改進(jìn)型南方馬鈴薯收獲機(jī)具的設(shè)計(jì)

熊平原，王　毅，林弘覺，陳海東，劉少達(dá)

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣州　510225)

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改進(jìn)型南方馬鈴薯收獲機(jī)具的設(shè)計(jì)

熊平原，王毅，林弘覺，陳海東，劉少達(dá)

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣州510225)

摘要：針對(duì)引進(jìn)的北方機(jī)型收獲南方馬鈴薯工作中出現(xiàn)明薯率低、挖掘阻力大、土壤壅堵，以及仍需人工撿拾等問題，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型南方馬鈴薯收獲機(jī)具。該機(jī)具包含振動(dòng)挖掘鏟、抖動(dòng)分離機(jī)構(gòu)、升運(yùn)機(jī)構(gòu)和集薯器等，可一次完成挖掘、薯土分離、升運(yùn)及裝袋等作業(yè)工序。田間試驗(yàn)表明：改進(jìn)后的機(jī)具在動(dòng)力消耗、土壤壅堵、收獲效率及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面有明顯提高，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：南方馬鈴薯；收獲機(jī)具；改進(jìn)

0引言

馬鈴薯又叫土豆、洋芋，是茄科茄屬一年生草本植物，糧菜兼用，營(yíng)養(yǎng)全面，適應(yīng)性廣，是世界上僅次于小麥、水稻、玉米之后的第四大糧食作物。大力發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)，在保障全球糧食安全、避免能源危機(jī)及消除貧困中具有十分重要的作用。我國(guó)是馬鈴薯種植和消費(fèi)大國(guó)，2013 年我國(guó)馬鈴薯種植面積達(dá)561.46萬(wàn)hm2，產(chǎn)量1 918.8萬(wàn)t，位居世界首位[1]。全國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)在北方，而產(chǎn)值卻集中在南方，冬種馬鈴薯是我國(guó)南方地區(qū)冬季的主要經(jīng)濟(jì)作物之一[2]。馬鈴薯種植的農(nóng)藝環(huán)節(jié)中，收獲是確保增產(chǎn)增收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，時(shí)間緊，耗工多。傳統(tǒng)南方馬鈴薯收獲以人工為主，人力挖掘、除土、撿拾、裝袋，效率低、成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，無(wú)法快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。近年來(lái)，廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理部門積極推進(jìn)南方馬鈴薯機(jī)械化收獲，從機(jī)械化相對(duì)成熟的北方地區(qū)引進(jìn)多臺(tái)馬鈴薯收獲機(jī)具，如青島洪珠農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司的4U-83和山東濰坊大眾機(jī)械有限公司的4UC-800機(jī)型，在實(shí)際推廣中存在一些問題：①北方多為旱地，土壤濕度小，收獲質(zhì)量高；而南方土質(zhì)濕度較大，明薯率較低，收獲質(zhì)量較低。②南方土壤挖掘后，容易成塊狀，不松散，極易堵塞在挖掘鏟部位，形成土壤壅堵現(xiàn)象。③采用固定式挖掘鏟，牽引阻力和牽引功耗大，小型拖拉機(jī)往往無(wú)法帶動(dòng)機(jī)器工作，或容易在田間卡死，通常需要29.4kW以上的中型拖拉機(jī)帶動(dòng)才比較順暢，無(wú)法滿足南方小型化作業(yè)需求。④薯土分離后，仍需人工撿拾、裝袋，生產(chǎn)效率低，人工成本高。因此，克服現(xiàn)有機(jī)型缺點(diǎn)，研制出適合南方種植環(huán)境的馬鈴薯收獲機(jī)具，成為市場(chǎng)迫切需求。

1整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1作業(yè)要求

南方冬種馬鈴薯以冬閑農(nóng)田、耕層深厚的砂壤土質(zhì)種植為主，起壟作畦，雙行種植,畦面寬為850～900mm，溝寬250mm，畦高250mm，播種深度50～80mm[3]。新型冬種馬鈴薯收獲機(jī)要完成挖土、薯土分離、輸送、裝袋等工序，相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)型，要求整機(jī)結(jié)構(gòu)輕巧、挖掘阻力小、分離效果好且能完成自動(dòng)裝袋。依據(jù)NY/T馬鈴薯收獲機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)具作業(yè)要求為：明薯率≤96%，傷薯率≤2%，含雜率≤4%。

1.2整體結(jié)構(gòu)

改進(jìn)型南方馬鈴薯收獲機(jī)主要包括三點(diǎn)懸掛裝置、減速器、薯土分離裝置、升運(yùn)機(jī)構(gòu)、集薯器、機(jī)架、地輪、皮帶傳動(dòng)及振動(dòng)挖掘鏟機(jī)構(gòu)等部分，如圖1所示。在此，重點(diǎn)對(duì)挖掘鏟、薯土分離器及馬鈴薯自動(dòng)裝袋進(jìn)行了改造。

