白蘿卜收獲機(jī)挖掘鏟參數(shù)的設(shè)計(jì)

周國(guó)龍,張晉國(guó),王洪偉,顧旭彪，楊　進(jìn)，劉利坤

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定　071001)

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白蘿卜收獲機(jī)挖掘鏟參數(shù)的設(shè)計(jì)

周國(guó)龍,張晉國(guó),王洪偉,顧旭彪，楊進(jìn)，劉利坤

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定071001)

摘要：針對(duì)我國(guó)白蘿卜人工收獲效率低、成本高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出專用的白蘿卜挖掘鏟。工作時(shí)，第1步通過(guò)挖掘鏟破壞白蘿卜與土壤的接觸力，使白蘿卜與土壤分離，第2步由人工撿拾裝袋進(jìn)而完成白蘿卜收獲的全過(guò)程。通過(guò)建立挖掘鏟的幾何模型確定了入土角α、鏟面長(zhǎng)度L、鏟面寬度A和后端面高度h。 該挖掘裝置采用后懸掛牽引的方式挖掘白蘿卜，使白蘿卜的收獲效率大大提高，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、成本低，具有極其廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：收獲裝置；挖掘鏟；蘿卜

0引言

蘿卜已經(jīng)是我國(guó)主要蔬菜品種之一，種植范圍覆蓋全國(guó)各地。尤其是在張家口壩上地區(qū)，因自然條件優(yōu)越，生產(chǎn)的蘿卜色澤鮮亮、水分足、口感好，不易糠心、營(yíng)養(yǎng)豐富、商品性好，因此成為出口市場(chǎng)的搶手貨。近幾年，蘿卜出口量呈現(xiàn)穩(wěn)定的遞增趨勢(shì)，種植出口蘿卜經(jīng)濟(jì)效益很好；但目前的白蘿卜收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)笨重、構(gòu)件布局不合理，工作時(shí)易傷根、傷皮，且與我國(guó)現(xiàn)有的農(nóng)藝要求不匹配。以張北壩上地區(qū)為例，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶在蘿卜收獲期完全采用人工收獲，要完成蘿卜松土、拔起、撿拾、裝袋、裝車等5大環(huán)節(jié)，并且每一環(huán)節(jié)勞動(dòng)強(qiáng)度都很大，因此當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶迫切需要1臺(tái)白蘿卜收獲機(jī)。

成熟的蘿卜長(zhǎng)達(dá)25~40cm，重達(dá)0.5~1kg，給收獲造成了一定難度。 目前，蘿卜收獲還未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，全靠人工拔取。勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。青壯年勞動(dòng)力，每天收獲約2 500kg。蘿卜最佳收獲期僅3~5天。國(guó)外早于我國(guó)對(duì)塊根類收獲機(jī)進(jìn)行研制：美國(guó)19世紀(jì)30年代起步研究塊根拔取式樣機(jī)；日本20世紀(jì)90年代開(kāi)始研制塊根類機(jī)械，如ISEKI、YANMAR等農(nóng)業(yè)機(jī)械公司研制出自走式蘿卜收獲機(jī)，這些蘿卜收獲機(jī)能夠完成單行或多行的收獲[1]。雖然以上收獲機(jī)能夠滿足國(guó)外的農(nóng)藝要求，但與國(guó)內(nèi)的農(nóng)藝要求不相符。國(guó)外種植面積較大，行距較寬；而國(guó)內(nèi)相對(duì)都是小片區(qū)域，行距也偏小，因此這些白蘿卜收獲機(jī)不適合國(guó)內(nèi)農(nóng)藝要求。

目前，白蘿卜收獲依靠人工收獲存在多種缺點(diǎn)：效率低、成本高、破損率高、收凈率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，這些收獲缺點(diǎn)給人工收獲帶來(lái)巨大問(wèn)題。張北壩上地區(qū)農(nóng)戶每到收獲期本該興高采烈，但因?yàn)槿斯な斋@難成為了他們?cè)谑斋@時(shí)頭疼的問(wèn)題。因此，研究設(shè)計(jì)一種適合我國(guó)農(nóng)藝要求，可以減少勞動(dòng)力、提高收獲效率、節(jié)約成本，具有重要意義。

