復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)設(shè)計(jì)

馬永龍，楊術(shù)明，李茂強(qiáng)，王乾，柯澤榮

(1.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.北方民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750030)

馬鈴薯產(chǎn)業(yè)已成為發(fā)展寧夏南部山區(qū)經(jīng)濟(jì)、增加農(nóng)民收入的支柱產(chǎn)業(yè)之一，今后有望發(fā)展成為對(duì)促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和增加農(nóng)民收入具有重大作用的戰(zhàn)略性主導(dǎo)產(chǎn)業(yè).2020年，寧夏全區(qū)馬鈴薯種植面積約11.3×104hm2，其中，寧夏南部山區(qū)馬鈴薯種植面積達(dá)到8.6×104hm2，占全區(qū)馬鈴薯總種植面積的76.1%.西吉縣還成為中國(guó)馬鈴薯種植面積第一縣，建成全國(guó)首家綠色馬鈴薯標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)基地[1].寧夏馬鈴薯種植區(qū)域復(fù)雜，特別是山地、丘陵、梯田等小地塊馬鈴薯種植區(qū)域，這些地區(qū)馬鈴薯機(jī)械化收獲水平偏低，有些地區(qū)的馬鈴薯種植戶仍然采用傳統(tǒng)的人工挖掘的方式收獲馬鈴薯，嚴(yán)重地制約了馬鈴薯收獲機(jī)械化水平的提高[2].這些地區(qū)一方面馬鈴薯機(jī)械化收獲十分困難，地塊小而散，一般大中型馬鈴薯收獲機(jī)很難進(jìn)入這些地區(qū)進(jìn)行作業(yè)，另一方面該地區(qū)馬鈴薯種植戶經(jīng)濟(jì)水平有限，大中型馬鈴薯收獲機(jī)械價(jià)格偏高，增加了馬鈴薯種植戶的經(jīng)濟(jì)壓力.

發(fā)達(dá)國(guó)家的馬鈴薯收獲機(jī)械研究起步早，發(fā)展技術(shù)水平高，近年來(lái)融入了諸多新技術(shù)，使得馬鈴薯收獲機(jī)械化、自動(dòng)化水平大幅提升[3-4].典型機(jī)型有：德國(guó)格力莫公司生產(chǎn)的GT-170型馬鈴薯收獲機(jī)、比利時(shí)AVR公司研制的Spirit 6200型雙行偏移倉(cāng)收獲機(jī)，這些機(jī)具主要以露地栽培收獲為主，且體積大、配套動(dòng)力大，不適用于西北旱區(qū)山坡地、小地塊作業(yè)[5-7].20世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)械發(fā)展迅速，如山西省忻州市農(nóng)機(jī)推廣站和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的4SW-60型馬鈴薯挖掘機(jī)，黑龍江省農(nóng)機(jī)院研制的4U-1、4U-2型馬鈴薯挖掘機(jī)，青島洪珠農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的4U-83型及4U-130型馬鈴薯收獲機(jī)，這些挖掘機(jī)技術(shù)已經(jīng)基本成熟，在國(guó)內(nèi)廣泛使用[8]，但這些機(jī)具多采用壓草輪或立輥式防堵裝置，主要防止雜草、殘秧纏繞，對(duì)韌性較好的殘膜容易纏繞在立輥式防堵裝置上，阻礙機(jī)具正常工作[9].

寧夏馬鈴薯種植區(qū)域目前使用的馬鈴薯收獲機(jī)，針對(duì)覆膜馬鈴薯收獲時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)殘膜回收.因此，亟需研制出一種適合于寧夏南部山區(qū)復(fù)雜地形的中小型馬鈴薯收獲機(jī)械，滿足馬鈴薯挖掘各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)殘膜回收.

