張德學，秦喜田，梁榮慶，李青江，閔令強，亓紅祥，田豫東

(1.山東省農業(yè)機械科學研究院，濟南 250100；2.山東雙佳農裝科技有限公司，濟南 250100)

0 引言

馬鈴薯是我國的五大主食之一[1-2]，具有營養(yǎng)全面、產量高、適應性強等特點，可宜菜宜糧，已成為世界上繼小麥、玉米和水稻之后的第4位重要糧食作物[3-4]。我國馬鈴薯種植范圍較廣，空間跨度較大，從西南到東北地區(qū)均有分布，已成為世界上馬鈴薯種植面積最大的國家。馬鈴薯的收獲是一項相對繁重的工作，國內馬鈴薯機械化收獲技術整體水平偏低，針對馬鈴薯機械化收獲技術的研究及開發(fā)與國外相比還處于起步與發(fā)展階段，已開發(fā)和使用的收獲機械結構都比較簡單[5-6]。目前，我國馬鈴薯多采用馬鈴薯挖掘機械進行分段收獲，經馬鈴薯挖掘機械收獲的薯塊在田間散落且易被土覆蓋遺漏，增加了撿拾難度及漏撿率，收獲過程中大都存在薯土分離效果較差、傷薯率較高和工作效率偏低等問題[7-8]，也在一定程度上造成了農民勞動時間長、勞動強度大、勞動成本高及效率低等諸多問題，極不利于加速馬鈴薯全程機械化進程，嚴重制約了馬鈴薯產業(yè)的快速健康發(fā)展[9-10]。

針對以上問題，參考我國目前主流的馬鈴薯種植模式及收獲機械發(fā)展現(xiàn)狀，采用農機和農藝相結合的方法，設計了一種能夠進行馬鈴薯定量堆放的收獲機械。該機可一次性完成馬鈴薯塊莖的挖掘、分離、輸送和定量堆放等工作，明薯率高、傷薯率較低，收獲和定量堆放效果較好，解決了傳統(tǒng)馬鈴薯收獲機械工作過程中薯塊散布率高、撿拾困難及撿拾勞動強度大等問題，在一定程度上降低了勞動強度及勞動成本，有利于推動馬鈴薯全程機械化進程及馬鈴薯產業(yè)的健康發(fā)展。

1 總體結構與工作過程

1.1 總體結構

定量堆放式馬鈴薯收獲機主要由機架、挖掘撿拾裝置、動力傳動裝置、鏈桿式分離輸送裝置、橫向輸送裝置及定量堆放裝置等組成，如圖1所示。

該收獲機與22 kW以上拖拉機配套使用，采用三點懸掛與拖拉機進行掛接，并以拖拉機后輸出動力作為動力源。整機機架采用50mm×50mm×5mm的方鋼管焊接而成，結構簡單，且能保證改機在田間作業(yè)時各部件不位移、不變形[11]。機架側板焊接于機架方管下方，采用Q235材質。挖掘撿拾裝置安裝于機架的前部位置，主要包括挖掘鏟、鏟柄和后延機構，工作時可根據(jù)實際需要進行位置的調節(jié)，可有效地控制挖掘機構入土深度，在保證馬鈴薯采收干凈的同時也盡可能地減少整機功耗，從而達到節(jié)能減排的目的，挖掘后延機構可對挖掘出的馬鈴薯塊莖進行收集及強制輸送；鏈桿式分離輸送器安裝于挖掘機構后方部位的兩側機架板之間，其兩側鏈條取用套筒滾子鏈，并在鏈條之間平行設置若干桿條，既可滿足馬鈴薯的輸送，又具有一定的除雜功能；定量堆放裝置由馬鈴薯收集箱和定量堆放控制裝置組成，可將收獲后的馬鈴薯薯塊在田間一側成堆堆放或裝袋，利于后續(xù)撿拾及運輸，減少農民的勞動強度，提高勞動效率。該機的主要技術指標如表1所示。

