4UML-130型振动链式木薯收获机的设计与试验

李国杰，邓干然，吴洪珠，崔振德，李 玲，黄 洁

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524091；2.农业农村部热带作物农业装备重点实验室，广东 湛江 524091；3.青岛洪珠农业机械有限公司，山东 青岛 266300；4.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所，海南 海口 571101）

0 引言

木薯（学名：Manihot esculenta Crantz），是大戟科木薯属植物，耐旱抗贫瘠，粗生易长、容易栽培、高产和四季可收获，广泛种植于非洲、美洲和亚洲等100 余个国家或地区，是三大薯类作物之一[1]，热区第三大粮食作物，全球第六大粮食作物，被称为“淀粉之王”，供应了世界近8 亿人口粮[2]。在我国，木薯主要分布在广西、广东、海南、云南等地，截止到2019 年，我国木薯种植面积约29.89 万hm²，产量约为498.70 万t。

木薯收获主要是指地下块根的收获，目前我国木薯机械化收获方式主要为分段收获，即人工砍运木薯茎杆或者机械化粉碎还田后，利用拖拉机驱动木薯挖掘收获机对木薯块根进行挖掘[3]、提升后平铺于地表面，便于后续人工捡拾、装车作业。当前木薯收获设备主要分为3 种方式：①深松铲式，如中国热带农业科学院农业机械研究所研制的4UMS-1800 型木薯收获机；②挖拔式，如海南大学孙佑攀等设计的4UMS-1 型木薯收获机；③升运链式，如河南坤达农业机械设备有限公司生产的4U-160 型木薯收获机[4]；3 种设备目前均未能大规模推广应用。针对当前木薯收获设备明薯率低、损失率高、农机农艺不匹配等问题，基于农机农艺融合，设计了振动链式木薯收获机，一次作业能够完成木薯块根的挖掘提升、振动去土、平铺地表等工序。

1 适宜机收木薯种植模式要求

当前木薯种植农艺以等行距90 cm 种植为主，开展木薯机收时，容易出现拖拉机轮胎压断薯而造成损失。针对现有农机农艺不匹配问题，自2016 年以来，按照农机农艺融合适宜机械化作业要求，中国热带农业科学院农业机械研究所与热带作物品种资源研究所联合开展了适宜机械化作业的木薯宽窄双行起垄种植模式研究。不同于存在机械化作业困难的等行距平种或小垄种等传统木薯种植方式，该模式利用专用的旋耕起垄机对耕地进行旋耕碎土、平整，并起适宜拖拉机跨垄行走的梯形垄，旋耕深度25～30 cm，垄面宽90～110 cm，垄底宽约130 cm，垄高25～35 cm，垄沟宽约50 cm；在垄体上沿纵向方向，利用垄作式木薯联合种植机种出2 行木薯，垄上双行为窄行距约50～70 cm，株距60 cm，邻垄间木薯为宽行距约120 cm，形成垄上双行为窄行、邻垄间为宽行的宽窄双行起垄种植模式，如图1 所示。该模式下，木薯的机械化收获以66 kW 轮式拖拉机为动力，作业过程中拖拉机轮胎行走于垄沟中，不压伤垄形和木薯块根，木薯产量有保证，收获作业机具能耗比平种模式低，机具操作方便，实现农机农艺融合[5]。

图1 木薯宽窄双行起垄种植模式示意图

2 总体结构与工作原理

2.1 总体结构

4UML-130 型振动链式木薯收获机主要由机架、三点悬挂装置、挖掘铲、振动链排、切草盘、过载保护装置、传动机构、地轮和收拢板等部分组成，如图2 所示。其中，传动系统由减速箱、传动轴、传动链轮、链条等部分组成；过载保护装置包括带孔链轮、内摩擦板、带轴套摩擦板、外摩擦板、带孔外紧固板等部分组成。

