基于振動(dòng)挖掘與二次分選的4U-90 型番薯收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

姚自力 楊自棟 王寒松 姚立健 趙超 徐麗君

摘 要： 針對(duì)我國(guó)丘陵山地番薯收獲作業(yè)中存在的現(xiàn)有機(jī)型實(shí)用性較低、傷薯率高、明薯率較低，以及多為人工收獲等問題，設(shè)計(jì)一種適用于丘陵山地輕量化番薯收獲機(jī)。整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由變速箱、三點(diǎn)懸掛裝置、挖掘裝置、二次分選裝置和升運(yùn)分離裝置等組成。該收獲機(jī)挖掘番薯效率較高，并在其升運(yùn)期間振動(dòng)分離土薯，同時(shí)收集升運(yùn)過程中掉落番薯至二次分選裝置并振動(dòng)分離土薯。進(jìn)行了樣機(jī)三維模型建立及樣機(jī)田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，滿足番薯收獲機(jī)工作需求，并以此為以后樣機(jī)改進(jìn)提供理論依據(jù)與現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：丘陵山地；番薯收獲機(jī)；番薯挖掘；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；田間試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S225.7+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）08-0100-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.017

0 引言

番薯別稱地瓜、甘薯、紅苕等，隸屬于旋花科植物， 兼具食用藥用功效， 是我國(guó)的傳統(tǒng)糧食作物[1-4]。我國(guó)番薯種植面積與年產(chǎn)量均為世界前列，但產(chǎn)業(yè)機(jī)械化程度較低[5]。目前我國(guó)種植薯類和收獲過程仍然以人工為主，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度較大、耗時(shí)較高、效率低下等問題，導(dǎo)致種植戶利潤(rùn)較低[6-8]。

國(guó)外薯類收獲機(jī)械發(fā)展較早，而且技術(shù)先進(jìn)、功能較多。如德國(guó)GRIMME 公司的GT170 型馬鈴薯收獲機(jī)可隨地面仿形；比利時(shí)AVR 公司設(shè)計(jì)制造了AVRPUMA3型自走式薯類收獲機(jī)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效作業(yè)[9]。楊小平等[10] 設(shè)計(jì)了4U-1 600 型集堆式馬鈴薯收獲機(jī)，利用了兩級(jí)升運(yùn)鏈。王啟增[11] 針對(duì)土薯分離環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。但現(xiàn)有收獲機(jī)依舊存在著傷薯、漏薯、未能完全土薯分離等問題[12]。浙江省許多地區(qū)多為丘陵山地地形，受此條件制約，現(xiàn)有收獲機(jī)械并不能完全適配浙江大多零散農(nóng)戶所面對(duì)的農(nóng)藝措施和特殊地形[13-14]。

基于上述問題，結(jié)合浙江省種植農(nóng)戶的實(shí)際要求和所面臨種植情況，設(shè)計(jì)一種適合在丘陵山地小地塊進(jìn)行收獲作業(yè)的輕量化小型番薯收獲機(jī)，并且能夠做到振動(dòng)挖掘和二次分選功能。在闡述機(jī)具整體結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，積極開展田間試驗(yàn)及結(jié)果分析，為后續(xù)樣機(jī)的改進(jìn)制造提供理論依據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)浙江省大多采取的種植農(nóng)藝與丘陵山地地形特點(diǎn)，確定整機(jī)采用單壟收獲的方式，樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由三點(diǎn)懸掛裝置、挖掘裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、升運(yùn)分離裝置和二次分選裝置等組成。番薯收獲機(jī)通過三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸連接，做到工作時(shí)挖掘裝置掘起土薯混合物并將其共同輸送至后方，升運(yùn)分離裝置將土薯混合物向后上方運(yùn)送并在此過程中進(jìn)行振動(dòng)分離土薯，二次分選裝置在工作時(shí)將升運(yùn)時(shí)掉落薯塊收集，同時(shí)進(jìn)行土薯分離。樣機(jī)試驗(yàn)應(yīng)完成番薯挖掘、升運(yùn)分離及二次分選等作業(yè)，并且做到薯塊完整運(yùn)輸、破損率降低、土薯分離情況完好等效果。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

番薯收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，通過三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸連接，動(dòng)力輸入變速箱內(nèi)，變速箱將動(dòng)力經(jīng)過鏈傳動(dòng)和帶傳動(dòng)裝置分別傳遞到挖掘裝置、升運(yùn)分離裝置和二次分選裝置，使得番薯收獲機(jī)從田間挖掘出番薯，并將其通過升運(yùn)篩上升并進(jìn)行土薯分離，二次分選籃也會(huì)前后振動(dòng)將從升運(yùn)篩上掉落番薯進(jìn)行土薯分離。

