小型马铃薯收获机的设计

王法明 孙传祝 王相友 李学强 卢延芳 苏国粱

摘要：针对目前市场上小型马铃薯收获机存在的收获幅宽、挖掘角度无法调整，薯土分离效果欠佳，极易产生杂草拥堵现象等问题，设计了一款小型马铃薯收获机。该收获机设有收获幅宽和挖掘角度调节装置，以满足不同地区、不同种植模式的收获要求；设有被动式抖动轮，抖动幅度可调，以保证较佳的薯土分离效果；设有防缠绕装置，可以使杂草、薯秧更容易运动到升运链上，避免产生拥堵现象。本设计为马铃薯种植户提供了一款适合配套中小型农用拖拉机、挖掘倾角和收获幅宽可调的马铃薯收获机，为马铃薯产业的发展奠定了良好基础。

关键词：马铃薯；收获机；小型；抖动轮；防缠绕装置

中图分类号：S225.7+1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）05-1287-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.051

Design on the Small Potato Harvester

WANG Fa-ming1a，2，SUN Chuan-zhu1a，2，WANG Xiang-you1b，2，LI Xue-qiang2，3，LU Yan-fang1a，2，SU Guo-liang2，3

（1.a. School of Mechanical Engineering； b. Office of Graduate Students，Shandong University of Technology， Zibo 255091，Shandong，China；

2.Shandong Provincial Intelligent Engineering and Technology Research Center for Potato Production Equipment，Dezhou 253600，Shandong，China；

3.Shangdong Xicheng Agricultural Machinery Science and Technology Co.，Ltd.，Dezhou 253600，Shandong，China）

Abstract：Aiming to solve the problems existing in the small photo harvester， such as harvest width and digging angle difficult to be adjusted， bad potato soil separation， and the phenomena of weed congestion， a type of small potato harvester was designed. In the design， the harvesting width and digging angle could be adjusted to meet the the actual harvest conditions by adjusting harvest width and digging angle adjustment device； the shake amplitude adjustment device could adjust the shake amplitude of the passive shake round to get a better effect of potato soil separation； the anti-winding device could make the weeds， potato seedlings to move to the transport chain， so as to forbid the phenomena of congestion. The small photo harvester matching with the small and medium sized agricultural tractors， and with adjustable digging angle and the harvest was provided for the potato farmers， which laid a good foundation for the development of potato industry.

Key words：potato； harvester； small size； shake round； anti-winding device

馬铃薯种植广泛，营养丰富，素有“地下苹果”、“饮食新贵”和“十大热门营养健康食品”之称，是继玉米、小麦和水稻之后的世界第4大粮食作物[1-3]。中国是世界马铃薯种植面积最大的国家之一[4]，且国内力推马铃薯主粮化，用其加工成馒头、面条、米粉等主食，种植面积逐步扩大。但是，中国马铃薯生产机械化水平较低，国际竞争力较差[5]，远远满足不了市场需求。

目前，中国马铃薯收获机械化存在的主要问题是机型与动力的配套不够合理、收获幅宽单一、杂草或薯秧易拥堵、薯土分离效果差等。另外，收获环节中伤薯率最高可达30%[6]，对于大中型机而言，抖动输运部件伤薯现象频繁发生[7，8]，而小型升运链式马铃薯收获机由该部件所引发的伤薯现象则不太严重。为此，针对上述问题，设计了一款适合配套中小型农用拖拉机使用的小型马铃薯收获机，挖掘倾角和收获幅宽可调，效率高、薯土分离效果好，为马铃薯产业的发展奠定了良好的基础。

1 小型马铃薯收获机结构及特点

1.1 基本结构

设计的马铃薯收获机主要由挖掘装置、Ⅰ级输送分离装置、Ⅱ级输送分离装置、防缠绕装置、尾筛装置、悬挂装置、传动装置和机架等组成，如图1、图2所示。

1.2 工作原理

马铃薯收获机通过悬挂装置悬挂在农用拖拉机后方，并由拖拉机提供动力，收获之前需要用杀秧机将马铃薯薯秧切碎。收获机在拖拉机的牵引下向前行进时，马铃薯、薯秧与泥土一起被挖掘铲铲起。随着机具向前运行，铲起的马铃薯、薯秧和泥土被输送到输送分离装置上方，分离装置由于抖动装置的不断转动而产生有序的抖动，且分离装置上方的马铃薯薯秧随着防缠绕装置的旋转运动到输送链上。经两级分离后，马铃薯表面黏着的泥土由于输送链的抖动而逐渐被清除，收获的马铃薯运动到输送链尾端后经过尾筛平铺到地面上，以方便晾晒与拾捡。

