呂金慶，孫 賀，兌 瀚，楊曉涵，劉志峰

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值較高，素有“地下蘋(píng)果”之稱(chēng)，同時(shí)因其耐旱、生長(zhǎng)期較短、耐貧瘠及經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)廣泛種植。隨著馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國(guó)馬鈴薯種植面積逐年攀升，但單產(chǎn)水平增加仍然緩慢，主要原因是我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)械化水平較低。馬鈴薯種植方式多樣，部分地區(qū)以丘陵山地為主，土壤潮濕粘重，增加了機(jī)械收獲難度，且挖掘機(jī)挖掘深度不合理、升運(yùn)分離部件薯土分離效果差，制約了馬鈴薯機(jī)械化收獲的發(fā)展[1]。

國(guó)外對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)械的研究較為完善，如波蘭AKPIL公司生產(chǎn)的BULWA2系列馬鈴薯挖掘機(jī)，將挖掘出的馬鈴薯成條鋪放于田間；德國(guó)GRIMME公司生產(chǎn)的GT-170型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，能夠一次性完成挖掘、分離、輸送、清選和裝運(yùn)等多項(xiàng)作業(yè)，但其價(jià)格昂貴，適用于大規(guī)模種植區(qū)的收獲作業(yè)，不符合我國(guó)的種植模式。國(guó)內(nèi)具有代表性 的有哈爾濱沃爾科技有限公司研制的4U-2型馬鈴薯挖掘機(jī)、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制的4UD-600型馬鈴薯挖掘機(jī)等，但其普遍存在收獲過(guò)程中作業(yè)阻力較大、明薯率較低及傷薯率較高等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種作業(yè)性能良好、收獲質(zhì)量高的牽引式馬鈴薯挖掘機(jī)[2-3]。

本文對(duì)挖掘鏟和升運(yùn)分離裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，并通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證該挖掘機(jī)的收獲作業(yè)性能，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于馬鈴薯收獲的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該機(jī)具的行走方式為牽引式，整機(jī)是由牽引架、機(jī)架、挖掘鏟、限深輪、升運(yùn)鏈分離篩、傳動(dòng)系統(tǒng)、萬(wàn)向節(jié)系統(tǒng)和縱向集條器等部分組成，能夠一次性完成兩行馬鈴薯的收獲作業(yè)，如圖1所示。其相鄰?fù)诰蜱P之間的距離為900mm，升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置的桿條間隙為41mm，能有效將薯土進(jìn)行分離，減小雜草纏繞，降低埋薯率。

1.限深輪 2.挖掘鏟 3.牽引架 4.機(jī)架 5.萬(wàn)向節(jié) 6.升運(yùn)鏈分離篩 7.傳動(dòng)系統(tǒng) 8.縱向集條器

1.2 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.2.1 工作原理

整機(jī)在作業(yè)之前應(yīng)先進(jìn)行殺秧工作，將馬鈴薯秧蔓除去。工作時(shí)，調(diào)整好挖掘鏟的挖掘角度，拖拉機(jī)帶動(dòng)挖掘機(jī)前進(jìn)；限深輪的主要作用是限制挖掘鏟的挖掘深度，隨著機(jī)具的前進(jìn)，挖掘鏟切入土壤將薯土混合物掘起，隨后沿挖掘鏟上行至升運(yùn)鏈；由于抖動(dòng)器的抖動(dòng)作用，土塊被抖碎，在輸送過(guò)程中將抖碎的土塊與雜草、殘余莖稈一起通過(guò)升運(yùn)鏈間隙落到地面；馬鈴薯薯塊輸送至升運(yùn)鏈末端時(shí)，在縱向集條器導(dǎo)向作用下成條鋪放在挖掘機(jī)后側(cè)的地面上，最后通過(guò)人工撿拾完成馬鈴薯的收獲作業(yè)。

1.2.2 機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的牽引式馬鈴薯挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合馬鈴薯收獲的農(nóng)藝技術(shù)要求，主要適用于砂壤土條件下的收獲作業(yè)。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，挖掘鏟角度可調(diào)且調(diào)節(jié)方便，能有效減小挖掘鏟的挖掘阻力，提高了收獲效率和機(jī)具作業(yè)的穩(wěn)定性。該牽引式挖掘機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 牽引式挖掘機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of traction potato excavator

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 挖掘鏟的設(shè)計(jì)

