遙控自走式三七收獲機設計與試驗

袁 剛，楊永發(fā)，楊朝明，張國鵬，劉海蘋

(西南林業(yè)大學 機械與制造工程學院，昆明 650224)

0 引言

三七屬五加科多年生草本植物，三七花、根、根須均可作為中藥材使用。三七根橫向生長，生長期為3～7年，主根呈類圓錐形或圓柱形，長3～10cm，直徑1～4cm，性溫、味甘微苦，莖葉花均可入藥。現(xiàn)代醫(yī)學表明：三七富含谷甾醇、胡蘿卜酐、油脂等營養(yǎng)成分，生用有止血強心、散淤生津[1-3]及消腫定痛等顯著功效，熟用有活血、補血、強壯補虛之功效，是一種名貴中藥材。云南三七種植主要以文山為主，常年種植面積2.0hm2，年產(chǎn)量1 000t，占全國產(chǎn)量和種植面積的90%以上[4]。但由于三七輪作時間為10年，使得三七在文山的種植面積逐漸減少，為滿足市場需求，紅河、石林、昆明等地現(xiàn)已開始種植。隨著三七種植模式的不斷擴大，市場上對三七收獲機械化需求將進一步增加。目前，國內(nèi)所設計三七收獲機主要以后掛式為主，且體積較大，對三七的損傷率較高，特別是三七根須的損傷。國外在根莖類作物挖掘的研究情況如下：1935年，美國使用簡單的挖掘機進行馬鈴薯收獲；1967年，美國馬鈴薯聯(lián)合收獲機投產(chǎn)并使用。20世紀40年代，德國馬鈴薯的采用拋擲式收獲機，50年代升運鏈式收獲機投入使用，70年代研制出聯(lián)合收獲機。1965年，日本生產(chǎn)了懸掛式的拋擲式與升運鏈式收獲機，20世紀70年代研制出聯(lián)合收獲機[5-8]。隨著三七種植面積的不斷增加，三七收獲機械化的需求也應運而生。本文的遙控自走式三七收獲機挖掘裝置采用前喂入式，輸送裝置放置于整機側面，集挖掘、夾持、拍土及根莖分離等功能為一體。三七收獲季節(jié)集中在9月份，收獲季節(jié)較集中，傳統(tǒng)的人工收貨方式已不能適應現(xiàn)代社會對三七的需求，只有機械化收獲才能促進三七種植方式改革和進步。三七種植全程機械化是必然趨勢，實現(xiàn)機械化操作可以降低勞動強度、提高生產(chǎn)效率，便于形成規(guī)范化、規(guī)模化生產(chǎn)管理[9]。

1 農(nóng)藝要求

國內(nèi)現(xiàn)有的三七收獲機多采用后喂入式收獲的方式，整機體積較大，以拖拉機為動力輸出，不能進行棚內(nèi)作業(yè)；且傳統(tǒng)的三七收獲機只能收獲三七根，三七根須大多被破壞，對農(nóng)戶的經(jīng)濟價值有所損傷。圖1所示為3年生三七大棚生長實物圖，壟寬1 700mm，中間用頂柱支撐，兩邊留有墑溝，大棚頂高1 500mm，棚內(nèi)作業(yè)空間有限。

為適應現(xiàn)代三七大棚種植的要求，設計了一種遙控自走式三七收獲機，為微型自走式作業(yè)機。其體積較小，方便在棚內(nèi)作業(yè)，收獲幅寬為900mm，采用半壟-半壟收獲方式，前喂入式挖掘裝置能夠很好地保護三七根須的完整性。根據(jù)云南三七種植農(nóng)藝要求，結合現(xiàn)在三七大棚種植的實際需求，在文山田間測量得到的農(nóng)藝參數(shù)如表1所示。

圖1 三年生大棚三七植株

表1 三七種植農(nóng)藝參數(shù)

2 整體結構及原理

2.1 遙控自走式三七收獲機整體結構

遙控自走式三七收獲機是根據(jù)云南文山等地區(qū)三七大棚種植的特殊農(nóng)藝要求，為發(fā)展現(xiàn)代化種植的要求而設計的機械，整機結構如圖2所示。其主要由挖掘部分、夾持運輸部分、拍土部分、根莖分離部分及收集等功能部件組成。主要特點是挖掘裝置為前喂入式，夾持運輸裝置為側向輸送，在不損傷三七根須的情況下，一次性完成挖掘、夾持、拍土、根莖分離及收集等作業(yè)。該機具結構緊湊，工作可靠，操作簡單，可在500m范圍內(nèi)搖控操作。前刀架采用液壓裝置，可進行升降操作；采用半壟-半壟式收獲方式，當機械前面行走時，前面人工把大棚頂柱撥向一邊，調(diào)頭收獲另一邊時，人工把頂桿撥向反側，可以實現(xiàn)三七在棚內(nèi)完整作業(yè)，既保證三七的完整性，同時也保證了大棚的完整性。

