張濤 龐有倫 宋樹(shù)民 吳瑜 潘良 紹偉興 楊明金 唐興隆 王圓明 李想

摘 要 針對(duì)西南丘陵山區(qū)黏重土壤條件下土薯分離不佳、收獲工序較多等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，主要由殺秧裝置、挖掘裝置、往復(fù)圓弧敲打機(jī)構(gòu)、多重分離裝置、收集裝置、履帶底盤(pán)等組成。確定了整機(jī)的工作原理及傳動(dòng)系統(tǒng)，利用SolidWorks對(duì)整機(jī)進(jìn)行了三維建模，深入分析了各部件結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)，并闡述了夾雜馬鈴薯的土塊在升運(yùn)過(guò)程中的碰撞規(guī)律。

關(guān)鍵詞 馬鈴薯;聯(lián)合收獲;黏重土壤;土薯分離;往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng);西南丘陵山區(qū)

中圖分類號(hào)：S225.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.16.024

馬鈴薯作為我國(guó)第四大糧食作物，在西南地區(qū)的種植面積及產(chǎn)量均占全國(guó)一半以上[1-3]。受山區(qū)小地塊和黏重土壤條件限制，西南地區(qū)的馬鈴薯機(jī)收率遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平，主要存在作業(yè)環(huán)節(jié)多且獨(dú)立、分離效果不佳、傷薯率高、明薯率低、適宜該區(qū)域聯(lián)合作業(yè)機(jī)具空白等問(wèn)題，因此研究集多種作業(yè)為一體的高效率馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)具有重要意義[4-6]。

國(guó)外研制的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)由于動(dòng)力足、體積龐大，適宜大面積平原作業(yè)，而且購(gòu)買及維修成本高，從適用性和經(jīng)濟(jì)性上均不匹配丘陵山區(qū)的收獲作業(yè)[7-8];國(guó)內(nèi)主要為牽引式分段收獲，通過(guò)殺秧機(jī)、分離篩式收獲機(jī)配合收獲，最后人工撿拾，但由于南方黏重土壤條件，存在土塊分離不徹底、配套機(jī)具多、人工強(qiáng)度大等問(wèn)題[9-10]。針對(duì)上述問(wèn)題及區(qū)域聯(lián)合收獲作業(yè)要求，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一款小型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，闡述該機(jī)具的整機(jī)結(jié)構(gòu)及部件設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并對(duì)土薯升運(yùn)碰撞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了理論分析。

1? 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1? 整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)重慶市馬鈴薯單壟雙行種植農(nóng)藝要求，以及黏重土壤、小地塊作業(yè)條件，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一款馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯低損傷、低含雜率的聯(lián)合收獲作業(yè)目標(biāo)。確定整機(jī)結(jié)構(gòu)布局及工作方式，樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由履帶地盤(pán)、殺秧裝置、挖掘裝置、往復(fù)圓弧敲打機(jī)構(gòu)、一級(jí)分離裝置、二級(jí)分離裝置、三級(jí)分離裝置、收集裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。所有裝置及機(jī)構(gòu)集成在履帶底盤(pán)上，工作時(shí)完成殺秧、土薯挖掘、多重分離、升運(yùn)、歸框等作業(yè)。馬鈴薯種植壟面寬400 mm、溝深100～150 mm、株距200 mm，因此設(shè)計(jì)該機(jī)作業(yè)幅寬為600 mm，配套動(dòng)力為7.5 kW，行走速度≤3 m·s-1，入土深度為20 cm。

1.2? 傳動(dòng)系統(tǒng)及工作原理

整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。整機(jī)自帶的動(dòng)力與變速箱連接，變速箱分別將動(dòng)力傳遞至二級(jí)分離裝置和三級(jí)分離裝置的主動(dòng)鏈輪。其中二級(jí)分離裝置的主動(dòng)鏈輪帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，二級(jí)分離裝置從動(dòng)鏈輪軸端加有鏈輪Ⅰ，從而帶動(dòng)一級(jí)分離裝置主動(dòng)鏈輪和激振鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，一級(jí)分離裝置從動(dòng)鏈輪軸上分別安裝帶輪Ⅰ和齒輪Ⅰ，齒輪Ⅰ和齒輪Ⅱ嚙合，達(dá)到換向作用，齒輪Ⅱ軸上則安裝鏈輪Ⅱ，鏈輪Ⅱ通過(guò)鏈條帶動(dòng)打葉器鏈輪和螺旋輸送絞龍鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶輪Ⅰ通過(guò)皮帶帶動(dòng)曲拐帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，曲拐帶輪則在U型滑軌中運(yùn)動(dòng)，其中U型滑軌一端被約束只做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)往復(fù)圓弧敲打桿工作。三級(jí)分離裝置主動(dòng)鏈輪帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行三級(jí)土薯分離及運(yùn)輸作業(yè)。

