鏟篩組合式花生分段收獲機的設計與試驗

于文娟，楊然兵，尚書旗，石　超，楊紅光

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島　266109)

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鏟篩組合式花生分段收獲機的設計與試驗

于文娟，楊然兵，尚書旗，石超，楊紅光

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島266109)

摘要：針對我國現有花生分段收獲機械化程度低、動力消耗大及工作穩定性差等問題，研究設計了一種鏟篩組合式花生分段收獲機。該機將花生的挖掘工序和分離工序合二為一，可一次完成挖掘、去土、送秧等工序，采用曲柄搖桿機構驅動分離篩振動，實現了兩側機構等角度、同方向擺動，減小機身側向力。田間試驗測試表明：收獲機挖掘深度平均為143mm，落果率平均為0.21%，破損率平均為0.33%，果秧含土率平均為0.31%，耗油量平均為712g/kW·h。

關鍵詞：花生；收獲機械；鏟篩組合；分段收獲

0引言

花生是我國主要的油料經濟作物，種植面積廣闊，需求量大。我國在花生收獲方面機械化水平較低，目前的花生收獲無論是人工、畜力還是簡易的機械，整個收獲過程都要經過兩道以上的工序：首先是將花生從土里挖掘；然后人工除土。由此導致果秧損失大、勞動成本高、費時費力。

現有的花生分段收獲機主要由挖掘鏟和抖動鏈結合組成，其結構要相對復雜很多，因而相應的成本較高，消耗的動力較大，可靠性不高，花生果的損失過多，而且不能做到整齊鋪放，浪費人力，影響效率。為此，設計了一種鏟篩組合式的花生分段收獲機。

1整體結構及工作原理

1.1整體結構

鏟篩組合式花生分段收獲機主要由機架、變速箱、分離篩、限深輪、平面連桿機構、防護罩等組成，挖掘鏟與分離篩為一體式結構，如圖1所示。

分段收獲機懸掛在拖拉機后方，由11kW以上的拖拉機提供動力，通過曲柄搖桿機構帶動平行四邊形機構驅動分離篩和挖掘鏟擺動，實現兩側機構的等角度、同方向擺動，減小機架側向力。

1.挖掘鏟　2.機架　3.變速箱

1.2工作原理

花生分段收獲機通過三點懸掛裝置懸掛在拖拉機后方，由拖拉機輸出軸通過萬向聯軸器為收獲機提供動力。收獲過程中，花生分段收獲機將花生秧果與泥土一起由挖掘鏟鏟起；在隨著拖拉機前進的過程中，花生秧果和泥土被推送到分離篩上，在分離篩上被向后輸送的同時，隨著分離篩的振動其上的泥土被不斷清除，清選后的花生秧果經過分離篩末端鋪放到地面上。

2主要工作部件

2.1機架

機架是分段收獲機的骨架，用于承受其他零部件的重力和工作載荷，并保證各零部件相對位置的基準，對機架的要求是有足夠的剛度和硬度。機架橫梁選用60mm×60mm×3mm的方管，機架側板選用厚度為5mm的扁鋼，機架整體寬度為1.2m。機架主要包括三點懸掛裝置、側板、橫梁、挖掘鏟及限深輪固定板，如圖2所示。

圖2　機架三維模型

2.2挖掘鏟

挖掘鏟固定在分段收獲機機架上，挖掘鏟尾部通過柵桿與分離篩銜接。收獲過程中，機車相對花生果秧向前運動，從而使花生果秧通過挖掘鏟尾部柵桿運動到花生分離篩上。

挖掘鏟的主要技術參數主要為入土角α、鏟面長度L、鏟的垂直高度h和鏟的割幅B等，其工作參數如圖3所示。

圖3　挖掘鏟工作參數

挖掘鏟的入土效果與其入土角度有關。當挖掘鏟與地面所成夾角較小時，挖掘鏟受到土壤的反作用力較大，難以達到要求的深度，但鏟面阻力小，易于前進；當入土角度較大時，挖掘鏟受到土壤的反作用力較小，易于達到要求深度，此時鏟面阻力較大，前進消耗的功率加大。圖4為挖掘鏟在前進時的受力分析。

