肖偉中，高迎春，陳海需，張艷山

(黃淮學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

0 引言

馬鈴薯作為一種抗旱型草本植物，以產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)逐漸成為一種廣泛種植的經(jīng)濟(jì)型作物和糧食作物。我國馬鈴薯產(chǎn)量在世界名列前茅，隨著馬鈴薯主糧化進(jìn)程的推進(jìn)，國內(nèi)馬鈴薯的種植面積也在不斷擴(kuò)大，大面積種植馬鈴薯對調(diào)整和優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增加農(nóng)民收入和保證國家糧食安全具有重要意義[1]。

盡管我國是世界馬鈴薯種植大國，但卻不是馬鈴薯生產(chǎn)強(qiáng)國，主要原因是馬鈴薯綜合機(jī)械化生產(chǎn)落后，尤其是我國大部分地區(qū)的馬鈴薯收獲環(huán)節(jié)機(jī)械化水平還很低，人工撿拾、挑揀勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、作業(yè)成本高，嚴(yán)重制約著我國馬鈴薯的規(guī)?；a(chǎn)[2-4]。目前，我國大部分馬鈴薯種植地區(qū)屬于中小型地塊，收獲方式主要以挖掘機(jī)挖掘、人工撿拾為主，平鋪于地表的馬鈴薯在后期的人工撿拾、清選的過程中普遍存在生產(chǎn)效率低下、勞動強(qiáng)度大、成本高等問題[5-6]。因此，迫切需要設(shè)計(jì)一種體積小、對中小地塊適應(yīng)性強(qiáng)及性能可靠的馬鈴薯撿拾分級收獲機(jī)，來滿足馬鈴薯種植區(qū)機(jī)械化收獲的需要。

目前，對馬鈴薯撿拾收獲機(jī)研究的文獻(xiàn)較少[7]，尚沒有關(guān)于馬鈴薯撿拾、分級一體機(jī)的設(shè)計(jì)研究。本文根據(jù)大部分地區(qū)馬鈴薯種植的現(xiàn)狀，針對中小地塊人工撿拾、分揀馬鈴薯的生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)了一種小型馬鈴薯撿拾分級聯(lián)合機(jī)收獲機(jī)。該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、配置科學(xué)合理，可實(shí)現(xiàn)馬鈴薯撿拾、自動分級及兩箱收集等聯(lián)合作業(yè)，收獲效率得到提高，節(jié)省了勞動力，降低了收獲成本，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 馬鈴薯撿拾分級機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

撿拾分級機(jī)主要由撿拾裝置、土薯分離裝置、薯塊提升裝置、薯塊分級裝置、薯塊收集箱、牽引裝置、動力輸入裝置 、傳動系統(tǒng)、行走裝置及機(jī)架等部件組成，如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。該機(jī)集撿拾、分離、輸送、分級為一體，能夠代替人工撿拾和清選馬鈴薯，有效地解決了馬鈴薯收獲后薯塊在田間灑滿一地而令農(nóng)民費(fèi)時(shí)費(fèi)力撿拾、分揀的問題，且對中小地塊適應(yīng)性強(qiáng)，可大大提高生產(chǎn)效率，減輕勞動強(qiáng)度，降低收獲成本。

該機(jī)適合小型地塊生產(chǎn)作業(yè)，用于單壟收獲。當(dāng)牽引拖拉機(jī)帶動馬鈴薯撿拾機(jī)向前行駛時(shí)，撿拾機(jī)的撿拾鏟將地面上的馬鈴薯鏟起到輸送機(jī)前部；輸送機(jī)的主動軸帶動從動軸和輸送帶向后運(yùn)動，由于輸送鏈板的推擋作用將馬鈴薯送至分選機(jī)，分選機(jī)的輥?zhàn)娱g距按需要分揀的規(guī)格設(shè)置，小于輥?zhàn)娱g距的馬鈴薯落入小薯倉，大于輥?zhàn)娱g距的馬鈴薯在輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動的帶動下經(jīng)后部滑槽落入大薯倉，從而實(shí)現(xiàn)馬鈴薯兩級分選。

小薯倉下部有出料口可直接裝袋，出料口上有手搖出料器控制裝袋量。大薯倉裝袋口，有出料門打開可人工撿拾裝袋。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 撿拾鏟的設(shè)計(jì)

撿拾鏟主要是對平鋪在地表的馬鈴薯進(jìn)行自動撿拾并輸送到分離裝置的機(jī)構(gòu)，是馬鈴薯撿拾機(jī)的關(guān)鍵組成部分，對能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期的撿拾效果起著決定性作用。馬鈴薯撿拾機(jī)構(gòu)的主要作用是將挖掘后條狀鋪放在地表和一部分被浮土掩埋的馬鈴薯撿拾起來，因而設(shè)計(jì)必須適應(yīng)馬鈴薯種植的農(nóng)藝要求，充分考慮種植行距、薯塊在地表的分布狀況、分布密度等因素，保證撿拾深度穩(wěn)定、順暢及較高撿拾率，盡可能地避免拾取過程中馬鈴薯的損傷[8]。

