姚自力 楊自棟 王寒松 姚立健 趙超 徐麗君

摘 要： 針對我國丘陵山地番薯收獲作業(yè)中存在的現(xiàn)有機型實用性較低、傷薯率高、明薯率較低，以及多為人工收獲等問題，設計一種適用于丘陵山地輕量化番薯收獲機。整機結構主要由變速箱、三點懸掛裝置、挖掘裝置、二次分選裝置和升運分離裝置等組成。該收獲機挖掘番薯效率較高，并在其升運期間振動分離土薯，同時收集升運過程中掉落番薯至二次分選裝置并振動分離土薯。進行了樣機三維模型建立及樣機田間試驗。試驗結果表明，滿足番薯收獲機工作需求，并以此為以后樣機改進提供理論依據(jù)與現(xiàn)實基礎。

關鍵詞：丘陵山地；番薯收獲機；番薯挖掘；結構設計；田間試驗

中圖分類號：S225.7+1文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）08-0100-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.017

0 引言

番薯別稱地瓜、甘薯、紅苕等，隸屬于旋花科植物， 兼具食用藥用功效， 是我國的傳統(tǒng)糧食作物[1-4]。我國番薯種植面積與年產(chǎn)量均為世界前列，但產(chǎn)業(yè)機械化程度較低[5]。目前我國種植薯類和收獲過程仍然以人工為主，存在著勞動強度較大、耗時較高、效率低下等問題，導致種植戶利潤較低[6-8]。

國外薯類收獲機械發(fā)展較早，而且技術先進、功能較多。如德國GRIMME 公司的GT170 型馬鈴薯收獲機可隨地面仿形；比利時AVR 公司設計制造了AVRPUMA3型自走式薯類收獲機，可實現(xiàn)連續(xù)高效作業(yè)[9]。楊小平等[10] 設計了4U-1 600 型集堆式馬鈴薯收獲機，利用了兩級升運鏈。王啟增[11] 針對土薯分離環(huán)節(jié)進行改進。但現(xiàn)有收獲機依舊存在著傷薯、漏薯、未能完全土薯分離等問題[12]。浙江省許多地區(qū)多為丘陵山地地形，受此條件制約，現(xiàn)有收獲機械并不能完全適配浙江大多零散農(nóng)戶所面對的農(nóng)藝措施和特殊地形[13-14]。

基于上述問題，結合浙江省種植農(nóng)戶的實際要求和所面臨種植情況，設計一種適合在丘陵山地小地塊進行收獲作業(yè)的輕量化小型番薯收獲機，并且能夠做到振動挖掘和二次分選功能。在闡述機具整體結構與傳動系統(tǒng)的基礎上，積極開展田間試驗及結果分析，為后續(xù)樣機的改進制造提供理論依據(jù)與實際試驗的基礎。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

根據(jù)浙江省大多采取的種植農(nóng)藝與丘陵山地地形特點，確定整機采用單壟收獲的方式，樣機結構如圖1 所示，主要由三點懸掛裝置、挖掘裝置、傳動系統(tǒng)、升運分離裝置和二次分選裝置等組成。番薯收獲機通過三點懸掛方式與拖拉機后動力輸出軸連接，做到工作時挖掘裝置掘起土薯混合物并將其共同輸送至后方，升運分離裝置將土薯混合物向后上方運送并在此過程中進行振動分離土薯，二次分選裝置在工作時將升運時掉落薯塊收集，同時進行土薯分離。樣機試驗應完成番薯挖掘、升運分離及二次分選等作業(yè)，并且做到薯塊完整運輸、破損率降低、土薯分離情況完好等效果。

1.2 傳動系統(tǒng)設計與結構

番薯收獲機傳動系統(tǒng)結構如圖2 所示，通過三點懸掛方式與拖拉機動力輸出軸連接，動力輸入變速箱內(nèi)，變速箱將動力經(jīng)過鏈傳動和帶傳動裝置分別傳遞到挖掘裝置、升運分離裝置和二次分選裝置，使得番薯收獲機從田間挖掘出番薯，并將其通過升運篩上升并進行土薯分離，二次分選籃也會前后振動將從升運篩上掉落番薯進行土薯分離。

田間作業(yè)時，番薯收獲機懸掛在拖拉機后方牽引前進，動力經(jīng)過變速箱后由變速箱動力輸出軸傳出，并通過鏈輪傳動使第1 傳動軸轉動，第1 傳動軸帶動兩側偏心輪轉動，從而帶動挖掘裝置的工作。第1 傳動軸經(jīng)過鏈輪傳動使得第2 傳動軸工作，第2 傳動軸將兩端偏心輪轉動，帶動二次分選裝置工作。第2 傳動軸一側存在一小帶輪，小帶輪由于第1 傳動軸轉動帶動后側大帶輪轉動，使第3 傳動軸轉動，從而帶動升運分離裝置工作。第3 傳動軸通過鏈傳動帶動第4、第5 和第6 傳動軸轉動。

