孫 偉 王虎存 趙武云 張 華 劉小龍 吳建民

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070)

0 引言

近年來(lái)，西北黃土高原旱區(qū)廣泛采用馬鈴薯地膜全域覆蓋溝壟栽培技術(shù)[1-5]，為保證馬鈴薯幼芽自動(dòng)破膜出苗，通常在種行或全膜面覆蓋一層3～5 cm厚的土層[6-7]。該栽培模式利于機(jī)械化種植，但增加了機(jī)械化收獲難度，由于土壤覆蓋，至收獲時(shí)期地膜韌性好，機(jī)械化收獲時(shí)易產(chǎn)生結(jié)瘤型包膜壅堵。此外，由于全域地膜保墑技術(shù)的廣泛應(yīng)用，殘膜污染嚴(yán)重，以甘肅省為例平均每年鋪膜種植新增殘膜高達(dá)6×104t左右[8]，迫切需要相關(guān)機(jī)具解決此問(wèn)題。

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)械的研究起步早，發(fā)展技術(shù)水平高，近年來(lái)融入了不少新技術(shù)，使得馬鈴薯收獲機(jī)械化、自動(dòng)化水平得到了很大提高[9-10]。典型機(jī)具有：美國(guó)Double公司生產(chǎn)的973型馬鈴薯回流收獲機(jī)，德國(guó)格立莫(Grimmer)公司生產(chǎn)的GT-170型馬鈴薯收獲機(jī)，比利時(shí)AVR公司研制的Spirit 6200型雙行偏移倉(cāng)收獲機(jī)，這些機(jī)具主要以露地栽培收獲為主，且體積大、配套動(dòng)力大，不適用于西北旱區(qū)山坡地、小塊地作業(yè)[11-13]。20世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)械發(fā)展迅速，如山西省忻州市農(nóng)機(jī)推廣站和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的4SW-60型馬鈴薯挖掘機(jī)，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的4UL-1型背負(fù)式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，黑龍江省農(nóng)機(jī)院研制的4U-1、4U-2型馬鈴薯挖掘機(jī)，山東富邦農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備有限公司生產(chǎn)的4U-2 型馬鈴薯收獲機(jī)，青島洪珠農(nóng)機(jī)廠生產(chǎn)的4U-83型及4U-130型馬鈴薯收獲機(jī)，這些挖掘機(jī)技術(shù)已經(jīng)基本成熟，在國(guó)內(nèi)廣泛使用[11-14]，但這些機(jī)具多采用壓草輪或立輥式防堵裝置，主要防止雜草、殘秧纏繞，對(duì)韌性較好的殘膜反而更容易纏繞在回轉(zhuǎn)式防堵部件上，阻礙機(jī)具正常工作。

目前，馬鈴薯挖掘機(jī)均沒(méi)有附帶殘膜回收功能，后期回收殘膜增加了機(jī)組進(jìn)地次數(shù)和燃油消耗。針對(duì)西北黃土高原旱區(qū)馬鈴薯種植模式，設(shè)計(jì)一種殘膜回收型全膜覆土壟播馬鈴薯挖掘機(jī)，該機(jī)具實(shí)現(xiàn)馬鈴薯挖掘和殘膜回收聯(lián)合作業(yè)，以提高機(jī)具使用效率，降低作業(yè)成本。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該機(jī)具由懸掛架、傳動(dòng)系統(tǒng)、仿生挖掘裝置、曲柄搖桿防堵機(jī)構(gòu)、薯土分離裝置、薯膜分離裝置、殘膜回收裝置、可調(diào)地輪等構(gòu)成。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of whole machine1.懸掛架 2.傳動(dòng)系統(tǒng) 3.防堵裝置 4.偏心輪 5.三角振動(dòng)輪 6.薯土分離篩 7.摩擦式過(guò)載保護(hù)器 8.薯膜分離篩 9.殘膜回收裝置 10.可調(diào)地輪 11.仿生挖掘鏟角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

1.2 工作原理

該機(jī)具采用三點(diǎn)懸掛式，在拖拉機(jī)牽引下，挖掘鏟楔入壟下將薯土膜秧混合物掘起至薯土分離裝置，在三角振動(dòng)輪作用下將土壤篩下，清選的薯塊膜秧被薯土分離篩輸送至后方的薯膜分離裝置上，薯塊穿過(guò)薯膜分離篩的篩眼并在集薯柵作用下呈帶狀鋪到地面上，同時(shí)，殘膜、莖秧和膜上土壤被薯膜分離裝置輸送至殘膜回收裝置的正上方，殘膜被卷膜針抓取并纏繞到錐形筒上，莖秧和土壤被拋扔到地面上，當(dāng)殘膜纏繞到和卷膜針旋轉(zhuǎn)直徑大小相同時(shí)卸掉殘膜，繼續(xù)作業(yè)。此外，挖掘深度可通過(guò)拖拉機(jī)中央拉桿長(zhǎng)度和可調(diào)地輪調(diào)節(jié)，挖掘鏟角度可以通過(guò)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

該聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要參考西北旱區(qū)種植模式以及當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)藝要求[15-17]，如圖2所示，為馬鈴薯黑膜覆蓋種行覆土壟播模式，壟底寬度為900 mm，壟高為150～200 mm，行距400 mm，黑膜厚度0.012 mm，寬度1 200 mm，膜上覆土厚度為35～45 mm。此外，重點(diǎn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)以解決挖掘過(guò)程中壅堵以及殘膜回收等問(wèn)題，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 馬鈴薯全膜覆土壟播模式Fig.2 Complete film mulching, planting line covering and ridge sowing pattern1.馬鈴薯 2.馬鈴薯殘秧 3.苗帶覆土 4.黑色地膜

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 仿生挖掘裝置

馬鈴薯挖掘裝置的基本功能是把薯土膜秧混合物掘起順利鋪放于薯土分離裝置上，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是減小挖掘阻力、提高碎土性能、適應(yīng)不同地況、延長(zhǎng)使用壽命等。為此，設(shè)計(jì)了一種仿生挖掘裝置，如圖3所示，該挖掘裝置由仿生挖掘鏟、挖掘鏟架和角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。挖掘鏟采用本課題組提出的仿生挖掘鏟，該挖掘鏟鏟尖曲率的變化有利于減小水平方向挖掘阻力，而且仿生挖掘鏟鏟尖使得土壤應(yīng)力較集中，容易碎土，更具挖削碎土減阻效果[18-19]。挖掘鏟刃口采用下磨刃，材料為10 mm厚的65Mn鋼板，對(duì)挖掘鏟刃口部位進(jìn)行局部熱處理、發(fā)黑處理，以提高其耐磨性和抗腐蝕性等[20-21]。目前，全膜覆土種植模式壟寬約為0.9 m，為適應(yīng)壟寬和便于動(dòng)力配套，設(shè)計(jì)挖掘幅寬為1 m，經(jīng)查閱相關(guān)資料，多鏟挖掘裝置滑草間隙一般為30～40 mm[22]，該挖掘鏟之間的滑草間隙δ設(shè)計(jì)為35 mm，為滿足挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，單鏟寬度B設(shè)計(jì)為137 mm。

表1 聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of combined machine

圖3 仿生挖掘裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Bionic digging mechanism1.調(diào)節(jié)螺桿 2.限位桿 3.挖掘鏟主架 4.分石柵 5.彎曲架6.仿生挖掘鏟 7.挖掘鏟軸 8.馬鈴薯 9.殘秧 10.土壤 11.殘膜 12.薯土分離篩

為保證鏟刃自動(dòng)清理功能，挖掘鏟刃斜角γ應(yīng)滿足

90°-γ>λ

(1)

式中λ——土薯秧混合物與挖掘鏟摩擦角，(°)

γ——挖掘鏟刃斜角，取40°～50°

西北黃土高原旱區(qū)主要以黃綿土為主，馬鈴薯挖掘入土切削角α一般為16°～24°[22]，入土切削角越小，切入阻力也越小，該仿生挖掘裝置可通過(guò)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整挖掘鏟入土切削角α大小，其范圍為15°～25°，便于適應(yīng)不同區(qū)域的挖掘作業(yè)。如圖3所示，機(jī)具工作時(shí)，挖掘鏟在切入過(guò)程中，土壤依次發(fā)生塑性流動(dòng)、崩裂等行為，隨著機(jī)具前進(jìn)，土薯膜秧雜草等多種混合物容易在挖掘鏟上方產(chǎn)生壅堵，主要由于挖掘鏟總長(zhǎng)L過(guò)大，掘起的土壤無(wú)法及時(shí)被薯土分離篩分離。挖掘鏟總長(zhǎng)L的確定主要取決于挖掘鏟末端至水平地面的垂直高度H和挖掘鏟楔角β。鏟后端水平高度H設(shè)計(jì)為220 mm，過(guò)小容易使分離篩的下半部分觸及挖掘溝底，無(wú)法盡快分離掉推送到薯土分離篩上的土壤。對(duì)于挖掘鏟楔角β，研究其工作時(shí)的阻力并進(jìn)行分析，根據(jù)圖3建立方程[22-25]

