履带式小型甘薯秧蔓处理机的设计

蔡玉虎，吕钊钦

(山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018)

0 引言

甘薯是重要的粮食、饲料、工业原料及新型的能源用料，是世界粮食生产的底线作物和极具竞争力的优势能源作物，也是优质的抗癌保健食品，是欠发达地区的主要经济收入之一，生产意义重大[2-4]。

我国是世界甘薯生产大国，目前我国甘薯的种植面积和总产量均居世界首位。根据FAO统计资料，2013年我国甘薯收获面积356万hm2，甘薯总产量7 763万t，分别约占世界总产量43%和75%[1]。我国虽然是甘薯生产大国，但其机械化生产技术却十分落后，作业机具的专用化、高效化、系列化程度还较低，区域发展不平衡，严重制约了产业的发展。

甘薯是劳动密集型土下作物，其生产环节主要包括：育苗、起垄、剪苗、移栽、灌溉、中耕、施药及收获等环节。收获包括：割蔓、挖掘、捡拾、清选及收集等。在国内，割蔓环节主要采用人工割蔓，劳动强度大、成本高、效率低，严重影响了农民种植积极性，因此研发适用的甘薯秧蔓处理机具有非常重要的意义。履带式底盘机械设备具有接地面积大、接地比压小、附着性能好、爬坡能力强、转弯半径小及跨沟越埂能力强等优点，多数用于复杂地形机械设备。履带式行走装置广泛用于工程机械和农业机械等野外作业设备[5]。

由于田间土壤比较松软，为减少机械设备的接地比压，减少机械设备对土壤压实产生的不良影响和提高机械设备的通过性，采用橡胶履带式底盘作为行走机构。

对丘陵地区地块较小的土地，大型的机械无法工作，故研究小型的甘薯机械也是当前农业机械发展的趋势。小型机械机动灵活，便于安装拆卸，价格相对便宜，可减少生产成本。经过相关理论研究，本文设计研制出一种履带式小型甘薯秧蔓处理机。

1 总体结构与工作原理

1.1 作业要求

履带式小型甘薯秧蔓处理机作业对象为地块较小的土地，在收货甘薯之前，进行收割秧蔓，收割作业模式为单垄作业。在山东农业大学实验基地进行田间实地测量的甘薯垄形为：两垄沟间中心距为1 000mm，垄顶宽度250mm，垄底宽度500mm,垄高200mm。甘薯垄的模式，如图1所示。

图1 甘薯垄示意图Fig.1 Schematic diagram of sweet potato ridge pattern

1.2 总体结构

履带式小型甘薯秧蔓处理机主要由动力及传动系统、工作台支架、履带式底盘、切割机构、立式滚筒拨禾机构、输送机构及集秧装置等主要部分组成，如图2所示。

1.挑秧杆 2.藤蔓粉碎刀 3.变速箱 4.绞龙 5.工作台支架 6.简易驾驶室 7.操纵台 8.发动机罩 9.柴油机 10.输送带带轮 11.集秧箱 12.履带行走机构 13.输送带箱体 14.带轮 15.立式滚筒拨禾机构 16.根部圆盘切刀 图2 整体结构图和局部剖视图Fig.2 The overall structure drawing and partial section view

纵向藤蔓粉碎刀安装在整机的前方，主要由刀轴和粉碎刀片组成，采用甩刀式，刀片采用直刀片。其作用主要为切断挑秧杆挑起的秧蔓，使秧蔓变短并且与相邻两垄生长的秧蔓分离，实现模块化切割，可使立式滚筒拨禾机构(喂入机构)和输送机构能够更加高效、快捷地将甘薯秧蔓收集到集秧箱。

一对立式滚筒拨禾机构(喂入机构)竖直安装在工作台支架上，该机构由立式滚筒、盘形凸轮机构及行星齿轮机构组成，其转速相同、方向向内且相反。运用行星齿轮机构，体积小、质量轻、承载能力强、传动平稳，能够符合在尺寸空间较小的情况下实现结构紧凑和平稳传动。盘形沟槽凸轮安装在行星齿轮机构的下方，分3层安装，凸轮机构的从动杆件作为拨禾齿，可解决秧蔓缠绕拨禾齿的问题。

输送机构主要由橡胶传送带、传送带轴、液压油缸及传送带箱体组成。橡胶传送带表面有间距均匀分布的挡板，防止传送的秧蔓滑落。被粉碎过的秧蔓经绞龙输送到传动带上，秧蔓在传送带的末端滑落至集秧箱。