挖掘鏟[4-8]的主要作用是將結(jié)薯土層掘起，減小攜帶的泥土量，撿拾塊莖，并盡可能地松碎土壤，使薯土混合物沿著鏟面上升到后面的升運(yùn)鏈分離裝置上。由于我國(guó)馬鈴薯種植方式多樣，土壤的濕度和土壤類(lèi)型不盡相同，因此挖掘鏟的設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足以下要求：

1)在挖掘過(guò)程中克服各種阻力消耗的能量較少，保證挖掘深度，防止損傷薯塊，同時(shí)應(yīng)盡量防止雜草纏繞和壅土現(xiàn)象發(fā)生；

2)將所有的薯塊挖出，保證較高的挖凈率；

3)盡可能松碎土壤，將薯土混合物完整的輸送到分離裝置上。

2.1.1 挖掘鏟鏟刃斜角的確定

鏟刃斜角是挖掘鏟重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，為保證鏟刃的自動(dòng)清理功能，需滿(mǎn)足挖掘土壤產(chǎn)生的滑切力大于鏟面方向摩擦力的作用，對(duì)挖掘鏟進(jìn)行受力分析如圖2所示。

圖2 挖掘鏟的受力分析圖Fig.2 Force analysis of digging blade

根據(jù)力平衡關(guān)系得

(1)

(2)

(3)

式中P—挖掘鏟對(duì)薯土混合物產(chǎn)生的阻力(N)；

γ—鏟刃斜角(°)；

μ—土壤對(duì)鏟的摩擦因數(shù)；

φ—土壤對(duì)鏟刃的摩擦角。

鏟刃斜角的大小與土壤、雜草沿著鏟刃方向的滑切速度、鏟尖長(zhǎng)度有關(guān)，關(guān)系式為

(4)

式中vt—土壤、雜草沿著鏟刃方向的滑切速度(m/s)；

vm—挖掘機(jī)機(jī)組的前進(jìn)速度(m/s)；

L′—挖掘鏟的鏟尖長(zhǎng)度(mm)；

B—挖掘鏟的寬度(mm)。

由公式(4)可知：挖掘鏟的鏟刃斜角與土壤、雜草的滑切速度成反比關(guān)系，隨著鏟刃斜角的增大，滑切速度逐漸減小，挖掘鏟自動(dòng)清理功能減弱；鏟尖長(zhǎng)度與鏟刃斜角成反比關(guān)系，隨著鏟刃斜角的增大，鏟尖長(zhǎng)度逐漸變小。綜上所述，當(dāng)選取較小的鏟刃斜角γ時(shí)，滑切速度較大，挖掘鏟防纏草能力較強(qiáng)，同時(shí)鏟尖長(zhǎng)度L’增加，減小挖掘鏟的入土阻力作用。一般土壤對(duì)鏟刃的摩擦角為30°～36°，最終確定本設(shè)計(jì)挖掘鏟的鏟刃斜角γ為75°。

2.1.2 挖掘鏟面傾角的確定

挖掘鏟在進(jìn)行挖掘作業(yè)的過(guò)程中，需保證薯土混合物能夠沿著鏟面上升到升運(yùn)鏈分離裝置中，避免發(fā)生回落現(xiàn)象。薯土混合物在鏟面上的受力分析如圖3所示。

圖3 薯土混合物在挖掘鏟上的受力分析簡(jiǎn)圖Fig.3 Force diagram of potato and soil on the surface of shovel

根據(jù)圖3所示的受力分析，得到平衡方程為

(5)

式中α—挖掘鏟的鏟面傾角(°)；

G—薯土混合物受到的重力(N)；

m—薯土混合物的質(zhì)量(kg)；

g—薯土混合物的重力加速度(m/s2)；

Ff—鏟刃作用于土薯混合物上的摩擦力(N)；

FN—阻力P在垂直于挖掘鏟鏟面上的分力(N)。

由式(5)可知，挖掘鏟的鏟面傾角為

(6)

由式(6)可知：鏟面傾角的大小與挖掘鏟對(duì)薯土混合物產(chǎn)生的阻力和薯土混合物的重力有關(guān)。若鏟面傾角大于式(6)的值，則鏟面將會(huì)有壅土現(xiàn)象發(fā)生，使薯土混合物從鏟側(cè)滾落。為保證挖掘鏟將土垡切開(kāi)，并使土薯混合物輸送到一定高度，最終確定鏟面傾角為22°。

