小型折耳根收获机的模块化设计

殷彦强，尹 健

(贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025)

目前我国收获机具研发和推广是以大中型产品居多，而适合山地丘陵地貌的小型收获机则相对较少。我国西南的山地丘陵地区是折耳根、马铃薯的主产区，其耕地大多为梯田，地块小、细碎分散，大型收获机械无法到田间工作[1]。收获环节依然靠传统的人工方式完成，劳动强度大且效率低下，因此开发小型农业收获机具有广阔的市场潜力。

为推动我国农机装备发展，工信部、农业部和国家发改委联合制定的《农机装备发展行动方案(2016-2025)》中提到重点方向之一就是山地丘陵农机，研发适合丘陵地区主要粮食作物、经济作物生产的农机装备。为了降低收获机具的设计成本，缩短开发周期，快速响应市场变化，便于产品维护和升级，妥善解决多品种小批量与价格之间的矛盾，满足用户对产品多样化需求，模块化设计是一种有效的途径。

将模块化思想和技术进入农业机械制造业中，对于推动我国农业机械现代化发展具有重要意义。近年来不少学者对这方面进行了研究。上海理工大学的刁培松等[2]根据结构模块化设计特点，对小麦联合收获机的方案设计过程进行了研究;北京工业大学的高国华等[3]根据功能单位分解的模块划分原则，对农业移栽机进行了模块化设计。以上研究取得了较大进展和成果，对农业机械模块划分提出了许多有益建议。在对前人研究成果总结基础之上，本研究通过基于对收获系统功能分解、模块划分、关键模块特别对丁齿滚压模块、六齿橡胶拨轮模块作了详细介绍，并简述了两种挖掘、筛分模块，这些模块的组合可形成以折耳根收获机为基本机型，可配置不同功能的红薯、马铃薯、等作物收获机。一机多种配置实现了折耳根收获机的多功能性。

1 模块化设计理论

模块化设计是将模块化思想引入产品的设计，是着重解决产品品种、规格与设计周期、成本之间的制约关系的设计方法。模块化设计的产品系列形式具有多样性，可根据用户需求拟定合适的产品系列，通过对模块化总体设计流程的了解，为对小型折耳根收获机的模块化设计打下基础。

1.1 模块化设计概念

模块是可组合成系统、具有某种特定功能和接口结构的、典型的通用独立单元。模块是系统的组成单元，模块化就是通过模块形成产品。模块化是一个将复杂系统进行分解和整合的动态过程。模块化设计是对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的现代设计方法[4]。它包括两方面内容:一方面，根据市场调查与分析，以功能分解为基础，合理创建出一系列结构模块，为后面的产品配置做基础；另一方面，根据用户的具体要求对模块进行选择和组合，并进行必要的分析计算。

1.2 模块化总体设计流程

模块化总体设计的任务是根据市场调查和用户需求分析，拟定产品系列型谱，并确定主参数和参数范围，然后建立产品的功能模型，根据功能模型采用适当的方法合理划分出公共模块和专用模块，之后建立结构模块，最后将各种具有不同功能的模块组合成具有特定功能的产品。模块化设计的目标就是以尽可能少的模块组合尽可能多的产品，即以最小的成本满足市场不同需求[5]。模块化设计的一般流程如图1所示。

图1 模块化总体设计流程图Fig.1 The overall design flow diagram based on modular design

2 基于模块化设计的收获机设计

本次的设计是面向山地丘陵地区，所设计的机型应尽量小型化、轻量化，动力配置也较小，因此变型产品只进行横系列变型，这种变形的主参数，特别是动力参数相同，只是通过变更、增减某些特定模块达到不同作业需求。基于功能分解法将收获机总功能分为公共模块和专用模块，公共模块要能够方便地安装不同的专用模块[6-7]。

2.1 收获机的结构总体布置

针对山地丘陵地区的根茎类收获机模块化设计,为了缩短设计和试制周期、维修方便、降低成本，不同的收获机要均能共享公共模块;相对独立的专用模块是针对收获不同根茎类作物设计的。在收获机的总体布局上，模块进行组合时要便于装配，模块进行更换时要便于拆卸，而且使机具在结构上和性能上要有更高的柔性[8]。

