雙行馬鈴薯收獲機挖掘部件的設計

黃 明 張 建 龔明勝

（貴州省畢節市工業學校，貴州 畢節 551700）

馬鈴薯挖掘部件的主要作用是把馬鈴薯和土壤掘起， 并傳輸到分離部件上。 對挖掘部件的要求是:盡量在少掘取土壤的情況下挖凈馬鈴薯；挖掘深度穩定，并能根據需要進行調節，保證土垡能沿鏟面順利通過，并有較強的碎土能力；為了防止工作時纏草和雍土，要求挖掘部件有自潔功能；牽引阻力小，刃口有較好的耐磨性[1]。

1 挖掘部件的受力特性

為了保證鏟既能輕易將土垡切開， 又能使鏟后段離地有足夠的空間，本文選用兩段式平面挖掘鏟。其主要參數有[1]：鏟刃斜角θ，鏟的寬度B，鏟的傾角α，鏟的長度L。 挖掘鏟受力如圖1所示。

圖1 挖掘部件受力圖

2 鏟刃斜角θ

為了保證鏟刃的自動清潔作用，鏟刃斜角θ 應滿足下式：

式中θ 為鏟刃斜角，φ 為土壤和鋼的摩擦角，取30°～36°。 在鏟的傾角為20°左右時，一般θ 取40°～50°，本文θ 取48°。

3 鏟的傾角α

鏟的傾角α 應小于24°，一般α 越小，鏟的阻力越小，為了保證既能較容易地用鏟將土垡切開， 又能使鏟后端離地高度h有足夠的值，鏟面分兩段，前段傾角α1=10°～15°，后端傾角α2=16°～24°。

取鏟面傾角α 和挖掘鏟的長度L 可由圖1 求出， 根據受力圖分析可得方程式：

式中：P 為沿著挖掘部件移動時掘起物所需的力 （N）；G 為鏟面上土壤的重力（N）；F 為土壤沿鏟面的摩擦力（N）；N 為挖掘部件對土壤的反作用力 （N）；μ 為土壤對挖掘鏟的滑動摩擦系數，土壤對鋼的滑動摩擦系數為0.577～0.721，μ=tanφ，土壤對鋼的摩擦角為30°～36°[2-4]。

將（2）、（3）和（4）三式聯立可求得：

如果α 大于式（5）中α 的值，壟臺就壅在挖掘鏟上，并會帶著馬鈴薯從旁邊散落。實際上，角α 值隨挖掘鏟的松土程度以及對土壤的提升高度而定， 松土與升土的程度與安裝在挖掘鏟后面的分類裝置種類有關。 一般情況下，鏟的傾角α 角增大，有利于碎土，但挖掘阻力會增加，當α=25°時，中等堅實土壤就會出現相當大的壅土。 當h 保持一定的情況下，鏟的傾角α 減小時，挖掘部件的長度就會加長，同時也會引起挖掘阻力增大。鏟的傾角α 的值越大，挖掘部件的長度就越短。 因此，綜合考慮以上因素，本文挖掘部件前段傾角α1取17°，后端傾角α2取20°[1-2]。

4 鏟體總長度L

挖掘部件的結構如圖2 所示，挖掘部件的長度分前段L1和后段L2，挖掘部件的前段L1的長度，可依據確定后的鏟的傾角α的值，以及略大于平均挖掘深度h1值（14cm～18cm）[1-2]而定。挖掘部件的前段L1的長度為：

鏟的后段長度L2可用能量定理進行計算。 假設土壤沿鏟面以馬鈴薯收獲機的前進速度VB 運動到B 點， 則土壤 （質量為m）在B 點所具有的動能為：

若掘起物沿鏟面移動到鏟的末端C 點時，則土壤開始膨脹、堆積和向鏟的兩端散開，塊莖隨之顯露出來，即掘起物在B 點具有的動能完全用于克服通過長度L2的摩擦功和掘起物提高了h2所做的功。 L2的長度為：

式中：L2為鏟后段長度 （mm）；VB為機器的前進速度（m/s）；α2為鏟的傾角 （°）； 為土壤對鋼的摩擦角 （°）；g 為重力加速度（9.8m/s2）

挖掘鏟的總體長度為

根據公式（9）及參考同類挖掘鏟的長度，取L=380cm。

5 鏟的寬度B

挖掘鏟的寬度設計主要取決于馬鈴薯的地下分布寬度和馬鈴薯的種植行距。根據馬鈴薯栽培學和實際調查提供的數據，我國大部分馬鈴薯品種結薯集中，馬鈴薯壟寬為40～50cm，種植行距為50～70cm，馬鈴薯地下分布的平均寬度為30～40cm[1-2]。 由于馬鈴薯地下分布寬度和行距的不均勻性、 植株對壟中心的偏移以及馬鈴薯收獲機工作時偏離壟中， 雙行馬鈴薯收獲機的工作幅寬B[1]為：

式中：M 為平均行距 （mm）；b 為馬鈴薯的平均寬度；c 為收獲機行駛偏差，c 取50～80mm；σM為行距的均方差（mm）；σb為馬鈴薯分布寬度的均方差（mm）。

綜合考慮以上因素，確定鏟的寬度B 為140cm。

6 結論

本文對雙行挖掘鏟進行設計，得到以下結論：

（1）鏟的寬度B 為140cm；（2）挖掘鏟鏟刃斜角θ 為48°；（3）鏟面前段傾角α1為17°，后段傾角α2為20°；（4）鏟的長度L 為38cm。

[1]中國農業機械化科學研究院.農業機械化設計手冊（上冊）[M].北京：中國農業科學技術出版社，2007.

[2]張建.4M–2 型馬鈴薯聯合收獲機優化設計與仿真[D].甘肅農業大學學報，2008:8-11.

[3]鄧偉剛，孫宏，王春光.馬鈴薯挖掘鏟工作阻力計算與分析[J].農機化研究，2014（10）：71-74．

[4]呂金慶，陳春富，李世柱.馬鈴薯挖掘機挖掘鏟的設計[J].農機化研究:2004（3）：105-106.