雙行馬鈴薯收獲機挖掘部件的設(shè)計

黃 明 張 建 龔明勝

（貴州省畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校，貴州 畢節(jié) 551700）

馬鈴薯挖掘部件的主要作用是把馬鈴薯和土壤掘起， 并傳輸?shù)椒蛛x部件上。 對挖掘部件的要求是:盡量在少掘取土壤的情況下挖凈馬鈴薯；挖掘深度穩(wěn)定，并能根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，保證土垡能沿鏟面順利通過，并有較強的碎土能力；為了防止工作時纏草和雍土，要求挖掘部件有自潔功能；牽引阻力小，刃口有較好的耐磨性[1]。

1 挖掘部件的受力特性

為了保證鏟既能輕易將土垡切開， 又能使鏟后段離地有足夠的空間，本文選用兩段式平面挖掘鏟。其主要參數(shù)有[1]：鏟刃斜角θ，鏟的寬度B，鏟的傾角α，鏟的長度L。 挖掘鏟受力如圖1所示。

圖1 挖掘部件受力圖

2 鏟刃斜角θ

為了保證鏟刃的自動清潔作用，鏟刃斜角θ 應(yīng)滿足下式：

式中θ 為鏟刃斜角，φ 為土壤和鋼的摩擦角，取30°～36°。 在鏟的傾角為20°左右時，一般θ 取40°～50°，本文θ 取48°。

3 鏟的傾角α

鏟的傾角α 應(yīng)小于24°，一般α 越小，鏟的阻力越小，為了保證既能較容易地用鏟將土垡切開， 又能使鏟后端離地高度h有足夠的值，鏟面分兩段，前段傾角α1=10°～15°，后端傾角α2=16°～24°。

取鏟面傾角α 和挖掘鏟的長度L 可由圖1 求出， 根據(jù)受力圖分析可得方程式：

式中：P 為沿著挖掘部件移動時掘起物所需的力 （N）；G 為鏟面上土壤的重力（N）；F 為土壤沿鏟面的摩擦力（N）；N 為挖掘部件對土壤的反作用力 （N）；μ 為土壤對挖掘鏟的滑動摩擦系數(shù)，土壤對鋼的滑動摩擦系數(shù)為0.577～0.721，μ=tanφ，土壤對鋼的摩擦角為30°～36°[2-4]。

將（2）、（3）和（4）三式聯(lián)立可求得：

如果α 大于式（5）中α 的值，壟臺就壅在挖掘鏟上，并會帶著馬鈴薯從旁邊散落。實際上，角α 值隨挖掘鏟的松土程度以及對土壤的提升高度而定， 松土與升土的程度與安裝在挖掘鏟后面的分類裝置種類有關(guān)。 一般情況下，鏟的傾角α 角增大，有利于碎土，但挖掘阻力會增加，當(dāng)α=25°時，中等堅實土壤就會出現(xiàn)相當(dāng)大的壅土。 當(dāng)h 保持一定的情況下，鏟的傾角α 減小時，挖掘部件的長度就會加長，同時也會引起挖掘阻力增大。鏟的傾角α 的值越大，挖掘部件的長度就越短。 因此，綜合考慮以上因素，本文挖掘部件前段傾角α1取17°，后端傾角α2取20°[1-2]。

4 鏟體總長度L

挖掘部件的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，挖掘部件的長度分前段L1和后段L2，挖掘部件的前段L1的長度，可依據(jù)確定后的鏟的傾角α的值，以及略大于平均挖掘深度h1值（14cm～18cm）[1-2]而定。挖掘部件的前段L1的長度為：

鏟的后段長度L2可用能量定理進行計算。 假設(shè)土壤沿鏟面以馬鈴薯收獲機的前進速度VB 運動到B 點， 則土壤 （質(zhì)量為m）在B 點所具有的動能為：

若掘起物沿鏟面移動到鏟的末端C 點時，則土壤開始膨脹、堆積和向鏟的兩端散開，塊莖隨之顯露出來，即掘起物在B 點具有的動能完全用于克服通過長度L2的摩擦功和掘起物提高了h2所做的功。 L2的長度為：

式中：L2為鏟后段長度 （mm）；VB為機器的前進速度（m/s）；α2為鏟的傾角 （°）； 為土壤對鋼的摩擦角 （°）；g 為重力加速度（9.8m/s2）

挖掘鏟的總體長度為

根據(jù)公式（9）及參考同類挖掘鏟的長度，取L=380cm。

5 鏟的寬度B

挖掘鏟的寬度設(shè)計主要取決于馬鈴薯的地下分布寬度和馬鈴薯的種植行距。根據(jù)馬鈴薯栽培學(xué)和實際調(diào)查提供的數(shù)據(jù)，我國大部分馬鈴薯品種結(jié)薯集中，馬鈴薯壟寬為40～50cm，種植行距為50～70cm，馬鈴薯地下分布的平均寬度為30～40cm[1-2]。 由于馬鈴薯地下分布寬度和行距的不均勻性、 植株對壟中心的偏移以及馬鈴薯收獲機工作時偏離壟中， 雙行馬鈴薯收獲機的工作幅寬B[1]為：

式中：M 為平均行距 （mm）；b 為馬鈴薯的平均寬度；c 為收獲機行駛偏差，c 取50～80mm；σM為行距的均方差（mm）；σb為馬鈴薯分布寬度的均方差（mm）。

綜合考慮以上因素，確定鏟的寬度B 為140cm。

6 結(jié)論

本文對雙行挖掘鏟進行設(shè)計，得到以下結(jié)論：

（1）鏟的寬度B 為140cm；（2）挖掘鏟鏟刃斜角θ 為48°；（3）鏟面前段傾角α1為17°，后段傾角α2為20°；（4）鏟的長度L 為38cm。

[1]中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機械化設(shè)計手冊（上冊）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[2]張建.4M–2 型馬鈴薯聯(lián)合收獲機優(yōu)化設(shè)計與仿真[D].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008:8-11.

[3]鄧偉剛，孫宏，王春光.馬鈴薯挖掘鏟工作阻力計算與分析[J].農(nóng)機化研究，2014（10）：71-74．

[4]呂金慶，陳春富，李世柱.馬鈴薯挖掘機挖掘鏟的設(shè)計[J].農(nóng)機化研究:2004（3）：105-106.