黃世明 馮天玉 石義棟 陸偉安 程捷 郝文彬

摘要：對自走式斗輪薯類收獲機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行探討，并對收獲機(jī)的主要零部件的結(jié)構(gòu)、參數(shù)進(jìn)行了研究，提出了設(shè)計(jì)要求，旨在為自走式斗輪薯類收獲機(jī)的后續(xù)研究設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：薯類;斗輪體;鏟斗;清選瓦柵

中圖分類號：S225.7+1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）01-0117-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.028? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research on Structure Design of Self-propelled Bucket Wheel Potato Harvester

HUANG Shi-ming，F(xiàn)ENG Tian-yu，SHI Yi-dong，LU Wei-an，CHENG Jie，HAO Wen-bin

（Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Abstract： The principle and structure of the self-propelled bucket wheel potato crop harvester are discussed. The structural forms and parameters of the main components of the harvester are studied. The design requirements are proposed. It is a self-propelled bucket wheel potato. The follow-up study design of the crop harvester provides a reference.

Key words： potato block; bucket wheel; bucket; cleaning tile

薯類作物主要有馬鈴薯、甘薯、木薯、芋類等， 中國是世界上薯類種植面積最大的國家[1]。因其各自生長環(huán)境（土壤的干濕度）、結(jié)莖土層深度不同，薯類作物的收獲目前仍以人工、半機(jī)械為主，薯塊損失、損傷大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低;自走式斗輪薯類收獲機(jī)是一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多種塊莖的統(tǒng)一收獲。

1? 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1? 總體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的收獲機(jī)主要由行走底盤、斗輪體、鏟斗、清選瓦柵、輸送帶、升降臂、收集倉等組成。如圖1所示。

1.2? 工作原理

鏟斗將薯塊、土垡掘取，部分泥土從鏟斗底部的隔柵漏出，薯塊隨斗輪體旋轉(zhuǎn)上升，通過清選瓦柵進(jìn)一步清選。薯塊達(dá)到清選瓦柵頂部后，在重力作用下順清選瓦柵的溜道滑入輸送帶，輸送帶將薯塊送入收集倉，實(shí)現(xiàn)薯塊收獲的全過程。

2? 主要零部件及參數(shù)

2.1? 底盤

底盤是各工作部件的承載體，本機(jī)采用輪式結(jié)構(gòu)。便于機(jī)械整體平衡和作業(yè)部件安裝，動(dòng)力裝置安裝在底盤后部。前后輪距1 400～1 500 mm，可根據(jù)種植作物的壟寬適當(dāng)調(diào)節(jié)， 機(jī)具行駛在壟溝中，不造成對薯塊的損傷。提升臂與底盤的掛接點(diǎn)位于兩軸距內(nèi)。由于前行走輪、鏟斗與地面接觸，底盤采用后輪轉(zhuǎn)向，利于濕地的通過性能和越障能力。底盤采用四輪驅(qū)動(dòng)，離地間隙大于250 mm。

2.2? 斗輪體

斗輪體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。斗輪體是由鋼板焊接成的圓柱體， 圓柱體上均勻分布若干個(gè)缺口與鏟斗對接。具有如下功能： 動(dòng)力輸入軸與鏟斗之間剛性連接，并傳遞這些部件之間的所有力和力矩;將掘取的薯塊和泥土混合物轉(zhuǎn)運(yùn)至輸送帶裝置上;將輸入的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到鏟斗。

斗輪體腹板設(shè)計(jì)在圓柱體的一端， 清選瓦柵篩出的泥土從另端排出斗輪體。腹板可設(shè)計(jì)成平面腹板或錐形腹板，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，腹板可漏空出一定的空隙，減輕重量。圓柱體另一端焊30 mm高的環(huán)形襯板，與清選瓦柵、鏟斗形成空間，避免薯塊外溢，并能提高斗輪體結(jié)構(gòu)。

圓柱體高度可根據(jù)鏟斗寬度決定，小于鏟斗寬度。圓柱體直徑根據(jù)鏟斗個(gè)數(shù)確定。

2.3? 鏟斗

2.3.1? 鏟斗結(jié)構(gòu)? 鏟斗結(jié)構(gòu)如圖3所示，由斗底、斗唇、斗耳焊接而成，鏟斗通過斗唇、斗座上的銷軸固定在斗輪體上。鏟斗是沖壓或焊接而成的金屬結(jié)構(gòu)件，斗底做成柵條狀，起到減小旋轉(zhuǎn)扭矩和篩分部分土壤的作用;鏟斗的高度從切削側(cè)邊特定的高度逐漸降低一直到鏟斗與斗輪體相連接的后側(cè)邊[2]。

2.3.2? 鏟斗的形狀? 鏟斗斗唇的形狀可以是矩形、梯形、半圓形。圖4為甘薯在壟形斷面的分布，從圖4中可以看出，薯塊集中在壟中央。為減少取土量，斗唇設(shè)計(jì)成半圓形，且采用半圓形鏟斗時(shí)，斗輪在任何位置，其切削形狀和切削長度均近似相同，因此半圓形鏟斗的切削刃在相同條件下性能最佳。

2.3.3? 鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）鏟斗外形設(shè)計(jì)。鏟斗的外形尺寸比例對鏟斗工作影響很大，不僅要有利于減少薯塊的損失、損傷，還要便于薯塊混合物的裝卸。

