基于振动挖掘与二次分选的4U-90型番薯收获机设计与试验.pdf

引用本文格式姚自力，杨自栋，王寒松，等基于振动挖掘与二次分选的 4U-90 型番薯收获机设计与试验 J农业工程，2023，13（8）：100-106 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.08.017 YAO Zili，YANG Zidong，WANG Hansong，et alDesign and test of 4U-90 type sweet potato harvester based on vibrationexcavation and secondary sortingJAgricultural Engineering，2023，13（8）：100-106基于振动挖掘与二次分选的 4U-90 型番薯收获机设计与试验姚自力，杨自栋，王寒松，姚立健，赵超，徐丽君（浙江农林大学光机电工程学院，浙江 杭州 311300）摘要：针对我国丘陵山地番薯收获作业中存在的现有机型实用性较低、伤薯率高、明薯率较低，以及多为人工收获等问题，设计一种适用于丘陵山地轻量化番薯收获机。整机结构主要由变速箱、三点悬挂装置、挖掘装置、二次分选装置和升运分离装置等组成。该收获机挖掘番薯效率较高，并在其升运期间振动分离土薯，同时收集升运过程中掉落番薯至二次分选装置并振动分离土薯。进行了样机三维模型建立及样机田间试验。试验结果表明，满足番薯收获机工作需求，并以此为以后样机改进提供理论依据与现实基础。关键词：丘陵山地；番薯收获机；番薯挖掘；结构设计；田间试验中图分类号：S225.7+1文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）08-0100-07DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.08.017Design and Test of 4U-90 Type Sweet Potato Harvester Based onVibration Excavation and Secondary SortingYAO Zili，YANG Zidong，WANG Hansong，YAO Lijian，ZHAO Chao，XU Lijun（School of Optical-Electro-Mechanical，Zhejiang Agriculture and Forestry University，Hangzhou Zhejiang 311300，China）Abstract：Aiming at problems of low practicality of existing models，high injury rate，low bright potato rate and mostly manual har-vesting in Chinas hilly mountain sweet potato harvesting operation，a light weight sweet potato harvester for hilly mountainous areas wasdesignedStructure of whole machine mainly consistsed of gearbox，three-point suspension device，excavation device，secondary sort-ing device and lifting and transporting separation deviceThe harvester could excavate sweet potatoes with high efficiency，vibrate andseparate potatoes during lifting and transportation，and collect potatoes dropped during lifting and transportation to secondary sortingdevice and vibrate and separate potatoesBased on this research purpose，a three-dimensional model of prototype was established，andfield tests were conducted after prototype was manufacturedExperimental results indicated that it met working requirements of sweetpotato harvester and provided theoretical and practical basis for future prototype improvementKeywords：hilly mountainous area，sweet potato harvester，sweet potato digging，structural design，field test 0引言番薯别称地瓜、甘薯、红苕等，隶属于旋花科植物，兼 具 食 用 药 用 功 效，是 我 国 的 传 统 粮 食 作物1-4。