改進(jìn)型南方馬鈴薯收獲機具的設(shè)計

熊平原，王　毅，林弘覺，陳海東，劉少達(dá)

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機電工程學(xué)院， 廣州　510225)

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改進(jìn)型南方馬鈴薯收獲機具的設(shè)計

熊平原，王毅，林弘覺，陳海東，劉少達(dá)

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機電工程學(xué)院， 廣州510225)

摘要：針對引進(jìn)的北方機型收獲南方馬鈴薯工作中出現(xiàn)明薯率低、挖掘阻力大、土壤壅堵，以及仍需人工撿拾等問題，設(shè)計了一種改進(jìn)型南方馬鈴薯收獲機具。該機具包含振動挖掘鏟、抖動分離機構(gòu)、升運機構(gòu)和集薯器等，可一次完成挖掘、薯土分離、升運及裝袋等作業(yè)工序。田間試驗表明：改進(jìn)后的機具在動力消耗、土壤壅堵、收獲效率及減輕勞動強度等方面有明顯提高，具有推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：南方馬鈴薯；收獲機具；改進(jìn)

0引言

馬鈴薯又叫土豆、洋芋，是茄科茄屬一年生草本植物，糧菜兼用，營養(yǎng)全面，適應(yīng)性廣，是世界上僅次于小麥、水稻、玉米之后的第四大糧食作物。大力發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)，在保障全球糧食安全、避免能源危機及消除貧困中具有十分重要的作用。我國是馬鈴薯種植和消費大國，2013 年我國馬鈴薯種植面積達(dá)561.46萬hm2，產(chǎn)量1 918.8萬t，位居世界首位[1]。全國馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)在北方，而產(chǎn)值卻集中在南方，冬種馬鈴薯是我國南方地區(qū)冬季的主要經(jīng)濟作物之一[2]。馬鈴薯種植的農(nóng)藝環(huán)節(jié)中，收獲是確保增產(chǎn)增收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，時間緊，耗工多。傳統(tǒng)南方馬鈴薯收獲以人工為主，人力挖掘、除土、撿拾、裝袋，效率低、成本高、耗時長，無法快速響應(yīng)市場需求。近年來，廣東省農(nóng)業(yè)機械化管理部門積極推進(jìn)南方馬鈴薯機械化收獲，從機械化相對成熟的北方地區(qū)引進(jìn)多臺馬鈴薯收獲機具，如青島洪珠農(nóng)業(yè)機械有限公司的4U-83和山東濰坊大眾機械有限公司的4UC-800機型，在實際推廣中存在一些問題：①北方多為旱地，土壤濕度小，收獲質(zhì)量高；而南方土質(zhì)濕度較大，明薯率較低，收獲質(zhì)量較低。②南方土壤挖掘后，容易成塊狀，不松散，極易堵塞在挖掘鏟部位，形成土壤壅堵現(xiàn)象。③采用固定式挖掘鏟，牽引阻力和牽引功耗大，小型拖拉機往往無法帶動機器工作，或容易在田間卡死，通常需要29.4kW以上的中型拖拉機帶動才比較順暢，無法滿足南方小型化作業(yè)需求。④薯土分離后，仍需人工撿拾、裝袋，生產(chǎn)效率低，人工成本高。因此，克服現(xiàn)有機型缺點，研制出適合南方種植環(huán)境的馬鈴薯收獲機具，成為市場迫切需求。

1整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1作業(yè)要求

南方冬種馬鈴薯以冬閑農(nóng)田、耕層深厚的砂壤土質(zhì)種植為主，起壟作畦，雙行種植,畦面寬為850～900mm，溝寬250mm，畦高250mm，播種深度50～80mm[3]。新型冬種馬鈴薯收獲機要完成挖土、薯土分離、輸送、裝袋等工序，相對傳統(tǒng)機型，要求整機結(jié)構(gòu)輕巧、挖掘阻力小、分離效果好且能完成自動裝袋。依據(jù)NY/T馬鈴薯收獲機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，機具作業(yè)要求為：明薯率≤96%，傷薯率≤2%，含雜率≤4%。

1.2整體結(jié)構(gòu)

改進(jìn)型南方馬鈴薯收獲機主要包括三點懸掛裝置、減速器、薯土分離裝置、升運機構(gòu)、集薯器、機架、地輪、皮帶傳動及振動挖掘鏟機構(gòu)等部分，如圖1所示。在此，重點對挖掘鏟、薯土分離器及馬鈴薯自動裝袋進(jìn)行了改造。

