大挖深菊芋收獲機設計與試驗

戴立勛，黃曉鵬，魏宏安，楊 勇，李 榮

(1.甘肅農業大學機電學院，甘肅 蘭州 730070； 2.駝峰山生態農場，甘肅 榆中 730100)

菊芋俗稱洋姜，屬菊科，為一年生草本植物，可藥用或食用[1]。菊芋根系特別發達，繁殖力強，抗旱，耐寒耐鹽堿，塊莖產量大1 000～6 000 kg·667m-2，是保持水土、防風固沙改良土壤的優良作物，具有較高經濟及生態效益[2]。我國目前菊芋規模化種植面積已達6.67×104hm2[3]。

菊芋收獲屬深根莖類作物收獲作業，對于根莖類作物收獲，目前國外已實現對馬鈴薯、大蒜、洋蔥和花生等淺根莖作物的機械化收獲[4]。國內根莖類作物收獲機研發主要集中在馬鈴薯收獲方面，目前相關理論研究關注在如何降低機具工作阻力，提高根莖、土壤分離效果，如采用振動式、仿生式挖掘鏟減阻，利用抖土、擊打等原理提高分離效果等方面[5]。

以現有挖掘式馬鈴薯收獲機為代表的根莖類作物收獲機應用在菊芋收獲作業上，因菊芋挖掘深度為250～500 mm，超出收獲機設計挖掘深度，導致工作阻力大于機具荷載，而使機具損壞。加之北方菊芋收獲多在深秋至初冬進行，此時地表土壤已初霜凍，形成一定厚度凍結層，不易破碎。土壤中的菊芋團塊、根系、表面凍土塊、深層土壤中的礫石，與分體式挖掘鏟柄、機具側板卡塞，導致土壤擁堵，使機具無法持續有效作業。

現有根莖類作物收獲機因升運鏈桿條間距較大，升運過程中較小菊芋塊莖由鏈桿條間隙落地，被落下的土壤掩埋，來年萌發影響下茬作物。同時輸送分離行程短，抖動頻率及幅度較小，菊芋塊莖由菊芋團塊及根系脫落不徹底，土壤、塊莖分離效果差，使后續人工撿拾難度增大。

針對以上問題，課題組研制了大挖深菊芋收獲機，針對現有挖掘式馬鈴薯收獲機采用的整體式挖掘鏟，將與機組前進方向平行的挖掘鏟固定扳，設計為外傾式挖掘鏟固定刀臂，并依據菊芋塊莖大小重新設計挖掘鏟面的寬度及升運鏈桿條間距。可一次性完成菊芋挖掘、芋土分離、輸送、鋪放，并起到一定的土壤深松作用。能在250～500 mm挖掘深度，初霜凍、菊芋團塊根系發達地塊，克服凍土塊、礫石卡塞導致的土壤擁堵，實現持續穩定作業。滿足我國現階段菊芋規模化種植情況下收獲作業的需求。并為解決大挖深、高產量、地下多雜余、礫石、易擁堵根莖類作物收獲機的研制提供一定的借鑒。

1 整體結構、工作過程及技術參數

1.1 整體結構

菊芋收獲機主要由機架、挖掘部件、輸送分離部件、傳動部件、支撐行走輪及懸掛架等機構構成，如圖1所示。主要技術參數如表1所示。

1.2 工作原理

作業時，該機通過拖拉機的牽引驅動進行挖掘作業，挖掘深度通過地輪與機架的相對高度確定，挖掘入土角度通過調整拖拉機中央拉桿的工作長度實現。作業時菊芋根系、塊莖、土壤被挖掘鏟掘取后，進入土芋分離輸送裝置，經輸送帶抖動，使土

塊破碎散裂，菊芋塊團根系上未脫離的菊芋塊莖抖動分離，小于鏈桿間隙的土壤和雜物由鏈桿間隙篩下。菊芋塊莖經二級分離輸送裝置的末端，拋落在機具后部的土層上。土壤與菊芋塊莖分離能力調整，通過改變拖拉機動力輸出軸轉速，進而改變抖動輪轉速，抖動頻率、振幅實現[6]。

