復墾農田鏈式撿石機的設計與試驗

卜明杰，劉洋禮，許淵，王鋒，劉禹辰，張鋒偉

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農業大學 機電工程學院）

0 引言

我國人均耕地面積占世界人均的1/3 左右，而且高原和山地等中低產田占耕地總面積的79%，我國耕地的后備資源嚴重不足，西北和東北一些生態較為薄弱的地方耕地問題已較為突出，尤其是在我國西北地區[1]。西北地區耕地不僅面積有限，而且大部分為包括高原和山地在內的中低產田[2]，而這些耕地普遍存在的問題就是含有大量的石子、石塊、礫石等，直接影響農田土壤養分、水分和作物的生長、農田復墾，給農田的生產和管理等帶來很大困難，同時增加了農業生產的成本，降低了單位產量，減少了經濟效益，并拖慢了實現農業生產機械化和專業化進程[3]。從廣義上來說，復墾農田是指對被破壞或退化的農業用地的再生利用及其生態系統恢復的綜合性技術過程。由于采礦是破壞農業用地最嚴重的行業，因此，復墾農田從狹義上又可以理解為是對礦業用地的再生利用及其生態系統恢復的過程[4]。早期，主要采用人工撿拾的方法將地表的石塊撿出農田，不僅勞動強度大、效率低，而且許多石塊部分或全部埋藏在耕層內，只有不斷耕作才露出地表。對于大面積的山區農田而言，撿拾石塊勞動強度相當大，導致出現“年年撿年年有”的情況，每年都要投入大量人工對石塊進行拾取。現有撿石機械機型單一，自動化程度低[5-7]，我國復墾農田對撿石機的需求已十分迫切。

目前，國內外針對不同耕地條件研制的機型主要有挖掘式、撥齒式、螺旋輸送式、滾筒式、鏟式、鏈式，但多存在撿石率低、生產成本高、易卡石和針對不同濕度土壤的漏土效果不理想等問題[8]。本研究主要針對西北地區土石多、耕地難等問題，在結合已有研究的基礎上，設計研制鏈式撿石機，并以撿石率為試驗指標進行田間試驗，尋求最佳作業組合，以期達到對土壤中石塊的最佳撿拾效果。

1 結構與工作原理

1.1 整機結構

鏈式農田撿石機主要由牽引架、機架、傳動裝置、入土起石裝置、撥土碎石裝置、礫石輸送裝置、盛石小車、卸石裝置組成，如圖1 所示。鏈式撿石機主要與拖拉機配套使用，牽引架與拖拉機之間采用典型的三點懸掛機構連接。機架主要由牽引機架、運土鏈箱體和盛石車架等組成，用于撿石機的牽引和保證撿石機正常撿石和盛石等；傳動裝置由變速箱、鏈輪、扭力保護器、帶輪、齒輪、鏈條、皮帶等組成；入土起石裝置由入土起石鏟、集土板等組成。撥土碎石裝置由撥土碎石鏟、緩沖軌道等組成；礫石輸送裝置由礫石輸送鏈、懸臂鏈輪組、擋石板、運土鏈箱體等組成；盛石裝置由盛石小車、液壓推桿等組成。

為減少入土阻力且便于在入土起石時完成斜切，入土起石鏟采用三角式犁鏵。送石裝置采用傾斜的鏈式傳動，其傾角為30°（在一定范圍內可以調整），傳動比為95∶180。礫石輸送鏈中間設置擋石鏈條，可保證撿拾石頭時將多余的土壤和肥料及時還田。另外，盛石裝置的小車底部設有柵欄式金屬橫條，便于將沒有漏凈的土壤及時還田，小車兩側設有液壓推桿，用于將撿拾的礫石卸出。

1.2 工作原理

撿石機在田間作業時，由拖拉機與牽引架相連，拖動撿石機向前運動，拖拉機為撿石機提供動力的同時為變速箱提供圓周力，完成撿石機的牽引和撿石工作。牽引架限位孔控制入土裝置的高度以控制撿石深度，入土起石裝置可將耕地5～30 mm的土層鏟起，集土板則將礫石和土壤收納至撥土碎石鏟下和礫石輸送鏈上，便于后方裝置完成撿石。撿石過程中，變速箱通過皮帶傳動為撥土碎石鏟提供動力，撥土碎石鏟在轉動過程中可將整體土塊以及軟質礫石擊碎。在礫石輸送裝置中，礫石輸送鏈通過傳動鏈傳動，主動鏈鏈輪一端安裝扭力保護器，當過大礫石卡在入土起石鏟與撥土碎石鏟之間時，扭力保護器將起到保護作用。礫石輸送鏈的松邊由鏈條托架托起以減少傳送鏈條之間的拉力。在盛石裝置中被撿石機分離出的礫石在礫石輸送鏈條的帶動下落入盛石小車，完成礫石的收集。盛石小車在液壓推桿的作用下，在完成礫石卸車的同時可一定程度上調節整機的傾斜度。

1.3 主要技術參數

鏈式撿石機由東方紅1404 拖拉機牽引，主要技術參數如表1 所示。

表1 農田鏈式撿石機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of farmland chain stone picker