田間作業(yè)時(shí)，番薯收獲機(jī)懸掛在拖拉機(jī)后方牽引前進(jìn)，動(dòng)力經(jīng)過變速箱后由變速箱動(dòng)力輸出軸傳出，并通過鏈輪傳動(dòng)使第1 傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，第1 傳動(dòng)軸帶動(dòng)兩側(cè)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)挖掘裝置的工作。第1 傳動(dòng)軸經(jīng)過鏈輪傳動(dòng)使得第2 傳動(dòng)軸工作，第2 傳動(dòng)軸將兩端偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)二次分選裝置工作。第2 傳動(dòng)軸一側(cè)存在一小帶輪，小帶輪由于第1 傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)后側(cè)大帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使第3 傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)升運(yùn)分離裝置工作。第3 傳動(dòng)軸通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)第4、第5 和第6 傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

升運(yùn)分離裝置中的振幅、振動(dòng)頻率、升運(yùn)鏈工作時(shí)的線速度是影響番薯收獲機(jī)作業(yè)性能的主要參數(shù)，也是影響番薯破損率和土薯分離效果的重要因素，合理的線速度能夠確保挖掘番薯后向上升運(yùn)輸順暢，并保有良好的土薯分離效果。通常運(yùn)用速比λ 來確定升運(yùn)分離鏈的線速度。

式中 vp——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

vr1——土薯分離升運(yùn)鏈線速度，m/s

速比λ 取值0.8～2.5，根據(jù)實(shí)際作業(yè)的情況需要選擇合適的升運(yùn)鏈線速度，不同情況有較大的差異，若線速度>2 m/s，其分離土薯能力會(huì)有所下降[15]。根據(jù)先前研究，vr1 為1.15～1.85 m/s 土薯分離效果較好，因此結(jié)合實(shí)際機(jī)具作業(yè)前進(jìn)速度效果確定該番薯收獲機(jī)升運(yùn)鏈線速度1.25 m/s[16]。

升運(yùn)鏈運(yùn)行速度按式（2）計(jì)算。

經(jīng)過計(jì)算可得，第1 傳動(dòng)軸與變速箱之間傳動(dòng)比1.14，變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速270.5 r/min。由于拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速540 r/min，由此可得變速箱傳動(dòng)比1.996。同理，第2 傳動(dòng)軸鏈輪齒數(shù)32，計(jì)算可得第1 傳動(dòng)軸與二次分選裝置之間傳動(dòng)比1.45，并且二次分選裝置中傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速211.33 r/min。

同理，第4、5、6 傳動(dòng)軸與第3 傳動(dòng)軸傳動(dòng)比1，即其轉(zhuǎn)速皆為156.3 r/min。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 挖掘裝置結(jié)構(gòu)

作業(yè)時(shí)挖掘裝置主要起到疏松壟上土壤并將土壤和番薯混合物一同從壟中掘起并向后運(yùn)輸。挖掘裝置主要由前端限深輪、挖掘鏟、挖掘擺臂、轉(zhuǎn)動(dòng)偏心輪和連接搖臂等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

作業(yè)時(shí)，前端限深輪控制挖掘深度和殺秧情況，隨后變速箱輸出拖拉機(jī)動(dòng)力至傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸帶動(dòng)兩側(cè)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使與偏心輪所連接的連桿前后擺動(dòng)，挖掘臂進(jìn)行前后挖掘工作，并將掘起的混合物一起向后輸送。在挖掘過程中，挖掘鏟的鏟長(zhǎng)、鏟寬、鏟刃傾角、入土角度和入土深度等都會(huì)對(duì)挖掘阻力和番薯收獲情況造成影響，為了使得能夠輕松挖掘和挖掘物能夠輕松離開， 提高挖掘效率， 鏟刃傾角應(yīng)滿足<60°。

2.2 升運(yùn)分離裝置結(jié)構(gòu)

升運(yùn)分離裝置主要在工作時(shí)利用分離篩桿滾動(dòng)做到將土薯混合物向后方升運(yùn)輸送，并在此過程中利用三角鐵往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)頂起鏈條與分離篩桿進(jìn)行振動(dòng)分離土薯。升運(yùn)分離裝置主要由分離篩桿、三角鐵、前支重輪和后支重輪等組成，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