1.三點懸掛裝置 2.動力傳動裝置 3.變速箱 4.傳動軸 5.機架 6.橫向運輸裝置 7.定量堆放裝置 8.輪胎裝配 9.鏈桿式分離輸送器 10.挖掘撿拾裝置

項目單位參數(shù)值配套動力kW≥22作業(yè)幅寬mm900純工作時間生產率hm2/h0.15～0.2外形尺寸(長×寬×高)mm1400×1050×1100作業(yè)速度km/h3～4堆放質量kg20

1.2 工作過程

定量堆放式馬鈴薯收獲機通過三點懸掛裝置與拖拉機進行掛接，并采用傳動軸將拖拉機后輸出軸與變速器的輸入軸相連，牽引該機前進并為整機提供動力。在工作過程中，定量堆放式馬鈴薯收獲機利用挖掘裝置對馬鈴薯塊莖進行挖掘收獲，利用挖掘后延機構對含有土塊、馬鈴薯莖葉等雜質的馬鈴薯塊莖進行收集，并強制輸送至鏈桿式分離輸送裝置。此時，鏈桿式分離輸送裝置中的偏心凸輪抖動機構工作，產生一定的振動，對馬鈴薯塊莖進行初步清雜。同時，該裝置中的橫向輸送裝置又將雜質較少的馬鈴薯塊莖輸送至橫向輸送裝置。該裝置在完成馬鈴薯塊莖輸送至馬鈴薯收集箱的同時對其進一步清雜，保證馬鈴薯塊莖的采凈率。當馬鈴薯收集箱集滿時對馬鈴薯塊莖進行卸載堆放或裝袋，完成馬鈴薯塊莖的定量堆放收獲工作。該機的挖掘裝置和薯塊收集裝置均帶有調節(jié)機構，可根據(jù)不同種植模式及不同生長深度的馬鈴薯進行挖掘作業(yè)；薯塊收集箱的調節(jié)機構可對收集箱的容積進行控制，可有效調節(jié)馬鈴薯塊莖的堆放程度或裝袋量。

2 主要工作部件的設計

2.1 鏈桿式分離輸送器

由相關文獻可知，挖掘鏟后方的薯土分離裝置承受的負荷較大，一般收獲1hm2的馬鈴薯大約有1 005～1 500m3的夾雜混合物要通過分離裝置[12-13]。因此，薯土分離過程中保證明薯率高、傷薯率低是分離輸送裝置的一個設計難點[14]。為了解決薯土分離裝置承受的負荷較大的問題，設計了一種鏈桿式分離輸送裝置，以實現(xiàn)薯土分離和馬鈴薯塊莖的輸送。

2.1.1 鏈桿式分離輸送器的結構

該裝置主要由偏心凸輪式抖動機構、主動鏈輪、從動鏈輪、桿條和升運鏈條等部件組成，如圖2所示。鏈桿式分離輸送裝置兩側鏈條采用特制套筒滾子鏈節(jié)組成，其上均勻焊接桿條構成升運鏈分離篩。分離輸送器工作時，主動輪驅動升運鏈條轉動，將挖掘鏟送來的馬鈴薯與土垡、雜質的混合物從前往后進行輸送，在偏心凸輪式抖動機構的抖動作用下，實現(xiàn)馬鈴薯和土塊、馬鈴薯莖葉等其它雜質的分離作業(yè)。

1.從動鏈輪 2.升運鏈條 3.偏心凸輪式抖動機構 4.主動鏈輪 5.桿條

2.1.2 鏈桿式分離輸送器線速度的確定

對分離輸送裝置進行設計時，需充分考慮其類型、加速度、尺寸及由這些因素造成的馬鈴薯薯塊的損傷問題[15]。鏈桿式分離輸送器在工作時，其輸送速度應略大于本機的前進速度，以此確保物料的順暢運送。田間試驗表明：在物料輸送速度大于2 m/s、土壤含水率約等于21%的情況下，雜質清除能力會顯著下降。查閱文獻可知，分離輸送裝置的線速度與機器的前進速度的比值一般取λ=0.8～2.5[16]為宜。