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)主要由2部分組成：馬鈴薯挖掘部分和殘膜回收部分.馬鈴薯挖掘部分由懸掛裝置、挖掘裝置、防纏繞裝置、機(jī)架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸送裝置、限深裝置等組成，殘膜回收部分由收膜機(jī)構(gòu)、集膜箱等組成.其中，挖掘裝置用于薯土挖掘；通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將變速箱的動(dòng)力傳輸給輸送裝置，輸送裝置用于薯土輸送及分離；防纏繞裝置防止殘膜及馬鈴薯莖稈纏繞在機(jī)具上；收膜機(jī)構(gòu)、集膜箱用于殘膜輸送及收集.復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.懸掛裝置；2.挖掘裝置；3.防纏繞裝置；4.機(jī)架；5.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；6.輸送裝置；7.限深裝置；8.收膜機(jī)構(gòu)；9.集膜箱圖1 復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of integrated machine for potato harvesting and residual film collecting in complex terrain

1.2 工作原理

機(jī)具通過(guò)3點(diǎn)懸掛連接到拖拉機(jī)懸掛上，拖拉機(jī)動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)向節(jié)輸入機(jī)具的變速箱，變速箱輸出的動(dòng)力通過(guò)鏈傳動(dòng)及齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸送裝置、防纏繞裝置及收膜機(jī)構(gòu)等.作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)具行進(jìn)，挖掘鏟以一定角度入土將土薯鏟起，土薯沿鏟面逐漸后移、抬升，經(jīng)過(guò)延伸柵條時(shí)部分碎土從間隙漏下.隨著機(jī)具的行進(jìn)，土薯混合物被推送至輸送裝置上，輸送裝置運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)檎駝?dòng)輪的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)輸送裝置有序抖動(dòng)，使部分大塊泥土破碎，同時(shí)碎土與薯塊分離，碎土沿輸送鏈柵條間隙下落.收膜機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)輥在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流，從而將輸送裝置末端已分離的殘膜吸入收膜機(jī)構(gòu).吸入的殘膜由于氣流推動(dòng)從收膜機(jī)構(gòu)出口直接進(jìn)入集膜箱.殘膜收集完后，通過(guò)控制集膜箱上方液壓缸的伸縮使集膜箱打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)卸膜作業(yè).

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)寧夏南部山區(qū)土壟雙行覆膜種植模式及農(nóng)藝條件[10-12]，復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：懸掛式，整機(jī)尺寸為3 580 mm×1 500 mm×1 400 mm,配套動(dòng)力為45～55 kW,作業(yè)速度為1.6～1.8 km/h,作業(yè)幅寬1 200 mm,整機(jī)質(zhì)量700 kg,工作深度200～300 mm,作業(yè)效率0.2×104m2/h.

2 主要工作部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 挖掘裝置

復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)挖掘裝置主要包括挖掘鏟刀、鏟刀固定座、過(guò)渡板及過(guò)渡板轉(zhuǎn)軸，如圖2所示.機(jī)具行進(jìn)時(shí)，帶動(dòng)挖掘鏟以一定的角度切入土壤，達(dá)到一定深度后挖掘鏟刀在土層內(nèi)水平前移.土薯混合物沿鏟刀斜面上移輸送至過(guò)渡板，過(guò)渡板可根據(jù)土薯運(yùn)行狀況小幅度調(diào)整角度，從而避免硬土塊及雜物損傷馬鈴薯，同時(shí)過(guò)渡板的小幅度擺動(dòng)起到一定的篩土功能.

根據(jù)馬鈴薯挖掘裝置工作原理分析可知，影響挖掘裝置工作性能的主要參數(shù)包括挖掘鏟刀寬度b、挖掘鏟刀鏟面傾角θ及鏟刃角度γ[13].

1.挖掘鏟刀；2.過(guò)渡板；3.過(guò)渡板轉(zhuǎn)軸；4.鏟刀固定座；5.機(jī)架圖2 挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of digging blade

挖掘鏟鏟刀寬度需結(jié)合馬鈴薯種植的農(nóng)藝要求，考慮馬鈴薯種植幅寬及壟距等.挖掘鏟鏟刀為平面鏟，挖掘鏟鏟刀寬度要大于馬鈴薯種植壟寬，避免馬鈴薯收獲過(guò)程中出現(xiàn)漏挖現(xiàn)象.結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)，挖掘鏟鏟刀寬度1 200 mm.

