馬鈴薯聯合收獲機搖擺架及挖掘結構的設計

岳仁才,胡周勛,李少川,祝 珊,王相友,2,孟鵬祥,蘇國梁,李學強

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院,山東 淄博 255091;2.山東省馬鈴薯生產裝備智能化工程技術研究中心,山東 德州 253600;3.山東希成農業機械科技有限公司,山東 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯是世界上公認的第四大糧食作物,在我國種植面積廣[1-2]。在整個馬鈴薯生產過程中,收獲是非常重要的一個環節,而目前馬鈴薯收獲裝備無法滿足產業化需求,機械化水平遠低于其他主要糧食作物。國內研發的馬鈴薯收獲設備種類繁多,但結構往往比較簡單,適用范圍局限在地勢較為平坦的平原地帶,對于地勢相對有起伏的地域適應能力不強,生產效率相對較低,嚴重制約著馬鈴薯產業的發展[3-4]。

馬鈴薯收獲的第1個工序就是挖掘,因此挖掘部件的設計與優化決定了馬鈴薯收獲機的收獲性能。隨著馬鈴薯產業機械化水平的不斷提升,對挖掘各部件的設計提出了更高的要求。我國是世界上馬鈴薯種植面積最大的國家,種植地域的廣泛分布造成了收獲情況的復雜多變。對于地勢較為平坦的平原地區,馬鈴薯收獲機械目前形成了較為統一的收獲機構;但對于收獲具有一定傾斜度的地塊時,現有的馬鈴薯收獲機大多采用增加挖掘深度的方式進行收獲。由于深度挖掘造成收獲效率低下,增加動力的消耗,過多的上土量為后期的清選帶來困難;如果挖掘過淺,將會增加傷薯率和漏薯率。

目前,一些針對收獲地面傾斜而設計的收獲機械顯得較為專門化和小眾化,適用范圍受到地域的局限,且收獲質量參差不齊,機械化程度不高,遠遠滿足不了市場的需求。因此,設計一款既能夠在平坦收獲的情況下達到高效收獲的目的,又能在地勢高低起伏變化相對較大的地區實現挖掘收獲的馬鈴薯收獲機構,對于提高馬鈴薯收獲的工作效率、減輕農民的勞動強度具有重要意義。

1 結構與工作原理

1.1 整體結構

基于馬鈴薯聯合收獲機設計的搖擺挖掘限深機構主要由搖擺架、液壓系統、挖掘鏟、仿形碎土輥、切土圓盤、限位傳感器和控制系統等組成,可在仿形限深的過程中根據收獲地形情況的不同實現雙壟不同挖掘深度的獨立調節,保證雙壟的挖掘深度一致,達到適應更為復雜的收獲條件和高效收獲的目的。整體結構如圖1所示。

1.2 工作原理

該結構是基于馬鈴薯聯合收獲機設計的,采用拖拉機牽引的方式進行工作。在挖掘過程中,仿形碎土輥行走在薯壟上,初步破碎薯壟上板結的土塊,降低挖掘鏟的挖掘阻力;挖掘鏟切入薯壟土層,兩側的切土圓盤對掘起的薯壟進行剪切與地面分離;隨著牽引前行,將掘起的薯壟通過鏟體斜面滑行,并輸送到挖掘裝置后面的輸送分離篩;在滑行輸送的過程中,初步破碎的土壤會經過單壟三小鏟的滑草間隙散落,減少后續分離清選裝置的工作負擔。

在該收獲挖掘裝置中,挖掘裝置通過兩側的液壓油缸完成收放動作,前端橫梁上安裝的接近限位傳感器能夠防止在提升挖掘鏟時液壓缸提升過大造成的挖掘機構與機架碰撞損傷。結構上,仿形碎土輥通過機架與挖掘鏟之間構成平行四桿仿形機構,挖掘鏟通過平行四桿機構的帶動隨著薯壟的高低起伏變化而改變挖掘深度,從而達到限深挖掘的目的。

