牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

萬(wàn)恩超，尚書旗，王東偉，何曉寧，劉曉東

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

馬鈴薯作為我國(guó)僅次于玉米、小麥、水稻的第四大糧食作物，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高、加工品類繁多、產(chǎn)業(yè)鏈條長(zhǎng)，是我國(guó)出口創(chuàng)匯的重要農(nóng)產(chǎn)品之一。收獲作為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)全程機(jī)械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，對(duì)馬鈴薯的存儲(chǔ)、生產(chǎn)再加工都有著極大的作用，直接決定著馬鈴薯質(zhì)量的好壞，而我國(guó)現(xiàn)有的馬鈴薯收獲機(jī)械多為分段收獲機(jī)械、半機(jī)械化收獲機(jī)械,以及中、小型的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)械，機(jī)械化水平較低，仍需要人工輔助來(lái)完成整個(gè)收獲過(guò)程。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)械產(chǎn)品類型多樣，主要是依靠引進(jìn)國(guó)外機(jī)械消化吸收，但由于自身的技術(shù)局限性、加工精度低，研制的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)械存在著結(jié)構(gòu)性能差、穩(wěn)定性低及適應(yīng)性差等要求，不適宜我國(guó)現(xiàn)有的馬鈴薯的種植模式以及收獲的農(nóng)藝特點(diǎn)。因此，研制一種適宜我國(guó)馬鈴薯種植模式下的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)是非常必要的，對(duì)于助推馬鈴薯主糧化意義深遠(yuǎn)。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

針對(duì)我國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的種植模式、農(nóng)藝特點(diǎn)，以及國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)械收獲質(zhì)量差、傷薯率高、明薯率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種牽引式的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，該機(jī)主要由主機(jī)架、牽引懸掛裝置、挖掘限深裝置、土薯分離裝置、秧草除雜裝置、升運(yùn)歸集裝置，以及平衡裝置構(gòu)成，如圖1所示。其一次性可以實(shí)現(xiàn)挖掘限深、土薯分離、輸送分離、秧草除雜以及果實(shí)輸送、匯集裝車等多項(xiàng)復(fù)雜工藝作業(yè)。

1.主機(jī)架 2.牽引懸掛裝置 3.挖掘限深裝置 4.土薯分離裝置 5.秧草除雜裝置 6.升運(yùn)歸集裝置 7.平衡裝置 8.液壓控制系統(tǒng)圖1 馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the potato combined harvester

該機(jī)采用多動(dòng)力輸出分級(jí)控制的方式為機(jī)具的正常運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)提供動(dòng)力，主要分為以下兩種：一是依靠拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出端通過(guò)鏈傳動(dòng)等方式為土薯分離、輸送分離及秧草除雜等作業(yè)過(guò)程提供動(dòng)力來(lái)源；二是依靠拖拉機(jī)的液壓輸出系統(tǒng)為挖掘限深裝置、升運(yùn)歸集裝置及平衡裝置提供動(dòng)力來(lái)源，有效避免了功率的消耗與浪費(fèi)。

1.2 工作原理

工作前，先通過(guò)液壓控制調(diào)節(jié)閥將升運(yùn)歸集裝置展開(kāi)到一定角度與位置。工作時(shí)，挖掘鏟以一定的入土角度挖掘入土，入土角度根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。首先通過(guò)鎮(zhèn)壓限深輥的壓實(shí)作用，由挖掘鏟從土壤里挖出薯塊，兩側(cè)的切草盤對(duì)位于壟內(nèi)外的馬鈴薯莖稈或雜草進(jìn)行分割；薯塊經(jīng)土薯分離裝置繼續(xù)向后輸送，在輸送的過(guò)程中進(jìn)行土薯的輸送分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)漏土作業(yè)。秧草除雜裝置的作業(yè)主要依靠后部的正反裝橡膠滾子及除雜機(jī)構(gòu)，薯塊通過(guò)后鋪的柵條落入位于機(jī)械后部的升運(yùn)歸集裝置；升運(yùn)歸集裝置由3級(jí)帶式輸送機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)調(diào)節(jié)此裝置的位置精確控制落薯的高度和位置。作業(yè)的過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件或者作業(yè)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)位于機(jī)具右側(cè)的平衡裝置，調(diào)節(jié)機(jī)具的重心，避免因機(jī)具的重心左右偏移而造成的安全事故，使機(jī)具作業(yè)更加安全、穩(wěn)定、可靠。該機(jī)械外形美觀、結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理且工作效率高，可用于在我國(guó)的馬鈴薯主要種植區(qū)域大面積推廣普及與應(yīng)用。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)

牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of potato combine havesters