挖掘鏟刀鏟面傾角的合理設(shè)計(jì)能夠降低收獲機(jī)運(yùn)行時(shí)的挖掘阻力，同時(shí)具有一定的碎土性能.收獲機(jī)工作過(guò)程中，對(duì)挖掘鏟鏟刀進(jìn)行受力分析，建立方程[14]

(1)

即

(2)

式中，F(xiàn)N為挖掘鏟刀鏟面對(duì)土薯的支持力；T為挖掘鏟刀鏟面受到土薯的反作用力；G為挖掘鏟上土薯的重力；Ff為挖掘鏟刀鏟面與挖掘鏟上土薯的摩擦力；u為挖掘鏟刀鏟面與土壤的摩擦因數(shù)，取0.557～0.721[15].計(jì)算，可得

(3)

由式(3)分析可知，挖掘鏟刀鏟面傾角θ越小，收獲機(jī)工作過(guò)程中，挖掘裝置受到的阻力就越小，但是挖掘裝置的碎土和篩土效率會(huì)大大降低；挖掘鏟刀鏟面傾角θ增大時(shí)，挖掘裝置的碎土和篩土效率會(huì)提高，但是挖掘裝置受到的阻力會(huì)增加，從而增加收獲機(jī)的功率消耗[16].因此，θ需保證在合適的取值區(qū)間.

設(shè)挖掘阻力為R，則

R=kab，

(4)

式中，R為挖掘鏟刀受到的阻力；k為單位橫截面面積阻力；a為挖掘深度；b為挖掘作業(yè)幅寬.

依照馬鈴薯種植區(qū)域土壤參數(shù)確定k為0.04～0.05.馬鈴薯收獲機(jī)挖掘裝置的挖掘深度在200～300 mm，收獲機(jī)作業(yè)寬度為1 200 mm.可取k=0.045 N/mm2，a=250 mm，b=1 200 mm，代式(4)，求得挖掘鏟刀受到的阻力R為13 500 N.實(shí)驗(yàn)地區(qū)土壤密度為2.76×10-3g/mm3，挖掘長(zhǎng)度為680 mm，根據(jù)所給數(shù)據(jù)計(jì)算挖掘鏟上土薯混合物的重力5 630 N.將所得數(shù)據(jù)代入式(3)，得到挖掘鏟刀鏟面傾角θ取值為31.6°～38.2°.

鏟刃角度γ的大小影響挖掘裝置鏟刀入土性能.若使鏟刀滿足設(shè)計(jì)要求，土薯混合物對(duì)鏟刃的推力沿鏟刃平行向上的分力必須大于鏟刃對(duì)薯土混合物的摩擦力，鏟刃角度γ過(guò)大時(shí)，挖掘裝置入土?xí)r不易切斷根莖及土薯混合物，同時(shí)，工作過(guò)程中，挖掘鏟阻力增大，造成不必要的功率損耗；鏟刃角度γ過(guò)小時(shí)，挖掘鏟入土和切土效果提升，但是鏟刃使用過(guò)程中易折斷并且容易損傷馬鈴薯.經(jīng)試驗(yàn)分析，收獲機(jī)鏟刃角度設(shè)計(jì)為25°[17].

2.2 輸送裝置

輸送裝置主要由前驅(qū)動(dòng)梅花輪、前驅(qū)動(dòng)軸、振動(dòng)輪、振動(dòng)輪軸、前支撐輪、上張緊輪、后驅(qū)動(dòng)梅花輪、后驅(qū)動(dòng)軸、后支撐輪、從動(dòng)輪、下支撐輪、下張緊輪、輸送帶及輸送柵條等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示.

1.前驅(qū)動(dòng)梅花輪；2.前驅(qū)動(dòng)軸；3.振動(dòng)輪；4.振動(dòng)輪軸；5.前支撐輪；6.上張緊輪；7.后驅(qū)動(dòng)梅花輪；8.后驅(qū)動(dòng)軸；9.后支撐輪；10.從動(dòng)輪；11.輸送帶；12.輸送柵條；13.下支撐輪；14.下張緊輪圖3 輸送裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of conveyor device

輸送裝置設(shè)計(jì)為雙驅(qū)動(dòng)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)變速箱變速后，通過(guò)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力經(jīng)多級(jí)傳動(dòng)傳輸至振動(dòng)輪軸.前、后驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，帶動(dòng)前、后驅(qū)動(dòng)梅花輪旋轉(zhuǎn)，梅花輪輪齒撥動(dòng)輸送柵條，輸送柵條與輸送帶固定連接，在相應(yīng)位置分別安裝從動(dòng)輪、張緊輪、支撐輪及振動(dòng)輪，構(gòu)成整套輸送裝置.

