甘薯秧蔓收獲機專用割臺設計與試驗*

周子涵，尚書旗，王東偉，何曉寧，譚營，董成

(青島農業大學，山東青島，266000)

0 引言

甘薯是旋花科甘薯屬，又名紅薯、山芋、紅苕、地瓜和番薯等，是國際上公認的多用途作物，是重要的糧食、飼料、工業原料，也是優質的抗癌保健食品[1]。甘薯在收獲前清理秧蔓可以提高收獲效率，還可以加快甘薯表皮老化，降低傷薯率[2]。甘薯秧蔓收獲質量，決定著甘薯收獲效果和甘薯的品質。甘薯秧蔓貼地蔓延無序生長，且十分茂盛，一條秧蔓甚至可以長到4 m，收獲2×104kg/hm2秧蔓[3]。因此，基于中國甘薯種植現狀及動力配置的國情，研制性能穩定、易于推廣的甘薯秧蔓收獲機已提上日程。

國外對甘薯秧蔓收獲技術研究較早，美國利用甘薯秧蔓容易發生纏繞的特點，研究了一種牽引式大型卷蔓機，通過大功率拖拉機牽引將秧蔓纏繞在支架上，然后再做粉碎處理[4]。針對秧蔓處理技術的研究，美國研發的大型薯秧直收式聯合收獲機，可以將甘薯和秧蔓同時收起，但兩種方式均需要足夠的配套動力且農機農藝融合緊密，不適合中國國情[5]。日本研發了一種單壟單行自走式甘薯秧蔓收獲粉碎機，但價格昂貴、結構復雜，不適用于中國甘薯種植現狀。

中國自主研發的甘薯秧蔓處理機具以秧蔓粉碎還田機為主，甘薯秧蔓收獲技術及裝備還不成熟。現有的甘薯秧蔓粉碎還田機有4HJH型甘薯碎蔓機、大型雙壟雙行去蔓機、4UL-80型薯類碎蔓機[6-8]。所述秧蔓粉碎還田設備均采用仿壟型甩刀安裝在高速轉輥上，秧蔓經過甩刀、罩殼的擊打粉碎拋落至田間，類似于秸稈還田機的工作原理[9]，秧蔓粉碎還田技術已經相對成熟，但是甘薯秧蔓作為優質的飼料卻難以機械化收獲造成了很大的損失，山東農業大學研發的單壟單行甘薯秧蔓回收機能夠實現秧蔓收獲收集，但因無法解決喂入裝置發生纏繞沒有推廣使用[10]。

上述研究為甘薯秧蔓收獲裝備的研發提供了理論參照，但未能解決甘薯秧蔓收獲過程中發生纏繞、貼地無序生長的秧蔓無法有序切割等問題。本文提出將秧蔓分段切割的撥禾切割方式，解決甘薯秧蔓難以切割以及纏繞的問題，結合撿拾裝置以及螺旋輸送器，實現甘薯秧蔓切—送—歸集作業。

1 割臺整體結構與工作原理

甘薯秧蔓收獲機專用割臺由傳動系統、圓盤側刀切割裝置、撥禾切割裝置、撿拾裝置、螺旋絞龍輸秧裝置等組成，可一次完成甘薯收獲前秧蔓切割拋送、撿拾撥送、歸集輸送作業。撥禾切割裝置在傳統撥禾輪的基礎上增加了仿壟型排列的割刀和彈齒，在撥禾、扶禾基本功能的基礎上，可以實現甘薯秧蔓無纏繞勾切拋送。整體結構如圖1所示。

圖1 甘薯秧蔓收獲機專用割臺結構示意圖

工作時，割臺前方兩側安裝的圓盤割刀將壟底的秧蔓切割，安裝在撥禾輪上的仿壟型割刀在高速回轉下把壟頂和壟側的甘薯秧蔓割斷并勾起，再通過撥禾輪將秧蔓撥送到撿拾機構，在撿拾器的撿拾撥送作用下，秧蔓順利進入螺旋輸送器，在變螺距螺旋絞龍的作用下秧蔓被歸集至割臺一側，完成甘薯秧蔓的切—送—歸集作業。