1蘿卜收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1　國(guó)外蘿卜收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀

1937年，拔取式收獲機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)在美國(guó)首次問(wèn)世，其由美國(guó)斯闊特·瓦伊涅耳公司研制，該公司同時(shí)研制出塊根類聯(lián)合收獲機(jī)[2-3]。

1959-1966年，近7年的時(shí)間，全蘇農(nóng)機(jī)制造科研所和農(nóng)機(jī)制造企業(yè)投入巨大人力、財(cái)力、物力，在塊根類作物的收獲機(jī)的研制并且取得了巨大的研究成果和廣闊的市場(chǎng)，YKUI-1型單行拔取式塊根收獲機(jī)研制成功[2-3]。

Weremczuk公司生產(chǎn)的拔取式胡蘿卜收獲機(jī)，如圖1所示。

圖1　單行胡蘿卜收獲機(jī)

胡蘿卜收獲鏟后懸掛于拖拉機(jī)上，由3組傳送帶將胡蘿卜運(yùn)送到與作業(yè)拖拉機(jī)配套使用的儲(chǔ)料箱內(nèi)。ASA-FILT公司研究的單行拔取式胡蘿卜收獲機(jī)主要機(jī)型有CM-1000、CM-1000E(見(jiàn)圖2)等胡蘿卜聯(lián)合收獲機(jī)，并打開(kāi)了廣闊的國(guó)際市場(chǎng)。

圖2　CM-1000胡蘿卜收獲機(jī)

1.2　國(guó)內(nèi)蘿卜收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀

我國(guó)在胡蘿卜收獲機(jī)械方面的研究起步較晚。近幾年,胡蘿卜在機(jī)械化收獲方面只是借助現(xiàn)有農(nóng)機(jī)具在胡蘿卜側(cè)面進(jìn)行松土,然后人工拔取,最后進(jìn)行切櫻處理裝袋。該收獲方式存在工序多、能耗高、勞動(dòng)量大及經(jīng)濟(jì)成本高等問(wèn)題,不能滿足我國(guó)現(xiàn)有胡蘿卜規(guī)?；N植的要求。

我國(guó)白蘿卜的收獲主要以人工收獲為主，盡管有些地區(qū)已采用機(jī)械化，但全是半機(jī)械化，主要是借用現(xiàn)有的松土鏟對(duì)白蘿卜周圍的土壤松動(dòng)，再由人工拔??；但因現(xiàn)有松土鏟存在諸多問(wèn)題，無(wú)法滿足當(dāng)今的白蘿卜規(guī)?；a(chǎn)的農(nóng)藝要求。

白蘿卜機(jī)械化收獲仍處于初始化階段。雖然白蘿卜收獲機(jī)械在不斷快速發(fā)展，但由于研究設(shè)計(jì)起步晚、技術(shù)水平不高，還處于中小型懸掛式集條鋪放收獲機(jī)的研制推廣階段，所研制收獲機(jī)具無(wú)論在技術(shù)方面還是可靠性方面還不理想。

2蘿卜收獲鏟原理分析

2.1　設(shè)計(jì)原理

蘿卜地下生長(zhǎng)部分長(zhǎng)度不一，約從18~35cm分布，如圖3所示。其種植模式為壟作點(diǎn)播，壟距 60cm，壟高12 cm，壟頂寬度 20cm，壟臺(tái)坡度 < 67°，株距20~25cm，如圖4所示。松土過(guò)程中不能損傷蘿卜，且要求松土充分，使蘿卜拔取時(shí)所受阻力最小，避免折斷。

