4UJ-1700甘薯殺秧機設計與試驗

崔中凱 周進 邸志峰 姜偉 李娜 張華

摘要：針對現有通用薯類殺秧機漏打率、傷薯率高等問題，設計一款特色甘薯殺秧機。該機具由作業拖拉機提供牽引力及作業動力，作業時，甘薯秧蔓在粉碎甩刀、護罩及定刀的共同作用下被打擊、揉搓、剪切成碎段，并拋撒至田間。機具包括機架、傳動系統、挑秧裝置、粉碎裝置、懸掛系統等部件，前端兩側設計挑秧機構，由挑秧齒、挑秧板、仿形板及壓縮彈簧組成，可將薯壟兩側及壟底薯秧挑起粉碎；選用直刀型粉碎刀并將粉碎刀分為壟頂刀、壟側刀及壟底刀三種類型，根據壟形尺寸對粉碎刀進行合理布置，實現仿壟形作業；采用分側傳送，同步驅動方式，保證作業過程粉碎刀輥動力充足平穩；配有限深調節裝置，可以調整作業高度，防止損傷薯塊，并完成樣機試制和田間試驗。試驗結果表明：在拖拉機前進速度為3.6 km/h時，甘薯殺秧機切碎長度合格率為92%、留秧高度為13.5 mm、漏打率為3.3%、傷薯率為0.66%，滿足使用要求。

關鍵詞：甘薯；殺秧機；挑秧裝置；仿壟形刀片

中圖分類號：S225.7+1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0008-05

收稿日期：2022年9月1日

修回日期：2023年2月10日

*基金項目：山東省薯類產業技術體系（SDAIT—16—13）

第一作者：崔中凱，男，1987年生，山東鄒平人，碩士，工程師；研究方向為現代農業裝備。E-mail： kevin6119@@163.com

通訊作者：張華，男，1976年生，山東臨沂人，研究員；研究方向為現代農業裝備。E-mail： zhanghua126@sina.com

Design and experiment of 4UJ-1700 sweet potato stem chopping machine

Cui Zhongkai， Zhou Jin， Di Zhifeng， Jiang Wei， Li Na， Zhang Hua

（Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences， Jinan， 250100， China）

Abstract： Aiming at the problems of high rate of leakage and damage of potato， a special sweet potato killing machine was designed. The machine was provided with traction force and working power by working tractor. During operation， the sweet potato vine was hit， knead and cut into fragments under the combined action of crushing and swinging knife， shield and fixed knife， and then thrown into the field. The machine included frame， transmission system， seedling picking device， crushing device， suspension system and other components. The machine was designed on both sides of the front end of the picking mechanism， which was composed of picking teeth， picking plate， copying plate and compression spring， which could lift and crush potato seedlings on both sides and bottom of potato ridge. The straight cutter was selected and divided into three types such as ridge top cutter， ridge side cutter and ridge bottom cutter， and reasonable arrangement was made according to the ridge shape size to realize the imitation ridge operation. The use of side transmission and synchronous drive mode was to ensure that the crushing tool roller power was sufficient and stable. With the limited depth adjustment device， the working height could be adjusted to prevent damage to the potato block. The prototype trial production and field test were completed. The test results showed that when the forward speed of the tractor was 3.6 km/h， the qualified rate of the cutting length of the sweet potato killing machine was 92%， the planting height was 13.5 mm， the missing rate was 3.3%， and the damage rate was 0.66%， which met the requirements of use.

Keywords： sweet potato; stem chopping machine; stem pick-up device; ridge-like blade arrangement

0 引言

甘薯屬旋花科甘薯屬，一年生或多年生蔓生草本，是一種高產、穩產、抗旱、耐瘠、多用途作物，其營養豐富，富含多種維生素、礦物質、膳食纖維、可溶性糖等，可以滿足食物多樣性的要求。中國是世界上最大的甘薯生產國，常年種植面積約2 330 khm²，產量52 500 kt左右，均居世界首位^[1-3]。山東省是甘薯種植大省，常年種植面積130 khm²左右，主要分布在臨沂、濟寧、泰安、煙臺等干旱的丘陵山區和平原旱地^[4-6]。

甘薯是勞動密集型地下塊根作物，其田間生產環節主要包括排種、剪苗、耕地施肥、起壟覆膜、田間管理、收獲等。甘薯收獲前，需要清理壟上秧蔓，便于后續挖掘收獲。甘薯秧蔓生長茂盛，相互交錯，難以分開，且具有較高韌性，增加了收獲前秧蔓處理的難度。傳統生產方式需要人工彎腰將枝蔓割斷并拖拽出收獲地塊，清理時間長，勞動強度大。研制秧蔓切碎率高、壟溝秧蔓清除效果好的甘薯秧蔓處理機械已成為甘薯機械化收獲中重要的一環^{[7， 8]}。