2 關鍵部件設計

2.1 撥禾切割裝置

撥禾切割裝置(圖2)由撥禾輪和仿壟型割刀、彈齒組成，用于完成甘薯秧蔓的勾割和殘余秧蔓的撥送，保證貼地無序生長的秧蔓被仿壟型割刀勾起割斷，并在撥禾輪彈齒的作用下撥送至撿拾機構。其中，仿壟型割刀為鋼刀，其作用是將壟面和壟坡上的秧蔓勾起、切割；仿壟型割刀通過套筒和螺栓固定在撥禾輪的橫桿上，隨撥禾輪做圓周撓鉤運動。其中，彈齒有一定的彈性，起作用是將仿壟型割刀割斷的秧蔓撥送至撿拾機構；彈齒通過焊接均勻分布在撥禾輪橫桿上。

(a) 主視圖 (b) 左視圖

2.1.1 排列方式

工作中，仿壟型割刀和彈齒均為旋轉運動部件，依靠仿壟型割刀將秧蔓割斷進而通過彈齒撥送，對仿壟型割刀和彈齒端點的線速度要求較高。在工作時，仿壟型割刀和彈齒在撥禾輪的帶動下回轉，運動形式和軌跡受到壟大小和形狀的影響，工作狀態、勾切力和振動都具有隨機性。按照壟型均勻分布仿壟型割刀和彈齒的安裝位置與長短，不僅可以實現無纏繞切割秧蔓，還可以保證機具運動的平穩性和工作性能。

在割臺寬度L、撥禾輪轉速n、機具作業速度Vm不變的條件下，仿壟型割刀和彈齒的安裝數量越多，對撥禾輪負載越大，不利于撥禾切割裝置正常工作；數目過少，因甘薯秧蔓過于密集，達不到秧蔓勾切撥送干凈的效果，而且極其容易發生纏繞。則仿壟型割刀和彈齒的排列密度

C=N/L

(1)

式中：N——仿壟型割刀和彈齒的數量；

L——機具的作業寬幅，mm。

機具運行過程中，相鄰安裝的仿壟型割刀和彈齒的工作距離即為進距S，應滿足式(2)～式(4)。

S=Vm×t

(2)

(3)

(4)

式中：Vm——機具前進速度，m/s；

Z——仿壟型割刀和彈齒的排數；

n——撥禾輪轉速，r/min；

S——工作進距，m；

t——機具行駛時間，s；

ω——撥禾輪角速度，rad/s。

增加撥禾輪速度、減小機器作業速度、增加仿壟型割刀和彈齒的排數，均可以減小撥禾切割裝置的進距，從而達到提高秧蔓勾切撥送的效果。但降低機具行進速度，機器的工作效率受到影響；增加轉速，撥禾輪的轉動慣量變大且機具作業穩定性大大降低；增加仿壟型割刀和彈齒的排數，相鄰撥板間隙減小，秧蔓容易纏繞在相鄰撥板上。同時，撥禾輪的撥板數較少，撥禾輪的轉速過高，雖不易發生纏繞，但秧蔓勾切撥送的效果難以實現，不宜采用。

經調研國內大部分甘薯壟壟頂長550 mm，壟底長700 mm，確保生長在壟上的秧蔓都能被勾切撥送，將割臺的作業幅寬確定為1 000 mm。考慮仿壟型割刀和彈齒的位置關系和長短，防止在安裝時發生干涉，在工作時漏切、纏繞，確定撥禾輪為4板式撥禾輪，即Z為4。仿壟型割刀和彈齒安裝的過于密集，秧蔓被勾切的過于粉碎難以將碎蔓撥送至撿拾機構，安裝過于稀疏，秧蔓會纏繞在撥禾輪上影響作業效果，通過預試驗確定6片仿壟型割刀6片彈齒，即彈齒和刀的排列密度為12片/m。參照甘薯留茬高度40～60 mm將最靠近甘薯主莖的兩個割刀距離設置為50 mm，剩下的仿壟型割刀以及彈齒均勻交錯分布在橫桿上，如圖3所示。結合拖拉機底盤高度和甘薯壟高，將撥禾輪空間定位在離壟頂100 mm處，再根據仿壟型排列要求，以一側為例，將割刀和彈齒的安裝長度定為103、103、103、283、403、403 mm，誤差為3 mm。預試驗表明，安裝高度不會對刀具造成額外磨損，且不會傷薯。

