改进型南方马铃薯收获机具的设计

熊平原，王　毅，林弘觉，陈海东，刘少达

(仲恺农业工程学院 机电工程学院， 广州　510225)



改进型南方马铃薯收获机具的设计

熊平原，王毅，林弘觉，陈海东，刘少达

(仲恺农业工程学院 机电工程学院， 广州510225)

摘要：针对引进的北方机型收获南方马铃薯工作中出现明薯率低、挖掘阻力大、土壤壅堵，以及仍需人工捡拾等问题，设计了一种改进型南方马铃薯收获机具。该机具包含振动挖掘铲、抖动分离机构、升运机构和集薯器等，可一次完成挖掘、薯土分离、升运及装袋等作业工序。田间试验表明：改进后的机具在动力消耗、土壤壅堵、收获效率及减轻劳动强度等方面有明显提高，具有推广应用价值。

关键词：南方马铃薯；收获机具；改进

0引言

马铃薯又叫土豆、洋芋，是茄科茄属一年生草本植物，粮菜兼用，营养全面，适应性广，是世界上仅次于小麦、水稻、玉米之后的第四大粮食作物。大力发展马铃薯产业，在保障全球粮食安全、避免能源危机及消除贫困中具有十分重要的作用。我国是马铃薯种植和消费大国，2013 年我国马铃薯种植面积达561.46万hm2，产量1 918.8万t，位居世界首位[1]。全国马铃薯主产区在北方，而产值却集中在南方，冬种马铃薯是我国南方地区冬季的主要经济作物之一[2]。马铃薯种植的农艺环节中，收获是确保增产增收的关键环节，时间紧，耗工多。传统南方马铃薯收获以人工为主，人力挖掘、除土、捡拾、装袋，效率低、成本高、耗时长，无法快速响应市场需求。近年来，广东省农业机械化管理部门积极推进南方马铃薯机械化收获，从机械化相对成熟的北方地区引进多台马铃薯收获机具，如青岛洪珠农业机械有限公司的4U-83和山东潍坊大众机械有限公司的4UC-800机型，在实际推广中存在一些问题：①北方多为旱地，土壤湿度小，收获质量高；而南方土质湿度较大，明薯率较低，收获质量较低。②南方土壤挖掘后，容易成块状，不松散，极易堵塞在挖掘铲部位，形成土壤壅堵现象。③采用固定式挖掘铲，牵引阻力和牵引功耗大，小型拖拉机往往无法带动机器工作，或容易在田间卡死，通常需要29.4kW以上的中型拖拉机带动才比较顺畅，无法满足南方小型化作业需求。④薯土分离后，仍需人工捡拾、装袋，生产效率低，人工成本高。因此，克服现有机型缺点，研制出适合南方种植环境的马铃薯收获机具，成为市场迫切需求。

1整体结构及工作原理

1.1作业要求

南方冬种马铃薯以冬闲农田、耕层深厚的砂壤土质种植为主，起垄作畦，双行种植,畦面宽为850～900mm，沟宽250mm，畦高250mm，播种深度50～80mm[3]。新型冬种马铃薯收获机要完成挖土、薯土分离、输送、装袋等工序，相对传统机型，要求整机结构轻巧、挖掘阻力小、分离效果好且能完成自动装袋。依据NY/T马铃薯收获机械行业标准，机具作业要求为：明薯率≤96%，伤薯率≤2%，含杂率≤4%。

1.2整体结构

改进型南方马铃薯收获机主要包括三点悬挂装置、减速器、薯土分离装置、升运机构、集薯器、机架、地轮、皮带传动及振动挖掘铲机构等部分，如图1所示。在此，重点对挖掘铲、薯土分离器及马铃薯自动装袋进行了改造。

1.3工作原理

机具采用拖拉机后置三点悬挂安装，行走动力由拖拉机拉力提供，工作动力由拖拉机马达输出。工作时，拖拉机马达通过万向轴与机具减速器相连，一方面输出到振动链，带动挖掘铲往复振动，挖掘铲深入土壤底层，将土壤和薯块拱起，薯土顺着铲壁向后移动，进入薯土分离装置；另一方面输出到薯土分离装置，分解成两部分，左边传递到橡胶轮，带动分离链从下往上运动，右边传递到抖动轮，使分离链规律抖动，实现薯土分离；干净薯块移动到分离装置末端，进入升运机构，通过集薯器进行装袋操作。

1.三点悬挂装置　2.减速器　3.分离带传动系统　4.升运带传动系统

2关键零部件设计

2.1振动铲设计

2.1.1铲结构特点

挖掘铲是机具改进的关键部位[4]，为减小挖掘阻力、减轻壅堵现象，本设计挖掘铲由铲尖、铲中板、铲后栅条、机架连接位及摆杆连接位等组成，结构如图2所示。铲尖为仿渐开线形，过渡相对光滑，土壤剪切阻力小；铲中板上焊机摆杆连接位，整体强度高，不易变形；铲尾采用栅条状可减轻铲质量，减少与土壤接触，降低阻力，方便排土。

1.铲尖　2.摆杆连接位　3.铲中板　4.机架连接位　5.铲后栅条

2.1.2参数设计

南方冬种马铃薯多以双行农艺种植，垄宽为850～900mm，故L取900mm；冬种马铃薯三维尺寸在37～100mm之间[5]，为保证薯块不从栅条间距中掉落，c取35mm为宜；振动铲宽度m和挖掘深度h与铲倾角α有关[6]，挖掘过程中土壤受力分析如图3所示。

由土壤静力学分析得

Fcosα-f-Gsinα=0

N-Gcosα-Fsinα=0

f=Nμ

(1)

其中，F为土壤挖掘力；G为土块重力；N为土块所受正向力；f为摩擦力；μ为土壤与铲面摩擦系数；α为铲面倾角。

(2)

