四行馬鈴薯殺秧機的設計

2019-12-22 05:43:46彭曼曼呂金慶于佳鈺

農機化研究 2019年2期

彭曼曼，呂金慶，孫賀，于佳鈺

(東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030)

0 引言

近年來，隨著馬鈴薯主糧化戰略的提出，馬鈴薯已成為第四大糧食作物，其種植面積的逐年攀升，在解決發展中國家糧食安全問題上發揮了重要作用。鑒于馬鈴薯大面積種植情況，馬鈴薯收獲前的殺秧工作也越來越被重視。使用殺秧機打秧是馬鈴薯收獲的關鍵環節。收獲前的殺秧工作可以減輕工作強度，提高收獲機的作業速度，從而提高了收獲效率；提高了收獲機分離質量，降低了分離器的故障率；加速馬鈴薯表皮木栓化，降低了馬鈴薯在收獲過程中的磕碰傷，確保塊莖不受病蟲害感染；同時，避免了運用化學殺秧劑對環境造成污染。因此，殺秧已成為收獲過程中不可缺少的一部分。

國外馬鈴薯殺秧機研究起步較早，馬鈴薯殺秧機的種類較多，技術也比較成熟，尤其是對甩刀的結構和排列方式有很深入的研究，機具各項結構比較完善，殺秧效果好。國內馬鈴薯殺秧機起步晚，從田間作業效果來看，存在打碎長度合格率差、帶薯率高及護罩上土壤粘著嚴重等問題；另外，馬鈴薯秧長度殘留高影響收獲機的作業，增加作業負荷，影響分離效果等[1-2]。為此，本文設計了一種四行馬鈴薯殺秧機，對其關鍵部件結構進行設計，對甩刀工作狀態、甩刀排列方式進行分析，并進行田間試驗，旨在獲得較為合理的相關作業參數，改進殺秧機的作業性能，以滿足馬鈴薯收獲前的殺秧要求。

1 整機結構及主要技術參數

1.1 整機結構

整機由護罩、限深輪、傳動系統、機架總成、刀座、甩刀及懸掛架等組成，如圖1所示。

工作原理：殺秧機采用三點懸掛的方式，主要包括萬向節總成、變速箱總成、刀軸總成及張緊輪總成等。殺秧機工作時，拖拉機動力輸出軸經萬向節將動力傳遞給變速箱，經1對錐齒輪改變動力傳輸方向，皮帶輪帶動刀軸和甩刀一起高速旋轉。機具在前進過程中，高速旋轉的壟上刀、壟側刀和壟溝刀分別將相應區域內的莖秧及雜草從根部打斷，并帶入護罩殼內；護罩殼內設置定刀，在甩刀及護罩的共同作用下將莖秧和雜草進一步剪切、搓擦和撕裂將其粉碎，最后在氣流和離心力的作用下將其拋撒到田間。

1.2 主要技術參數

根據馬鈴薯的農藝技術要求設計了四行馬鈴薯殺秧機，該機采用三點懸掛式于拖拉機掛接，且具有極高的適用性，可根據不同的田間壟距要求進行調整作業裝參數。主要技術參數如表1所示。

2 關鍵部件結構設計及分析

2.1 甩刀結構設計

根據馬鈴薯種植的壟形特點，為了減少殺秧作業中馬鈴薯的損傷，并在作業中達到仿壟形效果，殺秧機上安裝了壟上刀、壟側刀和壟溝刀[3]，如圖2所示。

1.護罩 2.限深輪 3.傳動系統 4.機架總成 5.懸掛架 6.刀座 7.甩刀圖1 四行馬鈴薯殺秧機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of four-line potato haulm cutter

序號項目單位數值1整機質量kg15002外行尺寸(長×寬×高)mm2100×4000×11503配套動力kW≥66.2～88.2輪式拖拉機4刀片類型甩刀式5作業幅mm31506拖拉機動力輸出軸轉速r/min10007刀片轉速r/min≥12008適應壟距cm?70～909擊碎質量kg0.3～0.510生產率hm2/h211切碎長度mm5～1012除凈率%≥90

圖2 甩刀結構圖

由圖2可知：①壟上刀和壟側刀的工作面設計成弧形，以提高甩刀的拋帶秧能力；②為提高甩刀的砍切性能和效果，設計甩刀質心距刀刃較近；③壟側刀的刀刃設計成斜刃，以提高仿壟形效果，且作業時對薯秧有滑切作用，降低了工作過程中的切割阻力；④壟溝刀采用彎刀，增加了與薯秧的接觸面積，以保證甩刀砍切薯秧時甩刀根部不易纏草，使壟間的薯秧徹底分離[4]。

2.2 甩刀作業狀態分析

2.2.1 甩刀拋秧性能分析

砍切掉的薯秧及雜草被甩刀帶進護罩、定刀及甩刀組成的工作腔，殺秧機作業過程中(拋秧狀態)幾種甩刀的運動軌跡相似，選取壟上刀為例進行分析。由于甩刀高速旋轉且相對于薯秧質量較大，這里將甩刀在砍切薯秧時發生的微小偏轉忽略不計，以刀輥的軸心O為坐標原點，建立Oxy直角坐標系，甩刀端點的位移方程為

