張瑞，孫偉*，吳建民，王蒂，張俊蓮，石林榕，張華

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

我國馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)75%在山區(qū)坡地，整體上機(jī)械化程度低，耐用適用中小型機(jī)械缺乏[1]。馬鈴薯收獲基本上靠人工刨挖，效率低、強(qiáng)度大、損失率高。近年來，我國農(nóng)機(jī)專家針對(duì)馬鈴薯機(jī)械收獲薯塊損傷率高、明薯率低、適應(yīng)性差等問題做了大量研究，并研制出了不同型號(hào)的馬鈴薯收獲機(jī)[2-6]。這些機(jī)型大多數(shù)由固定式挖掘鏟、升運(yùn)鏈和抖動(dòng)輪等工作部件構(gòu)成，主要適用于較平坦的大面積沙土或沙壤土中工作，普遍存在行進(jìn)阻力大、易于壅堵等問題[3,7]。丘陵山地不適宜大型機(jī)械作業(yè)，小型手扶類拖拉機(jī)雖然適應(yīng)，但動(dòng)力不足。因此丘陵山地作業(yè)、小型動(dòng)力機(jī)械設(shè)計(jì)中，減阻尤為重要。本文以降低牽引阻力和提高土薯分離效率為主要目標(biāo)，研究設(shè)計(jì)一種以手扶拖拉機(jī)為動(dòng)力源的輕型馬鈴薯挖掘機(jī)，解決丘陵山地馬鈴薯機(jī)械化挖掘的問題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

研究表明，采用振動(dòng)式土壤工作部件的農(nóng)機(jī)具可以降低牽引阻力[8-17]，故將挖掘機(jī)設(shè)計(jì)成鏟篩激振式。馬鈴薯挖掘機(jī)主要由機(jī)架、挖掘鏟、分離篩、側(cè)欄柵、掛接機(jī)構(gòu)、上支桿、下支桿、限位輪、伸縮拉桿、離合、偏心輪和皮帶輪等構(gòu)成（圖1）。分離篩、鏟柄和側(cè)欄柵通過螺栓與挖掘鏟連接在一起，上、下支桿與鏟柄鉸接，上支桿固定在機(jī)架定位套上，挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的兩側(cè)各安裝了偏心輪，伸縮拉桿一端與偏心輪鉸接，另一端通過抱卡固定在下支桿上。

圖1 鏟篩激振式馬鈴薯挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of vibrating potato digger with shovel and sieve

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，結(jié)合皮帶張緊離合，拖拉機(jī)動(dòng)力通過帶傳動(dòng)傳至挖掘機(jī)皮帶輪，挖掘機(jī)皮帶輪帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪通過伸縮拉桿驅(qū)動(dòng)挖掘鏟及分離篩繞上支桿往復(fù)擺動(dòng)（圖2）。挖掘鏟將薯壟掘起，薯土混合物沿挖掘鏟面向后滑移，部分碎土從挖掘鏟柵格間落下，其余部分被送至分離篩。在分離篩齒條的作用下土塊被振碎，直徑小于齒條間隙的土塊和碎土從齒條間隙漏下，馬鈴薯被置于表層。

圖2 作業(yè)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of operation principle

2 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力結(jié)合方式選擇

小型馬鈴薯挖掘機(jī)多采用牙簽式離合器結(jié)合或切斷動(dòng)力，由于慣性力在結(jié)合和分離動(dòng)力瞬間，沖擊較大，傳動(dòng)部件容易受損。為平順結(jié)合或切斷動(dòng)力，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用皮帶張緊離合器。

2.2 動(dòng)力傳遞方案設(shè)計(jì)

動(dòng)力傳遞路線（圖2），拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過皮帶將動(dòng)力傳遞給馬鈴薯挖掘機(jī)從動(dòng)輪，置于同軸的偏心輪隨帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪驅(qū)動(dòng)搖臂運(yùn)動(dòng)。搖臂一端與偏心輪鉸接，另一端安裝在挖掘鏟擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上，帶動(dòng)挖掘鏟往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3 主要工作部件設(shè)計(jì)