我国番薯种植面积与年产量均为世界前列，但产业机械化程度较低5。目前我国种植薯类和收获过程仍然以人工为主，存在着劳动强度较大、耗时较高、效率低下等问题，导致种植户利润较低6-8。国外薯类收获机械发展较早，而且技术先进、功能较多。如德国 GRIMME 公司的 GT170 型马铃薯收获机可随地面仿形；比利时 AVR 公司设计制造了 AVR-PUMA3 型自走式薯类收获机，可实现连续高效作业9。杨小平等10设计了 4U-1 600 型集堆式马铃薯收获机，利用了两级升运链。王启增11针对土薯分离环节进行 收稿日期：2023-01-03修回日期：2023-03-15基金项目：浙江省尖兵领雁计划项目（2022C02042）作者简介：姚自力，硕士生，主要从事现代农林装备与制造技术研究E-mail：杨自栋，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要从事现代农林装备与制造技术研究E-mail：第 13 卷 第 8 期农业工程Vol.13No.82023 年 8 月AGRICULTURAL ENGINEERINGAug.2023改进。但现有收获机依旧存在着伤薯、漏薯、未能完全土薯分离等问题12。浙江省许多地区多为丘陵山地地形，受此条件制约，现有收获机械并不能完全适配浙 江 大 多 零 散 农 户 所 面 对 的 农 艺 措 施 和 特 殊 地形13-14。基于上述问题，结合浙江省种植农户的实际要求和所面临种植情况，设计一种适合在丘陵山地小地块进行收获作业的轻量化小型番薯收获机，并且能够做到振动挖掘和二次分选功能。在阐述机具整体结构与传动系统的基础上，积极开展田间试验及结果分析，为后续样机的改进制造提供理论依据与实际试验的基础。1整机结构与工作原理 1.1整机结构根据浙江省大多采取的种植农艺与丘陵山地地形特点，确定整机采用单垄收获的方式，样机结构如图 1 所示，主要由三点悬挂装置、挖掘装置、传动系统、升运分离装置和二次分选装置等组成。番薯收获机通过三点悬挂方式与拖拉机后动力输出轴连接，做到工作时挖掘装置掘起土薯混合物并将其共同输送至后方，升运分离装置将土薯混合物向后上方运送并在此过程中进行振动分离土薯，二次分选装置在工作时将升运时掉落薯块收集，同时进行土薯分离。样机试验应完成番薯挖掘、升运分离及二次分选等作业，并且做到薯块完整运输、破损率降低、土薯分离情况完好等效果。1.2传动系统设计与结构番薯收获机传动系统结构如图 2 所示，通过三点悬挂方式与拖拉机动力输出轴连接，动力输入变速箱内，变速箱将动力经过链传动和带传动装置分别传递到挖掘装置、升运分离装置和二次分选装置，使得番薯收获机从田间挖掘出番薯，并将其通过升运筛上升并进行土薯分离，二次分选篮也会前后振动将从升运筛上掉落番薯进行土薯分离。1.变速箱输出轴2.第 1 传动轴3.带传动装置4.第 2 传动轴5.第3 传动轴6.第 4 传动轴7.第 5 传动轴8.第 6 传动轴图 2传动系统结构Fig.2 Structure of transmission system 田间作业时，番薯收获机悬挂在拖拉机后方牵引前进，动力经过变速箱后由变速箱动力输出轴传出，并通过链轮传动使第 1 传动轴转动，第 1 传动轴带动两侧偏心轮转动，从而带动挖掘装置的工作。第 1 传动轴经过链轮传动使得第 2 传动轴工作，第 2 传动轴将两端偏心轮转动，带动二次分选装置工作。第 2 传动轴一侧存在一小带轮，小带轮由于第 1 传动轴转动带动后侧大带轮转动，使第 3 传动轴转动，从而带动升运分离装置工作。第 3 传动轴通过链传动带动第 4、第 5 和第 6 传动轴转动。升运分离装置中的振幅、振动频率、升运链工作时的线速度是影响番薯收获机作业性能的主要参数，也是影响番薯破损率和土薯分离效果的重要因素，合理的线速度能够确保挖掘番薯后向上升运输顺畅，并保有良好的土薯分离效果。通常运用速比 来确定升运分离链的线速度。=vpvr1（1）式中vp机具前进速度，m/svr1土薯分离升运链线速度，m/s速比 取值 0.82.5，根据实际作业的情况需要选择合适的升运链线速度，不同情况有较大的差异，若线速度2 m/s，其分离土薯能力会有所下降15。根据 1.三点悬挂装置2.变速箱3.传动装置4.机架5.升运分离装置6.二次分选篮7.行走轮装置8.三角铁9.二次分选装置10.挖掘装置11.限深轮图 1番薯收获机结构Fig.1 Structure of sweet potato harvester 姚自力等：基于振动挖掘与二次分选的 4U-90 型番薯收获机设计与试验 101 先前研究，vr1为 1.151.85 m/s 土薯分离效果较好，因此结合实际机具作业前进速度效果确定该番薯收获机升运链线速度 1.25 m/s16。升运链运行速度按式（2）计算。