韓蕾，劉新柱

（佳木斯大學(xué) 機械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

0 引言

馬鈴薯原產(chǎn)于南美洲，是茄科茄屬一年生草本植物，具有生長周期短、耐干旱、對土壤環(huán)境要求低、適應(yīng)性強、產(chǎn)量高等特點[1-2]。同時，除了含有淀粉和蛋白質(zhì)，馬鈴薯還富含無機鹽和多種維生素，具有糧食和蔬菜雙重屬性，已經(jīng)被定位為僅次于小麥、水稻和玉米的第四大糧食作物，在全國各地均有廣泛種植[3-5]。根據(jù)相關(guān)文獻可知，2017年，我國馬鈴薯總種植面積為5.77×106hm2，總產(chǎn)量達到9.92×107t，目前已經(jīng)是全世界馬鈴薯種植面積最大、總產(chǎn)量最高的國家[6]。受多種因素影響，我國馬鈴薯生產(chǎn)過程機械化程度較低，尤其是收獲時大多采用分段式作業(yè)方式，收獲效率低，勞動強度高，用工量大，增加了生產(chǎn)成本，嚴(yán)重制約著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7-9]。

挖掘機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性能直接影響著馬鈴薯收獲時的漏挖率和破損率。為了推進馬鈴薯收獲作業(yè)的機械化進程，提高收獲效率，降低漏挖率和破損率，項目組對馬鈴薯收獲機械關(guān)鍵部件中的挖掘鏟進行了優(yōu)化設(shè)計和力學(xué)分析，為馬鈴薯聯(lián)合收獲機械的設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)

根據(jù)安裝方式，挖掘鏟可以分為固定式和分體式[10]。固定式結(jié)構(gòu)簡單，但不便于維修和更換；分體式便于維修，且可以根據(jù)實際工況更換不同形式的挖掘鏟片。綜合考慮各種因素，項目組選擇了分體形式的挖掘鏟。

根據(jù)東北地區(qū)的種植模式和土壤性質(zhì)，項目組設(shè)計了三角形組合式挖掘鏟，主要由挖掘鏟片和鏟架組成，按照幾何形狀挖掘鏟鏟片可以分為平面鏟、凹面鏟、條形鏟等。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)簡圖

2 挖掘鏟參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和力學(xué)分析

根據(jù)挖掘鏟的作業(yè)工況可知，挖掘鏟的工作參數(shù)主要有鏟體的寬度w、鏟刃的角度α、鏟面的長度l和鏟面的傾角β等。

2.1 鏟體寬度

種植模式和土壤性質(zhì)決定了挖掘鏟的結(jié)構(gòu)，鏟體寬度主要受馬鈴薯種植的行距、株距和根莖在地下的分布情況等因素影響[11]。項目組設(shè)計了雙行式挖掘機構(gòu)，為了盡可能地將全部馬鈴薯都挖掘出來，避免漏挖現(xiàn)象，挖掘鏟的鏟體寬度應(yīng)大于壟底的寬度。根據(jù)黑龍江的種植農(nóng)藝可知，雙行種植的馬鈴薯行距為250 mm 左右，壟底寬度為1000 mm左右，綜合考慮馬鈴薯根莖分布的偏差和收獲機行走偏差等因素，挖掘鏟的總體寬度設(shè)計為1150 mm，滿足收獲所需鏟體寬度。

2.2 鏟面傾角

挖掘鏟是將馬鈴薯從地表下挖出并將其運送至輸送清選機構(gòu)的主要部件，其性能決定著收獲效率和收獲效果。鏟面傾角是挖掘鏟的重要性能指標(biāo)，直接影響著機器功耗和收獲效果。以被挖掘的馬鈴薯為研究對象，對其進行受力分析，可以得到圖2所示的受力圖。在圖2所示的直角坐標(biāo)系內(nèi)列靜力學(xué)平衡方程，可得：

圖2 挖掘鏟鏟片受力圖

式中：FN為鏟片對馬鈴薯的挖掘力；F為馬鈴薯及土壤對挖掘鏟所產(chǎn)生的挖掘阻力；P為附著一定土壤的馬鈴薯的重力；Ff為鏟片與被挖掘物之間的摩擦力；β為鏟面傾角。