图2 4UML-130 型振动链式木薯收获机结构图

2.2 工作原理

待收木薯地完成木薯茎杆处理后开展木薯收获作业，拖拉机通过三点悬挂装置牵引4UML-130 型后振动链式木薯收获机前进，拖拉机轮胎行走于垄沟中，不压木薯垄，动力输出轴通过传动轴驱动收获机减速箱工作，进而驱动整个传动机构工作，随着拖拉机牵引前进，收获机的切草盘切割土壤与杂草，收获机挖掘铲在偏心机构的作用下以往复振动方式逐渐深入到木薯垄下方并前进，随着挖掘铲的工作，垄上种植的2 行木薯被挖掘输送至振动链排上，振动链排在振动轮的作用下以上下振动方式对木薯及夹杂的土块等混合物料进行振动输送提升，提升过程中土块逐渐被震碎并通过链排间隙掉落，而木薯块根则被收拢板收集变向后抛落至地表[6]，随着收获机前进作业，抛落的木薯块根形成条状平铺于地表，从而完成挖掘收获作业，便于后续人工捡拾装车。

2.3 主要技术参数

4UML-130 型振动链式木薯收获机技术参数如表1 所示。

表1 4UML-130型振动链式木薯收获机主要技术参数

3 关键部件的设计

3.1 挖掘铲的设计

挖掘铲主要作用是挖掘木薯块根使之松动并随铲面、过渡板输送提升至后续的振动链排，便于进一步提升输送及薯土分离[7]。我国热区木薯种植区以红壤黏土为主，土壤水分高的情况下容易粘结机具与木薯块根，造成分离不彻底；土壤水分低的情况下容易板结而增加挖掘阻力。因此，挖掘铲要求减阻稳定。本设计中，挖掘铲由挖掘铲板、过渡板、侧立柱等部分组成，收获机作业时，动力通过传动系统输入偏心套机构，进而驱动挖掘铲绕支撑轴实现前后往复振动挖掘，不断震碎土壤得以减阻，挖掘的木薯块根通过过渡板提升至后续振动链排。整个挖掘过程能够实现木薯块根周围土壤松动后提升，便于后续薯土分离作业。

挖掘铲作为整个挖掘装置关键系统部件，直接作用于木薯块根下方土层，挖掘铲耐磨性能影响整机工作可靠性。本设计中挖掘铲通过选材、结构及工作形式3 个方面进行设计，以增加其工作可靠性。选材方面采用65Mn 钢，调质处理使其达到最好的机械性能，增加耐磨性；结构设计方面，既要保持其结构强度又要降低其结构复杂程度，以减少挖掘过程中出现问题的概率，增加挖掘铲的工作可靠性，故设计为单板整体式挖掘铲。具体结构如图3 所示。

图3 挖掘铲结构图

挖掘铲的设计宽度以保证不出现漏挖和尽量减少切断木薯块根导致漏收为目标。根据宽窄双行起垄种植模式木薯种植特点及近年木薯块根结薯分布特点实测结果，沿垄纵向单行木薯薯块分布直径约50～100 cm,取平均值75 cm，行距60 cm 情况下，双行木薯块根分布宽度约135 cm，为减小挖掘铲工作阻力，取挖掘铲设计宽度值为130 cm。

3.2 偏心套机构的设计

现有木薯收获机挖掘方式多数采用固定铲式挖掘，固定式挖掘铲挖掘阻力大、功耗大。4UML-130型振动链式木薯收获机设计时应用振动减阻原理，即工作时土壤受到激振会同步振动，土壤振动时会吸收部分振动能量使自身内应力变大，内应力越大，土壤越容易破碎。振动挖掘木薯块根时振动载荷使土壤趋于紧实，引起土壤内部孔隙水难以从土壤中排出来，致使土壤压力增大。当土壤压力增大到与土壤正应力一样大时，土壤强度就会急剧减小，土壤的内摩擦力也会跟着减小，使土壤抗剪强度减小，从而使得板结土层更易破碎。振动挖掘的关键是振动挖掘装置能够产生连续有规律的激振力作用于土层。收获作业时，挖掘铲的振动使铲前土壤颗粒不停交换，使得挖掘铲对土壤作用力不停变化，致使土壤和挖掘铲无法达到平动条件，最终使得板结土层在冲击载荷下破碎，同时已经破碎的土块沿挖掘铲刃口滑出时与刃口的摩擦力也会相应减小，从而减小挖掘阻力。