1.3 动力传递路线

马铃薯收获机的动力传动路线有两条：一条是由拖拉机动力输出轴→变速箱→Ⅱ级输送分离装置主动轴→Ⅰ级输送分离装置主动轴；另一条是由拖拉机动力输出轴→变速箱→防缠绕装置的主动轴（图3）。

1.4 主要技术指标

小型马铃薯收获机主要技术指标：收获幅宽1 030～1 080 mm，升运链节距50 mm，配套动力29.4～36.7 kW。

2 小型马铃薯收获机结构设计计算

2.1 挖掘装置

2.1.1 挖掘铲的选择 根据调查及初步试验结果，设计的马铃薯收获机采用三角形平面铲（图4）。为防止“挂草”现象，挖掘铲依靠铲柄悬挂在升运链从动边底部的横梁上，并在各铲之间留有一定的滑草间隙。

2.1.2 主要參数 三角形平面铲的主要参数有：倾角α、刃斜角γ、长度L、宽度B和铲的后端高度h等（图5）。

1）倾角α。一般情况下挖掘铲的倾角α应小于24°，其关系为h=Lsinα。α越小，铲的阻力越小。

2）刃斜角γ。为了保证铲刃的自动清洁，刃斜角应该满足：90°-γ>φ，φ为摩擦角。当倾角α=20°左右时，一般γ取40°～50°；当挖掘的沟底为平面时，γ可取至70°。为了保证挖掘铲既容易切开土垡，又使铲后端距离地面的高度h合适，铲面可分为两段，前段倾角α1为10°～15°，后段倾角α2为16°～24°。

3）长度L。挖掘铲的长度包括前段长度和后段长度。前段长度L1可根据α角和平均挖掘深度h1值（140～180 mm）进行计算，一般取h1=150 mm，α=14°，则L1=h1/sinα=620 mm。后段长度L2可通过能量守恒定理计算，挖掘物以机器的前进速度v运动到B点，则挖掘物在B点所具有的动能为EB=mv2/2。

设挖掘物到达C点时，v=0，则挖掘物在B点所具有的动能完全用于克服到达L2所做的摩擦功Wfc和挖掘物提升高度h2所做的功Wc，则：

Wfc=RtanφL2=GL2tanφcosα

Wc=Gh2=GL2sinα

故能量平衡式为：

GL2tanφcosα+GL2sinα=mv2/2

整理得：L2=v2cosφ/2gsin（α+φ）。

由此得挖掘铲的总长度为：L=L1+L2=h1/sinα+v2cosφ/2gsin（α+φ）。收获机的前进速度v一般为0.7～1.0 m/s，取v=0.80 m/s。

为了保证马铃薯顺利地落到分离筛上，实际上马铃薯到达C点时的速度不能为0。与此同时，为了减小工作阻力，在保证挖掘深度的前提下应减小铲的长度。当α为14°～20°时，挖掘铲的最佳长度为350～400 mm，故取L=400 mm，其中铲长300 mm，栅长100 mm。

4）宽度B。挖掘铲的宽度主要取决于马铃薯在地下的分布宽度、行距的不均匀性、植株对垄中心的偏移量以及收获机工作行驶时的农具偏移。一般单行马铃薯收获机挖掘铲的宽度不小于400～600 mm。本设计宽度为1 030～1 080 mm，取B=1 050 mm。

2.1.3 受力分析 影响挖掘铲牵引阻力的主要因素是土壤类型、挖掘深度、铲的形状以及倾角等，根据图5可建立以下方程组：

Pcosα-T-Gsinα=0

R-Gcosα-Psinα=0

T=μR

式中，P为沿着挖掘铲移动掘起物所需的力，N；R为铲对土壤的反作用力，取R=2 700 N；G为铲面上土壤的重力，N；T为铲面对崛起物的摩擦力，N；μ=tanφ为土壤对钢的摩擦系数，φ可取30°～36°；α为铲的倾角，α≤24°。

解得：P=2 184 N，G=2 245 N。则挖掘铲需要克服的总阻力为：

Rr=SLρgtan（α+φ）+KS

式中，P=SLρgtan（α+φ）；P为沿着挖掘铲移动掘起物所需的力，N；S为土壤沉切面积，m2；K为犁沟土壤比阻，N/m2；ρ为土壤密度，kg/m3；KS为挖掘铲沉切土壤所需的力，N。