本樣機設計過程中，由于該機工作時的前進速度為3～4km/h(即約為0.91～1.11 m/s)，根據(jù)上文所述，取λ=1.4，則可得鏈桿式分離輸送器的線速度取值范圍為1.27～1.55 m/s。由文獻可知，分離輸送器的最佳線速度為1.4～1.6 m/s[16]，該參數(shù)的確定符合要求。

2.1.3 偏心凸輪式抖動機構的設計

偏心凸輪式抖動機構主要包括凸輪、連接軸、驅動鏈輪等，該機構放置于挖掘機構及鏈桿式分離輸送器下方，利用凸輪外形的不規(guī)則性，使得輸送鏈上下抖動，實現(xiàn)薯土分離的目的。

1)偏心凸輪的設計。抖動輪可分為被動式抖動輪和主動式抖動輪。市場上較多見的是被動式抖動輪，其本身并無動力來源，通常由升運鏈帶動工作。目前，常見的被動抖動輪主要有圓形抖動輪、雙頭抖動輪和三頭抖動輪，三者振動頻率逐漸增大。其中，圓形抖動輪不具有抖動功能，而雙頭及三頭抖動輪主要針對含水率低于25%的粘重土質設計使用，其土薯分離效果不好，且破皮率較高[17]。

上述的幾種被動式抖動輪目前依然比較常用，但其薯土分離效果卻不能讓人滿意。為了得到較好的薯土分離效果，本文設計了一種主動式的偏心凸輪式抖動機構。凸輪的材質選用硬度與強度都較高的橡膠，從而可以減少偏心輪與桿條的摩擦，有利于抖動、運輸?shù)捻樌M行。

目前，凸輪外形輪廓的設計一般選用圖解法與解析法，然而這兩種方法不太利于現(xiàn)實操作。所以，本設計借助SolidWorks邁迪工具箱來完成對凸輪輪廓曲線的設計。由于升運鏈的抖動幅度和頻率會直接影響薯土分離效果及薯塊的破損程度，如果頻率與振幅過大，分離效果雖好，但極易損傷馬鈴薯；如果振幅和頻率過小，馬鈴薯的破損率會大大減少，但分離效果卻會比較差[17]。因此，經過計算、試驗與數(shù)據(jù)分析，設計凸輪參數(shù)如表2所示。

在軟件中，分別對該凸輪的推程、近休程、回程、遠休程4個過程分別輸入相應的數(shù)據(jù)，凸輪的外輪廓軌跡即可作出，如圖3所示。

表2 凸輪參數(shù)表

圖3 凸輪輪廓線圖

2)偏心抖動凸輪振幅和頻率的設計和試驗。偏心凸輪抖動裝置的振幅、振動頻率和分離輸送器線速度直接影響著鏈桿式分離輸送器的薯土分離效果，為了既確保對馬鈴薯有較小傷害，又實現(xiàn)最優(yōu)的薯土分離效果，通過對上述三因素的不同組合分別進行試驗，確定一組最優(yōu)的組合，從而達到薯土分離率高且傷薯率小的目標。

設定該機鏈桿式分離輸送器線速度為因素A，凸輪振幅為因素B，振動頻率為因素C，各做3次試驗，因素水平表如圖表3所示。

表3 試驗因素水平明細表

根據(jù)所試驗因素水平情況，選用等水平正交表〗L9(34)對主要試驗指標明薯率(y1)和傷薯率(y2)的試驗結果進行分析，結果如表4所示。

表4 明薯率和傷薯率試驗方案與極差分析表

Table 4 Experimental schemes and difference analysis of the potato-

exposing rate and potato-damaging rate

試驗號ABCy1y211(1.3)1(10)1(2.0)94.21.9212(20)2(2.5)95.62.7313(30)3(3.0)98.35.742(1.4)1295.83.0522397.23.2623197.12.673(1.5)1396.55.3832194.54.5933298.55.5明薯率(k1j)10.9600.9670.965(k2j)10.9550.9580.980(k3j)10.9530.9660.974(Rj)10.0070.0090.015傷薯率(k1j)20.0340.0290.051(k2j)20.0340.0350.054(k3j)20.0320.0370.045(Rj)20.0010.0080.009綜合結果 C2B1A3