2.2　松土鏟鏟頭類型

目前的松土鏟鏟頭類型多種多樣，各有利弊，適用情況各異，但沒(méi)有完全適合給白蘿卜松土的鏟頭。我國(guó)目前沒(méi)有給出白蘿卜松土的鏟頭標(biāo)準(zhǔn)，主要是借鑒現(xiàn)有的深松機(jī)的深松鏟和塊根類作物的鏟頭類型[4]。例如，馬鈴薯收獲機(jī)的松土鏟是由三角形平面組成，通過(guò)松土鏟松土將挖絕物與土壤分離，再由傳送帶傳送到空地上[5-6]。由于白蘿卜收獲機(jī)只需要在白蘿卜的兩側(cè)松土，和馬鈴薯收獲機(jī)有明顯不同，并沒(méi)有使用松土鏟將馬鈴薯從土壤中完全鏟出，所以不能直接應(yīng)用馬鈴薯的鏟頭，只能改進(jìn)為適應(yīng)白蘿卜松土鏟的鏟頭。另外，深松機(jī)的鏟頭類型各異，作用不同，主要有雙翼型、箭型、鑿型3種，如圖5~圖7所示。

圖3　張北蘿卜

圖4　蘿卜壟

圖5　雙翼形深松鏟 　　　　　　　圖6　箭形深松鏟

圖7　鑿形深松鏟

2.3　工作原理

該機(jī)與拖拉機(jī)配套使用，采用三點(diǎn)懸掛連接于機(jī)架之上，由拖拉機(jī)后輸出軸提供動(dòng)力，能夠帶動(dòng)挖掘鏟沿拖拉機(jī)牽引方向前進(jìn)，并能提升和降低挖掘鏟，從而改變?nèi)胪辽疃?。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，由限深輪、挖掘鏟和鏟座等部分組成。工作時(shí)，挖掘鏟隨著拖拉機(jī)牽引逐漸入土，最終達(dá)到入土深度要求，此時(shí)拖拉機(jī)沿直線行進(jìn)且保持挖掘鏟的深度不變。白蘿卜挖掘鏟裝配，如圖8所示。

1.懸掛頭架　2.鏟座　3.挖掘鏟　4.橫梁

3主要工作部件及工作參數(shù)

3.1　機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架采用普通結(jié)構(gòu)鋼材料，由60mm方形鋼管焊接而成，且結(jié)果簡(jiǎn)易，整體來(lái)看是一個(gè)矩形梁，如圖9所示。其由橫梁、縱梁以及懸掛機(jī)構(gòu)等部分組成，機(jī)架與拖拉機(jī)后輸出軸直接相連接，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)改變方向和轉(zhuǎn)速；驅(qū)動(dòng)挖掘鏟逐漸入土，最終達(dá)到需要的深度開(kāi)始作業(yè)。

3.2　挖掘鏟設(shè)計(jì)

挖掘鏟由鏟柄、鏟板和鏟尖3部分構(gòu)成，鏟尖和鏟板焊接在鏟柄的側(cè)面上，如圖10所示。

1.懸掛頭架　2.橫梁　3.縱梁　4.鏟座

圖10　白蘿卜挖掘鏟

3.3　白蘿卜挖掘鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

如圖11所示：五邊形平面鏟的主要參數(shù)有:入土角α、鏟面長(zhǎng)度L、鏟刃斜角β、鏟面寬度A和鏟后端高度h等。

圖11　挖掘鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3.1　入土角α

入土角即是挖掘鏟鏟面與水平面之間的夾角，對(duì)挖掘鏟能否以最佳形式入土有著至關(guān)重要的作用。其不但對(duì)入土性能有影響，而且對(duì)挖掘阻力也有影響。使鏟面順利后移的條件是P≥G·tan(α+φ)[7-13]。其中，P是挖掘阻力(使土壤沿鏟面掘起所需要的力)，G是挖掘鏟鏟面上所覆蓋土壤的重力。該公式顯示出挖掘阻力與入土角α和摩擦角φ成正相關(guān)的函數(shù)關(guān)系。增大入土角，挖掘阻力會(huì)隨即增大，減少入土角，挖掘阻力就會(huì)隨即減小。因此，入土角應(yīng)適宜，入土角不應(yīng)太大也不應(yīng)太小：太大挖掘阻力也太大，耗費(fèi)拖拉機(jī)功率；太小不易入土，造成挖掘深度變淺，達(dá)不到深度要求。另外，考慮到不同的土壤的性質(zhì)對(duì)入土角也有一定影響，理論和實(shí)踐共同表明入土角通常設(shè)定為20°～30°[7-13]。