2 主要零部件的選擇及設計

2.1 挖掘機構

因菊芋塊莖結芋深度為250～550 mm，已達耕地心土層[7]，收獲時需破開凍土層，加之菊芋根系發達，要求挖掘機構結構堅固，可以承受較大的工作阻力，表面凍土塊、礫石、團塊殘根等不易卡塞挖掘機導致土壤擁堵。同時菊芋微小根莖塊需全部挖掘出來，防止來年萌發影響下茬作物。本機采用整體式條形鏟面、防石柵、外傾式挖掘鏟固定刀臂構成外傾整體式條形挖掘鏟，結構如圖2所示。

1.挖掘鏟；2.一級輸送分離部件；3.抖動輪；4. 托帶輪；5.支撐行走輪；6. 二級輸送分離部件；7.機架；8. 傳動鏈；9.變速箱；10. 動力輸入軸；11. 懸掛架；12. 挖掘鏟固定刀壁側面支撐；13. 挖掘鏟固定刀壁1. Digging shovel; 2. First transport disengaging device;3.Dithering wheel;4.Support roller;5. Support road wheel;6. Second transport disengaging device;7. Rack; 8. Transmission chain;9. Gearbox; 10. Power input shaft; 11. Suspension bracket;12. Later supporting of fixed knife-edge of digging shovel;13. Fixed knife-edge of digging shovel圖1 菊芋收獲機結構圖Fig.1 Structure diagram of Jerusalem artichoke harvester

表1菊芋收獲機的主要技術參數

Table1TechnicalparametersofJerusalemartichokeharvester

外形尺寸(長×寬×高)Overall dimension(L×W×H)/mm結構質量Structurequality/kg配套動力Power/kW生產率Productivity/(hm2·h-1)運輸間隙Transportationinterval/mm工作幅寬Working width/mm2148×1147×139611244～58.80.3～0.5≤3001000

鏟面傾角α的大小影響到挖掘鏟的入土性能、碎土性能、挖掘阻力及掘起物提升的高度[8]。掘起物受力圖如圖3所示。

1.整體式條形鏟面；2. 防石柵；3. 外傾式挖掘鏟固定刀臂1. Unitary strip shovel surface; 2.Stone palisade;3. Inclined fixed blade of digging shovel圖2 挖掘鏟機構結構簡圖Fig.2 Structure diagram of digging shovel

注：P：沿挖掘鏟移動掘起物所需要的力;G：重力;F：鏟面與土壤的摩擦力;α：鏟面傾角。Note: P： Power to move the dug object along the digging shovel; G： Gravity; F： Friction between shovel surface and soil; α： Shovel inclined angle. 圖3 掘起物受力圖Fig.3 Force diagram on the dug object

平衡方程組為：

(1)

式中,P為沿挖掘鏟移動掘起物所需要的力(N)；G為鏟面上掘起物的重力(N)；N為挖掘鏟對土壤的反作用力(N)；F為鏟面與土壤的摩擦力(N)；F=fN，f為土壤與挖掘鏟的摩擦系數。

由(1)式得出：

(2)

鏟面傾角α減少，機具入土性能好，機具工作挖掘阻力減少，碎土性能較差，容易壅土，反之，傾角增大，機具入土性能差，機具工作挖掘阻力增加，碎土性能較好[9]，最終計算確定鏟面傾角為16°。

挖掘鏟工作幅寬B需考慮拖拉機牽引力、挖掘深度、土壤耕作比阻、作業機組的作業速度，參考深耕犁，可由式(3)[10]、 (4)[11]得出(5)。

(3)

(4)

(5)

式中,N為拖拉機標定功率(kW)；PT為拖拉機牽引力(N)；ηT為牽引力利用系數取ηT=0.6；K為土壤耕作比阻；α為挖掘深度，取α=250～500 mm；V為拖拉機作業速度，取3～5 km·h-1，根據選用拖拉機功率為44～58.8 kW，最終計算確定B為1 000 mm。

挖掘鏟的寬度S1須保證不能出現漏挖和損傷塊莖的現象，寬度方向上至少容納單一塊莖[12]。但增加挖掘鏟寬度，作業阻力也隨之增加，考慮菊芋塊莖平均大小SSr、菊芋塊莖大小標準偏差σ、拖拉機誤差校正值C1、菊芋塊莖離壟中心線偏距C0：S1≥SSr+3σ+C1+C0=59.2+29.8+30+30=149 mm；結合材料規格挖掘鏟的寬度S1取150 mm。

