自走式麻山药收获机的研究

宋帅帅，杨 欣，冯晓静，殷梦杰，何建华

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071000)

自走式麻山药收获机的研究

宋帅帅，杨 欣，冯晓静，殷梦杰，何建华

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071000)

针对麻山药人工收获效率低、伤根及收获标准不统一等问题，设计了专用的麻山药收获机。该机采用链式开沟自走方式进行作业，可同时平整土地、收获山药、自动填沟，是一种多功能麻山药收获机。田间试验和收获作业表明：收获机作业过程中性能稳定、效率高，收获麻山药根系完整、破损率低、开沟质量及翻振效果良好，作业质量符合农艺要求。该机具的设计为产业化麻山药收获提供了技术支持。

麻山药；收获机；机械化；链式开沟

0 引言

麻山药是药食两用无公害作物，其蛋白质含量高而含糖量低，种植投资少且产量高，近几年市场需求量逐渐增大，在河北、山东、河南等省份均有较大面积种植，发展前景广阔[1]。麻山药的块茎呈长圆柱形，垂直向地下生长，深度可达1m以上。麻山药挖掘收获绝大多数依靠人工刨沟采收，占用大量的劳动力，增加了劳动成本，影响了生产效率，不能满足市场的大批量需求[2]。由于麻山药特殊的生长环境和自身生长特点，其机械化收获发展一直处于缓慢时期。近几年，绝大多数农户开始借用单纯的开沟机进行辅助开沟作业，但块茎受损度较高，农户也处在观望状态，等待更好的收获方式出现，因此麻山药收获亟待实现机械化。针对此问题，对麻山药的收获环节进行了技术调研，根据麻山药种植户收获要求，结合农艺要求，设计开发了麻山药收获机。

1 总体结构

在整机结构布局上，首先要考虑机具作业条件和机具性能的稳定性，结合作业特点及实际作业中装卸和安装是否方便等因素对整机做出合理布局，要求适用性、通过性良好、结构紧凑[3]。麻山药收获机主要工作部件包括推土机构、驾驶室、发动机及传动系统、机架、覆土回填机构、开沟器和土壤翻振机构，如图1所示。

1.1 工作过程与特点

麻山药收获机采用自走链轨式行走，与103kW发动机配套，动力充足，性能稳定。收获机作业前，确认连接与安装部件连接安全。收获机进田前，先调节翻振机构于升起状态，便于开沟器入土，并通过驾驶室控制调整机具平行于作业路线并保证开沟机构位于麻山药两侧。为便于作业，机具前端的整土机构开出平坦的作业路线，开沟装置在山药两侧挖出深沟，土壤翻振机构跟随机具在麻山药下方进行振动翻土，将麻山药完整托出土面。该机作业是进行麻山药根部土壤松动，作业开始时开沟链转动入土，翻振机构随其后入土开始作业，从山药的底部和两侧实现多方位的松动。作业过程中，收获机自动回填机构将开沟链附带的土经运输带回填到上一行程产生的沟，实现覆土回填功能；随着机具前进，只需人工将松动的麻山药拾取放到一边，不妨碍机具往返作业路线即可。该机适用性良好，操作简单，主要有以下3个特点:

1) 可同时收获两行，中间链条配合振动铲对麻山药底部进行充分松动；

2) 机具液压转向代替传统转向，采用液压控制，方便可靠;

3)可同时平整土地、收获山药、自动填沟，极大地降低了人工劳动强度。

1.2 主要参数

麻山药收获机主要技术参数如表1所示。

2 主要工作部件及工作性能

2.1 链式开沟器

链式开沟器纵向开沟时，链刀的刀齿主要受到两种力，分别是动力的驱动力及开挖土壤所受到的阻力。开沟作业中，两种力同时施加在链条上，链刀上的刀齿部分必然会发生小幅度晃动。经研究，为了确保开沟质量，应尽量减小链刀在开沟过程中的振动，对链刀的线速度在设计时需进行一定的限定[4]。根据国外研究人员进行的实验测试，链式开沟方式的开沟链对于沙性土来说，链速不宜过高，一般为 1.0～2.0m/s[5]。经综合分析，设计开沟装置基本参数如表2所示。

1.推土机构 2.驾驶室 3.发动机及传动系统 4.机架 5.覆土回填机构 6.开沟器 7.土壤翻振机构图1 自走式麻山药收获机结构示意图Fig.1 The structure of hemp yam harvester表1 主要参数 Tabl 1 The main parameters

参数单位数值机长mm5200机宽mm1940机高mm2500发动机功率kW103入土最大深度mm1200作业速度m/h130作业幅宽mm800

表2 开沟装置基本参数

为了保证开沟质量，要求开沟装置与机组行走速度和动力输出系统相匹配。作为收获机主要工作部件，其材料的选用也很重要。基于材料密度、极限强度、泊松比和耐磨性等，结合材料造价和可维护性，选用65Mn钢。优质65Mn刚性好，耐磨损，最常用于农机部件中的触土工作部件[ 6-7]。开沟装置应在保证开沟掘土性能的前提下较少增加整机质量，阻力最小，节省材料，降低生产成本。