2.1.3 挖掘鏟長(zhǎng)度的確定

正確的挖掘鏟長(zhǎng)度能夠增加薯塊挖凈率，減小牽引阻力，提高挖掘機(jī)的作業(yè)效率。挖掘鏟對(duì)土壤的作用分為兩個(gè)階段：①挖掘馬鈴薯薯塊；②輸送薯土混合物至升運(yùn)鏈分離裝置中。對(duì)挖掘鏟鏟面進(jìn)行分析，利用動(dòng)能守恒定律和相關(guān)幾何知識(shí)求得鏟面長(zhǎng)度，如圖4所示。

圖4 挖掘鏟長(zhǎng)度分析Fig.4 Length analysis of digging shovel

挖掘鏟的第1階段是將薯土混合物掘起的過(guò)程(即土塊從挖掘鏟的鏟尖點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)到鏟面上B點(diǎn)的過(guò)程)，該過(guò)程的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1。根據(jù)幾何關(guān)系，確定挖掘階段的長(zhǎng)度為

(7)

式中L1—挖掘鏟挖掘階段長(zhǎng)度(mm)；

h1—挖掘鏟的挖掘深度(mm)。

挖掘鏟的第2階段主要作用是將薯土混合物輸送式鏟末端直至升運(yùn)鏈分離裝置上，即從鏟面上的B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至鏟末端C點(diǎn)的過(guò)程，該階段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2。薯土混合物上升至h的過(guò)程中主要是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能的過(guò)程，克服摩擦力做功，則應(yīng)用動(dòng)能定理確定該階段的長(zhǎng)度為

(8)

式中EB—薯土混合物在B點(diǎn)的動(dòng)能(J)；

vm—機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)。

當(dāng)薯土混合物從B點(diǎn)繼續(xù)上升時(shí)，薯土混合物開(kāi)始向鏟面方向堆積，上升至末端C點(diǎn)時(shí)，動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為勢(shì)能和克服摩擦力所用的能量。由圖4可知

(9)

式中Gf—摩擦力所做的功(J)；

GG—克服重力所做的功(J)；

L2—挖掘鏟輸送階段長(zhǎng)度(mm)。

根據(jù)動(dòng)能定理，由式(8)和式(9)得到薯土混合物在B點(diǎn)到C點(diǎn)的能量平衡方程為

(10)

由式(7)～式(10)可知：挖掘鏟的長(zhǎng)度為

(11)

式中L—挖掘鏟長(zhǎng)度(mm)；

L1+L2—挖掘鏟長(zhǎng)度(mm)。

由式(11)可知，挖掘鏟長(zhǎng)度與挖掘深度、鏟面傾角和機(jī)具前進(jìn)速度有關(guān)。為減小摩擦力做功，在保證挖掘鏟將薯土混合物提升有效高度前提下，應(yīng)盡量減小挖掘鏟的鏟面長(zhǎng)度。根據(jù)馬鈴薯收獲農(nóng)藝要求，挖掘深度應(yīng)在150～300 mm之間，本研究機(jī)具的前進(jìn)速度為0.6～1.7m/s，最終確定挖掘鏟的長(zhǎng)度L=300mm。

2.2 分離裝置的設(shè)計(jì)

分離裝置[9-11]的作用是把挖掘鏟輸送過(guò)來(lái)的薯土、雜草和莖葉混合物中分離出馬鈴薯薯塊。分離裝置要求分離掉70%～80%的土壤及其雜物，對(duì)分離裝置的設(shè)計(jì)要求如下：

1)升運(yùn)鏈分離裝置對(duì)馬鈴薯塊根的機(jī)械損傷較小，相鄰桿條之間間距設(shè)置合理，防止雜草纏繞和壅土現(xiàn)象發(fā)生；

2)有效地破碎土壤，將雜物分離，減小機(jī)具的故障率；

3)分離裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中輸送通暢，減少卡條現(xiàn)象發(fā)生。

綜合以上因素，設(shè)計(jì)如圖5所示的分離裝置。

1.升運(yùn)鏈張緊輪 2.抖動(dòng)輪 3.升運(yùn)鏈 4.升運(yùn)鏈驅(qū)動(dòng)輪

采用帶桿式升運(yùn)鏈作為分離裝置主要由主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、抖動(dòng)輪和升運(yùn)鏈等部分組成。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，主動(dòng)鏈輪帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的輸送作用；抖動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使得土塊和雜草等從升運(yùn)鏈的間隙落到地面，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯薯塊與其他雜物的清選分離作用；薯塊則被繼續(xù)輸送，直至通過(guò)集條器導(dǎo)向作用整齊的鋪放在地面上。

