殷彥強(qiáng) 尹健

摘 要：為了有效解決我國西南山地丘陵地區(qū)折耳根、馬鈴薯等作物的機(jī)械化收獲，基于模塊化設(shè)計方法，設(shè)計了一種小型折耳根多功能收獲機(jī)。首先簡要介紹了模塊化設(shè)計概念及總體設(shè)計流程;之后確定了收獲機(jī)的總體布置，基于面向設(shè)計的模塊劃分方法對其總功能進(jìn)行分解，并得到一系列公共模塊和專用模塊，并對收獲機(jī)的關(guān)鍵模塊：折耳根的滾壓模塊和馬鈴薯的撥輪模塊做了詳細(xì)研究，對兩種挖掘、篩分模塊三維模型也作了展示;最后通過公共模塊組合不同的專用模塊可形成不同功能的收獲機(jī)，即可對折耳根、馬鈴薯等作物進(jìn)行收獲，實現(xiàn)了折耳根收獲機(jī)的多功能性。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計;折耳根收獲機(jī);關(guān)鍵模塊;多功能性

中圖分類號：S233.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

目前我國收獲機(jī)具研發(fā)和推廣是以大中型產(chǎn)品居多，而適合山地丘陵地貌的小型收獲機(jī)則相對較少。我國西南的山地丘陵地區(qū)是折耳根、馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)，其耕地大多為梯田，地塊小、細(xì)碎分散，大型收獲機(jī)械無法到田間工作[1]。收獲環(huán)節(jié)依然靠傳統(tǒng)的人工方式完成，勞動強(qiáng)度大且效率低下，因此開發(fā)小型農(nóng)業(yè)收獲機(jī)具有廣闊的市場潛力。

為推動我國農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展，工信部、農(nóng)業(yè)部和國家發(fā)改委聯(lián)合制定的《農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展行動方案（2016-2025）》中提到重點(diǎn)方向之一就是山地丘陵農(nóng)機(jī)，研發(fā)適合丘陵地區(qū)主要糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)裝備。為了降低收獲機(jī)具的設(shè)計成本，縮短開發(fā)周期，快速響應(yīng)市場變化，便于產(chǎn)品維護(hù)和升級，妥善解決多品種小批量與價格之間的矛盾，滿足用戶對產(chǎn)品多樣化需求，模塊化設(shè)計是一種有效的途徑。

將模塊化思想和技術(shù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)機(jī)械制造業(yè)中，對于推動我國農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。近年來不少學(xué)者對這方面進(jìn)行了研究。上海理工大學(xué)的刁培松等[2]根據(jù)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計特點(diǎn)，對小麥聯(lián)合收獲機(jī)的方案設(shè)計過程進(jìn)行了研究;北京工業(yè)大學(xué)的高國華等[3]根據(jù)功能單位分解的模塊劃分原則，對農(nóng)業(yè)移栽機(jī)進(jìn)行了模塊化設(shè)計。以上研究取得了較大進(jìn)展和成果，對農(nóng)業(yè)機(jī)械模塊劃分提出了許多有益建議。在對前人研究成果總結(jié)基礎(chǔ)之上，本研究通過基于對收獲系統(tǒng)功能分解、模塊劃分、關(guān)鍵模塊特別對丁齒滾壓模塊、六齒橡膠撥輪模塊作了詳細(xì)介紹，并簡述了兩種挖掘、篩分模塊，這些模塊的組合可形成以折耳根收獲機(jī)為基本機(jī)型，可配置不同功能的紅薯、馬鈴薯、等作物收獲機(jī)。一機(jī)多種配置實現(xiàn)了折耳根收獲機(jī)的多功能性。

1 模塊化設(shè)計理論

模塊化設(shè)計是將模塊化思想引入產(chǎn)品的設(shè)計，是著重解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計周期、成本之間的制約關(guān)系的設(shè)計方法。模塊化設(shè)計的產(chǎn)品系列形式具有多樣性，可根據(jù)用戶需求擬定合適的產(chǎn)品系列，通過對模塊化總體設(shè)計流程的了解，為對小型折耳根收獲機(jī)的模塊化設(shè)計打下基礎(chǔ)。

1.1 模塊化設(shè)計概念

模塊是可組合成系統(tǒng)、具有某種特定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨(dú)立單元。模塊是系統(tǒng)的組成單元，模塊化就是通過模塊形成產(chǎn)品。模塊化是一個將復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分解和整合的動態(tài)過程。模塊化設(shè)計是對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場不同需求的現(xiàn)代設(shè)計方法[4]。它包括兩方面內(nèi)容：一方面，根據(jù)市場調(diào)查與分析，以功能分解為基礎(chǔ)，合理創(chuàng)建出一系列結(jié)構(gòu)模塊，為后面的產(chǎn)品配置做基礎(chǔ);另一方面，根據(jù)用戶的具體要求對模塊進(jìn)行選擇和組合，并進(jìn)行必要的分析計算。

