白蘿卜收獲機挖掘鏟參數的設計

周國龍,張晉國,王洪偉,顧旭彪，楊　進，劉利坤

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定　071001)

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白蘿卜收獲機挖掘鏟參數的設計

周國龍,張晉國,王洪偉,顧旭彪，楊進，劉利坤

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定071001)

摘要：針對我國白蘿卜人工收獲效率低、成本高等問題，設計出專用的白蘿卜挖掘鏟。工作時，第1步通過挖掘鏟破壞白蘿卜與土壤的接觸力，使白蘿卜與土壤分離，第2步由人工撿拾裝袋進而完成白蘿卜收獲的全過程。通過建立挖掘鏟的幾何模型確定了入土角α、鏟面長度L、鏟面寬度A和后端面高度h。 該挖掘裝置采用后懸掛牽引的方式挖掘白蘿卜，使白蘿卜的收獲效率大大提高，裝置結構簡易、成本低，具有極其廣闊的市場應用場景。

關鍵詞：收獲裝置；挖掘鏟；蘿卜

0引言

蘿卜已經是我國主要蔬菜品種之一，種植范圍覆蓋全國各地。尤其是在張家口壩上地區，因自然條件優越，生產的蘿卜色澤鮮亮、水分足、口感好，不易糠心、營養豐富、商品性好，因此成為出口市場的搶手貨。近幾年，蘿卜出口量呈現穩定的遞增趨勢，種植出口蘿卜經濟效益很好；但目前的白蘿卜收獲機械結構笨重、構件布局不合理，工作時易傷根、傷皮，且與我國現有的農藝要求不匹配。以張北壩上地區為例，當地農戶在蘿卜收獲期完全采用人工收獲，要完成蘿卜松土、拔起、撿拾、裝袋、裝車等5大環節，并且每一環節勞動強度都很大，因此當地農戶迫切需要1臺白蘿卜收獲機。

成熟的蘿卜長達25~40cm，重達0.5~1kg，給收獲造成了一定難度。 目前，蘿卜收獲還未實現機械化，全靠人工拔取。勞動強度大，費時費力。青壯年勞動力，每天收獲約2 500kg。蘿卜最佳收獲期僅3~5天。國外早于我國對塊根類收獲機進行研制：美國19世紀30年代起步研究塊根拔取式樣機；日本20世紀90年代開始研制塊根類機械，如ISEKI、YANMAR等農業機械公司研制出自走式蘿卜收獲機，這些蘿卜收獲機能夠完成單行或多行的收獲[1]。雖然以上收獲機能夠滿足國外的農藝要求，但與國內的農藝要求不相符。國外種植面積較大，行距較寬；而國內相對都是小片區域，行距也偏小，因此這些白蘿卜收獲機不適合國內農藝要求。

目前，白蘿卜收獲依靠人工收獲存在多種缺點：效率低、成本高、破損率高、收凈率低、勞動強度大且費時費力，這些收獲缺點給人工收獲帶來巨大問題。張北壩上地區農戶每到收獲期本該興高采烈，但因為人工收獲難成為了他們在收獲時頭疼的問題。因此，研究設計一種適合我國農藝要求，可以減少勞動力、提高收獲效率、節約成本，具有重要意義。

1蘿卜收獲機發展現狀

1.1　國外蘿卜收獲機的研究現狀

1937年，拔取式收獲機試驗樣機在美國首次問世，其由美國斯闊特·瓦伊涅耳公司研制，該公司同時研制出塊根類聯合收獲機[2-3]。

1959-1966年，近7年的時間，全蘇農機制造科研所和農機制造企業投入巨大人力、財力、物力，在塊根類作物的收獲機的研制并且取得了巨大的研究成果和廣闊的市場，YKUI-1型單行拔取式塊根收獲機研制成功[2-3]。

Weremczuk公司生產的拔取式胡蘿卜收獲機，如圖1所示。

圖1　單行胡蘿卜收獲機

胡蘿卜收獲鏟后懸掛于拖拉機上，由3組傳送帶將胡蘿卜運送到與作業拖拉機配套使用的儲料箱內。ASA-FILT公司研究的單行拔取式胡蘿卜收獲機主要機型有CM-1000、CM-1000E(見圖2)等胡蘿卜聯合收獲機，并打開了廣闊的國際市場。

