太子参联合收获机的设计

李赞松，曹成茂，娄帅帅，吴问天，詹 超

(安徽农业大学 工学院，合肥 230036)



太子参联合收获机的设计

李赞松，曹成茂，娄帅帅，吴问天，詹 超

(安徽农业大学 工学院，合肥 230036)

针对目前已有的地下根茎类收获机无法满足南方丘陵山区小田块地下太子参的收获要求，设计了一款可以一次性实现挖掘、输送、分离、筛选及收集的太子参联合收获机。为此，阐述了该机的总体结构和性能参数，给出了该机的传输装置、分离筛选装置和传动系统等重要部件的详细设计，并优化了关键参数。

太子参；联合收获机；性能参数；结构设计

0 引言

太子参是一种药用范围很广的中药材，经济价值较高。近年来，随着农业产业结构调整，丘陵山区太子参的种植面积不断扩大。太子参传统的收获主要是靠人工采收或用简易的机械挖掘后再捡拾，劳动强度大，收获损失率高，生产效率低,一定程度上制约了太子参产业的发展。我国是一个太子参种植和消费大国，但国内太子参收获机械的研究还很少，技术还不完善[1-2]，欧美地区多采用大型侧牵引式联合收获机[3]。国外从20世纪40年代开始根茎类联合收获机械研究，如美国、德国、日本、意大利等发达国家均研制出了不同的地下作物收获机械，现已实现对长根作物(萝卜，甜菜等)和短根作物(马铃薯、花生、大蒜、洋葱等)的机械收获[4-9]。国内从20世纪60年代开始引进国外茎块挖掘机械，主要用于花生、薯类等短根茎作物的收获[10-11]，目前已研制了多种类型的根茎中药材挖掘机械[12-14]，主要是针对北方根茎类作物收获的牵引式机械[15-19]，这些机械能够较好地适应北方大田块地下根茎类作物的收获,但不能适应南方丘陵山区小田块机械化收获。为此，针对太子参的收获要求，设计了一款适合丘陵山区且可以一次性实现挖掘、输送、分离、筛选及收集装箱的太子参联合收获机。

1 太子参联合收获机总体结构设计

太子参联合收获机主要由松土铲、摇筛、曲柄摇杆机构、凸轮偏置机构、第1级履带式振动分离筛、第2级网格状振动分离筛、碎土滚筒、药箱、发动机、带轮、链轮、行走系统和液压系统等组成，如图1所示。其主要工作过程:入土部件松土铲将参土混合物送入摇筛，曲柄摇杆机构驱动摇筛使参土混合物初步分离后送入第1级履带式振动分离筛；第1级履带式振动分离筛将参土混合物进一步分离和碎土后，送入第2级网格状振动分离筛再次进行参土分离，分离后的太子参经输送带送入药箱，完成太子参的收获。

1.松土铲 2.切刀 3.摇筛 4.摇杆 5.限位轮

2 关键部件设计

2.1 松土铲设计

由于入土部件松土铲与作物生长田块之间产生的是剪切变形，设计时要求松土铲具有较高的强度及较小的入土阻力,因此松土铲前刃设计成有一定角度的楔型。整个松土铲沿一定水平倾角焊接在收获台框架上，且沿一定的弧度向上拱起，其目的是使参土混合物在输送的同时进行碎土。通过调节限位轮来控制松土铲吃土的深度，从而满足不同品种的太子参收获需要。松土铲设计选用材料为60Si2Mn，其强度大、耐磨性好,如图2所示。

图2 松土铲结构三维图

2.2 收获台结构的设计

太子参联合收获机收获台主要是由松土铲、摇筛、摇杆、切刀、四连杆机构及收获台框架等组成，如图3所示。

1.松土铲 2.切刀 3.摇筛 4.四连杆机构 5.收获台框架 6.凸轮偏置机构

工作时，松土铲将参土混合物向摇筛运输，凸轮偏置机构通过曲柄摇杆将动力传递给摇筛，带动摇筛运动。由于收获台工作时两臂受力较大，设计时两臂采用16mm厚钢板，收获台上面的支撑框架采用10#的槽钢焊接。设计该收获台有效收获幅宽为900mm，收获台的前端支架与松土铲焊接处向上500mm处磨成切刀状，不仅能够减小收获台入土阻力，而且能起到切草及切土的作用。

