李國(guó)杰，鄧干然，吳洪珠，鄭爽，崔振德，黃潔

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究揚(yáng)，廣東湛江，524091；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東湛江，524091；3.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究揚(yáng)，?？谑校?71101；4.青島洪珠農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，山東青島，266300)

0 引言

木薯是世界三大薯類作物(木薯、馬鈴薯、甘薯)之一，也是全球年產(chǎn)超億噸的七大作物之一，被譽(yù)為“地下糧倉(cāng)”“淀粉之王”，是許多熱帶、亞熱帶國(guó)家重要的糧食作物和能源作物[1]，在我國(guó)木薯主要分布在廣東、廣西、海南、云南等地，截止到2019年，我國(guó)木薯種植面積約298.9 khm2，產(chǎn)量約為4 987.0 kt。

木薯收獲主要是指地下塊根的收獲[2]，目前我國(guó)木薯機(jī)械化收獲方式主要為分段收獲，即人工砍運(yùn)木薯莖稈或者機(jī)械化粉碎還田后，利用拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)木薯挖掘收獲機(jī)對(duì)木薯塊根進(jìn)行挖掘、提升后平鋪于薯地表面，便于后續(xù)人工撿拾、裝車(chē)作業(yè)。通過(guò)現(xiàn)有的木薯挖掘收獲設(shè)備開(kāi)展木薯收獲作業(yè)仍需大量人工輔助撿拾、裝車(chē)作業(yè)，每臺(tái)挖掘收獲機(jī)約需要配備20名人工進(jìn)行撿拾作業(yè)，同時(shí)，平鋪后的木薯塊根仍然夾雜著大量的土壤，撿拾、裝車(chē)前需要人工清理去土。廣西大學(xué)、海南大學(xué)等對(duì)木薯分段收獲開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)挖拔式木薯收獲機(jī)、往復(fù)夾持式木薯收獲機(jī)等設(shè)備，但木薯聯(lián)合收獲技術(shù)裝備尚未查詢到單位研制實(shí)物樣機(jī)，僅王濤等對(duì)挖拔式木薯聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。為解決現(xiàn)有木薯收獲方式存在大量人工輔助作業(yè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)，重點(diǎn)對(duì)振動(dòng)挖掘裝置、薯土分離裝置、木薯收集裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，并通過(guò)田間試驗(yàn)對(duì)機(jī)具性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 適宜機(jī)收木薯種植農(nóng)藝要求

4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)適宜寬窄雙行起壟種植農(nóng)藝模式，不同于機(jī)械化作業(yè)困難的平種或小壟種等木薯傳統(tǒng)種植方式，該模式是一種適宜機(jī)械化作業(yè)的模式。該模式利用專用的旋耕起壟機(jī)對(duì)耕地進(jìn)行旋耕碎土、平整，旋耕深度25～30 cm，構(gòu)建適宜66 kW拖拉機(jī)跨壟行走的梯形大壟，壟面寬90～110 cm，壟底寬約130 cm，壟高25～35 cm，壟溝寬約50 cm；在壟體上沿縱向方向，利用壟作式木薯聯(lián)合種植機(jī)種出兩行木薯，壟上雙行木薯行距約50～70 cm，株距60 cm，鄰壟間兩行木薯行距約110～130 cm，形成壟上雙行為窄行、鄰壟間為寬行的寬窄雙行起壟種植模式(圖1)。在該模式下，木薯的機(jī)械化收獲以66 kW輪式拖拉機(jī)為動(dòng)力，機(jī)械化作業(yè)過(guò)程中拖拉機(jī)輪胎不壓傷壟形、作物和木薯塊根，木薯產(chǎn)量有保證，收獲作業(yè)機(jī)具能耗比平種模式低，機(jī)具操作方便，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合[3]。

圖1 木薯寬窄雙行起壟種植模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of cassava wide-narrow double-row ridge planting mode

1.2 總體結(jié)構(gòu)

4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)主要由牽引裝置、機(jī)架、切草盤(pán)、挖掘裝置、薯土分離裝置、木薯收集裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和地輪等部分組成。整機(jī)具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖2揚(yáng)示。