(2)

其中

f=μN(yùn)′

(3)

μ=tanλ

式中F——挖掘鏟掘起土壤所需要的力，N

f——摩擦力，N

G——挖掘鏟上的土壤重力，N

N′——挖掘鏟對(duì)土壤的反作用力，N

μ——土薯秧混合物與挖掘鏟的摩擦因數(shù)

最后得到挖掘鏟楔角為

(4)

為了防止挖掘鏟過(guò)長(zhǎng)而壅堵及保證足夠的挖掘鏟后端垂直高度H，挖掘鏟楔角β設(shè)計(jì)為30°～42°。挖掘鏟的總長(zhǎng)度L包括挖掘鏟長(zhǎng)度L1和分石柵長(zhǎng)度L2，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，L1取200 mm，L2取100 mm。由于西北地區(qū)屬多石土壤地帶，所以在鏟尾設(shè)計(jì)分石柵，防止薯土分離篩和挖掘鏟的間隙位置被石塊等堅(jiān)硬物體卡死，造成故障。

2.2 曲柄搖桿防堵機(jī)構(gòu)

馬鈴薯挖掘機(jī)防堵裝置主要用于自動(dòng)清理機(jī)架兩側(cè)纏掛的雜草及秧膜，防止機(jī)架兩側(cè)產(chǎn)生結(jié)瘤性壅堵而影響挖掘效率。目前國(guó)內(nèi)馬鈴薯挖掘機(jī)防纏繞裝置主要以切土圓盤(pán)配合壓草輪形式和立輥旋轉(zhuǎn)式為主，前者用于大型馬鈴薯挖掘機(jī)上，主要針對(duì)雜草和莖秧，后者多用于工作幅寬小于1.3 m的小型馬鈴薯挖掘機(jī)，但在使用過(guò)程中，雜草及秧膜易纏繞于立輥上，清理困難，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致立輥卡死損壞機(jī)構(gòu)。針對(duì)以上問(wèn)題設(shè)計(jì)了曲柄搖桿防堵機(jī)構(gòu)，如圖4所示，該機(jī)構(gòu)主要由擺動(dòng)刀、連接架、連桿、偏心輪以及傳動(dòng)裝置組成，擺動(dòng)刀下端前側(cè)加工成切割刃口，工作時(shí)，通過(guò)快速往復(fù)式運(yùn)動(dòng)切割纏繞在機(jī)架兩側(cè)的雜草秧膜，并且間歇抖動(dòng)有助于消除結(jié)瘤型包膜壅堵隱患，以提高機(jī)具的挖掘效率。

圖4 曲柄搖桿防堵機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Mechanism diagram of anti-blocking crank rocker1.擺動(dòng)刀 2.連接架 3.連桿 4.偏心輪 5.傳動(dòng)裝置 6.機(jī)架 7.機(jī)架側(cè)板

為了提高該機(jī)構(gòu)的可靠性，采用CAD/CAM技術(shù)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了虛擬仿真優(yōu)化，包括建立虛擬模型、在機(jī)構(gòu)仿真模塊中設(shè)置初始條件、創(chuàng)建伺服電機(jī)(角速度：10π rad/s)、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析、通過(guò)“回放”排除干涉、結(jié)構(gòu)優(yōu)化后對(duì)E點(diǎn)進(jìn)行速度及加速度測(cè)量，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的曲線圖，如圖5所示，分析得出該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，無(wú)異常拐點(diǎn)或波動(dòng)出現(xiàn)，由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性，所以加速度曲線波動(dòng)稍大[26]。

圖5 E點(diǎn)速度和加速度曲線Fig.5 Curves of velocity and acceleration at E point

圖4為仿真優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，E點(diǎn)和E1點(diǎn)為防堵甩刀的兩個(gè)極位點(diǎn)，水平振幅S為52 mm，F(xiàn)G為機(jī)架側(cè)板易壅堵位置，擺動(dòng)刀的有效工作行程S1為30 mm，其他機(jī)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 曲柄搖桿防堵機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of anti-blocking crank rocker

