铲筛组合式花生分段收获机的设计与试验

于文娟，杨然兵，尚书旗，石　超，杨红光

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109)



铲筛组合式花生分段收获机的设计与试验

于文娟，杨然兵，尚书旗，石超，杨红光

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109)

摘要：针对我国现有花生分段收获机械化程度低、动力消耗大及工作稳定性差等问题，研究设计了一种铲筛组合式花生分段收获机。该机将花生的挖掘工序和分离工序合二为一，可一次完成挖掘、去土、送秧等工序，采用曲柄摇杆机构驱动分离筛振动，实现了两侧机构等角度、同方向摆动，减小机身侧向力。田间试验测试表明：收获机挖掘深度平均为143mm，落果率平均为0.21%，破损率平均为0.33%，果秧含土率平均为0.31%，耗油量平均为712g/kW·h。

关键词：花生；收获机械；铲筛组合；分段收获

0引言

花生是我国主要的油料经济作物，种植面积广阔，需求量大。我国在花生收获方面机械化水平较低，目前的花生收获无论是人工、畜力还是简易的机械，整个收获过程都要经过两道以上的工序：首先是将花生从土里挖掘；然后人工除土。由此导致果秧损失大、劳动成本高、费时费力。

现有的花生分段收获机主要由挖掘铲和抖动链结合组成，其结构要相对复杂很多，因而相应的成本较高，消耗的动力较大，可靠性不高，花生果的损失过多，而且不能做到整齐铺放，浪费人力，影响效率。为此，设计了一种铲筛组合式的花生分段收获机。

1整体结构及工作原理

1.1整体结构

铲筛组合式花生分段收获机主要由机架、变速箱、分离筛、限深轮、平面连杆机构、防护罩等组成，挖掘铲与分离筛为一体式结构，如图1所示。

分段收获机悬挂在拖拉机后方，由11kW以上的拖拉机提供动力，通过曲柄摇杆机构带动平行四边形机构驱动分离筛和挖掘铲摆动，实现两侧机构的等角度、同方向摆动，减小机架侧向力。

1.挖掘铲　2.机架　3.变速箱

1.2工作原理

花生分段收获机通过三点悬挂装置悬挂在拖拉机后方，由拖拉机输出轴通过万向联轴器为收获机提供动力。收获过程中，花生分段收获机将花生秧果与泥土一起由挖掘铲铲起；在随着拖拉机前进的过程中，花生秧果和泥土被推送到分离筛上，在分离筛上被向后输送的同时，随着分离筛的振动其上的泥土被不断清除，清选后的花生秧果经过分离筛末端铺放到地面上。

2主要工作部件

2.1机架

机架是分段收获机的骨架，用于承受其他零部件的重力和工作载荷，并保证各零部件相对位置的基准，对机架的要求是有足够的刚度和硬度。机架横梁选用60mm×60mm×3mm的方管，机架侧板选用厚度为5mm的扁钢，机架整体宽度为1.2m。机架主要包括三点悬挂装置、侧板、横梁、挖掘铲及限深轮固定板，如图2所示。

图2　机架三维模型

2.2挖掘铲

挖掘铲固定在分段收获机机架上，挖掘铲尾部通过栅杆与分离筛衔接。收获过程中，机车相对花生果秧向前运动，从而使花生果秧通过挖掘铲尾部栅杆运动到花生分离筛上。

挖掘铲的主要技术参数主要为入土角α、铲面长度L、铲的垂直高度h和铲的割幅B等，其工作参数如图3所示。

图3　挖掘铲工作参数

挖掘铲的入土效果与其入土角度有关。当挖掘铲与地面所成夹角较小时，挖掘铲受到土壤的反作用力较大，难以达到要求的深度，但铲面阻力小，易于前进；当入土角度较大时，挖掘铲受到土壤的反作用力较小，易于达到要求深度，此时铲面阻力较大，前进消耗的功率加大。图4为挖掘铲在前进时的受力分析。