1.3工作原理

機(jī)具采用拖拉機(jī)后置三點(diǎn)懸掛安裝，行走動(dòng)力由拖拉機(jī)拉力提供，工作動(dòng)力由拖拉機(jī)馬達(dá)輸出。工作時(shí)，拖拉機(jī)馬達(dá)通過萬(wàn)向軸與機(jī)具減速器相連，一方面輸出到振動(dòng)鏈，帶動(dòng)挖掘鏟往復(fù)振動(dòng)，挖掘鏟深入土壤底層，將土壤和薯塊拱起，薯土順著鏟壁向后移動(dòng)，進(jìn)入薯土分離裝置；另一方面輸出到薯土分離裝置，分解成兩部分，左邊傳遞到橡膠輪，帶動(dòng)分離鏈從下往上運(yùn)動(dòng)，右邊傳遞到抖動(dòng)輪，使分離鏈規(guī)律抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)薯土分離；干凈薯塊移動(dòng)到分離裝置末端，進(jìn)入升運(yùn)機(jī)構(gòu)，通過集薯器進(jìn)行裝袋操作。

1.三點(diǎn)懸掛裝置　2.減速器　3.分離帶傳動(dòng)系統(tǒng)　4.升運(yùn)帶傳動(dòng)系統(tǒng)

2關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1振動(dòng)鏟設(shè)計(jì)

2.1.1鏟結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

挖掘鏟是機(jī)具改進(jìn)的關(guān)鍵部位[4]，為減小挖掘阻力、減輕壅堵現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)挖掘鏟由鏟尖、鏟中板、鏟后柵條、機(jī)架連接位及擺桿連接位等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。鏟尖為仿漸開線形，過渡相對(duì)光滑，土壤剪切阻力小；鏟中板上焊機(jī)擺桿連接位，整體強(qiáng)度高，不易變形；鏟尾采用柵條狀可減輕鏟質(zhì)量，減少與土壤接觸，降低阻力，方便排土。

1.鏟尖　2.擺桿連接位　3.鏟中板　4.機(jī)架連接位　5.鏟后柵條

2.1.2參數(shù)設(shè)計(jì)

南方冬種馬鈴薯多以雙行農(nóng)藝種植，壟寬為850～900mm，故L取900mm；冬種馬鈴薯三維尺寸在37～100mm之間[5]，為保證薯塊不從柵條間距中掉落，c取35mm為宜；振動(dòng)鏟寬度m和挖掘深度h與鏟傾角α有關(guān)[6]，挖掘過程中土壤受力分析如圖3所示。

由土壤靜力學(xué)分析得

Fcosα-f-Gsinα=0

N-Gcosα-Fsinα=0

f=Nμ

(1)

其中，F(xiàn)為土壤挖掘力；G為土塊重力；N為土塊所受正向力；f為摩擦力；μ為土壤與鏟面摩擦系數(shù)；α為鏟面傾角。

(2)

當(dāng)挖掘鏟實(shí)際傾角α1<α<φ(土壤對(duì)鏟體的摩擦角)時(shí)，不會(huì)發(fā)生壅土現(xiàn)象，φ∈(22°，45°)。由于南方土壤濕潤(rùn)，黏性大，故α1取30°；南方馬鈴薯挖掘深度h一般取200mm，則挖掘鏟寬度m為

圖3　挖掘土壤受力分析圖

2.2薯土分離裝置設(shè)計(jì)

2.2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

薯土分離裝置由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支撐輪、分離鏈、抖動(dòng)輪、鏈桿等組成，如圖4所示。馬鈴薯塊和土壤進(jìn)入該裝置后，由分離鏈帶動(dòng)向后輸送，同時(shí)抖動(dòng)輪不斷撞擊分離鏈，將土塊抖小、抖松，使之與薯塊分離，土塊從鏈桿間隙落入地面，干凈薯塊保留在分離鏈上，實(shí)現(xiàn)薯土分離。

1.導(dǎo)向輪　2.分離鏈　3.下支撐輪

2.2.2參數(shù)設(shè)計(jì)

分離篩網(wǎng)的有效寬度和長(zhǎng)度影響著薯土混合物的分離效果：太長(zhǎng)雖增加攤開面積，但能耗和成本提高；太短則分離不充分。由于南方雙行種植，故篩網(wǎng)寬度取900mm、長(zhǎng)度取1 000mm為宜；南方土質(zhì)含水率較高，集結(jié)成坨，充分考慮薯土混合物對(duì)鏈桿的壓力，取鏈桿直徑為12mm；鏈桿間距由馬鈴薯最小三維尺寸決定，一般冬種馬鈴薯最小尺寸為37mm，則算出鏈桿間距為49mm。