機(jī)具輸送裝置整體可分為S形分離段和振動(dòng)分離段，如圖3所示，從動(dòng)輪至上張緊輪段為S形分離段，上張緊輪至前驅(qū)動(dòng)梅花輪段為振動(dòng)分離段.機(jī)具在拖拉機(jī)的帶動(dòng)下前行，土薯混合物經(jīng)挖掘鏟挖掘、上移、輸送至輸送裝置.土薯混合物首先進(jìn)入S形分離段，經(jīng)斜面向斜上方輸送、篩分.大土塊及土薯混合物在此斜面上升過(guò)程中瞬間滑移、翻滾，土塊破碎.連接?xùn)艞l的輸送帶為橡膠材質(zhì)，收獲機(jī)行進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)，帶動(dòng)輸送裝置的輸送帶和柵條上下小幅度起伏振動(dòng).土薯混合物在S形分離段繼續(xù)輸送至波峰-波谷段，大土塊輸送至波峰處由于應(yīng)力集中而斷裂、破碎，波谷與波峰的高度差致使土塊翻滾、分離、破碎.在土薯混合物輸送過(guò)程中，為避免馬鈴薯與柵條碰撞破皮，在柵條外表面包裹一層橡膠.土薯混合物經(jīng)過(guò)S形分離段到達(dá)振動(dòng)分離段后，土量相對(duì)較少，較堅(jiān)硬的大土塊及部分包裹在馬鈴薯表面的土壤還未破碎，集中在最上方的碎土也未下沉篩離.此階段需要加大振動(dòng)幅度，使集中在最上方的碎土下沉篩離，加速大土塊翻滾、碰撞、破碎、篩離.因此，在向上輸送的斜面下方安裝振動(dòng)輪，通過(guò)調(diào)整振動(dòng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速改變輸送帶的振動(dòng)頻率.隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增大，輸送帶及柵條的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度也不斷增大，土薯混合物在輸送裝置上翻滾、碰撞的頻率增加，從而大幅提升輸送裝置的篩分效率[18-20].

2.3 收膜機(jī)構(gòu)

收膜機(jī)構(gòu)實(shí)際類似于一個(gè)離心風(fēng)機(jī)，主要由轉(zhuǎn)軸、葉片、軸承座、收膜機(jī)構(gòu)固定座、出氣口、殼體、進(jìn)氣口等組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示.收膜機(jī)構(gòu)通過(guò)固定座固定在機(jī)架上.機(jī)具運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)收膜機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣體及殘膜從進(jìn)氣口進(jìn)入殼體，沿殼體內(nèi)邊緣流動(dòng)，從出氣口流出，從而將殘膜回收至集膜箱.

1.轉(zhuǎn)軸；2.葉片；3.軸承座；4.收膜機(jī)構(gòu)固定座；5.出氣口； 6.殼體；7.進(jìn)氣口圖4 收膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of residual film collecting mechanism

根據(jù)收膜機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)合和實(shí)驗(yàn)原理，通過(guò)流體仿真軟件ANSYS Fluent模擬葉片數(shù)量分別為8、12、16片及葉輪轉(zhuǎn)速分別為835、1 120、1 390 r/min時(shí)，采用變量控制法確定最佳參數(shù)[21-22].

2.3.1 葉片數(shù)量對(duì)收膜機(jī)構(gòu)流場(chǎng)的影響分析

根據(jù)收膜機(jī)構(gòu)及集膜箱安裝位置確定收膜機(jī)構(gòu)進(jìn)氣口、出氣口位置及殼體結(jié)構(gòu)，葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min，采用變量控制法在葉輪的葉片數(shù)量分別為8、12、16片時(shí)，對(duì)收膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行流體仿真分析，得到葉片數(shù)量不同時(shí)葉輪同一橫截面上的全壓和速度云圖，如圖5所示.收膜機(jī)構(gòu)工作時(shí)，殘膜由進(jìn)氣口吸入后，沿壁面區(qū)域流動(dòng)，最后從出氣口流出，主要分析討論從進(jìn)氣口到出氣口收膜機(jī)構(gòu)殼體邊緣區(qū)域的壓力及速度分布情況.從不同葉片數(shù)收膜機(jī)構(gòu)同一橫截面壓力云圖可以看出，壓力的分布具有相同規(guī)律：從葉輪中心沿徑向壓力逐漸增大，最大壓力基本上都集中分布在收膜機(jī)構(gòu)殼體從進(jìn)氣口到出氣口的邊緣區(qū)域，在出氣流道內(nèi)，最大壓力區(qū)域逐漸擴(kuò)大.