1.3工作原理

機具采用拖拉機后置三點懸掛安裝，行走動力由拖拉機拉力提供，工作動力由拖拉機馬達(dá)輸出。工作時，拖拉機馬達(dá)通過萬向軸與機具減速器相連，一方面輸出到振動鏈，帶動挖掘鏟往復(fù)振動，挖掘鏟深入土壤底層，將土壤和薯塊拱起，薯土順著鏟壁向后移動，進(jìn)入薯土分離裝置；另一方面輸出到薯土分離裝置，分解成兩部分，左邊傳遞到橡膠輪，帶動分離鏈從下往上運動，右邊傳遞到抖動輪，使分離鏈規(guī)律抖動，實現(xiàn)薯土分離；干凈薯塊移動到分離裝置末端，進(jìn)入升運機構(gòu)，通過集薯器進(jìn)行裝袋操作。

1.三點懸掛裝置　2.減速器　3.分離帶傳動系統(tǒng)　4.升運帶傳動系統(tǒng)

2關(guān)鍵零部件設(shè)計

2.1振動鏟設(shè)計

2.1.1鏟結(jié)構(gòu)特點

挖掘鏟是機具改進(jìn)的關(guān)鍵部位[4]，為減小挖掘阻力、減輕壅堵現(xiàn)象，本設(shè)計挖掘鏟由鏟尖、鏟中板、鏟后柵條、機架連接位及擺桿連接位等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。鏟尖為仿漸開線形，過渡相對光滑，土壤剪切阻力?。荤P中板上焊機擺桿連接位，整體強度高，不易變形；鏟尾采用柵條狀可減輕鏟質(zhì)量，減少與土壤接觸，降低阻力，方便排土。

1.鏟尖　2.擺桿連接位　3.鏟中板　4.機架連接位　5.鏟后柵條

2.1.2參數(shù)設(shè)計

南方冬種馬鈴薯多以雙行農(nóng)藝種植，壟寬為850～900mm，故L取900mm；冬種馬鈴薯三維尺寸在37～100mm之間[5]，為保證薯塊不從柵條間距中掉落，c取35mm為宜；振動鏟寬度m和挖掘深度h與鏟傾角α有關(guān)[6]，挖掘過程中土壤受力分析如圖3所示。

由土壤靜力學(xué)分析得

Fcosα-f-Gsinα=0

N-Gcosα-Fsinα=0

f=Nμ

(1)

其中，F(xiàn)為土壤挖掘力；G為土塊重力；N為土塊所受正向力；f為摩擦力；μ為土壤與鏟面摩擦系數(shù)；α為鏟面傾角。

(2)

當(dāng)挖掘鏟實際傾角α1<α<φ(土壤對鏟體的摩擦角)時，不會發(fā)生壅土現(xiàn)象，φ∈(22°，45°)。由于南方土壤濕潤，黏性大，故α1取30°；南方馬鈴薯挖掘深度h一般取200mm，則挖掘鏟寬度m為

圖3　挖掘土壤受力分析圖

2.2薯土分離裝置設(shè)計

2.2.1結(jié)構(gòu)特點

薯土分離裝置由驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、支撐輪、分離鏈、抖動輪、鏈桿等組成，如圖4所示。馬鈴薯塊和土壤進(jìn)入該裝置后，由分離鏈帶動向后輸送，同時抖動輪不斷撞擊分離鏈，將土塊抖小、抖松，使之與薯塊分離，土塊從鏈桿間隙落入地面，干凈薯塊保留在分離鏈上，實現(xiàn)薯土分離。

1.導(dǎo)向輪　2.分離鏈　3.下支撐輪

2.2.2參數(shù)設(shè)計

分離篩網(wǎng)的有效寬度和長度影響著薯土混合物的分離效果：太長雖增加攤開面積，但能耗和成本提高；太短則分離不充分。由于南方雙行種植，故篩網(wǎng)寬度取900mm、長度取1 000mm為宜；南方土質(zhì)含水率較高，集結(jié)成坨，充分考慮薯土混合物對鏈桿的壓力，取鏈桿直徑為12mm；鏈桿間距由馬鈴薯最小三維尺寸決定，一般冬種馬鈴薯最小尺寸為37mm，則算出鏈桿間距為49mm。

2.3升運機構(gòu)設(shè)計

2.3.1結(jié)構(gòu)特點

升運機構(gòu)由主動鏈輪、從動鏈輪、鏈條、擋板、支撐桿及連桿等組成，如圖5所示。馬鈴薯從分離裝置末端進(jìn)入升運機構(gòu)，薯塊擱置在支撐桿上，連桿阻止其滑落，由鏈條帶動提升到頂端，通過集薯器進(jìn)行裝袋操作。升運機構(gòu)有效提升高度為840mm，寬度800mm。

