田 亮，曹成茂,2*，張 遠(yuǎn)，秦 寬,2，葛 俊,2，方梁菲

聯(lián)合式前胡收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

田 亮1，曹成茂1,2*，張 遠(yuǎn)1，秦 寬1,2，葛 俊1,2，方梁菲1

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，合肥 230036)

針對(duì)丘陵山區(qū)前胡收獲工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、無專用機(jī)型等問題，設(shè)計(jì)了一款聯(lián)合式前胡收獲機(jī)。在闡述前胡收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合前胡收獲農(nóng)藝要求，對(duì)挖掘裝置、輸送裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)進(jìn)行了理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定收獲機(jī)挖掘裝置和輸送裝置的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)。對(duì)振動(dòng)裝置、分離裝置工作過程的臨界狀況進(jìn)行受力分析，確定收獲機(jī)振動(dòng)篩和圓筒篩工作參數(shù)范圍。以工作效率、損失率、損傷率和含雜率為指標(biāo)，對(duì)收獲機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。結(jié)果表明：收獲機(jī)以最小前進(jìn)速度0.8 m·s-1和最大前進(jìn)速度1.2 m·s-1作業(yè)時(shí)，工作效率分別為0.19和0.28 hm2·h-1，損失率分別為3.56%和3.62%，損傷率分別為2.83%和2.79%，含雜率為3.28%和3.67%。前胡收獲機(jī)各項(xiàng)工作指標(biāo)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果可為根莖類作物收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)提供參考。

前胡收獲機(jī)；挖掘鏟；振動(dòng)篩；圓筒篩；試驗(yàn)

前胡是典型的根莖類中藥材，為傘形科前胡屬多年生草本植物白花前胡的干燥根，有著重要的經(jīng)濟(jì)和藥用價(jià)值[1-2]。近年來，隨著國家的政策扶持，前胡的種植規(guī)模和產(chǎn)量逐年增加。但由于前胡收獲機(jī)械化水平較低，嚴(yán)重制約了前胡的種植規(guī)模和綜合經(jīng)濟(jì)效益。

目前，針對(duì)前胡種植農(nóng)藝的收獲機(jī)械鮮有報(bào)道，大多數(shù)采用人工挖掘或者其他牽引式根莖類收獲機(jī)械進(jìn)行前胡采收。但人工收獲工作強(qiáng)度大、效率低。通用式機(jī)械無法適應(yīng)前胡種植農(nóng)藝要求，存在前胡根莖損傷以及漏收等情況，影響作業(yè)效果。研發(fā)前胡專用收獲機(jī)械，促進(jìn)前胡種植機(jī)械化、規(guī)模化，成為必然趨勢(shì)。

本研究針對(duì)前胡種植農(nóng)藝，對(duì)收獲過程挖掘、運(yùn)輸以及根土分離裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。以工作效率、損失率以及損傷率為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行前胡收獲機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)，以期為前胡收獲機(jī)械研究提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 前胡種植要求

目前，前胡采用壟作種植，前胡壟作的規(guī)格因地形不同而略有差異[3-4]。為實(shí)現(xiàn)前胡種植機(jī)械化，在較平緩地帶，前胡壟高為160 mm左右，壟面寬810 mm，兩壟之間留有150 mm左右的壟溝[5-6]，前胡以280 mm的行距種植在壟面上，前胡苗帶寬為50 mm。前胡種植模式如圖1所示。

1. 壟面；2. 前胡；3. 壟底；4. 壟溝。

Figure 1 Schematic diagram ofplanting patterns

前胡在冬季至次春莖葉枯萎或未抽花莖時(shí)采挖[7]。前胡收獲作業(yè)時(shí)，挖掘鏟將前胡根莖和土壤鏟起，經(jīng)過振動(dòng)和輸送裝置后，進(jìn)入分離裝置內(nèi)，在離心力和重力的作用下進(jìn)行根土分離。

1. 挖掘裝置；2. 振動(dòng)裝置；3. 限深置；4.為輸送裝置；5. 液壓缸；6. 分離裝置；7. 行走履帶；8. 車架；9. 駕駛室；10. 收集箱。