收獲作業(yè)時(shí)，馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)向前行進(jìn)，通過(guò)液壓系統(tǒng)和限位地輪共同調(diào)整挖掘鏟入土角，達(dá)到設(shè)計(jì)的挖掘深度。扳動(dòng)工作離合器，殺秧裝置及多重分離裝置同時(shí)工作，在挖掘之前，打葉器將秧蔓貼近地面割斷并拋送至螺旋輸送絞龍中，通過(guò)螺旋絞龍將秧蔓側(cè)向強(qiáng)制輸送至壟邊，之后挖掘鏟將薯塊、土壤、雜草等混合物一起鏟起，并沿鏟面傾角方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入一級(jí)分離裝置。該裝置前端上方的往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)的橡膠敲打桿將土壤向上拋送并反復(fù)敲打，解決黏重土薯分離難題，之后土薯等雜質(zhì)沿波浪型導(dǎo)流開(kāi)始分離與升運(yùn)，薯塊在主動(dòng)激振裝置作用下對(duì)土壤進(jìn)行二次破碎，小于分離柵條間隙的土塊落入田間，土薯則繼續(xù)上升至落入三級(jí)分離裝置，經(jīng)過(guò)多次長(zhǎng)距離分離后，橫向運(yùn)輸將薯塊歸框，完成聯(lián)合收獲作業(yè)。

2? 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1? 殺秧裝置

在馬鈴薯收獲時(shí)，為了避免秧蔓纏繞或分離不凈，需先進(jìn)行殺秧工作。本研究設(shè)計(jì)的殺秧裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由螺旋輸送絞龍、刀架、切割動(dòng)刀、切割定刀等組成，其工作方式為切割動(dòng)刀固定在刀架上做圓周運(yùn)動(dòng)，在機(jī)具前進(jìn)時(shí)將秧蔓攏集進(jìn)入護(hù)罩中，并在護(hù)罩下端設(shè)有切割定刀，與切割動(dòng)刀配合將秧蔓切斷，并拋送至絞龍位置，將切碎長(zhǎng)短不等的秧蔓強(qiáng)制側(cè)向輸送，落至壟邊，不影響后續(xù)收獲作業(yè)。

2.2? 挖掘裝置

挖掘裝置是直接觸土部件，主要功能是使土壤蓬松，并將一定深度的土壤和馬鈴薯一并鏟起，沿鏟面傾角滑至一級(jí)分離裝置。挖掘裝置主要由挖掘鏟、鏟刀架、固定軸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了減少挖掘阻力，挖掘鏟結(jié)構(gòu)為三角弧形結(jié)構(gòu)，且間隔相等布置，有利于黏重土壤的切削和破碎。鏟刀尖端與中心線形成的夾角為鏟刀傾角γ，其值大小對(duì)漏挖率及挖掘鏟的自潔功能有重要影響，在設(shè)計(jì)時(shí)，鏟刀傾角需滿足式（1），由于土壤與金屬材料的摩擦角一般取值為30°～36°，因此本設(shè)計(jì)中鏟刀傾角設(shè)定為54°。

[γ=90°-ψ] （1）

式（1）中，γ為鏟刀傾角，Ψ為土壤與鏟刀材料的摩擦角。

2.3? 往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)敲打機(jī)構(gòu)

往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)敲打機(jī)構(gòu)主要功能是將鏟起的黏重土壤向上拋送及破碎，其結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)桿、軸承座、U型滑軌、偏心曲拐、橡膠叉等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。借助曲柄搖桿原理將皮帶輪上的動(dòng)力轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)桿的往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)桿上設(shè)計(jì)有橡膠材料的樹(shù)杈，將夾雜馬鈴薯的土塊向上拋起并且敲打。選擇橡膠材料能夠避免馬鈴薯產(chǎn)生機(jī)械損傷，橡膠杈間隔分布有利于對(duì)土壤產(chǎn)生切削作用。

