馬鈴薯挖掘機(jī)橫向輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李紫輝，尚琴琴，楊　穎,王英博，劉中原，李季成，呂金慶

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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馬鈴薯挖掘機(jī)橫向輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李紫輝，尚琴琴，楊穎,王英博，劉中原，李季成，呂金慶

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：針對現(xiàn)有馬鈴薯挖掘機(jī)經(jīng)分離篩分離后直接將馬鈴薯鋪放于地面，常出現(xiàn)二次埋薯、馬鈴薯鋪放較分散、人工勞動(dòng)強(qiáng)度增大、作業(yè)效率低等問題，研究設(shè)計(jì)一種適合國內(nèi)馬鈴薯收獲的馬鈴薯挖掘機(jī)橫向輸送系統(tǒng)，將分離后的馬鈴薯成條集中鋪放。為此，闡述了橫向輸送系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及工作原理，對關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，理論分析計(jì)算了橫向輸送系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)，確定合理輸送高度，避免馬鈴薯間的碰撞損傷。結(jié)果表明：相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，橫向輸送鏈距壟上側(cè)高度為100mm、運(yùn)行線速度為1.5m/s時(shí)能夠滿足馬鈴薯的集條鋪放且不發(fā)生碰撞損傷。該研究可為馬鈴薯橫向輸送系統(tǒng)的研究提供參考，以促進(jìn)馬鈴薯挖掘機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；馬鈴薯；馬鈴薯挖掘機(jī)；橫向輸送系統(tǒng)

0引言

馬鈴薯已經(jīng)成為中國第四大糧食作物，近5年來種植面積逐年增加，達(dá)800萬hm2多，占世界種植面積的1/4左右[1-2]。隨著馬鈴薯種植面積的增加，對于馬鈴薯機(jī)械化收獲提出了更高的要求。由于我國馬鈴薯大多以小面積分散種植為主，國外的大型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)只能在很少的地區(qū)使用，而相對小型的馬鈴薯挖掘機(jī)成為國內(nèi)馬鈴薯收獲主要的機(jī)具類型。

現(xiàn)有馬鈴薯挖掘機(jī)大多通過升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x篩分離后直接將薯塊鋪放于地面，最后通過人工撿拾完成馬鈴薯收獲作業(yè)。多次的馬鈴薯田間收獲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：通過升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x篩分離后直接鋪放于地面的收獲方式常出現(xiàn)埋薯的現(xiàn)象，且鋪放后的馬鈴薯較分散，人工撿拾不方便，增加勞動(dòng)強(qiáng)度，降低工作效率。基于上述存在的問題，國內(nèi)外專家學(xué)者和各大公司對馬鈴薯挖掘機(jī)橫向輸送系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。具有代表性的有德國格力莫公司設(shè)計(jì)的windrower WH 200和windrower WR 200型馬鈴薯挖掘機(jī)，兩種機(jī)型上都設(shè)置橫向輸送系統(tǒng)，作業(yè)效果較好；但由于其價(jià)格較昂貴，零部件供應(yīng)渠道不方便，而且對于國內(nèi)不同地區(qū)馬鈴薯收獲適應(yīng)性差很難得到廣泛應(yīng)用[3-5]。國內(nèi)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)潘志國等人設(shè)計(jì)了馬鈴薯收獲機(jī)的定向堆放裝置，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種四分區(qū)集薯器，從時(shí)間、行程、質(zhì)量3 個(gè)方面討論了定向堆放裝置的開啟方式，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)連續(xù)挖掘作業(yè)和集薯箱的間歇排放。鄭州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)試驗(yàn)推廣站秦現(xiàn)增等人設(shè)計(jì)的后集中鋪放裝置，其集中鋪放分離鏈將土塊分離的同時(shí)，薯塊、莖葉雜草在集中收攏擋板和收攏輥的同時(shí)作用下將薯塊集中鋪放于后部一側(cè)，提高了后續(xù)人工撿拾的效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度[6-8]。

本文針對現(xiàn)有馬鈴薯挖掘機(jī)經(jīng)分離篩分離后直接鋪放于地面常出現(xiàn)二次埋薯、馬鈴薯鋪放較分散、人工勞動(dòng)強(qiáng)度增大、作業(yè)效率低等問題，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯挖掘機(jī)橫向輸送系統(tǒng)，并對其結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行闡述，確定相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)及合理輸送高度，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯集中鋪放，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率。