橡胶履带式行走机构采用由“四轮一带(驱动轮、负重轮、支撑轮、导向轮和橡胶履带)”组成，根据作业要求合理地设计出其基本参数，适合甘薯种植田的运行。

1.3 工作原理

作业时，在液压油缸的作用下将前部的收割工作台放下，位于工作台支架下部的根部圆盘切刀将甘薯秧蔓根部切断，纵向藤蔓粉碎刀将秧蔓粉碎成合适的长度，并将收割垄范围内的秧蔓与左右相邻垄内的秧蔓切割分离，从而实现模块化切割。在机器前进速度作用下，被粉碎的秧蔓喂入立式滚筒拨禾机构，通过拨禾机构将秧蔓传给绞龙，并由输送机构运输到集秧箱。主要技术参数指标如下：

外形尺寸(长×宽×高)/mm: 3 575×1 570×1 660

作业幅度/mm:1 000

作业行数:单垄单行

工作速度/km·h-1：3

配套动力/kW:2.205(17.5马力水冷式柴油机)

生产率/hm2·h-1：0.3～0.4

除净率/%：﹥90

留茬高度/mm：﹤75

伤薯率/%：﹤0.8

2 关键部件的设计

2.1 藤蔓粉碎刀

藤蔓粉碎刀采用甩刀式，甩刀片是该装置的核心部件，且容易磨损。刀片的形状和尺寸不仅对刀轴的设计和甩刀片的排列有较大的影响，而且对粉碎秧蔓的效果有较大的影响[6-7]。

刀片按照形状分裂主要有直刀、T型刀、Y型刀、锤爪、L型刀及其改进型刀。根据本机设计要求，采用直刀片，双面开刃。为使刀片具有较高的耐磨性和抗冲击韧性，甩刀材料选用6mm厚65Mn钢片，其结构图如图3所示。

图3 刀片结构图Fig.3 Blade structure diagram

甩刀片的数量要合理，数量过多增大启动扭矩和功率的消耗，数量过少茎秧不能完全切割，起不到粉碎的效果，理论上甩刀的数量为

N=C·L

(1)

式中N—甩刀总片数(片)；

C—甩刀的密度(片/mm)；

L—甩刀在刀轴上的分布长度(mm)。

对于甩刀的密度C，直刀一般取0.04～0.07；本机的甩刀的作业幅宽为900mm，甩刀片的数量取36片。为减小甩刀的振动，增加机具的平衡性能，甩刀的排列方式选取对称排列分布，刀片在刀轴轴向上等间距分布，在刀轴圆周方向上等角分布(3排刀具，每排刀具之间的夹角为120°)。藤蔓粉碎刀具的总体结构图，如图4所示。

1.刀轴 2.螺栓 3.螺母 4.刀片 图4 藤蔓粉碎刀结构图Fig.4 The structure diagram of seedling crushing knife

甩刀的绝对运动是由机器前进运动和刀具的旋转两种运动的合成，对刀片尖端任意一点运动分析，如图5所示。以刀轴的旋转中心O为原点，经过时间t时刀片尖端任意一点的运动方程为

(2)

对式(2)中时间t进行求导得到的速度方程为

(3)

式中x—刀片尖端水平方向位移(m)；

y—刀片尖端竖直方向位移(m)；

v1—机具前进的速度(m·s-1)；

R—刀片尖端的回转半径(m)；

ω—刀片的角速度(rad/s)。

根据运动方程和速度方程对藤蔓粉碎刀运用Adams进行运动学仿真得到刀片尖端的轨迹线，其轨迹线，如图6所示。

图5 刀片尖端运动分析图Fig.5 Motion analysis diagram of the tip of the blade

图6 刀片尖端轨迹线Fig.6 The trajectory of the tip of blade

在仿真中设置机具前进速度为0.833m/s，粉碎刀的转速为1 200r/min，刀片尖端的轨迹线为余摆线，刀具的进距(相邻旋转周期的中心距)为85mm，小于甘薯株距(200mm)，保证了该刀具不会出现漏切的情况。

2.2 立式滚筒拨禾机构

为了避免喂入甘薯秧蔓时堵塞拨禾齿，查阅相关文献资料，并参考青贮饲料收获机的拨禾形式，设计了立式滚筒拨禾机构，解决了秧蔓缠绕拨禾齿的问题。其工作原理，如图7所示。

该机构由立式滚筒、行星齿轮机构(传动作用即带动立式滚筒转动)及平面盘形沟槽凸轮机构(在滚筒内分3层布置)组成。其中，3层凸轮机构中的凸轮固定于立式滚筒之中，立式滚筒的转动带动凸轮从动杆件(拨禾齿)沿凸轮沟槽运动同时从动杆件在立式 滚筒里做伸缩运动。