圖2 4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of 4UMZ-1400 rear-collected type cassava combined harvester

1.3 工作原理

木薯莖稈處理后開(kāi)展木薯收獲作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)通過(guò)懸掛裝置牽引4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)，拖拉機(jī)輪胎行走于壟溝中，不壓木薯壟，動(dòng)力輸出軸通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)聯(lián)合收獲機(jī)減速箱工作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作，隨著拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，收獲機(jī)的碎土盤(pán)切割土壤，收獲機(jī)挖掘裝置挖掘鏟在偏心機(jī)構(gòu)作用下以振動(dòng)方式逐漸深入木薯壟面下方30 cm以上并前進(jìn)，隨著挖掘鏟的工作，壟上種植的兩行木薯被挖掘、松土后輸送至薯土分離裝置的振動(dòng)鏈排上，振動(dòng)鏈排在振動(dòng)輪的作用下以上下振動(dòng)方式對(duì)木薯及夾雜的土塊進(jìn)行振動(dòng)輸送提升，提升過(guò)程中土塊逐漸被震碎并通過(guò)鏈排間隙掉落，而木薯塊根則被最終輸送拋落至集薯箱，隨著收獲機(jī)前進(jìn)作業(yè)，集薯箱逐漸裝滿木薯塊根，隨之拖拉機(jī)牽引收獲機(jī)至木薯地邊停放的轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)旁，液壓驅(qū)動(dòng)振動(dòng)鏈排向前折疊后不阻擋集薯箱提升自卸，自卸液壓缸頂起并翻轉(zhuǎn)集薯箱120°，使得木薯塊根滑落至轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)中，如此循環(huán)直至完成整塊木薯地的收獲作業(yè)。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1揚(yáng)示。

表1 4UMZ－1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of 4UMZ-1400 rear-collected type cassava combined harvester

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 挖掘裝置設(shè)計(jì)

挖掘裝置主要作用是挖掘、疏松木薯塊根下方及四周土層，收獲作業(yè)時(shí)木薯塊根隨鏟面、過(guò)渡板輸送提升至后續(xù)的薯土分離裝置，便于進(jìn)一步提升輸送及薯土分離。華南木薯種植區(qū)以紅壤黏土為主，土壤水分高的情況下容易黏結(jié)機(jī)具，土壤水分低的情況下容易板結(jié)而增加挖掘阻力，因此，挖掘裝置要求工作可靠且高效減阻。本設(shè)計(jì)中，挖掘裝置由振動(dòng)挖掘鏟、過(guò)渡板、偏心機(jī)構(gòu)等部分組成，機(jī)具作業(yè)時(shí)，動(dòng)力通過(guò)偏心機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)挖掘鏟實(shí)現(xiàn)前后往復(fù)振動(dòng)挖掘，往復(fù)振動(dòng)不斷震碎土壤得以減阻，挖掘的木薯塊根則通過(guò)過(guò)渡板提升至振動(dòng)鏈排。整個(gè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)木薯塊根周?chē)寥浪蓜?dòng)后提升，便于后續(xù)薯土分離作業(yè)。

2.1.1 振動(dòng)挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)挖掘鏟作為挖掘裝置關(guān)鍵部件，直接作用于木薯塊根下方土層，因此對(duì)其工作可靠性及工作形式具有較高要求。本文中挖掘鏟通過(guò)選材、結(jié)構(gòu)及工作形式3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以增加其工作可靠性。選材方面，采用65Mn鋼，調(diào)質(zhì)處理使其達(dá)到最好的機(jī)械性能；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，既要保持其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又要降低其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，以減少挖掘過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的概率，增加挖掘鏟的工作可靠性。

在制定設(shè)計(jì)方案時(shí)，則要考慮挖掘鏟的靜力學(xué)性能、抗振性和輕量化性能等方面要求，因此挖掘鏟設(shè)計(jì)是一個(gè)多層次、多指標(biāo)，包含定量與定性因素的多目標(biāo)優(yōu)選決策問(wèn)題[4-5]。本設(shè)計(jì)中，振動(dòng)挖掘鏟采用雙鏟尖結(jié)構(gòu)，如圖3揚(yáng)示。

