木薯種植機種莖切斷裝置的設計

崔振德，鄧干然，李國杰，劉智強，鄭 爽，李 玲

(中國熱帶農業科學院 農業機械研究所，廣東 湛江 524091)

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木薯種植機種莖切斷裝置的設計

崔振德，鄧干然，李國杰，劉智強，鄭 爽，李 玲

(中國熱帶農業科學院 農業機械研究所，廣東 湛江 524091)

機械化種植技術能夠大大提高木薯種植效率，降低種植成本，是木薯田間生產大勢所趨，而國內木薯種植設備研究起步晚，尚存在諸多問題。為此，結合木薯種植農藝要求及木薯種莖特性，針對木薯種植機種莖切斷裝置設計中存在的問題，進行了有關切稈裝置設計的理論研究，分別對外形尺寸、整體結構、切稈刀輥、刀片及護蓋等進行了分析與設計。試驗表明：所設計的木薯種莖切斷裝置能夠穩定切斷木薯稈，拖拉機行駛速度約1.2m/s時，作業穩定性高，無故障作業面積可達40hm2以上。

木薯；種植機；種莖切斷裝置

0 引言

木薯是世界三大薯類作物(馬鈴薯、甘薯、木薯)之一，在近90個國家和地區都有種植，2014年種植面積約2 400多萬hm2，產量2.7億t。木薯也是我國第六大熱帶作物，種植面積40萬hm2多[1-2]。木薯是非洲部分國家和地區最重要的糧食作物，也是十分重要的工業原料，被廣泛應用于加工淀粉、酒精及飼料等[3]。尤其是近年來，隨著生物質能源的飛速發展，木薯在我國熱作地區的經濟地位與社會地位愈顯重要[4]。

在傳統木薯種植模式下，木薯莖稈先在地頭被砍切成長度大致相同的小段后，再由工人用籃、筐、桶等容器攜帶至田間進行種植。進行砍種操作時，工人將木薯莖稈平放在砧木上，一手握住木薯莖稈的一端，一手持刀將種稈砍斷成所需長度。這種操作模式費時費力、效率低下、切斷長度不均，整個種植過程漫長，成本高。

而機械化種植模式能夠從根本上改善目前木薯種植的窘境。機械化種植技術是以拖拉機為動力，驅動木薯種植機作業，在操作工人的輔助下，完成開溝、切稈、下種、施肥、覆土及壓實等一系列工作，作業高效，費用低廉[5-7]。

種莖切斷裝置是木薯種植設備的核心部件，對整機性能起決定性作用，直接影響到木薯機械化種植效果。例如，種莖切斷裝置出現結構缺陷，會導致木薯種莖夾持、輸送、切斷作業故障，甚至無法進行種植作業[8-9]。

1 木薯莖稈的物理特性

目前，成熟的木薯莖稈是木薯種最重要的來源。外觀上看，木薯莖稈呈細長圓棒狀，表面呈多頭螺旋線規整的分布著許多突起，其主體直徑為10～35mm，一般為20mm左右，軸向相鄰腋芽距離為15～40mm，如圖1所示。

圖1 木薯種莖軸測圖

木薯莖稈由3部分組成，由外到內，依次是皮層、木質層、髓部，如圖2所示。皮層是決定生根發芽的關鍵部分，極為脆弱，一旦受到損傷，就會影響到木薯種莖的正常生長。這也對夾持切斷設備提出了很高的要求。

國內相關研究團隊已經對木薯種莖的力學特性進行了分析研究，其中廣西大學相關研究團隊于2010-2011年對其進行了詳細測量[10]。木薯莖稈平均軸向拉伸強度為10.23MPa、平均軸向壓縮強度為6.26MPa、平均徑向壓縮強度為1.43MPa、平均軸向剪切強度為1.86MPa、平均徑向剪切強度為2.53MPa、平均抗彎強度為10.80MPa、平均軸向彈性模量為5.24MPa、平均徑向彈性模量為35.36MPa。

圖2 木薯種莖斷面

2 種莖切斷裝置的結構

2.1 種莖切斷裝置主體結構的確定

木薯種植機種莖切斷裝置由切稈座、切稈刀輥及切稈護蓋等組成，如圖3所示。

1.切稈長軸 2.鏈輪 3.帶立式座軸承 4.切稈短軸

其中，切稈座作為基座，用于安裝固定其他零部件，一對切稈刀輥用于切斷喂入的木薯稈，切稈護蓋主要是避免木薯稈在切斷過程出現傾斜，影響切斷效果，也避免裝置對操作人員造成傷害。工作時，木薯稈由切稈護蓋喂料斗喂入，在一對刀輥的擠切作用下被切斷成適宜種植的小段，而后在自重作用下向下滑落。

由于種莖切斷裝置既需要橫向調整位置，又要求整體配合精度較高，且切稈刀片及彈性膠筒容易損壞，需要經常維修更換，且將基座設計成整體可側向移動，使其在需要改變種植規格時，能夠快速調整行距。其整體結構尺寸為高度360mm，長度920mm，寬度375mm。