2 關鍵部件設計與分析

2.1 入土起石鏟結構設計與分析

2.1.1 鏟結構設計

入土起石鏟的結構設計因工作方式和環境與地下作物收獲機械相似，故多參考地下作物收獲機械挖掘鏟進行設計。綜合比較固定式和振動式挖掘鏟優缺點[9-11]，考慮西北地形地貌對農田撿石機性能的要求，并結合不同形式挖掘鏟的特點，設計出了一種固定式三角入土起石鏟，如圖2 所示。

該挖掘鏟由鏟刃、鏟架和擋石板3 部分組成，8 個小型三角鏟均勻排列固定在鏟架上。在鏟架后端等間距分布擋石板。工作時，鏟刃隨著運動機構帶動鏟體運動而運動，在外部壓力作用下，可有效減少入土阻力，滿足絕大多數作物最低耕深要求。鏟刃間隙可根據作物對農田土壤條件要求進行調整，撿拾直徑3～30 cm 的礫石。鏟架尾端設置擋石板可阻擋尺寸較小石塊再次入田，提高撿石效率。

2.1.2 鏟主要參數的確定

（1）入土角α

入土起石鏟入土角決定入土起石鏟的入土性能和挖掘深度，為達到更好的挖掘效果，有效增加礫石的撿拾率，入土起石鏟在工作時入土角度應保證能達到最低挖掘深度的要求，并使掘出土石混合物在鏟面上勻速運動，并能順利輸送到入土起石鏟后端輸送鏈而不掉落。土石混合物受力分析如圖3所示。

圖3 中：vm——拖拉機前進的速度；F——掘起土石混合物所需要的力；Ff——入土起石鏟對土石混合物的摩擦力；FN——入土起石鏟對土石混合物的作用力；G——土石混合物的重力；L1——入土起石鏟鏟刃及鏟體長度；L2——擋石板長度；H1——土石混合物到達鏟體尾部距離地面的高度；H2——土石混合物到達擋石板尾部距離地面的高度；α——入土起石鏟入土角度；α1——擋石板與鏟面夾角；μ——土石混合物對鋼的摩擦系數。

入土角α的理論值可由沿挖掘鏟運動的掘起物作用力的平衡方程確定：

式中：F——掘起土石混合物所需要的力，N；Ff——入土起石鏟對土石混合物的摩擦力，N；FN——入土起石鏟對土石混合物的作用力，N；G——土石混合物的重力，N；α——入土起石鏟入土角，°；μ——土石混合物對鋼的摩擦系數。

方程變換后得到：

試驗表明：入土角α越小，挖掘阻力減小，入土性能增強，但挖掘深度減?。蝗胪两铅猎酱螅胪列阅芙档?，挖掘深度增大，但挖掘阻力增大。當α超過40°后，牽引阻力便會急劇增大，故α不宜選擇過大，通常取20°～30°。

（2）工作長度L

入土起石鏟的長度可以分為2 部分：前端為挖掘鏟鏟刃鏟體部分，主要作用為將土壤中的礫石挖掘出來；后端部分鏟架和擋石板，用于承載和運輸土石混合物，使土石混合物沿著鏟面向后拋送。后端部分的長度可利用能量守恒定律計算，即掘出的土石混合物所有的動能E 全部用于向后推送H2高度克服重力所做的功Ag和克服與長度為L2的鏟架和擋石板摩擦力所做的功At，如式（3）、式（4）。

式中：Vm——入土起石鏟的拋送速度，m/s；L2——鏟體和擋石板長度，m；H2——土石混合物到達擋石板尾部距離地面的高度，mm；φ——鏟面與土石混合物間的摩擦角，°；g——重力加速度，m/s2。

土石混合物能量平衡方程式可以寫成式（5）：

化簡后

一般選取機器的最低值作為計算的極端條件，即確定Vm取值便可計算出L2，通過桿長條件繼而求出工作長度L=640 mm。

2.2 礫石輸送裝置的設計

礫石輸送裝置主要由主動輪、懸臂鏈輪、擋石鏈條、鏈條托架、從動輪和柵條等部分組成，如圖4 所示。平行排列的柵條在主動輪軸和從動輪軸間圍繞一圈，懸臂鏈輪可調節輸送鏈的松緊，土石混合物輸送的一面設有擋石鏈條，輸送鏈下側由鏈條托架進行支撐。土石混合物經入土起石鏟挖掘起后，經由撥土碎石鏟擊打分解，大部分土肥可再次入田，礫石輸送裝置負責將礫石輸送到盛石小車。輸送過程中，擋石鏈條的作用是阻擋礫石滑落防止再次入田。

在輸送礫石的過程中，礫石多由相鄰的2 個柵條支撐，輸送鏈達到一定角度后極易發生礫石滾落而失去輸送能力。由受力分析可知，礫石發生滾落的臨界條件是礫石所受重力完全作用于一根柵條上，如圖5 所示。

