劉瀟瀟，史雅正，郝思佳，李清旭

(哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東 威海 264300)

0 引言

馬鈴薯作為我國(guó)主糧之一，有著巨大的市場(chǎng)空間，在馬鈴薯的收獲季節(jié)里，需要短時(shí)間內(nèi)完成馬鈴薯的收獲任務(wù)，因此我國(guó)在馬鈴薯的收獲方面面臨著極大的挑戰(zhàn)。應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的自動(dòng)裝卸和對(duì)壟溝的記憶識(shí)別，極大地減輕了馬鈴薯收獲者的勞動(dòng)強(qiáng)度。在一定程度上，全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)可減少馬鈴薯的收獲損失，為馬鈴薯的機(jī)械化收獲奠定了基礎(chǔ)。

1 國(guó)內(nèi)外馬鈴薯收獲機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)現(xiàn)狀與分析

在中國(guó)，雖然馬鈴薯收獲機(jī)的類型較多，然而大型的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)卻主要依賴于國(guó)外進(jìn)口。目前，國(guó)內(nèi)主要注重對(duì)中小型馬鈴薯挖掘機(jī)以及自動(dòng)化程度不太高的聯(lián)合收割機(jī)的研發(fā)，對(duì)于馬鈴薯收獲機(jī)的研發(fā)力度整體不高。在馬鈴薯的主要產(chǎn)區(qū)如云南，馬鈴薯的機(jī)械化程度僅有1%，而對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，其機(jī)械化水平卻高達(dá)70%。

1.2 國(guó)外馬鈴薯收獲機(jī)現(xiàn)狀與分析

在國(guó)外，挖掘機(jī)型的馬鈴薯收獲機(jī)占比較小，主要集中在山地地形、馬鈴薯種植面積小且較為分散的國(guó)家。自20世紀(jì)80年代起，關(guān)于馬鈴薯的收獲方式，國(guó)外主要采用馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)直接收獲馬鈴薯，或者利用挖掘機(jī)外加分選裝置進(jìn)行馬鈴薯的收獲，逐漸實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲馬鈴薯。

2 全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)整體設(shè)計(jì)思路

目前國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲方式主要是通過(guò)拖拉機(jī)牽引的小型馬鈴薯挖掘機(jī)挖掘后由人工撿拾，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且落后的馬鈴薯收獲方式制約著馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)的發(fā)展。全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)將拖拉機(jī)與挖掘機(jī)有機(jī)結(jié)合在一起，動(dòng)力系統(tǒng)全部采用電驅(qū)動(dòng)，并加入識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的智能化和自動(dòng)化,如圖1所示。該類馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)，解決了國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)效率較低、功能較少的難題。

圖1 全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)總體外形

3 全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)分為驅(qū)動(dòng)裝置、挖掘裝置、分離裝置、升運(yùn)裝置和裝載裝置5個(gè)部分。

3.1 驅(qū)動(dòng)裝置

牽引式馬鈴薯收獲機(jī)的配套動(dòng)力是一大短板，而全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)將拖拉機(jī)與挖掘機(jī)有機(jī)結(jié)合在一起，全部采用電驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)化程度高。

3.2 挖掘裝置

對(duì)于挖掘部分，首先要求該部件可以將馬鈴薯和泥土一同挖出，并將二者運(yùn)向分離裝置，因此對(duì)挖掘裝置做出如下要求：

(1) 在挖掘馬鈴薯時(shí)，盡可能地少挖土壤。

(2) 在挖掘馬鈴薯過(guò)程中，不損傷馬鈴薯，且挖掘深度可以根據(jù)需要自行調(diào)整。

(3) 在設(shè)計(jì)挖掘鏟時(shí)，要求硬度較大、刃口的耐磨性較好，具有一定的碎土能力。

根據(jù)以上要求，本文設(shè)計(jì)出了組合式馬鈴薯挖掘裝置，如圖2所示。該挖掘裝置由三角平面雙挖掘鏟、挖掘鏟架以及切馬鈴薯盤刀組成。挖掘鏟與挖掘鏟架通過(guò)螺釘連接，挖掘鏟的鏟架固定在挖掘機(jī)架上，通過(guò)調(diào)整盤刀高度進(jìn)行馬鈴薯的挖掘。

圖2 組合式挖掘裝置

3.3 分離裝置

馬鈴薯收獲機(jī)工作時(shí)，馬鈴薯經(jīng)挖掘裝置挖掘后，被運(yùn)向分離裝置。因此，在設(shè)計(jì)該裝置時(shí)，首先要求在分離過(guò)程中對(duì)馬鈴薯的傷害最小、馬鈴薯分離率高、分離過(guò)程安全可靠，所以在挖掘鏟結(jié)構(gòu)盡可能小的情況下提高工作效率是本設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)；其次要求分離裝置承受載荷能力強(qiáng)，并且可以分離馬鈴薯上粘連的絕大部分土壤，另外要求在分離的同時(shí)還可以持續(xù)保持馬鈴薯的向后運(yùn)輸，便于下一裝置的工作。因此設(shè)計(jì)了馬鈴薯初分離裝置，如圖3所示。

馬鈴薯經(jīng)初分離后運(yùn)送到傳動(dòng)輸送篩上，對(duì)于馬鈴薯的傳動(dòng)輸送篩設(shè)計(jì)，本文采用桿式鏈裝置，如圖4所示。輸送篩的有效分離面積較大，其作用相當(dāng)于柵格式閉合回轉(zhuǎn)篩，但結(jié)構(gòu)較柵格式更簡(jiǎn)單。另外在傳動(dòng)輸送篩輸送側(cè)的中間部位設(shè)計(jì)偏心抖動(dòng)輪裝置，用來(lái)抖去馬鈴薯上面的泥土。

圖3 馬鈴薯初分離裝置 圖4 傳動(dòng)輸送篩

3.4 升運(yùn)裝置

為了防止碰撞，升運(yùn)裝置和裝載箱同升同降，將薯塊運(yùn)輸?shù)揭欢ǖ母叨?，便于薯塊裝載，最終完成馬鈴薯的收獲。

3.5 裝載裝置

在該裝置中利用絲杠將平臺(tái)升起，利用導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用實(shí)現(xiàn)裝載箱開門和傾斜的動(dòng)作，完成自動(dòng)裝車。料斗起裝載薯塊的作用，可升降，并配有輸送裝置，既可以進(jìn)行聯(lián)合收獲，也可裝載一定量薯塊后再轉(zhuǎn)移至運(yùn)輸車輛。升運(yùn)裝置和裝載裝置如圖5所示。

4 全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)有限元分析

針對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)架在工作可靠性方面存在的問(wèn)題，本文利用ABAQUS有限元分析軟件以及ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真軟件對(duì)挖掘鏟進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。結(jié)果證明了理論分析的準(zhǔn)確性與可行性，為今后馬鈴薯收獲機(jī)的模塊化優(yōu)化與設(shè)計(jì)提供了科學(xué)借鑒。

圖5 升運(yùn)和裝載裝置

圖6 全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)的多體動(dòng)力學(xué)分析

圖7 全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)的有限元分析

5 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)將拖拉機(jī)與挖掘機(jī)有機(jī)結(jié)合在一起，它由驅(qū)動(dòng)裝置、挖掘裝置、分離裝置、升運(yùn)裝置及裝載裝置5個(gè)部分組成。實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的挖掘、薯土薯秧分離以及自動(dòng)裝卸的功能。動(dòng)力系統(tǒng)全部采用電驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自動(dòng)化。最后對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，為后期馬鈴薯收獲機(jī)機(jī)架的優(yōu)化與設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。