與微耕機匹配的振動式根莖類收獲機設計與試驗

于曉陽，刁培松，陳美舟

(山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

0 引言

近年來，隨著我國根莖類作物的種植面積不斷擴大，根莖類作物的產(chǎn)量逐年增加且種類也越加豐富。其中，以花生、大蒜、馬鈴薯等為主的根莖類作物產(chǎn)量占據(jù)根莖類作物總產(chǎn)量較大的比重。根莖類作物相比于地上作物而言，生長環(huán)境復雜、收獲難度大，因此研發(fā)適用于根莖類作物收獲的機械設備就顯得尤為重要。

當前國際收獲機械的發(fā)展,主要以美國約翰·迪爾公司(John Deere)和紐荷蘭公司(New Holland)、德國格力莫公司(Grimme)、日本久保田公司(Kurobota)等為代表，其研發(fā)制造的系列收獲機(如GT170馬鈴薯收獲機、T7030馬鈴薯聯(lián)合收獲機、CH-201C胡蘿卜收獲機等)具有性能好、效率高、智能化程度高等優(yōu)勢，因而一直處于該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。但國外收獲機械因結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大及價格昂貴等局限性，不適用于國內(nèi)小區(qū)域根莖類作物的收獲。國內(nèi)對根莖類作物收獲機械也開展了系列的研究，在積極引進國外先進技術(shù)的同時，根據(jù)國內(nèi)根莖類作物的種植特性不斷地進行技術(shù)改進，取得了多項研究成果。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)設計

該收獲機通過機架連接在微耕機上，發(fā)動機輸出的動力經(jīng)過帶輪二級減速后傳遞到收獲機挖掘部分的皮帶輪上。皮帶輪帶動偏心軸轉(zhuǎn)動，使得兩個挖掘鏟實現(xiàn)前后交替擺動，進而實現(xiàn)收獲機的收獲作業(yè)。該收獲機主要由行走部分、挖掘部分、傳動部分和機架4部分組成，如圖1所示。

1.發(fā)動機 2.皮帶 3.皮帶輪 4.傳動裝置 5.機架 6.轉(zhuǎn)向拉桿 7.從動輪 8.挖掘鏟 9.變速箱 10.驅(qū)動輪

其中，挖掘部分采用了偏心機構(gòu)設計，實現(xiàn)了振動式前進的收獲方式，且具有震動小、噪音低及收獲效果好等優(yōu)點。

1.2 工作原理

該收獲機與4.1kW以上的微耕機配套使用，通過機架與微耕機連接。作業(yè)時，拉緊張緊輪連桿，使張緊輪及皮帶處于工作狀態(tài)；動力輸出軸通過皮帶傳動，經(jīng)過兩級減速后帶動偏心軸轉(zhuǎn)動；偏心軸帶動挖掘部分的連桿運動，進而帶動兩個挖掘鏟前后交替擺動；挖掘鏟將作物周圍的土壤松動并將其提升至土壤表面，作物經(jīng)過人工撿拾和修剪處理之后，及時進行晾曬處理或入庫儲存。其作業(yè)原理如圖2所示。

圖2 收獲原理示意圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

該收獲機采用170F汽油機提供動力，作業(yè)速度及挖掘深度可調(diào)，能滿足不同根莖類作物的收獲要求，作業(yè)性能穩(wěn)定，收獲效率高。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 收獲機技術(shù)參數(shù)

2 主要工作部件設計

2.1 挖掘機構(gòu)設計

挖掘機構(gòu)在作業(yè)過程中需要滿足碎土性能好、帶土量少、作業(yè)阻力小及果實損傷率低等要求。目前，國內(nèi)根莖類作物收獲機中常用的挖掘鏟主要有固定式和振動式兩種。盡管固定式挖掘機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為簡單，但存在碎土能力差、工作阻力大及果實損傷率高等缺點。振動式挖掘機構(gòu)(見圖3)相對于固定式挖掘機構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)勢比較明顯，采用了雙鏟交替往復式振動原理，不僅能夠克服固定式挖掘機構(gòu)的不足，而且還能起到拋送土垡的作用。

