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(lèi)作物，在我國(guó)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(guó)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(jī)械化水平較低，存在著機(jī)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(jī)型少等問(wèn)題。該甜菜挖掘鋪放收獲機(jī)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(guò)程的自動(dòng)化、智能化水平。

關(guān)鍵詞：甜菜；減阻挖掘；鋪放；收獲機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lèi)作物被大面積引種栽培在我國(guó)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(guó)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(wàn)t。近些年，在甜菜產(chǎn)業(yè)科研機(jī)構(gòu)和農(nóng)技推廣部門(mén)的共同努力下，我國(guó)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(guó)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(guó)家先進(jìn)水平。與此相比，我國(guó)甜菜生產(chǎn)全程機(jī)械化的發(fā)展明顯滯后，配套農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)水平還很落后，尤其在甜菜收獲機(jī)具的研發(fā)和使用方面問(wèn)題尤為突出[1～3]。國(guó)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(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低和收獲質(zhì)量差等問(wèn)題，嚴(yán)重地影響和制約了我國(guó)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(dòng)化程度高的新型甜菜聯(lián)合收獲作業(yè)機(jī)成為當(dāng)務(wù)之急。

2 整機(jī)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(jī)與三點(diǎn)后懸掛的輪式拖拉機(jī)掛接使用。整機(jī)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(jìn)地即可完成甜菜振動(dòng)減阻挖掘、莖土雜振動(dòng)清選分離和塊根集條放鋪等項(xiàng)作業(yè)，輔以自動(dòng)對(duì)行挖掘、智能轉(zhuǎn)換放鋪等電液控制功能，整機(jī)的自動(dòng)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(duì)機(jī)具結(jié)構(gòu)、配套動(dòng)力和運(yùn)輸狀態(tài)等方面的要求，該機(jī)掛接方式采用三點(diǎn)后懸掛的形式，具體機(jī)構(gòu)如圖1。收獲機(jī)在鉸接前后框架的基礎(chǔ)上，挖掘、清雜部件以機(jī)組中心對(duì)稱面兩側(cè)對(duì)稱布置，收獲行（壟）數(shù)為3 行，機(jī)組中間1套，兩側(cè)對(duì)稱各1 套完整的挖掘機(jī)構(gòu)。該機(jī)主要由對(duì)行組件、挖掘機(jī)構(gòu)、前后機(jī)架、傳動(dòng)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(gè)部分構(gòu)成。對(duì)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(hào)傳輸給控制單元；挖掘機(jī)構(gòu)采用犁刀式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)甜菜塊根的振動(dòng)減阻挖掘工作；前后機(jī)架通過(guò)鉸接的方式連接，通過(guò)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(guò)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dòng)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(jìn)行甜菜塊根挖掘鋪放作業(yè)時(shí)，機(jī)組配套動(dòng)力為404 kW以上輪式拖拉機(jī)。動(dòng)力輸出軸接合轉(zhuǎn)速540 r/min，并接通后液壓輸出，機(jī)組邊行進(jìn)邊入土。機(jī)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(dòng)對(duì)行機(jī)構(gòu)在機(jī)具的最前端，橫向位置處于每個(gè)挖掘部件左右挖掘犁刀的中間，接觸甜菜塊根后會(huì)判斷出與挖掘部件橫向位置差異，通過(guò)電控液壓機(jī)構(gòu)調(diào)整每個(gè)挖掘單元的橫向位置以達(dá)到自動(dòng)對(duì)行的功能；挖掘部件為了減輕挖掘阻力采用機(jī)械振動(dòng)的方式，振動(dòng)源來(lái)自傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)曲柄加以實(shí)現(xiàn)。松動(dòng)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(guò)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(guò)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。

2.3 技術(shù)參數(shù)

甜菜挖掘鋪放收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.4 參數(shù)確定

（1）配套動(dòng)力：該甜菜收獲機(jī)自重為1150 kg，配套拖拉機(jī)應(yīng)滿足在距離下懸掛點(diǎn)620 mm位置的最大液壓提升能力大于機(jī)具重量。在拖拉機(jī)的牽引能力方面，收獲機(jī)作業(yè)時(shí)其牽引阻力主要來(lái)自于3組塊根振動(dòng)挖掘部件，參考國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)挖掘部件入土耕作阻力（含振動(dòng)）需要消耗的動(dòng)力一般在4.0～5.0 kW之間（根據(jù)作業(yè)速度、土壤堅(jiān)實(shí)度和入土深度不同），該機(jī)共需要消耗動(dòng)力在12.0～15.0 kW。機(jī)組作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)橫跨2條壟，故選配拖拉機(jī)前后輪距應(yīng)在12～14 m之間。該機(jī)配套范圍動(dòng)力拖拉機(jī)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(jī)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(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，確定該機(jī)作業(yè)速度在1～2 km/h。