本地馬鈴薯地壟寬度一般在60～80cm之間。馬鈴薯經(jīng)挖掘機(jī)挖掘后平鋪在地壟之上，如圖2所示。

1.牽引裝置 2.撿拾鏟高低調(diào)節(jié)裝置 3.撿拾裝置 4.土薯分離裝置 5.機(jī)架 6.行走裝置 7.行駛輪高低調(diào)節(jié)裝置 8.大薯倉 9.小薯倉 10.薯塊分級裝置 11.薯塊提升裝置 12.傳動系統(tǒng) 13.動力輸入裝置 圖1 馬鈴薯撿拾分級機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖 2 試驗(yàn)田中薯帶實(shí)際分布圖

根據(jù)田間馬鈴薯在地表的分布情況，得到薯塊在地表的分布的最大寬度為800mm，如圖3所示。根據(jù)薯塊在地表的分布寬度(見圖3)，確定撿拾鏟的寬度為800mm，設(shè)計(jì)撿拾分級機(jī)的撿拾鏟如圖4所示。撿拾鏟的一端連接有左右旋調(diào)節(jié)螺母(見圖1)，撿拾鏟可以通過其調(diào)節(jié)撿拾鏟的高低保證合適的撿拾深度。

圖3 挖掘后馬鈴薯在地表的分布圖

圖4 撿拾鏟的軸測圖

為保證整行馬鈴薯都在撿拾裝置撿拾范圍之內(nèi)，根據(jù)馬鈴薯在地表分布的最大寬度，撿拾鏟的設(shè)計(jì)寬度為800mm，由鏟片和柵條組成，長度為600mm。柵條由直徑16 mm、長度為600mm的圓鋼組成，材料為65Mn，柵條間隙為32 mm[7]。

2.2 分離提升裝置設(shè)計(jì)

分離提升裝置配置在撿拾鏟的后面，寬度為800mm，由柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩、托板傳動帶及鏈傳動機(jī)構(gòu)等組成，主要完成薯塊、土塊等混合物的輸送和有效分離，最后輸送到分級裝置。分離提升裝置三維造型圖如圖5所示。

1.柵條 2.輸送托板

提升裝置與水平面呈60°夾角，可防止薯塊在升運(yùn)過程中滾落；兩側(cè)有擋板，可以防止馬鈴薯從兩側(cè)掉落。分離提升裝置兩端固定在機(jī)架上，在傳動軸的帶動下做周期往復(fù)運(yùn)動。

已知馬鈴薯尺寸平均尺寸為長度60～120mm、寬度46～75mm、厚度37～58mm[9]，根據(jù)實(shí)測馬鈴薯最大方向尺寸，確定兩托板的距離為100mm，托板長度為670mm、寬度為30mm。根據(jù)實(shí)測馬鈴薯最小方向尺寸，確定固定在傳送帶上相鄰兩根柵桿條的間隙為24mm，柵條材料選用直徑為 12mm的圓鋼。

2.3 分級裝置設(shè)計(jì)

馬鈴薯的物理特性是馬鈴薯撿拾機(jī)分級裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。實(shí)際上，一般馬鈴薯表現(xiàn)為扁圓、橢圓、圓、長筒等形式，為了研究方便，統(tǒng)一采用長a、b、厚c來描述馬鈴薯塊莖形狀和尺寸，如圖 6、圖7所示。

目前，挖掘后的馬鈴薯根據(jù)市場需求大致把馬鈴薯的等級分為3個(gè)等級，如表2所示。

圖6 橢圓形薯塊

圖7 長橢圓形薯塊

規(guī)格單薯質(zhì)量/g具體尺寸/cm大> 300a > 13 b > 7 c > 6中150～300a 6～13 b 4～7 c 4～6小< 150a < 6 b < 4 c < 4

由于機(jī)型較小，又是行走分級，因此撿拾機(jī)只設(shè)計(jì)了二級分級。馬鈴薯分級裝置一級分離裝置采用輥式分級設(shè)計(jì)，主要由主動鏈輪、從動鏈輪、分級桿組合等構(gòu)成，傳輸動力由前端減速機(jī)提供，如圖8所示。

1.分級輥?zhàn)?2.主動鏈條 3.從動鏈輪 4.一級薯塊出口 5.二級薯塊出口

一級分級裝置同時(shí)具有橫向輸送的作用，在小薯塊進(jìn)行分級時(shí)，對尚未分級的大、中薯塊輸送至二級薯塊輸出裝置。

一級分級裝置其輥?zhàn)又睆綖?0mm，長度為800mm， 輥?zhàn)又g的間隙設(shè)置為50mm，直徑小于4cm的薯塊則從輥?zhàn)又g的間隙落下而被分選出來落入小薯倉，其他的薯塊則隨輥?zhàn)拥倪\(yùn)動輸送至大薯倉。