圖4　挖掘鏟受力分析

根據相關原理，為使機器能夠順利前行，應滿足以下條件，即

式中P—鏟子受到土壤沿水平方向的阻力；

R—鏟子對土壤向前的水平推力；

T—挖掘鏟與土壤之間的摩擦力；

G—掘起物的重力；

α—挖掘鏟的入土角；

μ—土壤對鏟的摩擦因數，μ=tanφ。

由此求得

挖掘鏟的入土角與挖掘鏟受到水平方向阻力P的關系如圖5所示。

圖5　挖掘鏟受力分析

根據綜合衡量，為了使挖掘鏟受到的阻力不致于過大、入土深度便于調節，選擇入土角為15°，鏟面長度L定為42mm。根據花生種植模式，確定鏟子的割幅為700mm，鏟子入土深度為150mm。

2.3分離篩

分離篩的作用是通過有規律的振動將花生秧果與泥土分離。分離篩前端延伸至挖掘鏟柵桿下方，篩桿選用直徑為10mm的圓鋼。為避免花生果進入篩桿間隙導致莢果脫落，增大掉果率，篩桿間隙設計為8～15mm。篩桿尾部設計為半圓弧型，便于疏導花生果秧并有序鋪放。分離篩固定在平行四桿機構底架上，在曲柄搖桿機構的驅動下往復擺動，根據拖拉機的轉速，算出本設計的分離篩振動頻率為7Hz。分離篩結構如圖6所示。

圖6　篩桿結構簡圖

2.4平面連桿桿機構

連桿機構廣泛應用于各種動力機械、重型機械、輕功機械、機床、儀表和軍事工業中，如圖7所示。曲柄搖桿機構運動形式多樣，當原動件以同樣的運動規律運動時，可使從動件得到各種不同的運動規律，從而實現不同的運動軌跡，以滿足各種機械的不同要求。低副連接各構件以面接觸，單位面積所受的壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損小，可承受較大載荷，能傳遞較大的動力。低副的運動副元素幾何形狀簡單、加工容易、制造方便，易獲得較高的制造精度；構件可長可短，可用于傳動距離較大場合。

圖7　平行四桿機構三維建模

該鏟鏈組合式花生收獲機需用兩個互相嚙合的錐齒輪改變傳動方向，通過曲柄搖桿機構的擺動來帶動分離篩的往復抖動。連桿機構示意圖如圖8所示。

圖8　連桿機構示意圖

以上傳動部件所涉及的曲柄搖桿機構中，桿件A-B為原動件，作為曲柄，能夠實現整周轉動；桿件D-E為從動件，作為搖桿，只能做擺動運動；桿件B-D為連桿，通過連桿B-D，曲柄A-B的連續轉動轉變成搖桿D-E的往復擺動。

偏心輪(見圖9)是曲柄搖桿機構的核心部件，通過偏心軸與連桿連接，將傳動軸的圓周回轉運動轉變成曲柄搖桿的往復擺動，進而促成分離篩的上下振動，從而將秧果和泥土分離。本文偏心輪的偏心距離設計為8mm。

圖9　偏心輪機構示意圖

根據花生收獲機的工作性能，確定傳動機構的尺寸參數為：LA-B=350mm，LB-C=195，LC-D=300，LD-E=300,LE-F=300。A、B、C、D、E、F處均為轉動副，選用滾動軸承，B處用銷軸連接；桿A-B和E-F的厚度均為20mm。為了提高連桿轉動時的強度及避免連桿的過度磨損，在B、D、E、F處分別焊接一厚10mm、直徑40mm的圓形墊片。

搖桿機構的輸入軸轉速540r/min，傳動比為23/17，所以輸出軸轉速為400r/min，偏心輪的轉速為120r/min。由于偏心輪帶動連桿的往復擺動，偏心輪轉1圈，連桿往復擺動1次，頻率f大約為5Hz。長軸兩端的機構互相對稱，在錐齒輪的傳動下，等角度、同方向帶動逐稿器擺動，使機架承受的側向力相互平行,機組工作平穩，并大大減少了運動阻力及無用功。在連桿機構的各轉動副處需要設計油孔，以保證其足夠潤滑，提高使用壽命。