作業(yè)時(shí)，動(dòng)力由上部傳動(dòng)軸輸入升運(yùn)分離裝置，并通過軸端小帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶傳動(dòng)帶動(dòng)后方主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)及主傳動(dòng)軸兩側(cè)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)分離篩桿滾動(dòng)，達(dá)到薯塊升運(yùn)的效果，并且主傳動(dòng)軸根據(jù)一側(cè)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)前方3 處傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以此帶動(dòng)三角鐵的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。三角鐵往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)是分離裝置振動(dòng)的主要來源，根據(jù)三角鐵所在軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)三角鐵往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)頂起兩側(cè)鏈條，以此往復(fù)來達(dá)到振動(dòng)效果，配合薯塊在篩桿上的升運(yùn)滾動(dòng)來進(jìn)一步分離土薯。以三角鐵為主體的振動(dòng)裝置高頻低幅的周期性振動(dòng)沖擊土薯混合物并將其擊碎后分離，確保薯塊被振動(dòng)裝置彈起的高度在一定范圍內(nèi)，不能過高以降低薯塊跌落高度，從而減少薯塊的破皮率與擦傷的概率。同時(shí)在每根分離篩桿外套上一層橡膠管，將剛性的分離篩桿進(jìn)行柔性外殼保護(hù)，以降低薯塊向上滾動(dòng)和薯塊振動(dòng)跌落時(shí)與分離篩桿的碰撞，從而降低薯塊的破損概率。前支重輪與后支重輪并不參與主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，僅起到支撐鏈條質(zhì)量的作用，使鏈條在番薯收獲機(jī)田間作業(yè)時(shí)更好地傳遞動(dòng)力。

考慮到作業(yè)環(huán)境土壤特性多為黏性土壤，將振動(dòng)裝置振幅范圍設(shè)置15～50 mm 為合理區(qū)間，并考慮番薯的碰撞和破損問題，確定振幅30 mm。根據(jù)現(xiàn)作業(yè)環(huán)境番薯品種的一般物理特性和尺寸，兩篩桿相隔55 mm。并且番薯塊莖屬于散粒體，其在升運(yùn)分離裝置上的力學(xué)特性研究能為番薯破損提供良好的理論依據(jù)[17]。在篩桿外側(cè)套上橡膠管與在65Mn 鋼運(yùn)動(dòng)對(duì)比以降低番薯破損的概率，由于機(jī)械化作業(yè)時(shí)，制造材料鋼材、橡膠與番薯塊莖發(fā)生作用，因此需要測(cè)定此兩種材料與番薯塊莖的摩擦特性。當(dāng)薯塊置于升運(yùn)裝置的斜面時(shí)，不計(jì)空氣阻力，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律可知其所受的靜摩擦力fs 按式（5）計(jì)算。

fs = _mgcos_ （5）

式中 μ——摩擦系數(shù)

m——番薯質(zhì)量，kg

θ——靜摩擦角

g——重力加速度，10 m/s2

其中靜摩擦角θ 即為升運(yùn)鏈傾角，因此固定不變，即探尋薯塊與兩種材料之間的摩擦系數(shù)便可得知塊莖的摩擦特性。查閱資料可得，經(jīng)試驗(yàn)薯類塊莖與橡膠之間的靜摩擦系數(shù)分布范圍0.504～0.694；而與65Mn鋼板之間的靜摩擦系數(shù)范圍0.021 7～0.395 0。由此可知，由于橡膠摩擦系數(shù)更大，導(dǎo)致薯塊靜摩擦力更大，因此機(jī)具篩桿增加橡膠管后摩擦力增強(qiáng)防止番薯滾動(dòng)造成的破皮及減少了與鋼材之間的激烈碰撞導(dǎo)致的破損。在實(shí)際田間對(duì)比試驗(yàn)中也能清楚看出增加橡膠管后番薯薯塊破損明顯降低。

作業(yè)時(shí)，動(dòng)力由鏈傳動(dòng)進(jìn)入二次分選裝置主傳動(dòng)軸，帶動(dòng)傳動(dòng)軸兩端偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪帶動(dòng)二次分選裝置連桿前后擺動(dòng)和二次分選擺臂擺動(dòng)，從而帶動(dòng)下方二次分選收集籃振動(dòng)分離土薯，將從上方篩桿掉落的薯塊集中收集。