圖3 挖掘鏟結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of digging shovel

壟上兩行木薯作為作業(yè)對(duì)象，雙鏟尖結(jié)構(gòu)便于有針對(duì)性地切入每行木薯塊根下方土層，同時(shí)挖掘鏟設(shè)計(jì)刃口便于切碎土壤，在土壤板結(jié)情況下更易入土工作。為使被挖掘疏松的木薯塊根及土壤混合物能順利沿鏟面上升并通過(guò)過(guò)渡板輸送到下一級(jí)的薯土分離裝置上，挖掘鏟面(即挖掘鏟上表面)工作傾角θ具有決定性作用。為確定挖掘鏟面工作傾角θ，現(xiàn)對(duì)鏟面上木薯塊根和土壤混合物進(jìn)行受力分析，將其定義為一個(gè)剛性物體。

其受力如圖4揚(yáng)示，收獲機(jī)前進(jìn)方向如箭頭揚(yáng)示，分析挖掘鏟上木薯塊根和土壤混合物受力平衡可知

圖4 混合物在鏟面上受力分析Fig.4 Force analysis of the mixture on the shovel

式中：F——沿挖掘鏟面移動(dòng)木薯塊根等混合物揚(yáng)需的力，N；

T——挖掘鏟面對(duì)木薯塊根等混合物的摩擦力，N；

G——木薯塊根等混合物的重力，N；

P——土壤對(duì)挖掘鏟面的作用力，N；

f——土壤對(duì)鋼的摩擦系數(shù)，一般為0.577～0.721。

由式(1)可知

當(dāng)入土角θ減小，挖掘深度H保持不變的情況下，挖掘鏟的長(zhǎng)度增加，摩擦力增加，挖掘阻力也會(huì)增加。由此可知，在保持挖掘阻力不變的情況下，入土角θ值越大，挖掘鏟總長(zhǎng)度相應(yīng)越短。增大入土角θ有利于破碎木薯塊根下方土層，但挖掘鏟的挖掘阻力也會(huì)隨之增加。根據(jù)式(2)計(jì)算，本設(shè)計(jì)中挖掘鏟鏟面傾角取值21°

挖掘鏟長(zhǎng)度也是決定挖掘鏟疏松土層效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。合理的挖掘鏟長(zhǎng)度，能夠避免或減少挖掘鏟工作時(shí)土壤堵塞現(xiàn)象，降低收獲機(jī)的牽引阻力，保證木薯塊根挖凈，提高收獲機(jī)的工作效率和工作效果。當(dāng)挖掘鏟與地面傾角θ和挖掘深度H確定后，挖掘鏟的鏟面長(zhǎng)度La可根據(jù)式(3)確定。

式中：L——挖掘鏟(由鏟尖處開(kāi)始計(jì)算)和過(guò)渡板的總長(zhǎng)度，mm；

Lb——過(guò)渡板的長(zhǎng)度，mm；

通過(guò)近3年實(shí)測(cè)木薯層深，分析木薯寬窄雙行起壟種植模式下木薯生長(zhǎng)情況可知，壟上95%以上木薯塊根分布在層深30 cm以內(nèi)，挖掘過(guò)程中為避免損傷木薯塊根，挖掘深度H需≥30 cm。挖掘鏟面設(shè)計(jì)時(shí)，為減小挖掘鏟和土壤的摩擦阻力，且能夠保證挖起的木薯塊根與土壤混合物能夠通過(guò)過(guò)渡板提升到薯土分離裝置上。根據(jù)式(3)計(jì)算L為838 mm，減阻優(yōu)化后挖掘鏟的鏟面長(zhǎng)度La取值為320 mm，過(guò)渡板長(zhǎng)度Lb取值為80 mm。

挖掘鏟設(shè)計(jì)寬度必須保證不能出現(xiàn)漏挖和盡量減少切斷損傷木薯塊根的現(xiàn)象。根據(jù)寬窄雙行起壟種植模式要求及近3年實(shí)測(cè)木薯結(jié)薯特性，沿壟縱向單行木薯塊根薯幅的分布直徑約50～100 cm，取其平均值75 cm，行距取平均值60 cm情況下，雙行木薯塊根分布寬度約135 cm，為保證挖掘鏟工作時(shí)兩側(cè)立板不切斷木薯塊根導(dǎo)致漏挖損失，故選取挖掘鏟寬度值為140 cm。