圖2　CM-1000胡蘿卜收獲機

1.2　國內蘿卜收獲機的研究現狀

我國在胡蘿卜收獲機械方面的研究起步較晚。近幾年,胡蘿卜在機械化收獲方面只是借助現有農機具在胡蘿卜側面進行松土,然后人工拔取,最后進行切櫻處理裝袋。該收獲方式存在工序多、能耗高、勞動量大及經濟成本高等問題,不能滿足我國現有胡蘿卜規?；N植的要求。

我國白蘿卜的收獲主要以人工收獲為主，盡管有些地區已采用機械化，但全是半機械化，主要是借用現有的松土鏟對白蘿卜周圍的土壤松動，再由人工拔??；但因現有松土鏟存在諸多問題，無法滿足當今的白蘿卜規?；a的農藝要求。

白蘿卜機械化收獲仍處于初始化階段。雖然白蘿卜收獲機械在不斷快速發展，但由于研究設計起步晚、技術水平不高，還處于中小型懸掛式集條鋪放收獲機的研制推廣階段，所研制收獲機具無論在技術方面還是可靠性方面還不理想。

2蘿卜收獲鏟原理分析

2.1　設計原理

蘿卜地下生長部分長度不一，約從18~35cm分布，如圖3所示。其種植模式為壟作點播，壟距 60cm，壟高12 cm，壟頂寬度 20cm，壟臺坡度 < 67°，株距20~25cm，如圖4所示。松土過程中不能損傷蘿卜，且要求松土充分，使蘿卜拔取時所受阻力最小，避免折斷。

2.2　松土鏟鏟頭類型

目前的松土鏟鏟頭類型多種多樣，各有利弊，適用情況各異，但沒有完全適合給白蘿卜松土的鏟頭。我國目前沒有給出白蘿卜松土的鏟頭標準，主要是借鑒現有的深松機的深松鏟和塊根類作物的鏟頭類型[4]。例如，馬鈴薯收獲機的松土鏟是由三角形平面組成，通過松土鏟松土將挖絕物與土壤分離，再由傳送帶傳送到空地上[5-6]。由于白蘿卜收獲機只需要在白蘿卜的兩側松土，和馬鈴薯收獲機有明顯不同，并沒有使用松土鏟將馬鈴薯從土壤中完全鏟出，所以不能直接應用馬鈴薯的鏟頭，只能改進為適應白蘿卜松土鏟的鏟頭。另外，深松機的鏟頭類型各異，作用不同，主要有雙翼型、箭型、鑿型3種，如圖5~圖7所示。

圖3　張北蘿卜

圖4　蘿卜壟

圖5　雙翼形深松鏟 　　　　　　　圖6　箭形深松鏟

圖7　鑿形深松鏟

2.3　工作原理

該機與拖拉機配套使用，采用三點懸掛連接于機架之上，由拖拉機后輸出軸提供動力，能夠帶動挖掘鏟沿拖拉機牽引方向前進，并能提升和降低挖掘鏟，從而改變入土深度。該機結構簡易，由限深輪、挖掘鏟和鏟座等部分組成。工作時，挖掘鏟隨著拖拉機牽引逐漸入土，最終達到入土深度要求，此時拖拉機沿直線行進且保持挖掘鏟的深度不變。白蘿卜挖掘鏟裝配，如圖8所示。

1.懸掛頭架　2.鏟座　3.挖掘鏟　4.橫梁

3主要工作部件及工作參數

3.1　機架的設計

機架采用普通結構鋼材料，由60mm方形鋼管焊接而成，且結果簡易，整體來看是一個矩形梁，如圖9所示。其由橫梁、縱梁以及懸掛機構等部分組成，機架與拖拉機后輸出軸直接相連接，通過萬向節改變方向和轉速；驅動挖掘鏟逐漸入土，最終達到需要的深度開始作業。