1.前中心銷軸 2.接近傳感器 3.仿形碎土輥 4.機架 5.切土圓盤 6.液壓缸 7.搖擺架 8.組合式挖掘鏟 9.后中心銷軸 10.限位螺釘

兩側的液壓缸能夠單獨調節兩側挖掘鏟的挖掘深度。當收獲地形較為平坦時,兩個液壓油缸調節到相同的伸長量,從而保證雙壟收獲時挖掘深度一致;當收獲地形出現一定的傾斜角度時,根據收獲地形的傾斜方向,相應的改變兩側液壓油缸的伸長量,使得搖擺架的傾斜方向和角度與收獲地形相一致。搖擺架隨軸心轉動的設計,加上與兩側的液壓油缸相配合使用,能夠保證在雙壟之間具有一定高度差的情況下實現挖掘深度獨立調節使其一致,提高了收獲機對復雜收獲地形的適應能力。

2 關鍵部件的設計

2.1 挖掘鏟的設計

為了增加挖掘部件的使用壽命,減少機具的損傷,降低收獲機的工作阻力,增強鏟土效果,對挖掘鏟的結構和參數進行了優化。挖掘鏟剛性的固定在鏟架上,為了減小挖掘阻力,將原有的整體式挖掘鏟設計成分隔式單壟三小鏟的結構,各鏟之間留有滑草間隙,如圖2所示。為了減少漏薯率,挖掘鏟與輸送篩之間的距離要盡可能地減小,搖擺架在隨軸心轉動時會與輸送篩形成干涉。為了防止挖掘鏟與輸送篩碰撞,設計了活頁結構。該結構鉸接在挖掘鏟后翼,會隨軸心向上轉動,當輸送篩上夾雜著回帶的石塊等雜物時,能夠避免結構的破壞。

1.組合挖掘鏟 2.挖掘鏟 3.活頁 4.鏟架

在挖掘鏟的各種參數中,既能夠影響挖掘阻力的大小,又能夠決定碎土性能的是挖掘鏟的入土角度α。其計算公式為

(1)

式中P0—移動掘起物所需的力(N);

G0—掘起物的重力(N);

μ—挖掘鏟和土壤之間的摩擦因數;

α—挖掘鏟的入土角(°)。

可以推出:入土角度α在滿足公式的前提下要盡可能地小,既能達到較好的入土性能,又能減小挖掘阻力;但是,過小的入土角α會降低碎土性能,不但會產生壅土現象,還會增加后期清選與分離的工作負擔,因此α應設定在一個合理的范圍內。多次收獲實驗表明:α在25°～36°范圍內,挖掘鏟的掘土效果較好,挖掘阻力小,同時能夠使掘起的薯壟能夠順利地輸送到分離篩上,保證挖掘質量[5-8]。

鏟刃開角θ的優化是為了減小雜草及莖稈與挖掘鏟的滑切阻力。θ應滿足以下條件,即

(2)

(3)

式中P0—鏟刃阻力(N);

Ф—挖掘鏟與雜草等的摩擦角(°)。

由此可知:鏟刃開角θ越大越好,過小的開角θ達不到滑切雜草、莖稈等其他雜物的目的,可能會產生堵塞現象;但是過大的開角θ將使挖掘鏟阻力增大[8-9]。根據公式計算與該收獲機的收獲試驗分析可知:θ應該在110°～120°之間為宜。因此,設計的三小鏟結構都滿足設計需要,兩側的側鏟對稱設計θ1=θ3=110.5°,中間鏟θ2=118°,三小鏟組合成的整體鏟鏟刃角度θ=120°,結構的改進達到了參數要求。

2.2 模塊化碎土仿形機構的設計

仿形碎土輥跟切土圓盤通過U型架連接在搖擺架的橫梁上,可以通過移動在橫梁上的U型架來調節碎土輥與切土圓盤之間的距離,以適應不同壟距的收獲情況,安裝拆卸方便;將仿形碎土輥與切土圓盤設計成模塊化的組裝體,便于拆卸更換和調節。

