赵　达 ，王士军 ，李学强，文永双，杨泽原，程　琳

(1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博　255091；2.天成工程机械有限公司，山东 德州　253600)



侧输出马铃薯收获机设计研究

赵达 ，王士军 ，李学强，文永双，杨泽原，程琳

(1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博255091；2.天成工程机械有限公司，山东 德州253600)

摘要：针对马铃薯收获机向大型联合收获的发展趋势，在参考了国内外先进机型的基础上，结合马铃薯在我国种植的实际国情，设计完成并制造了4U-1700A型侧输出马铃薯收获机。新型收获机将原有的中间输出方式改进为单侧输出，并与马铃薯联合收获机配套使用，减少了联合收获机归垄行数，提高了生产效率。为此，介绍该款收获机的基本结构及工作参数，说明了主要技术参数和基本结构的原理与功能。田间收获试验表明：该收获机可以实现薯土彻底分离，并规则地平铺在另一侧相邻两垄之间，供联合收获机二次收获，具有伤薯率低、漏收率低、工作性能稳定的优点，提高了劳动生产率。

关键词：马铃薯收获机；侧输出；配合

0引言

近年来，随着农业进程化的发展和农村土地流转，马铃薯在我国的种植面积和总产量在逐年增长，目前均已经居于世界前列。马铃薯既能当作主食也可以当作蔬菜，具有二者兼备的特色，以马铃薯为原料的食品深加工业发展速度很快，因此对马铃薯的需求量逐年增加。但我国马铃薯收获机械化处于非常低的水平，传统上的人工收获主要依靠人力进行挖掘，明薯率低，费时费力，且马铃薯易受损害。使用机械化收获马铃薯，生产效率高、明薯率高，适用于大面积种植，可提高农民经济效益[1]。

目前，我国大部分农村动力机械偏小，制约着马铃薯生产朝机械化、大型化发展。针对此问题，设计了一种侧输出方式的马铃薯收获机。该机可一次性完成挖掘、薯土分离并可将马铃薯收获后通过侧输出装置将薯块均布在右侧相邻两垄之间。

该款机型明薯率高，薯土分离更加彻底，有利于人工拣拾。随着马铃薯大面积种植，联合收获机的使用更加广泛。为了提高联合收获机单次行走收垄行数，可将联合收获机与侧输出收获机配套使用，以提高生产效率。

1总体构造及工作原理

在总体结构布局上，该机型首先保证机具性能稳定、整体强度可靠及部件之间配置合理。

1.1　整体结构组成及工作原理

4U-1700A型侧输出马铃薯收获机主要由牵引架、导向限深装置、传动系统、挖掘铲装置及机架等组成，如图1所示。

1.牵引架　2.传动系统　3.切土盘装置　4.压带轮

工作原理：收获机牵引架与拖拉机后悬挂采用三点背负式连接,动力全部由拖拉机提供，行走和挖掘依靠拖拉机牵引，两级土薯分离输送链机构动力来源于拖拉机动力输出轴；镇压限深轮、挖掘铲装置的升降可由人工手动操纵；牵引装置与拖拉机液压悬挂装置下拉杆相连，通过拖拉机液压悬挂装置调节收获机机架的水平状态。

工作时，拖拉机牵引整机靠地轮从动行走，镇压限深轮压碎地表土块并限定挖掘深度，两侧切土圆盘刀切开土壤中的茎蔓及杂草；薯块及土壤等被挖掘铲掘起后进入一级土薯分离输送装置，经一级钢栅条土薯分离输送带的抖动、疏松、破碎，使小于钢栅条间隙的土壤和夹杂物被筛下，茎秆、薯块和大于杆条间距的土块、地膜及夹杂物被输送到一级分离装置，绝大部分茎秆、杂草、地膜被弹性梳杆阻挡并沿梳杆下滑，在一级土薯分离输送带和一级茎秆分离摘辊的作用下被抛在地上；结块土壤由一级土薯分离输送带落入二级土薯分离输送带后进一步破碎，经二级土薯分离输送装置的抖动筛分被完全筛下；分离输送带上的薯块及尚未除去的茎秆、杂草、地膜等夹杂物经过二级皮带式茎秆分离装置时，茎秆、杂草、地膜等易夹持物被皮带和分离输送带夹持住强制拽落于地面，茎秆上未脱落的薯块则被摘薯杆强制摘下，薯块落入侧输出输送机构，并将马铃薯平铺到右侧俩垄垄沟之间。