如圖5橫截面上，葉片數(shù)量為8片時(shí)，殼體內(nèi)側(cè)壓力為178～478 Pa，但壓力分布不均勻；葉片數(shù)量為12片時(shí)，殼體內(nèi)側(cè)壓力為171～404 Pa，壓力分布比較均勻，在出氣流道內(nèi)壓力逐漸降低，有利于殘膜從出氣口排出；葉片數(shù)量為16片時(shí)，殼體內(nèi)側(cè)壓力為356～641 Pa，壓力分布比較均勻，在出氣流道內(nèi)壓力逐漸降低，且下降幅度變化均勻，更有利于殘膜從出氣口排出.從壓力云圖對(duì)比分析，葉片數(shù)量為8片時(shí)，輸送效果不佳；葉片數(shù)量為12和16片時(shí)，壓力分布都比較均勻，但是葉片數(shù)量為16片時(shí)，出氣流道區(qū)域內(nèi)壓力降低更均勻，更利于殘膜的排出,所以，在收膜機(jī)構(gòu)葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時(shí)，從壓力云圖分析，葉片數(shù)量為16片時(shí)，收膜機(jī)構(gòu)的殘膜收集效果更佳.

從圖5分析，3種情況下隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，氣體流動(dòng)速度沿徑向逐漸增大.在葉輪旋轉(zhuǎn)至弧頂區(qū)域位置時(shí)，氣流受到一定的阻礙，導(dǎo)致此位置氣流相對(duì)比較復(fù)雜.轉(zhuǎn)輪對(duì)應(yīng)位置均出現(xiàn)小渦流，導(dǎo)致葉輪與殼體弧頂之間區(qū)域速度明顯增加，在此處達(dá)到最大流動(dòng)速度，流速為27.1～50.6 m/s.

葉片數(shù)量為8片時(shí)，出氣流道內(nèi)速度降幅過(guò)大，由16.9～21.5 m/s迅速降低至1.54～3.07 m/s.導(dǎo)致沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生較大氣流，大部分殘膜流動(dòng)至此區(qū)域后沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)，使殘膜無(wú)法順利從出氣口排出.葉片數(shù)量為12片時(shí)，在出氣流道下方區(qū)域流速變化不均勻；葉片數(shù)量為16片時(shí)，出氣流道整個(gè)區(qū)域流體速度從左至右、從上往下逐漸減小，變化均勻，殘膜在流體內(nèi)流動(dòng)更加順暢，更利于殘膜從出氣口排出.因此，在收膜機(jī)構(gòu)葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時(shí)，從速度云圖分析，葉片數(shù)量為16片時(shí)，收膜機(jī)構(gòu)的殘膜收集效果更佳.

a.8片葉片壓力云圖;b.8片葉片速度云圖;c.12片葉片壓力云圖;d.12片葉片速度云圖;e.16片葉片壓力云圖;f.16片葉片速度云圖圖5 不同葉片數(shù)收膜機(jī)構(gòu)橫截面壓力和速度云圖Fig.5 Pressure and velocity diagram of the cross section of the residual film collecting mechanism with different blade numbers

