土豆收获割秧一体机的设计*

滨州学院 机电工程学院 山东滨州 256603

1 设计背景

土豆的营养价值高,药理作用很多,历来深受广大群众的喜爱,市场销量非常大。但是，土豆在收获过程中存在一些问题,尤其是人工收获时费时、费力、损耗大,并且存在漏薯。对此,笔者设计了一种自动化程度比较高的土豆收获割秧一体机,解决土豆收获及割秧时的问题,实现单人省力装袋和机械化运输,以减少农民在盛夏时的户外工作时间[1]。

2 整机结构

土豆收获割秧一体机结构如图1所示,由扶禾机构、秧苗切碎返土机构、夹持输送机构、传送装袋机构、平板式齐平器、耕地机构、块茎分离机构等组成[2]。扶禾机构对要收获的土豆茎叶完成聚拢、扶起动作,并引入夹持输送机构。夹持输送机构中的复合皮带两侧分布多个张紧轮,主要有动轮和不动轮两种,用于保证有更大且比较均匀的夹持力夹紧皮带,同时不误伤茎叶。块茎分离机构不仅可以分离土豆块茎,而且可以使切口规整,并尽量贴近土豆的块茎顶端,同时将分离出的块根和茎叶输送至相对应的秧苗切碎返土机构。秧苗切碎返土机构由多个碎苗轮组成,由皮带带动运行。采摘完成的土豆随夹持输送机构进入传送装袋机构,由此完成土豆的采摘收获。

▲图1 土豆收获割秧一体机结构

3 工作原理

土豆收获割秧一体机在控制系统和各个机构的相互配合作用下,实现采摘、输送、块茎分离、秧苗切碎返土及装袋等功能。启动土豆收获割秧一体机,放下耕地机构至适当位置。扶禾机构中的扶禾器贴近地面,并在感应器的作用下始终与地面维持一段距离。操作人员开动拖车,带动整机开始有序工作。扶禾机构将土豆茎叶聚拢、扶起,并引入夹持输送机构。在夹紧输送机构向斜后上方运动所产生的拔起力的作用下,已松动滑落的土豆块茎被整个拔出,并随夹持带输送至块茎分离机构,顺利完成根叶分离。完成块茎分离的土豆落入传送装袋机构,同时将分离后的块根和茎叶输送至对应的秧苗切碎返土机构。收获完成后,操作人员关闭发动机,单独运行传送装袋机构,实现单人省力装袋和机械化运输。秧苗切碎返土机构的工作实现了生态的循环性和可持续性发展,在一定程度上保护了生态环境[3]。

4 关键部分设计

4.1 扶禾、夹持输送和块茎分离机构

扶禾、夹持输送和块茎分离机构结构如图2所示。为了提高土豆的收获效率,扶禾机构中设计了扶禾器。扶禾器贴近地面,并在感应器的作用下始终与地面维持一段距离,这样保证了扶禾机构将倒伏至地面的茎叶扶起、夹持,既降低漏拔率,又避免呛土[4-5]。

▲图2 扶禾、夹持输送和块茎分离机构结构

4.2 秧苗切碎返土机构

为了实现生态的循环性和可持续性发展,并在一定程度上保护生态环境,符合社会发展理念,设计了秧苗切碎返土机构[6],其结构如图3所示。秧苗切碎返土机构主要由皮带轮、皮带、碎苗轮、传动轴组成。扶禾机构对要收获的土豆茎叶完成聚拢、扶起动作,并引入夹持输送机构。由夹持输送机构运输至块茎分离机构,完成对土豆的块茎分离。分离以后的块根和茎叶输送至对应的秧苗切碎返土机构,茎叶和块根在碎苗轮的作用下完成破碎和返土。秧苗切碎返土机构由皮带轮带动运转。

4.3 传送装袋机构

土豆收获完成后,为了实现单人省力装袋和机械化运输,设计了传送装袋机构,其结构如图4所示。传送装袋机构主要由传送带和传动轴组成。完后块茎分离以后的土豆落入传送装袋机构,操作人员关闭发动机,使整机停止运行,并单独使传送装袋机构开始工作,完成单人省力装袋和机械化运输,可以大大提高工作效率[7-8]。

▲图3 秧苗切碎返土机构结构

▲图4 传送装袋机构结构

5 控制系统

为使整机各机构能够合理顺畅地工作,笔者以机电一体化为基础,通过电子控制管理系统对土豆收获割秧一体机进行集成控制,实现收获、割秧、块茎分离等一系列处理工艺的自动化[9]。电子控制管理系统以MK60单片机为控制核心,同时采用继电器、L298N电机驱动器、光电传感器和降压模块等进行辅助,实现自动收获、割秧、块茎分离等功能。继电器的种类较多,根据产品实际要求选择电压继电器,通过高低电平的触发控制电机开关。同时,在模块电源方面设计了过流和过压保护,进一步提高电子控制管理系统抵抗电压和电流冲击的能力。

6 样机制作与试验

对土豆收获割秧一体机进行样机制作,试验收获、割秧、输送等功能。结果表明，土豆收获割秧一体机能够顺利实现收获、输送和割秧等工序的自动化,每分钟可收获43 kg土豆，收获率达85%～90%。未收获的土豆主要集中在土地深侧或为小型土豆,对土豆表面的破坏程度小。夹持输送机构可连续流畅地进行传送，块茎分离机构可根据土豆大小调节螺纹杆的固定高度,进而调节土豆的切口高度。经试验,设定夹持输送机构的上行速度为5～7 cm/s,扶禾机构将茎叶聚拢后进入夹持输送机构，并设定延时0.5 s夹持输送机构再次运转,此时块茎分离机构的效率最佳,约为90%。后期改进时可考虑在传送装袋机构中附加水管,以便冲洗土豆[10]。

7 结束语

笔者设计了土豆收获割秧一体机，可以自动连续实现收获、割秧、块茎分离等功能,环保，安全。扶禾机构和夹持输送机构衔接顺畅,夹持输送机构中的复合皮带两侧分布多个张紧轮,主要为动轮和不动轮两种,用于保证有更大且均匀的夹持力夹紧皮带，并且不误伤茎叶,使夹持输送机构运转更加平稳顺畅。采用间距可调节的块茎分离机构进行块茎分离,不仅能适应不同尺寸的土豆,而且能减小对土豆的破坏,进而提高收获和块茎分离的效率。完成块茎分离的土豆落入传送装袋机构,分离后的块根和茎叶输送至对应的秧苗切碎返土机构。收获完成后,操作人员关闭发动机，单独运行传送装袋机构,实现单人省力装袋和机械化运输。

秧苗切碎返土机构实现了生态的循环性和可持续性发展,在一定程度上保护了生态环境。这一土豆收获割秧一体机能够有效提高土豆收获处理的生产效率,具有较好的市场应用前景。