牽引式馬鈴薯聯合收獲機的設計與試驗

萬恩超，尚書旗，王東偉，何曉寧，劉曉東

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

馬鈴薯作為我國僅次于玉米、小麥、水稻的第四大糧食作物，營養價值極高、加工品類繁多、產業鏈條長，是我國出口創匯的重要農產品之一。收獲作為馬鈴薯產業全程機械化的關鍵環節之一，對馬鈴薯的存儲、生產再加工都有著極大的作用，直接決定著馬鈴薯質量的好壞，而我國現有的馬鈴薯收獲機械多為分段收獲機械、半機械化收獲機械,以及中、小型的馬鈴薯聯合收獲機械，機械化水平較低，仍需要人工輔助來完成整個收獲過程。國內現有馬鈴薯聯合收獲機械產品類型多樣，主要是依靠引進國外機械消化吸收，但由于自身的技術局限性、加工精度低，研制的馬鈴薯聯合收獲機械存在著結構性能差、穩定性低及適應性差等要求，不適宜我國現有的馬鈴薯的種植模式以及收獲的農藝特點。因此，研制一種適宜我國馬鈴薯種植模式下的馬鈴薯聯合收獲機是非常必要的，對于助推馬鈴薯主糧化意義深遠。

1 設計原理及機構

1.1 設計原理

針對我國馬鈴薯主產區的種植模式、農藝特點，以及國內現有的馬鈴薯聯合收獲機械收獲質量差、傷薯率高、明薯率低等問題，設計了一種牽引式的馬鈴薯聯合收獲機，該機主要由主機架、牽引懸掛裝置、挖掘限深裝置、土薯分離裝置、秧草除雜裝置、升運歸集裝置，以及平衡裝置構成，如圖1所示。其一次性可以實現挖掘限深、土薯分離、輸送分離、秧草除雜以及果實輸送、匯集裝車等多項復雜工藝作業。

1.主機架 2.牽引懸掛裝置 3.挖掘限深裝置 4.土薯分離裝置 5.秧草除雜裝置 6.升運歸集裝置 7.平衡裝置 8.液壓控制系統圖1 馬鈴薯聯合收獲機整機結構圖Fig.1 Structure of the potato combined harvester

該機采用多動力輸出分級控制的方式為機具的正常運轉作業提供動力，主要分為以下兩種：一是依靠拖拉機的動力輸出端通過鏈傳動等方式為土薯分離、輸送分離及秧草除雜等作業過程提供動力來源；二是依靠拖拉機的液壓輸出系統為挖掘限深裝置、升運歸集裝置及平衡裝置提供動力來源，有效避免了功率的消耗與浪費。

1.2 工作原理

工作前，先通過液壓控制調節閥將升運歸集裝置展開到一定角度與位置。工作時，挖掘鏟以一定的入土角度挖掘入土，入土角度根據實際作業要求手動進行調整。首先通過鎮壓限深輥的壓實作用，由挖掘鏟從土壤里挖出薯塊，兩側的切草盤對位于壟內外的馬鈴薯莖稈或雜草進行分割；薯塊經土薯分離裝置繼續向后輸送，在輸送的過程中進行土薯的輸送分離，進而實現漏土作業。秧草除雜裝置的作業主要依靠后部的正反裝橡膠滾子及除雜機構，薯塊通過后鋪的柵條落入位于機械后部的升運歸集裝置；升運歸集裝置由3級帶式輸送機構組成，通過調節此裝置的位置精確控制落薯的高度和位置。作業的過程中，可根據實際作業條件或者作業要求進行調節位于機具右側的平衡裝置，調節機具的重心，避免因機具的重心左右偏移而造成的安全事故，使機具作業更加安全、穩定、可靠。該機械外形美觀、結構緊湊、布局合理且工作效率高，可用于在我國的馬鈴薯主要種植區域大面積推廣普及與應用。

