马铃薯收获机的设计与研制

戚江涛，蒙贺伟，李成松，坎 杂，李亚萍，陈绍杰，闫海峰

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.石河子开发区锐益达机械装备有限公司，新疆 石河子 832000)

马铃薯收获机的设计与研制

戚江涛1，蒙贺伟1，李成松1，坎 杂1，李亚萍1，陈绍杰2，闫海峰1

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.石河子开发区锐益达机械装备有限公司，新疆 石河子 832000)

近年来，尤其是马铃薯主粮化战略提出以后，马铃薯已成为一种广泛种植的粮食作物和经济作物。为此，针对人工收获马铃薯存在的劳动强度大、效率低下、收获成本高等问题，综合考虑新疆马铃薯种植特点及现有马铃薯收获技术，设计研制了一种马铃薯收获机。该机主要由挖掘装置、输送分离装置、集条装置及传动机构等组成，能够一次完成马铃薯的挖掘、输送分离、集条等作业，具有结构简单、性能稳定、工作可靠等特点。田间性能试验结果表明：该机作业速度2.8～4.5km/h，生产率0.25～0.6hm2/h，明薯率≥95%，挖净率≥98%，破损率<3%。

马铃薯；收获；挖掘装置；输送分离

0 引言

马铃薯具有营养全面、产量高、生长期短、适应性强及产量高等特点，在我国是仅次于水稻、玉米、小麦与大豆的第五大粮食作物[1-3]。马铃薯已经成为我国的主要粮食作物，是解决粮食安全问题的重要保障。随着我国马铃薯产业的不断延伸发展，2014年全国马铃薯种植面积已超过566.7万hm2，总产量超过1亿t。在马铃薯产业发展中，收获环节是占用劳动量较大的环节，目前主要采用人工收获，存在着劳动强度大、效率低及收获成本高等突出问题，已严重制约和影响马铃薯产业的快速发展。因此，机械化收获已成为马铃薯产业快速发展的必然趋势。

目前，国外开展的马铃薯收获技术研究的主要有意大利思培多公司生产的Cpp-BD-150/S型系列悬挂式马铃薯收获机、日本东洋公司生产的装有二级分装装置和带液压输送器的薯箱的自走式马铃薯收获机[4]、德国的格力莫(Grimme)公司所生产的RL1700型马铃薯收获机和SE140型马铃薯收获机[5]，以及挪威Kverneland Narbo AS 公司生产的集机械、液压、电控为一体的UN2600型系列牵引式两行马铃薯收获机。国内有甘肃省机械科学研究院研制的侧输出式马铃薯联合收获机、现代农装北方(北京)农业机械有限公司研制的1710型马铃薯联合收获机[6]；主要研究学者有李洋、石林榕、李益民、孟利、陈长海、杨世成、潘志国等人[7-13]。为此，在以上研究基础上，针对新疆马铃薯种植模式及生长特性，设计研制了一种马铃薯收获机，以实现挖掘、输送分离及集条等作业。

1 整机结构及工作原理

1.1 结构组成

该机主要由悬挂机架、挖掘铲、输送分离装置、集条装置、传动机构等组成，如图1所示。其主要技术参数如表1所示。

1.悬挂机架 2.机架 3.动力输入轴 4.联轴器 5.皮带传输 6.轮子 7.集条装置 8.偏心抖动轮 9.输送分离装置 10.挖掘铲 11.切土板图1 马铃薯收获机结构示意图Fig.1 The Structure of the Potato harvester表1 技术参数Table 1 Technical parameter

作业宽度/mm作业深度/mm适应行距/mm配套动力/kW收获行数集薯类型2000200300～40029.4～58.82集条

1.2 工作原理

拖拉机通过三点悬挂方式牵引马铃薯收获机前进，拖拉机后输出轴动力通过万向节与变速器的输入轴相连将动力传递给变速器，采用链传动方式将变速器的动力传递给分离和输送机构。工作时，挖掘铲挖出马铃薯薯块和土块的混合物，并将混合物输送到输送分离装置进行分离除杂；栅条式闭合回转筛在抖动轮的作用下能够实现对混合物的筛分效果，土块会在混合物相互之间及与栅条的碰撞过程中发生变形(即土块尺寸变小)，小尺寸的土块会在栅条之间的缝隙落至地面，剩余的混合物会被运送至横向铺条装置进行二次分离；分离后的薯块则被成条状铺放在收获机的一侧，便于人工捡拾或机械回收。其工作流程图如图2所示。