挖掘鏟固定刀臂的設計主要是為了連接挖掘鏟及在工作過程中切開土壤、凍結層、殘根，固定刀臂前臂面與豎直方向呈夾角β(如圖2所示)應能滿足土壤、殘根沿刃口向上滑移，需滿足下式：

Rsinβ≥Rtanφcosβ+G

(6)

式中,R為刀臂刃口阻力(N)；φ為土壤對鋼的摩擦角，度(°)；G為重力(N)，經計算β取15°。

為使挖掘過程中土壤表面凍土層不易破裂，防止表面凍土塊、礫石、團塊殘根卡塞挖掘機導致土壤擁堵的情況發生，將挖掘鏟固定刀臂相對與挖掘機側板呈外傾夾角γ布置，將表面凍土層擠入固定刀臂，進而橫向尺寸逐漸縮小，使其破裂。同時土壤阻力產生沿挖掘鏟固定刀臂面指向牽引中心線分力對表面凍土塊、礫石、團塊殘根產生偏轉力矩作用，使其翻滾，進而隨土垡向后運動，解決卡阻問題。但過大的角度，使機具阻力過大，會導致壅土現象的發生。參考深耕犁γ取15 °。

2.2 挖掘鏟有限元分析

因挖掘機構需承受較大的工作阻力，在阻力的作用下，挖掘鏟將產生應力與變形，可對挖掘鏟進行有限元分析，從分析結果判斷挖掘鏟在各個方向受到的應力、變形位移變化分布及大小是否滿足設計要求，是否符合挖掘作業的性能要求。

挖掘鏟受力有土壤法向力N和摩擦力f, 摩擦力與法向力相比, 摩擦力很小, 故只需研究法向力N對挖掘鏟的影響[13]。載荷為垂直于鏟面的法向力, 把載荷施加在挖掘鏟面，根據挖掘鏟牽引阻力模型(式7)計算出具體數值, 根據作用力、反作用力原理, 利用相應的幾何關系解出垂直到鏟面的法向力。

拖拉機標定功率為58.8 kW，拖拉機作業速度取5 km·h-1，挖掘鏟在土壤中移動的牽引阻力根據式(7)[14]計算出具體數值。

(7)

式中,W為挖掘阻力(N)；G為作用于挖掘鏟上的土壤重力(N)；Z為常數；T為土壤抗剪切力，T=CF1(C為土壤內聚力因數(N·cm-2)，F1為土壤剪切面積(cm2))；B為土壤沿鏟面運動的加速力(N)；μ為土壤內的摩擦因數；Ca為土壤與鏟面的附著因數(N·cm-2)；A0為挖掘部分面積(m2)；a為鏟面傾角度(°)；β為土壤失效傾角(°)；ε為土壤與金屬的摩擦系數。

鏟面壓強為法向力與作用面積之比,計算值為10.714 MPa，法向載荷N為2 550 N 。挖掘鏟壁厚12 mm，挖掘鏟固定刀臂厚10 mm，材料為65Mn，彈性模量E=2.11×1011N·Mm-2；密度ρ=7.82×103kg·m-3；泊松比為0.288；許用應力σx=784 MPa。使用Ansys軟件得到挖掘鏟位移變化云圖(圖4)可知，鏟面中間部分變形較明顯，最大位移變形量為0.01 mm，但就挖掘鏟整體而言變形量較小，可以忽略。由挖掘鏟應力變化云圖(圖5)可知，挖掘鏟應力在鏟端兩側應力較大，最大應力為165.8 MPa。小于挖掘鏟材料的屈服極限強度(許用應力)784 MPa。以上分析結果表明，挖掘鏟應力、應變均符合設計要求。

2.3 挖掘鏟固定刀臂離散元仿真

離散元仿真分析方法被廣泛應用于耕作過程研究[15]，適合仿真土壤和剛性體間的相互作用[16]，能夠有效模擬顆粒材料和研究材料之間的微觀宏觀變形[17]。因挖掘鏟固定刀臂頂端與鏟面垂直高度可變，使挖掘鏟固定刀臂形狀發生改變，導致挖掘鏟挖掘阻力、土壤破碎及運動情況隨之改變，這些變化又與多個因素相關，難以用公式進行表述和求解，但可通過離散元仿真分析確定適合的尺寸。

