǎn)，能夠?qū)π^(qū)域耕地種植的花生、大蒜、馬鈴薯等根莖類作物實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲，解決了對小區(qū)域地塊內(nèi)的根莖類作物進(jìn)行機(jī)械化收獲作業(yè)的難題。