馬鈴薯收獲機的設計與研制

戚江濤，蒙賀偉，李成松，坎 雜，李亞萍，陳紹杰，閆海峰

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.石河子開發區銳益達機械裝備有限公司，新疆 石河子 832000)

馬鈴薯收獲機的設計與研制

戚江濤1，蒙賀偉1，李成松1，坎 雜1，李亞萍1，陳紹杰2，閆海峰1

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.石河子開發區銳益達機械裝備有限公司，新疆 石河子 832000)

近年來，尤其是馬鈴薯主糧化戰略提出以后，馬鈴薯已成為一種廣泛種植的糧食作物和經濟作物。為此，針對人工收獲馬鈴薯存在的勞動強度大、效率低下、收獲成本高等問題，綜合考慮新疆馬鈴薯種植特點及現有馬鈴薯收獲技術，設計研制了一種馬鈴薯收獲機。該機主要由挖掘裝置、輸送分離裝置、集條裝置及傳動機構等組成，能夠一次完成馬鈴薯的挖掘、輸送分離、集條等作業，具有結構簡單、性能穩定、工作可靠等特點。田間性能試驗結果表明：該機作業速度2.8～4.5km/h，生產率0.25～0.6hm2/h，明薯率≥95%，挖凈率≥98%，破損率<3%。

馬鈴薯；收獲；挖掘裝置；輸送分離

0 引言

馬鈴薯具有營養全面、產量高、生長期短、適應性強及產量高等特點，在我國是僅次于水稻、玉米、小麥與大豆的第五大糧食作物[1-3]。馬鈴薯已經成為我國的主要糧食作物，是解決糧食安全問題的重要保障。隨著我國馬鈴薯產業的不斷延伸發展，2014年全國馬鈴薯種植面積已超過566.7萬hm2，總產量超過1億t。在馬鈴薯產業發展中，收獲環節是占用勞動量較大的環節，目前主要采用人工收獲，存在著勞動強度大、效率低及收獲成本高等突出問題，已嚴重制約和影響馬鈴薯產業的快速發展。因此，機械化收獲已成為馬鈴薯產業快速發展的必然趨勢。

目前，國外開展的馬鈴薯收獲技術研究的主要有意大利思培多公司生產的Cpp-BD-150/S型系列懸掛式馬鈴薯收獲機、日本東洋公司生產的裝有二級分裝裝置和帶液壓輸送器的薯箱的自走式馬鈴薯收獲機[4]、德國的格力莫(Grimme)公司所生產的RL1700型馬鈴薯收獲機和SE140型馬鈴薯收獲機[5]，以及挪威Kverneland Narbo AS 公司生產的集機械、液壓、電控為一體的UN2600型系列牽引式兩行馬鈴薯收獲機。國內有甘肅省機械科學研究院研制的側輸出式馬鈴薯聯合收獲機、現代農裝北方(北京)農業機械有限公司研制的1710型馬鈴薯聯合收獲機[6]；主要研究學者有李洋、石林榕、李益民、孟利、陳長海、楊世成、潘志國等人[7-13]。為此，在以上研究基礎上，針對新疆馬鈴薯種植模式及生長特性，設計研制了一種馬鈴薯收獲機，以實現挖掘、輸送分離及集條等作業。

1 整機結構及工作原理

1.1 結構組成

該機主要由懸掛機架、挖掘鏟、輸送分離裝置、集條裝置、傳動機構等組成，如圖1所示。其主要技術參數如表1所示。

1.懸掛機架 2.機架 3.動力輸入軸 4.聯軸器 5.皮帶傳輸 6.輪子 7.集條裝置 8.偏心抖動輪 9.輸送分離裝置 10.挖掘鏟 11.切土板圖1 馬鈴薯收獲機結構示意圖Fig.1 The Structure of the Potato harvester表1 技術參數Table 1 Technical parameter

