4TWP—3型甜菜挖掘鋪放收獲機的研制

徐濤 劉春旭 朱炫銘

摘 要：甜菜是僅次于甘蔗的世界第二大產(chǎn)糖類作物，在我國種植區(qū)域主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江和河北等地。我國甜菜收獲方式以傳統(tǒng)人工收獲和分段式收獲為主。甜菜收獲機械化水平較低，存在著機具地域適應(yīng)性差、作業(yè)性能不達(dá)標(biāo)和聯(lián)合作業(yè)機型少等問題。該甜菜挖掘鋪放收獲機的研制成功減少了收獲步驟，提高了作業(yè)效率，提升了甜菜收獲過程的自動化、智能化水平。

關(guān)鍵詞：甜菜；減阻挖掘；鋪放；收獲機

中圖分類號：S223.94 文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.05.004

1 引言

甜菜是兩年生草本植物，具有耐低溫、耐干旱和耐鹽堿等特性，種植范圍一般在北緯40°～60°和南緯25°～35°之間的低溫地區(qū)，其種植面積占全世界糖料作物種植面積的48%，僅次于甘蔗。甜菜按照用途可分為糖用甜菜、葉用甜菜、食用甜菜和飼用甜菜4種。

甜菜作為糖類作物被大面積引種栽培在我國已經(jīng)有110多年歷史，種植區(qū)域主要在北緯40°以北的東北、華北和西北等地區(qū)。2016年全國甜菜總種植面積為1.66×105 hm2，其中：新疆占總播種面積的46.45%，內(nèi)蒙古占36.27%；甜菜總產(chǎn)量約為956.7萬t。近些年，在甜菜產(chǎn)業(yè)科研機構(gòu)和農(nóng)技推廣部門的共同努力下，我國在甜菜的品種選育、栽培模式制定等農(nóng)藝方面形成了一套比較成熟完備的種植模式及規(guī)范。我國甜菜的單位面積產(chǎn)量有了較大的提高，新疆地區(qū)單產(chǎn)已在54～57 t/hm2，接近發(fā)達(dá)國家先進水平。與此相比，我國甜菜生產(chǎn)全程機械化的發(fā)展明顯滯后，配套農(nóng)機裝備技術(shù)水平還很落后，尤其在甜菜收獲機具的研發(fā)和使用方面問題尤為突出[1～3]。國內(nèi)甜菜收獲以傳統(tǒng)人工收獲和分段式收獲兩種方式為主，存在著用工多、勞動強度大、作業(yè)效率低和收獲質(zhì)量差等問題，嚴(yán)重地影響和制約了我國甜菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[4]，因此，研制一種集多種功能于一體的智能化和自動化程度高的新型甜菜聯(lián)合收獲作業(yè)機成為當(dāng)務(wù)之急。

2 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

4TWP-3型甜菜挖掘鋪放收獲機與三點后懸掛的輪式拖拉機掛接使用。整機在前、后雙梁框架的結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上集成各功能部件和智能組件，一次進地即可完成甜菜振動減阻挖掘、莖土雜振動清選分離和塊根集條放鋪等項作業(yè)，輔以自動對行挖掘、智能轉(zhuǎn)換放鋪等電液控制功能，整機的自動化、智能化程度得到了顯著提升[3]。

根據(jù)甜菜挖掘鋪放收獲作業(yè)農(nóng)藝技術(shù)要求，結(jié)合甜菜塊根挖掘作業(yè)對機具結(jié)構(gòu)、配套動力和運輸狀態(tài)等方面的要求，該機掛接方式采用三點后懸掛的形式，具體機構(gòu)如圖1。收獲機在鉸接前后框架的基礎(chǔ)上，挖掘、清雜部件以機組中心對稱面兩側(cè)對稱布置，收獲行（壟）數(shù)為3 行，機組中間1套，兩側(cè)對稱各1 套完整的挖掘機構(gòu)。該機主要由對行組件、挖掘機構(gòu)、前后機架、傳動系統(tǒng)、支承輪、圍柵清選部件、集條放鋪裝置和液壓電控系統(tǒng)7個部分構(gòu)成。對行組件采用梳齒式結(jié)構(gòu)感知甜菜塊根橫向位置，將信號傳輸給控制單元；挖掘機構(gòu)采用犁刀式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)甜菜塊根的振動減阻挖掘工作；前后機架通過鉸接的方式連接，通過調(diào)整絲杠調(diào)整圍柵入土角度和深度；圍柵清選部件通過旋轉(zhuǎn)振動撞擊將喂入的塊根及土雜清選分離；集條放鋪裝置由側(cè)擋板和后擋板及液壓控制系統(tǒng)組成，根據(jù)作業(yè)方向自動調(diào)整塊根放鋪位置；支承輪起到限制作業(yè)深度的作用。