结合实际情况取相关参数为：α=24°，φ=36°，K=30 000 N/m2，L=400 mm，ρ=1 400 kg/m3，同时取垄顶宽为350 mm，挖掘深度为250 mm，计算得：Rrmax= 2 837.17 N。

2.2 分离装置

马铃薯收获机两级输送分离装置均采用杆条式结构，因为分离筛的主动轮与链轮相似，故可根据链轮的计算方法计算，然后再根据实际需要进行相应修正。

当Ⅰ、Ⅱ级升运链的速度分别为vⅠ=1.6 m/s、vⅡ=1.5 m/s时，Ⅰ、Ⅱ级升运链的倾角分别取αⅠ=26o、αⅡ=24o，升运链节距p=50 mm，Ⅰ级升运链的主动轴转速为216.9 r/min时，Ⅰ级大胶轮的链轮相关参数如下：

z=（60×1 000）v/pn

计算得z=9.96，取z=10，其中p取50 mm，v=1.8 m/s。

升运链下轮中心与挖掘铲末端等高h=96 mm，升运链长度L取1 200 mm，则上胶轮高度为：h=659.37 mm。

由于挖掘铲铲长有限，为保证挖掘铲具有合理的铲面倾角，铲的输出端带的包角不能小于150°，当小带轮的直径取90 mm时，小带轮包角为：α1=180°-（D1-D2）/a×60°=175.98°>150°。因此，能够满足要求。Ⅱ级大胶轮的相关参数计算方法与Ⅰ级方法相同。此不再赘述。

2.3 抖动装置

本文设计的抖动装置由抖动轮和振幅调节装置组成。其中，抖动轮采用被动式（图6）。振幅调节装置安装在机架两侧，调节调整臂位置即可改变抖动轮的抖动强度，以满足不同土壤、不同马铃薯品种的分离要求。

2.3.1 相关参数设计计算 抖动轮的转速与升运链速度和抖动轮周长的关系如下：

n=60 v/L

式中，n为抖动轮转速，r/min；L为抖动轮周长，m；v为升运链线速度，m/s。

抖动轮抖动频率f为：f=Zn/60（Hz）。

式中，Z为抖动轮的凸顶数；n为抖动轮转速，r/min。

抖动轮转速n1=231.6 r/min，n2=217.14 r/min；抖動频率f1=11.58 Hz，f2=10.85 Hz。

2.3.2 振幅调节装置 由于工作条件的不同，要求振动幅度也不同，如果抖动强度偏大，马铃薯的损坏程度会增加；抖动过小，则薯土分离效果不够理想。因此，要求抖动轮的振幅大小可调，以达到理想的分离效果。设计的抖动幅度调整装置安装在机架两侧（图7），调整其调整臂的位置即可调节抖动轮与升运链之间的距离，从而改变抖动轮的抖动强度。

2.4 防缠绕装置

马铃薯收获机在收获作业过程中，有时会遇到杂草与茎秧堵塞问题。因此，在挖掘铲两侧各设计一种防缠辊（图8）。拖拉机后输出轴通过变速箱为防缠辊的主动轴提供动力，随着马铃薯收获机的前进，沿着输送分离筛的输送方向看防缠辊作由外向里转动。这样，杂草及其茎秧随着防缠辊转动，脱离防缠辊后落在Ⅰ级杆条升运链上，由于防缠辊是齿轮强制转动的，即使杂草缠绕在防缠辊上也会被切断，并随着升运链向后运动。伴随着马铃薯的收获过程，杂草及其茎秧散落在空地上。

3 小结

本文在现有小型马铃薯收获机的基础上，根据种植需求设计了一款更加适用于中小种植户的小型马铃薯收获机，为马铃薯产业的发展奠定了良好的基础。马铃薯收获机设有幅宽和挖掘角度调节装置，以便通过调节杆的左右移动来调节收获幅宽；调节杆上下运动可使挖掘铲随着铲套转动，进而对挖掘角度的进行调整，满足不同地区、不同种植情况的收获要求。设有抖动幅度调节装置，以便通过调节抖动轮与升运链的距离，达到调节升运链的抖动幅度，改善薯土分离效果之目的。防缠绕装置的防缠辊随着收获机的前进而转动，使得拥堵的薯秧、杂草运动到升运链上，避免收获过程中产生薯秧、杂草拥堵现象。

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