由于轉(zhuǎn)動(dòng)桿的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度受升運(yùn)及挖掘鏟裝置裝配關(guān)系影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮角度限位，因此對(duì)往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)進(jìn)行深入分析，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為如圖6所示。圖中OC桿為偏心曲拐，做完整圓周運(yùn)動(dòng)，而O'C'為轉(zhuǎn)動(dòng)桿，做圓弧運(yùn)動(dòng)，當(dāng)OC桿運(yùn)動(dòng)至A點(diǎn)位置時(shí)，O'C'桿則達(dá)到A'位置，轉(zhuǎn)動(dòng)180°后，OC桿到達(dá)B點(diǎn)，則O'C'桿則至B'點(diǎn)，此時(shí)完成一個(gè)圓弧運(yùn)動(dòng)周期，此時(shí)O'A'和O'B'的夾角φ為轉(zhuǎn)動(dòng)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

2.4? 多級(jí)分離裝置

多級(jí)分離裝置包括一級(jí)分離、二級(jí)分離和橫向分離輸送構(gòu)成，主要零件包括振動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)輪、側(cè)護(hù)板、分離桿、橡膠固定鏈，其局部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

土塊和馬鈴薯通過(guò)長(zhǎng)距離升運(yùn)，部分土壤會(huì)從分離桿間隙掉落，同時(shí)振動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)橡膠固定鏈產(chǎn)生周期上下振動(dòng)，沖擊土塊使其破碎，橡膠固定鏈振幅對(duì)馬鈴薯機(jī)械損傷至關(guān)重要，太高或太低會(huì)造成線性擦傷或分離不徹底現(xiàn)象。此外，一級(jí)分離升運(yùn)完成后，向另一級(jí)跌落過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生碰撞沖擊，二次破碎土塊，且輸送距離越遠(yuǎn)，分離效果越佳。

3? 動(dòng)力學(xué)分析

土塊和馬鈴薯升運(yùn)至往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)處，被拋起并做拋物線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖8所示。

假設(shè)被拋起時(shí)敲打桿與水平面夾角為θ，初始速度為v0，則忽略空氣阻力，則初始速度水平方向做勻速運(yùn)動(dòng)，豎直方向做加速度運(yùn)動(dòng)，經(jīng)歷t時(shí)間后落到一級(jí)分離篩上，產(chǎn)生碰撞沖擊，則夾雜馬鈴薯的土塊與分離篩的碰撞速度為

[v1=v21x+v21y]? （2）

式（2）中，v1為碰撞時(shí)速度，m·s-1;v1x為碰撞時(shí)水平方向分量，m·s-1;v1y為碰撞時(shí)豎直方向分量，m·s-1。

則碰撞時(shí)水平方向速度分量與初始速度水平方向速度分量相等，v1x=v0x，而豎直方向速度分量根據(jù)加速度運(yùn)動(dòng)為

[v1y=gt+v0y]? （3）

由此可得到碰撞時(shí)速度方向與水平方向夾角β為

[β=arcsosv0xv1]? ?（4）

夾雜馬鈴薯的土塊在水平和豎直方向的運(yùn)動(dòng)位移方程為

[l=v0xth=v0yt+12gt2]? （5）

式（5）中，l為夾雜馬鈴薯的土塊在水平方向的位移量，mm;h為夾雜馬鈴薯的土塊在豎直方向的位移量，mm。

假設(shè)夾雜馬鈴薯的土塊與分離篩之間為彈性碰撞，碰撞之后薯塊相對(duì)一級(jí)分離裝置靜止，則在水平和豎直方向的碰撞沖量為

[Ix=m（vmsinα-v0x）Iy=m（vmcosα-v1y）] （6）

式（6）中，Ix為薯塊在水平方向的碰撞沖量，kg·m·s-1;Iy為薯塊在豎直方向的碰撞沖量，kg·m·s-1;m為土塊和馬鈴薯質(zhì)量，kg;vm為一級(jí)分離裝置運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1;α為一級(jí)分離裝置與水平方向的夾角。

夾雜馬鈴薯的薯塊在x和y方向的碰撞沖量越大，則破碎效果越好，能夠?qū)ぶ赝寥琅c馬鈴薯較好地分離。上述分析可知，碰撞沖量與往復(fù)圓弧敲打機(jī)構(gòu)拋出時(shí)的夾角、初始速度、一級(jí)分離裝置與豎直方向的夾角密切相關(guān)，當(dāng)拋送的夾角越大，一級(jí)分離裝置的水平夾角越小，則初始速度越大，一級(jí)分離裝置的運(yùn)動(dòng)速度較慢，碰撞沖量越大，更有利于土塊和馬鈴薯分離。

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（責(zé)任編輯：易? 婧）