2.2 基本原理

進行甜菜塊根挖掘鋪放作業(yè)時，機組配套動力為404 kW以上輪式拖拉機。動力輸出軸接合轉(zhuǎn)速540 r/min，并接通后液壓輸出，機組邊行進邊入土。機具入土后作業(yè)速度控制在1～2 km/h之間，適應(yīng)行距60～70 cm。

自動對行機構(gòu)在機具的最前端，橫向位置處于每個挖掘部件左右挖掘犁刀的中間，接觸甜菜塊根后會判斷出與挖掘部件橫向位置差異，通過電控液壓機構(gòu)調(diào)整每個挖掘單元的橫向位置以達(dá)到自動對行的功能；挖掘部件為了減輕挖掘阻力采用機械振動的方式，振動源來自傳動機構(gòu)驅(qū)動振動曲柄加以實現(xiàn)。松動后的塊根及土雜被喂入到清雜圍柵和彈簧組成的封閉空間，通過圍柵的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦和撞擊清除塊根表面粘土及多余土雜[5～6]。根據(jù)不同的農(nóng)藝需要，甜菜塊根的集條放鋪位置是不同的，該功能是通過電控模塊按照預(yù)設(shè)好的程序并根據(jù)作業(yè)方向、速度參數(shù)的改變實現(xiàn)自動切換。

2.3 技術(shù)參數(shù)

甜菜挖掘鋪放收獲機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2.4 參數(shù)確定

（1）配套動力：該甜菜收獲機自重為1150 kg，配套拖拉機應(yīng)滿足在距離下懸掛點620 mm位置的最大液壓提升能力大于機具重量。在拖拉機的牽引能力方面，收獲機作業(yè)時其牽引阻力主要來自于3組塊根振動挖掘部件，參考國內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)，每個挖掘部件入土耕作阻力（含振動）需要消耗的動力一般在4.0～5.0 kW之間（根據(jù)作業(yè)速度、土壤堅實度和入土深度不同），該機共需要消耗動力在12.0～15.0 kW。機組作業(yè)時拖拉機橫跨2條壟，故選配拖拉機前后輪距應(yīng)在12～14 m之間。該機配套范圍動力拖拉機參數(shù)均符合上述要求。

（2）挖掘深度：甜菜塊根分為根頭、根莖、根體和尾根四部分，其中根體含糖量最高，直徑在10～25 cm，入土最深處可達(dá)35～45 cm。該甜菜收獲機每組挖掘部件左、右犁刀前端最大寬度為275 cm，可以保證全部甜菜塊根的挖掘喂入。根體最大直徑處一般處于地表下15～25 cm，挖掘部件入土深度滿足要求。

（3）作業(yè)速度：在滿足一定塊根挖掘損失率、含雜率和黏土率等性能指標(biāo)的前提下，盡可能降低功率消耗，提高挖掘效率，經(jīng)過多次試驗驗證，確定該機作業(yè)速度在1～2 km/h。

（4）其它：挖掘部件振動頻率為540 Hz，振動曲柄偏心±10 mm，挖掘犁刀前后振動幅度±50 mm。圍柵轉(zhuǎn)速為90 r/min，在滿足清雜質(zhì)量的同時盡可能減小塊根損傷率。

3 主要工作部件的設(shè)計

3.1 自動對行組件

自動對行組件由機械機構(gòu)和電控液壓部件組成，梳齒式仿形機械結(jié)構(gòu)與土壤及塊根接觸，橫向每隔11 mm均勻分布有一個仿形梳齒，中心對稱共計27個，用來感知塊根相對挖掘部件橫向位置。傳感器位置信號被傳遞到PLC模塊后，控制電磁閥以驅(qū)動液壓油缸帶動挖掘犁刀左右竄動，幅度±50 mm。該機械部分主要由外護罩、仿形梳齒、傳感器支架、梳齒轉(zhuǎn)動軸和聯(lián)接架等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

自動對行組件機械機構(gòu)共3組，每行（壟）中心對稱面左右各16片仿形梳齒及光電傳感器，間距11 mm，橫向覆蓋范圍291 mm，測試高度范圍0～12 cm。