圖3 仿壟型割刀和彈齒安裝排列示意圖

2.1.2 撥禾輪參數

通過對仿壟型割刀和彈齒排列方式的分析，確定撥禾輪為4板式，在結構簡單并且不影響秧蔓勾切撥送效果情況下，該機具采用普通撥禾輪。撥禾輪運動軌跡如圖4所示，撥禾輪撥板上一點的運動軌跡為余擺線[11]。

甘薯種植株距為250～400 mm，在威海市文登區的試驗田種植株距為270 mm，考慮到撥禾輪在工作時每個撥禾輪上安裝的仿壟型割刀均應切割每一株甘薯的主莖，即機具的工作進距S為270 mm。

撥禾輪轉速n和撥禾板圓周速度Va關系如式(5)所示。

(5)

式中：D——撥禾輪直徑，mm。

撥禾切割裝置正常工作的前提是仿壟型割刀和彈齒的圓周速度Va大于機具的前進速度Vm[12]，撥禾速比λ表達式如式(6)所示。

(6)

通過查閱農業機械設計手冊，四板式撥禾輪的撥禾速比為1.2～1.5，為了將秧蔓勾切撥送的效果更好，將撥禾速比設置為1.5。由于甘薯秧蔓生長非常密集且雜亂無章，結合馬鈴薯殺秧機的工作速度，將機具的前進速度定為0.6 m/s。通過式(3)確定撥禾輪轉速為46 r/min，通過式(5)確定撥禾輪直徑為1 070 mm，由于在計算中將仿壟型割刀和彈齒的長度計算到撥禾輪直徑中，因此撥禾輪的實際直徑

I=D-2L

(7)

由上文可知L=100 mm，因此撥禾輪的實際直徑為870 mm，符合撥禾輪的相關設計要求。

2.2 撿拾裝置

撿拾裝置位于撥禾輪和螺旋輸送絞龍之間，將撥禾切割裝置勾切的秧蔓輔助撥送至螺旋輸送絞龍。作業時，保證彈齒齒尖在回轉過程中最低點離地面有一定距離，隨著機具前進和撥禾輪轉動，甘薯秧蔓在撿拾裝置的撥送作用下，向上向下輸送至螺旋輸送絞龍，再由螺旋輸送絞龍歸集到一側，完成甘薯秧蔓的切送歸集過程。撿拾裝置由撿拾彈齒、輸送板、支撐板、主軸、彈齒安裝座、傳動輪組成，主要結構如圖5所示。

圖5 撿拾器結構示意圖

2.2.1 彈齒間距確定

彈齒間距指相鄰兩個彈齒之間的距離。彈齒間距的大小影響著撥送秧蔓的效果，間距過大，彈齒無法挑到切割后的秧蔓，導致漏撥；間距過小，增加制造成本和難度，輸送板寬度減小，輸送效果差且容易發生堵塞。

彈齒間距根據切割后的甘薯秧蔓的長度確定，選取經撥禾切割裝置切割后的秧蔓50份樣本，測得其平均長度為148 mm，最長為200 mm，最短為111 mm。只要彈齒的間距小于切割后甘薯秧蔓的長度，理論上就能保證甘薯秧蔓被彈齒挑起輸送至螺旋輸送絞龍，因此確定彈齒間距為100 mm，工作幅寬為1 000 mm，所以設置11排彈齒10個輸送板。

