馬鈴薯殺秧機的優化設計與分析

孫景彬，李學強，王相友

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馬鈴薯殺秧機的優化設計與分析

孫景彬1，李學強2，王相友1

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255091；2.山東希成農業機械科技有限公司，山東 德州 253600)

馬鈴薯收獲前的殺秧處理對后期的收獲效率及馬鈴薯品質有著非常顯著的影響。為此，針對當前馬鈴薯殺秧機存在作業效率低、留茬高度不均勻及帶薯率高等問題，設計了一款新型高效的馬鈴薯殺秧機。本機可根據不同地塊、不同馬鈴薯品種的需要調節留茬高度，提高了后續收獲的流暢性；刀具采用甩刀的形式并在殺秧軸上呈仿壟形分布，極大降低了帶薯率及傷薯率。同時，對關鍵部件進行了有限元分析，結果表明：所設計的部件均滿足強度要求。對樣機進行了田間試驗，試驗結果表明：殺秧效率明顯提高，留茬高度均勻，帶薯率顯著降低，均滿足馬鈴薯的殺秧作業要求。本研究對提高馬鈴薯殺秧機的作業效率及后續收獲效率、更好地適用于馬鈴薯的大規模收獲具有重要意義。

馬鈴薯；殺秧機；甩刀；仿壟形；有限元分析

0 引言

十三五期間，為了貫徹落實新形勢下糧食安全戰略部署，國家啟動了馬鈴薯主糧化戰略，且馬鈴薯將成為國內繼三大主糧之后的第四大主糧作物[1-3]，因此實現馬鈴薯全程機械化迫在眉睫。

目前，在馬鈴薯收獲過程中均需要殺秧處理，這樣可提高收獲效率，促進薯皮老化，進而有效地降低馬鈴薯在收獲過程中的破皮率。此外，殺秧處理對減小收獲機薯秧分離器負載、提高薯秧分離效率及降低故障率具有重要意義[5]。國內馬鈴薯殺秧機械明顯落后于國外[4]，其主要代表有中機美諾1804型殺秧機[8]、青島農業大學設計的小型殺秧機[7]及甘肅農業大學設計的甩刀式殺秧機[4]等。國內現有殺秧機存在一系列問題，如莖秧易纏繞機器、打碎長度不均、易帶薯及護罩粘土嚴重等，導致國內殺秧機械主要依靠進口來滿足需要。因此，國內市場急需一款穩定性好、適應性強及工作效率高的馬鈴薯殺秧機[5]。

本文通過對殺秧刀的結構參數及排列方式的改進，設計了一款新型四壟仿壟形殺秧機，該機可以根據不同的留茬高度要求完成殺秧作業，作業效率明顯提高，秧草纏機率、帶薯率顯著降低，為馬鈴薯殺秧機的進一步研究提供了參考。

1 總體結構及主要技術參數

1.1 總體結構及工作原理

4JM-360B型懸掛式馬鈴薯殺秧機采用仿壟形設計，用于馬鈴薯收獲前殺秧處理，可一次完成薯秧切除及梳理分流作業，為后續的高效低能耗收獲提供條件。本機主要由機架、傳動裝置、殺秧軸、地輪及導流隔板等組成，如圖1所示。

1.地輪 2.導流隔板 3.殺秧軸 4.機架 5.殺秧刀

殺秧作業過程中，拖拉機牽引馬鈴薯殺秧機沿薯壟方向前進，拖拉機動力輸出軸通過萬向節與變速箱連接[5]，變速箱通過兩側傳動軸將動力傳至兩側皮帶輪，經過帶傳動驅動殺秧軸，進而帶動鉸接在殺秧軸上的殺秧刀做高速旋轉運動；高速旋轉的殺秧刀將莖秧及雜草切割、打碎，導流隔板將秧苗及雜草分向兩側的壟溝[5]。

1.2 殺秧機主要技術參數

本文嚴格按照馬鈴薯的農藝技術要求設計了馬鈴薯殺秧機，以滿足市場需求及便于推廣。該機采用甩刀式殺秧刀，可根據不同地塊和不同馬鈴薯品種的壟距需求進行調整裝配，提高了機具的適用性，其主要技術參數如表1所示。