在同一截面上，葉片數(shù)量分別為8、12、16片時(shí)，內(nèi)部流場(chǎng)的速度矢量圖如圖6所示.氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入后，葉輪順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，帶動(dòng)氣流沿殼體壁面也順時(shí)針流動(dòng)，氣流流至殼體弧頂與出氣流道交界處，氣流由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閽佄锞€流向出氣口.葉片數(shù)量為8片時(shí)，氣流流至距出氣口150 mm處，產(chǎn)生比較強(qiáng)的渦流，約60%的氣流沿葉輪徑向順時(shí)針回流，剩余氣流從出氣口流出；葉片數(shù)量為12片時(shí)，氣流沿出氣流道上壁面以12.6～18.9 mm/s從出氣口流出，但在出氣流道中間區(qū)域氣流流至出氣口附近，出現(xiàn)較大的渦流，約70%氣流順時(shí)針旋轉(zhuǎn)回流，剩余氣流從出氣口上下部位流出；葉片數(shù)量為16片時(shí)，氣流沿出氣流道上方從出氣口流出，流速由35.3～10.1 mm/s在出氣流道內(nèi)向下方逐漸擴(kuò)散，且整體流動(dòng)方向仍然流向出氣口，僅在靠近底部區(qū)域出現(xiàn)小渦流.為了使收膜機(jī)構(gòu)與機(jī)具結(jié)構(gòu)配套，收膜機(jī)構(gòu)尺寸較大，所以收膜機(jī)構(gòu)出氣口寬度相對(duì)較大，導(dǎo)致出氣流道內(nèi)流體區(qū)域情況相對(duì)比較復(fù)雜，所以在出氣流道底部出現(xiàn)小范圍回流現(xiàn)象，對(duì)殘膜回收效果的影響可以忽略.因此，在收膜機(jī)構(gòu)葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時(shí)，從速度矢量圖分析，葉片數(shù)量為16片時(shí)，收膜機(jī)構(gòu)的殘膜收集效果更佳.

a.8片葉片速度矢量;b.12片葉片速度矢量;c.16片葉片速度矢量圖6 不同葉片數(shù)收膜機(jī)構(gòu)橫截面速度矢量Fig.6 Velocity vector diagram of the cross section of the residual film collecting mechanism with different blade numbers

2.3.2 葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)收膜機(jī)構(gòu)流場(chǎng)的影響分析

葉輪葉片數(shù)量為16片時(shí)，采用變量控制法，轉(zhuǎn)速分別為835、1 120、1 390 r/min時(shí)，對(duì)收膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行流體仿真分析，得到收膜機(jī)構(gòu)葉輪在不同轉(zhuǎn)速下同一橫截面上的全壓和速度云圖，如圖7所示.采用同樣的方法，討論從進(jìn)氣口到出氣口收膜機(jī)構(gòu)殼體邊緣區(qū)域的壓力及速度分布情況.

圖7可見(jiàn)，不同葉輪轉(zhuǎn)速下，從收膜機(jī)構(gòu)同一橫截面壓力云圖可以看出，壓力的分布具有相同規(guī)律：從葉輪中心至葉片區(qū)域出現(xiàn)最小壓力，最大壓力基本集中在葉輪上方與殼體頂部的中間區(qū)域.

葉輪轉(zhuǎn)速為835 r/min時(shí)，殼體內(nèi)側(cè)壓力為192～805 Pa，在出氣流道中間區(qū)域，壓力分別向葉輪方向和出氣口方向逐漸減小，在此區(qū)域的壓力分布不均勻；葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時(shí)，殼體內(nèi)側(cè)的壓力為214～926 Pa，出氣流道內(nèi)，沿葉輪到出氣口方向，從殼體頂部至流道底部區(qū)域，壓力逐漸減小，分布比較均勻，利于殘膜從出氣口排出；葉輪轉(zhuǎn)速為1 390 r/min時(shí)，殼體內(nèi)側(cè)的壓力為129～1 210 Pa，壓力變化范圍比較大，殼體弧頂內(nèi)側(cè)高壓區(qū)范圍小，從殼體頂部至葉輪中心壓力變化比較明顯，由圖7e可知，出氣流道靠近出口區(qū)域壓力基本無(wú)變化，從壓力云圖難以直接判斷，需結(jié)合速度云圖綜合分析.因此，在葉輪葉片數(shù)量為16片時(shí)，從壓力云圖分析，葉輪轉(zhuǎn)速為835 r/min時(shí)，收膜機(jī)構(gòu)的效果不佳；葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時(shí)，收膜機(jī)構(gòu)的殘膜收集效果較好；葉輪轉(zhuǎn)速為1 390 r/min時(shí)，需結(jié)合速度云圖綜合分析.