2.3 振动分离筛的设计

由于南方丘陵地带气候各异，太子参收获时土壤含水率因地区差异而不同，因此设计两级不同的振动筛筛孔大小，从而有效地使参土混合物分离, 如图4所示。第1级履带式振动分离筛网孔较大，由8个六齿链轮传动，第2级网格状振动分离筛网孔较小，由10个六齿链轮传动；同时两振动分离筛上装有碎土滚筒，碎土滚筒可以使一些较大的参土混合物留在振动筛上继续抖动分离；分离筛在六齿链轮和碎土滚筒的相互作用下使参土混合物一边抖动分离，一边向下一级运输，从而实现参土混合物逐步分离筛选。

1.第2级网格状振动分离筛主轴 2.第2级网格状振动分离筛

2.3.1 第一级履带式振动分离筛

由于太子参收获时需要反复抖动使参土分离，普通分离筛网格易折断，不能满足太子参的收获需求。在设计时选用强度较高的鱼鳞片状履带式振动分离筛。该履带式振动分离筛是由1片片鱼鳞片状小块连接而成的，其强度高、承载力大、分离效果好。考虑太子参的长度及参土混合物等各方面因素，分离筛网格的大小设计为40mm×40mm；为保证将参土混合物能顺利的输送，分离筛表面带有小凸块，该小凸块可以使参土混合物抖动分离时辅助碎土，且不伤太子参。履带式振动分离筛采用六齿链轮传动，在传动过程中分离筛上下产生移动幅度的跳动，便于参土分离。第1级履带式振动分离筛主要结构如图5所示。

2.3.2 第2级网格状振动分离筛

参土混合物经第1级振动分离和碎土滚筒碎土后，送入第2级网格状振动分离筛进行进一步的参土分离。该级分离任务轻，所以采用网格状振动分离筛，第2级网格状振动分离筛仍然采用六齿链轮传动，六齿链轮一边传递动力，一边使经过第1级履带式分离筛的参土混合物进一步分离，太子参经输送带送入到药箱。药箱是由液压系统控制的，在药材装满时可以进行自卸货。第2级网格状振动分离筛的结构如图6所示。

图5 履带式振动分离筛整体结构三维图

图6 网格状振动分离筛整体结构三维图

3 太子参联合收获机主要参数和传动比设计

3.1 曲柄摇杆机构的设计

该机收获台摇筛是采用曲柄摇杆机构驱动，结构简化如图7(a)所示。设计lAB=320mm，lBC=450mm，lCD=760mm，lAD=823mm，lAB+lAD

图7 曲柄摇杆机构

3.2 松土铲铲面水平倾角的设计

松土铲铲面水平倾角α是该设计的重要参数，理论上来说α越小越好，但α较小会使该机分离装置承担的负荷较大；相反如果α较大，则该机的入土阻力则会大大增加。因此，合理选择该松土铲铲面水平倾角α是该设计的关键。

松土铲铲面的水平倾角可以根据其受力情况来求出理论值，图8为参土混合物在松土铲铲面上的受力特性图。

图8 松土铲铲面受力图

(1)

式中F—参土混合物上升所需动力(N)；

N—松土铲铲面对参土混合物的反作用力(N)；

G—参土混合物重力(N)；

μ—参土混合物对钢的的摩擦因数，μ=0.577～0.721。

由上面的平衡方程可得

(2)

通过计算，理论值α≤33.3°。如果设计的实际值大于该理论值，则该机工作时阻力会大大增加。实际工作中，由于α的值与松土铲挖掘的深度、土壤的含水率、土壤的质地等多方面因素有关，同时为了使分后级分离装置安装更为合理，确定松土铲铲面倾角为20°。

3.3 松土铲铲刃斜角的设计

松土铲铲尖刃斜角β是影响切土阻力的重要因素，其受力特性如图9所示。为了使参土混合物能顺利滑离松土铲，必须使参土混合物在铲面上的滑切能力要足以克服摩擦力，即

Rsin(90°-β)≥F1

(3)