2.1 挖掘限深裝置

挖掘是進(jìn)行收獲作業(yè)的第一步，挖掘限深裝置由挖掘鏟、鎮(zhèn)壓限深輥及液壓提升機(jī)構(gòu)組成，置于收獲機(jī)前端。刀鏟采用固定式組合刀鏟，能一次性完成兩壟馬鈴薯的聯(lián)合收獲，作業(yè)采用對(duì)行進(jìn)行收獲，動(dòng)力通過(guò)液壓缸實(shí)現(xiàn)前段挖掘鏟刀的提升與放下。挖掘限深裝置的液壓提升機(jī)構(gòu)的增加，便于控制作業(yè)時(shí)的深度及非工作狀態(tài)時(shí)的行走與移動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活。

2.2 土薯分離裝置

土薯分離裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要保證馬鈴薯向后輸送的效率以及土薯分離的程度大小，還要將馬鈴薯的破皮損傷程度降到最低。這一裝置設(shè)計(jì)的難題就是土薯的分離效果的好壞與傷薯率的高低不能保持統(tǒng)一。土薯分離效果好的裝置，必然會(huì)對(duì)馬鈴薯薯塊造成不同程度的機(jī)械損傷，而對(duì)薯塊機(jī)械損傷小的機(jī)構(gòu)或裝置，則土薯分離的質(zhì)量又不好。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是向上輸送的效果差。本次設(shè)計(jì)的直線柵條與折轉(zhuǎn)柵條的組合式輸送鏈排與振動(dòng)機(jī)構(gòu)的組合作用則有效解決了馬鈴薯向上輸送困難的問(wèn)題。組合柵條式輸送鏈排如圖2所示。

1.直線式柵條 2.折線式柵條 3.皮帶圖2 組合式柵條土薯分離裝置示意圖Fig2 The schematic diagram of combined grid strip tuber separation unit

2.3 平衡裝置

馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的外型龐大，特別是處于工作狀態(tài)時(shí)，升運(yùn)歸集裝置的3級(jí)升運(yùn)機(jī)構(gòu)的展開(kāi)幅度較大，高度約3m，寬度約7m，加上薯塊輸送過(guò)程中產(chǎn)生的流動(dòng)負(fù)荷，聯(lián)合收獲機(jī)的升運(yùn)集裝置的工作負(fù)荷大大增加，使馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的重心產(chǎn)生一定幅度的左右偏移，機(jī)具的穩(wěn)定性會(huì)大大降低，安全性也會(huì)有所下降。平衡裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是針對(duì)機(jī)具存在的這一缺陷進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)的，能夠有效地解決機(jī)具重心偏移的問(wèn)題，增加機(jī)具的穩(wěn)定性與安全性。平衡裝置是在基于液壓傳動(dòng)的基本原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具體措施是將右側(cè)的地輪支撐改為一定缸徑的油缸，通過(guò)液壓控制調(diào)節(jié)閥根據(jù)實(shí)際作業(yè)時(shí)機(jī)具重心的偏移程度調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮量，使機(jī)具的重心偏移程度始終保持在安全的范圍內(nèi)。平衡裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及使用大大增加了馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的穩(wěn)定性與安全性。

2.4 升運(yùn)歸集裝置

馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)大都采用鏈傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸，鏈傳動(dòng)雖具有傳動(dòng)平穩(wěn)牢固、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但傳動(dòng)過(guò)程太過(guò)復(fù)雜，本次設(shè)計(jì)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的方式帶動(dòng)3級(jí)升運(yùn)機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理清晰，比較容易實(shí)現(xiàn)。

升運(yùn)歸集裝置，由液壓缸控制折疊、展開(kāi)的3級(jí)升運(yùn)機(jī)構(gòu)組成，如圖3所示。

圖3 升運(yùn)歸集裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic diagram of the structure of the hoisting and transporting collection device

3級(jí)升運(yùn)機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)由拖拉機(jī)自身所具備的液壓輸出系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在基于液壓傳動(dòng)的基本原理的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)的3級(jí)升運(yùn)機(jī)構(gòu)的自重較大，加上正常運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)的工作負(fù)荷，且折疊與展開(kāi)幅度也較難以掌控，所以升運(yùn)歸集裝置的設(shè)計(jì)采用了基于液壓傳動(dòng)與電子感應(yīng)反饋相結(jié)合的自動(dòng)化控制技術(shù)，需要液壓缸缸徑與精確的流量計(jì)算才能夠?qū)崿F(xiàn)其靈活折疊與張開(kāi)。由于拖拉機(jī)的液壓輸出端口的個(gè)數(shù)有限，不足以用來(lái)實(shí)現(xiàn)馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的諸多功能與作業(yè)過(guò)程，所以在拖拉機(jī)液壓輸出端口連接了一個(gè)液壓分配調(diào)壓控制器，使各油路分支的液壓油管與相應(yīng)的液壓缸連接，通過(guò)液壓調(diào)節(jié)閥控制升運(yùn)機(jī)構(gòu)的張開(kāi)與復(fù)位的程度。

