王 飛，譚北雁，王 佐，劉赟東，李建東，楊 薇

(1.中機(jī)美諾科技股份有限公司，北京 100083； 2. 現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京 100083；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)畜牧工作站，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010)

0 引言

甜菜是我國主要的糖料作物。受我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作的影響，甜菜收獲多采用分段收獲的方式。目前，大中型甜菜撿拾收獲機(jī)多為國外引進(jìn)，國內(nèi)現(xiàn)有甜菜撿拾收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，除雜、去土能力較弱，整機(jī)作業(yè)效率低，在卸車后要再次對甜菜塊莖進(jìn)行除土作業(yè)，費時費力，增加成本，并且機(jī)具性能較國外差距大[1]。甜菜撿拾收獲過程中由于機(jī)具匱乏、破壞土壤層、撿拾技術(shù)落后、人工作業(yè)多和經(jīng)濟(jì)成本低等問題限制了甜菜撿拾收獲技術(shù)的發(fā)展，亟待研制出一種低損、高效的甜菜撿拾收獲機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

4TJ型甜菜撿拾收獲機(jī)主要用于打纓切頂、挖掘后的甜菜分段式收獲。其可一次性完成甜菜的塊莖撿拾、除雜、縱向輸送、豎向舉升和橫向卸載等作業(yè)，操作簡單，作業(yè)效率高，無需過多人參與，收獲成本低。

該機(jī)主要由升運裝車裝置、地輪行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動輪、后輸送撥桿圓盤、傾斜輸送裝置、驅(qū)動馬達(dá)、集料箱、導(dǎo)向板、主機(jī)架、滾筒舉升裝置、滾筒、驅(qū)動膠帶輪、縱向輸送裝置、滾筒支架、弧形導(dǎo)向板、弧形導(dǎo)向桿和橫向轉(zhuǎn)運裝置等組成，如圖1所示。

其中升運裝車裝置包括滾筒舉升裝置、縱向輸送裝置和橫向輸送裝置。甜菜被挖掘后集中鋪放于田間，撿拾收獲機(jī)的導(dǎo)向板對準(zhǔn)甜菜聚堆行，引導(dǎo)至相向旋轉(zhuǎn)的兩個輸送撥桿圓盤，傾斜的輸送撥桿圓盤將甜菜撿拾，旋轉(zhuǎn)中抖落甜菜根莖上的泥土和雜質(zhì)，并通過入口輸送到滾筒內(nèi)，然后甜菜在滾筒升運裝置作用下運輸?shù)娇v向輸送裝置，在縱向輸送裝置的輸送鏈條和擋板作用下，甜菜掉落在橫向轉(zhuǎn)運裝置，最終落入集料箱。

1.升運裝車裝置 2.地輪行走機(jī)構(gòu) 3.驅(qū)動輪 4.后輸送撥桿圓盤 5.傾斜輸送裝置 6.驅(qū)動馬達(dá) 7.集料箱 8.導(dǎo)向板 9.主機(jī)架 10.橫向轉(zhuǎn)運裝置 11.弧形導(dǎo)向桿 12.弧形導(dǎo)向板 13.滾筒支架 14.縱向輸送裝置 15.驅(qū)動膠帶輪 16.滾筒 17.滾筒升運裝置圖1 4TJ甜菜撿拾收獲機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 4TJ beet harvester

目前甜菜收獲分為聯(lián)合收獲和分段收獲，其中聯(lián)合收獲成本高，體積大，收獲質(zhì)量較差，破損率和含雜率高，不適合部分分散小地塊的收獲作業(yè)；分段收獲具有成本低、操作簡單，維護(hù)方便等特點，更符合我國當(dāng)前的小地塊生產(chǎn)模式需求[2-3]。因此在設(shè)計甜菜撿拾收獲機(jī)過程中，除了要滿足挖掘后的甜菜撿拾、除雜、入倉環(huán)節(jié)的作業(yè)，還要能夠降低撿拾過程中甜菜間相互碰撞，有效減低收獲對甜菜根塊造成的傷害，為后續(xù)輔助人工清理提供便捷，一機(jī)多用[4-8]。

綜上所述，整機(jī)技術(shù)方案為，拖拉機(jī)與機(jī)組牽引連接，撿拾中的甜菜由后輸送撥桿圓盤輸送到滾筒升運裝置，運輸、清理部分由滾筒升運裝置、縱向輸送裝置、橫向轉(zhuǎn)運裝置完成，集料箱可以通過驅(qū)動馬達(dá)向主機(jī)架側(cè)方轉(zhuǎn)動卸料，以便于整機(jī)易操作，方便靈活。