1橫向輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　橫向輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

橫向輸送系統(tǒng)主要由輸送架、支撐輪、側(cè)護(hù)板、輸送鏈、連接板、驅(qū)動(dòng)軸及液壓馬達(dá)等組成，如圖1所示。橫向輸送鏈兩側(cè)安裝防護(hù)板，其上連接橡膠板，防止輸送過程中馬鈴薯的滾落和造成碰撞損傷；橫向輸送鏈下方安裝張緊輪和支撐輪，保證輸送鏈按照正常狀態(tài)平穩(wěn)輸送馬鈴薯；兩側(cè)輸送架通過圓管焊接，提高輸送架的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.側(cè)護(hù)板　2.輸送架　3.支撐輪

1.2　工作原理

馬鈴薯挖掘機(jī)機(jī)架前端安裝油泵和油箱，油泵向液壓馬達(dá)供油，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸上的輪轂帶動(dòng)輸送鏈運(yùn)動(dòng)；經(jīng)過馬鈴薯挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈分離篩分離后的馬鈴薯散落到橫向輸送鏈上，橫向輸送鏈將馬鈴薯從馬鈴薯挖掘機(jī)的側(cè)后方拋送到壟溝內(nèi)，完成集中鋪放工作；最后，通過人工或機(jī)器撿拾完成馬鈴薯收獲作業(yè)。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及參數(shù)的確定

2.1　輸送鏈設(shè)計(jì)

輸送鏈主要由橡膠帶、鉚釘、桿條組件、連接板、鏈條鉸板及橡膠板等組成，如圖2所示。

1. 橡膠帶　2.鉚釘　3.桿條組件

桿條通過鉚釘與橡膠帶鉚接，整個(gè)輸送鏈上裝配3個(gè)橡膠板，裝配橡膠帶的目的是降低由二級升運(yùn)鏈輸送下來的馬鈴薯與橫向輸送鏈桿條間的磕碰損傷；桿條組件由桿條和套裝在其上的橡膠管組成，避免輸送馬鈴薯過程中對薯塊造成損傷，同時(shí)橫向輸送鏈兼具分離薯土的作用，從而使馬鈴薯得到進(jìn)一步的分離[9-13]。

橫向輸送系統(tǒng)的寬度與馬鈴薯落下的速度有關(guān)，根據(jù)圖3對橫向輸送鏈的寬度進(jìn)行確定。

1.馬鈴薯挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈　2.橫向輸送鏈

馬鈴薯挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈與水平方向夾角為β，馬鈴薯在由挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈拋出時(shí)有斜向上的速度v，可分解為豎直向上和水平的速度分別為v1、v2，根據(jù)馬鈴薯挖掘機(jī)相關(guān)傳動(dòng)關(guān)系經(jīng)過計(jì)算得馬鈴薯挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈線速度為1.5m/s。為了保證馬鈴薯落到橫向輸送鏈之后能夠被及時(shí)地輸送而不發(fā)生滯留問題，橫向輸送鏈的線速度應(yīng)大于等于1.5m/s。根據(jù)圖3馬鈴薯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，忽略馬鈴薯運(yùn)動(dòng)過程中空氣阻力及土壤等因素的影響，可列關(guān)系式為

v1=gt1

(1)

v1=vsinβ，v2=vcosβ

(2)

(3)

(4)

s2=v2·(t1+t2)

(5)

其中，h1為馬鈴薯自O(shè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)豎直向上運(yùn)動(dòng)的距離(m)；t1為馬鈴薯自O(shè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)所用的時(shí)間(s)；t2為馬鈴薯自最高點(diǎn)下落到橫向輸送鏈時(shí)所用的時(shí)間(s)；s2為馬鈴薯自O(shè)點(diǎn)被拋送到與橫向輸送鏈接觸時(shí)的水平方向的位移(m)；g=10m/s2。

將以上各式聯(lián)立，經(jīng)整理得

(6)

