濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 山東濱州 256603

1 設(shè)計(jì)背景

土豆的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,藥理作用很多,歷來(lái)深受廣大群眾的喜愛(ài),市場(chǎng)銷量非常大。但是，土豆在收獲過(guò)程中存在一些問(wèn)題,尤其是人工收獲時(shí)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、損耗大,并且存在漏薯。對(duì)此,筆者設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化程度比較高的土豆收獲割秧一體機(jī),解決土豆收獲及割秧時(shí)的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)單人省力裝袋和機(jī)械化運(yùn)輸,以減少農(nóng)民在盛夏時(shí)的戶外工作時(shí)間[1]。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

土豆收獲割秧一體機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由扶禾機(jī)構(gòu)、秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)、夾持輸送機(jī)構(gòu)、傳送裝袋機(jī)構(gòu)、平板式齊平器、耕地機(jī)構(gòu)、塊莖分離機(jī)構(gòu)等組成[2]。扶禾機(jī)構(gòu)對(duì)要收獲的土豆莖葉完成聚攏、扶起動(dòng)作,并引入夾持輸送機(jī)構(gòu)。夾持輸送機(jī)構(gòu)中的復(fù)合皮帶兩側(cè)分布多個(gè)張緊輪,主要有動(dòng)輪和不動(dòng)輪兩種,用于保證有更大且比較均勻的夾持力夾緊皮帶,同時(shí)不誤傷莖葉。塊莖分離機(jī)構(gòu)不僅可以分離土豆塊莖,而且可以使切口規(guī)整,并盡量貼近土豆的塊莖頂端,同時(shí)將分離出的塊根和莖葉輸送至相對(duì)應(yīng)的秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)。秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)由多個(gè)碎苗輪組成,由皮帶帶動(dòng)運(yùn)行。采摘完成的土豆隨夾持輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)入傳送裝袋機(jī)構(gòu),由此完成土豆的采摘收獲。

▲圖1 土豆收獲割秧一體機(jī)結(jié)構(gòu)

3 工作原理

土豆收獲割秧一體機(jī)在控制系統(tǒng)和各個(gè)機(jī)構(gòu)的相互配合作用下,實(shí)現(xiàn)采摘、輸送、塊莖分離、秧苗切碎返土及裝袋等功能。啟動(dòng)土豆收獲割秧一體機(jī),放下耕地機(jī)構(gòu)至適當(dāng)位置。扶禾機(jī)構(gòu)中的扶禾器貼近地面,并在感應(yīng)器的作用下始終與地面維持一段距離。操作人員開動(dòng)拖車,帶動(dòng)整機(jī)開始有序工作。扶禾機(jī)構(gòu)將土豆莖葉聚攏、扶起,并引入夾持輸送機(jī)構(gòu)。在夾緊輸送機(jī)構(gòu)向斜后上方運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的拔起力的作用下,已松動(dòng)滑落的土豆塊莖被整個(gè)拔出,并隨夾持帶輸送至塊莖分離機(jī)構(gòu),順利完成根葉分離。完成塊莖分離的土豆落入傳送裝袋機(jī)構(gòu),同時(shí)將分離后的塊根和莖葉輸送至對(duì)應(yīng)的秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)。收獲完成后,操作人員關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),單獨(dú)運(yùn)行傳送裝袋機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)單人省力裝袋和機(jī)械化運(yùn)輸。秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)的工作實(shí)現(xiàn)了生態(tài)的循環(huán)性和可持續(xù)性發(fā)展,在一定程度上保護(hù)了生態(tài)環(huán)境[3]。

4 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

4.1 扶禾、夾持輸送和塊莖分離機(jī)構(gòu)

扶禾、夾持輸送和塊莖分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了提高土豆的收獲效率,扶禾機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)了扶禾器。扶禾器貼近地面,并在感應(yīng)器的作用下始終與地面維持一段距離,這樣保證了扶禾機(jī)構(gòu)將倒伏至地面的莖葉扶起、夾持,既降低漏拔率,又避免嗆土[4-5]。

▲圖2 扶禾、夾持輸送和塊莖分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

4.2 秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)生態(tài)的循環(huán)性和可持續(xù)性發(fā)展,并在一定程度上保護(hù)生態(tài)環(huán)境,符合社會(huì)發(fā)展理念,設(shè)計(jì)了秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)[6],其結(jié)構(gòu)如圖3所示。秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)主要由皮帶輪、皮帶、碎苗輪、傳動(dòng)軸組成。扶禾機(jī)構(gòu)對(duì)要收獲的土豆莖葉完成聚攏、扶起動(dòng)作,并引入夾持輸送機(jī)構(gòu)。由夾持輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)輸至塊莖分離機(jī)構(gòu),完成對(duì)土豆的塊莖分離。分離以后的塊根和莖葉輸送至對(duì)應(yīng)的秧苗切碎返土機(jī)構(gòu),莖葉和塊根在碎苗輪的作用下完成破碎和返土。秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)由皮帶輪帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.3 傳送裝袋機(jī)構(gòu)

