時(shí)　永，閆小麗，朱瑞祥，李　江，黃閃閃，劉　源

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

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一種小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)的研制與試驗(yàn)

時(shí)永，閆小麗，朱瑞祥，李江，黃閃閃，劉源

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為普遍的馬鈴薯挖掘機(jī)將薯塊挖掘條鋪后需人工撿拾，工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種與30 kW拖拉機(jī)配套的小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)。該機(jī)主要由撿拾裝置、薯土分離裝置、薯塊升運(yùn)裝置、薯塊收集裝置等幾部分組成，制作了樣機(jī)并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：該機(jī)薯土分離徹底，機(jī)組純工作小時(shí)生產(chǎn)率為0.35～0.38 hm2·h-1，平均傷薯率為4.4%，漏薯率為2.1%，含雜率為6.3%。

馬鈴薯收獲；撿拾機(jī)；研制

馬鈴薯是繼水稻、小麥、玉米之后的第四大糧食作物，具有營(yíng)養(yǎng)豐富、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高、用途廣等特點(diǎn)[1-5]。發(fā)達(dá)國(guó)家馬鈴薯收獲早已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，且技術(shù)先進(jìn)[6-12]。中國(guó)是馬鈴薯種植面積最大的國(guó)家，超過(guò)550萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量約0.8億t，居世界首位[13-17]，但占生產(chǎn)總用工40%～45%的馬鈴薯收獲作業(yè)仍主要靠人畜力完成[18-19]，機(jī)械化程度很低。

目前，我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)械大致分為兩種[20-23]：一是聯(lián)合收獲，一次性完成挖掘、分離輸送、收集等工作，可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，收獲效率很高，這是馬鈴薯機(jī)械化收獲的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。但就目前而言，我國(guó)馬鈴薯種植區(qū)以中小地塊為主，而現(xiàn)有的幾種聯(lián)合收獲機(jī)多為大型機(jī)械，尺寸大，在中小地塊調(diào)頭困難，只適用于大面積地塊作業(yè)[24]；機(jī)具重量大，易壓實(shí)土壤；價(jià)格較高，用戶(hù)購(gòu)機(jī)成本高。因此，聯(lián)合收獲機(jī)短時(shí)間內(nèi)難以在我國(guó)大面積推廣應(yīng)用。二是分段收獲，即機(jī)器挖掘加人工撿拾，這是我國(guó)現(xiàn)階段采用的主要收獲方式[19,25-27]。目前，馬鈴薯挖掘機(jī)有多種類(lèi)型，應(yīng)用普遍，但功能大同小異，只能將薯塊挖掘后條鋪于地表，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，但后續(xù)的撿拾工作完全依靠人工進(jìn)行，生產(chǎn)效率仍較低，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，這種半機(jī)械化的方式不能完全滿(mǎn)足馬鈴薯機(jī)械化收獲的需求[28-33]；加之勞動(dòng)力季節(jié)性短缺、成本增加等問(wèn)題日益突出[34]，迫切需要設(shè)計(jì)一種能夠代替人工撿拾的馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)械。為此，本研究開(kāi)發(fā)了一種體積小、重量輕、價(jià)格低，尤其適應(yīng)中小地塊的小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)，該機(jī)可大大提高收獲效率，節(jié)省勞動(dòng)力，降低收獲成本，具有一定實(shí)用性和先進(jìn)性，能滿(mǎn)足我國(guó)馬鈴薯機(jī)械化收獲的需要。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計(jì)的小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)主要由撿拾裝置、薯土分離裝置、薯塊升運(yùn)裝置、薯塊收集裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓裝置以及支撐輪、機(jī)架等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：1.彈性橡膠擋簾； 2.箱底提升滑輪； 3.箱底提升架； 4.集薯箱； 5.活動(dòng)箱底； 6.箱底提升液壓缸； 7.卸料口； 8.支撐輪； 9.過(guò)渡耙齒； 10.桿條式分離輸送鏈； 11.仿形輪； 12.撿拾鏟； 13.防漏薯柵條； 14.仿形輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)； 15.機(jī)架； 16.液壓泵； 17.傳動(dòng)箱； 18.連接架； 19.升運(yùn)耙； 20.除雜刀組； 21.升降軌道； 22.升運(yùn)鏈

