自走式木薯收獲機的設計

楊　怡，廖宇蘭，王　濤，鄭美云

(海南大學 機電工程學院，海口　570228)

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自走式木薯收獲機的設計

楊怡，廖宇蘭，王濤，鄭美云

(海南大學 機電工程學院，海口570228)

摘要：針對目前我國木薯機械化水平低、人工收獲費時費力、效率低等問題，設計了自走式木薯收獲機。收獲機由履帶底盤帶動，主要由挖掘裝置、夾持輸送裝置、土薯分離裝置和傳動系統等組成，能一次性完成木薯挖掘、夾持輸送、薯莖分離及去土收集等工序；夾持輸送機構能有效降低挖掘阻力，降低了機器動力要求；收獲過程耗用人工少，顯著提高了生產效率。該設計可為木薯收獲機械的深入研究和發展提供參考。

關鍵詞：木薯；收獲機；自走式；夾持輸送

0引言

木薯廣泛種植于熱帶、亞熱帶地區，是世界三大薯類作物(木薯、馬鈴薯、甘薯)之一，具有很高的營養價值，含有豐富的淀粉，被譽為“淀粉之王”；同時也是一種重要的能源作物，能生產乙醇，作為能源使用。在我國，木薯主要產區有海南、廣東、廣西、福建、云南等省區，種植面積已超過60萬hm2，產量達到1 000萬t以上，是一種重要的糧食和能源作物[1-4]。

盡管我國木薯的種植規模不斷擴大，但其機械化收獲水平卻很低，大部分依靠人工作業完成，少數地區實現了半機械化的木薯收獲，勞動強度大，生產成本高。目前，國外已經有專門的木薯收獲機，主要為牽引式，大多為單行或雙行收獲。我國的木薯收獲機研究還處于起步階段，專門用于木薯收獲的機械很少。由于地理環境、種植規模等不同，研制出適合我國國情和農藝要求的木薯收獲機關系到我國木薯產業的發展。本文借鑒馬鈴薯、花生、蘿卜和紅薯等作物收獲機械的基本原理，結合木薯的生物特性，設計了一種自走式木薯收獲機。

1整機結構及主要技術參數

1.1整機結構及工作原理

自走式木薯收獲機主要由挖掘裝置、夾持輸送裝置、薯莖分離裝置、土薯分離裝置、薯塊輸送裝置、薯塊收集裝置、傳動系統、液壓系統，以及自走式履帶底盤和地輪等組成，可一次性完成木薯挖掘、薯莖分離、輸送、去土及收集等作業，結構如圖1所示。

1.強制輸送輪　2.前縱梁　3.夾持帶　4.土薯分離裝置

本機為自走式單行收獲機，動力由內燃機和電池提供；內燃機驅動收獲機行走，并為發電機、土薯分離和薯塊傳輸等裝置提供動力；電動機帶動液壓泵控制挖掘鏟、地輪的升降和液壓馬達的運轉；電池為薯莖分離裝置的切割刀片和強制輸送裝置提供動力。

工作前，需要由人工在離地30cm前砍掉木薯稈。工作時，液壓裝置驅動挖掘鏟進入地下，同時放下地輪，地輪的作用是調節挖掘深度。內燃機驅動收獲機行走，同時挖掘鏟在地下完成挖掘松土作業；在強制喂入裝置的作用下木薯稈進入夾持帶，夾持帶夾住木薯稈，隨著夾持帶的運轉和機器的行走，木薯被拔起并向上輸送；當輸送到切薯裝置處時，旋轉的切割刀將薯塊從莖桿根部切下，掉落在土薯分離裝置上，被切下的莖稈由夾持帶送入莖稈收集裝置中；掉落在土薯分離裝置上的木薯和土塊在輸送帶的抖動作用下分離、疏松，土塊由輸送帶的縫隙落入地面，木薯進入薯塊傳送裝置，最后傳送到薯塊收集裝置，完成收獲作業。

1.2主要技術參數

外形尺寸(長×寬×高)/mm：3 000×1 600×1 800

配套動力(柴油機)/kW：44～58.8

工作行數/行：1

收獲行距/cm：80～150

挖掘深度/mm：0～350

作業速度/m·s-1：1～1.5

生產率/hm2·h-1：0.36～0.54

2主要機構及部件設計

2.1挖掘鏟

挖掘鏟的作用是破壞木薯塊根底部的土壤結合力，減少塊根的拔起力，然后利用夾持輸送裝置拔出木薯。根據機器的結構特點和木薯的生長特點，挖掘鏟既要入土阻力小，又要有一定的碎土性；同時要防止挖起的土壤和雜草堵塞夾持輸送裝置，能使木薯順利拔起并輸送到后面。本機器中，挖掘鏟設計為分段式平面組合鏟，如圖2所示。

