小型馬鈴薯收獲機的設計

王法明 孫傳祝 王相友 李學強 盧延芳 蘇國粱

摘要：針對目前市場上小型馬鈴薯收獲機存在的收獲幅寬、挖掘角度無法調整，薯土分離效果欠佳，極易產生雜草擁堵現象等問題，設計了一款小型馬鈴薯收獲機。該收獲機設有收獲幅寬和挖掘角度調節裝置，以滿足不同地區、不同種植模式的收獲要求；設有被動式抖動輪，抖動幅度可調，以保證較佳的薯土分離效果；設有防纏繞裝置，可以使雜草、薯秧更容易運動到升運鏈上，避免產生擁堵現象。本設計為馬鈴薯種植戶提供了一款適合配套中小型農用拖拉機、挖掘傾角和收獲幅寬可調的馬鈴薯收獲機，為馬鈴薯產業的發展奠定了良好基礎。

關鍵詞：馬鈴薯；收獲機；小型；抖動輪；防纏繞裝置

中圖分類號：S225.7+1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）05-1287-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.051

Design on the Small Potato Harvester

WANG Fa-ming1a，2，SUN Chuan-zhu1a，2，WANG Xiang-you1b，2，LI Xue-qiang2，3，LU Yan-fang1a，2，SU Guo-liang2，3

（1.a. School of Mechanical Engineering； b. Office of Graduate Students，Shandong University of Technology， Zibo 255091，Shandong，China；

2.Shandong Provincial Intelligent Engineering and Technology Research Center for Potato Production Equipment，Dezhou 253600，Shandong，China；

3.Shangdong Xicheng Agricultural Machinery Science and Technology Co.，Ltd.，Dezhou 253600，Shandong，China）

Abstract：Aiming to solve the problems existing in the small photo harvester， such as harvest width and digging angle difficult to be adjusted， bad potato soil separation， and the phenomena of weed congestion， a type of small potato harvester was designed. In the design， the harvesting width and digging angle could be adjusted to meet the the actual harvest conditions by adjusting harvest width and digging angle adjustment device； the shake amplitude adjustment device could adjust the shake amplitude of the passive shake round to get a better effect of potato soil separation； the anti-winding device could make the weeds， potato seedlings to move to the transport chain， so as to forbid the phenomena of congestion. The small photo harvester matching with the small and medium sized agricultural tractors， and with adjustable digging angle and the harvest was provided for the potato farmers， which laid a good foundation for the development of potato industry.

Key words：potato； harvester； small size； shake round； anti-winding device

馬鈴薯種植廣泛，營養豐富，素有“地下蘋果”、“飲食新貴”和“十大熱門營養健康食品”之稱，是繼玉米、小麥和水稻之后的世界第4大糧食作物[1-3]。中國是世界馬鈴薯種植面積最大的國家之一[4]，且國內力推馬鈴薯主糧化，用其加工成饅頭、面條、米粉等主食，種植面積逐步擴大。但是，中國馬鈴薯生產機械化水平較低，國際競爭力較差[5]，遠遠滿足不了市場需求。

目前，中國馬鈴薯收獲機械化存在的主要問題是機型與動力的配套不夠合理、收獲幅寬單一、雜草或薯秧易擁堵、薯土分離效果差等。另外，收獲環節中傷薯率最高可達30%[6]，對于大中型機而言，抖動輸運部件傷薯現象頻繁發生[7，8]，而小型升運鏈式馬鈴薯收獲機由該部件所引發的傷薯現象則不太嚴重。為此，針對上述問題，設計了一款適合配套中小型農用拖拉機使用的小型馬鈴薯收獲機，挖掘傾角和收獲幅寬可調，效率高、薯土分離效果好，為馬鈴薯產業的發展奠定了良好的基礎。

1 小型馬鈴薯收獲機結構及特點

1.1 基本結構

設計的馬鈴薯收獲機主要由挖掘裝置、Ⅰ級輸送分離裝置、Ⅱ級輸送分離裝置、防纏繞裝置、尾篩裝置、懸掛裝置、傳動裝置和機架等組成，如圖1、圖2所示。

1.2 工作原理

馬鈴薯收獲機通過懸掛裝置懸掛在農用拖拉機后方，并由拖拉機提供動力，收獲之前需要用殺秧機將馬鈴薯薯秧切碎。收獲機在拖拉機的牽引下向前行進時，馬鈴薯、薯秧與泥土一起被挖掘鏟鏟起。隨著機具向前運行，鏟起的馬鈴薯、薯秧和泥土被輸送到輸送分離裝置上方，分離裝置由于抖動裝置的不斷轉動而產生有序的抖動，且分離裝置上方的馬鈴薯薯秧隨著防纏繞裝置的旋轉運動到輸送鏈上。經兩級分離后，馬鈴薯表面黏著的泥土由于輸送鏈的抖動而逐漸被清除，收獲的馬鈴薯運動到輸送鏈尾端后經過尾篩平鋪到地面上，以方便晾曬與拾撿。

