馬鈴薯挖掘鏟試驗臺架的研制

楊金磚　李曉明　李國民　鄒雪劍　姜明海

摘 要：馬鈴薯挖掘鏟屬于馬鈴薯收獲機上的關鍵部件，其結構及工作原理直接影響整機的作業性能，尤其在粘重壤土條件下，要使其達到減粘脫附、減阻增效以及挖深穩定的目的，須開展相關的試驗研究工作。為此，依據近年開展的仿生挖掘技術的研究成果，通過專門的試驗裝置開展其在馬鈴薯挖掘收獲方面的應用研究，以此獲得試驗對比數據，從中選擇出較佳性能參數的挖掘鏟，以共性技術的形式推廣應用在需要的收獲機上，以解決現有機器該關鍵零部件性能方面所存在的問題。

關鍵詞：馬鈴薯挖掘鏟;實驗臺架;減粘脫附

中圖分類號：S225.71文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.003

作者簡介：楊金磚（1981-），男，黑龍江哈爾濱人，主要從事馬鈴薯機械、播種機械的研究設計工作，E-mail：67588894@qq.com。

0 引言

馬鈴薯收獲機是馬鈴薯種植生產過程中所使用的關鍵設備，隨著近年來我國農機化事業的發展，目前該類機具的簡易機型——馬鈴薯挖掘機的市場保有量較高。各種類型的挖掘機基本能滿足馬鈴薯分段收獲的使用要求，其工作原理和機器結構較多類似，基本結構大致由懸掛（牽引）機架、挖掘裝置、土薯分離裝置、薯雜分離裝置、傳動系統等組合而成。作業時由拖拉機懸掛或牽引，挖掘裝置中的挖掘鏟入土，隨著拖拉機帶動機器前行，含薯的壟作土壤被切挖、掘起，通過鏟面上升到分離篩上（也有采用轉籠式分離輥的），邊升運邊實現土與薯分離和薯與雜的分離。一般分離過程隨土壤條件及收獲物潔凈要求的不同而呈1級、2級或多級配置，其中分離篩（輥）部分的轉動由傳動系統帶動完成。動力源一般為拖拉機后動力輸出軸，通過齒輪箱變速變向和鏈傳動的方式實現升運與分離功能。經過分離后的收獲物從最末一級分離裝置上被卸下鋪放在作業后的土壤上，從而完成一個挖掘收獲過程。縱觀這一過程不難看出，拖拉機帶動機器前行時含薯的壟作土壤被切挖、掘起的過程，是造成拖拉機牽引功率消耗的主要因素，尤其對于粘重壤土以及因挖掘深度控制不當而造成的深挖犁底層時，因此而呈現的較大牽引阻力極大地增加了拖拉機的動力消耗，也影響了機器工作效率的提高，額外的阻力還對機器的可靠性造成了潛在的威脅。總之，對馬鈴薯收獲機來說，挖掘裝置部分的工作效果在整個收獲過程中是個不容忽視的關鍵環節，而開展入土、挖掘、土壤適應性、挖深穩定性控制等方面的研究，對于解決粘重壤土條件下的減粘脫附、減阻增效問題，以及提高挖深穩定性方面的問題等具有重要意義。

目前，單就挖掘裝置為題開展上述研究的還不多見，這也造成了現有馬鈴薯收獲（挖掘）類機械中的挖掘裝置，尤其是挖掘鏟方面存在著結構雷同化、減粘脫附及減阻耐磨等性能粗放化，凸顯設計與制造方面的諸多不足，為此我們開展了馬鈴薯挖掘鏟試驗臺架的設計研究工作。

1 馬鈴薯挖掘鏟實驗臺架整體方案的設計

研發馬鈴薯挖掘鏟實驗臺架的目的，是為了測試馬鈴薯收獲機上的挖掘裝置（挖掘鏟）入土作業時的牽引阻力。為此，我們設計了一種全新的馬鈴薯挖掘裝置試驗臺架。在主體機架上設置安裝了可調節挖掘角度的鏟架焊合部件，在鏟架底面可更換安裝不同挖掘鏟，其挖掘角度可通過鏟架體繞其下鉸軸旋轉實現調節;每一種角度可對應不同形式的挖掘鏟做對比試驗，同樣每一種鏟也可通過變角度獲得不同挖掘狀態下的阻力數值;其挖掘深度由限深部件凹鼓形仿形輪來控制，調節仿形輪與鏟面間距，可保證挖掘深度的穩定;為消除兩個側向粘連影響的因素，在鏟架兩側安裝有立式切土圓盤部件，其作用是控制挖掘寬度;在主體機架后部設置安裝2個后支撐輪部件。該輪通過絲杠調節高度，其作用是調節機架前后水平狀態以保證挖掘角度準確，還可使臺架縱垂面垂直受力保持平衡。同時，為適應拖拉機單壟作業時輪距跨壟要求，及兼顧平作和土槽試驗時的要求，設置可橫向調整安裝位置的三點式懸掛架。該架的縱向對稱中心面與鏟架縱向對稱中心面可偏置或重合配置安裝。測力時該懸掛架下懸掛點處安裝I類懸掛用測力傳感器的下懸掛銷，上懸掛點處通過上懸掛銷安裝角度和拉力綜合傳感器的上拉桿，分別對應聯接動力源的三個懸掛點，即可測出各個力的矢量。其具體結構如圖所示（為清楚表達其內部結構，主視圖為局部剖或透視圖）。