Figure 2 Schematic diagram of combineharvester

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

前胡收獲機(jī)主要由挖掘裝置、振動(dòng)裝置、輸送裝置、分離裝置和履帶式底盤等組成。聯(lián)合式前胡收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

工作時(shí)，柴油機(jī)為機(jī)具提供動(dòng)力。松土刀將土壟破碎，經(jīng)挖掘鏟將根土混合物挖起。振動(dòng)篩帶動(dòng)挖起的根土混合物抖動(dòng)，使根土混合物松散并運(yùn)輸?shù)捷斔蛶?。根土混合物?jīng)輸送帶移動(dòng)至圓筒篩內(nèi)。圓筒篩轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入圓筒篩內(nèi)的根土混合物在離心力、摩擦力和重力的作用下，根、土分離，分離出的土壤從圓筒篩縫隙中掉落，潔凈的前胡從圓筒篩中落入收集箱中。機(jī)架和挖掘鏟通過液壓缸連接，液壓缸的伸縮控制前胡收獲機(jī)挖掘深度。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 挖掘裝置設(shè)計(jì)

挖掘裝置的目的是以帶最少的泥土量挖掘前胡，使土壤松碎，把挖起的物料送到其后面的振動(dòng)分離裝置上。

挖掘裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，挖掘裝置主要由挖掘鏟和碎土板組成。挖掘鏟挖起的土壤升到一定高度時(shí)，由于自身重力以及與碎土板的摩擦，土壤發(fā)生破碎，避免了壅土情況。

W為挖掘裝置寬度，mm；1. 挖掘鏟；2為碎土板。

Figure 3 Schematic diagram of excavation device

2.1.1 挖掘鏟鏟面傾角參數(shù)設(shè)計(jì) 挖掘鏟鏟面傾角大小影響到挖掘鏟的入土性能、碎土性能、挖掘阻力及掘起物提升的高度。圖4為物料在鏟面上受力示意圖。

l1為挖掘鏟長度，mm；l2為碎土板長度，mm；h為挖掘鏟高度，mm；α為鏟面傾角，（°）；Ff為鏟面對(duì)物料的摩擦力，N；G為物料重量，N；Q為物料沿著挖掘鏟移動(dòng)所受到的力，N；N為鏟面對(duì)物料的支持力，N；O為鏟面上的物料質(zhì)點(diǎn)。

Figure 4 Schematic diagram of material stress on shovel surface

對(duì)挖掘鏟鏟面上的物料進(jìn)行受力分析，可得

（1）

式（1）中，為物料重量，N；F為鏟面對(duì)物料的摩擦力，N；為物料沿著挖掘鏟移動(dòng)所受到的力，N；為鏟面對(duì)物料的支持力，N；為鏟面傾角，（°）；為物料與鏟面之間的摩擦系數(shù)。

計(jì)算可得

（2）

由式（2）可知，鏟面傾角越大，土壤破碎效果越好，但工作阻力隨之增大；鏟面傾角越小，挖掘鏟入土性能越好，工作阻力越小，但土壤不易破碎，不利于后續(xù)的根土分離工作，增加整機(jī)的工作負(fù)荷[8-10]。為了提升前胡收獲機(jī)整機(jī)工作效率，需選用合理的鏟面傾角。根據(jù)前胡種植農(nóng)藝[11-13]，挖掘鏟入土深度為150～200 mm，則鏟面傾角變化范圍為23～28°。

2.1.2 挖掘鏟鏟刃張角設(shè)計(jì) 挖掘鏟的鏟刃張角是挖掘鏟挖起前胡與土壤混合物的保證。收獲作業(yè)時(shí)，挖掘裝置中的挖掘鏟全部刺入土壤中，將前胡根莖和土壤挖起。莖稈和雜草沿著挖掘鏟鏟刃滑走，避免纏草。對(duì)鏟刃上的土壤進(jìn)行受力分析，研究鏟刃張角對(duì)挖掘過程的影響，如圖5所示。

P為土壤對(duì)鏟刃的阻力，N；N0為鏟刃對(duì)土壤的支持力，N；F0為鏟刃對(duì)土壤的摩擦力，N；γ為鏟刃張角，（°）；M為鏟刃上的土壤質(zhì)點(diǎn)。