1.2　主要技术参数

结构形式：背负式

外形尺寸(长宽高)/mm：4 462×1 860×554

机器质量/kg：1600

配套动力/kW：≥54

适用行(垄)宽/mm：800～900

最大挖掘深度/mm：≥250

作业速度/km·h-1：≤25

明薯率%：≥98

振动器：机械式振动

2主要部分构件的设计

2.1　挖掘机构的设计

挖掘机构由刀杆及挖掘铲组成，考虑到幅宽及减少堵塞，挖掘铲采用单垄3小铲设计，每个小铲由铲体和铲翼组成。挖掘机构的结构简图如图2所示。

1.曲臂　2.直管　3.铲体　4.连接轴　5.铲翼

此机构设计的基本原则是：在保证马铃薯收获率及不伤薯的前提下，尽量减少挖掘阻力并防止堵塞。挖掘铲调整范围为27°～35°，可以将马铃薯连同土壤整幅宽挖起。采用这种结构可有效降低挖掘阻力，提高传动效率，设计铲翼可以防止石块等坚硬物体损坏输送链。

挖掘铲要求碎土性能好，入土时阻力小，保证挖掘起的土薯等顺畅地运送到输送分离装置上。因此，设计了单垄三小铲的方式。铲面倾角α对挖掘铲的入土、碎土性能及挖掘阻力有关键性的影响，因此选择合适的倾角α十分重要。对铲面进行受力分析得

P0cosα-F0-G0sinα≥0

(1)

N0-G0cosα-P0sinα=0

(2)

其中，P0为掘起物呗挖掘铲移动所需的力；G0为掘起物在铲面上的重力；N0为土壤对挖掘铲的作用力；F0为土壤和铲面之间的摩擦力，F0=u N0,u=tanφ；u为挖掘铲和土壤之间的摩擦因数；φ为挖掘铲和土壤的摩擦角。

(3)

由式(3)可以推出：铲面倾角α越小，入土性能越好，挖掘阻力越小，但碎土性能变差，容易产生壅土现象;铲面倾角α越大，碎土性能会提高，但入土性能会降低，挖掘阻力也会随之升高，也容易产生壅土。因此，α应设定在一个合理的范围内。通过多次收获实验表明：α在27°～35°范围内，机具行进速度为4～6km/h时挖掘阻力较小，同时也能保证挖掘质量。

铲刃角度θ应保证铲刃将杂草及茎杆等滑离分开，因此θ应满足以下条件

(4)

其中，P0为铲刃的阻力，F0为铲刃受茎杆及杂草等的摩擦力。

F=u1R0u1=tanφ

(5)

其中，u1为挖掘铲与杂草等的摩擦系数；φ为挖掘铲与杂草等的摩擦角。

(6)

(7)

式中，如果θ过大，将不能切断杂草及茎杆，可能会产生堵塞；如果θ过小，将使挖掘铲阻力增大。根据公式计算，θ应该在 95°～110°之间为宜。

2.2　圆盘刀机构设计

圆盘刀主要由上下连接板、压簧调节杆、固定板和切土盘等组成，如图3所示。圆盘刀无动力驱动，主要用来将马铃薯藤枝及杂草等在弹簧的压力下切断，使挖掘部件利于挖掘，同时防止机具俩侧茎蔓、杂草等缠绕堵塞,工作深度要与收获深度相呼应，应该在3～8cm。圆盘刀机构与铲架横梁采用U型连接，使其能够沿着横梁移动，从而根据收货间距调整圆盘刀之间的距离。每个圆盘刀的工作深度可通过丝杠来调节，所有的圆盘刀必须设定一样。如果在硬地上作业，犁刀达不到要求的收获深度时，要调节小圆盘切刀的深度。主网与圆盘切刀之间的距离：长的或者粗的薯秧可能导致收获时壅堵，圆盘切刀与主网会被薯秧卡住。在这种情况下，要将圆盘切刀与主网之间的距离调大。主网与切刀间的距离一般为15～30mm，标准设定为20mm，两边的调节要一致。切土盘采用的钢板规格为Φ645×6mm。

2.3　侧输出装置设计

侧输出装置由液压马达、传动轴、胶轮及机架等组成，如图4所示。由液压马达提供动力速度可以通过流量控制阀控制，速度取决于输送马铃薯的多少。整个侧输出装置与收获机机架成角度为6°放置，保证马铃薯从输送分离装置输送到侧输出装置上均匀分布。通过此装置，可将收获的马铃薯平铺到收获机一侧的垄沟里，既可以进行人工捡拾，也可以与联合收获机配套使用。作为一种附加机构，其成本较低、结构简单、易于操作，对中小农户和大农户均适用。