升運分離裝置中的振幅、振動頻率、升運鏈工作時的線速度是影響番薯收獲機作業(yè)性能的主要參數(shù)，也是影響番薯破損率和土薯分離效果的重要因素，合理的線速度能夠確保挖掘番薯后向上升運輸順暢，并保有良好的土薯分離效果。通常運用速比λ 來確定升運分離鏈的線速度。

式中 vp——機具前進速度，m/s

vr1——土薯分離升運鏈線速度，m/s

速比λ 取值0.8～2.5，根據(jù)實際作業(yè)的情況需要選擇合適的升運鏈線速度，不同情況有較大的差異，若線速度>2 m/s，其分離土薯能力會有所下降[15]。根據(jù)先前研究，vr1 為1.15～1.85 m/s 土薯分離效果較好，因此結合實際機具作業(yè)前進速度效果確定該番薯收獲機升運鏈線速度1.25 m/s[16]。

升運鏈運行速度按式（2）計算。

經(jīng)過計算可得，第1 傳動軸與變速箱之間傳動比1.14，變速箱輸出軸轉速270.5 r/min。由于拖拉機動力輸出軸轉速540 r/min，由此可得變速箱傳動比1.996。同理，第2 傳動軸鏈輪齒數(shù)32，計算可得第1 傳動軸與二次分選裝置之間傳動比1.45，并且二次分選裝置中傳動軸轉速211.33 r/min。

同理，第4、5、6 傳動軸與第3 傳動軸傳動比1，即其轉速皆為156.3 r/min。

2 關鍵部件結構設計

2.1 挖掘裝置結構

作業(yè)時挖掘裝置主要起到疏松壟上土壤并將土壤和番薯混合物一同從壟中掘起并向后運輸。挖掘裝置主要由前端限深輪、挖掘鏟、挖掘擺臂、轉動偏心輪和連接搖臂等部件組成，結構如圖3 所示。

作業(yè)時，前端限深輪控制挖掘深度和殺秧情況，隨后變速箱輸出拖拉機動力至傳動軸，傳動軸帶動兩側偏心輪轉動，使與偏心輪所連接的連桿前后擺動，挖掘臂進行前后挖掘工作，并將掘起的混合物一起向后輸送。在挖掘過程中，挖掘鏟的鏟長、鏟寬、鏟刃傾角、入土角度和入土深度等都會對挖掘阻力和番薯收獲情況造成影響，為了使得能夠輕松挖掘和挖掘物能夠輕松離開， 提高挖掘效率， 鏟刃傾角應滿足<60°。

2.2 升運分離裝置結構

升運分離裝置主要在工作時利用分離篩桿滾動做到將土薯混合物向后方升運輸送，并在此過程中利用三角鐵往復轉動頂起鏈條與分離篩桿進行振動分離土薯。升運分離裝置主要由分離篩桿、三角鐵、前支重輪和后支重輪等組成，結構如圖4 所示。

作業(yè)時，動力由上部傳動軸輸入升運分離裝置，并通過軸端小帶輪轉動，帶傳動帶動后方主傳動軸轉動及主傳動軸兩側鏈輪轉動，從而帶動分離篩桿滾動，達到薯塊升運的效果，并且主傳動軸根據(jù)一側鏈傳動帶動前方3 處傳動軸轉動，以此帶動三角鐵的往復轉動運動。三角鐵往復轉動是分離裝置振動的主要來源，根據(jù)三角鐵所在軸轉動帶動三角鐵往復轉動頂起兩側鏈條，以此往復來達到振動效果，配合薯塊在篩桿上的升運滾動來進一步分離土薯。以三角鐵為主體的振動裝置高頻低幅的周期性振動沖擊土薯混合物并將其擊碎后分離，確保薯塊被振動裝置彈起的高度在一定范圍內(nèi)，不能過高以降低薯塊跌落高度，從而減少薯塊的破皮率與擦傷的概率。同時在每根分離篩桿外套上一層橡膠管，將剛性的分離篩桿進行柔性外殼保護，以降低薯塊向上滾動和薯塊振動跌落時與分離篩桿的碰撞，從而降低薯塊的破損概率。前支重輪與后支重輪并不參與主動轉動，僅起到支撐鏈條質量的作用，使鏈條在番薯收獲機田間作業(yè)時更好地傳遞動力。

考慮到作業(yè)環(huán)境土壤特性多為黏性土壤，將振動裝置振幅范圍設置15～50 mm 為合理區(qū)間，并考慮番薯的碰撞和破損問題，確定振幅30 mm。根據(jù)現(xiàn)作業(yè)環(huán)境番薯品種的一般物理特性和尺寸，兩篩桿相隔55 mm。并且番薯塊莖屬于散粒體，其在升運分離裝置上的力學特性研究能為番薯破損提供良好的理論依據(jù)[17]。在篩桿外側套上橡膠管與在65Mn 鋼運動對比以降低番薯破損的概率，由于機械化作業(yè)時，制造材料鋼材、橡膠與番薯塊莖發(fā)生作用，因此需要測定此兩種材料與番薯塊莖的摩擦特性。當薯塊置于升運裝置的斜面時，不計空氣阻力，根據(jù)牛頓運動定律可知其所受的靜摩擦力fs 按式（5）計算。