2 主要結構設計及參數

牽引式馬鈴薯聯合收獲機的主要技術參數如表1所示。

表1 牽引式馬鈴薯聯合收獲機的主要技術參數Table 1 Technical parameters of potato combine havesters

2.1 挖掘限深裝置

挖掘是進行收獲作業的第一步，挖掘限深裝置由挖掘鏟、鎮壓限深輥及液壓提升機構組成，置于收獲機前端。刀鏟采用固定式組合刀鏟，能一次性完成兩壟馬鈴薯的聯合收獲，作業采用對行進行收獲，動力通過液壓缸實現前段挖掘鏟刀的提升與放下。挖掘限深裝置的液壓提升機構的增加，便于控制作業時的深度及非工作狀態時的行走與移動，結構簡單，操作靈活。

2.2 土薯分離裝置

土薯分離裝置的結構設計既要保證馬鈴薯向后輸送的效率以及土薯分離的程度大小，還要將馬鈴薯的破皮損傷程度降到最低。這一裝置設計的難題就是土薯的分離效果的好壞與傷薯率的高低不能保持統一。土薯分離效果好的裝置，必然會對馬鈴薯薯塊造成不同程度的機械損傷，而對薯塊機械損傷小的機構或裝置，則土薯分離的質量又不好。另一個關鍵問題就是向上輸送的效果差。本次設計的直線柵條與折轉柵條的組合式輸送鏈排與振動機構的組合作用則有效解決了馬鈴薯向上輸送困難的問題。組合柵條式輸送鏈排如圖2所示。

1.直線式柵條 2.折線式柵條 3.皮帶圖2 組合式柵條土薯分離裝置示意圖Fig2 The schematic diagram of combined grid strip tuber separation unit

2.3 平衡裝置

馬鈴薯聯合收獲機的外型龐大，特別是處于工作狀態時，升運歸集裝置的3級升運機構的展開幅度較大，高度約3m，寬度約7m，加上薯塊輸送過程中產生的流動負荷，聯合收獲機的升運集裝置的工作負荷大大增加，使馬鈴薯聯合收獲機的重心產生一定幅度的左右偏移，機具的穩定性會大大降低，安全性也會有所下降。平衡裝置的結構設計就是針對機具存在的這一缺陷進行研制開發的，能夠有效地解決機具重心偏移的問題，增加機具的穩定性與安全性。平衡裝置是在基于液壓傳動的基本原理的基礎上進行開發設計的，結構簡單，具體措施是將右側的地輪支撐改為一定缸徑的油缸，通過液壓控制調節閥根據實際作業時機具重心的偏移程度調節液壓缸的伸縮量，使機具的重心偏移程度始終保持在安全的范圍內。平衡裝置的結構設計及使用大大增加了馬鈴薯聯合收獲機的穩定性與安全性。

2.4 升運歸集裝置

馬鈴薯聯合收獲機大都采用鏈傳動的方式實現動力傳輸，鏈傳動雖具有傳動平穩牢固、可靠性強等優點，但傳動過程太過復雜，本次設計采用液壓馬達驅動的方式帶動3級升運機構的正常運轉作業，結構簡單，原理清晰，比較容易實現。

升運歸集裝置，由液壓缸控制折疊、展開的3級升運機構組成，如圖3所示。

圖3 升運歸集裝置結構示意圖Fig.3 The schematic diagram of the structure of the hoisting and transporting collection device

3級升運機構的正常運轉由拖拉機自身所具備的液壓輸出系統單獨驅動液壓馬達來實現。在基于液壓傳動的基本原理的基礎上來進行研發設計的3級升運機構的自重較大，加上正常運轉作業時的工作負荷，且折疊與展開幅度也較難以掌控，所以升運歸集裝置的設計采用了基于液壓傳動與電子感應反饋相結合的自動化控制技術，需要液壓缸缸徑與精確的流量計算才能夠實現其靈活折疊與張開。由于拖拉機的液壓輸出端口的個數有限，不足以用來實現馬鈴薯聯合收獲機的諸多功能與作業過程，所以在拖拉機液壓輸出端口連接了一個液壓分配調壓控制器，使各油路分支的液壓油管與相應的液壓缸連接，通過液壓調節閥控制升運機構的張開與復位的程度。