作業寬度/mm作業深度/mm適應行距/mm配套動力/kW收獲行數集薯類型2000200300～40029.4～58.82集條

1.2 工作原理

拖拉機通過三點懸掛方式牽引馬鈴薯收獲機前進，拖拉機后輸出軸動力通過萬向節與變速器的輸入軸相連將動力傳遞給變速器，采用鏈傳動方式將變速器的動力傳遞給分離和輸送機構。工作時，挖掘鏟挖出馬鈴薯薯塊和土塊的混合物，并將混合物輸送到輸送分離裝置進行分離除雜；柵條式閉合回轉篩在抖動輪的作用下能夠實現對混合物的篩分效果，土塊會在混合物相互之間及與柵條的碰撞過程中發生變形(即土塊尺寸變小)，小尺寸的土塊會在柵條之間的縫隙落至地面，剩余的混合物會被運送至橫向鋪條裝置進行二次分離；分離后的薯塊則被成條狀鋪放在收獲機的一側，便于人工撿拾或機械回收。其工作流程圖如圖2所示。

圖2 工作流程Fig.2 The workflows

2 關鍵部件結構設計

2.1 機架

機架上安裝的部件主要有挖掘鏟、輸送分離機構、鋪條裝置及傳動機構等，在保證各部件的安裝位置準確的前提下，應減輕整機質量、降低拖拉機功耗、提高整體工作強度。因此，機架的尺寸為3 000mm×2 100mm×1 500mm，焊接材料為80×80×5的矩形方鋼。機架主要由牽引架、橫梁、左側板、右側板等組成，如圖3所示。

2.2 挖掘鏟設計

合理的挖掘鏟結構參數不僅可以減少整機動力消耗，降低收獲成本，而且還能提高入土和碎土能力，保證收獲馬鈴薯薯塊的質量。本設計采用三角平面鏟(見圖4)，具有結構簡單及入土性好等特點。整機的挖掘裝置由4個三角平面鏟并排組成(每行有兩個三角平面鏟)，與地面傾角為25°，材料為65Mn鋼，通過鏟柄固定在機架上。在挖掘鏟的后方設置一列直線布置的L型圓鋼，以對挖掘起來的混合物進行導流，且相鄰的圓鋼之間設有間隙，可以漏掉少量土壤。在挖掘鏟的兩側設置厚度為10mm、材料為65Mn鋼的切土板(見圖5)，可以將壟兩側切割為土垡，切斷互相纏繞的草蔓，保證了薯塊和土塊混合物能夠連續輸送，不發生側向流動，避免造成薯塊丟失現象。

圖3 機架三維造型圖Fig.3 The three-dimensional modeling of frame

圖5 切土板Fig.5 Soil cutting device

2.3 分離輸送裝置設計

分離輸送裝置由柵條式閉合回轉篩、偏心抖動輪及鏈傳動機構等組成，主要完成薯塊、土塊等混合物的輸送和有效分離，最終得到未被土壤包裹的薯塊，如圖6所示。分離輸送裝置對混合物的輸送分離行程為1 700mm，允許最大寬度1 500mm。為了保證柵條式閉合回轉篩承載和運輸強度，根據馬鈴薯尺寸平均長度40～60mm、寬40～50mm、厚40～50mm[14-15]的狀況，柵桿條材料為直徑10mm的圓鋼，按38mm的間距固定在兩條傳送帶上，并在柵桿條上包裹橡膠材料減少柵桿條對馬鈴薯薯塊的碰撞損傷。在柵條式閉合回轉篩與混合物接觸的工作面下方設置有兩個偏心抖動輪(大節圓半徑210mm，小節圓半徑150mm)，其轉動的圓周速度與輸送篩的工作速度相同，偏心抖動輪在轉動的同時帶動工作篩面上下周期運動，達到對混合物的篩分作用。為了達到最佳的篩分效果，工作篩面與地面傾角為20°。另外，根據新疆馬鈴薯種植土壤多為沙壤土的特性，對回轉篩的線速度進行確定。當線速度過大時，會出現混合物在篩面上相對滑動的現象，不利于分離。最佳的回轉篩的線速度根據式(1)進行計算，當回轉篩線速度大于等于機組作業速度時能夠獲得較好的分離效果。取λ≥1，本設計回轉篩線速度取1.3m/s，則