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

3 主要工作部件的設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)對(duì)行組件

自動(dòng)對(duì)行組件由機(jī)械機(jī)構(gòu)和電控液壓部件組成，梳齒式仿形機(jī)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(gè)仿形梳齒，中心對(duì)稱共計(jì)27個(gè)，用來(lái)感知塊根相對(duì)挖掘部件橫向位置。傳感器位置信號(hào)被傳遞到PLC模塊后，控制電磁閥以驅(qū)動(dòng)液壓油缸帶動(dòng)挖掘犁刀左右竄動(dòng)，幅度±50 mm。該機(jī)械部分主要由外護(hù)罩、仿形梳齒、傳感器支架、梳齒轉(zhuǎn)動(dòng)軸和聯(lián)接架等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

自動(dòng)對(duì)行組件機(jī)械機(jī)構(gòu)共3組，每行（壟）中心對(duì)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(cè)試高度范圍0～12 cm。

3.2 振動(dòng)挖掘組件

該組件由挖掘部件和振動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成。挖掘部件是該機(jī)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(jī)的挖掘質(zhì)量和工作效率。振動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力來(lái)源于拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸，驅(qū)動(dòng)三組凸輪式曲柄部件帶動(dòng)挖掘部件做前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(duì)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(dòng)頻率540 Hz，振幅±5 cm。該部分主要由挖掘護(hù)板、挖掘犁刀、挖掘犁臂、回轉(zhuǎn)軸套和驅(qū)動(dòng)柄等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

振動(dòng)機(jī)構(gòu)采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的形式，通過(guò)中間齒輪箱將扭矩輸送到左、右和中間凸輪驅(qū)動(dòng)軸，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生徑向位移，位移值±1 cm。該位移經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)柄放大后傳遞給挖掘犁刀產(chǎn)生振動(dòng)。該機(jī)構(gòu)主要由中間齒輪箱、萬(wàn)向聯(lián)接軸、左右凸輪驅(qū)動(dòng)軸、中間凸輪驅(qū)動(dòng)軸及凸輪機(jī)構(gòu)組成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

3.3 清雜集條機(jī)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(jī)架、蝸輪蝸桿傳動(dòng)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(jiàn)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(guò)旋轉(zhuǎn)摩擦和振動(dòng)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(jī)組作業(yè)正后方，一種是機(jī)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(jī)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(yùn)作業(yè)。

4 性能測(cè)試及結(jié)果

4.1 測(cè)試基本條件

田間性能測(cè)試地點(diǎn)為黑龍江省依安縣新發(fā)鄉(xiāng)，試驗(yàn)地塊為黑壤土，地勢(shì)平坦，土壤含水率適中，無(wú)雜草殘茬覆蓋。收獲作業(yè)甜菜品種為進(jìn)口KWS9412（單粒型），胸徑范圍在8～25 cm之間，已經(jīng)過(guò)打纓切頂作業(yè)。

配套拖拉機(jī)為東方紅LX904型輪式拖拉機(jī)，車(chē)況良好，機(jī)組作業(yè)速度在1.0～1.5 km/h之間。性能測(cè)試單位為黑龍江農(nóng)墾農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，測(cè)試區(qū)間為3段，每段長(zhǎng)度為50 m。

性能測(cè)試試驗(yàn)方法依據(jù)《JB/T 6276-2007 甜菜收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)該機(jī)作業(yè)工藝的可行性及各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行性能試驗(yàn)。

4.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)第三方鑒定機(jī)構(gòu)田間性能測(cè)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(cè)試結(jié)果，該機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了課題立項(xiàng)時(shí)對(duì)中期指標(biāo)的要求。主要存在問(wèn)題是：①作業(yè)速度和效率有待進(jìn)一步提高；②作業(yè)可靠性沒(méi)有得到充分試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 結(jié)論

（1）整機(jī)可完成甜菜塊根類(lèi)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(jī)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(jī)使用、調(diào)整和維修簡(jiǎn)單方便，輔以智能功能部件，如自動(dòng)對(duì)行功能可提高挖掘精度， 降低塊根損傷；振動(dòng)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(dòng)切換提高智能化程度的同時(shí)降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。該機(jī)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(jī)具保證。

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