3.2　挖掘鏟設計

挖掘鏟由鏟柄、鏟板和鏟尖3部分構成，鏟尖和鏟板焊接在鏟柄的側面上，如圖10所示。

1.懸掛頭架　2.橫梁　3.縱梁　4.鏟座

圖10　白蘿卜挖掘鏟

3.3　白蘿卜挖掘鏟結構參數的確定

如圖11所示：五邊形平面鏟的主要參數有:入土角α、鏟面長度L、鏟刃斜角β、鏟面寬度A和鏟后端高度h等。

圖11　挖掘鏟的結構參數

3.3.1　入土角α

入土角即是挖掘鏟鏟面與水平面之間的夾角，對挖掘鏟能否以最佳形式入土有著至關重要的作用。其不但對入土性能有影響，而且對挖掘阻力也有影響。使鏟面順利后移的條件是P≥G·tan(α+φ)[7-13]。其中，P是挖掘阻力(使土壤沿鏟面掘起所需要的力)，G是挖掘鏟鏟面上所覆蓋土壤的重力。該公式顯示出挖掘阻力與入土角α和摩擦角φ成正相關的函數關系。增大入土角，挖掘阻力會隨即增大，減少入土角，挖掘阻力就會隨即減小。因此，入土角應適宜，入土角不應太大也不應太?。禾笸诰蜃枇σ蔡螅馁M拖拉機功率；太小不易入土，造成挖掘深度變淺，達不到深度要求。另外，考慮到不同的土壤的性質對入土角也有一定影響，理論和實踐共同表明入土角通常設定為20°～30°[7-13]。

入土角是挖掘鏟的重要參數，是挖掘鏟是否能夠正常入土確保蘿卜完好的關鍵因素。位于鏟面上的土壤受力情況如圖12所示。

圖12　鏟面受力分析

利用達朗伯原理，為使土壤能夠后移，應滿足

Pcosα-f-Gsinα≥0

K-Gcosα-psinα=0

f=Kμ

式中P—挖掘阻力；

K—白蘿卜挖掘鏟對土壤的反作用力；

f— 鏟面與土壤的摩擦力；

G—掘起物的重力；

α—白蘿卜挖掘鏟的入土角；

μ—土壤對鏟的摩擦因數，μ=tgφ，φ為掘起物與鏟面之間的摩擦角。

3.3.2鏟面長度L

鏟面長度對蘿卜的松土效果有著重要作用，是指從挖掘鏟鏟尖頂端a點到b點的直線長度，有

4鏟尖受力分析

本課題設計的鏟尖形狀是一個五邊形，兩個對稱的且平行的短邊中一邊與鏟柄連接。為了計算抬土高度，選取從鏟尖頂端O到末端B且與鏟尖末端垂直的一條直線OB作為三角形OBD的一條斜邊，和已知的23°(鏟面與水平面的夾角)，由圖13計算出抬土高度H。已知OC=115mm、AC=100mm由三角形勾股定理得

=165.8mm

根據實際要求蘿卜挖掘鏟在蘿卜根以下深度不小于50mm，才能保證蘿卜較完整的與土壤分離，而最終計算得出抬土高度為64.7mm，明顯看出64.7mm>50mm,因此該蘿卜挖掘鏟可以較好入土，并能將蘿卜與土壤分離，分離后保證了蘿卜的完好。

圖13　三角形OBD和鏟尖平面圖

5結論

1)通過建立挖掘鏟的幾何和受力分析模型確定了挖掘鏟的入土角23°，鏟面長度165.8mm，鏟面寬度109mm，計算出了后端面高度64.7mm。

2)根據3種鏟尖的對比分析確定本蘿卜收獲機的鏟尖形狀和尺寸。

參考文獻：

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Radish Harvester Design and Finite Element Analysis of Digging Shovel

Zhou Guolong, Zhang Jinguo, Wang Hongwei, Gu Xubiao, Yang Jin, Liu Likun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei,Baoding 071001,China)

Abstract：In this paper,radish China reaped by low efficiency and high cost problem, design a special green radish digging shovel.First step by digging shovel destroy the radish and the contact force of the soil, radish, separating from the soil, the second step by artificial collecting bag and then finish the whole course of radish harvest.By establishing a geometric model of the digging shovel capacity determines the angle of alpha,the shovel length L and width of the shovel a and the back face height h.Suspension traction after the mining device adopts the way of mining radish, make green radish harvest efficiency is greatly raised, device has the advantages of simple structure, low cost, has the extremely broad market application scenario.

Key words：harvesting device；digging shovel；radish

中圖分類號：S225.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0094-05

作者簡介：周國龍 (1989-)，男，石家莊人，碩士研究生，(E-mail)2267375333@qq.com。通訊作者：張晉國(1957-)，男，石家莊人，教授，博士生導師，(E-mail) zhangjinguo@hebau.edu.cn。

基金項目：公益性行業( 農業) 科研專項(201103003)

收稿日期：2015-09-06