(1)

式中vm—殺秧機前進速度(m/s)；

R—壟上刀回轉半徑(mm)；

ω—壟上刀回轉角速度(rad/s)；

t—時間(s)。

甩刀端點軌跡圖如圖3所示。

圖3 甩刀端點運動軌跡

(2)

(3)

從式(3)可得甩刀的運動軌跡是余擺線。

2.2.2 甩刀砍切性能分析

針對壟上刀砍切莖秧時的工作狀態進行受力分析，如圖4所示。甩刀作業時高速旋轉，在離心力的作用下鉸接在銷軸上的甩刀處于徑向射線位置，同刀輥同步轉動；而實際作業時甩刀在切割莖秧的過程中受到莖秧對甩刀的反作用力會產生一定的偏轉角，完成砍切后恢復原位[5-8]。

圖4 甩刀受力分析

根據圖4中的受力關系建立相對于銷軸的力矩平衡方程為

MT=MG+MJ+MF

(4)

式中MT—甩刀受到的切割阻力矩(N·m)；

MG—重力相對于銷軸的力矩(N·m)；

MJ—離心力相對于銷軸的力矩(N·m)；

MF—銷軸和甩刀之間的摩擦力相對于銷軸的力矩(N·m)。

MT=Th1

(5)

式中T—甩刀受到的切割阻力(N)；

h1—壟上刀端點到銷軸中心的距離(mm)。

MG=mgh2sinβ

(6)

式中m—壟上刀的質量(kg)；

g—重力加速度(N/kg)；

h2—壟側刀重心到銷軸中心之間的距離(mm)；

β—偏轉角(°)。

MJ=mρω2h3=mR1ω2h2sinβ

(7)

式中ω—刀輥轉速(rad/s)；

ρ—刀輥中心到壟側刀重心之間的距離(mm)；

h3—偏轉后的離心力到銷軸中心之間的距離(mm)；

R1—銷軸到旋轉中心的距離(mm)。

MF=μ(mρω2+mg)r

(8)

式中r—銷軸半徑(mm)；

μ—摩擦因數。

將式(8)整理得到甩刀在切割莖秧時刀片產生的偏轉角的關系式為

(9)

根據式(9)可知：甩刀在切割莖秧時的偏轉角與刀具本身的結構、質量和刀輥的轉速有關。當刀具的結構和安裝尺寸一定時，甩刀切割莖秧時產生的偏轉角β隨著甩刀質量m的增加而減小；當甩刀質量m一定時，刀輥中心到壟側刀重心之間的距離ρ也可以減小偏轉角β；當甩刀結構、質量及安裝尺寸一定時，提高刀輥的轉速ω可以減小甩刀在工作時產生的偏轉角β。甩刀采用鑄鋼材料鑄造而成，甩刀整體質量重心位置向下偏移，加之刀刃角的設計很大程度上減小了甩刀砍切薯秧時的偏轉角，提高了甩刀的砍切性能，進而提高了殺秧質量[9-11]。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2017年9月中旬，在黑龍江農業科學院試驗基地(作業面積5hm2)進行了田間殺秧試驗。試驗地播種方式為旱地壟播。試驗區的壟長大于200m，壟距為800mm，壟高250mm，莖秧高度約為800mm，且田間伴有少量雜草。馬鈴薯殺秧機配套動力為88 kW輪式拖拉機，田間殺秧效果如圖5所示。

圖5 田間殺秧效果

3.2 試驗方案及結果分析

3.2.1 試驗方案及結果

根據參考文獻[12]《評價馬鈴薯打秧機作業質量的指標和檢測方法》規定的試驗方法進行馬鈴薯田間殺秧試驗。采用正交試驗設計方法安排試驗[13-14]，考察各參數下殺秧機的工作性能。

以打碎長度合格率為試驗指標，設置各因素的水平范圍為：刀輥轉速1 200～1 500r/min，作業速度4～7km/h，壟上刀距離壟臺高度35～120mm。通過田間試驗對3個試驗指標進行顯著性分析，根據實際作業要求對各參數組合進行優化，以獲得較合適的因素組合。試驗因素水平編碼表如表2所示，試驗方案及試驗結果如表3所示。

由表3可知：①刀輥轉速對打碎長度合格率的極差R最大，故刀輥轉速對打碎長度合格率影響最大，打碎長度合格率隨著刀輥轉速的增加而增加；但是受殺秧機結構內在限制，刀輥轉速在一定范圍內合理。②作業速度對打碎長度合格率的影響最小，殺秧機作業速度越大，打碎長度合格率越大但影響效果不明顯。③隨著壟上刀距壟臺高度的增加，打碎長度合格率持續增大，在壟上刀距壟臺高度為95～110mm時，打碎長度合格率急劇增加；壟上刀距壟臺高度大于110mm時，打碎長度合格率開始降低。④因此各因素的影響順序為：刀輥轉速>壟上刀距壟臺高度>作業速度。