(1)

其中，λ為比值；vp為回轉篩線速度(m/s)；vm為機組作業速度(m/s)。

1.柵條 2.抖動輪圖6 輸送分離裝置三維造型圖Fig.6 The three-dimensional modeling of conveying and separating device

2.4 集條裝置設計

集條裝置主要由柵條式閉合回轉篩和鏈傳動機構等組成，其輸送方向為橫向(與分離輸送裝置的輸送方向垂直)，對經過輸送分離裝置分離后的混合物進行二次分離并將分離干凈的薯塊集成條狀鋪在收獲機的一側。工作過程中，該裝置的柵條式閉合回轉篩的線速度不宜過大，應略小于輸送分離裝置的閉合回轉篩線速度，取1m/s。為了降低集條裝置功率損耗、提高輸送效率及減少薯塊落至地面集條時的損傷，閉合回轉篩的輸送長度1 500mm，寬度1 400mm，與地面傾角為10°。柵桿條(直徑為10mm，固定間距為30mm)上包裹橡膠材料，減少對馬鈴薯薯塊在運輸鋪條過程中的損傷。

2.5 傳動機構設計

傳動機構的設計要求其具有結構緊湊、布局合理、功率損失小及無噪聲等特點。收獲機的分離輸送裝置和集條裝置的動力均是由拖拉機后輸出軸輸出經過萬向傳動軸、減速器、皮帶、鏈輪等部件傳遞的，結構示意圖如圖7所示。工作過程中，拖拉機后輸出軸輸出恒定轉速540r/min，輸送分離裝置的輸送速度也保持不變，這樣會出現如果挖掘裝置挖掘的薯塊、土的混合物過多，輸送分離裝置的喂入量過大，導致混合物在閉合回轉篩上堆積堵塞、分離效果不佳的現象。目前，解決此問題的方式主要是憑駕駛員的經驗判斷進行前進速度變換，易導致駕駛員疲勞。后期的技術發展趨勢應該是輸送分離裝置的動力來源于變頻電機或者液壓馬達，在裝置上安裝重力傳感器或圖像測試器等進行喂入量的檢測，實現裝置的輸送分離速度根據喂入量的大小而變化，從而提高分離質量。

1.動力輸入軸 2.變速器 3.皮帶傳動 4.集條動力輸入 5.鏈傳動 6.輸送分離動力輸入圖7 傳動機構示意圖Fig.7 The Structure of transmission mechanism

3 生產試驗與結果分析

該機研制完成后，于2015年在昌吉進行了實地試驗，通過對試驗數據分析進行了優化改進，最終定型了樣機。在此基礎上，對其生產工藝等進行了研究，實現了裝備的批量生產。研制生產的裝備先后在精河、伊犁、塔城等地推廣使用，使用效果良好，獲得了馬鈴薯種植戶的一致認可。

3.1 試驗條件

2015年，依據馬鈴薯收獲技術指標要求，以對研制的馬鈴薯收獲機性能考核為目的，在昌吉進行了實地試驗，試驗條件如表2所示。

表2 試驗條件

3.2 試驗結果

對馬鈴薯收獲機的主要性能指標進行了測定，結果如表3所示。

表3 試驗結果

4 結論

1)設計研制完成了集懸掛機架、挖掘鏟、輸送分離裝置、鋪條裝置及傳動機構等為一體的馬鈴薯收獲機，實現了馬鈴薯收獲的機械化。

2)通過對馬鈴薯收獲機的研制與生產試驗，結果表明：作業速度2.8～4.5km/h，生產率0.25～0.6hm2/h，明薯率≥95%，挖凈率≥98%，破損率<3%。該機在作業過程中性能穩定可靠，作業效率及質量高，符合馬鈴薯收獲技術要求。

[1] 周蓓.馬鈴薯研究現狀與產業發展對策[J].上海農業學報,2008,24(3):89-92.