2.1.2 偏心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有木薯收獲機(jī)主要采用固定式挖掘鏟，固定式挖掘鏟挖掘阻力大、功耗大。4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用振動(dòng)減阻原理，即工作時(shí)土壤受到激振會(huì)同步振動(dòng)，土壤振動(dòng)時(shí)會(huì)吸收部分振動(dòng)能量來(lái)使自身內(nèi)應(yīng)力變大，內(nèi)應(yīng)力越大，土壤越容易破碎[6]。振動(dòng)挖掘木薯塊根時(shí)振動(dòng)載荷使土壤趨于緊實(shí)，引起土壤內(nèi)部孔隙水難以從土壤中排出來(lái)，致使土壤壓力增大。土壤壓力增大到與土壤正應(yīng)力一樣大時(shí)，土壤強(qiáng)度就會(huì)急劇減小，土壤的內(nèi)摩擦力也會(huì)跟著減小，使土壤抗剪強(qiáng)度減小，從而就使得板結(jié)土層更易破碎。振動(dòng)挖掘的關(guān)鍵是挖掘鏟能夠產(chǎn)生連續(xù)有規(guī)律的激振力作用于土層。

收獲機(jī)挖掘裝置偏心機(jī)構(gòu)，如圖5揚(yáng)示。依據(jù)曲柄搖桿原理設(shè)計(jì)偏心套，通過(guò)偏心套的偏心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)曲柄作用，動(dòng)力輸入偏心套后實(shí)現(xiàn)挖掘鏟繞支撐孔內(nèi)銷(xiāo)軸實(shí)現(xiàn)前后往復(fù)振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)減阻挖掘。通過(guò)試驗(yàn)表明，挖掘鏟入土角為18°～25°時(shí)，振動(dòng)挖掘碎土效果較好，取偏心距為15 mm，擺動(dòng)角度10°，挖掘鏟往復(fù)運(yùn)動(dòng)60次/min。

圖5 偏心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of eccentric mechanism

2.2 薯土分離裝置設(shè)計(jì)

木薯輸送—收集過(guò)程示意如圖6揚(yáng)示。薯土分離裝置即木薯塊根與土塊混合物分離、輸送、提升裝置，包括振動(dòng)鏈排、振動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)梅花膠輪、從動(dòng)梅花膠輪、液壓缸等部件組成，液壓缸的設(shè)計(jì)主要是為了振動(dòng)鏈排實(shí)現(xiàn)升起折疊，便于后續(xù)集薯箱提升翻轉(zhuǎn)卸料。

圖6 木薯輸送—收集過(guò)程示意圖Fig.6 Schematic diagram of transportation and collection of cassava

2.2.1 薯土分離過(guò)程解析及結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

振動(dòng)鏈排結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)將直接影響輸送、收集木薯塊根的含雜率以及傷薯率。本設(shè)計(jì)中薯土分離裝置為鏈桿鏈排式(圖7)。

圖7 振動(dòng)鏈排結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of vibration chain

振動(dòng)鏈排是薯土分離裝置的關(guān)鍵部件，木薯塊根、土塊等混合物在振動(dòng)鏈排上由于木薯塊根與土壤比重不同，其分離過(guò)程一般分為分散、分層和分離3個(gè)過(guò)程，3個(gè)過(guò)程相互交錯(cuò)又互相影響，分散和分層效果影響著薯土分離效果。在木薯塊根與土塊混合物輸送起始階段，堆積在一起的木薯塊根、土塊等物料在鏈排上下振動(dòng)作用下首先分散，此時(shí)，僅有一部分土壤顆粒與振動(dòng)鏈排直接接觸而通過(guò)鏈桿間隙下落分離，其他木薯塊根與板結(jié)土塊則在鏈排旋轉(zhuǎn)輸送作用下繼續(xù)產(chǎn)生提升運(yùn)動(dòng)。由于木薯塊根與土壤比重、大小等差異影響，在鏈排振動(dòng)作用力下，板結(jié)土塊逐漸粉碎變成土壤顆粒逐步通過(guò)木薯塊根間隙，下沉到混合物底部而實(shí)現(xiàn)物料分層，下層的土壤又通過(guò)鏈桿間隙下落，實(shí)現(xiàn)木薯塊根、土塊等混合物在輸送提升過(guò)程中的分層、分離，最終達(dá)到木薯塊根輸送提升同時(shí)去除土壤等雜質(zhì)而分離干凈的目的[7]。