3.2 振動挖掘組件

該組件由挖掘部件和振動機構(gòu)兩部分組成。挖掘部件是該機的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)性能和參數(shù)的優(yōu)劣直接影響到整機的挖掘質(zhì)量和工作效率。振動機構(gòu)動力來源于拖拉機后動力輸出軸，驅(qū)動三組凸輪式曲柄部件帶動挖掘部件做前后往復(fù)運動，以減小挖掘阻力，降低塊根損傷幾率，提高工作效率。

挖掘部件采用犁刀式挖掘組件形式，左右犁刀以每行中心面對稱左右分布，挖掘喂入口寬度28 cm，輸出口寬度8 cm，挖掘部件振動頻率540 Hz，振幅±5 cm。該部分主要由挖掘護板、挖掘犁刀、挖掘犁臂、回轉(zhuǎn)軸套和驅(qū)動柄等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)見圖3。

振動機構(gòu)采用機械驅(qū)動的形式，通過中間齒輪箱將扭矩輸送到左、右和中間凸輪驅(qū)動軸，凸輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生徑向位移，位移值±1 cm。該位移經(jīng)過驅(qū)動柄放大后傳遞給挖掘犁刀產(chǎn)生振動。該機構(gòu)主要由中間齒輪箱、萬向聯(lián)接軸、左右凸輪驅(qū)動軸、中間凸輪驅(qū)動軸及凸輪機構(gòu)組成，具體結(jié)構(gòu)見圖4。

3.3 清雜集條機構(gòu)

該部分主要由旋轉(zhuǎn)圍柵、圍柵側(cè)彈簧、集條側(cè)擋板、集條后擋板、后機架、蝸輪蝸桿傳動箱和后支腳組成，基本功能就是清除甜菜塊根附土及土雜，集條歸堆，具體結(jié)構(gòu)見圖5。其工作原理是將前部挖掘的甜菜塊根及土雜喂入到由旋轉(zhuǎn)圍柵和側(cè)圍柵彈簧組成的封閉空間，通過旋轉(zhuǎn)摩擦和振動清除土雜，清潔干凈的塊根根據(jù)不同的集條側(cè)、后擋板組合滿足不同集條需要。

旋轉(zhuǎn)圍柵直徑180 cm，回轉(zhuǎn)速度90 r/min，集條放鋪位置為兩種，一種是機組作業(yè)正后方，一種是機組作業(yè)右側(cè)部2 m左右，集條寬度1.2～1.5 m，集條高度30～50 cm，機組左右往復(fù)可將6壟甜菜塊根集于1條，便于后續(xù)撿拾裝運作業(yè)。

4 性能測試及結(jié)果

4.1 測試基本條件

田間性能測試地點為黑龍江省依安縣新發(fā)鄉(xiāng)，試驗地塊為黑壤土，地勢平坦，土壤含水率適中，無雜草殘茬覆蓋。收獲作業(yè)甜菜品種為進口KWS9412（單粒型），胸徑范圍在8～25 cm之間，已經(jīng)過打纓切頂作業(yè)。

配套拖拉機為東方紅LX904型輪式拖拉機，車況良好，機組作業(yè)速度在1.0～1.5 km/h之間。性能測試單位為黑龍江農(nóng)墾農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站，測試區(qū)間為3段，每段長度為50 m。

性能測試試驗方法依據(jù)《JB/T 6276-2007 甜菜收獲機械試驗方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對該機作業(yè)工藝的可行性及各項技術(shù)性能指標(biāo)進行性能試驗。

4.2 測試結(jié)果

根據(jù)第三方鑒定機構(gòu)田間性能測試記錄數(shù)據(jù)分析，課題主要指標(biāo)情況如表2所示。

綜合性能測試結(jié)果，該機各項指標(biāo)均達(dá)到了課題立項時對中期指標(biāo)的要求。主要存在問題是：①作業(yè)速度和效率有待進一步提高；②作業(yè)可靠性沒有得到充分試驗驗證。

5 結(jié)論

（1）整機可完成甜菜塊根類作物平作、壟作條件下的挖掘、清雜和集條作業(yè)。收獲質(zhì)量完全滿足《NY/T 1412-2007 甜菜收獲機作業(yè)質(zhì)量》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，符合甜菜挖掘鋪放的農(nóng)藝需要。

（2）該甜菜收獲機使用、調(diào)整和維修簡單方便，輔以智能功能部件，如自動對行功能可提高挖掘精度， 降低塊根損傷；振動減阻挖掘能減小挖掘阻力，提高挖掘速度和效率；集條位置自動切換提高智能化程度的同時降低人工勞動強度。該機的研制成功為甜菜挖掘鋪放收獲作業(yè)提供了優(yōu)質(zhì)的機具保證。

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