本设计中，偏心套机构[8]依据曲柄摇杆原理设计，其工作过程如图4 所示。

图4 偏心套工作原理示意图

对挖掘铲尖入土部E点进行运动学分析，当挖掘铲工作时，挖掘铲的运动实际上近似于水平匀速运动与往复式简谐运动的组合运动[9]，其运动方程为

式中：

y——挖掘铲尖点的位移，m；

V——挖掘铲尖点的速度，m/s；

ω——偏心套机构曲柄角速度，rad/s；

a——挖掘铲尖点的加速度，m/s2；

v0——收获机前进速度，m/s；

t——时间，s。

为了避免在振动挖掘过程中损伤木薯块根的同时尽量碎土，要求图中垂直前进距离h与水平进距s尽量取小值，h与s的关系为

式中：

r——曲柄半径，mm；

α——挖掘铲入土角，（°）；

θ——摆动方向角，（°）；

s——曲柄旋转一周收获机前进距离，m；

n——曲柄转速，r/min。

通常h≤30 mm，s≤60 mm，挖掘铲入土角为18～23°时，木薯收获振动挖掘碎土效果较好，通常曲柄半径取8～30 mm,振动频率9～15 Hz，振动碎土效果较好，但频率越高，对机器的稳定性要求越高，制造成本越高。本设计中，偏心套机构通过挖掘铲左右侧立板上的支撑圆孔内支撑销轴与挖掘铲链接，驱动轴驱动曲柄摇杆机构旋转工作，使得挖掘铲绕支撑销轴做往复摆动，实现振动减阻挖掘，设计曲柄半径为20 mm，综合考虑碎土减租效果及制造成本，挖掘铲振动频率为2 Hz。

3.3 振动链排的设计

振动链排是整个收获设备实现薯土分离装置的关键部件，其分离功能主要是依靠其上输送的木薯块根与土壤比重不同而实现分层、下漏并最终得以分离，在木薯块根与土块混合物输送起始阶段，堆积在一起的木薯块根、土块等物料在链排上下波浪振动作用下实现分散分层，下层土壤颗粒通过振动链排链杆间隙下落分离，其它木薯块根与板结土块则在振动链排旋转输送作用下继续产生提升运动。在此过程，在链排振动作用力下，板结土块逐渐粉碎变成土壤颗粒下沉到木薯块根与土壤混合物底部而实现分层，进而下落，从而实现木薯块根、土块等混合物在输送提升过程中的分层、分离，最终实现薯土分离的目的[10-11]。

振动链排结构参数和运动参数将直接影响输送分离效果。木薯块根在挖掘过程中不受损的情况下均成手掌型，掌上的每条木薯平均直径约30～50 mm。基于以上尺寸在保证每条木薯块根不被链排链杆卡住下漏的条件下达到充分漏土的效果，链杆直径取值为12 mm，链杆中心间距42 mm。

为实现链排振动作用，设计了链排振动源的振动轮。振动轮用于抛散薯土混合物，强化分离性能，增加振动链排上所移动板结土块的破碎率[12]。本设计中，振动轮设计为被动双滚子式双头型振动轮，独立的滚子可绕自身固定轴转动，同时整个振动轮机构又绕轴转动。4UML-130 型振动链式木薯收获机作业条件为华南热区红壤黏土，其特点是多雨条件下土壤黏结力、黏着力较大，干旱条件下土壤易板结。为减少木薯块根振动损伤，振动轮振幅范围通常为15～60 mm，为增强破碎、筛分土壤能力，设计振动轮振幅为40 mm，其实际作业振幅可根据安装位置上下调整进行调节。设计滚子直径为50 mm，其工作圆周半径为120 mm，其转过1 周可对振动链排产生2 次往复振动。振动轮结构示意图如图5所示。