如圖4所示：拖拉機液壓輸出端與控制手柄間設有溢流閥，以保證供油充足，同時起保護作用。上側的兩個液壓缸控制升運機構的伸縮，并在供回油的油管間設有單向節流閥，防止升運機構在工作時快速提升與回落；下側的液壓缸則是通過重力實現復位。

圖4 馬鈴薯聯合收獲機液壓系統示意圖Fig4 The schematic diagram of the hydraulic system of the potato combined harvester

圖4液壓馬達的液壓油路圖中設置有溢流閥起到保護作用，且設有調速閥，可以根據實際作業要求控制升運機構輸送的快慢。驅動輪結構設計如圖5所示。

1.驅動輪主板 2.焊接套 3.驅動焊接齒 4.焊接附板圖5 驅動輪結構設計圖Fig.5 The design of the drive wheel structure

馬鈴薯聯合收獲機的流量-壓力輸出曲線，如圖6所示。由圖6可以看出：輸送帶傳動作業時，馬達流量輸出比較平穩，升運速度比較均勻。

圖6 流量-壓力曲線Fig.6 The flow pressure curve

3 田間試驗分析

3.1 試驗條件

試驗設備主要包括土壤硬度測量儀、土壤水分測量儀、米尺、秒表、電子秤、數字式高精度轉速表、拖拉機1臺(東方紅1304)及馬鈴薯聯合收獲機樣機。

田間試驗條件主要包括土壤硬度、含水量、馬鈴薯種植模式、生長特性等，對明薯率、傷薯率、破皮率等衡量指標造成較大影響。試驗以種植的品種為荷蘭土豆為研究對象，種植模式為壟作，土壤硬度為103kPa，土壤含水量6.05%，株距20cm，行距80cm。

表2 馬鈴薯聯合收獲機的試驗數據指標Table 2 Test data index of potato joint reaper

3.2 試驗結果

在山東省青島市膠州市膠萊鎮大趙家村試驗示范基地按照NY/T 1130-2006《馬鈴薯收獲機械》的有關標準和試驗方法進行了田間試驗，試驗田環境良好，地勢平坦，土壤濕度、硬度適中,配套動力為東方紅1304。試驗時先對馬鈴薯的薯秧進行殺秧作業，為減少薯秧、雜草等對馬鈴薯收獲質量的影響，在收獲前1周進行殺秧作業。樣機試驗效果良好，各項性能指標均符合行業標準，如表2所示。

3.3 存在問題

1)設計的馬鈴薯聯合收獲雖能基本完成整個收獲作業過程，但由于自身技術的局限性及加工精度低，個別零部件件雖能滿足作業需求，但可靠性較低、實用性較差，需作出進一步的設計改善，增加機具的可靠性、實用性。

2)設計的馬鈴薯聯合收獲機能完成聯合收獲作業，沒有出現薯土摻雜的現象；但在考慮到馬鈴薯收獲質量的情況下，可能會因土壤因素等條件的制約，輸送帶會對馬鈴薯收獲質量產生影響，將進行優化設計，增加漏土作業功能，進一步提升收貨質量。

3)馬鈴薯聯合收獲機整體結構較龐大，需要配套大型動力拖拉機(匹配液壓油路輸出)牽引作業，可以考慮在不影響作業質量的前提下，將其進行結構的優化設計。

4 結論

1)研制了一種牽引式兩壟四行馬鈴薯聯合收獲機，可一次性完成挖掘限深、土薯分離、秧草除雜、果實輸送匯集裝車等多項工藝聯合作業。

2)升運歸集裝置采用基于電子感應反饋與液壓控制技術的集成，智能化程度高。采用單獨的液壓馬達驅動，有效避免了功率浪費，安全、可靠。前段機架可升起與放下，操作靈活，可滿足不同農藝作業要求。

3)平衡裝置采用液壓驅動，能夠增加機具的穩定性；土薯分離裝置采用組合式柵條輸送鏈排，提高了薯塊向后輸送的效率，更好地實現了漏土作業，大大提高了工作效率。

4)田間試驗表明：該機作業效果良好，能夠較好地完成馬鈴薯的聯合收獲作業，各項技術性能指標滿足農藝要求與行業標準。