雙行牽引式馬鈴薯挖掘機的設計與試驗

呂金慶，孫 賀，兌 瀚，楊曉涵，劉志峰

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

0 引言

馬鈴薯營養價值和藥用價值較高，素有“地下蘋果”之稱，同時因其耐旱、生長期較短、耐貧瘠及經濟效益高等優點在我國廣泛種植。隨著馬鈴薯主糧化戰略的推進，我國馬鈴薯種植面積逐年攀升，但單產水平增加仍然緩慢，主要原因是我國馬鈴薯收獲機械化水平較低。馬鈴薯種植方式多樣，部分地區以丘陵山地為主，土壤潮濕粘重，增加了機械收獲難度，且挖掘機挖掘深度不合理、升運分離部件薯土分離效果差，制約了馬鈴薯機械化收獲的發展[1]。

國外對馬鈴薯收獲機械的研究較為完善，如波蘭AKPIL公司生產的BULWA2系列馬鈴薯挖掘機，將挖掘出的馬鈴薯成條鋪放于田間；德國GRIMME公司生產的GT-170型馬鈴薯聯合收獲機，能夠一次性完成挖掘、分離、輸送、清選和裝運等多項作業，但其價格昂貴，適用于大規模種植區的收獲作業，不符合我國的種植模式。國內具有代表性 的有哈爾濱沃爾科技有限公司研制的4U-2型馬鈴薯挖掘機、甘肅農業大學工學院研制的4UD-600型馬鈴薯挖掘機等，但其普遍存在收獲過程中作業阻力較大、明薯率較低及傷薯率較高等問題。針對以上問題，本文設計了一種作業性能良好、收獲質量高的牽引式馬鈴薯挖掘機[2-3]。

本文對挖掘鏟和升運分離裝置等關鍵部件進行分析，并通過田間試驗驗證該挖掘機的收獲作業性能，結果表明各項指標均優于馬鈴薯收獲的國家標準。

1 整機結構、工作原理及主要技術參數

1.1 整機結構

該機具的行走方式為牽引式，整機是由牽引架、機架、挖掘鏟、限深輪、升運鏈分離篩、傳動系統、萬向節系統和縱向集條器等部分組成，能夠一次性完成兩行馬鈴薯的收獲作業，如圖1所示。其相鄰挖掘鏟之間的距離為900mm，升運鏈式分離裝置的桿條間隙為41mm，能有效將薯土進行分離，減小雜草纏繞，降低埋薯率。

1.限深輪 2.挖掘鏟 3.牽引架 4.機架 5.萬向節 6.升運鏈分離篩 7.傳動系統 8.縱向集條器

1.2 工作原理及主要技術參數

1.2.1 工作原理

整機在作業之前應先進行殺秧工作，將馬鈴薯秧蔓除去。工作時，調整好挖掘鏟的挖掘角度，拖拉機帶動挖掘機前進；限深輪的主要作用是限制挖掘鏟的挖掘深度，隨著機具的前進，挖掘鏟切入土壤將薯土混合物掘起，隨后沿挖掘鏟上行至升運鏈；由于抖動器的抖動作用，土塊被抖碎，在輸送過程中將抖碎的土塊與雜草、殘余莖稈一起通過升運鏈間隙落到地面；馬鈴薯薯塊輸送至升運鏈末端時，在縱向集條器導向作用下成條鋪放在挖掘機后側的地面上，最后通過人工撿拾完成馬鈴薯的收獲作業。

1.2.2 機具主要技術參數

本文設計的牽引式馬鈴薯挖掘機的結構設計符合馬鈴薯收獲的農藝技術要求，主要適用于砂壤土條件下的收獲作業。整機結構簡單，挖掘鏟角度可調且調節方便，能有效減小挖掘鏟的挖掘阻力，提高了收獲效率和機具作業的穩定性。該牽引式挖掘機的主要技術參數如表1所示。

表1 牽引式挖掘機的主要技術參數Table 1 Main technical parameters of traction potato excavator

2 關鍵部件的設計

2.1 挖掘鏟的設計

挖掘鏟[4-8]的主要作用是將結薯土層掘起，減小攜帶的泥土量，撿拾塊莖，并盡可能地松碎土壤，使薯土混合物沿著鏟面上升到后面的升運鏈分離裝置上。由于我國馬鈴薯種植方式多樣，土壤的濕度和土壤類型不盡相同，因此挖掘鏟的設計需滿足以下要求：

1)在挖掘過程中克服各種阻力消耗的能量較少，保證挖掘深度，防止損傷薯塊，同時應盡量防止雜草纏繞和壅土現象發生；

2)將所有的薯塊挖出，保證較高的挖凈率；

3)盡可能松碎土壤，將薯土混合物完整的輸送到分離裝置上。

2.1.1 挖掘鏟鏟刃斜角的確定

鏟刃斜角是挖掘鏟重要的設計參數，為保證鏟刃的自動清理功能，需滿足挖掘土壤產生的滑切力大于鏟面方向摩擦力的作用，對挖掘鏟進行受力分析如圖2所示。

圖2 挖掘鏟的受力分析圖Fig.2 Force analysis of digging blade

根據力平衡關系得

(1)