2.2.2 撿拾器轉速確定

為了將切割后的秧蔓輔助撥送至螺旋輸送絞龍，避免秧蔓堆積過多造成阻塞以及增加不必要的動力消耗和磨損，造成輸送效果差，需要確定撿拾彈齒的線速度。彈齒線速度取決于彈齒長度和撿拾器轉速，在撥禾輪轉速和機具行進速度確定的情況下，若撿拾器轉速過小，會造成秧蔓漏撥掉落至地面，且大量的秧蔓會堆積在輸送板上容易造成堵塞；撿拾器轉速過大，增加動力消耗和加劇磨損，撿拾器穩定性變差。因此，撿拾器轉速對切割后甘薯秧蔓的撥送傳輸效果至關重要。在撿拾器工作的回程點要有向后的力，才能實現有效地將秧蔓撥送，避免堵塞。需要滿足彈齒齒尖線速度Vc大于機具前進速度Vm，彈齒齒尖線速度Vc大于撥禾輪的線速度Vb[13]。

(8)

(9)

又因Vb>Vm，則Vc>Vb>Vm，Vb=0.9 m/s，所以有

(10)

式中：n1——撿拾器轉速，r/min；

r——彈齒的回轉半徑，mm。

結合撥禾輪的直徑以及現有的花生撿拾聯合收獲機和稻草撿拾收獲機的彈齒回轉半徑，將該機的回轉半徑確定為200 mm，可得撿拾器的轉速大于42.99 r/min。避免增加不必要的動力消耗和磨損，要求撿拾器轉速盡量小，將其確定為43 r/min。

2.2.3 彈齒排數確定

在撿拾器轉速確定的情況下彈齒排數越少，彈齒“空回”的時間越長，越容易漏撥。彈齒排數過多，制造成本和難度增加且容易發生堵塞。避免秧蔓漏割和堵塞再結合花生撿拾聯合收獲機的撿拾彈齒排數，將撿拾器彈齒確定為6排。

2.3 輸送裝置

輸送裝置選用螺旋輸送器，主要作用是將切割撥送后的甘薯秧蔓歸集輸送至割臺一側。螺旋輸送器由罩殼、筒體、螺旋葉片、輸送撥板、撥板安裝底座、螺栓、軸頭、傳動齒輪等組成，如圖6所示，其中：軸頭與筒體通過螺栓連接、螺旋葉片焊接在筒體上、撥板與撥板安裝底座螺栓連接、撥板安裝底座焊接在筒體一側。在傳動齒輪的帶動下，進入螺旋輸送絞龍的秧蔓一邊在螺旋葉片上滑動，一邊沿筒體軸向一側移動，移動至撥板處在撥板的撥送作用下經排秧口離開割臺。

圖6 螺旋輸送器結構示意圖

2.3.1 螺旋輸送器結構參數確定

螺旋輸送器的結構參數主要包括筒體直徑、外徑、螺距、螺旋升角、撥板數。為了防止甘薯秧蔓發生纏繞，筒體的周長應大于切割后秧蔓的平均長度，由上文知甘薯秧蔓的平均長度是148 mm，又考慮到甘薯秧蔓數量過多，本機將筒體直徑設計為200 mm，螺旋葉片的外徑D4為400 mm。

螺距的大小影響螺旋輸送器的工作效率和效果，螺距過大容易發生堵塞，螺距過小輸送效率太低。對于水平布置的輸送器，參照玉米秸稈螺旋輸送器的設計，取螺距與外徑之比為0.6，則螺距E為240 mm。螺旋葉片內任意點的法線與軸線間的角為螺旋升角，螺旋葉片上螺旋升角的計算公式如式(11)所示[14-18]。

(11)

式中：Ci——螺旋葉片上任意一點到軸線的距離，mm。

由螺旋升角的計算公式可知螺旋升角在螺旋葉片上由內向外逐漸減小，螺旋葉片內側螺旋升角γ1=71.9°，外側螺旋升角γ2=36.1°。

2.3.2 螺旋輸送器運動參數確定

甘薯秧蔓在輸送過程中是軸向運動和徑向運動的復合運動。將秧蔓看作一個質點Q把葉片沿螺旋線展開在任意點O進行動力學分析，設螺旋輸送器角速度為ω，質點Q處半徑為R，螺旋升角為γ，秧蔓和螺旋葉片間的摩擦角為β，對質點Q進行運動分析如圖7所示。

圖7 Q點受力分析圖

秧蔓在螺旋輸送器內的運動可以分解為軸向分速度V1和圓周方向分速度V2。

V1=Vdcos(γ+β)