國外甘薯秧蔓處理機械研究起步早，技術成熟，目前已實現機械化處理。歐美國家甘薯秧蔓處理機械主要分3種，一是與大功率拖拉機配套的大型甘薯聯合收獲裝備，集秧蔓處理、挖掘、輸送、薯塊收集于一體，適用于大規模種植模式，整機尺寸大、售價高，不適合我國小田塊種植模式；二是薯蔓收集處理裝備，如日本研制了一款履帶自走式甘薯秧蔓處理收獲機，作業時可將秧蔓鋪放到地面后收集粉碎作為飼料，其結構復雜，價格昂貴，對普通農戶不適用；三是卷蔓機，利用大型機械將甘薯秧蔓纏繞到支架上，然后拉出田外收集或者切碎處理，一般針對短薯蔓品種，不適合我國種植模式^[9]。

與歐美發達國家相比，我國甘薯秧蔓處理機械大多將馬鈴薯殺秧機或秸稈粉碎還田機上的一些成熟技術進行改裝，沒有針對甘薯秧蔓生理特性研發設計，機械化處理技術還比較落后，研發的甘薯殺秧機大多存在壟溝壟側秧蔓除凈率低、留秧長、傷薯率高、秧蔓粉碎長度合格率低等問題。針對甘薯不同種植區域和規模，農業農村部南京農業機械化研究所^[10-12]研發了幾款甘薯秧蔓粉碎還田機，如4JHSM-900型甘薯碎蔓機、步行式甘薯碎蔓還田機等，能夠一次性完成挑蔓、切蔓、碎蔓及還田等作業，適合平原、緩坡地規?；N植模式；鄭文秀^[13]研發了一款單行甘薯秧蔓回收機，可以同步完成秧蔓喂入、切割、粉碎、輸送及收集等工序，薯蔓回收率為94%，傷薯率為0.25%；山東希成開發的4JM型殺秧機和山東洪珠研制的1JH型薯類殺秧機結構緊湊、適用性強，適用于小田塊薯類秧蔓的處理。

基于此，本文針對山東甘薯生產多為丘陵山區小地塊的種植模式現狀，研制一種仿壟形甘薯殺秧機，通過關鍵部件參數化設計和布置，確定合理的機具結構尺寸，通過田間試驗獲得最佳工作參數組合范圍，完成樣機設計試制及田間試驗，為提高山東甘薯秧蔓機械化處理水平提供關鍵技術和裝備支撐。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

4UJ-1700甘薯殺秧機主要由機架、傳動系統、挑秧裝置、粉碎裝置、懸掛系統、護罩、限深輪等組成，整機結構如圖1所示。

1.2 工作原理

甘薯殺秧機通過三點懸掛方式掛接至作業拖拉機，由作業拖拉機提供牽引力及作業動力。作業時，動力經萬向節傳遞至變速箱，然后再由帶傳動傳遞至粉碎裝置，粉碎裝置刀輥高速轉動帶動甩刀將莖秧及雜草打斷，同時將打斷后的秧蔓甩入粉碎裝置的護罩殼內。在粉碎甩刀、護罩及定刀的共同作用下，甘薯秧蔓被進一步打擊、揉搓、剪切成碎段，最后拋撒至田間。

由于甘薯秧蔓易生不定根，為清除壟側及壟底秧蔓，在機具前端兩側設計有挑秧機構，作業時可將薯壟兩側及溝底薯秧挑起粉碎；針對甘薯起壟種植的生產模式，將粉碎刀分為壟頂刀、壟側刀及壟底刀，根據壟形尺寸將粉碎刀進行合理布置，實現仿壟形作業，提高殺秧效果；機器配備限深調節裝置，便于調整作業高度，防止損傷薯塊。

1.3 主要技術參數

4UJ-1700甘薯殺秧機結構設計應符合甘薯種植壟高、壟寬等農藝技術要求。為提高機具通用性，甩刀間距可通過隔套進行靈活調整，以適應不同壟距，整機技術參數如表1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 挑秧機構設計

4UJ-1700甘薯殺秧機在機具前端兩側設計挑秧裝置，作業時挑秧機構可拉斷薯秧扎根于地表面的毛細秧根，將薯壟兩側及溝底薯秧挑起并向后上方輸送至粉碎裝置。挑秧裝置由挑秧齒、挑秧板、仿形板及壓縮彈簧組成，其結構如圖2所示。

