木薯收獲機抖動鏈式篩土裝置的設計與實驗

劉炳先,廖宇蘭,熊 佳,益愛麗,王高遠

(海南大學 機電工程學院,海口 570228)

0 引言

木薯作為世界三大薯類作物之一,是一種廣泛栽培于熱帶、亞熱帶地區的重要糧食作物和新型能源物質[1]。木薯也是我國海南、廣東和廣西等地區的一種重要經濟作物,在我國的栽培面積逐年增加[2]。木薯的機械化收獲是木薯產業化的關鍵環節,還可以帶動木薯周邊生產環節的機械化(如種植機械化、管理機械化等[3]),從而更加有利于提高木薯產業的生產效率,對促進我國熱帶地區木薯種植產業化發展進程起到了積極的推動作用[4]。

目前,國外發達國家多采用大型木薯聯合收獲機進行大面積的收獲作業,具有多種、多級的輸送分離裝置,土薯分離效果較好,但國外的大型木薯收獲機不適合我國熱帶地區具有特色的小地塊作業[5]。我國木薯機械化收獲形式主要采用分段收獲,收獲機械類型較多,但收獲作業質量差別較大,主要問題表現在土薯分離效果差、凈薯率低及傷薯率高等[6]。

針對上述問題,課題組對木薯收獲的各個環節進行了技術調研,根據木薯種植戶收獲要求,結合木薯種植的農藝要求[7],設計出一種帶有抖動鏈式篩土裝置的木薯收獲機,并確定了該裝置的結構組成和重要參數,為后續此類薯土分離裝置的設計提供參考。

1 整機結構及工作原理

1.1 木薯種植農藝要求

木薯主要種植于地層深厚、土質疏松、可灌溉、排水良好、有機質和鉀豐富的砂壤土里[8]。在插植前,需要對土壤進行耕翻30cm以上;而后碎土開溝作壟可增加土壤與外界空氣的接觸面積,受光面積較大,并加大表土晝夜溫差,有利于木薯塊根的形成與膨大。壟的高度與寬度一般根據地勢、土質及氣候狀況而定,通常壟寬帶溝80～100cm,壟高25～35cm。對于排水不良的平坦地、山腳地、粘質地等,作壟應高些,壟寬適當縮小,以利排水防漬;對于排水較好的山地、坡地、保水力差的砂質土地,作壟需略低及略寬,利于防旱保水。機械收獲前需對木薯植株進行前期處理,效果圖如圖1所示。

圖1 收獲前期木薯植株處理效果圖

1.2 結構組成及主要技術參數

木薯收獲機主要由懸掛機架、仿生挖掘鏟、輸送分離裝置、收納箱及傳動機構等組成,如圖2所示。

主要技術參數如下:

整機質量/kg:280

配套動力/kW:43.0

工作幅寬/mm:1 000

挖掘深度/mm:150～350(理論)

作業速度/km·h-1:1.12～2.72

作業壟數/壟:1

1.拖拉機 2.懸掛機架 3. 聯軸器 4. 仿生挖掘鏟

1.3 工作原理

拖拉機通過三點懸掛方式牽引木薯收獲機前進,拖拉機尾部的輸出軸動力通過萬向節聯軸器與齒輪箱的輸入軸相連將動力傳遞給齒輪箱[9],采用鏈傳動方式將齒輪箱的動力重新分配到柵條式閉合回轉驅動機構和抖動機構。作業時,在拖拉機牽引下,仿生挖掘鏟挖出木薯塊根和土壤的混合物[10],通過堆擠作用,使得混合物被迫堆擠到分離裝置入口處;柵條式閉合回轉篩在升運鏈驅動輪和抖動輪的回轉下能夠實現對混合物進行升運輸送、篩分除雜的目的;黏附在木薯塊根表皮上的土塊會在混合物之間互相推擠摩擦及柵條的起伏碰撞過程中發生解體,解體后的小土塊在自身重力的作用下經過柵條之間的縫隙落至地面,分離后的木薯塊根會繼續隨著升運篩運送至該裝置后方的收納箱內,統一收集。

2 關鍵部件結構設計

2.1 機架的設計

機架是木薯收獲機最基本的支撐結構,幾乎承載著整個機械作業時的所有載荷。安裝在機架上的部件主要有仿形挖掘鏟、鏈傳動機構、柵條式閉合回轉篩、地輪及收納箱等。在保證各部件安裝位置準確的前提下,設計并計算出合理的機架結構和參數以提高機架的整體工作強度,盡可能地減輕整機質量以降低拖拉機功耗;機架的尺寸大小還取決于木薯種植的農藝要求[5]。綜上所述,設計的機架尺寸為1 800mm×1 100mm×1 050mm(長×寬×高),焊接材料為80mm×80mm×5mm的矩形方鋼,如圖3所示。

2.2 仿生挖掘鏟的設計

目前,專用于木薯挖掘的挖掘鏟有3種,即三角形凸面鏟、柵條式挖掘鏟和多階式挖掘鏟。3種鏟都存在致命的缺點:三角形凸面鏟入土困難、功耗大;柵條式挖掘鏟入土容易但強度較低、容易變形;多階式挖掘鏟存在碎土、排土困難的問題[11]。合理的設計不僅可以提高挖掘鏟的入土和碎土性能,保證木薯塊根的收獲質量,還能減少整機動力消耗,降低收獲成本。為此,根據仿生學原理,設計出一種類似于中華田園犬前爪的仿生鏟,具有結構簡單、入土性高及排土性好等特點。該仿生挖掘鏟由6個相同的曲型鏟齒并排組成,材料為65Mn鋼,挖掘鏟兩側豎直鏟耳上留有安裝孔,可以上下調節安裝高度,以適應不同地區的深度挖掘,如圖4所示。