3.1 挖掘鏟組件

手扶拖拉機(jī)功率有限，為滿足動(dòng)力匹配要求，挖掘鏟應(yīng)該能夠有效降低牽引阻力，提高分離效率，防止土壤壅堵，并且保證馬鈴薯挖凈率，不傷薯、不切薯。強(qiáng)迫振動(dòng)能降低牽引阻力，減少工件的粘土掛草，改進(jìn)碎土質(zhì)量，提高生產(chǎn)率[14]。該機(jī)采用振動(dòng)推進(jìn)式三角平面鏟結(jié)構(gòu)。挖掘鏟組件包括挖掘鏟、側(cè)護(hù)板和分離篩，側(cè)護(hù)板和分離篩分別安裝在挖掘鏟刀臂和刀體上。

3.1.1 挖掘鏟 挖掘鏟的尺寸和形狀影響著挖掘阻力，采用兩面或三面楔原理工作的耕作部件，土壤阻力由兩項(xiàng)組成：

式中：τ 為土壤對(duì)挖掘鏟的摩擦阻力（N）；FN為挖掘鏟所受的正壓力（N）；β 為土壤對(duì)金屬的摩擦角（°）；C 為土壤切向粘附力（N）。

在挖掘深度一定的情況下，土壤阻力受C 影響較大，而土壤與挖掘鏟接觸面積是C 的主要決定因素之一。所以，在條件允許的情況下，盡量減小土壤與挖掘鏟接觸面積。

挖掘鏟由刀體和刀臂組成（圖3），刀體的主要參數(shù)為張角（2γ），長度（l）和寬度（b），國內(nèi)學(xué)者已對(duì)這些參數(shù)作了深入的理論分析和試驗(yàn)研究[2,4,7,9,18]。為保證較好的滑切性能，同時(shí)又避免鏟尖過長，形成較深的“∨”形溝底。2γ＝π－ε，其中，ε 為土粒對(duì)刃口的摩擦角[18]。為提高土薯分離效率，減少進(jìn)入分離篩的土壤，將刀體后端設(shè)計(jì)成柵條或柵格狀。在保證挖掘鏟強(qiáng)度的前提下，長度（l）盡量小，取200 mm。緩坡地、水平梯田馬鈴薯壟距無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，多在50-60 cm 間，刀體寬度（b）取600 mm。

圖3 挖掘鏟簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of digging shovel

3.1.2 分離篩 分離篩安裝在挖掘鏟后端，是挖掘鏟的延續(xù)。分離篩分離效率直接影響挖掘機(jī)縱向結(jié)構(gòu)尺寸，其性能除與振動(dòng)形式有關(guān)外，還受自身結(jié)構(gòu)影響。將分離篩設(shè)計(jì)成齒條狀，除了撕裂、橫向剪切和彎曲折斷的作用外，還增加了齒條對(duì)土壤的縱向剪切作用，提高了分離裝置的碎土性能。分離篩各齒條傾角（α'）由中間向兩邊增加，且大于挖掘鏟傾角（α）（圖4）。若使土薯沿篩面不向下滑移，齒條傾角（α'）應(yīng)小于土壤與金屬間的摩擦角，即α'＜arctanμ。另外，α'＞25°時(shí)工作阻力上升較快，α'＜10°時(shí)，隨α'減小，土壤阻力增加?；谏鲜鲈颍蛛x篩各齒條傾角（α'）在15°-25°范圍內(nèi)，分離篩中間齒條傾角取18°，最外側(cè)齒條傾角取25°，兩邊齒條對(duì)稱分布。由于分離篩各齒條傾角的差異，有利于進(jìn)一步撕裂土垡，增加分離篩有效工作面積，提高分離效率。