2.2 土壤翻振机构

土壤翻振机构是麻山药收获机关键部件，关键在于振动铲作业于麻山药两侧进行振动松土。振动铲采用两侧式，保证不伤及麻山药的根系，降低破损率。该机构由振动铲、偏心机构和传动机构等组成，如图2所示。同时，设计了拨土装置，其作用是将已松动麻山药聚集到中间位置，便于人工拾取。

2.3 覆土自动回填机构

覆土自动回填机构将所挖深沟进行土壤自动回填，极大地方便后期的人工作业和土地平整。该机构利用开沟刀切削土壤产生的阻力将土壤刨到输送带上，随输送带运动到机构一侧。在土壤输送一侧，设置可调节挡土板，通过调节卡板控制挡土板。通过挡土板的作用，可变化输送带上的土被抛出去的距离。农户可根据自身需求设定卡板的位置,完成土壤自动回填。覆土自动回填机构如图3所示。

1.偏心机构 2.拨土装置 3.振动铲 4.摆臂图2 土壤翻振机构Fig.2 Soil vibration turning mechanism

图3 覆土自动回填机构Fig.3 The backfill mechanism of Soil covering automatic

3 试验与结果

在河北蠡县试验田进行样机试验，检验麻山药收获机的性能和作业质量，图4为田间试验情况。试验田面积0.08hm2，土质为黄沙土。麻山药类型为小白嘴山药，设定开沟深度为1 200mm，宽度800mm。

图4 田间试验Fig.4 The field test

3.1 测试方法

对每一行程开沟深度、开沟宽度及块茎完整度进行记录，抽取其中的4组数据进行分析。根据收获机在作业过程中的性能检测记录，来检验收获机的性能指标和破损率是否符合农艺要求。

3.2 测试结果

随机抽取4个行程作业情况记录，每个行程中包括随机抽取的 4 组数据。机具作业性能数据统计如表3所示，破损率测试数据如表4所示。

表3 机具性能统计

利用下列公式进行计算，具体如下:

单个行程的平均开沟深度为

4 个行程的平均开沟深度为

每个行程的开沟深度变异系数为

4 个行程的开沟深度变异系数为

每个行程开沟深度稳定性系数为

u=1-υ

4 个行程开沟深度稳定性系数为

um=1-υm

每个行程的开沟深度标准差为

4 个行程的开沟深度标准差为

式中αi—各测点的测定开沟深度;

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n—每行程的测定点数；

nm—4个行程的测定点数;

υ、υm—开沟深度变异系数;

s、sm—开沟深度标准差;

u、um—开沟深度稳定性系数。

表4 破损率测试表

续表4

将记录数据通过下列公式进行计算，具体如下:

每个行程的平均破损率为

4 个行程的平均开沟深度为

式中bi—各测点的破损率;

n—每行程的测定点数;

nm—4个行程的测定点数;

计算结果为：收获机破损率b=2.7%。

试验数据和作业情况表明：该机开沟深度比较稳定，变异系数较小，收获麻山药完整度较高，作业速度快，满足设计要求。

4 结论

通过实地调研和查阅相关文献，针对收获麻山药这一技术难题，设计了自走式麻山药收获机。该机可同时平整土地、收获山药、自动填沟，是一种多功能麻山药收获机。田间试验表明：收获机破损率在5%以下，满足农艺要求。

[1] 梁学强，张景崎，翟雯雯，等.山药收获机械化技术研究[J].农业技术与装备,2012(13):42,45.

[2] 闫帅华，刘文君，刘忆，等.山药收获机械化研究的现状分析[J].中国高新技术企业，2016(18)：190-192.

[3] 路志坤，刘俊峰，李建平，等.苹果树起苗机的研究[J].农机化研究,2012,34(2):55-61.

[4] 杨国欣，邓云泽，陈婷.土壤耕作部件力学综述[J].农业与技术，1996(4)：40-41.

[5] 曾德超.机械土壤动力学[M].北京：北京科学技术出版社，1995.

[6] 胡佳佳,刘俊峰,李建平,等.果园施肥开沟机开沟刀的优化设计[J].农机化研究,2010，32(12):41-44.

[7] 中国农业机械化科学研究院．农业机械设计手册(上册)[K]．北京:中国农业科学技术出版社，2007．

Study of the Yam Harvester

Song Shuaishuai,Yang Xin, Feng Xiaojing, Yin Mengjie, He Jianhua

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China)

In view of the problems of low efficiency of artificial harvesting, the injury of root and the standard of harvest, the special purpose of the flax yam harvester was designed. This machine adopts the chain trencher self-propelled operation means. Field test and harvesting operation showed that harvest machine has stable performance, high efficiency, harvest Yam Root integrity, quality and good effect on vibration of ditching, work quality meets the agronomic requirements. The design of this machine is to provide technical support for the industrial production of yam.

hemp yam; harvest machine; mechanical; chain ditcher

2016-11-28

国家苹果产业技术体系果园机械岗项目(CARS-28)

宋帅帅(1990-),男，河北邯郸人，硕士研究生，(E-mail) 540214667@qq.com。

杨 欣(1976-)，男，河北定州人，副教授，硕士生导师，(E-mail)yangxin@hebau.edu.cn。

S225.7+2

A

1003-188X(2018)02-0080-05