當挑秧機構與地面的傾角β過大時，秧蔓無法順利沿挑秧架向側后方滑動，從而在挑秧彈齒處堆積，影響后續作業，傾角β的值可借鑒甘薯秧蔓的休止角β₀，計算如式（1）所示。

β₀=arctanμ（1）

式中： μ——秧蔓在挑秧架表面的摩擦系數，取為0.55。

由式（1）可得，甘薯秧蔓的休止角β₀為28.8°。為確保甘薯秧蔓滑動順暢，傾角β≤β₀，綜合考慮機具結構尺寸及種植模式，挑秧機構與地面的傾角β定為25°。壟底刀及壟側刀離地間隙為0.034～0.064 m，為使薯秧能夠順利被切割粉碎，需要將薯秧挑起至足夠高度。挑秧板長度為l，則

l·tanβ>0.064（2）

由式（2）可得，l>0.14 m，結合整機技術尺寸，確定挑秧鏟長度0.255 m。

2.2 粉碎裝置結構及轉速設計

粉碎裝置是甘薯殺秧機的核心工作部件，如圖3所示，其結構主要由兩側傳動帶輪、粉碎刀輥、粉碎刀座、粉碎刀等組成。為減輕結構質量，粉碎刀輥由外徑為65 mm的無縫鋼管及兩側軸頭焊接而成。

粉碎刀是粉碎裝置主要工作元件，其形狀和參數直接影響整機的工作質量及功率消耗。常用粉碎刀形狀主要有直刀型、Y型或L型及錘爪型等三種甩刀。直刀型刀片采用高錳鋼制造，粉碎效果較好，結構簡單易加工，功率消耗較小，但留茬較高；Y型或者L型刀片采用高錳鋼制造，具有較好的撿拾性，對脆秸稈粉碎效果好，但結構較復雜，碰到堅硬物體容易損壞；錘爪型刀片采用高強度耐磨鑄鋼制成，強度高、耐磨損，適用于高粱、棉花等較硬作物秸稈，但功率消耗較大。考慮甘薯秧蔓易切割粉碎且起壟種植，殺秧機選用直刀型甩刀，加工方便且滿足作業需求^[14]。

山東甘薯一般采用起壟種植，為粉碎壟底及壟側秧蔓，粉碎甩刀分為壟頂刀、壟側刀和壟底刀，根據甘薯壟截面形狀，甩刀采用長短刀片組合排列。為減少機具振動，甩刀采用對稱排布。

C=N/L（3）

式中： C——刀片的排列密度，片/mm；

N——甩刀數量，片；

L——作業幅寬，mm。

4UJ-1700甘薯殺秧機作業幅寬1 700 mm，刀片排列密度一般取0.02～0.07片/mm，根據計算結果及機具結構限制，取刀片數量為32片。

粉碎刀輥轉速是粉碎裝置的核心參數，為提高滅茬粉碎還田效果，粉碎刀軸向后旋轉^[15]，即與拖拉機前進方向相反。如圖4所示，取粉碎刀軸軸心O為坐標原點，x軸正方向為機具前進方向，y軸正方向為垂直向上，對粉碎刀尖任意一點P（x，y）做運動軌跡分析，則

式中：v_m——殺秧機前進速度，m/s；

R——甩刀回轉半徑，m；

ω——甩刀回轉角速度，rad/s；

t——時間，s。

對式（4）中時間t求導，得點P（x， y）的速度

式中： v_x——P點水平分速度，m/s；

v_y——P點垂直分速度，m/s。

由式（5）可得，粉碎刀復合運動軌跡為余擺線，為將秧蔓充分切割切碎，粉碎甩刀水平方向的分速度絕對值要高于切割甘薯秧蔓所需最小線速度v_c，即

|v_xmax|=|v_m-Rωsinωt|≥v_c（6）

式中： v_c——甘薯秧蔓切割所需最小線速度。

4UJ-1700甘薯殺秧機正常作業時，機具的前進速度v_m=1 m/s，由甘薯收獲期秧蔓機械特性可得，切割秧蔓所需的最小線速度v_c=25 m/s，粉碎甩刀回轉半徑R=157 mm，將以上數據代入式（6）可得，4UJ-1700甘薯殺秧機粉碎刀輥轉速應大于1 582 r/min。

2.3 傳動裝置結構設計

為提高甘薯殺秧機殺秧效果，作業過程粉碎刀輥應保證動力充足平穩，4UJ-1700甘薯殺秧機傳動系統采用分側傳送，同步驅動的傳動方式。為緩和殺秧過程粉碎甩刀與土垡或石塊碰撞產生的不均勻載荷沖擊，殺秧機兩側傳動采用帶傳動，其傳動平穩，能緩沖吸振，過載打滑可防止其他部件損壞。4UJ-1700甘薯殺秧機傳動路線如圖5所示。