圖2　挖掘鏟

為提高機器效率，挖掘鏟應盡量減少挖起的土壤量，降低挖掘阻力，防止壅堵。本設計中，鏟的提升高度為15cm。挖掘鏟參數和受力簡圖如圖3所示。

圖3　挖掘鏟參數和受力簡圖

2.1.1鏟刃張角γ

鏟刃張角γ必須使挖掘鏟有良好的切割能力，能順利切開土壤和雜草，并能使雜草滑離鏟刃，防止堵塞。為此，必須滿足以下條件，即

參照農業機械手冊[5]可知：當α=20°左右時，一般γ取80°～100°。

2.1.2鏟的傾角α

鏟面傾角α大小影響挖掘鏟的入土性能、碎土能力、挖掘阻力及對土壤的提升高度。當α小時，入土性能好，挖掘阻力小，但會增加鏟的長度；當α大時，碎土性能好，但入土性差，挖掘阻力大。根據圖3，可建立公式為

Pcosα-μR-Gsinα=0

R-Gcosα-Psinα=0

因此有

李彥晶等人研究得出[6]：當α在10°～20°范圍內時，挖掘阻力比較小；為保證提升高度，同時縮短鏟的長度，取α1=18°，取α2=25°。

2.1.3鏟的寬度B

鏟的寬度應保證盡量少的土壤移動，且不會損傷木薯。研究表明[7]：對于單行收獲，挖掘鏟的寬度為80 cm時，木薯損失量為1.6%。考慮到機器行進的不穩定性，組合后挖掘鏟的寬度取100 cm，其中每個鏟面的寬度B為9～12cm。

2.1.4鏟的長度L

挖掘鏟為二階平面鏟，鏟的長度L根據挖掘深度h和鏟面傾角α計算，即

其中，h1、h2的高度與土質和木薯種植工藝有關。

2.2土薯分離裝置

土薯分離裝置的作用是將拔起的木薯與土壤分離，并運送到傳輸帶上。本機設計為桿條鏈式抖動分離裝置，如圖4所示。

1.鏈輪　2.鏈條　3.抖動輪　4.皮帶　5.金屬桿

分離裝置由多根金屬桿組成，每根桿分別固定在兩側的鏈條上，桿之間有一定的縫隙。在分離裝置中部設置一個橢圓形抖動輪，分離裝置由機構驅動向機器左側的傳輸帶運動，同時帶動抖動輪轉動。切薯刀將木薯切下后，木薯隨土塊一起掉落在分離裝置上。在傳輸的過程中，抖動輪的振動會使土壤和木薯分離，碎裂后的土壤經金屬桿之間的縫隙漏下，木薯則運送到縱向的傳輸帶上，完成去土作業。

桿條鏈式抖動分離裝置的設計參數主要是桿條之間的間隙、桿條長度及鏈條線速度。桿條間隙和桿條長度主要取決于木薯塊的外形尺寸，在保證薯塊不下漏的前提下達到去土的目的。根據木薯塊根的特點，取金屬桿的直徑為1cm，長度為50cm，桿條之間的間隙為3cm，鏈條的傳輸距離為100cm。鏈條的線速度應保證薯塊在金屬桿上不會產生相對滑動，以避免薯塊磨損，同時又不能產生壅土現象，因此設計鏈條的線速度略大于機器的行進速度。

2.3夾持輸送裝置

夾持輸送裝置是本機最關鍵的部件，主要作用是在機器前進時，強制喂入輪相向旋轉使木薯莖稈進入夾持機構，在夾持帶的作用下，拔出由挖掘鏟松土后的木薯并向上運送到切薯機構。夾持輸送裝置主要由強制喂入機構、夾持帶、夾持輪、帶輪、張緊輪、固定輪和機架等組成。工作時，兩條夾持帶相向回轉，在靠近夾持面的兩條多楔帶上分別布置多個夾持輪和固定輪，夾持輪的夾持力隨彈簧的伸縮改變，以保證夾持均勻有力，防止木薯莖桿脫落或斷裂，其結構如圖5所示。其中，強制喂入裝置與地面水平，夾持機構傾斜放置。

1.強制喂入輪　2.夾持帶　3.彈簧　4.拉桿　5.帶輪

2.3.1夾持輸送裝置結構參數

為提高夾持力，同時又不會將莖稈夾斷，夾持輸送帶選用柔韌性好的多楔帶。工作時，多楔帶的梯形楔能嵌入帶輪的凹槽中，運轉平穩、振動小，可防止工作過程中夾持帶脫落， 同時提高拔起力。