2.2.1 桿條間隙的確定

桿條鏈中的桿條間隙是其重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，桿條間隙的大小對(duì)升運(yùn)分離裝置的分離性能有著重要的影響。桿條間隙過(guò)小，在土薯分離過(guò)程中土壤容易粘著，使分離裝置的分離能力下降；桿條間隙過(guò)大，馬鈴薯在升運(yùn)分離的過(guò)程中很可能從桿條的間隙中掉落。結(jié)合馬鈴薯物理特征及試驗(yàn)過(guò)程分析，取桿條間距L3=41mm，桿條直徑d=12mm，最終計(jì)算得桿條間隙a=29mm。桿條鏈的結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖6所示。

圖6 桿條結(jié)構(gòu)Fig.6 Bar structure chart

2.2.2 桿條配置結(jié)構(gòu)

為了使馬鈴薯挖掘機(jī)能夠適應(yīng)粘重土壤條件作業(yè)，升運(yùn)鏈分離裝置桿條的配置采用直-彎-彎-直桿的最小結(jié)構(gòu)單元。土壤在升運(yùn)鏈上的過(guò)篩效率與其有效過(guò)篩面積有關(guān)，即與升運(yùn)鏈之間的桿條間隙總面積有關(guān)。全直桿條配置模式下3個(gè)最小結(jié)構(gòu)單元的桿條間隙面積S1為

S1=3a·D

(12)

其中，a為桿條間隙(mm)；D為升運(yùn)鏈桿條的工作幅寬(mm)。

取本文所設(shè)計(jì)的桿條配置模式下最小結(jié)構(gòu)單元，如圖7所示。桿條間隙面積S2為

(13)

其中，h0為升運(yùn)鏈彎桿條凹槽深度(mm)。

圖7 直-彎-彎-直桿條配置圖Fig.7 Straight - bend - bend - straight rod configuration diagram

代數(shù)計(jì)算得

S2=(1+7.7%)S1

(14)

根據(jù)公式(14)可知：該桿條配置模式下桿條增大了空間排列，增大了有效篩分面積，從而提高了升運(yùn)鏈的過(guò)篩效率，增強(qiáng)了分離篩分效果，使升運(yùn)鏈分離裝置可適應(yīng)黏重土壤條件作業(yè)。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2017年9月在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地(黑黏土)進(jìn)行該牽引式馬鈴薯挖掘機(jī)的田間試驗(yàn)。試驗(yàn)基地為旱地壟播，試驗(yàn)區(qū)的壟長(zhǎng)長(zhǎng)度大于500m，壟距為800mm，壟高為280mm，壟播株距為200mm，收獲的馬鈴薯品種為大西洋、克新19，試驗(yàn)田的結(jié)薯深度為150～300mm。機(jī)具的田間作業(yè)情況如圖8所示。

圖8 田間試驗(yàn)Fig.8 Field experiment

3.2 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY-T 648-2002 馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的試驗(yàn)方法[12]，在旱地壟播類(lèi)馬鈴薯種植田間進(jìn)行收獲試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的牽引式馬鈴薯挖掘機(jī)的作業(yè)性能，分別測(cè)定該馬鈴薯挖掘機(jī)的明薯率、傷薯率和工作可靠性，驗(yàn)證機(jī)具的作業(yè)性能。

在樣機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，明薯率是指在1個(gè)行程結(jié)束后收集到的明放和露出地面的薯塊占總體質(zhì)量的比值；傷薯率是指從明薯、埋薯和漏挖薯中收集所有的傷薯的質(zhì)量占總體質(zhì)量的比值；可靠性是指生產(chǎn)考核期間的班次作業(yè)時(shí)間占機(jī)具在生產(chǎn)考核期間每班次的故障排除時(shí)間與生產(chǎn)考核期間的班次作業(yè)時(shí)間的總和的比值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 牽引式馬鈴薯挖掘機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test result of traction potato excavator %

由表2可知：各項(xiàng)指標(biāo)均符合馬鈴薯收獲作業(yè)要求，同時(shí)該機(jī)的工作穩(wěn)定性較好，工作效率高，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，將馬鈴薯整齊鋪放在拖拉機(jī)后側(cè)，便于人工撿拾。

4 結(jié)論

1)牽引式馬鈴薯挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)、挖掘鏟和升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，有效減小了挖掘阻力，達(dá)到了較好的薯土分離效果。該機(jī)能夠一次性完成挖掘、輸送、清選分離和成條鋪放等作業(yè)。

2)田間試驗(yàn)表明：牽引式馬鈴薯挖掘機(jī)的明薯率、傷薯率和作業(yè)穩(wěn)定性均優(yōu)于國(guó)家馬鈴薯收獲的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，收獲質(zhì)量和效率較高。