2.3 薯土分離裝置

2.3.1分離篩及其組件

薯土分離裝置主要將挖掘鏟掘起的土薯混合物進(jìn)行清選和分離，并將清選出來(lái)的馬鈴薯及秧膜向后輸送。對(duì)于西北黃土高原旱區(qū)，地塊小，馬鈴薯收獲機(jī)多以29.4 kW以下拖拉機(jī)配套，以一級(jí)分離為主，分離裝置要求高?，F(xiàn)有的馬鈴薯挖掘機(jī)分離篩明薯率低，分離裝置使用壽命短，故障率高，為此對(duì)馬鈴薯土薯分離裝置進(jìn)行優(yōu)化。如圖6所示，該薯土分離裝置采用桿條式分離篩，具有較強(qiáng)的分離性能[24,27]，主要由導(dǎo)向輪、刮土板、托帶輪、抬升輪、薯土分離篩、被動(dòng)抖動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)輪、摩擦式過(guò)載保護(hù)器等構(gòu)成。

圖6 薯土分離裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of potato and soil separation device1.導(dǎo)向輪 2.刮土板 3.托帶輪 4.薯土分離篩 5.抬升輪 6.抖動(dòng)輪 7.驅(qū)動(dòng)輪 8.摩擦式過(guò)載保護(hù)器

機(jī)具作業(yè)時(shí)，導(dǎo)向輪和抬升輪的凸出法蘭邊對(duì)桿條式薯土分離篩具有一定的導(dǎo)向作用，可防止薯土分離篩跑偏與機(jī)架側(cè)板發(fā)生干涉。由于導(dǎo)向輪工作在濕度較大的土壤環(huán)境下，易粘土壤或者殘秧、殘膜等，致使導(dǎo)向輪工作直徑增大，使得薯土分離篩過(guò)緊而崩斷或減小抖動(dòng)振幅，影響明薯率，因此，在靠近導(dǎo)向輪的機(jī)架側(cè)板上安裝有刮土板，自動(dòng)清理雜物，避免上述問(wèn)題發(fā)生。該桿條式分離篩及配套的驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距p1為50 mm，機(jī)具長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致分離篩拉長(zhǎng)變松，影響分離效果，所以導(dǎo)向輪與驅(qū)動(dòng)軸中心距a1設(shè)計(jì)為可調(diào)，范圍為1 200～1 260 mm，以便隨時(shí)調(diào)整分離篩松緊程度。此外，挖掘作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)石塊或樹(shù)根等堅(jiān)硬物體損壞薯土分離篩，因此在該驅(qū)動(dòng)軸上安裝摩擦式過(guò)載保護(hù)器，提高機(jī)具可靠性。

對(duì)馬鈴薯輸送過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖6所示，以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，平行于篩面為橫坐標(biāo)軸x，垂直于篩面為縱坐標(biāo)軸y，建立直角坐標(biāo)系。為滿足馬鈴薯正常輸送要求，土薯秧混合物的線速度必須大于機(jī)具前進(jìn)速度在x軸上的分速度，所以

v1-v0cosψ>0

(5)

式中v1——薯土分離篩線速度，m/s

v0——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

ψ——薯土分離篩與水平地面夾角，(°)

根據(jù)薯土分離篩線速度公式

(6)

式中n0——驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，r/min

R0——驅(qū)動(dòng)輪分度圓半徑，m

在工作過(guò)程中，保證拖拉機(jī)恒定油門(mén)輸出，該驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n0一般為153 r/min，其驅(qū)動(dòng)輪分度圓半徑R0=100 mm，因此，薯土分離篩的線速度v1為1.6 m/s，設(shè)計(jì)薯土分離篩前部與水平地面夾角ψ為31°，拖拉機(jī)前進(jìn)速度v0為0.5～1.6 m/s，通過(guò)計(jì)算滿足馬鈴薯正常輸送要求[22]。

為簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該薯土分離裝置采用被動(dòng)抖動(dòng)輪，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，抖動(dòng)輪轉(zhuǎn)速與薯土分離篩線速度及抖動(dòng)輪周長(zhǎng)關(guān)系為

n1=60v1/l

(7)

式中n1——抖動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/min

l——抖動(dòng)輪周長(zhǎng)，m

該抖動(dòng)輪抖動(dòng)頻率f1為

f1=Zn1/60

(8)

式中Z——抖動(dòng)輪齒數(shù)

圖7 抖動(dòng)輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of shaking wheel

已知抖動(dòng)輪周長(zhǎng)l=0.6 m，抖動(dòng)輪齒數(shù)Z=3，計(jì)算可得抖動(dòng)頻率f1=8 Hz，抖動(dòng)輪振幅yA=R1-r=37.5 mm。如圖7所示，抖動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)大徑R1=100 mm，支撐薯土分離篩的最小回轉(zhuǎn)半徑r=62.5 mm，薯土分離篩的最低線速度vmin為