2.3升運(yùn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

升運(yùn)機(jī)構(gòu)由主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、鏈條、擋板、支撐桿及連桿等組成，如圖5所示。馬鈴薯從分離裝置末端進(jìn)入升運(yùn)機(jī)構(gòu)，薯塊擱置在支撐桿上，連桿阻止其滑落，由鏈條帶動(dòng)提升到頂端，通過集薯器進(jìn)行裝袋操作。升運(yùn)機(jī)構(gòu)有效提升高度為840mm，寬度800mm。

1.主動(dòng)鏈輪　2.升運(yùn)鏈　3.擋板

2.3.2參數(shù)設(shè)計(jì)

進(jìn)入升運(yùn)機(jī)構(gòu)的物料經(jīng)過前期薯土分離，土壤含量少，后續(xù)將薯塊運(yùn)送到收集裝置的集薯器，故支撐桿直徑可取小值8mm；為保護(hù)薯皮不被損傷，外加厚度為1mm的橡膠保護(hù)套；升運(yùn)機(jī)構(gòu)連桿安裝在鏈條上，防止提升過程中薯塊掉落，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮鏈條節(jié)距P和薯塊最小尺寸兩個(gè)因素，其連接示意圖如圖6所示。同支撐桿一致，連桿直徑d1取8mm，外加1mm的橡膠保護(hù)套，故d=d1+2=10mm。鏈條節(jié)距P的初始計(jì)算公式為

L=2P=d+L1

(3)

選取型號(hào)為12A的鏈條，其實(shí)際節(jié)距P為19.05mm。修正后的L1計(jì)算結(jié)果為

L1=L-d=2P-d=28.1mm

兩連桿之間的實(shí)際間隙小于馬鈴薯最小尺寸37mm，故設(shè)計(jì)合理。

圖6　連桿連接示意圖

2.4主要性能指標(biāo)

試驗(yàn)地為廣東省惠州市鐵涌鎮(zhèn)馬鈴薯種植基地，天氣多云，薯種為粵引85-38。樣機(jī)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及田間測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。改進(jìn)后的機(jī)具在動(dòng)力消耗、土壤壅堵、收獲效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面有明顯改善。

表1　性能指標(biāo)

3結(jié)束語(yǔ)

1)針對(duì)南方馬鈴薯種植特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種改進(jìn)型馬鈴薯收獲機(jī)具，主要包括振動(dòng)鏟機(jī)構(gòu)、抖動(dòng)分離裝置和升運(yùn)機(jī)構(gòu)，能一次完成挖掘、分離、輸送和裝袋等作業(yè)工序。

2)田間試驗(yàn)表明：改進(jìn)后的機(jī)具在動(dòng)力消耗、土壤壅堵、收獲效率及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面有明顯改善，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司.農(nóng)作物數(shù)據(jù)庫(kù)[EB/OL].(2014-01-01).http://202.127.42.157/moazzys/nongqing.aspx．

[2]袁繼平，胡成來(lái)，肖軍委,等．廣東冬種馬鈴薯產(chǎn)業(yè)存在問題及發(fā)展建議[J]．廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009(8):369-370．

[3]彭王棟，何立波，翁曉華,等．惠州冬種馬鈴薯生產(chǎn)特點(diǎn)及優(yōu)質(zhì)高效栽培技術(shù)[J]．廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008(6):32-34．

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Improved Design of Southern Potato Harvester

Xiong Pingyuan， Wang Yi， Lin Hongjue， Chen Haidong， Liu Shaoda

(Department of Mechanic and Electronic Engineering, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

Abstract：Aimed at the existing problems in harvesting southern potato with harvesters introduced from north, such as low obvious rate, high digging resistance,soil clogging and artificial gathering,an improved southern potato harvester was designed in this paper. The device included vibration type digging shovel, oscillating separation mechanism, elevating mechanism and potato collector, it was able to finish multi-operation once, as digging, separating, lifting and collecting.The field tests showed that improved harvester had higher capability in power consumption, avoiding soil clogging, harvesting efficiency, reducing labor intensity, and so it had application value.

Key words：southern potato; harvester; improved design

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0159-04

中圖分類號(hào)：S225.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：熊平原(1983-)，男，湖北大悟人，助理研究員，碩士，(E-mail)xpy020@163.com。通訊作者：王毅(1976-)，男，湖南雙峰人，副教授，博士，(E-mail)wangyi168_2001@163.com。

基金項(xiàng)目：廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(1134713009)；廣東省農(nóng)業(yè)廳扶持農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展專項(xiàng) (粵財(cái)農(nóng)[2012]608 號(hào))；廣東省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)專項(xiàng)(2013B020313006)

收稿日期：2015-05-25