图2 工作流程Fig.2 The workflows

2 关键部件结构设计

2.1 机架

机架上安装的部件主要有挖掘铲、输送分离机构、铺条装置及传动机构等，在保证各部件的安装位置准确的前提下，应减轻整机质量、降低拖拉机功耗、提高整体工作强度。因此，机架的尺寸为3 000mm×2 100mm×1 500mm，焊接材料为80×80×5的矩形方钢。机架主要由牵引架、横梁、左侧板、右侧板等组成，如图3所示。

2.2 挖掘铲设计

合理的挖掘铲结构参数不仅可以减少整机动力消耗，降低收获成本，而且还能提高入土和碎土能力，保证收获马铃薯薯块的质量。本设计采用三角平面铲(见图4)，具有结构简单及入土性好等特点。整机的挖掘装置由4个三角平面铲并排组成(每行有两个三角平面铲)，与地面倾角为25°，材料为65Mn钢，通过铲柄固定在机架上。在挖掘铲的后方设置一列直线布置的L型圆钢，以对挖掘起来的混合物进行导流，且相邻的圆钢之间设有间隙，可以漏掉少量土壤。在挖掘铲的两侧设置厚度为10mm、材料为65Mn钢的切土板(见图5)，可以将垄两侧切割为土垡，切断互相缠绕的草蔓，保证了薯块和土块混合物能够连续输送，不发生侧向流动，避免造成薯块丢失现象。

图3 机架三维造型图Fig.3 The three-dimensional modeling of frame

图5 切土板Fig.5 Soil cutting device

2.3 分离输送装置设计

分离输送装置由栅条式闭合回转筛、偏心抖动轮及链传动机构等组成，主要完成薯块、土块等混合物的输送和有效分离，最终得到未被土壤包裹的薯块，如图6所示。分离输送装置对混合物的输送分离行程为1 700mm，允许最大宽度1 500mm。为了保证栅条式闭合回转筛承载和运输强度，根据马铃薯尺寸平均长度40～60mm、宽40～50mm、厚40～50mm[14-15]的状况，栅杆条材料为直径10mm的圆钢，按38mm的间距固定在两条传送带上，并在栅杆条上包裹橡胶材料减少栅杆条对马铃薯薯块的碰撞损伤。在栅条式闭合回转筛与混合物接触的工作面下方设置有两个偏心抖动轮(大节圆半径210mm，小节圆半径150mm)，其转动的圆周速度与输送筛的工作速度相同，偏心抖动轮在转动的同时带动工作筛面上下周期运动，达到对混合物的筛分作用。为了达到最佳的筛分效果，工作筛面与地面倾角为20°。另外，根据新疆马铃薯种植土壤多为沙壤土的特性，对回转筛的线速度进行确定。当线速度过大时，会出现混合物在筛面上相对滑动的现象，不利于分离。最佳的回转筛的线速度根据式(1)进行计算，当回转筛线速度大于等于机组作业速度时能够获得较好的分离效果。取λ≥1，本设计回转筛线速度取1.3m/s，则

(1)

其中，λ为比值；vp为回转筛线速度(m/s)；vm为机组作业速度(m/s)。

1.栅条 2.抖动轮图6 输送分离装置三维造型图Fig.6 The three-dimensional modeling of conveying and separating device

2.4 集条装置设计

集条装置主要由栅条式闭合回转筛和链传动机构等组成，其输送方向为横向(与分离输送装置的输送方向垂直)，对经过输送分离装置分离后的混合物进行二次分离并将分离干净的薯块集成条状铺在收获机的一侧。工作过程中，该装置的栅条式闭合回转筛的线速度不宜过大，应略小于输送分离装置的闭合回转筛线速度，取1m/s。为了降低集条装置功率损耗、提高输送效率及减少薯块落至地面集条时的损伤，闭合回转筛的输送长度1 500mm，宽度1 400mm，与地面倾角为10°。栅杆条(直径为10mm，固定间距为30mm)上包裹橡胶材料，减少对马铃薯薯块在运输铺条过程中的损伤。

