黏重土壤下小型馬鈴薯聯合收獲機設計

張 濤，龐有倫*，宋樹民，吳 瑜，潘 良，紹偉興，楊明金，唐興隆，王圓明，李 想

（1.重慶市農業科學院，重慶 401329；2.西南大學，重慶 400700；3.重慶華士丹機械制造有限公司，重慶 402260）

馬鈴薯作為我國第四大糧食作物，在西南地區的種植面積及產量均占全國一半以上［1-3］。受山區小地塊和黏重土壤條件限制，西南地區的馬鈴薯機收率遠低于全國平均水平，主要存在作業環節多且獨立、分離效果不佳、傷薯率高、明薯率低、適宜該區域聯合作業機具空白等問題，因此研究集多種作業為一體的高效率馬鈴薯聯合收獲機具有重要意義［4-6］。

國外研制的馬鈴薯聯合收獲機由于動力足、體積龐大，適宜大面積平原作業，而且購買及維修成本高，從適用性和經濟性上均不匹配丘陵山區的收獲作業［7-8］；國內主要為牽引式分段收獲，通過殺秧機、分離篩式收獲機配合收獲，最后人工撿拾，但由于南方黏重土壤條件，存在土塊分離不徹底、配套機具多、人工強度大等問題［9-10］。針對上述問題及區域聯合收獲作業要求，項目組設計了一款小型馬鈴薯聯合收獲機，闡述該機具的整機結構及部件設計特點，并對土薯升運碰撞運動進行了理論分析。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

根據重慶市馬鈴薯單壟雙行種植農藝要求，以及黏重土壤、小地塊作業條件，項目組設計了一款馬鈴薯聯合收獲機，實現馬鈴薯低損傷、低含雜率的聯合收獲作業目標。確定整機結構布局及工作方式，樣機結構如圖1 所示，主要由履帶地盤、殺秧裝置、挖掘裝置、往復圓弧敲打機構、一級分離裝置、二級分離裝置、三級分離裝置、收集裝置、傳動系統等組成。所有裝置及機構集成在履帶底盤上，工作時完成殺秧、土薯挖掘、多重分離、升運、歸框等作業。馬鈴薯種植壟面寬400 mm、溝深100～150 mm、株距200 mm，因此設計該機作業幅寬為600 mm，配套動力為7.5 kW，行走速度≤3 m·s-1，入土深度為20 cm。

圖1 馬鈴薯聯合收獲整機結構簡圖

1.2 傳動系統及工作原理

整機傳動系統如圖2 所示。整機自帶的動力與變速箱連接，變速箱分別將動力傳遞至二級分離裝置和三級分離裝置的主動鏈輪。其中二級分離裝置的主動鏈輪帶動從動鏈輪轉動，二級分離裝置從動鏈輪軸端加有鏈輪Ⅰ，從而帶動一級分離裝置主動鏈輪和激振鏈輪轉動，一級分離裝置從動鏈輪軸上分別安裝帶輪Ⅰ和齒輪Ⅰ，齒輪Ⅰ和齒輪Ⅱ嚙合，達到換向作用，齒輪Ⅱ軸上則安裝鏈輪Ⅱ，鏈輪Ⅱ通過鏈條帶動打葉器鏈輪和螺旋輸送絞龍鏈輪轉動，帶輪Ⅰ通過皮帶帶動曲拐帶輪轉動，曲拐帶輪則在U 型滑軌中運動，其中U 型滑軌一端被約束只做圓周轉動，從而帶動往復圓弧敲打桿工作。三級分離裝置主動鏈輪帶動從動鏈輪轉動，進行三級土薯分離及運輸作業。

圖2 整機傳動原理簡圖

收獲作業時，馬鈴薯聯合收獲機向前行進，通過液壓系統和限位地輪共同調整挖掘鏟入土角，達到設計的挖掘深度。扳動工作離合器，殺秧裝置及多重分離裝置同時工作，在挖掘之前，打葉器將秧蔓貼近地面割斷并拋送至螺旋輸送絞龍中，通過螺旋絞龍將秧蔓側向強制輸送至壟邊，之后挖掘鏟將薯塊、土壤、雜草等混合物一起鏟起，并沿鏟面傾角方向運動，進入一級分離裝置。該裝置前端上方的往復圓弧運動的橡膠敲打桿將土壤向上拋送并反復敲打，解決黏重土薯分離難題，之后土薯等雜質沿波浪型導流開始分離與升運，薯塊在主動激振裝置作用下對土壤進行二次破碎，小于分離柵條間隙的土塊落入田間，土薯則繼續上升至落入三級分離裝置，經過多次長距離分離后，橫向運輸將薯塊歸框，完成聯合收獲作業。

2 關鍵部件設計

2.1 殺秧裝置

在馬鈴薯收獲時，為了避免秧蔓纏繞或分離不凈，需先進行殺秧工作。本研究設計的殺秧裝置結構如圖3 所示，主要由螺旋輸送絞龍、刀架、切割動刀、切割定刀等組成，其工作方式為切割動刀固定在刀架上做圓周運動，在機具前進時將秧蔓攏集進入護罩中，并在護罩下端設有切割定刀，與切割動刀配合將秧蔓切斷，并拋送至絞龍位置，將切碎長短不等的秧蔓強制側向輸送，落至壟邊，不影響后續收獲作業。