3 樣機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過程

樣機(jī)制造完成后于2022 年10 月4 日在浙江省杭州市臨安區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)研究。該地區(qū)多為丘陵山地，光照充足并且地勢(shì)較為平坦，適宜番薯種植，種植模式為單行式壟作，并且為小地塊種植。為驗(yàn)證樣機(jī)在丘陵小地塊上的不同收獲效果和薯塊的損傷情況，因此對(duì)兩行薯壟進(jìn)行殺秧處理，對(duì)一行薯壟不進(jìn)行殺秧處理，在挖掘深度、樣機(jī)行進(jìn)速度、分離篩桿運(yùn)行速度等都保持不變的情況下，測(cè)量樣機(jī)的挖掘情況，計(jì)算樣機(jī)試驗(yàn)的明薯率、漏薯率、破損率。試驗(yàn)進(jìn)行2 次，第2 次與第1 次試驗(yàn)樣機(jī)相比，篩桿外增加了橡皮管減少磨損和碰撞，并對(duì)限深輪加以改進(jìn)。試驗(yàn)?zāi)康模阂皇球?yàn)證樣機(jī)是否能正常工作挖掘、輸送番薯；二是測(cè)試樣機(jī)挖掘番薯的損傷、挖掘情況，觀察記錄漏薯率和明薯率等。試驗(yàn)過程如圖7 和圖8 所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

傷薯率是薯類收獲機(jī)重要的指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于薯類機(jī)械損傷和分離率的研究有很多。傷薯率高、明薯率低、土薯分離效果差是國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)面臨的通病和難題。初代樣機(jī)采用升運(yùn)鏈?zhǔn)椒硎斋@，在番薯收獲時(shí)升運(yùn)鏈振動(dòng)和底部篩網(wǎng)二次振動(dòng)進(jìn)行土薯分離，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。

（1）試驗(yàn)表明，初代樣機(jī)能做到正常挖掘番薯、輸送番薯，但由于限深輪原因，樣機(jī)前方番薯秧堆積較為嚴(yán)重，將限深輪修改或者取下后有良好改善。

（2）樣機(jī)挖掘番薯情況良好，漏薯率較低，也并不會(huì)切斷整塊番薯，但番薯?yè)p傷率較高，破皮率較高。將升運(yùn)鏈導(dǎo)桿套上橡皮管以減輕番薯各自和與導(dǎo)桿碰撞后此情況有較好改善。

番薯收獲試驗(yàn)主要測(cè)定收獲過程中土薯分離的效果及條鋪后薯塊傷薯情況，具體測(cè)量參數(shù)包括明薯率、傷薯率和損失率。

在拖拉機(jī)前進(jìn)速度為1 m/s、挖掘深度為20 mm 條件下進(jìn)行兩次試驗(yàn)作業(yè)，運(yùn)行長(zhǎng)度14.5 m（未殺秧為15 m），第2 次試驗(yàn)分3 組統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1和表2 所示。

由表1 和表2 可知，第1 次樣機(jī)試驗(yàn)效果并不理想，傷薯率與損失率都比較高，當(dāng)?shù)? 次改進(jìn)樣機(jī)之后，傷薯率和損失率都有明顯下降，增加橡膠套管等改進(jìn)對(duì)番薯破皮有顯著影響。

由表2 可知，樣機(jī)挖掘番薯效果較為不錯(cuò)，明薯率可以得到保證，并且損失率和傷薯率也較低，3 組數(shù)據(jù)對(duì)比可知，傷薯率最低為未殺秧組，因?yàn)橛捎谘砻绲拇嬖冢档土耸韷K在升運(yùn)過程中的碰撞破損，使薯塊得到進(jìn)一步保護(hù)。但相比較而言，已殺秧能夠提高番薯挖掘效果，明薯率有所提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

丘陵山地番薯收獲機(jī)能夠一次性完成挖掘、升運(yùn)分離、收后條鋪和二次振動(dòng)分選等作業(yè)。并通過計(jì)算分析了影響土薯混合物拋起運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素，以及升運(yùn)鏈工作時(shí)的狀態(tài)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，挖掘裝置和升運(yùn)振動(dòng)裝置能夠有效提高番薯挖掘效果和挖掘后土薯分離效果，提升了番薯收獲機(jī)在小地塊種植時(shí)的收獲效率，二次分選裝置能夠有效防止番薯在機(jī)具行進(jìn)過程中薯塊掉落等問題，并能夠同時(shí)對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)土薯分離。樣機(jī)田間試驗(yàn)效果較好，對(duì)番薯產(chǎn)業(yè)與后續(xù)樣機(jī)改進(jìn)提供理論與現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

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