图4　挖掘铲受力分析

根据相关原理，为使机器能够顺利前行，应满足以下条件，即

式中P—铲子受到土壤沿水平方向的阻力；

R—铲子对土壤向前的水平推力；

T—挖掘铲与土壤之间的摩擦力；

G—掘起物的重力；

α—挖掘铲的入土角；

μ—土壤对铲的摩擦因数，μ=tanφ。

由此求得

挖掘铲的入土角与挖掘铲受到水平方向阻力P的关系如图5所示。

图5　挖掘铲受力分析

根据综合衡量，为了使挖掘铲受到的阻力不致于过大、入土深度便于调节，选择入土角为15°，铲面长度L定为42mm。根据花生种植模式，确定铲子的割幅为700mm，铲子入土深度为150mm。

2.3分离筛

分离筛的作用是通过有规律的振动将花生秧果与泥土分离。分离筛前端延伸至挖掘铲栅杆下方，筛杆选用直径为10mm的圆钢。为避免花生果进入筛杆间隙导致荚果脱落，增大掉果率，筛杆间隙设计为8～15mm。筛杆尾部设计为半圆弧型，便于疏导花生果秧并有序铺放。分离筛固定在平行四杆机构底架上，在曲柄摇杆机构的驱动下往复摆动，根据拖拉机的转速，算出本设计的分离筛振动频率为7Hz。分离筛结构如图6所示。

图6　筛杆结构简图

2.4平面连杆杆机构

连杆机构广泛应用于各种动力机械、重型机械、轻功机械、机床、仪表和军事工业中，如图7所示。曲柄摇杆机构运动形式多样，当原动件以同样的运动规律运动时，可使从动件得到各种不同的运动规律，从而实现不同的运动轨迹，以满足各种机械的不同要求。低副连接各构件以面接触，单位面积所受的压力较小，且面接触便于润滑，故磨损小，可承受较大载荷，能传递较大的动力。低副的运动副元素几何形状简单、加工容易、制造方便，易获得较高的制造精度；构件可长可短，可用于传动距离较大场合。

图7　平行四杆机构三维建模

该铲链组合式花生收获机需用两个互相啮合的锥齿轮改变传动方向，通过曲柄摇杆机构的摆动来带动分离筛的往复抖动。连杆机构示意图如图8所示。

图8　连杆机构示意图

以上传动部件所涉及的曲柄摇杆机构中，杆件A-B为原动件，作为曲柄，能够实现整周转动；杆件D-E为从动件，作为摇杆，只能做摆动运动；杆件B-D为连杆，通过连杆B-D，曲柄A-B的连续转动转变成摇杆D-E的往复摆动。

偏心轮(见图9)是曲柄摇杆机构的核心部件，通过偏心轴与连杆连接，将传动轴的圆周回转运动转变成曲柄摇杆的往复摆动，进而促成分离筛的上下振动，从而将秧果和泥土分离。本文偏心轮的偏心距离设计为8mm。

图9　偏心轮机构示意图

根据花生收获机的工作性能，确定传动机构的尺寸参数为：LA-B=350mm，LB-C=195，LC-D=300，LD-E=300,LE-F=300。A、B、C、D、E、F处均为转动副，选用滚动轴承，B处用销轴连接；杆A-B和E-F的厚度均为20mm。为了提高连杆转动时的强度及避免连杆的过度磨损，在B、D、E、F处分别焊接一厚10mm、直径40mm的圆形垫片。

摇杆机构的输入轴转速540r/min，传动比为23/17，所以输出轴转速为400r/min，偏心轮的转速为120r/min。由于偏心轮带动连杆的往复摆动，偏心轮转1圈，连杆往复摆动1次，频率f大约为5Hz。长轴两端的机构互相对称，在锥齿轮的传动下，等角度、同方向带动逐稿器摆动，使机架承受的侧向力相互平行,机组工作平稳，并大大减少了运动阻力及无用功。在连杆机构的各转动副处需要设计油孔，以保证其足够润滑，提高使用寿命。