[2] 魏宏安,王蒂,連文香,等. 4UFD-1400型馬鈴薯聯合收獲機的研制[J]. 農業工程學報,2013(1):11-17.

[3] 王學軍,蔣金琳.小型薯類聯合收獲機設計與田間試驗[J].農機化研究,2014,36(2):176-178.

[4] 孫廣輝. 4UFD-1400型馬鈴薯聯合收獲機薯秧分離裝置設計與試驗研究[D].蘭州:甘肅農業大學,2012.

[5] 吳清分. Grimme公司GT170系列牽引式馬鈴薯收獲機[J]. 農業工程,2015(3):161-164.

[6] 楊德秋，郝新明，賈晶霞.馬鈴薯機械化收獲技術的發展現狀[J].農業技術與裝備，2007(7):8.

[7] 李洋,高波,閆加永,等.具有升運裝車功能的馬鈴薯聯合收獲機的研制[J].中國農機化,2015(5):50-53，66.

[8] 石林榕,吳建民,趙武云,等.圓盤柵式馬鈴薯挖掘機的研制與試驗[J].農業工程學報,2012(24):15-21.

[9] 李益民,王傳俊,王小瑜. 4U-55型馬鈴薯收獲機的設計[J]. 農業裝備與車輛工程,2014(9):69-71.

[10] 孟利,孟維. 小型馬鈴薯挖掘機薯土分離裝置的設計[J]. 北京農業,2012(3):199-200.

[11] 陳長海,畢春輝,李明金,等.桿條式壓力碎土馬鈴薯挖掘機的研制[J].農業裝備技術,2011(5):27-28.

[12] 楊世成,安宏宇. 馬鈴薯收獲機設計試驗研究[J]. 農機化研究,2007(11):161-163.

[13] 潘志國,尚書旗,楊然兵,等.基于定向定量堆放的馬鈴薯收獲機設計[J].農機化研究,2015,37(8):88-91.

[14] 賈晶霞,張東興.馬鈴薯收獲機擺動篩與塊莖運動仿真分析[J].中國農業大學學報,2006(3):79-82.

[15] 宋言明. 單行牽引式馬鈴薯聯合收獲機的研究與設計[D].蘭州:甘肅農業大學,2008.

The Design and Development of Potato Harvester

Qi Jiangtao1, Meng Hewei1, Li Chengsong1, Kan Za1, Li Yaping1, Chen Shaojie2, Yan Haifeng1

(1.College of Mechanical and Electronical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832000,China; 2.Shihezi Development Zone Ruiyida Machinery and Equipment Co. LTD.,Shihezi 832000,China)

In recent years, the potato has been a kind of food crops and cash crops widely cultivated especially after the proposed strategy of potato staple food.In this paper，according to the problem with manual harvesting, labor-intensive, low efficiency and high cost of harvesting and so on, considering the characteristics of potato growing in Xinjiang and potato harvesting technology, a potato harvesting machine was designed and developed which consists of digging device, conveying and separating device, collection device and transmission and other components,it can complete the digging, conveying,separation and other operations and also have a simple structure,stable performance and working reliability.The results showed that:0.8-1.3m/s of working speed,0.25-0.6 hm2/h of productivity,not less than 95%of clear potato rate,not less than 98%of net dig rate,less than 3% of breakage rate.

potato; harvest; digging device; conveying and separating

2016-08-26

新疆生產建設兵團工業及高新技術科技攻關與成果轉化項目(2016AB003)

戚江濤(1990-),男，內蒙古赤峰人，實驗師，(E-mail)qjt510014078@163.com。

蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，碩士生導師，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

S225.7+1

A

1003-188X(2018)02-0124-04