馬鈴薯挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈運(yùn)轉(zhuǎn)的線速度為1.5 m/s，挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈與水平方向夾角β=25o，根據(jù)以上公式計(jì)算得s2=420mm，此時(shí)馬鈴薯運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)距橫向輸送鏈的距離約為310mm。在此狀態(tài)下，根據(jù)馬鈴薯挖掘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，在保證機(jī)具整體結(jié)構(gòu)的緊湊性和可靠性的前提下設(shè)計(jì)馬鈴薯拋出位置O點(diǎn)距橫向輸送鏈豎直方向的距離h=290mm，橫向輸送鏈的寬度為650 mm，此時(shí)馬鈴薯被拋出位置O點(diǎn)距橫向輸送系統(tǒng)的側(cè)護(hù)板的距離為570mm。為了保證被升運(yùn)鏈拋送出來的馬鈴薯不直接撞擊側(cè)護(hù)板反彈到輸送鏈上，減少馬鈴薯與橫向輸送系統(tǒng)的碰撞次數(shù)，馬鈴薯挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈的線速度應(yīng)小于1.9m/s。當(dāng)v=1.9m/s時(shí)，馬鈴薯運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)距橫向輸送鏈的垂直距離約為322mm。根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，馬鈴薯的臨界損傷跌落高度為380mm，說明馬鈴薯挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈線速度在1.5～1.9m/s間調(diào)節(jié)時(shí)能夠保證被拋送的馬鈴薯直接散落到橫向輸送鏈上且不會(huì)發(fā)生損傷。由于橫向輸送鏈上連接了3條橡膠板，側(cè)護(hù)板上安裝橡膠板，能夠?qū)斔拖聛淼鸟R鈴薯起到很好的保護(hù)作用，而且實(shí)際作業(yè)過程中土壤及其他因素的存在也會(huì)對馬鈴薯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)造成影響，使馬鈴薯水平方向的實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離小于理論計(jì)算值。所以，可根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求適當(dāng)提高馬鈴薯挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈的線速度，以提高工作效率。

2.2　驅(qū)動(dòng)部件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)部件主要由驅(qū)動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)輪及液壓馬達(dá)組成，如圖4所示。

1.驅(qū)動(dòng)軸　2.驅(qū)動(dòng)輪　3.液壓馬達(dá)

液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)軸連接；驅(qū)動(dòng)輪由輪轂和掛膠層組成，掛膠層為橡膠材料，其上設(shè)有卡槽，卡槽與輸送鏈橡膠帶卡槽相對應(yīng)，保證輸送鏈運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定、不打滑，同時(shí)接觸處為柔性接觸，減小驅(qū)動(dòng)部件與輸送鏈橡膠帶間的磨損；驅(qū)動(dòng)裝置采用液壓馬達(dá)替代機(jī)械傳動(dòng)使傳動(dòng)更加平穩(wěn)、調(diào)節(jié)更加方便、操作性能更加優(yōu)越。

3馬鈴薯鋪放高度分析

橫向輸送鏈距地面的高度及線速度直接影響被鋪放的馬鈴薯的落地位置和碰撞損傷程度，合理的輸送高度和線速度是橫向輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。橫向輸送鏈在輸送馬鈴薯過程中認(rèn)為馬鈴薯在被拋出之前與橫向輸送鏈保持相對靜止，以輸送鏈上的某一馬鈴薯為分析對象，其速度可分解為與馬鈴薯挖掘機(jī)前進(jìn)速度相同的牽連速度Ve及與輸送鏈線速度相同的相對速Vr，二者的合速度為馬鈴薯的絕對速度Va。橫向輸送鏈上的馬鈴薯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖5所示。

圖5　橫向輸送鏈上馬鈴薯的速度

俯視橫向輸送鏈正常工作時(shí)其上的馬鈴薯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，被橫向輸送鏈輸送出的馬鈴薯有斜向前的絕對速度, 其速度合成如圖6所示。