1.鏟刀 2.刀拖 3.刀桿 4.刀架 5.夾持機架 6.拍土裝置 7.夾持鏈輪 8.張緊輪 9.根莖分離裝置 10.夾持鏈 11.傳動鏈輪 12.傳動系統(tǒng) 13.齒輪 14.軸1固定架 15.底座

圖3 三七收獲機主視圖

2.2 工作原理

機具作業(yè)時，與自走式遙控履帶式微型作業(yè)機配套使用，鏟刀為內(nèi)八字型刀片[10]，入土深度150～200mm(可調(diào))；刀架與底座支架有限位塊裝置，可控制刀架抬升角度，最大抬升角為90°，完全工作狀態(tài)為水平放置；前刀架由雙向液壓裝置控制，夾持鏈夾機架，夾持高度150mm，通過鏈輪傳動將三七植株夾持向上輸送。夾持鏈選用機械行業(yè)標準，兩條閉合回路鏈條，夾持輸送過程有張緊輪限制鏈條擺動。由拍土裝置為曲柄搖桿裝置，連桿平面拍打三七莖稈部位，達到去土目的。傳動裝置由動力輸出軸、鏈輪組及齒輪組等組成，由遙控履帶式微型作業(yè)機機尾輸出齒輪，經(jīng)動力輸出軸至星形變速器降速，傳至鏈輪組，通過錐齒輪組轉向。錐齒輪組為左右對稱放置，通過中間鏈輪軸連接，同步轉動。根莖分離裝置為兩個反向旋轉的圓盤刀，圓盤刀下面有收納箱為收集三七。底座為遙控履帶式微型作業(yè)機底盤。

3 主要部件設計

3.1 傳動系統(tǒng)

遙控自走式三七收獲機的動力來源為遙控履帶式微型作業(yè)機變速箱的齒輪動力輸出齒輪嚙合傳遞[11]，輸出轉速為275r/min，鏈輪傳動比1:1，錐齒輪為換向輪傳動比1:1。拍土裝置鏈輪傳動比為1:2，作業(yè)機的行走速度為0.25m/s，夾持鏈速度為0.99m/s，通過星型變速器，輸出動力。所述傳動裝置為一組鏈輪傳動，傳動到鏈輪軸，鏈輪軸為左右對稱分布的錐齒輪組，實現(xiàn)換向；把動力傳送到兩條夾持鏈主輪，實現(xiàn)整機的動力傳動；前刀架用雙向液壓缸實現(xiàn)刀架抬升，采用前喂入式收獲方式，可大大降低三七損傷率；刀片內(nèi)八字形可使土壤往中間靠攏，有利于夾持鏈將三七植株夾起；拍土裝置拍桿對三七粘連土壤進一步清理，至根莖分離裝置三七過掉入下面收集筐，莖稈向后方拋出[12]。遙控式三七收獲機傳動系統(tǒng)圖如圖4所示。

1.動力輸出齒輪 2.動力從動齒輪 3.傳動鏈輪 4.夾持鏈輪 5.錐齒輪 6.拍土從動輪 7.拍土傳動輪

3.2 挖掘裝置設計

結合西南片區(qū)紅土地的土壤要求，根據(jù)三七種植的農(nóng)藝要求，該刀片采用內(nèi)八字形行設計。挖掘過程中能控制挖掘深度，同時又不會損傷三七果，達到作業(yè)質量和作業(yè)效果的要求[13]。挖掘裝置由刀架、刀桿、刀拖及刀片組成，如圖5所示。其中，刀架上有梯形限位塊、限深孔、液壓連接位置，刀拖焊接在刀架上，刀托和刀片通過4個螺栓螺母連接。前刀架采用雙向液壓裝置，工作時刀架成水平狀態(tài)，非工作狀態(tài)可抬起，最大抬升角為45°。由于內(nèi)八字形刀片刀架可自走入土刀，刀片與地面接觸時入土角度為8°，滿足土壤力學要求；完全工作狀態(tài)下，刀片與刀架水平成15°角，內(nèi)側傾斜15°角，刀架幅寬大于夾持鏈幅寬，保證抬起過程不會干涉；完全工作狀態(tài)時，刀架成水平面狀態(tài)，刀架整體可拆卸，刀片4點固定于刀拖上，且刀片可拆卸更換。

