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200 年 月 第 期
振動式馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)
付東輝 吳明清
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘 要：本文設(shè)計(jì)的振動式馬鈴薯收獲機(jī)是一種常用機(jī)械設(shè)備，能夠高效的進(jìn)行馬鈴薯的挖掘工作。本次設(shè)計(jì)能夠大大的提高收獲效率；可以減少人力物力，同時(shí)也節(jié)省時(shí)間。本課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是振動式馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)。主要通過對原始數(shù)據(jù)的分析、方案的論證比較與選擇，完成了收獲機(jī)的總體設(shè)計(jì)，振動原理的設(shè)計(jì)，分離裝置的設(shè)計(jì)以及傳動方案的選擇等內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上對馬鈴薯收獲機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)尺寸、傳動比等進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和說明。
關(guān)鍵詞：振動式；馬鈴薯；設(shè)計(jì)；收獲機(jī)
中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
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引言
馬鈴薯的營養(yǎng)價(jià)值非常高，市場潛力巨大。在國外，大約占40%的馬鈴薯加工成食品后進(jìn)入消費(fèi)市場。在國內(nèi)，一向被國人視為不能登大雅之堂的馬鈴薯產(chǎn)品也突然間在市場上風(fēng)靡起來。在北京、上海、廣州及西安等全國大中城市，以馬鈴薯?xiàng)l、馬鈴薯泥為基本原料的麥當(dāng)勞、肯德基食品已占據(jù)我國快餐市場的半壁江山，而從各種渠道進(jìn)口的其它油炸薯片或膨化食品等也滾滾而來[
]。中國農(nóng)科院副院長屈東玉博士在日前召開的中國馬鈴薯學(xué)術(shù)年會上指出：“馬鈴薯是一種產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值大的作物，應(yīng)把馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)列入國家糧食商品糧基地，享受與水稻、小麥等商品糧基地同樣的財(cái)稅待遇，這將是保證我國糧食安全的有效手段馬鈴薯收獲機(jī)是當(dāng)代馬鈴薯收獲不可或缺的設(shè)備。在進(jìn)行田間馬鈴薯收獲時(shí)，必須將土層里的馬鈴薯翻出再進(jìn)行揀拾[
]。
市場上的馬鈴薯收獲裝置挖掘效率低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的馬鈴薯收獲設(shè)備不能高效的進(jìn)行挖掘收獲，需要大量人力進(jìn)行收獲，而且工作后的土地成塊狀，馬鈴薯的揀拾還需要破碎土壤進(jìn)行收獲。因此根據(jù)這一情況，研制出了一種小型家用振動式馬鈴薯收獲機(jī)。該振動式馬鈴薯收獲機(jī)因其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，所以制造成本低，而且馬鈴薯挖掘效率高，只需要小型拖拉機(jī)進(jìn)行牽引帶動，就可以很好地進(jìn)行馬鈴薯挖掘收獲[
]。
本文設(shè)計(jì)的振動式馬鈴薯收獲機(jī)是一種常用機(jī)械設(shè)備，能夠高效的進(jìn)行馬鈴薯的挖掘工作。本次設(shè)計(jì)能夠大大的提高收獲效率；可以減少人力物力，同時(shí)也節(jié)省時(shí)間。本課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是振動式馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)。主要通過對數(shù)據(jù)的分析、方案的論證比較與選擇，完成了收獲機(jī)的總體設(shè)計(jì)，振動原理的設(shè)計(jì)，分離裝置的設(shè)計(jì)以及傳動方案的選擇等內(nèi)容[
]。在此基礎(chǔ)上對馬鈴薯收獲機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)尺寸、傳動比等進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和說明。
1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)
1.1 設(shè)計(jì)原理
根據(jù)我國馬鈴薯收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和存在問題以及未來馬鈴薯收獲機(jī)的發(fā)展要求，我選擇的是振動式馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)。家用振動式馬鈴薯收獲機(jī)主要由動力輸入裝置、傳動裝置、挖掘裝置、振動裝置組成。其中，動力裝置是通過人操作小型拖拉機(jī)進(jìn)行牽引收獲機(jī)提供動力，只需把馬鈴薯收獲機(jī)通過三點(diǎn)懸掛連接在拖拉機(jī)上進(jìn)行田間作業(yè)。