圖6　馬鈴薯運(yùn)動(dòng)速度方向示意圖

根據(jù)馬鈴薯種植農(nóng)藝特點(diǎn)，馬鈴薯種植壟距常為750、800、900mm，橫向輸送鏈的線速度可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)節(jié)，由于馬鈴薯挖掘機(jī)二級升運(yùn)鏈線速度為1.5m/s，為了保證馬鈴薯挖掘機(jī)二級輸送與橫向輸送間的通暢性，橫向輸送鏈的線速度應(yīng)大于等于1.5m/s，假定橫向輸送鏈的線速度為1.5m/s(見圖7)。馬鈴薯質(zhì)心點(diǎn)O與距橫向輸送帶最近壟的頂端的水平距離為370mm，結(jié)合圖6各速度的方向可得

s=Va·t·cosα

(7)

(8)

其中，s為馬鈴薯質(zhì)心點(diǎn)O與距橫向輸送帶最近壟的頂端的水平距離(m)；t為馬鈴薯運(yùn)動(dòng)水平距離為s時(shí)所用的時(shí)間(s)；α為橫向輸送鏈線速度方向與垂直機(jī)具前進(jìn)方向的夾角(°)；h為馬鈴薯自O(shè)點(diǎn)拋出后下落的豎直方向的距離(m)。

根據(jù)式(7)得t=0.25s，在這一時(shí)間段內(nèi)馬鈴薯下落的豎直方向的距離為312mm，不會(huì)發(fā)生碰撞損傷[15-19]。此時(shí)馬鈴薯的落點(diǎn)恰好為圖7中的A點(diǎn)，表明橫向輸送鏈線速度為1.5m/s時(shí)，被橫向輸送鏈輸出的馬鈴薯會(huì)落到壟距為750mm的壟溝內(nèi)。由于土壤及其他因素的作用，馬鈴薯水平方向運(yùn)動(dòng)的距離較理論值小，不會(huì)落入其他壟溝。當(dāng)壟距為800mm和900mm時(shí)，可根據(jù)作業(yè)需要適當(dāng)提高橫向輸送鏈運(yùn)行的線速度，以提高橫向輸送效率，進(jìn)而提高收獲效率。

圖7　馬鈴薯集中鋪放示意圖

4結(jié)論

1)橫向輸送系統(tǒng)中各部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)合理，能夠保證馬鈴薯的橫向輸送集中鋪放，同時(shí)避免輸送過程中對薯塊造成損傷，輸送鏈工作平穩(wěn)，工作狀態(tài)良好。

2)結(jié)合相關(guān)馬鈴薯跌落損傷高度對橫向輸送鏈的高度及運(yùn)行線速度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：橫向輸送鏈距壟上側(cè)高度為100mm，運(yùn)行線速度為1.5m/s，能夠保證馬鈴薯的正常收獲而且不發(fā)生鋪放過程中的碰撞損傷；同時(shí)橫向輸送鏈對薯土混雜物進(jìn)一步的分離，有利于提高馬鈴薯的分離效果，便于人工撿拾。

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The Design of Side Discharge System of Potato Digger

Li Zihui, Shang Qinqin, Yang Ying, Wang Yingbo, Liu Zhongyuan, Li Jicheng, Lv Jinqing

(Department of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：In view of the existing of potato digger,potatoes were put on the ground directly after the separation often appear potatoes were buried secondary, potatoes laying scattered relatively, increasing artificial labor intensity, low work efficiency, We studied and designed a side discharge system for the domestic potato digger and made sure potatoes into a concentrated laying after separation. Stating the side discharge system overall structure and working principle, structure design of key parts, the theoretical analysis and calculation related structure and operation parameters of the side discharge system, determine reasonable transmission height and avoid injury collisions between the potatoes.The results show that the design of correlation structure is reasonable, transverse conveyor chain away from the ridge height is 100mm and conveyor chain running speed is 1.5m/s which can meet the potato concentrated laying without collision damage.The study provides reference to the research of side discharge system of the potato digger and promotes the further development of the potato digger.

Key words：agricultural machinery; potato; potato digger; side discharge system

中圖分類號：S225.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0074-05

作者簡介：李紫輝(1961-)，男，黑龍江雙城人，高級工程師，(E-mail) ri501@163.com。通訊作者：呂金慶(1970-)，男，哈爾濱人，研究員，國家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家，(E-mail)ljq8888866666@163.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B03)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-10-P22)；黑龍江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目 (GA15B401)

收稿日期：2015-12-03