入土角是挖掘鏟的重要參數(shù)，是挖掘鏟是否能夠正常入土確保蘿卜完好的關(guān)鍵因素。位于鏟面上的土壤受力情況如圖12所示。

圖12　鏟面受力分析

利用達(dá)朗伯原理，為使土壤能夠后移，應(yīng)滿足

Pcosα-f-Gsinα≥0

K-Gcosα-psinα=0

f=Kμ

式中P—挖掘阻力；

K—白蘿卜挖掘鏟對(duì)土壤的反作用力；

f— 鏟面與土壤的摩擦力；

G—掘起物的重力；

α—白蘿卜挖掘鏟的入土角；

μ—土壤對(duì)鏟的摩擦因數(shù)，μ=tgφ，φ為掘起物與鏟面之間的摩擦角。

3.3.2鏟面長(zhǎng)度L

鏟面長(zhǎng)度對(duì)蘿卜的松土效果有著重要作用，是指從挖掘鏟鏟尖頂端a點(diǎn)到b點(diǎn)的直線長(zhǎng)度，有

4鏟尖受力分析

本課題設(shè)計(jì)的鏟尖形狀是一個(gè)五邊形，兩個(gè)對(duì)稱的且平行的短邊中一邊與鏟柄連接。為了計(jì)算抬土高度，選取從鏟尖頂端O到末端B且與鏟尖末端垂直的一條直線OB作為三角形OBD的一條斜邊，和已知的23°(鏟面與水平面的夾角)，由圖13計(jì)算出抬土高度H。已知OC=115mm、AC=100mm由三角形勾股定理得

=165.8mm

根據(jù)實(shí)際要求蘿卜挖掘鏟在蘿卜根以下深度不小于50mm，才能保證蘿卜較完整的與土壤分離，而最終計(jì)算得出抬土高度為64.7mm，明顯看出64.7mm>50mm,因此該蘿卜挖掘鏟可以較好入土，并能將蘿卜與土壤分離，分離后保證了蘿卜的完好。

圖13　三角形OBD和鏟尖平面圖

5結(jié)論

1)通過(guò)建立挖掘鏟的幾何和受力分析模型確定了挖掘鏟的入土角23°，鏟面長(zhǎng)度165.8mm，鏟面寬度109mm，計(jì)算出了后端面高度64.7mm。

2)根據(jù)3種鏟尖的對(duì)比分析確定本蘿卜收獲機(jī)的鏟尖形狀和尺寸。

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Radish Harvester Design and Finite Element Analysis of Digging Shovel

Zhou Guolong, Zhang Jinguo, Wang Hongwei, Gu Xubiao, Yang Jin, Liu Likun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei,Baoding 071001,China)

Abstract：In this paper,radish China reaped by low efficiency and high cost problem, design a special green radish digging shovel.First step by digging shovel destroy the radish and the contact force of the soil, radish, separating from the soil, the second step by artificial collecting bag and then finish the whole course of radish harvest.By establishing a geometric model of the digging shovel capacity determines the angle of alpha,the shovel length L and width of the shovel a and the back face height h.Suspension traction after the mining device adopts the way of mining radish, make green radish harvest efficiency is greatly raised, device has the advantages of simple structure, low cost, has the extremely broad market application scenario.

Key words：harvesting device；digging shovel；radish

中圖分類號(hào)：S225.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0094-05

作者簡(jiǎn)介：周國(guó)龍 (1989-)，男，石家莊人，碩士研究生，(E-mail)2267375333@qq.com。通訊作者：張晉國(guó)(1957-)，男，石家莊人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail) zhangjinguo@hebau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)( 農(nóng)業(yè)) 科研專項(xiàng)(201103003)

收稿日期：2015-09-06