Note: 1. Elastic rubber check curtain; 2. Lifting block of box bottom； 3. Lifting frame of box bottom； 4. Potato collecting box； 5. Mobile box bottom； 6. Lifting hydrocylinder of box bottom； 7. Discharge port； 8. Stabilizing wheel； 9. Transition tine； 10. Bar type separating and conveying chain； 11. Copying wheel； 12. Pickup shovel； 13. Bars of preventing leakaging potato； 14. Height adjustment mechanism of copying wheel； 15. Rack； 16. Hydraulic pump； 17. Transmission case； 18. Connecting frame； 19. Hoisting rake； 20. Knife set； 21. Lifting orbit； 22. Hoisting chain

圖1小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1Structure diagram of the small potato pickup machine

該小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)采用牽引式與拖拉機(jī)連接，動(dòng)力由拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸提供。仿形輪控制撿拾鏟入土深度并隨地表起伏做同步仿形，防漏薯柵條將薯帶邊緣處的薯塊向中間收攏，薯土混合物經(jīng)撿拾裝置喂入桿條式分離輸送鏈上，土壤由桿條間隙落回地表，薯塊則輸送至過(guò)渡耙齒上，被升運(yùn)耙向上托送，到最高位置后拋離升運(yùn)耙，與彈性橡膠擋簾相撞，落入集薯箱。操作液壓手柄，使活動(dòng)箱底每次下降預(yù)設(shè)高度，待集薯箱裝滿(mǎn)薯塊后，將機(jī)具停至地頭卸料。

1.2主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2　關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1撿拾裝置設(shè)計(jì)

撿拾鏟工作傾角α關(guān)系到機(jī)具工作阻力、撿拾鏟長(zhǎng)度以及薯塊撿拾難易程度；恰當(dāng)且穩(wěn)定的入土深度l是撿拾作業(yè)順利進(jìn)行的關(guān)鍵。為確定以上兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合薯塊在地表的分布深度，如圖2所示，設(shè)計(jì)并制造了試驗(yàn)臺(tái)，如圖3所示。經(jīng)查閱文獻(xiàn)及大量試驗(yàn)，確定撿拾鏟工作傾角α=30°，入土深度l=40～60 mm。

圖2　撿拾前薯帶分布示意圖

注：1.桿條式分離輸送鏈； 2.長(zhǎng)攪土齒； 3.短攪土齒； 4.撿拾鏟； 5.防漏薯柵條； 6.仿形輪； 7.仿形輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

Note: 1. Bar type separating and conveying chain; 2. Long mixing soil tooth; 3. Short mixing soil tooth; 4. Pickup shovel; 5. Bars for potato leakage prevention; 6. Copying wheel; 7. Height adjustment mechanism of copying wheel

圖3撿拾裝置試驗(yàn)臺(tái)

Fig.3Test bed of the potato pickup unit

根據(jù)薯塊在地表的分布寬度，如圖2所示，確定撿拾裝置作業(yè)幅寬為500 mm。撿拾鏟由鏟片和滑薯柵條焊接組成，參照馬鈴薯挖掘機(jī)挖掘鏟的尺寸及試驗(yàn)，鏟片長(zhǎng)度與撿拾裝置作業(yè)幅寬相同，為500 mm，寬度為l1=60 mm，選用耐磨的中碳鋼65Mn制造；滑薯柵條選用直徑為10 mm的圓鋼，長(zhǎng)度為l2=190 mm，根據(jù)設(shè)計(jì)要求中馬鈴薯最小方向尺寸，確定柵條間隙為30 mm。

本設(shè)計(jì)利用仿形輪及其高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足地形變化對(duì)撿拾鏟鏟尖與仿形輪行走地面的垂向距離可調(diào)的要求，且保證撿拾深度穩(wěn)定。參閱資料[35]及田間試驗(yàn)，確定仿形輪直徑為300 mm，寬度為40 mm，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2薯土分離裝置設(shè)計(jì)

薯土分離裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要部件為桿條式分離輸送鏈[36]，即將直徑為10 mm的圓鋼用螺栓連接固定在雙耳鏈條上，其工作傾角β、有效輸送距離L及線(xiàn)速度v1是影響薯土分離及薯塊輸送的關(guān)鍵參數(shù)。利用撿拾裝置試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，確定桿條式分離輸送鏈工作傾角β=25°。為了保證輸送順暢，在分離輸送鏈桿條上裝有一定數(shù)量按規(guī)律排列的長(zhǎng)、短攪土齒，長(zhǎng)度分別為50、25 mm。本文取機(jī)具最小離地間隙Hmin=250 mm；輸送鏈寬度與撿拾鏟長(zhǎng)度相同，為500 mm。撿拾、分離輸送裝置簡(jiǎn)圖如圖4所示，有效輸送距離L可由下式確定。最終取L=600 mm。

