张涛 庞有伦 宋树民 吴瑜 潘良 绍伟兴 杨明金 唐兴隆 王圆明 李想

摘 要 针对西南丘陵山区黏重土壤条件下土薯分离不佳、收获工序较多等问题，设计了一款马铃薯联合收获机，主要由杀秧装置、挖掘装置、往复圆弧敲打机构、多重分离装置、收集装置、履带底盘等组成。确定了整机的工作原理及传动系统，利用SolidWorks對整机进行了三维建模，深入分析了各部件结构及关键参数，并阐述了夹杂马铃薯的土块在升运过程中的碰撞规律。

关键词 马铃薯;联合收获;黏重土壤;土薯分离;往复圆弧运动;西南丘陵山区

中图分类号：S225.7 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.16.024

马铃薯作为我国第四大粮食作物，在西南地区的种植面积及产量均占全国一半以上[1-3]。受山区小地块和黏重土壤条件限制，西南地区的马铃薯机收率远低于全国平均水平，主要存在作业环节多且独立、分离效果不佳、伤薯率高、明薯率低、适宜该区域联合作业机具空白等问题，因此研究集多种作业为一体的高效率马铃薯联合收获机具有重要意义[4-6]。

国外研制的马铃薯联合收获机由于动力足、体积庞大，适宜大面积平原作业，而且购买及维修成本高，从适用性和经济性上均不匹配丘陵山区的收获作业[7-8];国内主要为牵引式分段收获，通过杀秧机、分离筛式收获机配合收获，最后人工捡拾，但由于南方黏重土壤条件，存在土块分离不彻底、配套机具多、人工强度大等问题[9-10]。针对上述问题及区域联合收获作业要求，项目组设计了一款小型马铃薯联合收获机，阐述该机具的整机结构及部件设计特点，并对土薯升运碰撞运动进行了理论分析。

1  整机结构及工作原理

1.1  整机结构

根据重庆市马铃薯单垄双行种植农艺要求，以及黏重土壤、小地块作业条件，项目组设计了一款马铃薯联合收获机，实现马铃薯低损伤、低含杂率的联合收获作业目标。确定整机结构布局及工作方式，样机结构如图1所示，主要由履带地盘、杀秧装置、挖掘装置、往复圆弧敲打机构、一级分离装置、二级分离装置、三级分离装置、收集装置、传动系统等组成。所有装置及机构集成在履带底盘上，工作时完成杀秧、土薯挖掘、多重分离、升运、归框等作业。马铃薯种植垄面宽400 mm、沟深100～150 mm、株距200 mm，因此设计该机作业幅宽为600 mm，配套动力为7.5 kW，行走速度≤3 m·s-1，入土深度为20 cm。

1.2  传动系统及工作原理

整机传动系统如图2所示。整机自带的动力与变速箱连接，变速箱分别将动力传递至二级分离装置和三级分离装置的主动链轮。其中二级分离装置的主动链轮带动从动链轮转动，二级分离装置从动链轮轴端加有链轮Ⅰ，从而带动一级分离装置主动链轮和激振链轮转动，一级分离装置从动链轮轴上分别安装带轮Ⅰ和齿轮Ⅰ，齿轮Ⅰ和齿轮Ⅱ啮合，达到换向作用，齿轮Ⅱ轴上则安装链轮Ⅱ，链轮Ⅱ通过链条带动打叶器链轮和螺旋输送绞龙链轮转动，带轮Ⅰ通过皮带带动曲拐带轮转动，曲拐带轮则在U型滑轨中运动，其中U型滑轨一端被约束只做圆周转动，从而带动往复圆弧敲打杆工作。三级分离装置主动链轮带动从动链轮转动，进行三级土薯分离及运输作业。

收获作业时，马铃薯联合收获机向前行进，通过液压系统和限位地轮共同调整挖掘铲入土角，达到设计的挖掘深度。扳动工作离合器，杀秧装置及多重分离装置同时工作，在挖掘之前，打叶器将秧蔓贴近地面割断并抛送至螺旋输送绞龙中，通过螺旋绞龙将秧蔓侧向强制输送至垄边，之后挖掘铲将薯块、土壤、杂草等混合物一起铲起，并沿铲面倾角方向运动，进入一级分离装置。该装置前端上方的往复圆弧运动的橡胶敲打杆将土壤向上抛送并反复敲打，解决黏重土薯分离难题，之后土薯等杂质沿波浪型导流开始分离与升运，薯块在主动激振装置作用下对土壤进行二次破碎，小于分离栅条间隙的土块落入田间，土薯则继续上升至落入三级分离装置，经过多次长距离分离后，横向运输将薯块归框，完成联合收获作业。

2  关键部件设计

2.1  杀秧装置

在马铃薯收获时，为了避免秧蔓缠绕或分离不净，需先进行杀秧工作。本研究设计的杀秧装置结构如图3所示，主要由螺旋输送绞龙、刀架、切割动刀、切割定刀等组成，其工作方式为切割动刀固定在刀架上做圆周运动，在机具前进时将秧蔓拢集进入护罩中，并在护罩下端设有切割定刀，与切割动刀配合将秧蔓切断，并抛送至绞龙位置，将切碎长短不等的秧蔓强制侧向输送，落至垄边，不影响后续收获作业。