3收获机运动仿真

为了测试铲筛组合式收获机整机运动效果、平行四杆机构动作情况和各结构之间是否有干涉，采用Pro/E和ADAMS软件进行联合运动仿真。

首先利用Pro/E三维软件完成铲筛组合式分段收获机的三维建模，并根据收获机的工作原理进行模型简化；在M/pro中形成刚体和约束，并导入到ADAMS软件中，根据花生收获机关键部件的工作机理，确定各部件的作业参数(见图10)；根据各部件在收获过程中的受力情况和运动参数为三维模型添加力和约束，并设定收获机的前进速度和曲柄转速等作业参数，利用ADAMS动力学仿真模块完成收获机的运动仿真。

图10　收获机参数设定

通过ADAMS完成收获机的运动仿真后，根据试验结果可知：收获机各部件不存在干涉，整机运动平稳，平行四杆机构运动效果良好。导出收获机的运动速度和加速度分析结果，如图11、图12所示。

图11　收获机运动速度

图12　收获加速度

4田间试验

为检测铲筛组合式收获机的作业性能，在常年种植花生的地块进行了田间测试。经测量，试验田地含水量15.2%，植株平均高度515mm,平均杂草量150g/m2。将收获机悬挂在12kW拖拉机上进行试验。

试验过程中，收获机收获作业长度不低于20m，每隔1m设置一个测试点，分别测量统计每个测试点收获机的挖掘深度、落果率、破损率、收获机每小时的耗油量和收获后果秧的含土率，并计算出平均值。总共进行3组试验，试验结果如表1所示。

表1　田间试验结果

田间试验过程中，分段收获机工作稳定，分离筛与挖掘铲衔接效果良好，曲柄摇杆机构运行平稳，收获后的花生果秧铺放整齐均匀，果秧含土率较低。

5结论

研制了一种铲筛组合式分段花生收获机，将花生的挖掘工序和分离工序合二为一，能够一次性完成挖掘、去土、送秧等工序；采用曲柄摇杆机构驱动分离筛振动，实现了两侧机构等角度、同方向摆动,减小机身侧向力。

采用Pro/E和ADAMS软件完成收获机三维模型的运动仿真，对整机的运动效果和各部件的干涉情况进行检测，并求出收获机的运动速度和加速度。采用ADAMS软件进行运动仿真，生产加工前完成收获机的检测与参数。试验结果表明：收获机各部件运行效果良好，满足设计要求。

对设计的收获机进行了田间试验，收获机在田间试验过程中运行稳定，各部件工作正常，收获后的花生果秧铺放整齐，挖掘深度平均为143mm、落果率平均为0.21%，破损率平均为0.33%，果秧含土率平均为0.31%，耗油量平均为712g/kW·h。

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Abstract ID:1003-188X(2016)06-0163-EA

Design and Experiment of Sieve Shovel Combined Peanut Harvester

Yu Wenjuan, Yang Ranbing, Shang Shuqi, Shi Chao, Yang Hongguang

(College of Mechanical and electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：According to China's existing peanut mechanization harvest low segment, large power consumption, poor working stability, design a kind of shovel type peanut harvester segment combination. This machine will be mining process and separation process of peanut Become, can complete the mining, to the soil, the seedling feeding process, the crank rocker mechanism drives the separating sieve vibration, realize the point, both sides of the same direction swing mechanism, reduce the lateral force. The field experiment tests that the harvester digging depth is 143mm, the average drop rate was 0.21%, the average damage rate was 0.33%, the average fruit containing soil for the average rate of 0.31%, average fuel consumption is 712g/kW·h.

Key words：peanut; harvesting machinery; shovel combination; subsection harvest

文章编号：1003-188X(2016)06-0163-04

中图分类号：S225.7+3

文献标识码：A

作者简介：于文娟(1965-)，女，山东海阳人，副研究馆员，(E-mail)363159866@qq.com。通讯作者：尚书旗(1958-)，男，山东青州人，教授，博士，(E-mail)sqshang@qau.edu.cn。

基金项目：山东省农机装备研发创新计划项目(2015TS202-1)；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目(BS2012NY004)

收稿日期：2015-05-09