圖4撿拾、輸送裝置示意圖

Fig.4Schematic diagram of the potato pickup and

transportation unit

L=[Hmin+l-(l1+l2)sinα]/sinβ

(1)

式中，Hmin為機(jī)具最小離地間隙，mm；l為撿拾鏟入土深度，mm；l1為撿拾鏟鏟片寬度，mm；l2為撿拾鏟滑薯柵條長(zhǎng)度，mm；α為撿拾鏟工作傾角，°；β為桿條式分離輸送鏈工作傾角，°。

薯塊在撿拾鏟和分離輸送鏈上的運(yùn)動(dòng)如圖5所示，桿條式分離輸送鏈線(xiàn)速度v1可由下式確定：

v1=v機(jī)/cosαcos(α-β)

(2)

式中，v機(jī)為動(dòng)力機(jī)前進(jìn)速度，km·h-1；α為撿拾鏟工作傾角，°；β為桿條式分離輸送鏈工作傾角，°。

圖5薯塊運(yùn)動(dòng)示意圖

Fig.5Schematic diagram of potato movement

根據(jù)式(2)計(jì)算結(jié)果并利用撿拾裝置試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行檢驗(yàn)，確定桿條式分離輸送鏈線(xiàn)速度v1=2.2 km·h-1。

2.3薯塊升運(yùn)裝置設(shè)計(jì)

薯塊升運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，在鋼絲繩作用下沿軌道移動(dòng)，軌道與鉛垂面呈10°夾角，既可防止薯塊在升運(yùn)過(guò)程中滾落，又利于薯塊脫離升運(yùn)耙。工作時(shí)，將薯塊升運(yùn)裝置下落至最低點(diǎn)，與過(guò)渡耙齒配合，將薯塊托送至集薯箱。單個(gè)薯塊的平均尺寸為：長(zhǎng)度60～120 mm，寬度46～75 mm，厚度37～58 mm[37]，通過(guò)實(shí)地測(cè)量統(tǒng)計(jì)薯塊最大方向尺寸，如表2所示，確定相鄰兩升運(yùn)耙之間的距離為150 mm，耙齒長(zhǎng)度為120 mm；根據(jù)設(shè)計(jì)要求中馬鈴薯最小方向尺寸，取耙齒間隙為30 mm；薯塊升運(yùn)裝置后上方裝有彈性橡膠擋簾。

注：1.彈性橡膠擋簾； 2.升運(yùn)鏈； 3.除雜刀組； 4.升運(yùn)架； 5.過(guò)渡耙齒； 6.液壓泵； 7.傳動(dòng)箱； 8.升運(yùn)耙； 9.側(cè)板

Note: 1. Elastic rubber check curtain; 2. Hoisting chain; 3. Knife set; 4. Hoisting frame; 5. Transition tine; 6. Hydraulic pump; 7. Transmission case; 8. Hoisting rake; 9. Side panel

圖6　薯塊升運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.4薯塊收集裝置設(shè)計(jì)

薯塊收集裝置主要由集薯箱、箱底提升液壓缸和滑輪組件等組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。集薯箱尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1000 mm×800 mm×900 mm。薯塊安全下落高度 是影響集薯傷薯率的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)跌落損傷試驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)馬鈴薯下落高度小于300 mm時(shí)，馬鈴薯?yè)p傷率小于3%，而本文中箱體高度為900 mm，因此，設(shè)計(jì)了可沿箱壁升降的活動(dòng)箱底，由液壓缸及滑輪組件帶動(dòng)。操作液壓手柄，使活動(dòng)箱底每次下降300 mm，直至集薯箱內(nèi)裝滿(mǎn)薯塊。

注：1.箱底提升滑輪； 2.集薯箱； 3.活動(dòng)箱底； 4.箱底提升液壓缸； 5.箱底提升架； 6.卸料口

Note: 1. Lifting block of box bottom; 2. Potato collecting box; 3. Mobile box bottom; 4. Lifting hydrocylinder at box bottom; 5. Lifting frame of box bottom; 6. Discharge port

圖7薯塊收集裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.7Structural diagram of potato collecting unit

3　田間試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)條件

2014年9月在青海省平安縣進(jìn)行了田間樣機(jī)撿拾試驗(yàn)。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，為沙壤土壟播旱地，含水率約為20%。試驗(yàn)前一周植株經(jīng)割秧處理，先由雙行馬鈴薯挖掘機(jī)將薯塊挖出，條鋪于地表，薯?xiàng)l分布情況如圖2所示，然后進(jìn)行撿拾試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度為70 m，寬度約為40 m，馬鈴薯品種為青海2號(hào)(白皮)和青海9號(hào)(紅皮)。試驗(yàn)地壟高200 mm，壟底寬700 mm，壟頂寬400 mm，雙排種植，排距150 mm，株距400 mm，壟形如圖8所示。試驗(yàn)配套動(dòng)力為約翰迪爾JD—404型拖拉機(jī)，樣機(jī)田間試驗(yàn)如圖9所示。