(12)

V2=Vdsin(γ+β)

(13)

如圖7所示，利用速度三角形可知

(14)

(15)

(16)

式中：V1——O點軸向速度，m/s；

V2——O點圓周方向速度，m/s；

Vd——O點的絕對速度，m/s；

Vd′——O點的切向速度，m/s；

β——秧蔓與葉片間的摩擦角，(°)；

γ——螺旋升角，(°)；

n1——螺旋輸送器轉速，rad/min。

秧蔓輸送的效率與螺旋輸送器轉速、螺旋升角和摩擦角有關，在轉速和螺距一定的條件下，螺旋升角越大O點的軸向速度V1越小。

3 田間試驗與分析

3.1 試驗條件

2020年10月，在山東省威海市文登區甘薯試驗田開展樣機田間試驗。機具主要技術參數及試驗田條件及種植技術參數如表1、表2所示。

表1 機具主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of machines and tools

表2 試驗田條件及種植技術參數Tab. 2 Experimental field conditions and planting technical parameters

3.2 試驗方案與結果分析

依據GB/T 8097—2008《收獲機聯合收獲機試驗方法》、GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》對甘薯秧蔓收獲機專用割臺進行田間作業性能試驗。

每次田間試驗時，整機穩定作業20 m，在該區域內隨機選取3壟600 mm×1 000 mm區域作為測試區域，測量區域內甘薯秧蔓的留茬高度、遺留秧蔓數量及長度，重復試驗三次，并取秧蔓留茬高度以及遺留秧蔓數量的平均值。對歸集在割臺一側的甘薯秧蔓進行稱重并在試驗時進行計時，通過式(17)～式(19)計算割臺的喂入量Fm，割臺漏割率Sw，傷薯率Hb。機器的行走速度為0.6 m/s，割臺工作效率為0.45 hm2/h。樣機的各項性能指標與試驗結果如表3所示。

(17)

式中：Wm——歸集后秧蔓的重量，kg。

(18)

式中：Wp——漏割秧蔓的重量，kg；

W——秧蔓的重量，kg。

(19)

式中：Bn——破損甘薯的個數，個；

B——甘薯的總個數，個。

表3 樣機性能指標與試驗結果Tab. 3 Performance index and test results of the prototype

作業后的甘薯秧蔓留茬平均長度為46.33 mm，符合甘薯收獲作業留茬要求，割臺喂入量達1.2 kg/s，秧蔓收凈率達90%以上，傷薯率僅為0.45%，各項指標均已達標。作業過程中甘薯秧蔓喂入輸送順暢，撥禾切割裝置、撿拾裝置、螺旋輸送裝置均無秧蔓纏繞、堵塞，該甘薯秧蔓收獲機專用割臺有效解決了甘薯收獲前秧蔓處理的問題，對提升我國甘薯全程機械化水平具有重要意義。

4 結論

1) 設計了一種撥禾切割式甘薯秧蔓收獲機專用割臺，包括撥禾輪、仿壟型割刀、撿拾器、螺旋輸送絞龍、圓盤割刀等部件，能夠實現甘薯秧蔓順暢切—送—歸集，解決了甘薯秧蔓收獲機切割裝置和喂入裝置纏繞、堵塞、堆積等問題，提高了甘薯秧蔓割臺的輸送能力，有效解決了甘薯秧蔓難以切割歸集的問題。

2) 設計了撥禾切割裝置，根據壟寬設計撥禾輪工作幅寬為1 000 mm，直徑為870 mm，為保證切割后的秧蔓符合留茬要求，中間的割刀安裝距離定為50 mm，其余割刀和彈齒交錯均勻分布；設計撿拾器轉速為43 r/min，彈齒間距為100 mm；設計螺旋輸送器內徑為200 mm，外徑為400 mm，螺距為240 mm。

3) 樣機以0.6 m/s的作業速度進行田間試驗時，整機工作性能穩定，甘薯秧蔓喂入順暢，喂入量為1.2 kg/s，收凈率達90%以上，傷薯率僅為0.45%，整機作業效率為0.54 hm2/h，各項指標均達到或超過設計技術指標。