1.3 動力傳遞路線

馬鈴薯收獲機的動力傳動路線有兩條：一條是由拖拉機動力輸出軸→變速箱→Ⅱ級輸送分離裝置主動軸→Ⅰ級輸送分離裝置主動軸；另一條是由拖拉機動力輸出軸→變速箱→防纏繞裝置的主動軸（圖3）。

1.4 主要技術指標

小型馬鈴薯收獲機主要技術指標：收獲幅寬1 030～1 080 mm，升運鏈節距50 mm，配套動力29.4～36.7 kW。

2 小型馬鈴薯收獲機結構設計計算

2.1 挖掘裝置

2.1.1 挖掘鏟的選擇 根據調查及初步試驗結果，設計的馬鈴薯收獲機采用三角形平面鏟（圖4）。為防止“掛草”現象，挖掘鏟依靠鏟柄懸掛在升運鏈從動邊底部的橫梁上，并在各鏟之間留有一定的滑草間隙。

2.1.2 主要參數 三角形平面鏟的主要參數有：傾角α、刃斜角γ、長度L、寬度B和鏟的后端高度h等（圖5）。

1）傾角α。一般情況下挖掘鏟的傾角α應小于24°，其關系為h=Lsinα。α越小，鏟的阻力越小。

2）刃斜角γ。為了保證鏟刃的自動清潔，刃斜角應該滿足：90°-γ>φ，φ為摩擦角。當傾角α=20°左右時，一般γ取40°～50°；當挖掘的溝底為平面時，γ可取至70°。為了保證挖掘鏟既容易切開土垡，又使鏟后端距離地面的高度h合適，鏟面可分為兩段，前段傾角α1為10°～15°，后段傾角α2為16°～24°。

3）長度L。挖掘鏟的長度包括前段長度和后段長度。前段長度L1可根據α角和平均挖掘深度h1值（140～180 mm）進行計算，一般取h1=150 mm，α=14°，則L1=h1/sinα=620 mm。后段長度L2可通過能量守恒定理計算，挖掘物以機器的前進速度v運動到B點，則挖掘物在B點所具有的動能為EB=mv2/2。

設挖掘物到達C點時，v=0，則挖掘物在B點所具有的動能完全用于克服到達L2所做的摩擦功Wfc和挖掘物提升高度h2所做的功Wc，則：

Wfc=RtanφL2=GL2tanφcosα

Wc=Gh2=GL2sinα

故能量平衡式為：

GL2tanφcosα+GL2sinα=mv2/2

整理得：L2=v2cosφ/2gsin（α+φ）。

由此得挖掘鏟的總長度為：L=L1+L2=h1/sinα+v2cosφ/2gsin（α+φ）。收獲機的前進速度v一般為0.7～1.0 m/s，取v=0.80 m/s。

為了保證馬鈴薯順利地落到分離篩上，實際上馬鈴薯到達C點時的速度不能為0。與此同時，為了減小工作阻力，在保證挖掘深度的前提下應減小鏟的長度。當α為14°～20°時，挖掘鏟的最佳長度為350～400 mm，故取L=400 mm，其中鏟長300 mm，柵長100 mm。

4）寬度B。挖掘鏟的寬度主要取決于馬鈴薯在地下的分布寬度、行距的不均勻性、植株對壟中心的偏移量以及收獲機工作行駛時的農具偏移。一般單行馬鈴薯收獲機挖掘鏟的寬度不小于400～600 mm。本設計寬度為1 030～1 080 mm，取B=1 050 mm。

2.1.3 受力分析 影響挖掘鏟牽引阻力的主要因素是土壤類型、挖掘深度、鏟的形狀以及傾角等，根據圖5可建立以下方程組：

Pcosα-T-Gsinα=0

R-Gcosα-Psinα=0

T=μR

式中，P為沿著挖掘鏟移動掘起物所需的力，N；R為鏟對土壤的反作用力，取R=2 700 N；G為鏟面上土壤的重力，N；T為鏟面對崛起物的摩擦力，N；μ=tanφ為土壤對鋼的摩擦系數，φ可取30°～36°；α為鏟的傾角，α≤24°。

解得：P=2 184 N，G=2 245 N。則挖掘鏟需要克服的總阻力為：

Rr=SLρgtan（α+φ）+KS

式中，P=SLρgtan（α+φ）；P為沿著挖掘鏟移動掘起物所需的力，N；S為土壤沉切面積，m2；K為犁溝土壤比阻，N/m2；ρ為土壤密度，kg/m3；KS為挖掘鏟沉切土壤所需的力，N。