Figure 5 Schematic diagram of soil stress on shovel blade

鏟刃張角必須使莖稈和雜草都能滑離鏟刃，以防掛草。為此，必須滿足以下的滑切條件

（3）

式（3）中，為土壤對(duì)鏟刃的阻力，N；N為鏟刃對(duì)土壤的支持力，N；F為鏟刃對(duì)土壤的摩擦力，N；為鏟刃張角，（°）；μ為土壤與鋼之間摩擦系數(shù)，μ=tanφ，為土壤與挖掘鏟的摩擦角，（°）。

化簡式（3），可得

（4）

由式（4）可知，若過大，則莖稈、雜草不能被切斷，會(huì)出現(xiàn)挖掘鏟掛草和堵塞現(xiàn)象。過小，會(huì)降低挖掘鏟耐磨性，增加機(jī)具損失率與損傷 率[14-15]。土壤與鋼之間的摩擦系數(shù)μ=tanφ ≈ 0.85～0.9，即40.4°～42°，則應(yīng)小于96°。本研究選取鏟刃張角為92°，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 挖掘裝置工作寬度設(shè)計(jì) 挖掘裝置的工作寬度需依據(jù)前胡種植農(nóng)藝，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮前胡的生長狀況。挖掘裝置可由式（5）得到，即

（5）

式中，為挖掘裝置工作寬度，mm；為壟上前胡種植行數(shù)；s為前胡種植行距，mm；s為前胡分布范圍，mm；為綜合標(biāo)準(zhǔn)差，mm；ε為行距標(biāo)準(zhǔn)差，mm；ε為前胡分布范圍標(biāo)準(zhǔn)差，mm；為機(jī)具行駛偏差，取50～60 mm。

根據(jù)前胡機(jī)械化種植農(nóng)藝，每壟種植3行前胡，行距為280 mm，代入式（5）中，計(jì)算得挖掘裝置工作寬度為800 mm。

2.1.4 挖掘裝置長度設(shè)計(jì) 由圖4中幾何關(guān)系可得，

（7）

式（7）中，l為挖掘鏟長度，mm；為挖掘鏟高度，mm。

前胡根莖深度一般在150～180 mm左右[16-17]，為保證挖掘作業(yè)是不損傷前胡根莖，選取挖掘深度為200 mm。

當(dāng)挖起后的根土混合物運(yùn)動(dòng)到挖掘鏟末端時(shí)的速度為v，繼續(xù)沿著碎土板上升到末端時(shí)，速度為零，土壤散開并開始堆積。根據(jù)能量守恒定理，在這一過程中，根土混合物的動(dòng)能等于摩擦力所做的功和增加的重力勢(shì)能之和，即

（8）

式中，E為根土混合物運(yùn)動(dòng)到挖掘鏟末端時(shí)所具有的動(dòng)能，J；W為根土混合物從挖掘鏟末端上升到碎土板末端過程中摩擦力所做的功，J；E為根土混合物從挖掘鏟末端上升到碎土板末端過程中增加的重力勢(shì)能，J；為根土混合物的質(zhì)量，kg；v為根土混合物運(yùn)動(dòng)到挖掘鏟末端時(shí)的速度，m·s-1；為重力加速度，m·s-2；l為碎土板長度，mm。

將式（9）代入式（8），可得

（10）

化簡式（10），可得

（11）

挖掘裝置長度由兩部分組成，即挖掘鏟長度l和碎土板長度2，則

（12）

將式（7）和式（11）代入式（12），可得

（13）

2.2 連桿式振動(dòng)篩設(shè)計(jì)

為保證挖掘鏟挖起的物料能夠順利進(jìn)入輸送帶上，在挖掘鏟后方的機(jī)架上設(shè)置連桿式振動(dòng)篩。振動(dòng)篩通過連桿將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到篩面上，帶動(dòng)篩面上的根土混合物抖動(dòng)。篩面上的物料由于振動(dòng)篩的抖動(dòng)而上滑、下滑或拋起，從而達(dá)到輸送物料的目的。