據(jù)測(cè)，每條木薯平均直徑約30～50 mm。基于以上尺寸在保證木薯塊根不被鏈排鏈桿卡斷下漏的條件下達(dá)到充分漏土的效果，設(shè)計(jì)鏈桿直徑為15 mm，鏈桿中心間距為45 mm。鏈排由梅花膠輪驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)形式與鏈傳動(dòng)相似，膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)振動(dòng)鏈排旋轉(zhuǎn)工作。設(shè)計(jì)梅花膠輪外徑為240 mm。

2.2.2 鏈排線速度的設(shè)計(jì)

木薯塊根、板結(jié)土塊及土壤顆粒等混合物在振動(dòng)鏈排上的運(yùn)動(dòng)可分為上滑運(yùn)動(dòng)、下滑運(yùn)動(dòng)、上滑大于下滑運(yùn)動(dòng)、下滑大于上滑運(yùn)動(dòng)、拋起運(yùn)動(dòng)5種類型[8]，本設(shè)計(jì)中主要為了實(shí)現(xiàn)木薯塊根上滑運(yùn)動(dòng)，其他物料下滑或者掉落。

為實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng)，選擇振動(dòng)鏈排合適轉(zhuǎn)速，即鏈排線速度至關(guān)重要，通常根據(jù)振動(dòng)鏈排的線速度vs與收獲機(jī)前進(jìn)速度v0的比值來(lái)確定鏈排線速度。其中

式中：δ——速度比值。

試驗(yàn)表明，分離效率受振動(dòng)鏈排的旋轉(zhuǎn)線速度影響并呈拋物線變化，當(dāng)振動(dòng)鏈排線速度在1.15～1.85 m/s時(shí)，分離效率較高；超過(guò)1.85 m/s后，分離效率開(kāi)始下降。振動(dòng)鏈排線速度大，可有效避免壅土，但過(guò)大會(huì)造成土塊來(lái)不及碎裂、掉落而被輸送至集薯箱，分離不徹底，增大含雜率，故振動(dòng)鏈排線速度vs應(yīng)略大于收獲機(jī)行駛速度v0，即取δ約等于1，為了確保較好的收獲質(zhì)量并獲得較大的生產(chǎn)效率，拖拉機(jī)帶動(dòng)收獲機(jī)的行進(jìn)速度應(yīng)適宜，設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)率0.14～0.40 hm2/h，故收獲機(jī)前進(jìn)速度以1～1.8 km/h最佳，當(dāng)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸按540 r/min計(jì)算時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的振動(dòng)鏈排線速度可取值為0.50 m/s。

2.2.3 振動(dòng)輪設(shè)計(jì)

對(duì)于薯土分離裝置，作為振動(dòng)鏈排振動(dòng)源的振動(dòng)輪設(shè)計(jì)十分必要。振動(dòng)輪用于拋撒薯土混合物，強(qiáng)化分離性能，增加振動(dòng)鏈排上揚(yáng)移動(dòng)板結(jié)土塊的破碎率[9]。根據(jù)各工作部件結(jié)構(gòu)配置和整機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求，振動(dòng)輪安裝在后驅(qū)動(dòng)梅花膠輪的張緊邊下側(cè)。振動(dòng)輪的類型按凸頂數(shù)可分為雙頭型振動(dòng)輪、三角型振動(dòng)輪等，按驅(qū)動(dòng)方式可分為主動(dòng)型和被動(dòng)型。本設(shè)計(jì)中，為簡(jiǎn)化薯土分離裝置結(jié)構(gòu)，振動(dòng)輪設(shè)計(jì)為被動(dòng)雙滾子式雙頭型振動(dòng)輪(圖8)，獨(dú)立的滾子可繞自身固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)整個(gè)振動(dòng)輪機(jī)構(gòu)又繞支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖8 振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of vibrating wheel