2.2.1 仿形碎土輥的設計

仿形碎土輥對正行走在薯壟上,目的是壓碎薯壟上板結的土塊,降低挖掘鏟的挖掘阻力,同時實現薯土的初步分離,降低后期薯土分離篩的分離負荷;另外一個目的就是仿形碎土輥與挖掘鏟、機架之間構成平行四桿仿形機構,挖掘鏟能夠通過仿形碎土輥在薯壟上的高低起伏變化來實現挖掘深度的被動調節,起到限制挖掘深度的作用。仿形碎土輥通過與薯壟土壤的摩擦力實現轉動,同時條形刮土裝置將粘附在碎土輥上的泥土清除掉,以防止粘附的土壤影響挖掘的深度。

仿形碎土輥的類型有兩種,兩種仿形碎土輥分別對應著兩種收獲情況,如圖3所示。工字型碎土輥對應于雙壟收獲的情況,T字型碎土輥對應于雙壟跟壟溝一塊收獲的情況。

1.仿形碎土輥 2.刮土裝置

2.2.2 切土圓盤的設計

切土圓盤的結構如圖4所示。其與仿形碎土輥配合使用,安裝在搖擺架的前端橫梁上,安裝調節方式與碎土輥一樣,可以通過在橫梁上移動來調節切土圓盤與碎土輥之間的距離,確保兩者之間的間隙足夠小,防止馬鈴薯擠壓掉落。切土圓盤安裝在仿形碎土輥的兩端,行走在薯壟的兩側,通過與地面的摩擦轉動起到切除倒伏的秧蔓、減少上土阻力的作用[9-11]。同時,可以通過調節壓簧上的預緊力來調節切割秧蔓的壓力。切土圓盤的工作深度不僅要與碎土輥的限深深度相配合,還要確保不能與輸送篩碰撞干涉。

1.U型連接架 2.壓簧 3.刮土刀 4.切土圓盤

2.3 兩種收獲模式

收獲模式包括雙壟收獲與雙壟壟溝收獲,分別對應著兩種不同的安裝結構,如圖5所示。

1.雙壟收獲區域 2.挖掘鏟 3.仿形碎土輥 4.切土圓盤 5.雙壟加壟溝收獲區域

當采用雙壟收獲模式時,選擇工字型碎土輥,兩側的翻邊行走在薯壟的兩側,目的是聚攏薯壟,防止因薯壟壓潰馬鈴薯散落壟溝而增加埋薯率;與內外側的切土圓盤相配合,再加上底部的挖掘鏟,形成了兩個單獨封閉的收獲區域。為防止輸送到輸送篩上的馬鈴薯從中間兩切土圓盤之間滾落,在兩切土盤之間加裝柔性的擋薯橡膠板,且橡膠板與兩切土圓盤設計成模塊化的組裝體,簡化了更換操作。當聯合收獲機與側輸出挖掘機配合使用時,側輸出挖掘機先將收獲的馬鈴薯堆放到壟溝里,聯合收獲機將雙壟及雙壟之間壟溝中的馬鈴薯一次性挖掘收獲,使用兩側翻邊的碎土輥將會造成壟溝中的馬鈴薯因內側的翻邊擠壓切碎,造成不必要的損失。因此,選用單側翻邊的碎土輥,與兩側的切土圓盤及底部的挖掘鏟形成三壟距的封閉收獲區域,大大提高了收獲效率。

2.4 搖擺架的設計

搖擺架通過前中心銷軸和后中心銷軸與機架鉸接,能夠繞其中心轉軸左右搖擺轉動,如圖6所示。

1.前中心銷軸 2.液壓缸 3.搖擺架 4.限位螺釘 5.后中心銷軸 6.導向桿跟導向滑槽

搖擺架的鉸接部分、導向桿和導向滑槽的設計能夠保證搖擺架不會水平左右擺動,確保挖掘鏟與薯壟對正對齊。兩側的液壓缸可以控制搖擺架的傾斜角度,限位螺釘可以限制收獲過程中搖擺架整體的擺動幅度,能夠防止因收獲地形傾斜角度過大馬鈴薯堆積到一側造成不必要的擠壓損傷,降低了傷薯率,提高了馬鈴薯收獲機對不同地塊的適應能力。通過兩側液壓缸的伸長收縮可以實現挖掘裝置的收放,前端橫梁上裝有接近限位傳感器,防止因液壓缸提升過大使得搖擺架與機架碰撞破壞機構。