在抖動(dòng)過程中，由于物料與篩面之間的摩擦力和物料內(nèi)部間的摩擦力的作用，以及物料與篩面碰撞產(chǎn)生的能量沖擊，使得物料變得松散[18-19]。振動(dòng)篩的篩面采用篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，較松散的土壤從篩孔中通過，尺寸較大的前胡根莖則不會(huì)從篩孔中通過，實(shí)現(xiàn)物料的初步篩分。

2.2.1 振動(dòng)篩參數(shù)確定 根據(jù)田間實(shí)地測(cè)量，前胡根莖在收獲時(shí)，長度為120～150 mm，直徑為20～30 mm。為保證篩面上前胡根莖不通過篩孔，松散的土壤通過篩孔，篩孔大小設(shè)定為40 mm× 80 mm。

振動(dòng)篩上前胡根莖的尺寸比篩孔直徑略大。當(dāng)振動(dòng)篩抖動(dòng)頻率過高時(shí)，振動(dòng)篩上的根土混合物運(yùn)動(dòng)速度過快，物料與物料以及物料與篩孔邊緣發(fā)生相互碰撞，使得物料在篩面上滯留，無法通過篩 網(wǎng)[20]，影響振動(dòng)篩工作效果。當(dāng)振動(dòng)篩抖動(dòng)頻率過低時(shí)，振動(dòng)篩上的物料與物料碰撞過少，同樣影響篩分效率[21-22]。

2.2.2 振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)分析 前胡收獲機(jī)傳動(dòng)軸通過偏心輪連接曲柄連桿機(jī)構(gòu)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)與雙搖桿機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)前胡根莖與土壤的抖動(dòng)分離，如圖6所示。曲柄繞點(diǎn)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿往復(fù)擺動(dòng)，推動(dòng)雙搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩的往復(fù)振動(dòng)。

AB為搖桿；CD為搖桿；BC為篩面；EC為連桿；EF為曲柄；θ為篩面傾角（°）。

Figure 6 Schematic diagram of vibrating screen

振動(dòng)篩由曲柄帶動(dòng)，曲柄轉(zhuǎn)速影響振動(dòng)篩分效率。振動(dòng)篩由半徑為60 mm的曲柄驅(qū)動(dòng)，搖桿長度為280 mm，搖桿長度為250 mm，搖桿長度為210 mm，連桿長度為500 mm，篩面與水平面傾斜成角，=15°。

為分析物料在振動(dòng)篩上的運(yùn)動(dòng)，選取振動(dòng)篩上的任一物料質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析。物料在篩面上由于振動(dòng)篩的抖動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)沿著篩面上滑、沿著篩面下滑以及向上拋起3種運(yùn)動(dòng)情況。物料在篩面上的受力情況如圖7所示。

m1為篩面上物料質(zhì)量，kg；Q1為篩面上物料運(yùn)動(dòng)慣性力，N；f1為物料與篩面摩擦力，N；N1為篩面對(duì)物料支持力，N；θ為篩面傾角，（°），H為篩面上物料質(zhì)點(diǎn)。

Figure 7 Schematic diagram of material stress on screen surface

當(dāng)物料沿著篩面上滑時(shí)，篩面上質(zhì)點(diǎn)的受力情況如圖所示。

由圖7（a）可知，

（14）

式中，m為篩面上物料質(zhì)量，kg；Q為篩面上物料運(yùn)動(dòng)慣性力，N；f為物料與篩面摩擦力，N；N為篩面對(duì)物料支持力，N；為篩面傾角，（°）；μ為物料與振動(dòng)篩篩面之間摩擦系數(shù)；μ=tan，為土壤與振動(dòng)篩篩面之間的摩擦角，（°）；ω為振動(dòng)篩篩面上物料轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad·s-1；為振動(dòng)篩篩面上物料轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m；為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s。

將式（15）代入式（14），可得

（16）

由于cosωt≤1，根據(jù)式（16）可知

（17）

當(dāng)物料沿著篩面下滑時(shí)，篩面上質(zhì)點(diǎn)的受力情況如圖7（b）所示。

由圖7（b）可知，

（18）

同理，可得

（19）

（20）

由式（18）可知，當(dāng)慣性力Q增大時(shí)，支持力N減小。當(dāng)慣性力增大到一定值時(shí)，支持力減小為0 N，此時(shí)篩面上的物料處于被拋起的臨界狀態(tài)。