2 主要設(shè)計參數(shù)

甜菜撿拾收獲機(jī)的作業(yè)模式是根據(jù)我國當(dāng)前甜菜種植模式，以及配套的方式和動力來制定的。多年來，我國甜菜逐漸發(fā)展成為覆膜栽培、覆膜紙筒栽培等，不同的栽培方式對甜菜的產(chǎn)量、質(zhì)量的影響也不同[9-10]。我國西北地區(qū)對甜菜采用“2膜2行”35～65 cm寬窄行鋪膜的種植模式，為了能夠適用于甜菜這種鋪膜撿拾作業(yè)模式，該機(jī)也可以采用跨2行進(jìn)行撿拾，此時作業(yè)幅寬是1 200 mm。根據(jù)對后輸送拔桿圓盤的測試，該裝置在跨2行的作業(yè)速度為3 km/h時對拖拉機(jī)至少需要100 kN以上的牽引力，經(jīng)全面考慮與拖拉機(jī)牽引中的相互配合且也要保證機(jī)器的工作效率提高，配套動力選擇為90 kW以上的拖拉機(jī)。

綜合以上條件，甜菜撿拾機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 4TJ甜菜撿拾收獲機(jī)技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1后輸送撥桿圓盤

根據(jù)打纓切頂、挖掘后的甜菜易于簡單輸送的特點，來確定后輸送撥桿圓盤。后輸送撥桿圓盤由若干弧形的撥桿構(gòu)成，如圖2所示，各撥桿之間有間隙，可以去除泥土和雜質(zhì)。撥桿圓盤周圍弧形導(dǎo)向板，防止甜菜被甩出。后輸送撥桿圓盤在離心力和摩擦力的作用下使甜菜在被撿拾的過程中，清除泥土和雜質(zhì)，實現(xiàn)輸送清理和撿拾一體，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本和勞動強(qiáng)度。

圖2 后輸送撥桿圓盤Fig.2 Rear conveying toggle disc

輸送撥桿圓盤與地面有一個傾斜角度，國外樣機(jī)中一般不超過10°，考慮到后輸送撥桿圓盤對甜菜果實的撿拾清理作用，傾斜角度為20°。此外，該機(jī)設(shè)計時通過液壓油缸升降來自動調(diào)節(jié)后輸送撥桿圓盤的上下位置，高度及傾斜角度都可調(diào)，調(diào)整范圍-5°～5°。這樣可以根據(jù)不同區(qū)域作業(yè)要求，方便對該裝置的角度調(diào)整，來達(dá)到最佳效果。

后輸送撥桿圓盤作業(yè)時可以一次跨2行作業(yè)，采用兩個方向相反的輸送撥桿圓盤的配置，每個撥桿長度是400 mm；為了使甜菜塊根全部撿拾上去，該圓盤直徑D=1 516 mm。

一般地，用于撿拾、清理、輸送的后輸送撥桿圓盤的線速度為3 km/h，轉(zhuǎn)速n=86 r/min。

3.2滾筒升運

滾筒升運裝置由中心圓軌、外環(huán)形凹槽、若干環(huán)形的圓周擋桿、滾筒內(nèi)圈的轉(zhuǎn)運凹槽、分割擋板、驅(qū)動輪和橡膠外圈等組成，如圖3所示。甜菜塊根經(jīng)過后輸送撥桿圓盤后落入到滾筒內(nèi)，并在滾筒轉(zhuǎn)動下上移；當(dāng)甜菜塊根移動到頂部時將掉落至縱向輸送裝置上的輸送鏈條，并跟隨輸送鏈條向前輸送，然后甜菜被擋板阻擋后可落至橫向轉(zhuǎn)運裝置上并被運輸?shù)絺?cè)方的運輸裝備中，甜菜在輸送鏈條不被擋板阻擋時可落入集料箱，集料箱可通過兩側(cè)的卸料油缸驅(qū)動沿主機(jī)架轉(zhuǎn)動后完成甜菜卸載作業(yè)。