折耳根收获机的总体布置设计如图2所示，主要包括振动平面铲组件、输送链、振动筛组件、拨轮组件、丁齿滚压轮、机架、动力部分、操纵机构、行走机构、传动机构等部分，每个组件就是一个小模块。作业时，振动铲进入土壤将折耳根及土垡掘起，混合物沿着铲面向后滑移，当其移动到铲面末端处的栅条上时，受振动破碎下层土壤开始下漏，为了避免壅土现象，由链条带动的拨轮也将之推送到输送链上，输送链上方的丁齿滚压轮焊接的圆环可进一步破碎土垡，而丁齿又可以咬合较大土垡，配合圆环工作，使土垡不断受滚压作用而破碎，此时小块土壤从链间下落，输送链最终将折耳根、剩余土垡送至振动筛，由振动筛进一步筛分，经筛分好的折耳根进入料斗中，当料斗中超过一定量的折耳根时，料斗就会自动翻转，最终将折耳根铺放在地。

1.操纵部分 2.带传动 3.动力部分 4.链传动5.丁齿滚压轮 6.升降装置 7.链传动 8.限深装置 9.拨轮组件 10.振动铲组件 11.输送链 12.连杆 13.转向装置 14.机架 15.振动筛组件16.驱动轮

图2折耳根收获机结构总体布置
Fig.2Theoverallstructureofherbahouttuyniaeharvester

马铃薯等作物收获机总体布置与上述相同，它们共用了操纵、动力、传动及行走部分，不同之处在于工作部分：折耳根属于长茎类且成网状，在输送时为了尽可能地漏土，振动铲栅条之间的间隙、输送链杆之间的间隙及振动筛的间隙都应尽可能大,其间隙为80 mm；为不使马铃薯下漏，要根据其外形尺寸确定栅条间隙。马铃薯输送模块采用了与地面呈30°的栅条组件，其间隙为30 mm，输送时，为了有效破碎土垡，提高薯土分离率，也为了防止壅土现象，采用了六齿橡胶拨轮装置配合栅条组件完成输送工作，另外，其挖掘模块采用阶梯状挖掘铲，筛分模块采用网格状振动筛，三维模型后述会有体现。

2.2 功能模块的划分

折耳根收获机的模块划分是面向设计的模块划分方法对其总功能进行分解，可分解为操作功能、移动功能、辅助功能、收获功能，这是将收获机总功能初步分解四个部分，它们属于一级分功能，之后对每个部分进一步分解，得到二级分功能模块，此时部分功能模块可找到功能载体则停止分解，其余的可继续分解直到找到功能载体。收获机的主要模块为收获功能模块。收获模块可分为三个子模块:挖掘模块、运输模块、分离模块。其中，挖掘模块又可分为切割、掘土、拨土三个模块;运输模块可分为输送、碎土模块，此时这些模块就可找到可供选择的功能载体。图3描述了折耳根收获机的功能分解的详细过程。

在实际模块划分中，模块划分层次不同将会影响到结构模块设计和装配的难易程度。模块层次划分的越低，模块功能越单一，设计结构模块就会越简单，但模块数量会增多，模块库复杂多变;模块层次划分得越高，模块数量会越少，但模块的功能越多，模块的设计制造也会越复杂。故在确定模块划分层次时，需要综合考虑设计制造、装配、成本等问题[9]。

2.3 关键模块的设计

滚压轮模块是将输送过来的掘起物进一步撕裂，滚碎较大土块，从中拨出折耳根，提高分离率;拨送轮模块是对薯土混合物进行撕裂，破碎土块，拨出薯块，由于拨轮与输送方向同向旋转，对掘起物也有一定的推送作用，这对防止壅土起到了很好的作用，特别是对贵州地区土壤普遍黏重的情况，滚压轮模块尤为重要。以下主要介绍折耳根滚压轮模块及马铃的拨轮模块。

图3 折耳根收获机功能分解过程Fig.3 Functional decomposition process of herba houttuyniae harvester