图5 振动轮结构图

3.4 过载保护装置的设计

南方红壤土粘性大、易板结，木薯收获过程中易出现木薯、土壤不分离，甚至大堆板结土块伴随木薯一起在分离链排上输送，从而导致分离链排出现壅土现象或者负载较大，使得薯土分离输送提升过程不顺畅，拥堵物容易堵塞在输送链排上，导致链排停止输送的情况发生，振动链排输送过载，严重时导致振动链排及传动链条断裂、减速箱齿轮撞击损坏等，造成机具损坏。为避免上述现象发生，设计了过载保护装置[13]，该装置对于木薯在输送链排的输送过程中形成的过载，具有使振动链排驱动轴与传动系统自动分离功能，使减速箱输出轴的驱动力无法传递至振动链排驱动轴而实现空转，保护传动系统不受过大载荷冲击，避免输送链排、链条的断裂以及减速箱齿轮的撞击损坏，起到过载保护的作用。

过载保护装置安装在振动链排驱动轴上，主要由轴承、带孔链轮、内摩擦板、带轴套摩擦板、外摩擦板、带孔外紧固板、弹簧及紧固螺栓等部分组成，具体结构如图6 所示。

图6 过载保护装置

过载保护作用发生后，振动链排驱动轴与传动系统分离，此时需要停机清理振动链排上的木薯、土壤等承载物，然后通过紧固螺栓调节间距使之缩小，从而使带孔链轮与第1 摩擦片、带轴套摩擦板、第2 摩擦片及带孔外固圆盘的距离不断缩小，从而加大之间的摩擦，让带孔链轮传递的摩擦力在第1摩擦片、带轴套摩擦板、第2 摩擦片及带孔外固圆盘之间得以加强并重新建立摩擦连接，使得本装置重新启动后使得振动链排驱动轴与传动系统连接，从而恢复整机运转工作。

4 田间试验

4.1 试验条件

研制的4UML-130 型振动链式木薯收获机在中国热带农业科学院农业机械研究所木薯生产机械化试验示范基地进行了田间性能试验，如图7，基地为红壤土，实测基地土壤含水率18.3%。木薯种植模式为宽窄双行起垄种植，垄上窄行距70 cm，株距60 cm，木薯品种为南植199。随机选择5 垄进行收获试验，试验选用东方红LX904 轮式拖拉机作为动力，作业速度为拖拉机低二档，1.8 km/h，每垄作业长度均为75 m。

图7 样机田间试验

4.2 试验方法

由于我国目前未制定木薯收获机试验方法和作业质量相关标准，试验方法参照农业行业标准NYT 648—2015《马铃薯收获机质量评价技术规范》来进行，主要检测指标为明薯率、损失率、纯工作时间生产率等指标。

4.3 试验结果与分析

分析4UML-130 型振动链式木薯收获机7 垄试验结果，取平均值进行统计，作业主要性能指标如表2 所示。

表2 4UML-130型振动链式木薯收获机试验结果

明薯率是指木薯进行收获作业时，经过收获设备收获作业后木薯地表面能明显看到木薯块根的木薯株数占整个收获作业木薯株数的百分比；损失率是指木薯收获机作业后，土壤中因漏挖或者切断等原因未能收获的木薯块根质量与总的木薯质量百分比,收获作业后，在每垄试验区随机选10 m，通过人工挖掘土壤内所埋的木薯块根量与这10 m 平均木薯产量对比，进而计算损失率；纯工作时间生产率为拖拉机单位作业时间内的木薯收获作业面积。

由表2 分析可知，4UML-130 型振动链式木薯收获机对宽窄双行起垄种植农艺模式下木薯收获适应性较好，垄上2 行木薯均处于挖掘铲工作幅宽内，明薯率，损失率、生产率等各项指标均达到设计要求。

5 结论与展望

1）基于木薯宽窄双行起垄种植农艺要求，设计了4UML-130 型振动链式木薯收获机，该机一次作业能够完成木薯块根的挖掘提升、振动薯土分离、薯块收拢条状平铺地表等工序。田间试验表明，作业速度1.8 km/h 时，明薯率95.8 %、损失率5.4%、生产率0.42 hm²/h，满足设计要求。

2）目前，4UML-130 型振动链式木薯收获机作业方式仍为分段收获，作业时需配备约20 名以上捡拾工人对挖掘收获后的木薯进行捡拾、分切、装车等作业。分段收获只减轻了木薯收获环节约50%劳动量，在当前农村劳动力日益缺乏的情况下，木薯分段收获设备的应用推广受到了较大影响。今后，木薯联合收获技术将是木薯产业收获机械化发展方向。