圖3 振動式挖掘機構(gòu)三維示意圖

2.1.1 挖掘鏟工作原理

挖掘鏟是挖掘機構(gòu)的關(guān)鍵部件之一，在收獲作業(yè)中起到切土、碎土、挖掘、分離等作用。因此，挖掘鏟的作業(yè)方式是影響收獲機作業(yè)效果的重要的因素。其工作原理為：兩端裝有軸承的連桿將偏心軸與焊接在方管上的傳動桿連接，挖掘鏟鏟臂通過U型螺栓固定在方管上。作業(yè)過程中，偏心軸轉(zhuǎn)動，連桿帶動傳動臂在前后方向上往復擺動，進而帶動挖掘鏟鏟臂擺動，焊接在鏟壁下端的挖掘鏟隨之擺動。其工作原理簡圖如圖4所示。

頂層設計，統(tǒng)籌謀劃，必須準確把握其科學內(nèi)涵。水利改革發(fā)展頂層設計，強調(diào)“四個堅持”，即堅持圍繞中心、服務大局，堅持統(tǒng)籌兼顧、上下互動，堅持整體推動、集中突破，堅持立足實際、注重實效。“四個堅持”貫穿到水利改革發(fā)展頂層設計系統(tǒng)及子系統(tǒng)、中層、基層，是今后一個時期水利工作的基本原則，也是衡量一切水利工作的標準。

2.1.2 挖掘鏟擺動頻率

挖掘鏟的擺動頻率是影響收獲質(zhì)量的重要影響因素。設挖掘鏟的擺動頻率為n，通過查閱文獻獲知，挖掘鏟的擺動頻率應為507min-1

1.偏心軸 2.連桿 3.傳動桿 4.挖掘鏟鏟壁 5.挖掘鏟

2.1.3 挖掘鏟運動軌跡

挖掘機構(gòu)在進行收獲作業(yè)時，左右兩個挖掘鏟進行前后交替擺動前進，其運動軌跡特點是：①兩個挖掘鏟的運動軌跡曲線呈現(xiàn)相同的周期性；②挖掘鏟在1個運動周期內(nèi)沿著兩條不同的曲線軌跡運動，由最低點運動到最高點過程中的曲線斜率小于從最高點運動到最低點過程中的曲線斜率；③當一個挖掘鏟鏟尖運動到行程的最高點時，另一個挖掘鏟鏟尖恰好運動到行程的最低點。

以挖掘鏟挖掘深度為60mm為例，左右兩個挖掘鏟的鏟尖運動軌跡如圖5所示。

圖5 挖掘鏟鏟尖運動軌跡圖

2.1.4 傳動臂有限元分析

傳動臂在挖掘機構(gòu)中主要起到力的傳遞及運動方向改變等作用。在進行收獲作業(yè)時，該部件將連桿的作用力傳遞到挖掘鏟鏟臂上，進而帶動鏟臂往復擺動，同時將水平方向上的直線運動變?yōu)樨Q直方向上的往復擺動運動。在樣機試驗過程中,該部件底部折彎部分出現(xiàn)了斷裂的情況，因此借助SimulationXpress軟件對該部件進行了有限元分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 有限元分析圖

圖6(a)中，傳動臂底部折彎處的應力值明顯高于其他處的應力值，表明折彎處的應力較為集中。圖6(b)中，傳動臂底部折彎處的位移值遠小于頂端位置的位移值，表明了底部折彎處應力較為集中。因此，可得出結(jié)論：傳動臂底部折彎處在作業(yè)過程中存在應力集中的情況，非常容易出現(xiàn)變形、裂紋，甚至斷裂等情況。所以，需要對該處進行強度優(yōu)化設計，以便提高收獲機的作業(yè)效率及使用壽命，如圖7所示。為此，可以通過增加厚度及前后兩側(cè)焊接加強板的方式來提高強度。