1.上连接板　2.压簧　3.调节杆　4.固定板　5.下连接板　6.切图盘

1.液压马达　2.传动轴　3.机架　4.胶轮

2.4　输送分离机构和机架的设计

输送分离机构主要由输送分离筛及抖动轮组成，由链条来传递动力，主要由胶带、链条、驱动轮、被动轮及抖动轮等5部分组成。输送带由橡胶齿状驱动轮驱动，与钢栅条恰好啮合，工作过程中磨损轻、使用可靠、寿命长且伤薯率低。抖动轮可抖动输送分离筛，帮助分离土豆和土，振动器要与土壤条件适应。

机架要保证足够的刚度和强度，保证各部件在机架中合理布置及整机适应不同土质，有一定的通过能力。输送分离装置主要将挖掘铲收起物中的土壤、薯块、薯秧和杂草等分离，其结构形式和运动参数对土薯分离率及伤薯率有直接的影响，该机型设计有两级输送分离装置。输送分离装置的3个主要运动参数为线速度、振动幅度及振动频率。一般情况下，根据钢栅条带的线速度V1与机具行进速度V2的比值λ来确定钢栅条带的线速度，则

λ=V1/V2

(8)

在选择钢栅条带的线速度时应因地制宜，根据不同的土壤条件，马铃薯的种类及拖拉机的动力进行选择。根据以往的试验表明：钢栅条带的线速度V≈1.1～1.8m/s时分离效率较高；超出这一范围，会造成薯块在钢栅条上产生相对滑动，造成破皮现象，也会对机具造成损坏。因此，在避免壅土并且减小破皮率的前提下，λ取值略大于1。试验表明：在保证收获质量和生产效率的双重前提下，机具作业速度控制在4～6km/h为宜，对应钢栅条的线速度为1.1～1.7m/s。

3田间收获试验

2014年9月，在内蒙古自治区乌兰察布市商都马铃薯种植基地进行样机田间收获试验，选用配套动力58.8kW的拖拉机牵引，作业速度控制在4～6km/h。在收获试验期间，纯工作时间生产率0.4～0.8hm2/h，明薯率≥96%，伤薯率≤1.5%，破皮率≤2%。 田间收获试验结果表明：侧输出马铃薯收获机各项指标均符合国家标准要求，明薯率明显高于国家标准，伤薯率远低于国家标准。因此，侧输出收获机各项指标均达到了马铃薯收获的农艺要求，说明带有侧输出装置的马铃薯收获机性能可靠、故障率低，达到了设计要求。

4结论

介绍了一种侧输出马铃薯收获机，通过田间试验表明：该收获机达到了设计预期，一次收获作业可完成马铃薯挖掘、薯土分离，并通过侧输出装置平铺到右侧两垄之间。该机型各个部件布置合理，可调部件调整方便、适应性强，性能达到了设计预期要求。

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Structural Design and Calculation of Side Output Potato Harvester

Zhao Da， Wang Shijun， Li Xueqiang, Wen Yongshuang, Yang Zeyuan， Cheng Lin

(1.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255091, China; 2.Tiancheng Construction Machinery Co.Ltd., Dezhou 253600, China)

Abstract：Aiming at the development trend of the potato harvester to the large scale ，in reference to the basis of the advanced models, combined with the actual situation of China's potato planting, design and manufacture of the 1700A-type-side output potato harvester. The new harvester will improve the existing intermediate output unilateral output, and with supporting the use of potato harvester, combine harvester owned by reducing the number of ridge lines, improve production efficiency. The basic structure and operating parameters which harvester, the principle and function of the main technical parameters and the basic structure. After the design is complete harvest field tests show: The potato harvesting machine can achieve complete separation of the soil, and was tiled rule on the other side between two adjacent ridges, combine harvester for the second harvest. Potato have hurt low-drain low yield, stable performance advantages, improve labor productivity .

Key words：potato harvester; side output; coordination

中图分类号：S225.7+1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0101-04

作者简介：赵达(1989-)，男，山东德州人，硕士研究生，(E-mail)358498338@qq.com。通讯作者：王士军(1969-),男，山东菏泽人，副教授，(E-mail)Wsjwang2008@126.com。

基金项目：山东省技术创新项目(201320113013)

收稿日期：2015-07-08