4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)條件為廣東紅壤黏土，其特點(diǎn)是多雨條件下土壤黏結(jié)力、黏著力較大，干旱條件下土壤易板結(jié)。為減少木薯塊根振動(dòng)損傷，振動(dòng)輪振幅范圍通常為15～60 mm，為增強(qiáng)破碎、篩分土壤能力，設(shè)計(jì)振動(dòng)輪振幅為30 mm，其實(shí)際作業(yè)振幅可根據(jù)安裝位置上下調(diào)整進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)滾子直徑為60 mm，其工作圓周半徑為120 mm，其轉(zhuǎn)過(guò)一周可對(duì)振動(dòng)鏈排產(chǎn)生兩次往復(fù)振動(dòng)，增強(qiáng)了振動(dòng)鏈排的拋灑撒碎能力。

2.3 木薯收集裝置設(shè)計(jì)

2.3.1 收集過(guò)程力學(xué)分析

4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)集薯箱通過(guò)液壓控制升降卸料，箱底板設(shè)計(jì)有矩形孔，在收集木薯塊根同時(shí)矩形孔可實(shí)現(xiàn)木薯土壤二次分離，降低含雜率。經(jīng)振動(dòng)鏈排末端拋出的木薯塊根，拋出瞬間受重力、離心力共同作用影響，飛落至集薯箱中，為研究木薯塊根下落時(shí)運(yùn)行軌跡和落入集薯箱時(shí)受力特性，選一株木薯塊根作為研究對(duì)象，振動(dòng)鏈排在作業(yè)時(shí)傾角、運(yùn)行速度等參數(shù)直接影響收集效果[10]。收集過(guò)程如圖6揚(yáng)示，木薯塊根在振動(dòng)鏈排末端以一定速度拋出，在拋出下落過(guò)程中只受重力作用(空氣阻力極小忽略)，做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，由拋出運(yùn)動(dòng)方程和木薯塊根運(yùn)動(dòng)參數(shù)可求得木薯塊根的運(yùn)動(dòng)軌跡。以木薯塊根被拋出分離瞬時(shí)其上木薯稈中心線中間位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)O建立直角坐標(biāo)系。木薯脫離鏈排初速度v1沿水平方向，木薯塊根脫離鏈排后僅受重力影響，水平方向不受力，從最高點(diǎn)做下拋運(yùn)動(dòng)，直至集薯箱底面下落點(diǎn)C。則位移運(yùn)動(dòng)方程和速度方程

式中：g——重力加速度，m/s2；

t——木薯塊根下落時(shí)間，s；

x——木薯塊根水平方向位移，m；

y——木薯塊根垂直方向位移，m；

vx——木薯塊根水平前進(jìn)速度，m/s；

vy——木薯塊根垂直方向前進(jìn)速度，m/s。整理式(5)、式(6)可得

被拋出木薯塊根離集薯箱底高度決定木薯塊根收集時(shí)和集薯箱撞擊瞬時(shí)速度，木薯塊根在收集瞬間受自身重力G和撞擊集薯箱內(nèi)壁時(shí)產(chǎn)生的反作用力F′，F(xiàn)′與沖擊力F大小相等，方向相反，由動(dòng)量定理可得

式中：T——木薯塊根撞擊的接觸時(shí)間，s；

M——木薯塊根質(zhì)量，g；

V——木薯塊根下落速度，m/s。

木薯塊根下落位移越大，V越大，沖擊力F則隨之增大。沖擊力大小是影響木薯塊根損傷率重要原因之一，由于木薯塊根大小不一而導(dǎo)致質(zhì)量M各不相同，產(chǎn)生的沖擊力大小則不同，揚(yáng)以對(duì)沖擊力具體數(shù)值不做進(jìn)一步分析。本設(shè)計(jì)中，集薯箱底板與振動(dòng)鏈排末端距離是直接影響沖擊力大小的要素，前側(cè)板高度則影響距離大小，為減小沖擊力對(duì)木薯塊根損傷，在保證容量的同時(shí)，集薯箱前側(cè)板高度取值1.5 m。