兩側的液壓缸能夠單獨調節兩側挖掘鏟的挖掘深度,當收獲地形較為平坦時,兩個液壓油缸調節到相同的伸長量,從而保證雙壟收獲時挖掘深度一致;當收獲地形出現一定的傾斜角度時,根據收獲地形的傾斜方向,相應的改變兩側液壓油缸的伸長量,使得搖擺架的傾斜方向跟角度與收獲地形相一致[12],避免了因一側收獲過深增加能耗另一側挖掘過淺造成傷薯。搖擺架隨軸心轉動的設計,可以保證在雙壟之間具有一定高度差時實現雙壟挖掘深度保持一致,提高了收獲機對復雜收獲地形的適應能力。

搖擺架與機架的位置關系如圖7所示。通過測量可知:搖擺架端部距離限位螺釘的距L1=265mm,搖擺架橫向長度L=1 725mm,當搖擺架處于水平位置時,上端面距離限位擋板的最上位置的距離h=55mm。根據相似三角形可以推出公式,即

(4)

(5)

根據公式,能夠計算出搖擺架可以允許雙壟的高度差ΔH=2ΔX=160mm,以滿足地形高低起伏變化的需求。

1.限位螺釘 2.搖擺架 3.后中心銷軸 4.機架橫梁

2.5 液壓和電控系統的設計

液壓系統的原理如圖8所示。

1.三位四通比例閥 2.順序閥 3.電磁閥 4.手動截止閥 5.液壓缸

工作開始時,下放兩側的液壓油缸,裝配的單作用油缸在挖掘裝置重力的牽引下將油腔中的液壓油擠壓到回油路中;此時手動截止閥和電磁閥打開,比例閥右側通電,從而接通右位回油路;下放到適當位置時,關掉手動截止閥或者比例閥,鎖死液壓油缸,防止在工作過程中油缸的伸縮造成挖掘深度的不一致;當調節油缸上升時,比例閥左側通電從而接通左位進油路,電磁閥通電接通油缸,向油腔內注入液壓油,將油缸頂升,當頂升到指定位置后,關掉手動截止閥或者比例閥,鎖死油缸。

在提升液壓油缸時,為了防止提升過高,在提升的搖擺架橫梁上裝有兩個接近限位傳感器,兩側各一個。當傳感器接收到機架達到所設定的位置后,會將信號傳遞到控制終端,將電磁閥與比例閥斷電,以節制液壓油的繼續供給,從而保證機具的安全作業。

3 田間收獲試驗及結果

3.1 試驗條件

2018年7月,在德州樂陵市黃夾鎮馬鈴薯種植基地對改進的樣機進行了田間收獲試驗。試驗地年平均降水量為527.1mm,土壤質地為壤土,平均含水率為9.03%,土壤容重1.10g/cm3,深度在0～150mm范圍內的平均土壤緊實度為312.29kPa,深度在150～300mm范圍內的平均土壤緊實度為1 072.39kPa。選用配套動力為92kW的雷沃M1254-G拖拉機,作業速度控制在4～6km/h。根據收獲要求調節好相應的參數,進行雙壟收獲試驗。

3.2 試驗結果

在田間進行多次試驗,對試驗的結果取平均值 ,結果如表1所示。

表1 樣機田間試驗結果

測得左側壟高的平均值為259.3mm,挖掘深度為236.4mm;右側壟高的平均值為239.0mm,挖掘深度為233.5mm。

由試驗結果可知:在雙壟收獲存在一定的高度差時,仍然能夠保證兩側的挖掘深度一致,平均挖掘深度差值控制在10mm范圍內,滿足收獲需求。

4 結論

1)搖擺架隨軸心轉動可以保證實現雙壟挖掘深度保持一致,與兩側的液壓油缸相配合使用,提高了收獲機對復雜收獲地形的適應能力。

2)模塊化挖掘裝置的設計方便了使用者拆卸更換,兩種收獲模式的設計,提高了馬鈴薯收獲機對不同地域種植農藝要求的適應能力。

3)增加的液壓系統和控制系統提高了該挖掘機構的靈活性、準確性及工作效率,減輕了農民的勞動強度。