分析圖7速度云圖，葉輪轉(zhuǎn)速為835 r/min時(shí)，在出氣流道內(nèi)，流體流速逐漸減小，但在葉輪與出氣流道交界位置產(chǎn)生比較大的渦流，部分流體在此渦流作用下，沿葉輪徑向順時(shí)針回旋，導(dǎo)致部分殘膜沿葉輪徑向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)回流.葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時(shí)，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，在弧頂區(qū)域過(guò)渡后，氣流流至出氣流道，在出氣流道內(nèi)沿葉輪至出氣口方向，從殼體頂部到底部區(qū)域，流體速度逐漸減小，在出氣流道內(nèi)流速在5.06～25.3 m/s均勻變化，從進(jìn)氣口到出氣口整個(gè)流動(dòng)過(guò)程均比較理想.葉輪轉(zhuǎn)速為1 390 r/min時(shí)，在葉輪與出氣流道交界區(qū)域產(chǎn)生小渦流.同時(shí)，轉(zhuǎn)速過(guò)高，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)載荷會(huì)大幅增加.因此，結(jié)合壓力云圖和速度云圖，在收膜機(jī)構(gòu)葉輪葉片為16片，葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時(shí)，收膜機(jī)構(gòu)的殘膜收集達(dá)到預(yù)期效果.

a.轉(zhuǎn)速為835 r/min壓力云圖;b.轉(zhuǎn)速為835 r/min速度云圖;c.轉(zhuǎn)速為1 120 r/min壓力云圖;d.轉(zhuǎn)速為1 120 r/min速度云圖;e.轉(zhuǎn)速為1 390 r/min壓力云圖;f.轉(zhuǎn)速為1 390 r/min速度云圖圖7 不同葉輪轉(zhuǎn)速收膜機(jī)構(gòu)橫截面壓力和速度云圖Fig.7 Pressure and velocity diagram of the cross section of the residual film collecting mechanism with impeller speed

分析速度矢量圖，葉輪轉(zhuǎn)速分別為835、1 120、1 390 r/min時(shí)，收膜機(jī)構(gòu)的速度矢量圖如圖8所示.葉輪轉(zhuǎn)速為835、1 390 r/min時(shí)，氣流在出氣流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，在葉輪與出氣流道交界處均產(chǎn)生比較強(qiáng)的渦流，部分氣流沿葉輪徑向順時(shí)針回流，剩余氣流在出氣口邊緣區(qū)域也出現(xiàn)湍流；因此，葉輪轉(zhuǎn)速為835、1 390 r/min時(shí)，殘膜在葉輪與出氣流道交界處回旋，導(dǎo)致殘膜在此處堆積，阻礙殘膜從出氣口排出；葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時(shí)，在氣流從弧頂區(qū)域沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向流出后，沿出氣流道向出氣口扇形輻射，速度逐漸減小且速度變化均勻，扇形區(qū)域內(nèi)流動(dòng)速度為15.2～22.7 m/s，速度變化幅度較小.因此，在收膜機(jī)構(gòu)葉輪葉片為16片時(shí)，從速度矢量圖分析，葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時(shí)，收膜機(jī)構(gòu)的殘膜收集效果更佳.

a.835 r/min;b.1 120 r/min;c.1 390 r/min圖8 不同葉輪轉(zhuǎn)速收膜機(jī)構(gòu)橫截面速度矢量圖Fig.8 Velocity vector diagram of the cross section of the residual film collecting mechanism with impeller speed

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

2019年10月，在寧夏固原市西吉縣新?tīng)I(yíng)鄉(xiāng)白城村陽(yáng)洼組進(jìn)行了復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)田間作業(yè)性能試驗(yàn).試驗(yàn)地塊地勢(shì)較平坦，土壤為砂壤土，土壤含水率為20.2%～23.1%，土壤堅(jiān)實(shí)度為1.54～2.09 MPa.馬鈴薯采用土壟雙行覆膜種植方式，土壟高度為15～20 cm，土壟寬度為80～85 cm，株距為45 cm，播深為10 cm.

3.2 試驗(yàn)方法

按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[23-24]進(jìn)行田間作業(yè)性能試驗(yàn).試驗(yàn)動(dòng)力為路通-554型拖拉機(jī)，額定功率為40.5 kW，機(jī)具作業(yè)前進(jìn)速度為1.6～1.8 km/h.試驗(yàn)選取明薯率、傷薯率、損失率、殘膜拾凈率作為機(jī)具工作性能的測(cè)試指標(biāo)，試驗(yàn)過(guò)程如圖9所示.