当挖掘铲实际倾角α1<α<φ(土壤对铲体的摩擦角)时，不会发生壅土现象，φ∈(22°，45°)。由于南方土壤湿润，黏性大，故α1取30°；南方马铃薯挖掘深度h一般取200mm，则挖掘铲宽度m为

图3　挖掘土壤受力分析图

2.2薯土分离装置设计

2.2.1结构特点

薯土分离装置由驱动轮、导向轮、支撑轮、分离链、抖动轮、链杆等组成，如图4所示。马铃薯块和土壤进入该装置后，由分离链带动向后输送，同时抖动轮不断撞击分离链，将土块抖小、抖松，使之与薯块分离，土块从链杆间隙落入地面，干净薯块保留在分离链上，实现薯土分离。

1.导向轮　2.分离链　3.下支撑轮

2.2.2参数设计

分离筛网的有效宽度和长度影响着薯土混合物的分离效果：太长虽增加摊开面积，但能耗和成本提高；太短则分离不充分。由于南方双行种植，故筛网宽度取900mm、长度取1 000mm为宜；南方土质含水率较高，集结成坨，充分考虑薯土混合物对链杆的压力，取链杆直径为12mm；链杆间距由马铃薯最小三维尺寸决定，一般冬种马铃薯最小尺寸为37mm，则算出链杆间距为49mm。

2.3升运机构设计

2.3.1结构特点

升运机构由主动链轮、从动链轮、链条、挡板、支撑杆及连杆等组成，如图5所示。马铃薯从分离装置末端进入升运机构，薯块搁置在支撑杆上，连杆阻止其滑落，由链条带动提升到顶端，通过集薯器进行装袋操作。升运机构有效提升高度为840mm，宽度800mm。

1.主动链轮　2.升运链　3.挡板

2.3.2参数设计

进入升运机构的物料经过前期薯土分离，土壤含量少，后续将薯块运送到收集装置的集薯器，故支撑杆直径可取小值8mm；为保护薯皮不被损伤，外加厚度为1mm的橡胶保护套；升运机构连杆安装在链条上，防止提升过程中薯块掉落，因此设计时应考虑链条节距P和薯块最小尺寸两个因素，其连接示意图如图6所示。同支撑杆一致，连杆直径d1取8mm，外加1mm的橡胶保护套，故d=d1+2=10mm。链条节距P的初始计算公式为

L=2P=d+L1

(3)

选取型号为12A的链条，其实际节距P为19.05mm。修正后的L1计算结果为

L1=L-d=2P-d=28.1mm

两连杆之间的实际间隙小于马铃薯最小尺寸37mm，故设计合理。

图6　连杆连接示意图

2.4主要性能指标

试验地为广东省惠州市铁涌镇马铃薯种植基地，天气多云，薯种为粤引85-38。样机经现场试验及田间测试，各项性能指标如表1所示。改进后的机具在动力消耗、土壤壅堵、收获效率、减轻劳动强度等方面有明显改善。

表1　性能指标

3结束语

1)针对南方马铃薯种植特点，设计出一种改进型马铃薯收获机具，主要包括振动铲机构、抖动分离装置和升运机构，能一次完成挖掘、分离、输送和装袋等作业工序。

2)田间试验表明：改进后的机具在动力消耗、土壤壅堵、收获效率及减轻劳动强度等方面有明显改善，具有推广应用价值。

参考文献：

[1]农业部种植业管理司.农作物数据库[EB/OL].(2014-01-01).http://202.127.42.157/moazzys/nongqing.aspx．

[2]袁继平，胡成来，肖军委,等．广东冬种马铃薯产业存在问题及发展建议[J]．广东农业科学，2009(8):369-370．

[3]彭王栋，何立波，翁晓华,等．惠州冬种马铃薯生产特点及优质高效栽培技术[J]．广东农业科学，2008(6):32-34．

[4]戴飞，杨杰，赵武云,等．振动式阶梯铲状马铃薯挖掘机作业性能试验[J]．干旱地区农业研究，2014，32(3):263-266．

[5]熊平原，袁继平，肖军委,等．南方冬种马铃薯分级机结构设计[J]．仲恺农业工程学院学报，2011，24(2):61-63．

[6]郑德聪，赵美香，陈恭良,等．4SB-800型半夏收获机的设计[J]．农业工程学报，2007，23(10):141-143．

Improved Design of Southern Potato Harvester

Xiong Pingyuan， Wang Yi， Lin Hongjue， Chen Haidong， Liu Shaoda

(Department of Mechanic and Electronic Engineering, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

Abstract：Aimed at the existing problems in harvesting southern potato with harvesters introduced from north, such as low obvious rate, high digging resistance,soil clogging and artificial gathering,an improved southern potato harvester was designed in this paper. The device included vibration type digging shovel, oscillating separation mechanism, elevating mechanism and potato collector, it was able to finish multi-operation once, as digging, separating, lifting and collecting.The field tests showed that improved harvester had higher capability in power consumption, avoiding soil clogging, harvesting efficiency, reducing labor intensity, and so it had application value.

Key words：southern potato; harvester; improved design

文章编号：1003-188X(2016)06-0159-04

中图分类号：S225.7+1

文献标识码：A

作者简介：熊平原(1983-)，男，湖北大悟人，助理研究员，硕士，(E-mail)xpy020@163.com。通讯作者：王毅(1976-)，男，湖南双峰人，副教授，博士，(E-mail)wangyi168_2001@163.com。

基金项目：广东省大学生创新创业训练项目(1134713009)；广东省农业厅扶持农业机械化发展专项 (粤财农[2012]608 号)；广东省产业技术研究与开发专项(2013B020313006)

收稿日期：2015-05-25