2.3.2 集薯箱結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

為提高木薯聯(lián)合收獲機(jī)生產(chǎn)效率，減少卸料裝車(chē)次數(shù)作為設(shè)計(jì)要求之一，因此，較大集薯容量能夠有效增加田間挖掘的收獲時(shí)間，減少轉(zhuǎn)運(yùn)與卸料時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。木薯產(chǎn)量平均27～45 t/hm2，取2.5 t為一次作業(yè)收集量，由于木薯塊根之間間隙影響，選取集薯箱容量為3 m3。

收獲生產(chǎn)中，木薯由田間至收購(gòu)點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)均靠農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)完成，為與現(xiàn)有木薯轉(zhuǎn)運(yùn)農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)匹配，集薯箱卸料高度需高于農(nóng)用車(chē)側(cè)護(hù)板，木薯轉(zhuǎn)運(yùn)農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)側(cè)護(hù)板高度約2 m，故集薯箱卸料支撐旋轉(zhuǎn)軸選取高度為離地2.2 m。集薯箱的外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 200 mm×3 000 mm×2 920 mm，箱板厚度6 mm，如圖9揚(yáng)示。

圖9 集薯箱結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diagram of cassava box

集薯箱收集木薯作業(yè)完成后，即開(kāi)展卸料裝車(chē)工作，此時(shí)，需要通過(guò)薯土分離裝置的折疊液壓缸，折疊收起振動(dòng)鏈排后段，從而為集薯箱保留足夠升降翻轉(zhuǎn)空間，通過(guò)集薯箱自卸液壓缸(其尺寸為缸徑200 mm、桿徑100 mm、最大行程3 000 mm)，頂起集薯箱繞支撐軸旋轉(zhuǎn)，逐漸升高翻轉(zhuǎn)過(guò)程中箱內(nèi)木薯在重力作用下開(kāi)始滑落至木薯農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，直至揚(yáng)有木薯塊根卸完，此時(shí)，通過(guò)自卸液壓缸逐漸控制降落集薯箱至原位置，而后，振動(dòng)鏈排展開(kāi)至原位置，完成木薯卸料裝車(chē)過(guò)程。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

研制的4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)于2019年1月15日在中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究揚(yáng)木薯生產(chǎn)機(jī)械化試驗(yàn)基地進(jìn)行了田間性能試驗(yàn)，見(jiàn)圖10，該基地為紅壤土，實(shí)測(cè)基地土壤含水率16.5%，土壤較板結(jié)。

圖10 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.10 Field experiment of prototype

試驗(yàn)基地木薯種植模式為寬窄雙行起壟種植，壟上窄行距50～70 cm不等，株距60 cm，木薯品種為南植199。隨機(jī)選擇5壟(A壟、B壟、C壟、D壟、E壟)進(jìn)行收獲試驗(yàn)，試驗(yàn)選用東方紅LX904輪式拖拉機(jī)作為動(dòng)力，作業(yè)速度為拖拉機(jī)低二檔，約1.8 km/h，每壟作業(yè)長(zhǎng)度均為80 m。田間試驗(yàn)揚(yáng)用儀器有土壤水分測(cè)量?jī)x、電子秤、卷尺、鋼直尺等。

3.2 試驗(yàn)方法

我國(guó)目前尚未制定木薯聯(lián)合收獲機(jī)試驗(yàn)方法和作業(yè)質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，考慮到木薯與馬鈴薯同為地下塊根作物，具備類似特點(diǎn)，試驗(yàn)方法參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NYT 648—2015農(nóng)業(yè)工程裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，主要檢測(cè)指標(biāo)為含雜率、損失率和純工作時(shí)間生產(chǎn)率等指標(biāo)[11]。