甘薯殺秧機粉碎刀輥轉速

式中： n₁——拖拉機后輸出轉速，本文為540 r/min；

Z₁——輸入軸齒輪齒數，本文為37齒；

Z₂——輸出軸齒輪齒數，本文為19齒；

d₁——大帶輪直徑，本文為245 mm；

d₂——粉碎刀輥軸帶輪直徑，本文為165 mm。

由式（7）可得，甘薯殺秧機粉碎刀輥轉速為1 561 r/min，符合設計要求。根據小帶輪直徑及粉碎刀輥轉速，兩側傳動選用B型帶，傳動帶根數

式中： P_c——殺秧作業功率消耗，kW；

P₀——單根帶所能傳遞的功率，kW；

ΔP₀——傳動比i≠1時傳動功率的增量，kW；

k_α——包角系數；

k_l——長度系數。

由式（8）可得，殺秧機兩側傳動采用3根B帶傳動，可滿足設計要求。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2021年10—11月，在濟南市章丘區棗園鎮山東省農業機械科學研究院甘薯試驗基地進行了4UJ-1700甘薯殺秧機田間殺秧試驗，試驗基地土壤類型為壤土和砂壤土，耕作層厚20～30 cm，透氣排水好，適宜甘薯生長。甘薯種植壟距為850 mm，壟寬為350 mm，壟高為200 mm，壟長大于100 m；甘薯品種為適合山東及黃淮薯區丘陵、平原旱薄地種植的濟薯26，株距約250～300 mm，結薯深度為200～280 mm，薯蔓平均長度為2 150～2 600 mm，產量45 000 kg/hm²以上。

3.2 試驗指標

目前尚無甘薯殺秧機相關的國家標準或行業標準，因此4UJ-1700甘薯殺秧機田間試驗參照DB/T 3355—2018《甘薯機械化生產技術規范》、NY/T 2706—2015《馬鈴薯打秧機 質量評價技術規范》、NY/T 1130—2006《馬鈴薯收獲機械》等規定和有關農業機械試驗方法進行，要求秧蔓切碎長度合格率≥80%，留茬高度≤150 mm，漏打率≤8%，傷薯率≤1%。機具試驗時拖拉機前進速度為3.6 km/h，作業完成后，連續測量10株甘薯殘留秧蔓高度，取平均值即為留秧高度，并分別計算秧蔓切碎長度合格率D_h、漏打率T、傷薯率S。

式中： m_y——測區內打碎秧蔓總質量，kg；

m_b——測區內打碎長度大于200 mm的秧蔓質量，kg；

Y₁——測區內未打到秧蔓數量，株；

Y——測區內秧蔓總數量，株；

M_s——測區內傷薯質量，kg；

M——測區內薯塊總質量，kg。

3.3 試驗結果

在上述試驗條件下，4UJ-1700甘薯殺秧機試驗結果如表2所示。

結果表明，4UJ-1700甘薯殺秧機各部件運轉良好，工作性能優良。拖拉機前進速度為3.6 km/h時，甘薯殺秧機切碎長度合格率為92%、留秧高度為13.5 mm、漏打率為3.3%、傷薯率為0.66%，均符合相關標準要求。

4 結論

1） 本文研制一款特色甘薯殺秧機，由作業拖拉機提供牽引力及作業動力，可一次性完成挑秧、切碎、拋灑還田等作業環節。機具包括機架、傳動系統、挑秧裝置、粉碎裝置、懸掛系統等部件，前端兩側設計挑秧機構，由挑秧齒、挑秧板、仿形板及壓縮彈簧組成，可將薯壟兩側及壟底薯秧挑起粉碎；刀片排列采用仿壟形設計，可有粉碎壟底及壟側秧蔓；采用分側傳送，同步驅動方式，保證作業過程粉碎刀輥動力充足平穩；配有限深調節裝置，可調整作業高度，防止損傷薯塊。機具配套動力35～50 kW，作業幅寬1 700 mm，適應壟距850 mm，純工作時間生產率0.67～1.33 hm²/h。

2） 完成樣機試制和田間試驗。結果表明，甘薯殺秧機前進速度為3.6 km/h時，甘薯殺秧機切碎長度合格率為92%、留秧高度為13.5 mm、漏打率為3.3%、傷薯率為0.66%，滿足設計與使用要求。

參 考 文 獻

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