圖7 傳動臂優(yōu)化設計

2.2 偏心軸設計

偏心軸材質(zhì)上選用42CrMo，該材料具有強度高、韌性好及抗沖擊能力強等優(yōu)點。在結(jié)構(gòu)上采用了單根軸上有兩個偏心短軸的設計，從而使兩個挖掘鏟振動頻率一致，動作準確性高。偏心軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

對偏心軸進行三維建模之后，借助DFMXpress軟件對偏心軸的可制造性進行核準和分析,結(jié)果如圖9所示。

圖8 偏心軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 制造可行性分析結(jié)果圖

分析結(jié)果表明:偏心軸的所有設計規(guī)則全部通過，其制造可行性達標，可以進行加工制造。

3 田間試驗與結(jié)果

3.1 試驗條件

試驗地點選在山東省日照市莒縣。試驗地屬于一年兩熟丘陵地區(qū)，土壤為沙壤土，年平均降水量為750mm左右。該地區(qū)土壤具有土質(zhì)疏松、透氣性好、排水性好及有機質(zhì)含量高等特點，非常適宜根莖類作物的生長。試驗地塊種植的作物有大蒜、花生、馬鈴薯等作物。以下試驗是對大蒜進行收獲來檢測該收獲機的作業(yè)性能，進而為機具進一步優(yōu)化與提升提供參考依據(jù)。

3.2 測試方法

樣機進行大蒜收獲時的作業(yè)效果測試評價指標為生產(chǎn)率、傷蒜率和損失率。在試驗地中隨機選取A、B、C等3個測試區(qū)，每個測試區(qū)長度為20m、寬度為6m。在收獲機采用低速擋作業(yè)過程中，用秒表記錄下完成測試區(qū)收獲作業(yè)的時間，對收獲機挖掘出的蒜進行稱重，從中挑選出被機械切傷、挖傷和碰傷的蒜進行稱重，用人工的方法挖出埋蒜和漏挖蒜進行稱重。生產(chǎn)率P、損失率T1、傷蒜率T2計算方法為

P=0.36LW/T

(1)

T1=(M1/M)×100%

(2)

T2=(M2/M3)×100%

(3)

式中P——生產(chǎn)率(hm2/h)；

L——樣機測試區(qū)長度(m)；

W——樣機測試區(qū)寬度(m)；

T——樣機在測試區(qū)的作業(yè)時間(s)；

M1——測試區(qū)中損失蒜的質(zhì)量(kg)；

M——測試區(qū)大蒜總質(zhì)量(kg)；

M2——樣機收獲的大蒜中損傷蒜的質(zhì)量(kg)；

M3——樣機收獲的大蒜的總質(zhì)量(kg)。

3.3 測試結(jié)果

對試驗過程中所測量的數(shù)據(jù)進行整理計算,得到的測試結(jié)果如表2所示。

表2 收獲機測試結(jié)果

3.4 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果表明:樣機的生產(chǎn)率、傷蒜率、損失率各項指標均已達到設計指標；作業(yè)效率是人工作業(yè)效率的10倍以上，極大提高了收獲效率，降低了勞動強度，節(jié)約了勞動生產(chǎn)力，較好地滿足了大蒜的收獲要求。在對其他種類的地下作物進行相關(guān)收獲試驗之后，驗證了該收獲機不僅能收獲大蒜，而且能兼收花生、馬鈴薯等根莖類作物。

4 結(jié)論

在我國丘陵、山地等小區(qū)域耕地上，由于受到地形及地理位置等因素的影響，大型根莖類作物收獲機械不適用于小區(qū)域地塊內(nèi)作物的收獲作業(yè)。本文設計的與微耕機匹配的振動式根莖類收獲機，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、性能穩(wěn)定及操作靈活等特點，能夠?qū)π^(qū)域耕地種植的花生、大蒜、馬鈴薯等根莖類作物實現(xiàn)機械化收獲，解決了對小區(qū)域地塊內(nèi)的根莖類作物進行機械化收獲作業(yè)的難題。