2.5 传动机构设计

传动机构的设计要求其具有结构紧凑、布局合理、功率损失小及无噪声等特点。收获机的分离输送装置和集条装置的动力均是由拖拉机后输出轴输出经过万向传动轴、减速器、皮带、链轮等部件传递的，结构示意图如图7所示。工作过程中，拖拉机后输出轴输出恒定转速540r/min，输送分离装置的输送速度也保持不变，这样会出现如果挖掘装置挖掘的薯块、土的混合物过多，输送分离装置的喂入量过大，导致混合物在闭合回转筛上堆积堵塞、分离效果不佳的现象。目前，解决此问题的方式主要是凭驾驶员的经验判断进行前进速度变换，易导致驾驶员疲劳。后期的技术发展趋势应该是输送分离装置的动力来源于变频电机或者液压马达，在装置上安装重力传感器或图像测试器等进行喂入量的检测，实现装置的输送分离速度根据喂入量的大小而变化，从而提高分离质量。

1.动力输入轴 2.变速器 3.皮带传动 4.集条动力输入 5.链传动 6.输送分离动力输入图7 传动机构示意图Fig.7 The Structure of transmission mechanism

3 生产试验与结果分析

该机研制完成后，于2015年在昌吉进行了实地试验，通过对试验数据分析进行了优化改进，最终定型了样机。在此基础上，对其生产工艺等进行了研究，实现了装备的批量生产。研制生产的装备先后在精河、伊犁、塔城等地推广使用，使用效果良好，获得了马铃薯种植户的一致认可。

3.1 试验条件

2015年，依据马铃薯收获技术指标要求，以对研制的马铃薯收获机性能考核为目的，在昌吉进行了实地试验，试验条件如表2所示。

表2 试验条件

3.2 试验结果

对马铃薯收获机的主要性能指标进行了测定，结果如表3所示。

表3 试验结果

4 结论

1)设计研制完成了集悬挂机架、挖掘铲、输送分离装置、铺条装置及传动机构等为一体的马铃薯收获机，实现了马铃薯收获的机械化。

2)通过对马铃薯收获机的研制与生产试验，结果表明：作业速度2.8～4.5km/h，生产率0.25～0.6hm2/h，明薯率≥95%，挖净率≥98%，破损率<3%。该机在作业过程中性能稳定可靠，作业效率及质量高，符合马铃薯收获技术要求。

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The Design and Development of Potato Harvester

Qi Jiangtao1, Meng Hewei1, Li Chengsong1, Kan Za1, Li Yaping1, Chen Shaojie2, Yan Haifeng1

(1.College of Mechanical and Electronical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832000,China; 2.Shihezi Development Zone Ruiyida Machinery and Equipment Co. LTD.,Shihezi 832000,China)

In recent years, the potato has been a kind of food crops and cash crops widely cultivated especially after the proposed strategy of potato staple food.In this paper，according to the problem with manual harvesting, labor-intensive, low efficiency and high cost of harvesting and so on, considering the characteristics of potato growing in Xinjiang and potato harvesting technology, a potato harvesting machine was designed and developed which consists of digging device, conveying and separating device, collection device and transmission and other components,it can complete the digging, conveying,separation and other operations and also have a simple structure,stable performance and working reliability.The results showed that:0.8-1.3m/s of working speed,0.25-0.6 hm2/h of productivity,not less than 95%of clear potato rate,not less than 98%of net dig rate,less than 3% of breakage rate.

potato; harvest; digging device; conveying and separating

2016-08-26

新疆生产建设兵团工业及高新技术科技攻关与成果转化项目(2016AB003)

戚江涛(1990-),男，内蒙古赤峰人，实验师，(E-mail)qjt510014078@163.com。

蒙贺伟(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，硕士生导师，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

S225.7+1

A

1003-188X(2018)02-0124-04