2.2 種莖切斷裝置傳動設計

切稈裝置的驅動力由木薯種植機地輪提供，地輪轉動時帶動種莖切斷裝置一同運轉。該設計無需控制裝置調節木薯種莖切斷裝置轉速與啟停時間，既能降低設備成本及設備操作難度，也能夠確保種莖切斷裝置作業精準度。

切稈裝置包含兩級傳動：一級傳動是從動力源到主動切稈刀輥的傳動，二級傳動是主動切稈刀輥到從動切稈刀輥的傳動，如圖4所示。在農業機械設備傳動裝置的應用上，一般常用傳動方式有帶傳動、齒輪傳動、鏈傳動、液壓傳動、氣力傳動及電力傳動等幾種形式。結合木薯機械化種植作業環境、設備成本、設備使用可靠性及設備維護成本等方面因素，種莖切斷裝置的一級傳動方式采用鏈傳動設計[11]。鏈傳動具有傳動功率高，傳動距離長，傳動比精準等特點，在惡劣的作業環境下運轉平穩，非常適合沙塵影響較為嚴重的田間作業。

圖4 傳動示意圖

而對于二級傳動，由于傳動距離短，兩刀輥運轉方向不可變，故采用齒輪傳動，齒輪公稱直徑與兩刀輥中心距一致。

作業時，在地輪驅動下，主動切稈刀輥轉動，同時通過一對嚙合齒輪帶動從動切稈刀輥相對轉動，當木薯種莖喂入時，即被切斷成固定長度的小段，如圖5所示。

圖5 木薯種莖切斷示意圖

2.3 切稈刀輥的設計

2.3.1 切稈刀輥的總體設計

切稈刀輥共有1對，分別由切稈軸、刀座、刀片、擋板及膠筒等組成。其中，切稈軸、擋板與刀座焊合作為切稈刀輥的基體，刀片通過螺栓緊固于刀座上；膠筒用于彈性夾持，未進行固定，僅用螺栓穿過，防止刀輥轉動時松脫。

刀輥的設計是種莖切斷裝置的核心。由于機械化種植時，對木薯種莖長度有一定要求，一般為150～200mm，以此為基礎進行設計計算。由于木薯莖稈在切稈裝置里，切稈長度、切稈刀片、刀輥中徑存在的關系為

L=πD/n

式中 L—木薯種莖切斷長度(mm)；

D—刀輥中徑(mm)；

n—刀片數量(個)。

依據實際生產經驗，木薯種莖切斷設定為160mm，每個刀輥刀片數量為4片，則刀輥直徑為204mm。

2.3.2 切稈刀片的設計

傳統種植模式下，人工砍斷木薯種莖時，由于揮刀線速度一般可達3m/s，厚度約2mm的砍刀基本可以一刀斬斷木薯種莖，如圖6所示。

圖6 一刀切斷的木薯莖稈

對于厚度在3mm以上的砍刀，則難以一刀將木薯種莖斬斷，一般的措施一手握緊木薯稈，使其直立，一手持刀，在木薯種莖相對面砍切，形成V型口斷面，如圖7所示。

機械化切斷木薯種莖時，由于是兩片相配合的刀片相對轉動從而切斷木薯種莖，在此過程中切稈刀片受力大小與方向不斷變化。因此，刀片的設計至關重要，是切斷木薯莖稈的零件，直接與木薯稈接觸，并對其施加作用力，其使用性能直接影響種莖切斷效果。木薯等株距種植的農藝決定了刀片間歇性工作，且在工作時承受較大沖擊載荷及扭矩。這對刀片的形狀、結構、材質、配合都有較高的要求，以滿足長時間作業。刀片寬度設計與取決于木薯種莖大小，如圖8所示。

圖7 兩刀切斷的木薯莖稈

圖8 木薯莖稈與刀片示意圖

刀片寬度與木薯種莖存在如下關系，即

L≥d+2h

式中 L—刀片寬度；

d—木薯種莖主體直徑；

h—木薯種莖突起高度。

木薯主體直徑一般為20～35mm，較為粗壯的也可達到40mm，d取值為45mm。凸起高度一般為5～8mm，h取值10mm。因此，L≥65mm?？紤]木薯種莖應避免與切稈輥兩側圓板接觸，L取值70mm。

對于刀片材質，應具備必要的硬度、耐磨性，以及足夠的強度和韌性，這與木工刀具的作業要求具有很大的相似性。木工刀具的硬度一般在HRC44以上，同時具備較高的耐磨性[12]，此處參考木工刀具選材。一般木工刀具常用材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼(HSS)及硬質合金，考慮到木薯種植機實際使用環境及生產成本，選用碳素工具鋼作為木薯種植機刀片材料。

對于刀片的結構形式，考慮的因素主要包括刃口角度、刃口長度、刀片厚度及安裝方式等。考慮木薯種莖的長度范圍及木薯種莖輸送情況，刀片的刃口長短設為70mm，而刃口角度為了提高刀片的強度，確保刀片的使用壽命，取值25°，厚度為4mm，通過螺栓固定在刀座上，具體參數如圖9所示。