2.3.2夾持輸送裝置工作參數

當沿木薯莖稈方向拔起時，木薯破損率、莖稈折斷率等損失最小，所需拔起力也最小[8]。木薯的拔起力與拔起速度有關，拔起速度受機器行駛速度、夾持帶運轉速度和夾持帶傾角影響。在挖掘鏟的作用下，靠近挖掘鏟一端的木薯下部被抬起，使木薯莖稈在拔起前會向前傾斜一個角度。木薯拔起速度模型如圖6所示。

圖6　木薯拔起速度模型

圖6中，Va為機器行進速度(m/s)；Vb為夾持帶運轉速度(m/s)；Vc為拔起速度(m/s)；β為夾持機構傾角(°)；λ為木薯前傾角度，取λ=5°～10°。

由正弦定理得

由上式可知：夾持帶的速度與夾持機構傾角和機器行進速度有關。考慮到夾持機構的布置應方便夾持、防止壅堵，取β=40°，則Vb=(1.14～1.21)Va，Vc=(1.54～1.56)Va。取Vb=1.2Va，Vc=1.55Va。

根據楊望等人的研究[9]可知：最大拔起力會隨著拔起速度Vc的增大而增大，且在Vc為2m/s時，最大拔起力由快速增大轉為緩慢增大；當拔起速度為2m/s時，機器的行走速度為1.3m/s，夾持帶的運轉速度為1.56m/s。

2.4動力傳輸裝置

發動機輸出軸通過動力分配系統分成兩路傳出：一路輸出給行走裝置，驅動機器行走；另一路通過離合器傳給主傳動軸，再由皮帶與發電機、變速箱和傳送帶連接，完成土薯分離和薯塊運輸等作業。由于土薯分離裝置的運動方向與主傳動軸不一致，為實現動力傳動，在相應位置連接變速箱，利用變速箱內的錐齒輪達到改變動力方向和動力大小的目的。為減少動力傳輸路線，直接在夾持輸送機構的帶輪上布置兩個液壓馬達。電動機為液壓泵提供動力，液壓泵通過控制閥分別控制挖掘鏟的液壓缸伸縮和液壓馬達旋轉。液壓控制系統如圖7所示。

圖7　液壓控制系統示意圖

3結論

1)我國木薯收獲機研究起步較晚，針對木薯塊根拔起速度模型和莖稈力學性能的分析研究比較缺乏，缺少成熟機型。該機參考馬鈴薯、胡蘿卜、紅薯等機器的設計思路，但缺少木薯收獲的技術支持，仍需進行較多的田間試驗，優化設計參數，以更好地滿足木薯收獲的要求。

2)挖掘鏟為分段式平面組合鏟，減小了鏟面觸土面積，增加了漏土性能，可有效降低挖掘阻力；分段式結構提高了入土和碎土能力；通過限深輪調節入土深入，減小了機架的負荷，能滿足不同種植工藝的木薯收獲要求。

3)夾持輸送帶采用柔韌性好的多楔帶，能有效地提高夾持力，可防止夾持帶脫落，保證了機器的工作性能。

參考文獻：

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-0099-EA

Design of the Self-propelled Harvester for Cassava

Yang Yi， Liao Yulan， Wang Tao， Zheng Meiyun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hainan University， Haikou 570228， China)

Abstract：In order to solve the inadaptation problems of low mechanization, and time-consuming, tedious, inefficient process in manual harvesting, a new self-propelled harvester for cassava was designed. The harvester was driven by a tracked chassis, and was mainly composed of digging device, clamping and conveying device, separating device and transmission system. The cassava harvester enables a one-stop achievement of cassava digging, clamping and conveying, separating roots from stems, soil removing and cassava collecting. The requirements of power and has been reduced by clamping and conveying device. It effectively decreases the labor cost and enhances the production efficiency. This design provides a reference for further research and development of cassava harvesters.

Key words：cassava ; harvester; self-propelled; clamping and conveying

文章編號：1003-188X(2016)04-0099-04

中圖分類號：S225.7+1

文獻標識碼：A

作者簡介：楊怡(1990-)，男，湖北天門人，碩士研究生，(E-mail)894628748@qq.com。通訊作者：廖宇蘭(1967-)，女，廣東興寧人，教授，碩士生導師，(E-mail)liaoyulan@sina.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51365011)

收稿日期：2015-03-20