先確定我國已有馬鈴薯收獲機(jī)的類型，根據(jù)已有馬鈴薯收獲機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)振動式馬鈴薯收獲機(jī)，使收獲效率能滿足家庭及小型企業(yè)生產(chǎn)的要求，也就是馬鈴薯收獲機(jī)要能工作穩(wěn)定，操作簡便，成本低，保證挖掘率高，馬鈴薯完整率高，果實(shí)和土壤分離效果好等優(yōu)點(diǎn)。
挖掘機(jī)通過家用小型拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛方式進(jìn)行馬鈴薯挖掘作業(yè)，挖掘鏟和分離篩的振動動力由拖拉機(jī)動力輸出軸提供動力輸出，通過萬向傳動軸3經(jīng)偏心輪8一端輸入，偏心輪與另一端通過鉸接臂與振動架的約束將動力傳遞給振動架7，振動架7的上下運(yùn)動通過連接板帶動挖掘鏟9和振動分離篩5產(chǎn)生在機(jī)架內(nèi)的上下往復(fù)運(yùn)動，最終實(shí)現(xiàn)挖掘鏟與分離篩同時(shí)的振動，完成馬鈴薯挖掘和分離，鋪放于地面工作，從而完成馬鈴薯的分段收獲作業(yè)。
1.2 總體設(shè)計(jì)
振動式馬鈴薯收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示。
1.軸承 2.正牽引架 3.萬向傳動軸 4.機(jī)架 5.振動篩 6.地輪 7.振動架 8.偏心輪 9.挖掘鏟
圖1 振動式馬鈴薯收獲機(jī)主視側(cè)視的整體結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.1 Vibration type potato harvester
馬鈴薯挖掘機(jī)主要應(yīng)用于西南山區(qū)，小地塊、坡度大、多石塊等條件地塊，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)符合西南地區(qū)、小地塊區(qū)域、小區(qū)育種等馬鈴薯種植的農(nóng)藝要求， 該機(jī)采用偏牽引結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)小壟馬鈴薯挖掘作業(yè)，避免拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)壓壟或挖掘機(jī)不能正對壟挖掘等問題的出現(xiàn)，提高馬鈴薯收獲的效率和收獲質(zhì)量。該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下列所示。
其主要技術(shù)參數(shù)如下:
外形尺寸/mm：15508661050
播種幅寬/mm：460
播種行距/mm：800（可調(diào)）
開溝深度/mm：100～200（理論）
開溝寬度/mm：60～70（理論）
轉(zhuǎn)速/r·min-1：540
配套動力/kW·h-1：20kW以上的拖拉機(jī)
2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)
2.1 牽引架設(shè)計(jì)
馬鈴薯挖掘機(jī)不能正對壟進(jìn)行挖掘作業(yè)，可以選擇三點(diǎn)懸掛的牽引方式。這種牽引方式的設(shè)計(jì)使該機(jī)器有更好的通用性，可以滿足多地區(qū)小地塊的馬鈴薯挖掘作業(yè)。牽引架結(jié)構(gòu)如圖所示
.1.上懸掛 2.下懸掛 3.萬向傳動軸
圖2-1 牽引架
Fig.2-1Traction frame
2.2 振動分離篩設(shè)計(jì)
振動分離篩主要完成土薯分離工作，不同長度的桿條焊接在 U 型支架上，桿條間距 40 mm，振動分離篩通過彎板支架與搖臂相連接，在振動架的驅(qū)動下振動，篩面對挖掘的土薯混合物有拋起的作用，有較強(qiáng)的整機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)分析。
2.3 其它部件
挖掘鏟主要完成土薯挖掘工作，挖掘機(jī)振動架 帶動挖掘鏟斜拉桿使挖掘鏟前后擺動，挖掘鏟尾部焊接 桿條，桿條間距 37.5 mm，桿條的主要作用是分離土薯避免挖掘鏟與振動分離篩之間由于間隙過大使薯塊掉落。采用一體式挖掘鏟、三角鏟韌，切土效果更好，挖掘鏟兩側(cè)向上折起，可以避免薯塊從挖掘鏟的兩側(cè)漏出被機(jī)器擠壓和被土壤覆蓋。
3 田間試驗(yàn)與結(jié)果
3.1 試驗(yàn)基本條件
2014 年 9 月末在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊農(nóng)場試驗(yàn)基地（作業(yè)面積 2.5 hm2、黑黏土）、黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地（作業(yè)面積 4 hm2、黑黏土）進(jìn)行了田間收獲試驗(yàn)。試驗(yàn)地為旱地壟播，試驗(yàn)區(qū)的壟長長度大于 200 m，壟距為800 mm，壟高 250 mm，品種為：東農(nóng) 303、東農(nóng) 304、克新 9、荷蘭 15、大西洋，壟播株距約為 200 mm，結(jié)薯深度為 150～200 mm。馬鈴薯挖掘機(jī)配套動力為約翰迪爾 280 型拖拉機(jī)，功率為 20.6 kW。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果