式中R—作用在松土铲铲刃上的阻力(N)；

F1—参土混合物对铲刃上的摩擦力(N)；

θ—参土混合物对铲刃的摩擦角(°)。

图9 松土铲铲刃受力图

由摩擦定律可知F1=N1tanθ，N1=Rcos(90°-β)，将其代入(3)得β≤90°-θ。同时，β角的大小与土壤沿铲刃的滑移切速度Vt的关系为

Vt=Vmcosβ

(4)

式中 vm—该机器前进的速度(km/h)。

由式(4)可知：β角越小，滑切速度越大，防堆积能力越强，但同时铲尖也越尖，易磨损。一般取参土混合物对铲刃的摩察角θ为26.5～35°。本实验中取θ=30°，则根据以上公式可得β≈60°。

3.4 松土铲铲长的设计

为了避免和减少参土混合物的堆积，提高整机的分离和工作效率，因此需合理设计松土铲的长度。由于松土铲铲面水平倾角α已经确定，从而可以求出松土铲的铲长L1，根据能量守恒定律可以求出L2，如图10所示。

图10 松土铲几何关系图

L1为挖掘段，由几何关系得

(5)

L2为输送段，当参土混合物从A点运送到B点时，将动能转化为克服阻力和重力做功，由能量守恒得

(6)

(7)

式中 θ—参土混合物对铲刃的摩擦角 ，θ=26.5°～35°。

综合得

(8)

由公式(8)可以计算出该松土铲的总长度。由经验可知：在能够保证参土混合物顺利输送的情况下，要尽可能减小松土铲的长度，用来减小摩擦力。这样能够使参土混合物在松土铲末端的相对速度不为零，从而使参土混合物以一定的速度运输，减少参土混合物的堆积。

3.5 传动比的设计

太子参联合收获机在工作时所受阻力较大，初步设计其工作行驶速度为1～3km/h。工作时，为防止参土混合物堆积，将第1级履带式振动分离筛和第2级网格状振动分离筛主轴的转速设计为凸轮偏置机构主轴转速2倍。太子参联合收获机总体的传动设计方案如图11所示。其中，发动机主轴将动力通过张紧轮传递给主动轴，再通过双排链轮减速后将动力传递给第1级履带式振动分离筛主轴，带动第1级履带式振动分离筛运动；第1级履带式振动分离筛主轴一部分动力通过碎土滚筒1的轴将动力传递给凸轮偏置机构，凸轮偏置机构通过曲柄摇杆将运动传递给摇筛，第1级履带式振动分离筛主轴将另一部分动力通过链轮递给第2级网格状振动分离筛，同时带动碎土滚筒2运动。

1.发动机主轴 2.张紧轮 3.主动轴 4.第2级网格状振动主轴

4 结论

对设计的太子参联合收获机采用Pro/E进行三维建模与仿真，结果表明：该机结构合理，方案可行，适用

于太子参、黄芪、钱胡等地下根茎类作物的收获，可以提高收获质量和地下根茎类作物的收获效率，降低劳动强度。在收获不同的品种的作物时，可以调节限位轮的限位深度，具有适应性强的特点。

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Design of Radix Pseudostellariae Combine Harvester

Li Zansong, Cao Chengmao, Lou Shuaishuai, Wu Wentian , Zhan Chao

(Anhui Agricultural University, College of Engineering, Hefei 230036, China)

According to the situation that the current underground rhizome harvesters can not meet the requirements of Radix Pseudostellariae in small fields in southern hilly region, we design a one-time Radix Pseudostellariae combine harvester which combines mining, transport, separation, screening and collection. This paper illustrates the overall structure and performance parameters of the harvesters, the detailed design of transmission device, separation filter device and transmission system and the key parameters have been optimized.

radix pseudostellariae; combine harvester; performance parameter; structure design

2016-08-05

国家自然科学资金面上项目(51475002)；安徽省农业机械管理局富民工程科技攻关项目(2016)

李赞松(1990-)，男，安徽太湖人，硕士研究生，(E-mail)1540782060@qq.com。

曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，博士生导师，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

S225.7+9

A

1003-188X(2017)10-0093-05