(2)

(3)

式中P—挖掘鏟對薯土混合物產生的阻力(N)；

γ—鏟刃斜角(°)；

μ—土壤對鏟的摩擦因數；

φ—土壤對鏟刃的摩擦角。

鏟刃斜角的大小與土壤、雜草沿著鏟刃方向的滑切速度、鏟尖長度有關，關系式為

(4)

式中vt—土壤、雜草沿著鏟刃方向的滑切速度(m/s)；

vm—挖掘機機組的前進速度(m/s)；

L′—挖掘鏟的鏟尖長度(mm)；

B—挖掘鏟的寬度(mm)。

由公式(4)可知：挖掘鏟的鏟刃斜角與土壤、雜草的滑切速度成反比關系，隨著鏟刃斜角的增大，滑切速度逐漸減小，挖掘鏟自動清理功能減弱；鏟尖長度與鏟刃斜角成反比關系，隨著鏟刃斜角的增大，鏟尖長度逐漸變小。綜上所述，當選取較小的鏟刃斜角γ時，滑切速度較大，挖掘鏟防纏草能力較強，同時鏟尖長度L’增加，減小挖掘鏟的入土阻力作用。一般土壤對鏟刃的摩擦角為30°～36°，最終確定本設計挖掘鏟的鏟刃斜角γ為75°。

2.1.2 挖掘鏟面傾角的確定

挖掘鏟在進行挖掘作業的過程中，需保證薯土混合物能夠沿著鏟面上升到升運鏈分離裝置中，避免發生回落現象。薯土混合物在鏟面上的受力分析如圖3所示。

圖3 薯土混合物在挖掘鏟上的受力分析簡圖Fig.3 Force diagram of potato and soil on the surface of shovel

根據圖3所示的受力分析，得到平衡方程為

(5)

式中α—挖掘鏟的鏟面傾角(°)；

G—薯土混合物受到的重力(N)；

m—薯土混合物的質量(kg)；

g—薯土混合物的重力加速度(m/s2)；

Ff—鏟刃作用于土薯混合物上的摩擦力(N)；

FN—阻力P在垂直于挖掘鏟鏟面上的分力(N)。

由式(5)可知，挖掘鏟的鏟面傾角為

(6)

由式(6)可知：鏟面傾角的大小與挖掘鏟對薯土混合物產生的阻力和薯土混合物的重力有關。若鏟面傾角大于式(6)的值，則鏟面將會有壅土現象發生，使薯土混合物從鏟側滾落。為保證挖掘鏟將土垡切開，并使土薯混合物輸送到一定高度，最終確定鏟面傾角為22°。

2.1.3 挖掘鏟長度的確定

正確的挖掘鏟長度能夠增加薯塊挖凈率，減小牽引阻力，提高挖掘機的作業效率。挖掘鏟對土壤的作用分為兩個階段：①挖掘馬鈴薯薯塊；②輸送薯土混合物至升運鏈分離裝置中。對挖掘鏟鏟面進行分析，利用動能守恒定律和相關幾何知識求得鏟面長度，如圖4所示。

圖4 挖掘鏟長度分析Fig.4 Length analysis of digging shovel

挖掘鏟的第1階段是將薯土混合物掘起的過程(即土塊從挖掘鏟的鏟尖點A運動到鏟面上B點的過程)，該過程的長度為L1。根據幾何關系，確定挖掘階段的長度為

(7)

式中L1—挖掘鏟挖掘階段長度(mm)；

h1—挖掘鏟的挖掘深度(mm)。

挖掘鏟的第2階段主要作用是將薯土混合物輸送式鏟末端直至升運鏈分離裝置上，即從鏟面上的B點運動至鏟末端C點的過程，該階段的長度為L2。薯土混合物上升至h的過程中主要是動能轉化為勢能的過程，克服摩擦力做功，則應用動能定理確定該階段的長度為

(8)

式中EB—薯土混合物在B點的動能(J)；

vm—機具前進速度(m/s)。

當薯土混合物從B點繼續上升時，薯土混合物開始向鏟面方向堆積，上升至末端C點時，動能完全轉化為勢能和克服摩擦力所用的能量。由圖4可知

(9)

式中Gf—摩擦力所做的功(J)；

GG—克服重力所做的功(J)；

L2—挖掘鏟輸送階段長度(mm)。

根據動能定理，由式(8)和式(9)得到薯土混合物在B點到C點的能量平衡方程為

(10)

由式(7)～式(10)可知：挖掘鏟的長度為

(11)

式中L—挖掘鏟長度(mm)；

L1+L2—挖掘鏟長度(mm)。

由式(11)可知，挖掘鏟長度與挖掘深度、鏟面傾角和機具前進速度有關。為減小摩擦力做功，在保證挖掘鏟將薯土混合物提升有效高度前提下，應盡量減小挖掘鏟的鏟面長度。根據馬鈴薯收獲農藝要求，挖掘深度應在150～300 mm之間，本研究機具的前進速度為0.6～1.7m/s，最終確定挖掘鏟的長度L=300mm。