圖4 分離篩Fig.4 Separation sieve

齒條間隙是分離篩另外一個(gè)重要參數(shù)，在歐洲許多國家，齒條間隙通常為25-28 mm，亞洲的日、韓等國為30-40 mm，美國為40-48 mm[19]。齒條間隙主要與馬鈴薯的品種與塊莖物理性狀有關(guān)，馬鈴薯不同方向尺寸不同，最小尺寸多在30-80 mm，故齒條間隙在30 mm 左右取值。

分離篩齒條長度影響著作業(yè)性能，過長，會(huì)增加工作阻力和操作難度；過短，土薯混合物至分離篩尾部分離不徹底、帶土過多導(dǎo)致埋薯。分離篩尾部應(yīng)略高于壟面，超出部分高度記為Δh，可確定齒條長度，即'。為降低齒條對(duì)塊莖的碰撞強(qiáng)度，作業(yè)時(shí)，齒條末端存在少許土壤，在齒條與馬鈴薯之間形成緩沖層，減少對(duì)薯塊損傷。為避免緩沖層土壤掩埋落薯，齒條末端向后下方彎曲，彎曲角度θ 為20°-30°，彎曲段應(yīng)使緩沖層土壤薯塊滑落到地表前分離徹底，又不可過長伸入土壤增加阻力，彎曲段長度值可為

3.2 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由上支桿、下支桿、側(cè)板、伸縮拉桿和偏心輪構(gòu)成（圖5），主要功用是將偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為挖掘鏟組件的擺動(dòng)以及調(diào)整挖掘鏟的傾角。

圖5 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)圖Fig.5 Diagram of swinging mechanism

為便于調(diào)整偏心距，將偏心輪設(shè)計(jì)成組合式（圖6）。通過增減墊片數(shù)量，可以調(diào)節(jié)偏心距，進(jìn)而調(diào)節(jié)分離篩振幅。

圖6 偏心輪Fig.6 Eccentric wheel

改變伸縮桿長度（l2）， 可以調(diào)整挖掘鏟傾角（α），α 影響著挖掘阻力和挖掘鏟結(jié)構(gòu)尺寸，α 增大，挖掘阻力增大，挖掘鏟組件長度減小，α 的變化又會(huì)提升挖掘機(jī)適應(yīng)性，故α 應(yīng)在18°±δ 取值，則l2為：

式中：l'2為α 取18°時(shí)伸縮桿的長度（mm）；λ 為伸縮桿與曲柄共線時(shí)側(cè)板與挖掘鏟間夾角（°）；δ 為挖掘鏟傾角調(diào)整量（°）。

擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，由于挖掘鏟傾角（α）和分離篩齒條傾角（α'）的存在，當(dāng)挖掘鏟組件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)時(shí)，位于分離篩上土薯混合物的慣性力，有抖動(dòng)混合物的作用，可提高分離效果[20]。挖掘鏟組件與擺動(dòng)機(jī)構(gòu)側(cè)板固結(jié)，其角速度和加速度與擺動(dòng)機(jī)構(gòu)側(cè)板相同。若以曲柄在最右邊位置時(shí)作為擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移和時(shí)間的起始相位，則側(cè)板的角位移（ζ3）和角速度（ω3）與時(shí)間（t）的關(guān)系為：

其中：X=l4-l1·cosζ1ζ1=ε+ωt

式中：l4為上支桿與偏心輪軸間的距離（mm）；l3為上、下支桿的距離（mm）；l1為偏心距（mm）；ζ1為曲柄與OO'夾角（°）；ω 為偏心輪角速度（rad/s）；ε 為起始相位曲柄與OO'夾角（°）；ζ3為側(cè)板與OO'夾角（°）。