土豆收獲完成后,為了實(shí)現(xiàn)單人省力裝袋和機(jī)械化運(yùn)輸,設(shè)計(jì)了傳送裝袋機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖4所示。傳送裝袋機(jī)構(gòu)主要由傳送帶和傳動(dòng)軸組成。完后塊莖分離以后的土豆落入傳送裝袋機(jī)構(gòu),操作人員關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),使整機(jī)停止運(yùn)行,并單獨(dú)使傳送裝袋機(jī)構(gòu)開始工作,完成單人省力裝袋和機(jī)械化運(yùn)輸,可以大大提高工作效率[7-8]。

▲圖3 秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

▲圖4 傳送裝袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

5 控制系統(tǒng)

為使整機(jī)各機(jī)構(gòu)能夠合理順暢地工作,筆者以機(jī)電一體化為基礎(chǔ),通過(guò)電子控制管理系統(tǒng)對(duì)土豆收獲割秧一體機(jī)進(jìn)行集成控制,實(shí)現(xiàn)收獲、割秧、塊莖分離等一系列處理工藝的自動(dòng)化[9]。電子控制管理系統(tǒng)以MK60單片機(jī)為控制核心,同時(shí)采用繼電器、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光電傳感器和降壓模塊等進(jìn)行輔助,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收獲、割秧、塊莖分離等功能。繼電器的種類較多,根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際要求選擇電壓繼電器,通過(guò)高低電平的觸發(fā)控制電機(jī)開關(guān)。同時(shí),在模塊電源方面設(shè)計(jì)了過(guò)流和過(guò)壓保護(hù),進(jìn)一步提高電子控制管理系統(tǒng)抵抗電壓和電流沖擊的能力。

6 樣機(jī)制作與試驗(yàn)

對(duì)土豆收獲割秧一體機(jī)進(jìn)行樣機(jī)制作,試驗(yàn)收獲、割秧、輸送等功能。結(jié)果表明，土豆收獲割秧一體機(jī)能夠順利實(shí)現(xiàn)收獲、輸送和割秧等工序的自動(dòng)化,每分鐘可收獲43 kg土豆，收獲率達(dá)85%～90%。未收獲的土豆主要集中在土地深側(cè)或?yàn)樾⌒屯炼?對(duì)土豆表面的破壞程度小。夾持輸送機(jī)構(gòu)可連續(xù)流暢地進(jìn)行傳送，塊莖分離機(jī)構(gòu)可根據(jù)土豆大小調(diào)節(jié)螺紋桿的固定高度,進(jìn)而調(diào)節(jié)土豆的切口高度。經(jīng)試驗(yàn),設(shè)定夾持輸送機(jī)構(gòu)的上行速度為5～7 cm/s,扶禾機(jī)構(gòu)將莖葉聚攏后進(jìn)入夾持輸送機(jī)構(gòu)，并設(shè)定延時(shí)0.5 s夾持輸送機(jī)構(gòu)再次運(yùn)轉(zhuǎn),此時(shí)塊莖分離機(jī)構(gòu)的效率最佳,約為90%。后期改進(jìn)時(shí)可考慮在傳送裝袋機(jī)構(gòu)中附加水管,以便沖洗土豆[10]。

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了土豆收獲割秧一體機(jī)，可以自動(dòng)連續(xù)實(shí)現(xiàn)收獲、割秧、塊莖分離等功能,環(huán)保，安全。扶禾機(jī)構(gòu)和夾持輸送機(jī)構(gòu)銜接順暢,夾持輸送機(jī)構(gòu)中的復(fù)合皮帶兩側(cè)分布多個(gè)張緊輪,主要為動(dòng)輪和不動(dòng)輪兩種,用于保證有更大且均勻的夾持力夾緊皮帶，并且不誤傷莖葉,使夾持輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)順暢。采用間距可調(diào)節(jié)的塊莖分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行塊莖分離,不僅能適應(yīng)不同尺寸的土豆,而且能減小對(duì)土豆的破壞,進(jìn)而提高收獲和塊莖分離的效率。完成塊莖分離的土豆落入傳送裝袋機(jī)構(gòu),分離后的塊根和莖葉輸送至對(duì)應(yīng)的秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)。收獲完成后,操作人員關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，單獨(dú)運(yùn)行傳送裝袋機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)單人省力裝袋和機(jī)械化運(yùn)輸。

秧苗切碎返土機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了生態(tài)的循環(huán)性和可持續(xù)性發(fā)展,在一定程度上保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。這一土豆收獲割秧一體機(jī)能夠有效提高土豆收獲處理的生產(chǎn)效率,具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。