表1 殺秧機主要工作技術參數

2 主要部件的改進設計

2.1 傳動裝置

為了保證馬鈴薯殺秧機在殺秧作業過程中，保持殺秧軸的工作平穩性，該機的傳動系統采用兩條傳動路線同步驅動殺秧軸，其動力傳動路線：拖拉機動力輸出軸→變速箱→大帶輪→小帶輪→殺秧軸。其傳動路線如圖2所示。

殺秧機工作過程中，由于地勢不平及薯壟形狀不一，殺秧刀易與石塊或薯壟相碰撞，極易產生不均勻的載荷沖擊。因此，為了緩和載荷沖擊采用帶傳動，其工作狀態比較平穩，即使出現過載，帶傳動發生打滑亦可防止其他部件的損壞。

傳動比的分配[4]。已知拖拉機的輸出軸轉速n1為540r/min，為了得到殺秧軸的合理轉速取n2為1 300r/min。殺秧機傳動系統中的齒輪傳動比及皮帶輪傳動比至關重要，對殺秧機有關傳動比進行分析，則

i=n1/n2

(1)

i1=z1/z2

(2)

i2=d1/d2

(3)

is=i1·i2

(4)

式中i—理論傳動比；

n1—輸入軸的轉速(r/min)；

n2—殺秧軸的轉速(r/min)；

i1—齒輪傳動比；

z1—輸入軸齒輪齒數；

z2—輸出軸齒輪齒數；

i2—皮帶輪的傳動比；

d1—小皮帶輪的節圓直徑(mm)；

d2—大皮帶輪的節圓直徑(mm)；

is—實際總傳動比。

經計算得，i

2.2 秧草導流隔板的設計

在殺秧作業過程中，殺秧刀打碎的薯秧、雜草會被拋到殺秧機的護罩上。為了便于將打碎的薯秧、雜草進行導向分流，進而將其均勻地鋪放到壟溝中，為后續的高效率、高質量收獲提供保障，本文設計了秧草導流隔板，其結構如圖3所示。

1.小皮帶輪 2.大皮帶輪 3.機殼 4.大齒輪 5.輸入軸

圖3 秧苗導流示意圖

其工作原理為：在機具前進過程中，打碎的薯秧、雜草會隨高速旋轉的殺秧刀旋轉進而拋撒到殺秧機的護罩上，并沿著秧草導流隔板滑落至壟溝。其中，A向表示薯秧、雜草拋撒方向；B向表示殺秧機前進方向。

2.3 地輪的改進設計

地輪為殺秧機的行走支撐裝置，是殺秧機械中較為關鍵的部件。為了滿足不同地塊、不同馬鈴薯品種的需求，需要調整殺秧機與地面的高度，進而保證合理的留茬高度。

現有殺秧機是通過地輪上的調整拉桿來調整殺秧機與地面的高度，較為繁瑣，且不能根據壟距的大小調整地輪位置，適應性比較差。故對其作出相應的改進，改進后的地輪如圖4所示。

1.調節孔 2.機架 3.調節桿 4.地輪

新殺秧機地輪利用調節桿調整，通過旋轉調節桿來完成地輪高度的調節，進而控制秧茬的高度。此外，改進后的地輪可以沿著機架做橫向的調節，從而可以根據壟距的大小改變地輪的位置，與改進前的地輪裝置相比較，結構更加簡便，適應能力更強。

2.4 殺秧刀的結構設計

為避免在殺秧作業過程中對馬鈴薯的損傷，需根據馬鈴薯種植的壟形特點，將殺秧刀在殺秧軸上的排布設計為仿壟形[5]。此外，為提高殺秧作業的質量和效率，殺秧刀采用甩刀形式鉸接到殺秧軸上，并呈雙螺旋分布，其結構如圖5所示。

2.4.1 殺秧刀的設計

由于現有馬鈴薯殺秧機使用的殺秧刀存在一系列的問題，導致殺秧效率低、留茬高度不均，進而影響后續的收獲質量和效率。因此，對其進行了改進設計[5]，其結構如圖6所示。

1.外軸 2.甩刀固定盤 3.旋轉軸 4.內軸

(a) 壟頂短刀 (b) 壟側斜刀

(c) 壟溝長條折彎刀 (d) 壟溝長條刀

(e) 壟溝短條刀

為了滿足殺秧刀在殺秧軸上成仿壟形排布，需要設計結構不一的殺秧刀(見圖6)，所有殺秧刀均采用鉸接的方式與銷軸連接，且連接孔直徑為35mm，以保證殺秧刀可適當地自由甩動[5]。為了滿足仿壟形的需要，將壟側刀設計為斜刀形式；為了便于對薯秧進行滑切，減少切削阻力[5]，將壟頂短刀和壟側斜刀的工作面設計為圓弧狀，以利于泥土和秧草碎屑的滑落。若壟頂短刀和壟側斜刀的圓弧半徑過小，會造成應力集中；反之，則會影響殺秧的效果。因此，根據試驗結果并進行優化分析，取壟頂短刀的圓弧半徑R=75mm，壟頂斜刀的圓弧半徑R1=95mm。