1.2 模塊化總體設(shè)計流程

模塊化總體設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)市場調(diào)查和用戶需求分析，擬定產(chǎn)品系列型譜，并確定主參數(shù)和參數(shù)范圍，然后建立產(chǎn)品的功能模型，根據(jù)功能模型采用適當(dāng)?shù)姆椒ê侠韯澐殖龉材K和專用模塊，之后建立結(jié)構(gòu)模塊，最后將各種具有不同功能的模塊組合成具有特定功能的產(chǎn)品。模塊化設(shè)計的目標(biāo)就是以盡可能少的模塊組合盡可能多的產(chǎn)品，即以最小的成本滿足市場不同需求[5]。模塊化設(shè)計的一般流程如圖1所示。

2 基于模塊化設(shè)計的收獲機(jī)設(shè)計

本次的設(shè)計是面向山地丘陵地區(qū)，所設(shè)計的機(jī)型應(yīng)盡量小型化、輕量化，動力配置也較小，因此變型產(chǎn)品只進(jìn)行橫系列變型，這種變形的主參數(shù)，特別是動力參數(shù)相同，只是通過變更、增減某些特定模塊達(dá)到不同作業(yè)需求。基于功能分解法將收獲機(jī)總功能分為公共模塊和專用模塊，公共模塊要能夠方便地安裝不同的專用模塊[6-7]。

2.1 收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)總體布置

針對山地丘陵地區(qū)的根莖類收獲機(jī)模塊化設(shè)計，為了縮短設(shè)計和試制周期、維修方便、降低成本，不同的收獲機(jī)要均能共享公共模塊;相對獨(dú)立的專用模塊是針對收獲不同根莖類作物設(shè)計的。在收獲機(jī)的總體布局上，模塊進(jìn)行組合時要便于裝配，模塊進(jìn)行更換時要便于拆卸，而且使機(jī)具在結(jié)構(gòu)上和性能上要有更高的柔性[8]。

折耳根收獲機(jī)的總體布置設(shè)計如圖2所示，主要包括振動平面鏟組件、輸送鏈、振動篩組件、撥輪組件、丁齒滾壓輪、機(jī)架、動力部分、操縱機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)等部分，每個組件就是一個小模塊。作業(yè)時，振動鏟進(jìn)入土壤將折耳根及土垡掘起，混合物沿著鏟面向后滑移，當(dāng)其移動到鏟面末端處的柵條上時，受振動破碎下層土壤開始下漏，為了避免壅土現(xiàn)象，由鏈條帶動的撥輪也將之推送到輸送鏈上，輸送鏈上方的丁齒滾壓輪焊接的圓環(huán)可進(jìn)一步破碎土垡，而丁齒又可以咬合較大土垡，配合圓環(huán)工作，使土垡不斷受滾壓作用而破碎，此時小塊土壤從鏈間下落，輸送鏈最終將折耳根、剩余土垡送至振動篩，由振動篩進(jìn)一步篩分，經(jīng)篩分好的折耳根進(jìn)入料斗中，當(dāng)料斗中超過一定量的折耳根時，料斗就會自動翻轉(zhuǎn)，最終將折耳根鋪放在地。

1.操縱部分 2.帶傳動 3.動力部分 4.鏈傳動5.丁齒滾壓輪 6.升降裝置 7.鏈傳動 8.限深裝置 9.撥輪組件 10.振動鏟組件 11.輸送鏈 12.連桿 13.轉(zhuǎn)向裝置 14.機(jī)架 15.振動篩組件16.驅(qū)動輪

馬鈴薯等作物收獲機(jī)總體布置與上述相同，它們共用了操縱、動力、傳動及行走部分，不同之處在于工作部分：折耳根屬于長莖類且成網(wǎng)狀，在輸送時為了盡可能地漏土，振動鏟柵條之間的間隙、輸送鏈桿之間的間隙及振動篩的間隙都應(yīng)盡可能大，其間隙為80 mm;為不使馬鈴薯下漏，要根據(jù)其外形尺寸確定柵條間隙。馬鈴薯輸送模塊采用了與地面呈30°的柵條組件，其間隙為30 mm，輸送時，為了有效破碎土垡，提高薯土分離率，也為了防止壅土現(xiàn)象，采用了六齒橡膠撥輪裝置配合柵條組件完成輸送工作，另外，其挖掘模塊采用階梯狀挖掘鏟，篩分模塊采用網(wǎng)格狀振動篩，三維模型后述會有體現(xiàn)。

2.2 功能模塊的劃分

折耳根收獲機(jī)的模塊劃分是面向設(shè)計的模塊劃分方法對其總功能進(jìn)行分解，可分解為操作功能、移動功能、輔助功能、收獲功能，這是將收獲機(jī)