(9)

其中

K0=r/R1

式中g(shù)——重力加速度，9.8 m/s2

通過(guò)計(jì)算得K0=0.625，一般地，K0取0.6～0.7時(shí)，可以得到較好的分離效果[27]，計(jì)算得vmin=1.26 m/s，由于已經(jīng)算得薯土分離篩v1=1.6 m/s，所以均滿足馬鈴薯輸送分離要求。

2.3.2過(guò)載保護(hù)器

如圖8所示，該摩擦式過(guò)載保護(hù)器主要由驅(qū)動(dòng)鏈輪、法蘭盤(pán)、摩擦片、轉(zhuǎn)動(dòng)套、預(yù)緊彈簧、預(yù)緊螺栓構(gòu)成，摩擦片、驅(qū)動(dòng)鏈輪及法蘭盤(pán)均安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)套上，通過(guò)螺栓和預(yù)緊彈簧將其壓緊在一起，依靠摩擦阻力傳遞轉(zhuǎn)矩，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的工作阻力突然增大時(shí)，即分離篩遇到堅(jiān)硬物體卡死，此時(shí)摩擦阻力小于工作阻力，僅有驅(qū)動(dòng)鏈輪和法蘭盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)動(dòng)套、薯土分離裝置均停止工作，避免損壞薯土分離裝置。此外，可通過(guò)調(diào)節(jié)壓緊螺母調(diào)節(jié)摩擦阻力，以適應(yīng)不同環(huán)境的作業(yè)。

圖8 摩擦式過(guò)載保護(hù)器簡(jiǎn)圖Fig.8 Diagram of friction overload protector1.壓緊螺母 2.預(yù)緊彈簧 3.法蘭盤(pán) 4、6.摩擦片 5.轉(zhuǎn)動(dòng)套 7.螺桿 8.驅(qū)動(dòng)鏈輪 9.驅(qū)動(dòng)軸

該過(guò)載保護(hù)器正常工作時(shí)有[23]

(10)

其中

(11)

式中TG——設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩，N·m

K1——過(guò)載保護(hù)器工況系數(shù)，取1.5

T——正常工作所需轉(zhuǎn)矩，N·m

KM——過(guò)載保護(hù)器接合頻率系數(shù)，取1.00

KV——過(guò)載保護(hù)器滑動(dòng)速度系數(shù)，取1.19

Q——壓緊力，N

D1——摩擦盤(pán)工作面外徑,m

D2——摩擦盤(pán)工作面內(nèi)徑,m

DP——摩擦盤(pán)工作面的平均直徑，m

m——摩擦面對(duì)數(shù)

μ1——摩擦因數(shù)，取0.3

P——薯土分離裝置的設(shè)計(jì)功率，取3.5 kW

聯(lián)立式(10)、(11)得到

(12)

由于K1、KM、KV、μ1均為定值，機(jī)具正常作業(yè)時(shí)薯土分離裝置的功率P和驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n0基本恒定，因此壓緊力Q與摩擦盤(pán)工作面的平均直徑DP、摩擦面對(duì)數(shù)m成反比。此外，考慮到薯土分離篩線速度要求，通過(guò)計(jì)算傳動(dòng)比，該驅(qū)動(dòng)鏈輪選擇12A-1型號(hào)的33齒鏈輪，為滿足安裝要求，摩擦盤(pán)工作面外徑D1最大設(shè)計(jì)為150 mm，摩擦盤(pán)工作面的內(nèi)徑D2設(shè)計(jì)為50 mm，摩擦面對(duì)數(shù)m設(shè)計(jì)為4，通過(guò)式(12)可得壓緊力Q為4 589.6 N，因此，該過(guò)載保護(hù)器的最大工作載荷為4 589.6 N。

2.4 薯膜分離裝置

由于地膜上方覆蓋土壤，地膜風(fēng)化程度相對(duì)較低，挖掘時(shí)地膜比較完整，一定程度上降低了地膜回收難度。在薯土分離篩后方設(shè)計(jì)一種薯膜分離裝置，如圖9所示，該裝置主要由薯膜分離篩、導(dǎo)向輪、特種鏈輪、托膜柵條輥、驅(qū)動(dòng)軸、特種鏈輪等組成，薯膜分離篩由特種鏈條、包膠桿條、包塑鋼絲構(gòu)成。機(jī)組作業(yè)時(shí)，薯土分離篩輸送過(guò)來(lái)的薯塊通過(guò)薯膜分離篩上的大篩孔快速分離，剩余膜上的殘秧、土壤被薯膜分離篩輸送至末端平拋到地面上，地膜則垂直落到殘膜回收裝置上被收卷起來(lái)。

