自走式斗輪薯類收獲機結構設計研究

黃世明 馮天玉 石義棟 陸偉安 程捷 郝文彬

摘要：對自走式斗輪薯類收獲機的原理、結構組成進行探討，并對收獲機的主要零部件的結構、參數進行了研究，提出了設計要求，旨在為自走式斗輪薯類收獲機的后續研究設計提供參考。

關鍵詞：薯類;斗輪體;鏟斗;清選瓦柵

中圖分類號：S225.7+1? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）01-0117-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.028? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on Structure Design of Self-propelled Bucket Wheel Potato Harvester

HUANG Shi-ming，FENG Tian-yu，SHI Yi-dong，LU Wei-an，CHENG Jie，HAO Wen-bin

（Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Abstract： The principle and structure of the self-propelled bucket wheel potato crop harvester are discussed. The structural forms and parameters of the main components of the harvester are studied. The design requirements are proposed. It is a self-propelled bucket wheel potato. The follow-up study design of the crop harvester provides a reference.

Key words： potato block; bucket wheel; bucket; cleaning tile

薯類作物主要有馬鈴薯、甘薯、木薯、芋類等， 中國是世界上薯類種植面積最大的國家[1]。因其各自生長環境（土壤的干濕度）、結莖土層深度不同，薯類作物的收獲目前仍以人工、半機械為主，薯塊損失、損傷大，勞動強度大，生產效率低;自走式斗輪薯類收獲機是一種創新設計，可實現多種塊莖的統一收獲。

1? 結構和工作原理

1.1? 總體結構

所設計的收獲機主要由行走底盤、斗輪體、鏟斗、清選瓦柵、輸送帶、升降臂、收集倉等組成。如圖1所示。

1.2? 工作原理

鏟斗將薯塊、土垡掘取，部分泥土從鏟斗底部的隔柵漏出，薯塊隨斗輪體旋轉上升，通過清選瓦柵進一步清選。薯塊達到清選瓦柵頂部后，在重力作用下順清選瓦柵的溜道滑入輸送帶，輸送帶將薯塊送入收集倉，實現薯塊收獲的全過程。

2? 主要零部件及參數

2.1? 底盤

底盤是各工作部件的承載體，本機采用輪式結構。便于機械整體平衡和作業部件安裝，動力裝置安裝在底盤后部。前后輪距1 400～1 500 mm，可根據種植作物的壟寬適當調節， 機具行駛在壟溝中，不造成對薯塊的損傷。提升臂與底盤的掛接點位于兩軸距內。由于前行走輪、鏟斗與地面接觸，底盤采用后輪轉向，利于濕地的通過性能和越障能力。底盤采用四輪驅動，離地間隙大于250 mm。

2.2? 斗輪體

斗輪體的結構如圖2所示。斗輪體是由鋼板焊接成的圓柱體， 圓柱體上均勻分布若干個缺口與鏟斗對接。具有如下功能： 動力輸入軸與鏟斗之間剛性連接，并傳遞這些部件之間的所有力和力矩;將掘取的薯塊和泥土混合物轉運至輸送帶裝置上;將輸入的旋轉運動傳遞到鏟斗。

斗輪體腹板設計在圓柱體的一端， 清選瓦柵篩出的泥土從另端排出斗輪體。腹板可設計成平面腹板或錐形腹板，滿足結構強度的條件下，腹板可漏空出一定的空隙，減輕重量。圓柱體另一端焊30 mm高的環形襯板，與清選瓦柵、鏟斗形成空間，避免薯塊外溢，并能提高斗輪體結構。

圓柱體高度可根據鏟斗寬度決定，小于鏟斗寬度。圓柱體直徑根據鏟斗個數確定。

2.3? 鏟斗

2.3.1? 鏟斗結構? 鏟斗結構如圖3所示，由斗底、斗唇、斗耳焊接而成，鏟斗通過斗唇、斗座上的銷軸固定在斗輪體上。鏟斗是沖壓或焊接而成的金屬結構件，斗底做成柵條狀，起到減小旋轉扭矩和篩分部分土壤的作用;鏟斗的高度從切削側邊特定的高度逐漸降低一直到鏟斗與斗輪體相連接的后側邊[2]。

2.3.2? 鏟斗的形狀? 鏟斗斗唇的形狀可以是矩形、梯形、半圓形。圖4為甘薯在壟形斷面的分布，從圖4中可以看出，薯塊集中在壟中央。為減少取土量，斗唇設計成半圓形，且采用半圓形鏟斗時，斗輪在任何位置，其切削形狀和切削長度均近似相同，因此半圓形鏟斗的切削刃在相同條件下性能最佳。