此外，現有殺秧刀沒有開刃，導致留茬高度不均，故對殺秧刀進行開刃處理。考慮到殺秧刀刃角的大小會直接影響其殺秧性能和使用壽命，因此取殺秧刀刃角為35°，經試驗，殺秧的質量明顯提高。

為了增加殺秧刀與薯秧的接觸面積，并提高對其的聚斂效果，將壟溝刀設計為折彎刀形式，如圖6(c)所示。若刀具前端的折彎角度較小，秧草極易纏繞其上；反之，則起不到聚斂薯秧的作用。經初步試驗分析，取折彎角度40°較為合適。此外，刀具進行開刃處理，角度取35°，有效降低了粘土量。刀刃處進行淬火處理，可大幅度提高殺秧刀的硬度、耐磨性及疲勞強度等性能。

靠近折彎刀的部位，設計了長條刀和短條刀，如圖6(d)、圖6(e)所示。折彎刀一側的長條刀可將折彎刀所聚斂的薯秧打碎；短條刀靠近長條刀排布，由于壟溝中的莖秧相對較為疏松，故其工作面積相對較小，工作表面主要是前端。

殺秧刀在殺秧軸的排列效果如圖7所示。

1.刀軸固定盤 2.壟溝短條刀 3.壟溝長條刀 4.壟溝長條折彎刀 5.壟側斜刀 6.壟頂短刀 7.刀軸 8.殺秧刀固定板 9.立式座軸承 10.小皮帶輪

2.4.2 甩刀在刀軸上的排布

殺秧刀在殺秧軸上的分布會直接影響殺秧的效果，且分布的形式是多種樣式的[4]。本文設計的殺秧機采用兩條殺秧軸，每條軸安裝46把殺秧刀并呈雙螺旋對稱形式分布，其分布如圖8所示。

圖8 殺秧刀分布展開圖

圖8中，橫軸表示每條螺旋線上的23把殺秧刀，從左至右第1、3、5條線代表一條螺旋線的展開，第2、4條線代表另一條螺旋線的展開；縱軸代表刀具之間的螺旋升角，5種形狀分別表示5種不同形式的殺秧刀。

殺秧刀在殺秧軸上的軸向分布比較均勻，且刀具在殺秧軸上的螺旋升角相同，均為30°，可有效保證殺秧軸在旋轉時受力平衡，提高殺秧作業過程中的穩定性[4]。

3 殺秧刀的有限元分析

為了保證殺秧刀的強度、剛度及穩定性等方面的要求，運用ANSYS軟件對設計的殺秧刀進行有限元分析，從而得到在所受載荷作用下的應力、應變特點，實現刀具強度、穩定性的校核。

3.1 創建有限元模型

1)導入殺秧刀的三維模型。將SolidWorks所建立的實體模型經過相應的轉換處理后導入到ANSYS軟件中[10]。

2)設置殺秧刀材料屬性。殺秧刀的材料為65Mn，該材料的密度為7.81×103kg/m2，楊氏彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強度為430MPa[10]。

3)劃分網格。對定義好材料屬性的殺秧刀進行網格劃分，采用六面體網格劃分形式，最終生成的殺秧刀網格體如圖9所示。

圖9 殺秧刀網格劃分

3.2 對壟溝長條折彎刀進行有限元分析

付玉進了衛生間，我聽到里面水龍頭的嘩嘩聲。像細雨打擊著竹林，又像雨水沖刷著老城墻上的屋檐，雨中夾雜著風聲和奇異的香味，這種香味，變成了欲望的泡沫，在我骨頭里翻滾竄動，我穿著短褲，感到一條泥鰍要從褲襠里蹦出來。