圖8　試驗(yàn)地壟形示意圖

圖9樣機(jī)田間試驗(yàn)

Fig.9Field test on the prototype

3.2試驗(yàn)方法

按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行撿拾試驗(yàn)[38]。試驗(yàn)時(shí)，機(jī)器行進(jìn)速度2 km·h-1，撿拾鏟鏟面傾角30°，以30 m長(zhǎng)的薯帶為一個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每種薯均重復(fù)試驗(yàn)3次，每次試驗(yàn)完成后測(cè)定機(jī)組純工作小時(shí)生產(chǎn)率、傷薯率、漏薯率、含雜率4個(gè)指標(biāo)，考察撿拾機(jī)薯塊撿拾、薯土分離、薯塊輸送、薯塊收集及卸料、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓操縱裝置等各部分及整機(jī)的工作性能。另外，對(duì)最小尺寸小于30 mm的馬鈴薯不予考慮。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)田間試驗(yàn)主要性能指標(biāo)如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)適合在土質(zhì)松軟、無(wú)板結(jié)的沙壤土條件下進(jìn)行馬鈴薯?yè)焓?。薯塊撿拾、輸送順暢，薯土分離效果明顯，整機(jī)性能穩(wěn)定，可大大提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。機(jī)組純工作小時(shí)生產(chǎn)率為0.35～0.38 hm2·h-1，撿拾傷薯率為4.4%，漏薯率為2.1%，含雜率為6.3%，除含雜率外，其它指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表3　小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)田間試驗(yàn)主要性能參數(shù)

存在的主要問(wèn)題：部分根系隨薯塊進(jìn)入集薯箱，導(dǎo)致含雜率偏高，可通過(guò)增加莖稈清除裝置加以解決。

4　結(jié)　論

1) 小型馬鈴薯收獲機(jī)對(duì)中小地塊適應(yīng)性強(qiáng)，可大大提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，在當(dāng)前小型挖掘機(jī)普遍應(yīng)用、馬鈴薯收獲機(jī)械化程度日益提高的背景下，本設(shè)計(jì)小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。

2) 本設(shè)計(jì)小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)撿拾鏟工作傾角為30°，入土深度為40～60 mm；薯土分離裝置寬度為500 mm，長(zhǎng)度為600 mm；桿條式薯塊輸送鏈線(xiàn)速度為2.2 km·h-1，工作傾角25°；馬鈴薯安全下落高度為30 mm。

3) 本設(shè)計(jì)小型馬鈴薯?yè)焓皺C(jī)機(jī)組純工作小時(shí)生產(chǎn)率為0.35～0.38 hm2·h-1，傷薯率為4.4%，漏薯率為2.1%，含雜率為6.3%，含雜率高于國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該機(jī)性能穩(wěn)定，能夠完成馬鈴薯挖掘、條鋪后的撿拾、輸送和收集，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

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Design and test of a small potato pickup machine

SHI Yong, YAN Xiao-li, ZHU Rui-xiang, LI Jiang, HUANG Shan-shan, LIU Yuan

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Currently, the domestic potato excavator can only excavate the potatoes, but it can’t pick them up, which requires additional human labor, resulting in low working efficiency and high labor intensity. To address these problems, this paper discusses a design of a small potato pickup machine which is compatible with the 30 kw tractor. This machine is mainly composed of pickup device, potato soil separation device, potato elevator device and potato collection device. The prototype has been finished and the test was carried out in the field. The test showed that it could separate potato and soil thoroughly. The pure hour productivity was 0.35～0.38 hm2·h-1, the average damaged potatoes rate was 4.4%, the potato leakage rate was 2.1%, and the impurity rate was 6.3%, demonstrating that it has a broad application prospect.

potato harvesting; potato pickup; research

1000-7601(2016)04-0287-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.43

2015-07-07

楊陵示范區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目

時(shí)永(1988—)，男，河北唐山人，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。 E-mail：shiliuxiabeizi@163.com。

朱瑞祥(1956—)，男，陜西三原人，教授，碩士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)及裝備研究。 E-mail：zrxjdxy2006@sohu.com。

S225.2+3

A