總功能初步分解四個部分，它們屬于一級分功能，之后對每個部分進(jìn)一步分解，得到二級分功能模塊，此時部分功能模塊可找到功能載體則停止分解，其余的可繼續(xù)分解直到找到功能載體。收獲機(jī)的主要模塊為收獲功能模塊。收獲模塊可分為三個子模塊：挖掘模塊、運(yùn)輸模塊、分離模塊。其中，挖掘模塊又可分為切割、掘土、撥土三個模塊;運(yùn)輸模塊可分為輸送、碎土模塊，此時這些模塊就可找到可供選擇的功能載體。圖3描述了折耳根收獲機(jī)的功能分解的詳細(xì)過程。

在實際模塊劃分中，模塊劃分層次不同將會影響到結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計和裝配的難易程度。模塊層次劃分的越低，模塊功能越單一，設(shè)計結(jié)構(gòu)模塊就會越簡單，但模塊數(shù)量會增多，模塊庫復(fù)雜多變;模塊層次劃分得越高，模塊數(shù)量會越少，但模塊的功能越多，模塊的設(shè)計制造也會越復(fù)雜。故在確定模塊劃分層次時，需要綜合考慮設(shè)計制造、裝配、成本等問題[9]。

2.3 關(guān)鍵模塊的設(shè)計

滾壓輪模塊是將輸送過來的掘起物進(jìn)一步撕裂，滾碎較大土塊，從中撥出折耳根，提高分離率;撥送輪模塊是對薯土混合物進(jìn)行撕裂，破碎土塊，撥出薯塊，由于撥輪與輸送方向同向旋轉(zhuǎn)，對掘起物也有一定的推送作用，這對防止壅土起到了很好的作用，特別是對貴州地區(qū)土壤普遍黏重的情況，滾壓輪模塊尤為重要。以下主要介紹折耳根滾壓輪模塊及馬鈴的撥輪模塊。

折耳根滾壓輪模塊設(shè)計如圖4所示，主要由圓盤組件、撥指板組件、圓環(huán)、擋草橫板、弧形刮刀及固定臂等組成。固定臂與機(jī)架螺栓連接，通過長孔

可調(diào)節(jié)滾壓輪與輸送鏈的相對位置，丁齒等間距鋪滿撥指板，圓環(huán)焊接在丁齒上，鏈輪通過鏈條帶動滾壓輪旋轉(zhuǎn)，圓環(huán)對輸送過來的掘起物起到滾壓作用，破碎較大土塊，丁齒能夠?qū)ν翂K進(jìn)行撕裂作用，也能夠咬合土塊，配合圓環(huán)工作。另外，弧形刮刀會擋住雜草，防止工作時發(fā)生纏草現(xiàn)象。馬鈴薯撥輪模塊的結(jié)構(gòu)與折耳根滾壓輪相似，不同之處在于它的主軸采用六方軸與撥輪相配合，為了適應(yīng)負(fù)載變化和防止損傷馬鈴薯，撥輪部分采用六齒的橡膠輪，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

3 結(jié)束語

本文對模塊化設(shè)計理論進(jìn)行了初步研究，基于模塊化設(shè)計理念，設(shè)計了一種小型多功能折耳根收獲機(jī)，確定了其結(jié)構(gòu)整體布置。在對收獲機(jī)功能分析的基礎(chǔ)上，劃分出一系列公共模塊和專用模塊，重點(diǎn)介紹了折耳根滾壓輪模塊及馬鈴薯撥輪模塊，另外也分別展示了兩種挖掘鏟模塊、篩分模塊，這些專用模塊和公共模塊組合可對折耳根、馬鈴薯進(jìn)行收獲，實現(xiàn)了收獲機(jī)的多功能性;此收獲機(jī)轉(zhuǎn)向靈活、操作簡單、便于拆裝、維護(hù)和升級，是一種適于山地丘陵地區(qū)散戶使用的小型多功能收獲設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

[1]周訓(xùn)謙，肖潔，張佩，等.貴州馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)選擇[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（3）：67-70.

[2]刁培松，儀垂杰，吳文權(quán)，等.基于結(jié)構(gòu)模塊化方法的小麥聯(lián)合收獲機(jī)方案設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2003，34（4）：94-97.

[3]高國華，韋康成.自動化穴苗移栽機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計[J].機(jī)電工程，2012，29（8）：882-885.

[4]李夢奇.復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品模塊化集成制造[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[5]張寶輝.模塊化總體設(shè)計研究[D].長沙：國防科技大學(xué)，2004.

[6]尹健，楊寧，李屹，等.面向大規(guī)模定制的山地稻麥聯(lián)合收割機(jī)模塊化設(shè)計[J].貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，28（3）：50-54.

[7]黃瑾媛，尹健，封超.模塊化設(shè)計及其在小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械，2010，25（6）：66-68.

[8]劉學(xué)敏，劉志輝，梁燕，等.基于模塊化設(shè)計理念的多功能收獲機(jī)開發(fā)[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012，243（5）：47-50.

[9]黃瑾媛.模塊化設(shè)計在小型水稻聯(lián)合收割機(jī)中的應(yīng)用[J].設(shè)計與研究，2016，43（6）：28-31.

（責(zé)任編輯：曾 晶）