2.2 分離裝置的設計

分離裝置[9-11]的作用是把挖掘鏟輸送過來的薯土、雜草和莖葉混合物中分離出馬鈴薯薯塊。分離裝置要求分離掉70%～80%的土壤及其雜物，對分離裝置的設計要求如下：

1)升運鏈分離裝置對馬鈴薯塊根的機械損傷較小，相鄰桿條之間間距設置合理，防止雜草纏繞和壅土現象發生；

2)有效地破碎土壤，將雜物分離，減小機具的故障率；

3)分離裝置在運動過程中輸送通暢，減少卡條現象發生。

綜合以上因素，設計如圖5所示的分離裝置。

1.升運鏈張緊輪 2.抖動輪 3.升運鏈 4.升運鏈驅動輪

采用帶桿式升運鏈作為分離裝置主要由主動鏈輪、從動鏈輪、抖動輪和升運鏈等部分組成。在運動過程中，主動鏈輪帶動從動鏈輪傳動，實現馬鈴薯的輸送作用；抖動輪的轉動使得土塊和雜草等從升運鏈的間隙落到地面，實現馬鈴薯薯塊與其他雜物的清選分離作用；薯塊則被繼續輸送，直至通過集條器導向作用整齊的鋪放在地面上。

2.2.1 桿條間隙的確定

桿條鏈中的桿條間隙是其重要結構參數，桿條間隙的大小對升運分離裝置的分離性能有著重要的影響。桿條間隙過小，在土薯分離過程中土壤容易粘著，使分離裝置的分離能力下降；桿條間隙過大，馬鈴薯在升運分離的過程中很可能從桿條的間隙中掉落。結合馬鈴薯物理特征及試驗過程分析，取桿條間距L3=41mm，桿條直徑d=12mm，最終計算得桿條間隙a=29mm。桿條鏈的結構及參數如圖6所示。

圖6 桿條結構Fig.6 Bar structure chart

2.2.2 桿條配置結構

為了使馬鈴薯挖掘機能夠適應粘重土壤條件作業，升運鏈分離裝置桿條的配置采用直-彎-彎-直桿的最小結構單元。土壤在升運鏈上的過篩效率與其有效過篩面積有關，即與升運鏈之間的桿條間隙總面積有關。全直桿條配置模式下3個最小結構單元的桿條間隙面積S1為

S1=3a·D

(12)

其中，a為桿條間隙(mm)；D為升運鏈桿條的工作幅寬(mm)。

取本文所設計的桿條配置模式下最小結構單元，如圖7所示。桿條間隙面積S2為

(13)

其中，h0為升運鏈彎桿條凹槽深度(mm)。

圖7 直-彎-彎-直桿條配置圖Fig.7 Straight - bend - bend - straight rod configuration diagram

代數計算得

S2=(1+7.7%)S1

(14)

根據公式(14)可知：該桿條配置模式下桿條增大了空間排列，增大了有效篩分面積，從而提高了升運鏈的過篩效率，增強了分離篩分效果，使升運鏈分離裝置可適應黏重土壤條件作業。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2017年9月在黑龍江省農業科學院試驗基地(黑黏土)進行該牽引式馬鈴薯挖掘機的田間試驗。試驗基地為旱地壟播，試驗區的壟長長度大于500m，壟距為800mm，壟高為280mm，壟播株距為200mm，收獲的馬鈴薯品種為大西洋、克新19，試驗田的結薯深度為150～300mm。機具的田間作業情況如圖8所示。

圖8 田間試驗Fig.8 Field experiment

3.2 試驗方法和試驗指標

根據國家行業標準《NY-T 648-2002 馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》規定的試驗方法[12]，在旱地壟播類馬鈴薯種植田間進行收獲試驗，驗證設計的牽引式馬鈴薯挖掘機的作業性能，分別測定該馬鈴薯挖掘機的明薯率、傷薯率和工作可靠性，驗證機具的作業性能。

在樣機試驗過程中，明薯率是指在1個行程結束后收集到的明放和露出地面的薯塊占總體質量的比值；傷薯率是指從明薯、埋薯和漏挖薯中收集所有的傷薯的質量占總體質量的比值；可靠性是指生產考核期間的班次作業時間占機具在生產考核期間每班次的故障排除時間與生產考核期間的班次作業時間的總和的比值。

3.3 試驗結果與分析

試驗結果如表2所示。

表2 牽引式馬鈴薯挖掘機性能試驗結果Table 2 Test result of traction potato excavator %

由表2可知：各項指標均符合馬鈴薯收獲作業要求，同時該機的工作穩定性較好，工作效率高，整機結構簡單，將馬鈴薯整齊鋪放在拖拉機后側，便于人工撿拾。

4 結論

1)牽引式馬鈴薯挖掘機結構、挖掘鏟和升運鏈式分離裝置結構設計合理，有效減小了挖掘阻力，達到了較好的薯土分離效果。該機能夠一次性完成挖掘、輸送、清選分離和成條鋪放等作業。

2)田間試驗表明：牽引式馬鈴薯挖掘機的明薯率、傷薯率和作業穩定性均優于國家馬鈴薯收獲的行業標準，收獲質量和效率較高。