因此，當(dāng)物料被拋起時(shí)，存在以下關(guān)系式

（21）

化簡可得，

（22）

由于≤1，由式（22）可知

（23）

定義為12與的比值。將土壤與篩面的摩擦角以及篩面傾角代入式（17）（20）（23）中，可得1=0.83；

2= 0.94；3= 3.73，則有>3>2>1，物料在振動(dòng)篩上同時(shí)存在上滑、下滑以及上拋的情況，且上滑多于下滑。為保證振動(dòng)篩獲得足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度并防止曲柄轉(zhuǎn)速過快影響作業(yè)效果，本研究選取曲柄轉(zhuǎn)速為540～720 r·min-1，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 輸送帶設(shè)計(jì)

輸送裝置的作用是將振動(dòng)篩中初步篩選的物料輸送至分離裝置進(jìn)再分離。本研究選用鏈桿式輸送裝置，在輸送物料的同時(shí)，松散的土壤從輸送裝置的縫隙中漏出，提升篩分效率。

輸送帶前進(jìn)速度過大，物料在輸送過程中的摩擦損傷過大，影響機(jī)具收獲效果，同時(shí)也影響輸送帶的使用壽命；輸送帶前進(jìn)速度過小，輸送能力不足，會(huì)造成物料在輸送帶上壅堵，影響機(jī)具作業(yè)效率[23-24]。定義為輸送帶線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的比值。

（24）

式（24）中，1為輸送帶線速度，m·s-1；0為機(jī)具前進(jìn)速度，m·s-1。

由于土壤類型、作物種類、動(dòng)力輸出類型、自然條件和對(duì)作物收獲標(biāo)準(zhǔn)的不同，輸送帶的線速度取值差異很大。相關(guān)研究表明[25-27]，分離輸送裝置線速度為1.2 ～ 2.0 m·s-1時(shí)，作業(yè)效果較好；超過2 m·s-1時(shí)，作業(yè)效果變差。

為了保證良好的作業(yè)效果，同時(shí)獲得較高得工作效率，前胡收獲機(jī)需選取適宜的前進(jìn)速度與輸送裝置線速度。為獲得較好的收獲質(zhì)量，前胡收獲機(jī)工作速度一般為0.8～1.2 m·s-1。為保證挖掘裝置挖起的物料在輸送帶上順利通過，輸送帶線速度略大于機(jī)具前進(jìn)速度，本研究選取輸送帶線速度1=1.5 m·s-1。

2.4 圓筒篩設(shè)計(jì)

圓筒篩將挖掘裝置挖起的物料進(jìn)行篩分，得到潔凈的前胡根莖。物料進(jìn)入圓筒篩后，在摩擦力作用下與圓筒篩一起運(yùn)動(dòng)，沿篩面上升至一定高度后，在重力作用下掉落至圓筒篩底部。物料在圓筒篩內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于離心力和重力的作用，尺寸較小的松散土壤會(huì)透過篩網(wǎng)，前胡根莖則不會(huì)透過篩網(wǎng)，完成篩分作業(yè)。

物料中的松散土壤在圓筒篩內(nèi)存在沿篩面運(yùn)動(dòng)、透篩和下滑3種狀態(tài)，由于離心力的作用，透篩過程主要在土壤下滑過程中進(jìn)行。為保證物料的篩分效果，對(duì)土壤在篩面上運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)臨界狀況進(jìn)行受力分析。圖8為土壤在圓筒篩內(nèi)運(yùn)動(dòng)臨界狀況的受力示意圖。