2 馬鈴薯挖掘鏟實驗臺架的主要技術參數

掛接方式：三點懸掛式;

作業寬度：800 mm;

配套動力：≥50 hp;

外形尺寸（長×寬×高）：2550 mm×1450 mm×1260 mm;

整機重量：220 kg;

入土角調整范圍：0°～44°。

3 馬鈴薯挖掘鏟實驗臺架工作原理及關鍵部件的設計

3.1 工作原理

馬鈴薯挖掘鏟試驗臺架是由拖拉機或土槽車提供牽引動力，試驗臺架采用三點懸掛方式與動力源連接固定。試驗時由動力源牽引其行走，鏟架入土深度應控制在機架兩側板底邊保持在土壤地面之上，避免產生額外的挖掘阻力。鏟架安裝各類型鏟子以一定入土角前行挖掘時，會在地面上切挖出U形斷面的土壤槽，而斷面為長方形的條狀土壤帶會經過傾斜鏟面輸送到鏟子的后方落地。整個挖掘過程實現了土壤與鏟架的相對運動，鏟架受力通過機架反饋給測力傳感器。而切挖土壤過程中，作用在鏟子上的力可分解為水平和垂直兩個方向的分力，其中垂直方向的力應盡量由凹鼓形仿形輪和機架后支撐輪所平衡，但作用在鏟面上的壓力會隨挖掘角度的增大而造成摩擦阻力的增加。而水平方向的分力即為牽引力的反作用力，以此通過測力傳感器即可測定挖掘裝置的牽引阻力。通過在鏟架上更換不同結構的鏟子，即可測出相同土壤條件下的不同挖掘阻力，通過對比，找出適合不同土壤的最佳鏟型結構，為馬鈴薯收獲機的設計提供技術支持和理論依據。

3.2 關鍵部件的設計

本實驗臺架挖掘鏟裝置和普通收獲機有所不同，我們在試驗臺架上創新設計了可調節挖掘角度的鏟架焊合部件（鏟架上可安裝不同類型的挖掘鏟）。靠鏟架體繞其下鉸軸旋轉實現挖掘角度的調節，用兩組螺紋拉桿來固定該角度，從而滿足多種入土角度的實驗要求。

設計了凹鼓形仿形輪，用來穩定控制挖掘深度，其縱向高度取決于活動橫梁的固定位置，該位置可調。其橫向安裝位置保證凹鼓形仿形輪縱向對稱中心面與鏟架縱向對稱中心面重合。

設計了立式切土圓盤部件，其作用是消除挖掘鏟兩側泥土粘連的不利影響，同時也能限制挖掘寬度。其縱向高度依賴活動橫梁的固定位置，其橫向安裝位置保證切土圓盤在土壤中開拓切出的溝槽置于鏟架兩側板的正前方。

創新設計了可橫向調整安裝位置的懸掛架，該架的縱向對稱中心面與鏟架縱向對稱中心面可偏置或重合配置安裝，以適應拖拉機單壟作業時輪距跨壟距要求。懸掛架的縱向對稱中心面與鏟架縱向對稱中心面的距離可按0 mm、325 mm、400 mm、425 mm調整。懸掛架前面的三個點與拖拉機等動力源連接，其中下兩懸掛點處可安裝I類懸掛用測力傳感器，同時配備了可使機架縱垂面垂直受力平衡的后支撐輪部件，該輪可通過絲杠調節高度。

4 結論

本研究設計了一種全新的專門用于測試馬鈴薯收獲機上的挖掘裝置（挖掘鏟）入土作業時的牽引阻力的試驗臺架。通過在該試驗臺架上更換不同類型的鏟子，在不同土壤條件下，通過改變鏟子的入土角度和挖掘深度，對土壤實施切挖和通過作業，進行所受阻力的試驗和測試對比，可獲得同等土壤條件下最佳減阻效果的仿生挖掘鏟的結構形式，進而將其作為共性技術應用到馬鈴薯收獲機上，降低作業時的挖掘阻力，降低能耗，減少磨損，提高效率，達到節本增效的目的。

本試驗臺架考慮到挖掘裝置測力試驗時的不同工況和動力源配置，既可適用于實驗室內人工模擬土壤狀態下以土槽車為動力源的情況，也可在室外田間實際作業情況下為拖拉機配套，從而保證試驗的連續性和試驗的廣泛性。田間室內均可不受天氣影響，即影響因素的不同設定，通用性好。

本試驗臺架具有工作原理及結構設計構思新穎巧妙，挖掘裝置配備凹鼓形仿形輪部件具有限深穩定的作用，切土圓盤部件具有消除側向黏連的阻力影響作用，鏟架調節和控制鏟子的入土角方便、準確，從結構上限定了切挖土壤的范圍，使得切挖和通過土壤時的阻力與鏟形具有直接和純粹的關系，從中獲得的試驗數據對比性強，試驗結論準確可靠、科學合理。因此，本試驗臺架對研究馬鈴薯挖掘裝置的合理結構與配置，及仿生挖掘鏟在減粘脫附、減阻增效方面具有重要作用。

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