式中：ζ2為伸縮桿與OO'夾角（°）。

作用在馬鈴薯和土塊上的力，除重力（mg）外，還有篩面的法向反力（FN'）和摩擦力（f'）。若提高碎土效果和分離效率，就要使得馬鈴薯和土塊被拋離篩面，則FN'=0。設(shè)在篩面B 點(diǎn)有一質(zhì)量為m 土薯混合物，且其離鉸點(diǎn)O'最近，那么它的離心加速度（am）為：

馬鈴薯和土塊拋離篩面的條件是重力加速度在篩面垂直方向上的加速度分量小于am，即

式中：O'B 為B 點(diǎn)與鉸點(diǎn)O'的距離（mm）；g 為重力加速度（m/s2）。

4 田間試驗(yàn)結(jié)果與分析

為測(cè)試鏟篩激振式馬鈴薯挖掘機(jī)性能指標(biāo)、土薯分離效率以及挖掘阻力，于2014 年10 月在隴中黃土高原半干旱區(qū)的定西市鳳翔鎮(zhèn)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。10°以下緩坡，土壤類型為黃綿土，土壤含水率為16.4%。試驗(yàn)前殺秧和揭膜處理，試驗(yàn)地壟高18 cm、壟距60 cm、株距25 cm。牽引動(dòng)力為東方紅200 P拖拉機(jī)，工作機(jī)為8.8 kW 亞美克手扶拖拉機(jī)，測(cè)力計(jì)為上海勵(lì)盾儀器儀表檢測(cè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HF—10 k 數(shù)顯式推拉力計(jì)。 試驗(yàn)中各項(xiàng)指標(biāo)按《NY 648—2002—T 馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》測(cè)定。

試驗(yàn)中，結(jié)合皮帶張緊離合后可以明顯提高土薯分離效率，明薯率高達(dá)96.2%，無壅土現(xiàn)象出現(xiàn)，主要由于振動(dòng)使得土塊尺寸變小，土條流動(dòng)更加順暢。鏟篩激振式馬鈴薯挖掘機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求（表1）。

表1 性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 The datas of performance test

振動(dòng)挖掘牽引阻力明顯小于無振動(dòng)挖掘，隨著振幅增加，牽引阻力變動(dòng)幅度加大（圖7），其中，無振動(dòng)時(shí)平均牽引阻力為1 498 N，振幅為4 mm 時(shí)平均牽引阻力為1 204 N，振幅為8 mm 時(shí)平均牽引阻力為995 N（表2）。這主要是當(dāng)振幅增大時(shí)，土壤顆粒運(yùn)動(dòng)的位移增大，振動(dòng)沖擊波在土壤中傳播的距離遠(yuǎn)，將有利于土壤內(nèi)摩擦力的迅速減小。

圖7 振幅對(duì)牽引阻力的影響Fig.7 Effect of amplitude on traction resistance

表2 牽引阻力對(duì)比Table 2 Comparison of traction resistance

仿真曲線平均值與試驗(yàn)中挖掘機(jī)挖掘時(shí)所受阻力平均值、計(jì)算阻力平均值基本吻合（圖8）。鏟篩激振式馬鈴薯挖掘機(jī)的作業(yè)效果（圖9）。

圖8 振動(dòng)減阻仿真模型阻力曲線與試驗(yàn)阻力、計(jì)算阻力平均值的對(duì)比Fig.8 Comparison of vibration resistance curve of drag reduction simullation,experimental and calculation average resistance

圖9 作業(yè)效果Fig.9 Effect of operation

5 結(jié)論

該機(jī)采用振動(dòng)推進(jìn)式三角平面鏟，可以減小挖掘阻力，隨著振幅增加，牽引阻力變動(dòng)幅度增大；將挖掘鏟刀體后端設(shè)計(jì)成柵格狀，分離篩各齒條傾角由內(nèi)向外增大，增加了土薯分離面積，提高了分離效率。田間試驗(yàn)表明，該機(jī)明薯率、挖凈率和傷薯率等性能指標(biāo)均達(dá)到馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范要求。

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