對(duì)土壤沿篩面滑動(dòng)最低點(diǎn)處進(jìn)行受力分析，可得

式（25）中，μ為土壤與圓筒篩篩面之間摩擦系數(shù)。

計(jì)算，可得

（26）

m2為圓筒篩內(nèi)土壤質(zhì)量，kg；βa為土壤沿篩面滑動(dòng)最低點(diǎn)處離心力與圓筒篩豎直中心線夾角，（°）；βb為土壤沿篩面滑動(dòng)最高點(diǎn)處離心力與圓筒篩豎直中心線夾角，（°）；βc為土壤沿篩面甩出點(diǎn)處離心力與圓筒篩豎直中心線夾角，（°）；fa為土壤沿篩面滑動(dòng)最低點(diǎn)處篩面對(duì)土壤的摩擦力，N；Na為土壤沿篩面滑動(dòng)最低點(diǎn)處篩面對(duì)土壤支持力，N；fb為土壤沿篩面滑動(dòng)最高點(diǎn)處篩面對(duì)土壤的摩擦力，N；Nb為土壤沿篩面滑動(dòng)最高點(diǎn)處篩面對(duì)土壤支持力，N；fc為土壤沿篩面甩出點(diǎn)處篩面對(duì)土壤的摩擦力，N；Nc為土壤沿篩面甩出點(diǎn)處篩面對(duì)土壤支持力，N；ω2為圓筒篩角速度，rad/s；D為圓筒篩直徑，mm；s為圓筒篩上的土壤質(zhì)點(diǎn)。

Figure 8 Stress diagram of soil moving in critical condition in cylindrical sieve

同理，對(duì)土壤沿篩面滑動(dòng)最高點(diǎn)處進(jìn)行受力分析，可得

（27）

計(jì)算，可得

（28）

同理，對(duì)土壤在篩面上甩出點(diǎn)處進(jìn)行受力分析，可得

（29）

計(jì)算，可得

（30）

由式（26）（28）（30）可知，當(dāng)圓筒篩轉(zhuǎn)速不變時(shí)，存在β<β圓筒篩轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，篩筒內(nèi)的土壤在摩擦力的作用下，隨篩面一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)土壤與圓筒篩豎直中心線夾角達(dá)到β時(shí)，土壤出現(xiàn)下滑和上升并存的情況，但上升趨勢(shì)大于下滑趨勢(shì)；當(dāng)土壤與圓筒篩豎直中心線夾角達(dá)到β時(shí)，土壤在重力的作用下全部下落；部分土壤在下滑過程中，從篩網(wǎng)中透出。

β越小，滑動(dòng)區(qū)域越大，篩分效果越好，但β小于零時(shí)，圓筒篩內(nèi)的土壤將穿過篩孔向上拋出，下落到圓筒篩外表面后可能會(huì)沿表面下滑，阻礙篩內(nèi)土壤透篩，降低篩分效率[30-31]。為防止土壤從圓筒篩頂部甩出，土壤沿篩面滑動(dòng)最高點(diǎn)處離心力與圓筒篩豎直中心線夾角β需大于零。土壤運(yùn)動(dòng)到圓筒篩頂部時(shí)，土壤自重大于土壤所受離心力，使得土壤從圓筒篩頂部掉落，即

（31）

由式（31）可得，

（32）

根據(jù)相關(guān)研究[28-29]，本研究設(shè)計(jì)的圓筒篩中2取0.85，考慮到整機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊性，圓筒篩直徑設(shè)計(jì)為800 mm，分別代入式（26）（32）中，可得5.6 rad·s-1<2<7.0 rad·s-1，即圓筒篩轉(zhuǎn)速為54～68 r·min-1。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2021年12月10日在安徽省宣城市寧國市前胡種植基地進(jìn)行前胡收獲機(jī)田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地面積1.20 hm2，地勢(shì)平坦，土壤為沙壤土，含水率為13.2%～15.4%，容重為1.43 g·cm-3，土壤松散，無黏性。

試驗(yàn)儀器：卷尺、土壤水分測(cè)定儀、土壤堅(jiān)實(shí)度儀、電子天平（精度±0.1g）、環(huán)刀、恒溫干燥箱、秒表、聯(lián)合式前胡收獲機(jī)樣機(jī)等。