鏟斗高度H：以不漏挖為準(zhǔn)，增加鏟斗高度可以增加切削厚度，損失減小，但挖土量增加，分離部件負(fù)荷增大，功率消耗劇增。根據(jù)薯塊生長情況，鏟斗高度可設(shè)計(jì)為200 mm。

鏟斗寬度B：鏟的寬度主要取決于薯塊地下分布寬度、行距的均勻性、植株對壟中心的偏移和機(jī)器工作行駛時(shí)的偏差。一般單行馬鈴薯收獲機(jī)的寬度不小于400 mm。單壟雙行薯類收獲機(jī)鏟斗寬度按下式計(jì)算。

鏟斗長度L：鏟斗長度大有利于挖掘深度調(diào)整，但增大了斗輪體尺寸和鏟斗間距，鏟斗長度設(shè)計(jì)成280 mm為好。

2）斗唇刃口設(shè)計(jì)。斗唇刃口各參數(shù)是保證機(jī)器生產(chǎn)能力、延長使用壽命的重要因素，斗唇除應(yīng)合理選材、正確設(shè)計(jì)形狀和尺寸外，還應(yīng)注意刃口工作時(shí)形成的各種角度[3]。否則會(huì)引起斗輪驅(qū)動(dòng)功率的不必要消耗和斗唇過快磨損。刃口各角度如圖3所示。γ為切削角，系切點(diǎn)法線（此處為斗輪中心到切削圓半徑）和切削刃的內(nèi)纖維所成角度;β為契形角;α為自由切削角，系切削軌跡線和切削刃外纖維所成角度;δ為切削角，δ=β+α，是鏟斗投入工作時(shí)所形成的角度。

根據(jù)斗唇實(shí)物或圖紙，可以判斷契形角，其余各角必須視其在鏟斗上的安裝位置決定。切削角和自由切削角的確定，由于切削刃有內(nèi)外倒角之分，所以自由切削角的形成有圖5所示的3種可能。當(dāng)α>0時(shí)，切削過程可以減少斗唇磨削，降低斗輪驅(qū)動(dòng)功率的消耗[4]。若α角過大，則將引起切削角增大。切削角δ是切削過程中形成的，要求在斗唇鏟入土層時(shí)，能保證鏟斗背面最外輪廓線不與土壤相摩擦。切削角大小對挖掘過程的影響如圖6所示。圖6中，F(xiàn)為運(yùn)動(dòng)方向施力，同時(shí)產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向垂直的擠壓力N。由于土壤外摩擦影響，正壓力與摩擦力（摩擦角ψμ）的合力R沿外摩擦角方向[5]。根據(jù)測試得知，隨切削角增大，正壓力減小。當(dāng)切削角為50°～60°時(shí)，正壓力趨近于零。切削角繼續(xù)增大時(shí)，正壓力可能變?yōu)樨?fù)值。切削刃與土壤形成的切削角低于50°時(shí)，切削力F可產(chǎn)生一個(gè)有助于切削機(jī)構(gòu)擠入土壤的分力N。當(dāng)切削角超過60°時(shí)，切削機(jī)構(gòu)有從土壤中被擠出的趨勢。所以，切削角不宜大于50°。當(dāng)自由切削角為負(fù)值時(shí)，將形成較鈍的切削角。此外，正壓力N引起的摩擦力就會(huì)額外消耗驅(qū)動(dòng)功率，迫使切削機(jī)構(gòu)從土壤中被擠出。因此，設(shè)計(jì)斗唇切削刃時(shí)，除應(yīng)有適當(dāng)?shù)淖杂汕邢鹘峭?，還應(yīng)盡量采用較小的切削角。切削角過小，會(huì)引起切削刃過快磨損。所以，必須綜合二者的利弊，選取適當(dāng)?shù)那邢鹘恰Ｒ话阍O(shè)計(jì)的自由切削角為9°～15°，切削角為25°～30°。鏟斗側(cè)面切削刃應(yīng)設(shè)計(jì)為內(nèi)倒角，鏟斗正面切削角應(yīng)設(shè)計(jì)成外倒角，以便在一定自由切削角的條件下獲得較小的切削角。

2.4? 清選瓦柵的研究設(shè)計(jì)

如圖7所示，清選瓦柵是一個(gè)由鋼管連接而成的結(jié)構(gòu)件[6]，鑲嵌在斗輪體內(nèi)作為鏟斗的底襯，并設(shè)有薯塊溜道。薯塊和泥土混合物經(jīng)過瓦柵凸面分離泥土，薯塊隨斗輪體輸送達(dá)到溜道。為防止雜物纏繞，柵條設(shè)置與薯塊的移動(dòng)方向一致。為防止薯塊表皮損傷，柵條可裹護(hù)軟體材料。瓦柵的間隙大小隨收獲薯塊大小不同而不同，是決定收獲機(jī)損失率一個(gè)重要的因素，間隙小不利于土垡的分離，太大會(huì)出現(xiàn)薯塊漏失。

3? 小結(jié)

對自走式斗輪薯類作物收獲機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行探討，并對收獲機(jī)的主要零部件的結(jié)構(gòu)、參數(shù)進(jìn)行了研究，提出了設(shè)計(jì)要求，旨在為自走式斗輪薯類作物收獲機(jī)的后續(xù)研究設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（下）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

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