fs = _mgcos_ （5）

式中 μ——摩擦系數(shù)

m——番薯質量，kg

θ——靜摩擦角

g——重力加速度，10 m/s2

其中靜摩擦角θ 即為升運鏈傾角，因此固定不變，即探尋薯塊與兩種材料之間的摩擦系數(shù)便可得知塊莖的摩擦特性。查閱資料可得，經(jīng)試驗薯類塊莖與橡膠之間的靜摩擦系數(shù)分布范圍0.504～0.694；而與65Mn鋼板之間的靜摩擦系數(shù)范圍0.021 7～0.395 0。由此可知，由于橡膠摩擦系數(shù)更大，導致薯塊靜摩擦力更大，因此機具篩桿增加橡膠管后摩擦力增強防止番薯滾動造成的破皮及減少了與鋼材之間的激烈碰撞導致的破損。在實際田間對比試驗中也能清楚看出增加橡膠管后番薯薯塊破損明顯降低。

作業(yè)時，動力由鏈傳動進入二次分選裝置主傳動軸，帶動傳動軸兩端偏心輪轉動，偏心輪帶動二次分選裝置連桿前后擺動和二次分選擺臂擺動，從而帶動下方二次分選收集籃振動分離土薯，將從上方篩桿掉落的薯塊集中收集。

3 樣機試驗與結果分析

3.1 試驗過程

樣機制造完成后于2022 年10 月4 日在浙江省杭州市臨安區(qū)進行試驗研究。該地區(qū)多為丘陵山地，光照充足并且地勢較為平坦，適宜番薯種植，種植模式為單行式壟作，并且為小地塊種植。為驗證樣機在丘陵小地塊上的不同收獲效果和薯塊的損傷情況，因此對兩行薯壟進行殺秧處理，對一行薯壟不進行殺秧處理，在挖掘深度、樣機行進速度、分離篩桿運行速度等都保持不變的情況下，測量樣機的挖掘情況，計算樣機試驗的明薯率、漏薯率、破損率。試驗進行2 次，第2 次與第1 次試驗樣機相比，篩桿外增加了橡皮管減少磨損和碰撞，并對限深輪加以改進。試驗目的：一是驗證樣機是否能正常工作挖掘、輸送番薯；二是測試樣機挖掘番薯的損傷、挖掘情況，觀察記錄漏薯率和明薯率等。試驗過程如圖7 和圖8 所示。

3.2 試驗結果與分析

傷薯率是薯類收獲機重要的指標，國內(nèi)外關于薯類機械損傷和分離率的研究有很多。傷薯率高、明薯率低、土薯分離效果差是國內(nèi)馬鈴薯收獲機面臨的通病和難題。初代樣機采用升運鏈式番薯收獲，在番薯收獲時升運鏈振動和底部篩網(wǎng)二次振動進行土薯分離，并進行了田間試驗。

（1）試驗表明，初代樣機能做到正常挖掘番薯、輸送番薯，但由于限深輪原因，樣機前方番薯秧堆積較為嚴重，將限深輪修改或者取下后有良好改善。

（2）樣機挖掘番薯情況良好，漏薯率較低，也并不會切斷整塊番薯，但番薯損傷率較高，破皮率較高。將升運鏈導桿套上橡皮管以減輕番薯各自和與導桿碰撞后此情況有較好改善。

番薯收獲試驗主要測定收獲過程中土薯分離的效果及條鋪后薯塊傷薯情況，具體測量參數(shù)包括明薯率、傷薯率和損失率。

在拖拉機前進速度為1 m/s、挖掘深度為20 mm 條件下進行兩次試驗作業(yè)，運行長度14.5 m（未殺秧為15 m），第2 次試驗分3 組統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)，結果如表1和表2 所示。

由表1 和表2 可知，第1 次樣機試驗效果并不理想，傷薯率與損失率都比較高，當?shù)? 次改進樣機之后，傷薯率和損失率都有明顯下降，增加橡膠套管等改進對番薯破皮有顯著影響。

由表2 可知，樣機挖掘番薯效果較為不錯，明薯率可以得到保證，并且損失率和傷薯率也較低，3 組數(shù)據(jù)對比可知，傷薯率最低為未殺秧組，因為由于秧苗的存在，降低了薯塊在升運過程中的碰撞破損，使薯塊得到進一步保護。但相比較而言，已殺秧能夠提高番薯挖掘效果，明薯率有所提升。

4 結束語

丘陵山地番薯收獲機能夠一次性完成挖掘、升運分離、收后條鋪和二次振動分選等作業(yè)。并通過計算分析了影響土薯混合物拋起運動的關鍵因素，以及升運鏈工作時的狀態(tài)。田間試驗結果表明，挖掘裝置和升運振動裝置能夠有效提高番薯挖掘效果和挖掘后土薯分離效果，提升了番薯收獲機在小地塊種植時的收獲效率，二次分選裝置能夠有效防止番薯在機具行進過程中薯塊掉落等問題，并能夠同時對其進行振動土薯分離。樣機田間試驗效果較好，對番薯產(chǎn)業(yè)與后續(xù)樣機改進提供理論與現(xiàn)實依據(jù)。

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