a.樣機(jī)作業(yè)過(guò)程;b.未殺秧區(qū)域作業(yè)效果;c.已殺秧區(qū)域作業(yè)效果圖9 田間作業(yè)性能試驗(yàn)Fig.9 Results of field experiment of combined operation machine

明薯率、傷薯率及損失率的試驗(yàn)，選擇有代表性的試驗(yàn)地進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)區(qū)長(zhǎng)30 m，從中等距離取3個(gè)測(cè)試小區(qū)，每小區(qū)長(zhǎng)3 m，寬度為壟距，總共選取10個(gè)測(cè)試小區(qū).在面積為3 m×壟距的區(qū)域內(nèi)，撿起明薯，撥開(kāi)覆土撿出埋薯，人工挖出機(jī)具未挖出的馬鈴薯，分別稱其質(zhì)量，計(jì)算各指標(biāo)，取10組試驗(yàn)結(jié)果的平均值.

3.2.1 明薯率

Ym=Gm/(Gm+Gn+Gw)×100%，

(1)

式中，Ym為明薯率；Gm為明薯質(zhì)量；Gn為埋薯質(zhì)量；Gw為漏挖薯質(zhì)量.

3.2.2 傷薯率

Yp=Gp/(Gm+Gn+Gw)×100%，

(2)

式中，Gp為傷薯質(zhì)量.

3.2.3 損失率

Yw=(Gn+Gw)/(Gm+Gn+Gw)×100%.

(3)

3.2.4 殘膜拾凈率

(4)

式中，W為作業(yè)后的表層或深層殘地膜質(zhì)量；W0為作業(yè)前的表層或深層殘地膜質(zhì)量.

殘膜拾凈率的試驗(yàn)，同樣選擇有代表性的試驗(yàn)地進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)區(qū)長(zhǎng)為30 m，從中等距離取3個(gè)測(cè)試小區(qū)，每小區(qū)長(zhǎng)5 m，寬度為壟距，總共選取10個(gè)測(cè)試小區(qū).作業(yè)前人工取出表層(地表及土層深度0～100 mm)殘膜，作業(yè)后撿拾出遺留在表層殘膜，去除塵土及水分后，分別稱其質(zhì)量，計(jì)算殘膜拾凈率，取10組試驗(yàn)結(jié)果的平均值.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

由表1可以看出，復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)的試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求.

作業(yè)過(guò)程中，機(jī)具的作業(yè)前進(jìn)速度保持在1.6～1.8 km/h時(shí)，整體作業(yè)性能較好且機(jī)具運(yùn)行穩(wěn)定.當(dāng)機(jī)具的作業(yè)前進(jìn)速度進(jìn)一步提升時(shí)，機(jī)具在運(yùn)行過(guò)程中挖掘鏟前端易壅土，且輸送裝置的篩土性能不佳，導(dǎo)致明薯率下降.殘膜能夠連續(xù)地被收膜機(jī)構(gòu)吸入，特別是小片殘膜，采用其他方法回收效果不理想，而此方法能夠高效回收小片殘膜.但對(duì)于與馬鈴薯莖稈纏繞在一起的塑料殘膜，回收效果不佳，如圖9b所示.因此，在收獲前需要進(jìn)行馬鈴薯秸稈粉碎，這樣殘膜回收效果更佳，如圖9c所示.

表1 田間試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)對(duì)挖掘裝置、輸送裝置及收膜機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵工作部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，并完成關(guān)鍵參數(shù)的分析計(jì)算，研制了復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)，能夠較好地解決寧夏南部山區(qū)復(fù)雜地形的馬鈴薯挖掘與殘膜回收的難題.

2)復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)的收膜機(jī)構(gòu)為離心風(fēng)機(jī).運(yùn)用ANSYS Fluent軟件，以收膜機(jī)構(gòu)的葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪的葉片數(shù)量為設(shè)計(jì)參數(shù)，采用變量控制法確定最佳參數(shù).軟件模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：收膜機(jī)構(gòu)的葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min、葉輪的葉片數(shù)量16片時(shí)，收膜機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到更好的殘膜回收效果.

3)田間試驗(yàn)表明：復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機(jī)作業(yè)后明薯率為98.6%，傷薯率為2.92%，損失率為1.4%，殘膜拾凈率為90.77%，試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)在寧夏南部山區(qū)復(fù)雜地形的馬鈴薯收獲、殘膜回收的一體化作業(yè).