1.鏟耳 2. 焊接板 3. 安裝孔 4.犬趾型鏟齒

一般情況下,通過入土深度、工作幅寬、齒寬、齒距及入土傾角5個參數來測評挖掘鏟的工作性能[12]。根據木薯塊根的生物特性,為了保證塊根挖整,且避免土壤堆積,設計挖掘鏟的入土深度為30cm;根據木薯種植的農藝要求,為了保證塊根挖盡,挖掘鏟的工作幅寬為100cm;為了保證仿生鏟具有良好的入土性,設計齒前端呈細窄型;為了保證齒在持續工作中有一定的承載強度,設計齒后端呈粗寬型;為了對挖掘起來的混合物進行導流,相鄰的鏟齒之間設有一定的空隙,在機械振動的作用下,可以及時抖落部分破碎的土塊,減輕后續混合物的升運抖動分離工作。

為使挖掘出來的混合物能沿鏟齒順利地滑移至分離裝置入口處,將混合物看作質點,簡化混合物與挖掘鏟之間的相互作用,如圖5所示。根據圖5可以建立關系式,即

Pcosα-F-Gsinα≥0

(1)

N-Pcosα-Gcosα=0

(2)

F=μN

(3)

式中P— 前進阻力;

α— 入土傾角;

G— 混合物(木薯塊根與土壤);

F— 混合物對挖掘鏟的摩擦力;

N— 挖掘鏟對混合物的反作用力;

μ— 土壤對挖掘鏟的摩擦因數,土壤對鋼鐵的摩擦因數為0.577～0.721。

計算可得出挖掘鏟的入土傾角為

(4)

為保證有較好的碎土能力及盡可能地減小挖掘阻力,仿生挖掘鏟的入土傾角值不宜過大或過小,故取入土傾角范圍為13°～24°。

圖5 混合物與挖掘鏟作用簡化圖

2.3 分離裝置的設計

抖動鏈式篩土裝置主要由柵條式閉合回轉篩、驅動輪、托鏈輪、導向撐鏈輪、抖動輪及鏈傳動機構等組成[13],如圖6所示。其主要完成木薯塊根與土壤等混合物的輸送和分離工作,最終得到未被土壤或少量土壤粘附的塊根。

考慮到木薯塊根的生物特征,為了能夠在有限的輸送距離內使得木薯塊根和土壤混合物分離效果最佳,設計輸送行程為1 375mm,輸送寬度1 000mm,升運柵條桿間距41mm。為了保證柵條式閉合回轉篩具有一定的承載力和升運強度,柵條桿的材料選為直徑13mm的圓鋼。柵條式閉合回轉篩的工作面是由若干等間距的柵條桿組成的一個連續移動的篩面,柵條桿鉚接在兩根平行同步帶上,在驅動輪的轉動下隨著同步帶一起運動。

1.導向撐鏈輪 2.柵條式閉合回轉篩 3. 驅動輪 4.抖動輪 5.托鏈輪

振動器是抖動裝置中最重要的組成部分,是碎土和排土的主要動力來源[14]。本文采用兩對振動輪組合形式進行設計,振動器三維造型圖如圖7所示。工作過程中,振動器兩邊的抖動輪通過鏈傳動隨驅動輪做同圓周速度的轉動,由于振動器上下交替將同步帶頂起,并與之產生抖動作用,使工作篩面不斷地縱向抖動,達到對混合物進行碰撞分離作用。這種振動器結構簡單,工作強度大,不會因轉速的調整而變形失效。為了達到最佳的篩分效果,工作篩面與地面的傾角調整為8°,如圖8所示。

圖7 振動器三維造型圖

當回轉篩的線速度過大時,混合物會在工作篩面上發生相對滑動的現象,不利于分離。最佳回轉篩線速度可根據回轉篩線速度V與機組作業速度V0的比值λ=V/V0=0.8～2.3ms確定。由于熱帶地區的土質為濕黏質土壤,所以輸送帶速確定為V=1.3m/s。

圖8 工作篩面結構示意圖

3 田間試驗與結構分析

試驗的主要目的是在一定時間條件下測定木薯收獲機的使用情況,包括地區適應性、耐用性以及工作性能等,并通過測定木薯的凈薯率、明薯率、傷薯率來判斷該木薯收獲機的性能[10]。

試驗于2018年5月在海南大學工程中心附近的試驗田進行,當天的客觀試驗條件如表1所示。首先對木薯植株進行前期處理,即通過人工作業方式將離地30cm以上的木薯莖稈切除。試驗機具為本課題組研制的升運鏈式土薯分離機,將該分離機懸掛在雷沃歐豹M804-A輪式拖拉機上。根據實際作業情況,機組作業速度設置為1.2m/s。

試驗在同一個機具上進行,田間隨機選取5個試驗區,每個試驗區長度為30m、寬度為1.2m,對試驗數據記錄并整理。試驗場景如圖9所示,試驗結果如表2所示。

表1 客觀實驗條件

圖9 田間試驗

表2 試驗結果

4 結論與展望

1)設計并研制出集動力掛接輸入、仿生挖掘鏟、抖動鏈式土薯分離裝置、木薯塊根收納箱于一體的木薯收獲機,實現了木薯收獲的機械化作業。

2)田間試驗結果表明:作業速度為1.2m/s時,明薯率高達93.8%,傷薯率僅為2.5%,挖凈率高達98.7%,生產效率為0.38%。本試驗結果值均高于預定值,說明該機作業性能穩定可靠,作業質量較高,符合木薯收獲的技術要求。

3)在搭建試驗平臺過程中,木薯莖稈需要做前期切除處理,費時費力,在后續的設計中可以考慮在挖掘機前端加入旋轉切割刀裝置及木薯莖稈鋪放收集裝置,減少人工勞動強度。