2.2  挖掘装置

挖掘装置是直接触土部件，主要功能是使土壤蓬松，并将一定深度的土壤和马铃薯一并铲起，沿铲面倾角滑至一级分离装置。挖掘装置主要由挖掘铲、铲刀架、固定轴等组成，其结构如图4所示。为了减少挖掘阻力，挖掘铲结构为三角弧形结构，且间隔相等布置，有利于黏重土壤的切削和破碎。铲刀尖端与中心线形成的夹角为铲刀倾角γ，其值大小对漏挖率及挖掘铲的自洁功能有重要影响，在设计时，铲刀倾角需满足式（1），由于土壤与金属材料的摩擦角一般取值为30°～36°，因此本设计中铲刀倾角设定为54°。

[γ=90°-ψ] （1）

式（1）中，γ为铲刀倾角，Ψ为土壤与铲刀材料的摩擦角。

2.3  往复圆弧运动敲打机构

往复圆弧运动敲打机构主要功能是将铲起的黏重土壤向上抛送及破碎，其结构由转动杆、轴承座、U型滑轨、偏心曲拐、橡胶叉等部件组成，其结构如图5所示。借助曲柄摇杆原理将皮带轮上的动力转为转动杆的往复圆弧运动，转动杆上设计有橡胶材料的树杈，将夹杂马铃薯的土块向上抛起并且敲打。选择橡胶材料能够避免马铃薯产生机械损伤，橡胶杈间隔分布有利于对土壤产生切削作用。

由于转动杆的往复转动角度受升运及挖掘铲装置装配关系影响，在设计时需考虑角度限位，因此对往复圆弧运动进行深入分析，其运动规律为如图6所示。图中OC杆为偏心曲拐，做完整圆周运动，而O'C'为转动杆，做圆弧运动，当OC杆运动至A点位置时，O'C'杆则达到A'位置，转动180°后，OC杆到达B点，则O'C'杆则至B'点，此时完成一个圆弧运动周期，此时O'A'和O'B'的夹角φ为转动杆的转动角度。

2.4  多级分离装置

多级分离装置包括一级分离、二级分离和横向分离输送构成，主要零件包括振动轮、驱动轮、侧护板、分离杆、橡胶固定链，其局部结构如图7所示。

土块和马铃薯通过长距离升运，部分土壤会从分离杆间隙掉落，同时振动轮转动时，会带动橡胶固定链产生周期上下振动，冲击土块使其破碎，橡胶固定链振幅对马铃薯机械损伤至关重要，太高或太低会造成线性擦伤或分离不彻底现象。此外，一级分离升运完成后，向另一级跌落过程中，也会产生碰撞冲击，二次破碎土块，且输送距离越远，分离效果越佳。

3  动力学分析

土块和马铃薯升运至往复圆弧运动机构处，被抛起并做抛物线运动，其运动规律如图8所示。

假设被抛起时敲打杆与水平面夹角为θ，初始速度为v0，则忽略空气阻力，则初始速度水平方向做匀速运动，竖直方向做加速度运动，经历t时间后落到一级分離筛上，产生碰撞冲击，则夹杂马铃薯的土块与分离筛的碰撞速度为

[v1=v21x+v21y]  （2）

式（2）中，v1为碰撞时速度，m·s-1;v1x为碰撞时水平方向分量，m·s-1;v1y为碰撞时竖直方向分量，m·s-1。

则碰撞时水平方向速度分量与初始速度水平方向速度分量相等，v1x=v0x，而竖直方向速度分量根据加速度运动为

[v1y=gt+v0y]  （3）

由此可得到碰撞时速度方向与水平方向夹角β为

[β=arcsosv0xv1]   （4）

夹杂马铃薯的土块在水平和竖直方向的运动位移方程为

[l=v0xth=v0yt+12gt2]  （5）

式（5）中，l为夹杂马铃薯的土块在水平方向的位移量，mm;h为夹杂马铃薯的土块在竖直方向的位移量，mm。

假设夹杂马铃薯的土块与分离筛之间为弹性碰撞，碰撞之后薯块相对一级分离装置静止，则在水平和竖直方向的碰撞冲量为

[Ix=m（vmsinα-v0x）Iy=m（vmcosα-v1y）] （6）

式（6）中，Ix为薯块在水平方向的碰撞冲量，kg·m·s-1;Iy为薯块在竖直方向的碰撞冲量，kg·m·s-1;m为土块和马铃薯质量，kg;vm为一级分离装置运动速度，m·s-1;α为一级分离装置与水平方向的夹角。

夹杂马铃薯的薯块在x和y方向的碰撞冲量越大，则破碎效果越好，能够将黏重土壤与马铃薯较好地分离。上述分析可知，碰撞冲量与往复圆弧敲打机构抛出时的夹角、初始速度、一级分离装置与竖直方向的夹角密切相关，当抛送的夹角越大，一级分离装置的水平夹角越小，则初始速度越大，一级分离装置的运动速度较慢，碰撞冲量越大，更有利于土块和马铃薯分离。

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（责任编辑：易  婧）