圖9 薯膜分離裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diagrams of film and potato separation device1.薯土分離篩 2.馬鈴薯 3.特種鏈條 4.包膠桿條 5.特種鏈輪 6.托膜柵條輥 7.驅(qū)動(dòng)鏈輪 8.驅(qū)動(dòng)軸 9.導(dǎo)向輪 10.包塑鋼絲

該裝置安裝于薯土分離篩的后下方，與水平地面的傾角η設(shè)計(jì)為35°，導(dǎo)向輪與驅(qū)動(dòng)輪中心距a2設(shè)計(jì)為500 mm。由于薯膜分離篩的傳動(dòng)鏈條經(jīng)常會(huì)因夾持土壤脫鏈，故選擇大節(jié)距(p2=38.1 mm)的2062型特種鏈條和特種鏈輪，提高了機(jī)構(gòu)的可靠性，每5個(gè)鏈扣安裝一根包膠桿條與包塑鋼絲交錯(cuò)成篩狀，其篩眼長(zhǎng)度b為190.5 mm，寬度c為130 mm。為避免下落過(guò)程中傷薯，桿條均采用包膠型，以降低傷薯率。驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)側(cè)安裝的托膜柵條輥防止地膜纏繞于驅(qū)動(dòng)軸上，影響機(jī)構(gòu)可靠性及殘膜回收率。

為了保證地膜在薯膜分離篩上的線速度與薯土分離篩的線速度v1匹配，使地膜完整地通過(guò)薯膜分離篩，特種鏈輪轉(zhuǎn)速尤為重要，已知

(13)

式中v2——薯膜分離篩線速度，m/s

n2——特種鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min

R2——薯膜分離篩特種鏈輪分度圓半徑，m

聯(lián)立式(6)、(13)得到

(14)

由此可知，特種鏈輪轉(zhuǎn)速n2與薯土分離篩驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n0及薯土分離篩驅(qū)動(dòng)輪分度圓半徑R0成正比，與自身半徑R2成反比。

2.5 殘膜回收裝置

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多的殘膜回收機(jī)具被廣泛應(yīng)用[28]，主要以耙齒型、齒鏈型、鏟鏈型為主，在技術(shù)上依然存在壅土、漏膜、傳輸?shù)啬ば阅懿畹葐?wèn)題[29-32]，并且都以單獨(dú)作業(yè)為主，二次作業(yè)費(fèi)工費(fèi)時(shí)，增加了作業(yè)成本。因此，在馬鈴薯挖掘機(jī)上直接設(shè)計(jì)一種殘膜回收裝置，如圖10所示，該殘膜回收裝置主要由調(diào)節(jié)架、固定錐筒、活動(dòng)錐筒、卷膜軸、卷膜針、定位裝置、萬(wàn)向傳動(dòng)軸等組成。

圖10 殘膜回收裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure diagram of roll film recovery device1.調(diào)節(jié)架 2.萬(wàn)向傳動(dòng)軸 3.固定錐筒 4.卷膜軸 5.卷膜針6.活動(dòng)錐筒 7.調(diào)節(jié)螺孔 8.定位裝置

工作時(shí)，調(diào)節(jié)架與機(jī)架側(cè)板通過(guò)螺栓固定，地膜從薯膜分離裝置后端溜下，被安裝在正下方順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的卷膜錐筒不斷纏繞，完成殘膜回收工作，卷膜錐筒上安裝便于拆卸的卷膜針，對(duì)殘膜起到輔助纏繞工作，調(diào)節(jié)架可調(diào)整適當(dāng)?shù)慕幽の恢?，以便地膜順利纏繞，其余殘秧拋扔到地面，保證地膜干凈回收。當(dāng)?shù)啬だp繞直徑達(dá)到卷膜針最大回轉(zhuǎn)直徑時(shí)，開(kāi)始人工卸膜。

機(jī)具正常作業(yè)時(shí)，為使得殘膜被順利卷到錐筒上，卷膜針有著向后拉送、輔助纏繞的作用，其軌跡近似于余擺線。如圖11所示，設(shè)卷膜軸旋轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)系原點(diǎn)，x軸正向與機(jī)具前進(jìn)方向一致，y軸正向垂直向上，則卷膜針的運(yùn)動(dòng)方程為