礫石輸送鏈傾斜角度β應滿足式（7）。

式中：β——柵條與礫石中心連線的水平夾角，°；R——礫石橫切半徑，mm；r ——柵條半徑，mm；L——相鄰柵條之間的距離，mm。

礫石在輸送鏈的穩定性取決于輸送鏈的傾斜角度。由式（7）可知，礫石輸送鏈的傾斜角度與相鄰柵條之間的距離、礫石最大截面半徑以及柵條半徑有關，因此礫石橫切面半徑越大即礫石尺寸越大，在輸送過程中就越不穩定；同時，在保證礫石不滑落的情況下，增加相鄰柵條之間的距離可以有效提高礫石輸送的穩定性。此鏈式撿石機主從驅動輪中心距為3 500 mm，柵條長度為1 000 mm，提升高度為2 150 mm，柵條半徑r=10 mm，相鄰柵條之間的距離L=54 mm，故礫石輸送鏈傾斜角β應當隨著礫石橫切半徑R 變化而變化，即隨需復墾農田實際工作環境而定，但為保證撿石率，輸送鏈傾斜角度β應小于30°。

礫石輸送鏈線速度的設定與礫石實際滑落速度和拖拉機牽引速度有關，其大小將影響礫石與土壤在輸送鏈上分離效果。礫石沿柵條線速度方向的運動速度vs可按式（8）計算。

式中：vx——礫石在柵條上水平方向的分速度。

再根據礫石輸送鏈線速度v 與牽引速度vm的比值λ來確定礫石輸送鏈的線速度：

其中，礫石輸送鏈線速度應滿足v ＞vs。

試驗表明，土石分離效率與輸送鏈的線速度成負相關關系，當線速度在1.2～1.8 變化時，土石分離效率較高。為了既能保證撿石機的行進速度又能有效提高撿石率，通常應使輸送鏈的速度略高于拖拉機牽引速度，故礫石輸送鏈的線速度取1.6 m/s 。

3 田間試驗與分析

3.1 試驗條件與材料

2021 年3 月，在甘肅省洮河拖拉機制造有限公司-甘肅農業大學臨洮旱作農機裝備專家大院試驗田進行了鏈式撿石機田間撿石作業性能試驗，現場如圖6 所示。試驗地面積為0.6 hm2，土壤為黃沙土，疏松且地表平整，含水率較低。試驗前，試驗地人工埋入直徑為3～30 cm 大小不一的礫石，約占土壤面積的30%，并對鏈式撿石機進行作業前調試，牽引機配套動力為87 kW 的東方紅1404 輪式拖拉機。

3.2 試驗方案與方法

試驗按照NY/T 3884-2021《農田撿石機 質量評價技術規范》、DG/T 229-2019《農田撿石機》、Q/HCJ 001-2013《農田撿石機 企業標準》的要求[12-14]，以撿石率為試驗指標。首先通過PB試驗和最陡爬坡試驗選取撿石作業深度、撿石作業速度、柵齒入土角3 個主要影響因素，并確定各因素最優區間。其中，撿石作業深度通過撿石機牽引架限位孔調節，撿石作業速度通過拖拉機擋位和油門控制，柵齒入土角可直接在機器上調整。為保證試驗數據的可靠性，減少試驗誤差，每個處理重復3 次，取各重復試驗平均值為該處理的試驗值，因素水平編碼如表2 所示。

表2 田間撿石試驗因素水平編碼Tab.2 Factor level coding for field stone picking experiment

3.3 試驗結果與分析

采用Design-Expert.v8.0.6.1 軟件，分析田間撿石試驗數據因變量與自變量的關系，得到給定范圍內預測響應值回歸模型為：

方差分析結果如表3 所示。由表3 分析可知，建立二次回歸模型的P 值（0.00 18）小于0.01，表明回歸模型極其顯著；失擬項P＞0.05，即失擬不顯著，說明模型所擬合的二次回歸方程與實際相符合，能正確反映撿石率λ與因素A、B、C 之間的關系，回歸模型可以較好地對優化試驗中各種試驗結果進行預測。其中，模型的一次項A、B、C和二次項A2對撿石率的影響極顯著；交互項AB、BC 影響顯著，其余各項均不顯著。根據模型各因素回歸系數的大小，可得到各因素對撿石機的影響主次順序為B →A →C。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

應用Design-Expert.v8.0.6.1 中的Optimization-Numerical 模塊，以撿石率的最大值為目標進行愿望函數優化，得出最佳組合參數為：當撿石作業深度取153 mm，撿石作業速度取1.79 m/s，柵齒入土角取27.9°時，撿石率可達到最大值94.25%。

4 結論

（1）通過融合學習復墾土地的農藝技術要求，設計了適合復墾農田的鏈式撿石機，確定了樣機傳動系統，并對其入土起石裝置、扭力保護裝置結構及礫石輸送裝置等關鍵作業部件進行設計，結合相關作業性能要求，完成了工作參數的分析計算。

（2）進行田間試驗，通過應用響應曲面分析法，建立撿石率與撿石作業速度、撿石作業深度、柵齒入土角的二次多項式回歸模型。以撿石率為試驗目標進行參數優化，獲得鏈式撿石機最優工作參數：鏈式撿石機前進速度為1.79 m/s、撿石作業深度為153 mm、柵齒入土角為27.9°。