綜合材料及機具結構，提出3個固定刀臂頂端與鏟面垂直尺寸備選值,分別為：490、550、600 mm。按照1∶1比例，SolidWorks建立挖掘鏟(含固定刀臂)三維模型，導入EDEM軟件，選定土壤顆粒半徑為5 mm；土槽尺寸為1.8 m×1.4 m×1 m(長×寬×高)。本文選用Hertz-Mindlin模型作為離散元法仿真挖掘鏟在土壤顆粒中運動的接觸力學模型，挖掘鏟速度為1.39 m·s-1，挖掘深度0.4 m；材料為65Mn，泊松比為0.3，剪切模量為1.92×106(Pa)，相關參數見表2。

圖4 挖掘鏟位移變化云圖Fig.4 Cloud image for the displacement change of digging shovel

圖5 挖掘鏟應力變化云圖Fig.5 Cloud image for the stress change of digging shovel

參數Parameter數值Value參數Parameter數值Value土壤顆粒密度Soil particle density/( kg·m-3)1.350顆粒與挖掘鏟間恢復系數Recovery coefficient betweenparticles and digging shovel0.3土壤顆粒泊松比Poisson ratio ofsoil particle0. 4顆粒與挖掘鏟間滾動摩擦系數Rolling friction coefficientbetween particles and shovel0.4土壤顆粒剪切模量Shear modulus of soilparticle/Pa1.09×106顆粒與挖掘鏟間的靜摩擦系數Static friction coefficientbetween particles anddigging shovel0.5顆粒-顆粒間恢復系數Recovery coefficientamong particles0.2顆粒半徑Particle radius/m0.005顆粒之間的滾動摩擦系數Rolling friction coefficientamong particles0.3顆粒數目/個Particle number1×107顆粒之間的靜摩擦系數Static friction coefficientamong particles0.4仿真時步/sStimulation step-length1×10-5

注: 仿真中涉及的相關參數參考黃玉祥等[17]，Mustafa Ucgul等[18]相關文獻。

Notes: Related parameters in simulation come from the references of Huang Yu-xiang[17], Mustafa Ucgul[18].

仿真開始生成土壤顆粒，待顆粒沉降穩定后，挖掘鏟開始運動，直至仿真結束。仿真模擬結果獲得的圖像與數據如圖6、表3所示。

圖6土壤顆粒顏色由藍色至綠色至紅色，表明土壤顆粒所受到的力依次增加，在圖6中，C圖挖掘鏟固定刀臂前端土壤顆粒所受的力最大，這將有利于表面凍土層破裂，且C圖中挖掘鏟土壤堆積前端較平，表明其在3種挖掘鏟規格中最為理想。結合表3挖掘鏟阻力仿真數據表明，3種不同規格的挖掘鏟中，固定刀臂頂端與鏟面垂直尺寸為600 mm挖掘鏟，其破土、土壤移動情況和所受阻力均優于其余兩種規格，可確定為具體尺寸。

2.4 輸送分離機構

菊芋收獲機的輸送分離部件為兩級抖動鏈式輸送分離器構成，主要由抖動輪，主、從動鏈輪，升運鏈組成，如圖7所示。

圖6 土壤顆粒受力及變形堆積情況Fig.6 Situation of soil particle force, deformation and stacking

固定刀臂與鏟面垂直高度Vertical height of fixedknife-edge and blade/mm水平阻力最大值Max horizontalresistance/N垂直阻力最大值Max verticalresistance/N運動方向阻力最大值Max resistance atmoving direction/N阻力合力最大值Max resistanceresultant/N4901.364101016025.922917.65502.31781613815.119371.16001.18875612134.717580.6

1.變速箱輸出鏈輪；2.升運鏈；3. 一級輸送分離從動輪；4. 一級輸送分離；5. 抖動輪；6. 托帶輪；7.一級輸送分離主動輪；8. 二級輸送分離；9.傳動鏈1. Gearbox output sprocket; 2. Elevating chain;3. First transport disengaging driven wheel;4. First-class transport disengaging; 5. Dithering wheel;6. Support roller; 7. First transport disengaging drive wheel;8. Second transport disengaging; 9. Transmission chain圖7 輸送分離機構結構簡圖Fig.7 Structure diagram of the conveyor and separator