本收獲機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。
表 3
試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果
Table 3 Test plan and experimental data
試驗(yàn)號
試驗(yàn)因素
空列
明薯率
可靠性
傷薯率
Experimental factors
Test
Vacant
Obvious
Reliability
Injury
number
A
B
C
column
rate/%
/%
rate/%
1
1(2)
1(0.6)
1(9)
1
90.76
95.52
0.7
2
1
2(0.8)
2(10)
2
92.21
93.21
1.2
3
1
3(1.1)
3(12)
3
94.37
85.52
1.6
4
2(5)
1
2
3
96.43
94.35
1.5
5
2
2
3
1
97.68
88.92
1.8
6
2
3
1
2
91.87
92.45
0.2
7
3(8)
1
3
2
95.31
89.70
1.9
8
3
2
1
3
87.46
94.53
0.4
9
3
3
2
1
90.36
91.12
1.0
選取 L9(34)正交表安排試驗(yàn)，因素 A 水平根據(jù)振動篩 傾角極限范圍（0～10°）選定。因素 B 水平根據(jù)機(jī)器實(shí) 際作業(yè)速度選定，4U1Z 型振動式馬鈴薯挖掘機(jī)設(shè)計(jì)要求 作業(yè)速度在 2～4 km/h 之間，B1 選定為 0.6 m/s，B3 選定 為 1.1 m/s，此時(shí)挖掘機(jī)作業(yè)速度約為 4 km/h，該因素范 圍的選定恰好滿足設(shè)計(jì)要求的作業(yè)速度。因素 C 水平根 據(jù)拖拉機(jī)動力輸出軸轉(zhuǎn)速選定，拖拉機(jī)動力輸出軸轉(zhuǎn)速有540。
4 結(jié)論
1) 整機(jī)能夠滿足多種壟作地形工作，不受地表平整度所影響，入土深度大概在20mm左右。
2) 本振動式馬鈴薯收獲機(jī)首次提出了鉸臂連接機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)指標(biāo)參數(shù)的調(diào)節(jié)，本收獲機(jī)機(jī)動土量在25%～30%左右，土壤擾動性較小。
3) 挖掘后的果實(shí)裸露在地表，完整度高，整個(gè)工作過程簡單，抗干擾能力強(qiáng)。由于是單行收獲，所以效率稍微低一些。
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Design of the Divided No-till Wheat Planter
Li Haijian, Li Hongwen, Li Wenying, Yao Zonglu
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Tarim University，Alar 843300，China）
Abstract: A new design of the divided no-till wheat planter has been accomplished by China agricultural University aimed to solve the extremely important problem of the double cropping area in North China, where the planter can easily be walled up by standing maize stubble when sowing the winter wheat. The combine anti-blocking mechanism composed of strip- rotary tillage and the planting unit of single-disc opener. The machine can finish the operation of stubble chopping, furrow opening, seeds and fertilizer placement in one pass. The main structures include fertilizer application system, connecting rod system and planting system. Field test shows that the machine works well when plant in standing maize stubble field and the soil disturbance is about 25% to 30%. The working quality satisfies the requirement of agronomy and the design of structure is completely in reason, which provides technology support for direct planting in standing maize stubble field in double cropping area in North China.
Key words: agricultural engineering; no-till planter; design; divide; strip-rotary tillage; conservation tillage; double cropping