含雜率是指收獲后集薯箱內(nèi)土塊等雜質(zhì)的重量占集薯箱內(nèi)物料總重量百分比，計(jì)算公式

損失率是指木薯收獲機(jī)作業(yè)后，土壤中未能收獲的木薯塊根重量與試驗(yàn)面積總木薯重量百分比，計(jì)算公式

式中：W1——雜質(zhì)重量，kg；

W2——漏挖損失的木薯重量，kg；

W——集薯箱內(nèi)物料總重量，kg。

試驗(yàn)由收獲作業(yè)后對(duì)每壟試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選10 m通過(guò)人工挖掘土壤內(nèi)揚(yáng)埋木薯塊根重量與10 m平均木薯產(chǎn)量對(duì)比，進(jìn)而計(jì)算損失率。

純工作時(shí)間生產(chǎn)率為拖拉機(jī)單位純作業(yè)時(shí)間內(nèi)的木薯收獲作業(yè)面積與作業(yè)時(shí)間的比值，計(jì)算公式

式中：S——作業(yè)面積，hm2；

tS——作業(yè)時(shí)間，h。

各項(xiàng)考核指標(biāo)值依據(jù)木薯塊根區(qū)別于馬鈴薯的生物學(xué)特性，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。試驗(yàn)過(guò)程中并對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的挖掘裝置、薯土分離裝置、薯塊收集、集薯箱自動(dòng)卸料、整機(jī)傳動(dòng)、液壓操縱等各部分裝置及整機(jī)性能進(jìn)行了全面的測(cè)試。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)在不同壟上作業(yè)的主要性能指標(biāo)如表2揚(yáng)示。

表2 4UMZ—1400型自卸式木薯聯(lián)合收獲機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果Tab.2 Experimental results of 4UMZ-1400 rear-collected type cassava combined harvester

由表2可知，4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)行距為50～70 cm，損失率為4.6%～6.8%，含雜率為6.4%～9.7%，純工作時(shí)間生產(chǎn)率為0.21～0.33 hm2/h。

4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)在寬窄雙行起壟種植農(nóng)藝模式下木薯收獲適應(yīng)性較好，實(shí)現(xiàn)有效對(duì)行，壟上兩行木薯均處于挖掘鏟工作幅寬內(nèi)，其切草盤(pán)、振動(dòng)挖掘裝置、薯土分離裝置、木薯收集裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等部件工作性能良好，損失率、含雜率、生產(chǎn)率等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1)基于木薯寬窄雙行起壟種植農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)，確定了木薯聯(lián)合收獲機(jī)工作原理與總體結(jié)構(gòu)，對(duì)振動(dòng)挖掘裝置、薯土分離裝置、木薯收集裝置等主要關(guān)鍵部件進(jìn)行討論與分析，其中，振動(dòng)挖掘裝置實(shí)現(xiàn)振動(dòng)減阻挖掘，工作幅寬1 400 mm；薯土分離裝置設(shè)計(jì)了鏈桿的直徑為15 mm、鏈桿中心間距為45 mm的振動(dòng)鏈排和振幅為30 mm的振動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)木薯塊根與土壤振動(dòng)分離。該機(jī)一次作業(yè)能夠完成木薯塊根的挖掘松土、木薯土壤分離輸送提升、木薯收集裝箱及自卸裝車(chē)等功能。作業(yè)時(shí)，輪式拖拉機(jī)跨壟行走在相鄰兩壟溝中，便于機(jī)手操控，收獲過(guò)程中不壓傷木薯塊根，實(shí)現(xiàn)了壟上木薯有效對(duì)行收獲，通過(guò)聯(lián)合作業(yè)，減少了人工撿拾裝車(chē)作業(yè)環(huán)節(jié)，有效提高收獲效率。

2)田間試驗(yàn)表明，4UMZ-1400型后收集式木薯聯(lián)合收獲機(jī)完全符合木薯寬窄雙行起壟種植農(nóng)藝機(jī)收要求，損失率≤6.8%、含雜率≤9.7%、生產(chǎn)率為0.21～0.33 hm2/h，滿足設(shè)計(jì)要求，但總體設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)定相對(duì)偏高，裝備需要進(jìn)一步優(yōu)化提高。