2.4 傳動部分

馬鈴薯撿拾分級機(jī)的動力由牽引拖拉機(jī)提供。牽引拖拉機(jī)提供的動力經(jīng)過花鍵軸到圓錐齒輪減速機(jī)輸入端。圓錐齒輪減速機(jī)輸出軸配有兩個(gè)鏈輪：一個(gè)鏈輪通過鏈條將動力提供給馬鈴薯輸送提升機(jī)主動軸，一個(gè)鏈輪通過鏈條將動力提供給馬鈴薯分選機(jī)主動軸。馬鈴薯輸送提升機(jī)的主動軸將動力轉(zhuǎn)遞給輸送提升機(jī)的從動軸，馬鈴薯分選機(jī)主動軸再將動力傳遞給從動軸。為了保證馬鈴薯輸送提升機(jī)的運(yùn)動平穩(wěn)，本機(jī)器采用了兩側(cè)同步傳動。

圓錐減速機(jī)的減速比為3.75，結(jié)構(gòu)如圖9所示。送往輸送提升機(jī)主動鏈輪的齒數(shù)為17齒，配用鏈條12A，節(jié)距為19.05mm；輸送提升機(jī)從動鏈輪的齒數(shù)也為17齒，送往分選機(jī)主動鏈輪的齒數(shù)為27齒，配用鏈條08A，節(jié)距為12.7mm；分選機(jī)從動鏈輪的齒數(shù)為13齒。

1.輸入軸 2.小齒輪 3.大齒輪 4.減速器殼體 5.輸出軸

2.5 機(jī)架

機(jī)架上安裝的部件有撿拾裝置、分離和提升裝置、傳動機(jī)構(gòu)及分級裝置等[10]，承載著整個(gè)機(jī)體的質(zhì)量，是馬鈴薯撿拾分級機(jī)的重要部分。由于機(jī)器工作時(shí)受力比較復(fù)雜，為了滿足該收獲機(jī)的使用壽命要求，在設(shè)計(jì)機(jī)架時(shí)應(yīng)充分考慮其剛度、強(qiáng)度等性能。綜合考慮多方面的影響因素，機(jī)架的整體尺寸大小設(shè)計(jì)為 2 340mm× 980mm×1 040mm，材料采用80mm×80mm×5mm的矩形鋼板，結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 機(jī)架三維造型圖

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

試驗(yàn)在河南省遂平縣姚莊鄉(xiāng)試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)田土壤為黃土，質(zhì)地粘重，土層緊實(shí)，土壤理化性狀良好，礦質(zhì)營養(yǎng)元素全面而豐富，地下水位6.5m，土壤pH值6.8～7.8。試驗(yàn)地塊長度為 90m，寬度約為50m，壟寬為60mm，兩壟之間的距離為20mm。馬鈴薯品種為鄭商薯十號。試驗(yàn)時(shí)，提前1周進(jìn)行殺秧，然后試驗(yàn)當(dāng)天用馬鈴薯挖掘機(jī)作業(yè)，得到條鋪在地壟上的待撿拾的馬鈴薯，進(jìn)行人工作檢驗(yàn)，將被挖掘時(shí)的傷薯挑揀出來，然后進(jìn)行機(jī)械撿拾。

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)可能與實(shí)際數(shù)據(jù)有出入，因此試驗(yàn)分為5組求平均值，每組試驗(yàn)完成后需要測量1次被挖掘起來的塊莖總質(zhì)量、被撿拾的馬鈴薯質(zhì)量、被撿拾的混雜物質(zhì)量、被撿拾的傷薯質(zhì)量和漏撿馬鈴薯質(zhì)量，做好記錄，計(jì)算傷薯率、漏薯率、含雜率等指標(biāo)，同時(shí)檢測馬鈴薯撿拾分級機(jī)撿拾裝置、輸送裝置和分級裝置等各部分及整機(jī)的工作性能。馬鈴薯撿拾分級機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：馬鈴薯撿拾分級機(jī)性能穩(wěn)定，撿拾、分級效果良好，大大減輕了人工撿拾和分揀的勞動強(qiáng)度。該機(jī)平均撿拾傷薯率為3.9% ，平均漏薯率為 2.8% ，平均含雜率為4.4% ，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

馬鈴薯撿拾分級機(jī)在作業(yè)過程中主要存在的問題是分級的級數(shù)明顯不能滿足實(shí)際的分級要求，后期可對該機(jī)分級裝置進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠達(dá)到3級或4級的分級效果。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的小型馬鈴薯撿拾機(jī)能夠代替人工撿拾和清選馬鈴薯，具有體積小、價(jià)格低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。該機(jī)可實(shí)現(xiàn)薯塊撿拾、土薯分離、薯塊分級、薯塊收集一體化作業(yè)，有效地解決了馬鈴薯收獲后令人工撿拾、分揀等費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，可大大提高生產(chǎn)效率，減輕勞動強(qiáng)度，降低收獲成本，能滿足我國馬鈴薯機(jī)械化收獲的需要。