圖9 切稈刀片參數

2.4 切稈護蓋的設計

種莖切斷裝置的護蓋作為覆蓋件，遮蓋在切稈裝置活動部件上方，能夠避免工人在操作時受到傷害，起到保護工人安全的作用。同時，護蓋還能夠在種莖輸送過程中對其進行導向定位，避免木薯種莖在切斷過程中出現傾斜，影響種莖切斷裝置正常作業。

由于切稈刀片厚度大，切斷過程中兩片刀片對木薯種莖施加作用力不平衡會導致木薯種莖出現偏斜，如圖10所示。另外，木薯種莖通過喂料斗時，會與其形成刮擦，若設計不合理，極易造成木薯種莖表皮與腋芽的損傷，影響出苗率，還會因種莖切斷不順利導致株距不均，甚至缺苗現象。根據前述要求，設計了種莖切斷裝置護蓋，其結構與具體尺寸如圖11所示。

圖10 未裝護蓋時切斷木薯稈示意圖

3 試驗測定

3.1 樣機技術參數

根據文中提出的設計方法，設計出了新的木薯種植機切稈裝置，完成了新樣機的試制，其主要技術參數如表1所示。

圖11 切稈護蓋參數

項目單位參數外型尺寸mm920×375×355質量kg62.68刀輥直徑mm200刀組數量對4切稈長度mm160長度合格率%≥95%種莖破損率%≤4%

3.2 試驗條件與方法

試驗在位于廣東省湛江市中國熱帶農業科學院農業機械研究所內進行。試驗材料為中國熱帶農業科學院農業機械研究所木薯試驗地種植華南5號木薯莖稈，所選木薯莖稈生長周期為9個月，自土表15cm以上截取種莖，長度為150cm，莖稈主體直徑為3.5cm，平均含水率為71.42%。

試驗方法：將試制好的木薯種植機種莖切斷裝置安裝于木薯莖稈切斷試驗臺上，確保各處連接可靠、穩定后，調試試驗臺，觀測其運轉是否正常，同時觀察試驗臺數據采集裝置是否穩定。確保試驗裝置及切種裝置軟硬件均運行正常、工作穩定后，對切稈裝置試驗臺進行低速運轉預熱10min，而后調整無極變速器轉速至40r/min。試驗時，試驗人員將木薯種莖從喂料斗放入，將切斷的種莖按照頭尾順序還原，重復10次，同時用連接在變速器與切稈器之間測量裝置采集數據。

3.3 試驗結果

筆者以新鮮木薯種莖為原料，進行了種莖切斷試驗，運行測試參數如表2所示。

表2 切稈裝置測試性能結果

試驗表明：木薯種莖切斷時，所需扭矩較小，一般在15N·m以下；而當切斷木薯根部種莖時，所受扭矩劇增，每根木薯稈切斷過程中均在尾部出現的最大扭矩。試驗過程中，設備運行平穩，無異常。

4 結論

1)研制的木薯種莖切斷裝置作為木薯機械化種植技術的核心部件，不僅解決了人工切斷效率低的問題，同時能夠保證切斷長度的一致性，顯著提高了生產效率。

2)設計了以地輪為驅動力、鏈輪傳動與齒輪傳動相結合的傳動方式，能夠適應田間惡劣多變的作業環境；設計了種莖切斷裝置的刀片，解決了切稈過程中出現的漏切、堵塞等問題。

3)室內試驗及田間試驗表明：該裝置性能穩定，作業可靠，種莖切斷長度160mm，長度均勻度≥85%，種莖破損率≤4%，均達到或超過該機的設計指標。

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Design of Cassava Stalk Cutter for Cassava Planting Machine

Cui Zhende, Deng Ganran, Li Guojie, Liu Zhiqiang, Zheng Shuang, Li Ling

(Agricultural Machinery Research Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Zhanjiang 524091,China)

Mechanized planting techniques can greatly improve the efficiency of cassava planting, reduce the cost, it's development trend of cassava field production. However, domestic research on cassava planting machine is not enough, there are still many problems. Firstly, studied the problems of cassava stalk cutter occurred when planting machines had worked in fields. Then theoretical studies on designing of cassava stalk cutter was did. At last the overall structure of cutter, cutter roller, blade and cover were analyzed and designed respectively referencing agronomy planting requirements and cassava stalk biological and physical characteristics. Tests shows that this type cassava stalk cutting device worked stably. When a cassava planting machine with designed cutter driven by a tractor moving about 1.2m/s, it has the best performance. It worked 600 acres with trouble-free operation.

cassava; planting machine; cassava stalk cutter

2016-05-16

海南省自然科學基金項目(514214)；廣東省省級科技計劃項目(2015A020209006)

崔振德(1984-)，男，河南鄲城人，助理研究員，(E-mail)czd2004@qq.com。

鄧干然(1972-)，男，廣西扶綏人，研究員，碩士生導師，(E-mail)dengganran@163.com。

S223.2+6；S565.9

A

1003-188X(2017)04-0144-05