試驗結果表明：組合C2B1A3能夠在保證較低傷薯率的情況下實現(xiàn)較好的薯土分離效果,即當鏈桿式分離輸送器的線速度為1.5m/s、偏心凸輪抖動機構抖動振幅為15mm、轉動頻率為2.5Hz 時，既能保證較高的明薯率，又不會造成嚴重的傷薯現(xiàn)象，是最優(yōu)的組合。

2.2 定量堆放裝置的設計

馬鈴薯定量堆放裝置采用純機械結構，主要由馬鈴薯收集箱和定量堆放控制機構組成，如圖4所示。馬鈴薯收集箱主要用于馬鈴薯塊莖的收集，定量堆放控制裝置主要控制集料箱在薯塊達到預定質量要求時進行翻轉卸料。

2.2.1 馬鈴薯收集箱的設計

馬鈴薯收集箱主要由前后薄板、隔板及支撐軸等組成，如圖5所示。其整體為一挖空的圓柱形，中間焊接有兩個垂直十字交叉的隔板，隔板將整個空間等分成4個相等空間。馬鈴薯收集箱通過支撐軸安裝在橫向輸送裝置正下方的機架橫梁上，可以根據(jù)實際情況調整其上下的高度。

1.馬鈴薯收集箱 2.定量堆放控制機構

圖5 馬鈴薯收集箱主、左示意圖

查閱文獻可知，薯塊的密度大約為1.0～1.2g/cm3。為了能在滿足機器性能的前提下提高撿拾效率，設計每堆薯塊質量為20kg，則所需容積為

(1)

式中V—單個分區(qū)的體積(cm3)；

m—設計每堆馬鈴薯質量(g)；

ρ—馬鈴薯密度(g/cm3)。

因此，4個分區(qū)的總的容積為80 000cm3。為了滿足強度要求，設計中間隔板厚度8mm，材料為Q345鋼板；為了滿足容積要求，設計收集箱直徑和厚度分別為R=350mm、t=120mm。

2.2.2 定量堆放控制機構的設計

馬鈴薯定量堆放控制機構主要包括轉動連桿、固定連桿、壓縮彈簧和連接套管，如圖6所示。轉動連桿基座和固定連桿同方向焊接于后支撐架右支撐板一側，固定連桿上套有壓縮彈簧，圓形套管組合兩個套管分別套在轉動連桿和固定連桿上，套管1與壓縮彈簧接觸；轉動連桿一側裝有滾輪，滾輪則壓在馬鈴薯收集箱隔板的邊緣中間位置。橫向運輸裝置運輸過來的馬鈴薯進入收集箱后，隨著收集箱中馬鈴薯質量的逐漸增加，當該質量大于壓縮彈簧的預緊力時，收集箱繞轉動軸翻轉90°卸料，此時定量堆放控制機構回位進行下一循環(huán)工作。

1.滾輪 2.轉動連桿 3.連接套管組合 4.壓縮彈簧 5.固定連桿

定量堆放控制裝置的彈簧是控制馬鈴薯收集箱定量旋轉的關鍵。由于本文彈簧變形量比較小，為了便于計算，將施加在彈簧上的力大致按照馬鈴薯收集箱單格薯塊的質量來進行計算。

由變形公式可知

F=kΔX

(2)

式中F—彈簧受力(N)；

K—彈簧的彈性系數(shù)(N/m)；

ΔX—彈簧的壓縮量(m)。

由于彈簧受到的壓力F已知，為200N，設定彈簧的壓縮量為0.08m，則計算可得彈簧的彈性系數(shù)k為2 500N/m。因此，為保證成堆堆放的量大體相等，應該選取2500 N/m的壓縮彈簧。