2.3.3? 鏟斗的結構設計

1）鏟斗外形設計。鏟斗的外形尺寸比例對鏟斗工作影響很大，不僅要有利于減少薯塊的損失、損傷，還要便于薯塊混合物的裝卸。

鏟斗高度H：以不漏挖為準，增加鏟斗高度可以增加切削厚度，損失減小，但挖土量增加，分離部件負荷增大，功率消耗劇增。根據薯塊生長情況，鏟斗高度可設計為200 mm。

鏟斗寬度B：鏟的寬度主要取決于薯塊地下分布寬度、行距的均勻性、植株對壟中心的偏移和機器工作行駛時的偏差。一般單行馬鈴薯收獲機的寬度不小于400 mm。單壟雙行薯類收獲機鏟斗寬度按下式計算。

鏟斗長度L：鏟斗長度大有利于挖掘深度調整，但增大了斗輪體尺寸和鏟斗間距，鏟斗長度設計成280 mm為好。

2）斗唇刃口設計。斗唇刃口各參數是保證機器生產能力、延長使用壽命的重要因素，斗唇除應合理選材、正確設計形狀和尺寸外，還應注意刃口工作時形成的各種角度[3]。否則會引起斗輪驅動功率的不必要消耗和斗唇過快磨損。刃口各角度如圖3所示。γ為切削角，系切點法線（此處為斗輪中心到切削圓半徑）和切削刃的內纖維所成角度;β為契形角;α為自由切削角，系切削軌跡線和切削刃外纖維所成角度;δ為切削角，δ=β+α，是鏟斗投入工作時所形成的角度。

根據斗唇實物或圖紙，可以判斷契形角，其余各角必須視其在鏟斗上的安裝位置決定。切削角和自由切削角的確定，由于切削刃有內外倒角之分，所以自由切削角的形成有圖5所示的3種可能。當α>0時，切削過程可以減少斗唇磨削，降低斗輪驅動功率的消耗[4]。若α角過大，則將引起切削角增大。切削角δ是切削過程中形成的，要求在斗唇鏟入土層時，能保證鏟斗背面最外輪廓線不與土壤相摩擦。切削角大小對挖掘過程的影響如圖6所示。圖6中，F為運動方向施力，同時產生與運動方向垂直的擠壓力N。由于土壤外摩擦影響，正壓力與摩擦力（摩擦角ψμ）的合力R沿外摩擦角方向[5]。根據測試得知，隨切削角增大，正壓力減小。當切削角為50°～60°時，正壓力趨近于零。切削角繼續增大時，正壓力可能變為負值。切削刃與土壤形成的切削角低于50°時，切削力F可產生一個有助于切削機構擠入土壤的分力N。當切削角超過60°時，切削機構有從土壤中被擠出的趨勢。所以，切削角不宜大于50°。當自由切削角為負值時，將形成較鈍的切削角。此外，正壓力N引起的摩擦力就會額外消耗驅動功率，迫使切削機構從土壤中被擠出。因此，設計斗唇切削刃時，除應有適當的自由切削角外，還應盡量采用較小的切削角。切削角過小，會引起切削刃過快磨損。所以，必須綜合二者的利弊，選取適當的切削角。一般設計的自由切削角為9°～15°，切削角為25°～30°。鏟斗側面切削刃應設計為內倒角，鏟斗正面切削角應設計成外倒角，以便在一定自由切削角的條件下獲得較小的切削角。

2.4? 清選瓦柵的研究設計

如圖7所示，清選瓦柵是一個由鋼管連接而成的結構件[6]，鑲嵌在斗輪體內作為鏟斗的底襯，并設有薯塊溜道。薯塊和泥土混合物經過瓦柵凸面分離泥土，薯塊隨斗輪體輸送達到溜道。為防止雜物纏繞，柵條設置與薯塊的移動方向一致。為防止薯塊表皮損傷，柵條可裹護軟體材料。瓦柵的間隙大小隨收獲薯塊大小不同而不同，是決定收獲機損失率一個重要的因素，間隙小不利于土垡的分離，太大會出現薯塊漏失。

3? 小結

對自走式斗輪薯類作物收獲機的原理、結構組成進行探討，并對收獲機的主要零部件的結構、參數進行了研究，提出了設計要求，旨在為自走式斗輪薯類作物收獲機的后續研究設計提供參考。

參考文獻：

[1] 中國農業機械化科學研究院.農業機械設計手冊（下）[M].北京：中國農業科學技術出版社，2007.

[2] 宋? 波.斗輪裝置結構及設計要求的研究[J].露天采礦研究，2017， 32（5）：42-45.

[3] 王忠利.斗輪挖掘機鏟斗切削刃和斗齒工作角的設計[J].工程機械，1983（12）：15-18.

[4] 鄭厚貴，張周強，徐武彬，等.基于土壤壓縮破壞理論的挖掘鏟的設計與分析[J].農機化研究，2011，33（11）：122-126，130.

[5] 李雷霞，賈晶霞，李建東，等.土壤參數與馬鈴薯收獲機牽引阻力的研究[J].農機化研究，2013（10）：125-128.

[6] 孫步功，李? 輝，吳建民，等.柵條式馬鈴薯挖掘鏟的設計與試驗研究[J].甘肅農業大學學報，2013，48（3）：131-135.