(15)

式中R3——卷膜針端點(diǎn)F的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，mm

ω2——卷膜軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

t——時(shí)間，s

卷膜針端點(diǎn)的分速度為

(16)

式中vFx——卷膜針端點(diǎn)F的水平分速度，m/s

vFy——卷膜針端點(diǎn)F的垂直分速度，m/s

因此，卷膜針端點(diǎn)F的絕對(duì)速度為

(17)

(18)

(19)

式中n3——卷膜軸轉(zhuǎn)速，r/min

通過(guò)分析可得，當(dāng)vF>v0時(shí)，卷膜針端點(diǎn)F的軌跡成余擺線，卷膜針有向后拉拽的作用，卷膜質(zhì)量會(huì)更加穩(wěn)定，并且，卷膜裝置的作業(yè)效果主要與卷膜針的旋轉(zhuǎn)半徑、前進(jìn)速度以及卷膜軸的轉(zhuǎn)速有關(guān)，以此確立試驗(yàn)因素對(duì)該裝置作進(jìn)一步優(yōu)化。多次試驗(yàn)表明，卷膜針旋轉(zhuǎn)半徑為R3=175 mm，卷膜軸轉(zhuǎn)速約為110 r/min，作業(yè)前進(jìn)速度v0為0.7～1.5 m/s時(shí)，殘膜回收的作業(yè)質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。

圖11 卷膜針運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.11 Movement track of film roll needle

此外，卷膜軸距離地面的高度h也隨調(diào)節(jié)架的變化而變化，范圍為375～475 mm，由于馬鈴薯種植壟寬為900 mm左右，故殘膜回收裝置工作幅寬設(shè)計(jì)為1 000 mm，總共安裝3支卷膜針，兩端卷膜針之間垂直距離為600 mm，中間卷膜針安裝于固定錐筒和活動(dòng)錐筒之間，同時(shí)也為活動(dòng)錐筒傳遞扭矩。經(jīng)多次試驗(yàn)，最終校正固定錐筒和活動(dòng)錐筒錐度為1∶5時(shí)，便于人工輕松卸膜。

在殘膜回收過(guò)程中，尤其在回轉(zhuǎn)纏繞地膜收集裝置上，如何快速卸膜是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響機(jī)組的作業(yè)效率。如圖12所示，設(shè)計(jì)一種錐筒式卸膜裝置，主要由活動(dòng)錐筒、卷膜軸、調(diào)節(jié)架、軸承套、定位套、T型螺紋頂尖軸、T型螺紋套等組成。人工卸膜時(shí)，首先拔掉3根卷膜針(該卷膜針利用鋼珠接桿轉(zhuǎn)換接頭原理，可輕易安裝，便于拆卸)，其次，旋轉(zhuǎn)T型螺紋頂尖軸(該T型螺紋頂尖軸與卷膜軸之間以車(chē)床頂尖機(jī)構(gòu)原理配合)，待頂尖軸退出卷膜軸錐孔時(shí)，將卷膜軸從定位套槽孔托出，最后，拔出活動(dòng)錐筒，由于卷膜中心支撐部位被抽空，阻力大大減小，可輕易拆下整卷殘膜，卸膜完成后安裝好活動(dòng)錐筒和卷膜針繼續(xù)作業(yè)，整個(gè)卸膜工作可由一人輕易完成。

圖12 卸膜裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure diagram of film unloading device1.活動(dòng)錐筒 2.卷膜軸 3.調(diào)節(jié)架 4.定位套 5.軸承套 6.T型螺紋套 7.T型螺紋頂尖軸

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2017年10月初在甘肅省蘭州市西固區(qū)西柳溝街道柴家臺(tái)村甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院馬鈴薯試驗(yàn)基地進(jìn)行了田間收獲及殘膜回收試驗(yàn)。

該試驗(yàn)田分為4塊梯田，土壤類(lèi)型為黃綿土，共0.7 hm2左右，每塊梯田壟長(zhǎng)大于200 m，土壤平均含水率為12.52%，容重為1.05～1.16 g/cm3，堅(jiān)實(shí)度小于2.8×105Pa，以全膜覆土壟播模式為主，種植品種為新大坪、青薯9號(hào)、隴薯7號(hào)。該聯(lián)合作業(yè)機(jī)配套動(dòng)力為東方紅404型拖拉機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率為(12 h)29.4 kW，田間作業(yè)情況如圖13所示。