1.主動鏈輪　2.升運鏈　3.擋板

2.3.2參數(shù)設(shè)計

進(jìn)入升運機構(gòu)的物料經(jīng)過前期薯土分離，土壤含量少，后續(xù)將薯塊運送到收集裝置的集薯器，故支撐桿直徑可取小值8mm；為保護薯皮不被損傷，外加厚度為1mm的橡膠保護套；升運機構(gòu)連桿安裝在鏈條上，防止提升過程中薯塊掉落，因此設(shè)計時應(yīng)考慮鏈條節(jié)距P和薯塊最小尺寸兩個因素，其連接示意圖如圖6所示。同支撐桿一致，連桿直徑d1取8mm，外加1mm的橡膠保護套，故d=d1+2=10mm。鏈條節(jié)距P的初始計算公式為

L=2P=d+L1

(3)

選取型號為12A的鏈條，其實際節(jié)距P為19.05mm。修正后的L1計算結(jié)果為

L1=L-d=2P-d=28.1mm

兩連桿之間的實際間隙小于馬鈴薯最小尺寸37mm，故設(shè)計合理。

圖6　連桿連接示意圖

2.4主要性能指標(biāo)

試驗地為廣東省惠州市鐵涌鎮(zhèn)馬鈴薯種植基地，天氣多云，薯種為粵引85-38。樣機經(jīng)現(xiàn)場試驗及田間測試，各項性能指標(biāo)如表1所示。改進(jìn)后的機具在動力消耗、土壤壅堵、收獲效率、減輕勞動強度等方面有明顯改善。

表1　性能指標(biāo)

3結(jié)束語

1)針對南方馬鈴薯種植特點，設(shè)計出一種改進(jìn)型馬鈴薯收獲機具，主要包括振動鏟機構(gòu)、抖動分離裝置和升運機構(gòu)，能一次完成挖掘、分離、輸送和裝袋等作業(yè)工序。

2)田間試驗表明：改進(jìn)后的機具在動力消耗、土壤壅堵、收獲效率及減輕勞動強度等方面有明顯改善，具有推廣應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司.農(nóng)作物數(shù)據(jù)庫[EB/OL].(2014-01-01).http://202.127.42.157/moazzys/nongqing.aspx．

[2]袁繼平，胡成來，肖軍委,等．廣東冬種馬鈴薯產(chǎn)業(yè)存在問題及發(fā)展建議[J]．廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009(8):369-370．

[3]彭王棟，何立波，翁曉華,等．惠州冬種馬鈴薯生產(chǎn)特點及優(yōu)質(zhì)高效栽培技術(shù)[J]．廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008(6):32-34．

[4]戴飛，楊杰，趙武云,等．振動式階梯鏟狀馬鈴薯挖掘機作業(yè)性能試驗[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014，32(3):263-266．

[5]熊平原，袁繼平，肖軍委,等．南方冬種馬鈴薯分級機結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]．仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報，2011，24(2):61-63．

[6]鄭德聰，趙美香，陳恭良,等．4SB-800型半夏收獲機的設(shè)計[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(10):141-143．

Improved Design of Southern Potato Harvester

Xiong Pingyuan， Wang Yi， Lin Hongjue， Chen Haidong， Liu Shaoda

(Department of Mechanic and Electronic Engineering, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

Abstract：Aimed at the existing problems in harvesting southern potato with harvesters introduced from north, such as low obvious rate, high digging resistance,soil clogging and artificial gathering,an improved southern potato harvester was designed in this paper. The device included vibration type digging shovel, oscillating separation mechanism, elevating mechanism and potato collector, it was able to finish multi-operation once, as digging, separating, lifting and collecting.The field tests showed that improved harvester had higher capability in power consumption, avoiding soil clogging, harvesting efficiency, reducing labor intensity, and so it had application value.

Key words：southern potato; harvester; improved design

文章編號：1003-188X(2016)06-0159-04

中圖分類號：S225.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：熊平原(1983-)，男，湖北大悟人，助理研究員，碩士，(E-mail)xpy020@163.com。通訊作者：王毅(1976-)，男，湖南雙峰人，副教授，博士，(E-mail)wangyi168_2001@163.com。

基金項目：廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(1134713009)；廣東省農(nóng)業(yè)廳扶持農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展專項 (粵財農(nóng)[2012]608 號)；廣東省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)專項(2013B020313006)

收稿日期：2015-05-25