圖3 滾筒升運裝置及甜菜受力Fig.3 Roller lifting device and force of beet

其中弧形擋板擋在轉(zhuǎn)運凹槽的內(nèi)側(cè)時，用于保證甜菜可以被升運至滾筒支架頂部。驅(qū)動輪與滾筒支架底部構(gòu)成轉(zhuǎn)動連接；驅(qū)動輪中心軸上連接驅(qū)動膠帶輪，且安裝固定在滾筒支架甜菜入口一側(cè)；驅(qū)動馬達(dá)帶動2個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，通過膠帶傳輸，可實現(xiàn)兩側(cè)同步轉(zhuǎn)動。滾筒升運裝置布置在機(jī)器的后邊，有助于其他工作裝置的設(shè)計，節(jié)省了許多空間，可以單獨拆卸，以便于維修；滾筒升運裝置可以每次旋轉(zhuǎn)一周提升到1.7 m的高度，甜菜自動落下并減少損失，還能提升運輸工作效率，降低了成本；滾筒內(nèi)圈的轉(zhuǎn)運凹槽內(nèi)分布柵格，能使甜菜在轉(zhuǎn)動過程中過濾掉一部分泥土和雜質(zhì)，具有一定的清選分離作用[11]。

甜菜在運輸中被滾筒帶動做勻速圓周運動，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速超過極限值時，即甜菜的向心力大于甜菜自身的重力時，甜菜將緊貼在滾筒內(nèi)隔板一起旋轉(zhuǎn)，這樣甜菜轉(zhuǎn)動一周掉落縱向輸送裝置上，同理滾動轉(zhuǎn)速過低，甜菜只能在某一范圍上下運動，不能落到縱向輸送裝置上[12]。理想狀態(tài)下是甜菜在滾筒內(nèi)可以勻速轉(zhuǎn)動最高點時自由落下。滾筒線速度根據(jù)甜菜塊根自身重力和滾筒圓盤半徑來決定；根據(jù)公式中滾筒線速度和滾筒半徑來確定滾筒角速度。

(1)

G=Mg

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

(4)

式中Fn——甜菜向心力，N

M——甜菜質(zhì)量，kg

v——滾筒線速度，m/s

R——滾筒半徑，m

G——甜菜重力，N

g——重力加速度，取9.8 m/s2

ω——滾筒角速度，rad/s

4 田間試驗

樣機(jī)在河北省張家口市張北縣進(jìn)行了田間試驗，田間試驗情況如圖4所示。甜菜行距600 mm，株距260 mm。經(jīng)田間試驗測試，塊根粘土率1.6%，含雜率4.2%，塊根總損失率3.9%，作業(yè)效率0.88 hm2/h，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖4 田間試驗Fig.4 Field experiment

5 結(jié)束語

近些年，國家大力發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化，提高我國自主創(chuàng)新研發(fā)能力，積極引進(jìn)國外先進(jìn)的甜菜撿拾收獲機(jī)械，探索和學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，建立健全以企業(yè)為中心，產(chǎn)學(xué)融合的技術(shù)創(chuàng)新體系，研制和推廣適合我國國情的農(nóng)業(yè)機(jī)械，以滿足我國現(xiàn)階段廣大甜菜種植用戶的迫切需求，縮短我國與發(fā)達(dá)國家的差距。本研究的甜菜撿拾收獲機(jī)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在河北、內(nèi)蒙古多地推廣應(yīng)用，用戶認(rèn)可度較好，正在逐步拓展市場。

未來我國甜菜收獲機(jī)械化的發(fā)展可從以下3個方面展開。

(1)提高甜菜撿拾收獲自動化。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)中，甜菜種植各區(qū)域土壤成分不同，甜菜大小也存在一定差異，僅僅依靠人工撿拾效率低，因此，通過農(nóng)業(yè)大型設(shè)備來提高自動化撿拾水平，可以實現(xiàn)不同地區(qū)的甜菜撿拾，進(jìn)而減少甜菜塊根的破損率，提高作業(yè)效率，節(jié)約成本。

(2)提高甜菜撿拾收獲智能化。甜菜撿拾時可以增加人工智能識別系統(tǒng)，在甜菜撿拾收獲時可以自動對行，并可以運用遙感探測技術(shù)探測甜菜和土壤雜質(zhì)區(qū)別，進(jìn)而提升輸送拔桿圓盤以一定傾斜角度入土撿拾；同時可以運用視覺識別技術(shù)，能夠準(zhǔn)確識別甜菜中的泥土和雜物，進(jìn)而可以起到一定的分離清選作用。

(3)大力發(fā)展無人操控技術(shù)。甜菜撿拾收獲機(jī)搭載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和巡航系統(tǒng)，可以實現(xiàn)撿拾收獲機(jī)的無人駕駛、轉(zhuǎn)變方向、自動換行，且可以自動完成甜菜的除雜、輸送、卸載作業(yè)。無人駕駛技術(shù)可以解放勞動力，減少成本，提高效益，提高撿拾收獲效率。