圖13 田間試驗(yàn)Fig.13 Field test

3.2 試驗(yàn)方案與方法

試驗(yàn)完成后，根據(jù)NY/T 1130—2006《馬鈴薯收獲機(jī)械》和NY/T 1227—2006《殘地膜回收機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》對(duì)殘膜回收型全膜覆土壟播馬鈴薯挖掘機(jī)性能進(jìn)行檢測(cè)，主要測(cè)定條鋪在地的馬鈴薯明薯率、破皮率、損傷率和殘膜回收的拾凈率，同時(shí)也考察了仿生挖掘鏟、曲柄搖桿防堵機(jī)構(gòu)、兩組分離篩以及殘膜回收裝置的工作情況。

隨機(jī)在試驗(yàn)田里選擇30 m長(zhǎng)的壟帶進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，重復(fù)10次試驗(yàn)，求出10次重復(fù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的平均值。明薯率、傷薯率、破皮率算法為[33]

(20)

(21)

(22)

其中

W=Wo+Ws+Wp+Wz

(23)

式中To——明薯率，%Ts——傷薯率，%

Tp——破皮率，%

Wo——明薯質(zhì)量，kg

Ws——傷薯質(zhì)量，kg

Wp——破皮薯質(zhì)量，kg

Wz——埋薯質(zhì)量，kg

W——總薯質(zhì)量，kg

同樣，通過(guò)上述試驗(yàn)進(jìn)行殘膜回收率檢測(cè)，檢測(cè)方法選取質(zhì)量法，對(duì)每段壟帶上回收的殘膜清洗干凈并去除水分稱(chēng)其質(zhì)量，計(jì)算該聯(lián)合作業(yè)機(jī)對(duì)殘膜的拾凈率，其計(jì)算公式為[34]

(24)

式中C——?dú)埬せ厥帐皟袈剩?

Wm——作業(yè)后的回收地膜總質(zhì)量，kg

Wt——30 m長(zhǎng)的同等型號(hào)新地膜總質(zhì)量，kg

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

殘膜回收型全膜覆土壟播馬鈴薯挖掘機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of field experiments %

由表3可知，設(shè)計(jì)的殘膜回收型全膜覆土壟播馬鈴薯挖掘機(jī)性能指標(biāo)均滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，多次試驗(yàn)，該機(jī)具各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行均比較穩(wěn)定，除部分機(jī)構(gòu)部位通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整外，其他無(wú)故障發(fā)生，可靠性高，并且該機(jī)具在挖掘過(guò)程中較傳統(tǒng)機(jī)型更加順暢，解決了壅堵問(wèn)題，平均生產(chǎn)率約為0.17 hm2/h。在殘膜回收性能試驗(yàn)中，該機(jī)具拾凈率高，殘地膜回收含雜率低，卸膜過(guò)程簡(jiǎn)單、順暢，一人可在2 min內(nèi)完成一次人工卸膜，1 hm2約卸膜30次，大大提高了機(jī)具作業(yè)效率。

4 結(jié)論

(1)基于西北黃土高原旱區(qū)馬鈴薯地膜全域覆蓋、種行覆土栽培模式，設(shè)計(jì)了殘膜回收型全膜覆土壟播馬鈴薯挖掘機(jī)。該機(jī)一次作業(yè)完成排堵挖掘、薯土分離、薯膜分離、集薯鋪條、膜秧分離和殘膜回收等工序，提高了機(jī)具的利用率和機(jī)械化作業(yè)水平。

(2)對(duì)機(jī)具關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與改進(jìn)，確定了仿生挖掘鏟、曲柄搖桿防堵機(jī)構(gòu)、薯土分離裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，解決了挖掘過(guò)程中壅堵阻塞問(wèn)題，提高了作業(yè)效率，加裝過(guò)載保護(hù)裝置提高了機(jī)具的可靠性。

(3)對(duì)該殘膜回收裝置進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，先通過(guò)薯膜分離裝置分離出馬鈴薯、部分殘秧和土壤，再進(jìn)行卷膜回收，降低了回收地膜的含雜率，并且對(duì)卸膜裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決了人工卸膜難、拆膜慢的問(wèn)題，提高了整機(jī)作業(yè)效率。

(4)田間試驗(yàn)表明，殘膜回收型全膜覆土壟播馬鈴薯挖掘機(jī)明薯率為97.4%，傷薯率為1.3%，破皮率為1.8%，殘膜拾凈率為87.5%，生產(chǎn)率約為0.17 hm2/h，田間性能試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。