3 傳動系統(tǒng)的設計

該樣機的動力傳遞系統(tǒng)，主要由變速箱、鏈傳動、萬向節(jié)和傳動軸等組成，如圖7所示。定量堆放式馬鈴薯收獲機通過三點懸掛的方式與拖拉機連接，拖拉機后PTO通過傳動軸將動力傳遞給變速箱。本機由拖拉機帶動前進，減速器的減速軸鏈傳動1帶動主動軸運動，繼而驅動鏈桿式分離輸送器工作。與此同時，偏心凸輪抖動機構由鏈桿式分離輸送器后部主動軸通過鏈傳動2帶動工作；另一方面，通過鏈傳動4、5和萬向節(jié)，變速器將動力轉向并傳遞給橫向輸送器的驅動軸，從而帶動橫向輸送器工作。

1.萬向節(jié) 2.傳動軸 3.變速箱 4.變速器減速軸 5.偏心凸輪抖動裝置驅動軸 6.鏈桿式分離輸送器驅動軸 7.橫向運輸裝置驅動軸 8.橫向運輸裝置從動軸 9.中間過渡軸Ⅱ 10.中間過渡軸Ⅰ

type of potato harvester

4 田間試驗

4.1 試驗條件

田間試驗選址在位于山東省濟南市章丘區(qū)的棗園鎮(zhèn)。試驗地塊的地形較為平坦，土壤為褐土，收獲前氣溫為31℃，土壤的平均含水率測定為15.9%，硬度為165kPa，收獲前1周經割秧處理。馬鈴薯種植行距為900mm，壟寬頂部約350mm，底部約500mm，壟高150～250mm，壟距900mm。

4.2 試驗方法

依據(jù)NY/T 648-2002《馬鈴薯收獲作業(yè)質量評價技術規(guī)范》[18]，對設計的定量堆放式馬鈴薯收獲機進行試驗研究。試驗動力為東方紅拖拉機，功率≥22kW，行駛速度控制在3～4 km/h。

選取一寬度0.9m、長度100m的地塊作為試驗用地，在試驗地長度方向每隔10m取0.9m×10m的區(qū)域共計10組進行試驗，最后取10組數(shù)值的平均值來作為最終的試驗測試結果。試驗主要測定定量堆放式馬鈴薯收獲機的明薯率、傷薯率、生產率和每堆堆放馬鈴薯質量(查看定量堆放效果)。

4.3 試驗結果

進行了多次試驗測試，結果如表5所示。由表5可知，樣機各項數(shù)據(jù)均滿足要求。

表5 一種定量堆放式馬鈴薯收獲機樣機質量指標

Table 5 Experimental quality index of a quantitative stacking type of potato harvester

項目單位測定結果質量指標是否合格土壤含水率%15.915.0～17.0合格產量kg/hm215550≥15000合格明薯率%96.4≥95合格傷薯率%3.8≤5合格損失率%2.5≤5合格效率hm2/h0.16≥0.1合格每堆薯塊平均質量kg19.5———合格

5 結論

1)設計了一種定量堆放式馬鈴薯收獲機的主動式偏心凸輪抖動裝置，并通過試驗驗證在分離輸送器線速度1.5m/s、偏心凸輪振幅15 mm、轉動頻率2.5Hz時，既能保證較好的薯土分離效果，又能保證薯塊破損程度最低。此時，明薯率為96.4%，傷薯率為3.8%，指標均符合設計要求。

2)設計一種定量堆放裝置，試驗測定每堆平均堆放質量為19.5kg，滿足設計目標。本機構能夠有效地實現(xiàn)馬鈴薯在田間一側的定量成堆堆放，效果良好，能夠有效降低馬鈴薯收獲后滿地撿拾帶來的高強度勞動，提高了馬鈴薯收獲的效率。

3)后續(xù)還將進行定量堆放裝置的完善和補充，以期能夠更加順利地實現(xiàn)馬鈴薯薯塊定量堆放后裝袋或者裝箱工作，從而進一步提高收獲效率，推動馬鈴薯全程機械化進程及馬鈴薯產業(yè)的健康發(fā)展。