如圖4所示：拖拉機(jī)液壓輸出端與控制手柄間設(shè)有溢流閥，以保證供油充足，同時(shí)起保護(hù)作用。上側(cè)的兩個(gè)液壓缸控制升運(yùn)機(jī)構(gòu)的伸縮，并在供回油的油管間設(shè)有單向節(jié)流閥，防止升運(yùn)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)快速提升與回落；下側(cè)的液壓缸則是通過(guò)重力實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

圖4 馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)液壓系統(tǒng)示意圖Fig4 The schematic diagram of the hydraulic system of the potato combined harvester

圖4液壓馬達(dá)的液壓油路圖中設(shè)置有溢流閥起到保護(hù)作用，且設(shè)有調(diào)速閥，可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求控制升運(yùn)機(jī)構(gòu)輸送的快慢。驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

1.驅(qū)動(dòng)輪主板 2.焊接套 3.驅(qū)動(dòng)焊接齒 4.焊接附板圖5 驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.5 The design of the drive wheel structure

馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的流量-壓力輸出曲線，如圖6所示。由圖6可以看出：輸送帶傳動(dòng)作業(yè)時(shí)，馬達(dá)流量輸出比較平穩(wěn)，升運(yùn)速度比較均勻。

圖6 流量-壓力曲線Fig.6 The flow pressure curve

3 田間試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)備主要包括土壤硬度測(cè)量?jī)x、土壤水分測(cè)量?jī)x、米尺、秒表、電子秤、數(shù)字式高精度轉(zhuǎn)速表、拖拉機(jī)1臺(tái)(東方紅1304)及馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)樣機(jī)。

田間試驗(yàn)條件主要包括土壤硬度、含水量、馬鈴薯種植模式、生長(zhǎng)特性等，對(duì)明薯率、傷薯率、破皮率等衡量指標(biāo)造成較大影響。試驗(yàn)以種植的品種為荷蘭土豆為研究對(duì)象，種植模式為壟作，土壤硬度為103kPa，土壤含水量6.05%，株距20cm，行距80cm。

表2 馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)Table 2 Test data index of potato joint reaper

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在山東省青島市膠州市膠萊鎮(zhèn)大趙家村試驗(yàn)示范基地按照NY/T 1130-2006《馬鈴薯收獲機(jī)械》的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法進(jìn)行了田間試驗(yàn)，試驗(yàn)田環(huán)境良好，地勢(shì)平坦，土壤濕度、硬度適中,配套動(dòng)力為東方紅1304。試驗(yàn)時(shí)先對(duì)馬鈴薯的薯秧進(jìn)行殺秧作業(yè)，為減少薯秧、雜草等對(duì)馬鈴薯收獲質(zhì)量的影響，在收獲前1周進(jìn)行殺秧作業(yè)。樣機(jī)試驗(yàn)效果良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

3.3 存在問(wèn)題

1)設(shè)計(jì)的馬鈴薯聯(lián)合收獲雖能基本完成整個(gè)收獲作業(yè)過(guò)程，但由于自身技術(shù)的局限性及加工精度低，個(gè)別零部件件雖能滿足作業(yè)需求，但可靠性較低、實(shí)用性較差，需作出進(jìn)一步的設(shè)計(jì)改善，增加機(jī)具的可靠性、實(shí)用性。

2)設(shè)計(jì)的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)能完成聯(lián)合收獲作業(yè)，沒(méi)有出現(xiàn)薯土摻雜的現(xiàn)象；但在考慮到馬鈴薯收獲質(zhì)量的情況下，可能會(huì)因土壤因素等條件的制約，輸送帶會(huì)對(duì)馬鈴薯收獲質(zhì)量產(chǎn)生影響，將進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加漏土作業(yè)功能，進(jìn)一步提升收貨質(zhì)量。

3)馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)較龐大，需要配套大型動(dòng)力拖拉機(jī)(匹配液壓油路輸出)牽引作業(yè)，可以考慮在不影響作業(yè)質(zhì)量的前提下，將其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

1)研制了一種牽引式兩壟四行馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，可一次性完成挖掘限深、土薯分離、秧草除雜、果實(shí)輸送匯集裝車等多項(xiàng)工藝聯(lián)合作業(yè)。

2)升運(yùn)歸集裝置采用基于電子感應(yīng)反饋與液壓控制技術(shù)的集成，智能化程度高。采用單獨(dú)的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，有效避免了功率浪費(fèi)，安全、可靠。前段機(jī)架可升起與放下，操作靈活，可滿足不同農(nóng)藝作業(yè)要求。

3)平衡裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，能夠增加機(jī)具的穩(wěn)定性；土薯分離裝置采用組合式柵條輸送鏈排，提高了薯塊向后輸送的效率，更好地實(shí)現(xiàn)了漏土作業(yè)，大大提高了工作效率。

4)田間試驗(yàn)表明：該機(jī)作業(yè)效果良好，能夠較好地完成馬鈴薯的聯(lián)合收獲作業(yè)，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)滿足農(nóng)藝要求與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。