圖3 殺秧裝置結構簡圖

2.2 挖掘裝置

挖掘裝置是直接觸土部件，主要功能是使土壤蓬松，并將一定深度的土壤和馬鈴薯一并鏟起，沿鏟面傾角滑至一級分離裝置。挖掘裝置主要由挖掘鏟、鏟刀架、固定軸等組成，其結構如圖4 所示。為了減少挖掘阻力，挖掘鏟結構為三角弧形結構，且間隔相等布置，有利于黏重土壤的切削和破碎。鏟刀尖端與中心線形成的夾角為鏟刀傾角γ，其值大小對漏挖率及挖掘鏟的自潔功能有重要影響，在設計時，鏟刀傾角需滿足式（1），由于土壤與金屬材料的摩擦角一般取值為30°～36°，因此本設計中鏟刀傾角設定為54°。

圖4 挖掘裝置結構簡圖

式（1）中，γ為鏟刀傾角，Ψ為土壤與鏟刀材料的摩擦角。

2.3 往復圓弧運動敲打機構

往復圓弧運動敲打機構主要功能是將鏟起的黏重土壤向上拋送及破碎，其結構由轉動桿、軸承座、U型滑軌、偏心曲拐、橡膠叉等部件組成，其結構如圖5 所示。借助曲柄搖桿原理將皮帶輪上的動力轉為轉動桿的往復圓弧運動，轉動桿上設計有橡膠材料的樹杈，將夾雜馬鈴薯的土塊向上拋起并且敲打。選擇橡膠材料能夠避免馬鈴薯產生機械損傷，橡膠杈間隔分布有利于對土壤產生切削作用。

圖5 往復圓弧運動敲打機構簡圖

由于轉動桿的往復轉動角度受升運及挖掘鏟裝置裝配關系影響，在設計時需考慮角度限位，因此對往復圓弧運動進行深入分析，其運動規律為如圖6所示。圖中OC桿為偏心曲拐，做完整圓周運動，而O′C′為轉動桿，做圓弧運動，當OC桿運動至A點位置時，O′C′桿則達到A′位置，轉動180°后，OC桿到達B點，則O′C′桿則至B′點，此時完成一個圓弧運動周期，此時O′A′和O′B′的夾角φ為轉動桿的轉動角度。

圖6 往復圓弧運動規律

2.4 多級分離裝置

多級分離裝置包括一級分離、二級分離和橫向分離輸送構成，主要零件包括振動輪、驅動輪、側護板、分離桿、橡膠固定鏈，其局部結構如圖7所示。

圖7 多級分離裝置局部圖

土塊和馬鈴薯通過長距離升運，部分土壤會從分離桿間隙掉落，同時振動輪轉動時，會帶動橡膠固定鏈產生周期上下振動，沖擊土塊使其破碎，橡膠固定鏈振幅對馬鈴薯機械損傷至關重要，太高或太低會造成線性擦傷或分離不徹底現象。此外，一級分離升運完成后，向另一級跌落過程中，也會產生碰撞沖擊，二次破碎土塊，且輸送距離越遠，分離效果越佳。

3 動力學分析

土塊和馬鈴薯升運至往復圓弧運動機構處，被拋起并做拋物線運動，其運動規律如圖8所示。

圖8 薯塊碰撞運動圖

假設被拋起時敲打桿與水平面夾角為θ，初始速度為v0，則忽略空氣阻力，則初始速度水平方向做勻速運動，豎直方向做加速度運動，經歷t時間后落到一級分離篩上，產生碰撞沖擊，則夾雜馬鈴薯的土塊與分離篩的碰撞速度為

式（2）中，v1為碰撞時速度，m·s-1；為碰撞時水平方向分量，m·s-1；為碰撞時豎直方向分量，m·s-1。

則碰撞時水平方向速度分量與初始速度水平方向速度分量相等，而豎直方向速度分量根據加速度運動為

由此可得到碰撞時速度方向與水平方向夾角β為

夾雜馬鈴薯的土塊在水平和豎直方向的運動位移方程為

式（5）中，l為夾雜馬鈴薯的土塊在水平方向的位移量，mm；h為夾雜馬鈴薯的土塊在豎直方向的位移量，mm。

假設夾雜馬鈴薯的土塊與分離篩之間為彈性碰撞，碰撞之后薯塊相對一級分離裝置靜止，則在水平和豎直方向的碰撞沖量為

式（6）中，Ix為薯塊在水平方向的碰撞沖量，kg·m·s-1；Iy為薯塊在豎直方向的碰撞沖量，kg·m·s-1；m 為土塊和馬鈴薯質量，kg；vm為一級分離裝置運動速度，m·s-1；α為一級分離裝置與水平方向的夾角。

夾雜馬鈴薯的薯塊在x和y方向的碰撞沖量越大，則破碎效果越好，能夠將黏重土壤與馬鈴薯較好地分離。上述分析可知，碰撞沖量與往復圓弧敲打機構拋出時的夾角、初始速度、一級分離裝置與豎直方向的夾角密切相關，當拋送的夾角越大，一級分離裝置的水平夾角越小，則初始速度越大，一級分離裝置的運動速度較慢，碰撞沖量越大，更有利于土塊和馬鈴薯分離。