由式（1）解得

式中，μ為薯土混合物與挖掘鏟片之間的摩擦因數(shù)。

式（3）建立了挖掘阻力F和鏟面傾角β之間的函數(shù)關(guān)系。由式（3）可以看出，在挖掘力為定值的情況下，隨著鏟面傾角β的增大，挖掘阻力F迅速增大，故鏟面傾角β不宜過大。但鏟面傾角β也不宜過小，如傾角過小則挖掘深度不夠，將損傷馬鈴薯，且容易出現(xiàn)漏挖現(xiàn)象。

由式（2）解得

式（4）建立了挖掘鏟與馬鈴薯之間的摩擦阻力Ff和挖掘力FN、馬鈴薯重力P之間的函數(shù)關(guān)系。由式（4）可以看出，當(dāng)挖掘力FN和馬鈴薯重力P為定值時，摩擦力Ff隨著鏟面傾角β的增大而快速降低，故鏟面傾角β不宜過小。但鏟面傾角β也不宜過大，如傾角過大將會令挖掘鏟入土困難，且容易出現(xiàn)壅土現(xiàn)象，同時還將增大收獲機的功耗。

根據(jù)以上的力學(xué)分析和相關(guān)文獻的研究成果可知，馬鈴薯收獲機挖掘鏟的鏟面傾角應(yīng)該在10°～25°的范圍內(nèi)[12-13]，結(jié)合仿真分析和試驗結(jié)果，設(shè)計了傾角β=24°的挖掘鏟，性能滿足工作要求。

2.3 鏟面優(yōu)化設(shè)計

2.3.1 鏟刃角

挖掘鏟鏟片示意圖如圖3所示。鏟刃角是衡量挖掘鏟性能的一個重要技術(shù)指標(biāo)。如鏟刃角過大將會令挖掘鏟入土困難，過多消耗機器的功率，造成不必要的能量損耗；如鏟刃角過小將會影響挖掘工作的穩(wěn)定性。根據(jù)相關(guān)文獻并結(jié)合試驗結(jié)果選擇鏟刃角α=85°[14]，入土和切草性能良好，工作性能穩(wěn)定。

圖3 挖掘鏟鏟片示意圖

2.3.2 鏟片寬度和鏟片間隙

如鏟片寬度過大，鏟片之間間隙過小，將會增大機器功耗且不利于去除藤蔓、雜草和附著在馬鈴薯上的土壤；如鏟片寬度過小，鏟片之間間隙過大，將會出現(xiàn)漏挖現(xiàn)象。根據(jù)馬鈴薯的幾何輪廓[15]，最終確定鏟片寬度為b=65 mm，鏟片之間的間隙為40 mm，挖掘效果良好。2.3.3 鏟片長度

馬鈴薯塊莖在地下的埋藏深度通常在100～150 mm，故挖掘深度可定為h=150 mm。由圖3可知，挖掘鏟鏟片長度l=h/sin β，結(jié)合鏟面傾角β=24°，最終設(shè)計挖掘鏟鏟片的長度為l=370 mm，經(jīng)試驗檢驗漏挖率和破損率均符合設(shè)計目標(biāo)。

3 結(jié)論

1）設(shè)計了能夠收獲雙行馬鈴薯的三角形組合式挖掘鏟，鏟面寬度w=1150 mm，鏟片為獨立安裝，便于維修和根據(jù)收獲工況進行更換。

2）建立了馬鈴薯收獲機挖掘鏟的力學(xué)模型，分析了鏟面傾角與挖掘阻力和摩擦阻力之間的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計了鏟面傾角β=24°的挖掘鏟，功耗較低，滿足設(shè)計目標(biāo)。

3）對挖掘鏟片進行了優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)仿真和試驗結(jié)果設(shè)計了鏟刃角α=85°，鏟片寬度b=65 mm，鏟片之間的間隙40 mm，鏟片的長度l=370 mm，挖掘效果良好。