圖5 挖掘裝置結構示意圖

3.3 刀片和刀桿的受力分析

由于三七種植對土壤的濕度和土質要求比較嚴格，使得三七在收獲過程中刀片表面會附帶一些土壤。三七根與土壤分離過程中主要受到沿刀片方向運動和刀片與土壤之間的摩擦力所形成的合力。在不考慮其他因素的情況下，三七收獲機刀片的受力為

R=F+F1=mgtan(θ+φ)+KA

式中φ—土壤對鋼的摩擦角；

K—挖掘的阻尼比系數(shù)，輕質土壤K=16 000～20 000N/m2，中等輕質土壤K=20 000～24 000N/m2，中等堅實土壤K=24 000～30 000N/m2；

A—壟的橫截面積(m2)。

影響三七收獲機的關鍵影響因素是刀桿的穩(wěn)定性。在挖掘過程中，刀片與土壤的阻力最終都會集中在刀桿彎曲位置處，所以刀桿的長度也影響刀架的結構穩(wěn)定性。根據(jù)三七種植的農(nóng)藝要求可知，三七的挖掘深度要求160mm左右。刀桿的總長度根據(jù)挖掘深度h與安裝角度θ求得，即

根據(jù)三年生三七種植的要求，在不損傷三七根和根須的情況下，刀桿的長度在330～380mm范圍內(nèi)。為減小刀片和土壤的摩擦阻力，考慮前刀架的輕量化，在保障滿足挖掘條件的情況下刀桿長度取最小值，刀桿的理論計算長度要大于實際的刀桿長度。綜上所述，遙控自走式三七收獲機的刀桿長度最終為350mm。

3.4 夾持輸送裝置

由傳動系統(tǒng)和微型機作業(yè)機的行走速度計算可知，該夾持輪為非標準件。結合夾持鏈條和行走速比進行設計，該夾持輸送裝置所選夾持鏈為農(nóng)業(yè)機械夾持輸送鏈，采用行業(yè)統(tǒng)一標準，所選夾持鏈型號為S3058，節(jié)距30[14]。該夾持鏈由內(nèi)鏈板、外鏈板、連接鏈板、彎鏈板、銷軸及滾子等部分組成。大夾持鏈示意圖如圖6所示，小夾持鏈輪如圖7所示。該夾持輪由軸承、套筒、螺栓、螺母彈性墊圈組成，采用兩條形成閉合回路的鏈條，通過鏈輪帶動鏈條轉動，夾持鏈走線途徑有相應張緊輪防止鏈條松弛。

圖7 小夾持輪示意圖

4 田間試驗結果分析

遙控自走式三七收獲機研制完成后，在云南文山進行了作業(yè)試驗。土壤類型為粘質壤土，當?shù)貧鉁貫?0℃，三七田內(nèi)的平均土壤實壓度為160kPa，土壤平均濕度為28%。樣機工作距離為30m，重復3次，分別記錄每次試驗所用時間、三七頭個數(shù)和損傷頭個數(shù)等數(shù)據(jù)[15]。田間樣機實驗表明：該機收獲性能比較好，基本實現(xiàn)了三七挖掘收獲的各項作業(yè)指標。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：三七漏收率為2%，主要為部分莖稈斷倒于地面，未被夾持而漏收；三七損傷率為2.7%，主要為挖掘鏟下深過程的損傷。在三七棚內(nèi)收獲機調(diào)頭空間充足，實現(xiàn)了三七棚內(nèi)機械化收獲[16]。該樣機在試驗過程中還存在以下問題：

1)由于刀片采用內(nèi)八字形，入土阻力較大，入土過程會導致一部分三七根損傷，需進一步研究入土分析，提高入土效率，降低阻力。

2)由于三七收獲是帶莖收獲，其根莖分離裝置在分離過程莖稈有30mm～60mm預留，仍然需人工后續(xù)修剪。

5 結論

1)該機具一次可完成挖掘、夾持、拍土、根莖分離、收集等功能，為前喂入式自走三七收獲機，效率高、能耗小，降低了三七收獲成本，適用于丘陵地區(qū)山地作業(yè)。

2)整套機具結構合理，同自走式遙控履帶式微型作業(yè)機配套使用，可遙控作業(yè)范圍為500m。整體機身小，可以在大棚內(nèi)靈活操作，符合三七的大棚種植要求。

3)設計的挖掘裝置入土深度為150～200mm(可調(diào))，收獲幅寬為900mm，每次收獲0.5hm2，刀片設計為內(nèi)八字形，可以自行入土，阻力小，凈收率95%，損傷率5%。