據資料與實際測量，菊芋塊莖長度大于厚度，厚度(C)尺寸介于20～55 mm之間，分離輸送器的相鄰兩桿條內側間距(L1)應滿足以下關系：

L1

(8)

桿條材料為錳鋼，尺寸D(桿直徑)為10 mm，相鄰兩桿條圓心間距L取40 mm。

分離輸送器抖動輪等轉速由升運鏈線速度及抖動輪周長確定，進而改變抖動頻率與振幅[19]，升運鏈線速度通過改變油門大小進行調整。抖動頻率分別按(9)式和(10)式[20]計算。

(9)

(10)

式中，v為升運鏈線速度(m·S-1)；C為抖動輪周長(m)；n為抖動輪轉速(r·min-1)；Z為抖動輪頭數。

作業時，拖拉機低檔2/3油門，動力輸出軸720r，根據傳動比可得升運鏈線速度v=1.6 m·S-1。抖動輪周長C=0.339 m，計算得抖動輪轉速n=283 r·min-1。機具采用雙頭抖動輪，計算得抖動頻率f=9.44 Hz。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2016年10月底至11月中旬，在隴中黃土高原半干旱區的榆中縣清水驛鄉進行了樣機田間收獲作業，累計完成作業27 hm2。試驗地為：平播水澆地、壟播套種旱地、平播旱地。水澆地土壤含水率18%，旱地含水率13%，菊芋品種為青芋一號，壟播試驗地，播壟高200 mm、壟寬400 mm、溝寬300 mm、株距400 mm、行距700 mm，平播株距400 mm、行距600 mm。結芋深度為250～500 mm，植株85%莖葉干枯，殺秧機滅莖，配套動力為東方紅804拖拉機，功率為58.8 kW。

3.2 試驗方法

因無菊芋收獲的國家標準，故參考馬鈴薯收獲國家標準《NY/Y648-2002馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》規定的試驗方法，對3種試驗地進行收獲試驗，測定了菊芋收獲機純工作小時生產率、損失率、傷薯率、含雜率4個指標。

3.3 試驗結果與分析

菊芋收獲機不同地塊條件下主要性能指標如表4所示，具體項目技術要求值因無相應國標，本著相近原則，參照馬鈴薯收獲國家標準《NY/Y648-2002馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》。

試驗結果表明(參見圖8)：該機對土質松軟，無板結旱地及平播水澆地適應性較好，各項指標均能達到相關技術要求。旱地傷薯率較高的原因是，機手在作業時為了提高分離效果，加大拖拉機轉速，提高抖動輪抖動頻率，使得薯塊翻轉次數明顯增多，薯塊與板結、凍結土塊碰撞加劇，導致傷薯率增大；平播水澆旱地，收獲作業時霜凍明顯，為了提高分離效果，也存在同樣現象。故為提高作業質量，應控制拖拉機動力輸出軸轉速使抖動頻率保持在一個合理的范圍。壟播旱地收獲含雜率超標，主要是壟作旱地壟上土壤失水板結嚴重，不易破損分離，殺秧機殺秧破碎莖桿多堆積在壟溝中，加之套種作物油葵殘根，使含雜率超標。

圖8 樣機田間試驗Fig.8 Field experiment of the prototype

表4 菊芋收獲機不同試驗條件下主要性能指標

4 結 論

1)課題組所研制的大挖深菊芋收獲機可以實現對菊芋大挖深挖掘、芋土分離、輸送、鋪放等作業過程，挖凈率高，且有一定的深松作用，并可以在菊芋北方深秋至初冬收獲季節，克服卡塞及土壤擁堵，實現持續有效的作業，降低了勞動強度，提高了工作效率，降低了收獲作業成本，且收獲質量好。

2)通過挖掘鏟的功能和形狀分析結合菊芋收獲具體作業條件，設計了一種外傾整體式條形挖掘鏟，結構堅固，能承受較大的挖掘阻力，并能順利地破開初霜凍形成的凍結層，且具有較強的抗表面凍土塊、礫石、團塊殘根卡阻能力。

3)菊芋團塊根系發達，菊芋塊莖不易脫落，升運鏈的抖動頻率增加有助于菊芋塊莖由根系脫落及土壤與芋塊分離，但過高的抖動頻率，又會損傷菊芋。如何找到一個合適的抖動頻率，有待做進一步研究。