測定切割馬鈴薯莖稈時甩刀的切割阻力為72.4～120.9N，設計的刀片厚度為6～8 mm[10]。因此，在刀具的受力位置處施加均布載荷，經計算，所需施加載荷的大小為0.02 MPa，分析結果如圖10所示。

(a) (b)

圖10(a)為總變形分布云圖。其中，最大的變形區域為刀具切削刃前端，最小變形區為刀具與軸的鉸接處，大約為0.21mm，變形量很小，可以忽落不計[10]，故滿足變形要求，可以較好地保證刀具的工作性能。圖10(b)為等效應力分布云圖。其最大的應力分布區為刀具的中上部扭轉處，約為9.70MPa，最小應力刀頂端部位，值約3.67×10-6MPa，最大應力要遠遠小于刀具的屈服極限強度，滿足強度要求。

運用同樣的方法對其它的殺秧刀作有限元分析，其分析結果如圖11所示。

通過上述有限元靜力學分析，完成對所有殺秧刀的應力和變形校核，基本滿足強度要求，為加工生產提供了較為可靠的理論依據。

(a) 短刀

(b) 斜刀

(c) 短條刀

(d) 長條刀

4 田間試驗

4.1 試驗條件

在馬鈴薯收獲前，對改進后的4JM-360B型懸掛式馬鈴薯殺秧機進行了田間試驗，選用約翰迪爾1254型四輪驅動式拖拉機，配套動力為88.2kW，作業速度取5km/h，殺秧軸轉速為1 300r/min[11]，進行四壟殺秧試驗。殺秧前，根據殺秧的具體要求來調整地輪得到合理的留茬高度，如圖12所示。

圖12 田間試驗

4.2 試驗結果

在田間進行多次試驗，對試驗的結果取平均值[6]，并與GB5262-2008農業機械試驗條件與測定方法的規定標準作相應的比較[14]，結果如表2所示。

表2 殺秧機田間試驗結果

由試驗結果可知：各項指標的試驗結果均優于指標的標準，與原有殺秧機的工作性能相比較，有了較為明顯的提升。

5 結論

1)在原有兩壟馬鈴薯殺秧機的基礎上進行了四壟改進設計，大大提升了殺秧的工作效率，降低了能耗；對地輪的改進設計，提高了殺秧機的適應性；秧草導流板的設計，可將打碎的薯秧、雜草均勻地鋪放到壟溝中；對殺秧刀在殺秧軸上的分布方式進行了改進，提高了殺秧機的仿壟形效果。

2)對殺秧刀進行了有限元分析，通過殺秧刀的變形、應力云圖分析得出所設計的殺秧刀滿足強度要求，為后續加工生產提供了較為可靠的理論依據。

3)田間試驗結果表明：改進后的4JM-360B型懸掛式馬鈴薯殺秧機的各項測試指標要優于指標標準，基本滿足馬鈴薯的殺秧作業要求。

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Optimization Design and Analysis of Potato Seedling Cutter

Sun Jingbin1, Li Xueqiang2, Wang Xiangyou1

(1.School of Agricultural Engineering and Food Science,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China; 2.Shandong Xicheng Agricultural Machinery Science and Technology Co., Ltd., Dezhou 253600,China)

Seedling cutting operation before the harvest of potato has a very significant impact on the potato harvest efficiency and potato quality. How to design the important component of seedling cutter has become a major problem affecting the efficiency of operation.According to the current machine low operation efficiency, stubble highly inhomogeneous and potato carrying rate higher, design a new type potato seedling killing machine. This machine can regulate the stubble height according to the needs of different plots and potato varieties and improve the efficiency of the subsequent harvest; cutting tool with a flail and seedling cutting shaft is imitation of the ridge shape, greatly reducing the potato carrying rate and damage rate.The prototype was tested in the field and results show that: cutting efficiency increased significantly, the stubble height uniform, potato carrying rate was significantly lower, and meet the operating requirements. This study has important significance on improving cutting and subsequent harvest efficiency.

potato; seedling cutting machine; knife; improvement; finite element analysis

2016-08-19

國家中小企業創新基金項目(13C26213703376)

孫景彬(1992-)，男，山東濱州人，碩士研究生，(E-mail)1414599006@qq.com。

王相友(1961-)，男，山東高密人，教授，博士生導師，(E-mail)wxy@sdut.edu.cn。

S225.7+1

A

1003-188X(2017)07-0083-06