結合實際情況取相關參數為：α=24°，φ=36°，K=30 000 N/m2，L=400 mm，ρ=1 400 kg/m3，同時取壟頂寬為350 mm，挖掘深度為250 mm，計算得：Rrmax= 2 837.17 N。

2.2 分離裝置

馬鈴薯收獲機兩級輸送分離裝置均采用桿條式結構，因為分離篩的主動輪與鏈輪相似，故可根據鏈輪的計算方法計算，然后再根據實際需要進行相應修正。

當Ⅰ、Ⅱ級升運鏈的速度分別為vⅠ=1.6 m/s、vⅡ=1.5 m/s時，Ⅰ、Ⅱ級升運鏈的傾角分別取αⅠ=26o、αⅡ=24o，升運鏈節距p=50 mm，Ⅰ級升運鏈的主動軸轉速為216.9 r/min時，Ⅰ級大膠輪的鏈輪相關參數如下：

z=（60×1 000）v/pn

計算得z=9.96，取z=10，其中p取50 mm，v=1.8 m/s。

升運鏈下輪中心與挖掘鏟末端等高h=96 mm，升運鏈長度L取1 200 mm，則上膠輪高度為：h=659.37 mm。

由于挖掘鏟鏟長有限，為保證挖掘鏟具有合理的鏟面傾角，鏟的輸出端帶的包角不能小于150°，當小帶輪的直徑取90 mm時，小帶輪包角為：α1=180°-（D1-D2）/a×60°=175.98°>150°。因此，能夠滿足要求。Ⅱ級大膠輪的相關參數計算方法與Ⅰ級方法相同。此不再贅述。

2.3 抖動裝置

本文設計的抖動裝置由抖動輪和振幅調節裝置組成。其中，抖動輪采用被動式（圖6）。振幅調節裝置安裝在機架兩側，調節調整臂位置即可改變抖動輪的抖動強度，以滿足不同土壤、不同馬鈴薯品種的分離要求。

2.3.1 相關參數設計計算 抖動輪的轉速與升運鏈速度和抖動輪周長的關系如下：

n=60 v/L

式中，n為抖動輪轉速，r/min；L為抖動輪周長，m；v為升運鏈線速度，m/s。

抖動輪抖動頻率f為：f=Zn/60（Hz）。

式中，Z為抖動輪的凸頂數；n為抖動輪轉速，r/min。

抖動輪轉速n1=231.6 r/min，n2=217.14 r/min；抖動頻率f1=11.58 Hz，f2=10.85 Hz。

2.3.2 振幅調節裝置 由于工作條件的不同，要求振動幅度也不同，如果抖動強度偏大，馬鈴薯的損壞程度會增加；抖動過小，則薯土分離效果不夠理想。因此，要求抖動輪的振幅大小可調，以達到理想的分離效果。設計的抖動幅度調整裝置安裝在機架兩側（圖7），調整其調整臂的位置即可調節抖動輪與升運鏈之間的距離，從而改變抖動輪的抖動強度。

2.4 防纏繞裝置

馬鈴薯收獲機在收獲作業過程中，有時會遇到雜草與莖秧堵塞問題。因此，在挖掘鏟兩側各設計一種防纏輥（圖8）。拖拉機后輸出軸通過變速箱為防纏輥的主動軸提供動力，隨著馬鈴薯收獲機的前進，沿著輸送分離篩的輸送方向看防纏輥作由外向里轉動。這樣，雜草及其莖秧隨著防纏輥轉動，脫離防纏輥后落在Ⅰ級桿條升運鏈上，由于防纏輥是齒輪強制轉動的，即使雜草纏繞在防纏輥上也會被切斷，并隨著升運鏈向后運動。伴隨著馬鈴薯的收獲過程，雜草及其莖秧散落在空地上。

3 小結

本文在現有小型馬鈴薯收獲機的基礎上，根據種植需求設計了一款更加適用于中小種植戶的小型馬鈴薯收獲機，為馬鈴薯產業的發展奠定了良好的基礎。馬鈴薯收獲機設有幅寬和挖掘角度調節裝置，以便通過調節桿的左右移動來調節收獲幅寬；調節桿上下運動可使挖掘鏟隨著鏟套轉動，進而對挖掘角度的進行調整，滿足不同地區、不同種植情況的收獲要求。設有抖動幅度調節裝置，以便通過調節抖動輪與升運鏈的距離，達到調節升運鏈的抖動幅度，改善薯土分離效果之目的。防纏繞裝置的防纏輥隨著收獲機的前進而轉動，使得擁堵的薯秧、雜草運動到升運鏈上，避免收獲過程中產生薯秧、雜草擁堵現象。

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