3.2 試驗(yàn)方法

按照國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》（GB/T5262—2008）、《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》（GB/T5567—2008）和有關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)方法[30-31]，對(duì)研制的前胡收獲機(jī)進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，測(cè)定前胡收獲機(jī)工作效率、收凈率、損傷率和含雜率4個(gè)指標(biāo)，考察收獲機(jī)挖掘裝置、振動(dòng)裝置、輸送裝置以及分離裝置各部分以及收獲機(jī)整體性能。

圖9 聯(lián)合式前胡收獲機(jī)田間試驗(yàn)圖

Figure 9 Field test of combineharvester

試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)區(qū)域分為5個(gè)測(cè)試區(qū)，每個(gè)測(cè)試區(qū)內(nèi)土壤條件、植被條件以及作物特征均相同。測(cè)試區(qū)分為加速啟動(dòng)段、勻速工作段和減速制動(dòng)段。選取取機(jī)具勻速工作段進(jìn)行測(cè)量，5個(gè)測(cè)試區(qū)的數(shù)據(jù)取平均值。

前胡收獲機(jī)田間作業(yè)后，人工找出測(cè)試區(qū)內(nèi)未挖掘的殘留前胡根莖并稱重；將前胡收獲機(jī)收集到的前胡和雜質(zhì)進(jìn)行分類并稱重。收凈率為收獲機(jī)收集的前胡質(zhì)量與測(cè)試區(qū)內(nèi)前胡總質(zhì)量的百分比。損傷率為收獲后損傷的前胡質(zhì)量與收集到的前胡質(zhì)量的百分比。含雜率為收獲機(jī)收集的雜質(zhì)質(zhì)量與收集的雜質(zhì)和前胡總質(zhì)量的百分比。每組數(shù)據(jù)測(cè)量3次取平均值，通過試驗(yàn)區(qū)域的試驗(yàn)指標(biāo)估計(jì)整體指標(biāo)。

前胡收獲機(jī)的收凈率、損傷率、含雜率可由式（33）得出

（33）

式（33）中，1為收凈率，%；2為損傷率，%；3為含雜率；1為測(cè)試區(qū)未獲收前胡總質(zhì)量，kg；2為測(cè)試區(qū)收獲前胡總質(zhì)量，kg；3為收獲前胡中損傷前胡總質(zhì)量，kg；4為收獲機(jī)收集的雜質(zhì)總質(zhì)量，kg。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于前胡種植農(nóng)藝和生長狀況，設(shè)定收獲機(jī)挖掘深度為200 mm。經(jīng)過前期初步試驗(yàn)，收獲機(jī)工作速度為0.8～1.2 m·s-1時(shí)效果最佳。樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)，選取最小工作速度為0.8 m·s-1，最大工作速度1.2 m·s-1。

聯(lián)合式前胡收獲機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 聯(lián)合式前胡收獲機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)對(duì)土質(zhì)松軟、無板結(jié)的丘陵山區(qū)前胡收獲的質(zhì)量和適應(yīng)性好；對(duì)前胡莖稈與土壤、雜草的分離能力強(qiáng)，在不清除雜草與前胡莖稈的條件下能順利作業(yè)；生產(chǎn)效率高，損失率、損傷率以及含雜率低，工作性能良好，主要質(zhì)量指標(biāo)均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

由表1可知，當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度由0.8 m·s-1增加到1.2 m·s-1時(shí)，對(duì)應(yīng)的機(jī)具工作效率提高，損失率略有升高，損傷率下降不明顯，含雜率增加較多。在其他收獲條件不變的條件下，作業(yè)速度增加，收獲機(jī)在同樣工作時(shí)間內(nèi)收獲更多地塊，作業(yè)效率隨之提高。作業(yè)速度增加，收獲機(jī)在同一田塊內(nèi)的作業(yè)時(shí)間變少，機(jī)具漏收前胡的幾率增大，導(dǎo)致?lián)p失率略有升高。

3.4 討論

作業(yè)速度增加，在其他收獲條件不變的條件下，收獲機(jī)在同等時(shí)間內(nèi)作用于更多田塊，挖掘裝置挖起的物料增加，增加了物料與機(jī)具工作部件之間的緩沖，使得前胡根莖的損傷相對(duì)減少。同時(shí)挖掘裝置挖起物料的增加，使得挖起前胡的總質(zhì)量增加，損傷前胡與挖起前胡的比例減少，因而損傷率略有下降。但物料的緩沖作用相對(duì)較小，同時(shí)挖起物料增加也會(huì)引起損傷前胡的增加，綜合作用下，損傷率稍有下降，但不明顯。