3收獲機運動仿真

為了測試鏟篩組合式收獲機整機運動效果、平行四桿機構動作情況和各結構之間是否有干涉，采用Pro/E和ADAMS軟件進行聯合運動仿真。

首先利用Pro/E三維軟件完成鏟篩組合式分段收獲機的三維建模，并根據收獲機的工作原理進行模型簡化；在M/pro中形成剛體和約束，并導入到ADAMS軟件中，根據花生收獲機關鍵部件的工作機理，確定各部件的作業參數(見圖10)；根據各部件在收獲過程中的受力情況和運動參數為三維模型添加力和約束，并設定收獲機的前進速度和曲柄轉速等作業參數，利用ADAMS動力學仿真模塊完成收獲機的運動仿真。

圖10　收獲機參數設定

通過ADAMS完成收獲機的運動仿真后，根據試驗結果可知：收獲機各部件不存在干涉，整機運動平穩，平行四桿機構運動效果良好。導出收獲機的運動速度和加速度分析結果，如圖11、圖12所示。

圖11　收獲機運動速度

圖12　收獲加速度

4田間試驗

為檢測鏟篩組合式收獲機的作業性能，在常年種植花生的地塊進行了田間測試。經測量，試驗田地含水量15.2%，植株平均高度515mm,平均雜草量150g/m2。將收獲機懸掛在12kW拖拉機上進行試驗。

試驗過程中，收獲機收獲作業長度不低于20m，每隔1m設置一個測試點，分別測量統計每個測試點收獲機的挖掘深度、落果率、破損率、收獲機每小時的耗油量和收獲后果秧的含土率，并計算出平均值。總共進行3組試驗，試驗結果如表1所示。

表1　田間試驗結果

田間試驗過程中，分段收獲機工作穩定，分離篩與挖掘鏟銜接效果良好，曲柄搖桿機構運行平穩，收獲后的花生果秧鋪放整齊均勻，果秧含土率較低。

5結論

研制了一種鏟篩組合式分段花生收獲機，將花生的挖掘工序和分離工序合二為一，能夠一次性完成挖掘、去土、送秧等工序；采用曲柄搖桿機構驅動分離篩振動，實現了兩側機構等角度、同方向擺動,減小機身側向力。

采用Pro/E和ADAMS軟件完成收獲機三維模型的運動仿真，對整機的運動效果和各部件的干涉情況進行檢測，并求出收獲機的運動速度和加速度。采用ADAMS軟件進行運動仿真，生產加工前完成收獲機的檢測與參數。試驗結果表明：收獲機各部件運行效果良好，滿足設計要求。

對設計的收獲機進行了田間試驗，收獲機在田間試驗過程中運行穩定，各部件工作正常，收獲后的花生果秧鋪放整齊，挖掘深度平均為143mm、落果率平均為0.21%，破損率平均為0.33%，果秧含土率平均為0.31%，耗油量平均為712g/kW·h。

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Abstract ID:1003-188X(2016)06-0163-EA

Design and Experiment of Sieve Shovel Combined Peanut Harvester

Yu Wenjuan, Yang Ranbing, Shang Shuqi, Shi Chao, Yang Hongguang

(College of Mechanical and electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：According to China's existing peanut mechanization harvest low segment, large power consumption, poor working stability, design a kind of shovel type peanut harvester segment combination. This machine will be mining process and separation process of peanut Become, can complete the mining, to the soil, the seedling feeding process, the crank rocker mechanism drives the separating sieve vibration, realize the point, both sides of the same direction swing mechanism, reduce the lateral force. The field experiment tests that the harvester digging depth is 143mm, the average drop rate was 0.21%, the average damage rate was 0.33%, the average fruit containing soil for the average rate of 0.31%, average fuel consumption is 712g/kW·h.

Key words：peanut; harvesting machinery; shovel combination; subsection harvest

文章編號：1003-188X(2016)06-0163-04

中圖分類號：S225.7+3

文獻標識碼：A

作者簡介：于文娟(1965-)，女，山東海陽人，副研究館員，(E-mail)363159866@qq.com。通訊作者：尚書旗(1958-)，男，山東青州人，教授，博士，(E-mail)sqshang@qau.edu.cn。

基金項目：山東省農機裝備研發創新計劃項目(2015TS202-1)；山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金項目(BS2012NY004)

收稿日期：2015-05-09