折耳根滚压轮模块设计如图4所示，主要由圆盘组件、拨指板组件、圆环、挡草横板、弧形刮刀及固定臂等组成。固定臂与机架螺栓连接，通过长孔可调节滚压轮与输送链的相对位置，丁齿等间距铺满拨指板，圆环焊接在丁齿上，链轮通过链条带动滚压轮旋转，圆环对输送过来的掘起物起到滚压作用，破碎较大土块，丁齿能够对土块进行撕裂作用，也能够咬合土块，配合圆环工作。另外，弧形刮刀会挡住杂草，防止工作时发生缠草现象。马铃薯拨轮模块的结构与折耳根滚压轮相似，不同之处在于它的主轴采用六方轴与拨轮相配合，为了适应负载变化和防止损伤马铃薯，拨轮部分采用六齿的橡胶轮，其结构设计如图5所示。

1.固定臂 2.菱形外圆球面轴承 3.挡草横板 4.弧形刮刀 5.圆盘组件 6.直板 7.短轴 8.轮毂 9.圆环 10.丁齿 11.拨指板 12.链轮

图4折耳根滚压轮模块
Fig.4Rollingwheelmoduleofherbahouttuyniaeharvester

1.方形轴承 2.内六方花键套 3.台阶环 4.套筒 5.橡胶拨轮 6.六方轴 7.链轮 8.轴承座组件

图5马铃薯拨轮模块
Fig.5Dialingwheelmoduleofpotatoharvester

马铃薯拨轮运动轨迹示意图如图6所示，其方程为：

(1)

式中:R为拨轮半径；ω为拨轮角速度；v1为机器前进速度；t为拨轮A1(x0,y0)处由X轴正向逆时针旋转一个角度所用时间。

其运动轨迹形状取决于拨轮特性系数：

(2)

式中:vn为拨轮齿端线速度；vm为输送链速度。

只有轮齿端的运动轨迹为余摆线时，即λ>1，才能对薯土起到向后推送作用，此时拨轮工作的必要条件为：

|vn|>|vm|。

(3)

为了减少对薯块的碰撞损伤且保证拨轮对薯土有向后推动的运动，拨轮齿在开始拨送薯块时其水平分速度应为零，即

vx=v1t+Rcosωt=0。

(4)

另外，挖掘铲模块是将混合物掘起，并把它们运送到输送链上，振动筛模块是将输送过来的混合物进一步筛分，图7是收获机的挖掘、筛分模块的三维模型图。

图6 马铃薯拨轮运动轨迹示意图Fig.6 The movement track of dialing wheel

图7 几种关键模块展示Fig.7 Several key modules

2.4 模块组合与评价

根据模块划分的结果设计出一系列的结构模块，通过不同模块的适当组合，可形成功能不同的收获机，可对红薯、折耳根、马铃薯等根茎类作物的收获，实现了收获机的多功能性，表1是为这几种功能不同的收获机模块组合。基于上述的滚压模块和拨送模块以及另外几种关键模块的展示，可以组合成折耳根收获机如图8所示，马铃薯收获机如图9所示。通过对整机运动仿真、关键部件的强度分析、结构疲劳寿命分析、可靠性分析，以及对样机进行田间试验等，最后对模块组合做出综合评价。

表1 几种不同功能收获机的模块组合

图8 折耳根收获机Fig.8 The herba houttuyniae harvester

图9 马铃薯收获机Fig.9 The potato harvester

3 结束语

本文对模块化设计理论进行了初步研究，基于模块化设计理念，设计了一种小型多功能折耳根收获机，确定了其结构整体布置。在对收获机功能分析的基础上，划分出一系列公共模块和专用模块，重点介绍了折耳根滚压轮模块及马铃薯拨轮模块，另外也分别展示了两种挖掘铲模块、筛分模块，这些专用模块和公共模块组合可对折耳根、马铃薯进行收获，实现了收获机的多功能性;此收获机转向灵活、操作简单、便于拆装、维护和升级，是一种适于山地丘陵地区散户使用的小型多功能收获设备。