立式滚筒拨禾机构结构图，如图8所示。

图7 工作原理图Fig.7 The working principle diagram

1.齿圈 2.凸轮 3.拨禾齿 4.太阳轮 5.行星轮 6.立式滚筒 7.传动轴 8.行星齿轮支架 9.滚筒底座 图8 立式滚筒拨禾机构结构图Fig.8 Structure diagram of vertical roller pulling mechanism

凸轮机构是该机构的核心部件，根据本机的工作要求，选取从动件的运动规律为5次多项式，适用于高速、轻载。该凸轮机构的设计参数，如表1所示。

表1 凸轮机构基本参数Table 1 Basic parameters of cam mechanism

运用Adams对该机构进行仿真(设置的转速为1 200r/min，机器的前进速度为0.833m/s)，得到从动杆件(拨禾齿)的质心的位移、速度、加速度曲线，如图9所示。根据曲线图，可以得到该机构在启动瞬间振动较强，运行期间有轻微振动，整体结构满足需求。

2.3 挑秧杆

挑秧杆将贴在地面上的甘薯藤蔓挑离地面，是实现藤蔓处理效果的基础。本设计由上板(等腰梯形)、底板、弹簧、固定杆及销轴组成，底板安装位置与地面平行，上板和下板呈22°(可调)，整体结构如图10所示。

图9 立式滚筒拨禾机构仿真曲线图Fig.9 Simulation curve of vertical roller pulling mechanism

1.上板 2.固定杆 3.底板 4.弹簧 图10 整体结构图Fig.10 The overall structure diagram

3 田间试验

3.1 试验基本条件

田间性能试验在山东农业大学南校区甘薯试验田进行。试验土壤为壤土，土壤含水率为15%，粘度适中；试验地平整，垄型规范，覆土严实，能够满足试验要求。试验甘薯品种为宁紫2号，在其收获期第14天进行，茎秆含水率为81.5%，平均藤蔓茎秆直径为6.2mm。

3.2 试验结果

在整机行进速度为3km/h的情况下，进行单垄单行处理作业试验，主要对留茬高度、除净率、生产率、伤薯率4个技术指标进行测试。测试结果如表2所示。

表2 整机性能测试结果Table 2 Test results of the whole machine

3.3 结果分析

从履带式小型甘薯秧蔓处理机试验性能结果可以看出：平均留茬高度为72.4mm，根据以往经验留茬高度应不低于70mm为宜，所以该机满足农艺要求；除净率为92.3%，满足技术指标；生产率满足对甘薯收货效率的要求；伤薯率为6.9%，能够保证甘薯的收货质量，保护了农民的利益。

4 结论

1)理论分析与试验表明：研制的履带式小型甘薯秧蔓处理机能顺利完成甘薯秧蔓的处理作业，各项作业指标满足设计要求，满足秧蔓处理的农艺要求，为甘薯秧蔓处理作业提供了一种新机型。

2)设计了挑秧装置、粉碎装置、秧蔓喂入装置；对粉碎刀片尖端的轨迹进行了分析，能够保证粉碎刀片不漏切藤蔓，保证良好的效果；首次采用立式滚筒拨禾机构，实现了对秧蔓的无堵塞喂入，解决了秧蔓缠绕的拨禾齿的问题。

3)试验过程中发现：立式滚筒拨禾机构有轻微的振动，尤其是在启动时振动强烈。这一问题需要进一步对该机构进行优化设计，以保证机器的寿命。

[1] 马标，胡良龙，许良元，等.国内甘薯种植及生产机械[J].中国农机化学报，2013,34(1)：42-46.

[2] 马大夫，邱军.国家甘薯区试考察与产业发展建议[J].杂粮作物，2004,24(5)：306-308.

[3] 刘庆昌.甘薯在我国粮食和能源安全中的重要作用[J].科技导报，2004(9)：21-22.

[4] 马大夫.世界甘薯生产现状和发展预测[J].世界农业，2001(1)：17-19.

[5] 徐锡晨.履带式小型甘蔗收割机底盘和钢架设计与分析[D].南宁：广西大学，2006：17-21.

[6] 何玉静，杨钊星，孙卫平.甘薯秧茎切碎还田机的设计与实验[J].河南农业大学学报，2009，43(6)：639-641.

[7] 涂建平，徐雪红，夏中义，等.棉杆粉碎还田机刀具优化排列的研究[J].农机化研究，2003(2)：102-104.