作業(yè)速度增加，在其他收獲條件不變的條件下，挖掘裝置挖起的前胡和土壤增加，使得進(jìn)入機(jī)具輸送和分離裝置的前胡根莖和土壤增加，同樣工作條件下的輸送和分離裝置工作負(fù)載增加，沒有被分離的雜質(zhì)增多，導(dǎo)致含雜率升高。

本研究設(shè)計(jì)的前胡收獲機(jī)工作能耗較大，智能化程度不高，后續(xù)將開展對(duì)整機(jī)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)與智能化研究。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)丘陵山區(qū)前胡收獲機(jī)械化程度低問題，設(shè)計(jì)了一款前胡專用收獲機(jī)械并進(jìn)行田間試驗(yàn)，可一次性完成前胡挖掘、輸送和根土分離等作業(yè)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升工作效率。

（1）設(shè)計(jì)了一款針對(duì)丘陵山區(qū)前胡收獲的專用機(jī)型，對(duì)收獲機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，確定其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。挖掘裝置的設(shè)計(jì)提升了入土和碎土性能，增加了土壤擾動(dòng)，減少了工作阻力，振動(dòng)篩和輸送帶提高了機(jī)具的可靠性，減少了壅土情況，圓筒篩降低了機(jī)具的含雜率，提升了工作效果。

（2）樣機(jī)試驗(yàn)表明，收獲機(jī)以最小前進(jìn)速度0.8 m·s-1和最大前進(jìn)速度1.2 m·s-1作業(yè)時(shí)，工作效率分別為0.19 hm2·h-1和0.28 hm2·h-1，損傷率分別為3.56%和3.62%，損傷率分別為2.83%和2.79%，含雜率為3.28%和3.67%。收獲機(jī)各項(xiàng)工作指標(biāo)均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該機(jī)適用于土質(zhì)松軟、無板結(jié)的丘陵山區(qū)前胡收獲作業(yè)。

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Design and experiment of combineharvester

TIAN Liang1, CAO Chengmao1,2, ZHANG Yuan1, QIN Kuan1,2, GE Jun1,2, FANG Liangfei1

(1. School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036; 2. Scientific Observing and Experimental Station of Agricultural Equipment for the Southern China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hefei 230036)

Aiming at the problems of low work efficiency, high labor intensity and lack special machinery forharvesting in hills and mountains areas, a combineharvester was designed. Combined with the harvesting agronomy of, the structure and working parameters of the excavation device and conveying device were theoretically analyzed, and the structure and working parameters of the harvester excavation device and conveying device were determined. The limit conditions of the working process of the vibrating device and separation device were analyzed, and the working parameter range of the vibrating screen and cylindrical screen of the harvester were determined. The field test of the harvester prototype was carried out with the working efficiency, loss rate, damage rate and impurity content as the indexes. The field test results showed that: when the harvester operated at the minimum forward speed of 0.8 m·s-1and the maximum forward speed of 1.2 m·s-1, the working efficiency was 0.19 and 0.28 hm2·h-1, the loss rate was 3.56% and 3.62%, the damage rate was 2.83% and 2.79%, and the impurity content was 3.28% and 3.67%, respectively. All work indexes ofharvester meet industry standards. This study can provide a reference for the design of rhizome crop harvesting machinery.

harvester; excavation shovel; vibrating screen; cylindrical screen;experiment

S225.7

A

1672-352X (2022)05-0815-08

10.13610/j.cnki.1672-352x.20221111.012

2022-11-14 14:15:05

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20221111.1112.024.html

2021-12-17

國家自然科學(xué)基金（52105239），安徽省重大專項(xiàng)（17030701046），安徽省自然科學(xué)基金（1808085QE171）和安徽省自然科學(xué)基金（2008085QE270）共同資助。

田 亮，博士研究生。E-mail：528394233@qq.com

曹成茂，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：caochengmao@sina.com