vr1=n0R030（2）式中n0驱动轴转速，r/minR0主动分度圆半径，mm驱动轴即为第 3 传动轴，链传动主动轮的分度半径 76.355 mm，由此可得出驱动轮转速 156.3 r/min。因此，第 3 传动轴转速即为 156.3 r/min，取与其配合 大 带 轮 有 效 直径 236 mm，另 一 端 小 带 轮 直 径120 mm，根据式（3）计算第 3 传动轴与第 1 传动轴传动比。i1=n2n1=D1D2（3）式中i1第 3 传动轴与第 1 传动轴传动比n1第 3 传动轴转速，r/minn2第 1 传动轴转速，r/minD1大带轮直径，mmD2小带轮直径，mm经过计算可得，链传动与第 1 传动轴之间传动比1.97，第 1 传动轴转速 307.39 r/min。第 1 传动轴上链轮齿数 22，变速箱输出轴链轮齿数 25，同理根据式（4）计算第 1 传动轴与变速箱传动比。i2=n1n2=z2z1（4）式中i2第 1 传动轴与变速箱传动比n2变速箱输出轴转速，r/minn1第 1 传动轴转速，r/minz1第 1 传动轴链轮齿数z2变速箱链轮齿数经过计算可得，第 1 传动轴与变速箱之间传动比1.14，变速箱输出轴转速 270.5 r/min。由于拖拉机动力输出轴转速 540 r/min，由此可得变速箱传动比 1.996。同理，第 2 传动轴链轮齿数 32，计算可得第 1 传动轴与二次分选装置之间传动比 1.45，并且二次分选装置中传动轴转速 211.33 r/min。同理，第 4、5、6 传动轴与第 3 传动轴传动比 1，即其转速皆为 156.3 r/min。2关键部件结构设计 2.1挖掘装置结构作业时挖掘装置主要起到疏松垄上土壤并将土壤和番薯混合物一同从垄中掘起并向后运输。挖掘装置主要由前端限深轮、挖掘铲、挖掘摆臂、转动偏心轮和连接摇臂等部件组成，结构如图 3 所示。作业时，前端限深轮控制挖掘深度和杀秧情况，随后变速箱输出拖拉机动力至传动轴，传动轴带动两侧偏心轮转动，使与偏心轮所连接的连杆前后摆动，挖掘臂进行前后挖掘工作，并将掘起的混合物一起向后输送。在挖掘过程中，挖掘铲的铲长、铲宽、铲刃倾角、入土角度和入土深度等都会对挖掘阻力和番薯收获情况造成影响，为了使得能够轻松挖掘和挖掘物能够轻松离开，提高挖掘效率，铲刃倾角应满足60。1.挖掘摆臂2.挖掘连杆3.转动偏心轮4.挖掘铲5.限深轮图 3挖掘装置结构Fig.3 Structure of excavation device 2.2升运分离装置结构升运分离装置主要在工作时利用分离筛杆滚动做到将土薯混合物向后方升运输送，并在此过程中利用三角铁往复转动顶起链条与分离筛杆进行振动分离土薯。升运分离装置主要由分离筛杆、三角铁、前支重轮和后支重轮等组成，结构如图 4 所示。1.分离筛杆2.橡胶套管3.主传动轴4.后支重轮5.前支重轮6.三角抖动轮图 4升运分离装置结构Fig.4 Structure of lift and transport separation device 102 农业工程设计制造与理论研究 作业时，动力由上部传动轴输入升运分离装置，并通过轴端小带轮转动，带传动带动后方主传动轴转动及主传动轴两侧链轮转动，从而带动分离筛杆滚动，达到薯块升运的效果，并且主传动轴根据一侧链传动带动前方 3 处传动轴转动，以此带动三角铁的往复转动运动。三角铁往复转动是分离装置振动的主要来源，根据三角铁所在轴转动带动三角铁往复转动顶起两侧链条，以此往复来达到振动效果，配合薯块在筛杆上的升运滚动来进一步分离土薯。以三角铁为主体的振动装置高频低幅的周期性振动冲击土薯混合物并将其击碎后分离，确保薯块被振动装置弹起的高度在一定范围内，不能过高以降低薯块跌落高度，从而减少薯块的破皮率与擦伤的概率。同时在每根分离筛杆外套上一层橡胶管，将刚性的分离筛杆进行柔性外壳保护，以降低薯块向上滚动和薯块振动跌落时与分离筛杆的碰撞，从而降低薯块的破损概率。前支重轮与后支重轮并不参与主动转动，仅起到支撑链条质量的作用，使链条在番薯收获机田间作业时更好地传递动力。考虑到作业环境土壤特性多为黏性土壤，将振动装置振幅范围设置 1550 mm 为合理区间，并考虑番薯的碰撞和破损问题，确定振幅 30 mm。根据现作业环境番薯品种的一般物理特性和尺寸，两筛杆相隔55 mm。并且番薯块茎属于散粒体，其在升运分离装置上的力学特性研究能为番薯破损提供良好的理论依据17。在筛杆外侧套上橡胶管与在 65Mn 钢运动对比以降低番薯破损的概率，由于机械化作业时，制造材料钢材、橡胶与番薯块茎发生作用，因此需要测定此两种材料与番薯块茎的摩擦特性。当薯块置于升运装置的斜面时，不计空气阻力，根据牛顿运动定律可知其所受的静摩擦力 fs按式（5）计算。fs=mgcos（5）式中摩擦系数m番薯质量，kg静摩擦角g重力加速度，10 m/s2其中静摩擦角 即为升运链倾角，因此固定不变，即探寻薯块与两种材料之间的摩擦系数便可得知块茎的摩擦特性。查阅资料可得，经试验薯类块茎与橡胶之间的静摩擦系数分布范围 0.5040.694；而与 65Mn钢板之间的静摩擦系数范围 0.021 70.395 0。由此可知，由于橡胶摩擦系数更大，导致薯块静摩擦力更大，因此机具筛杆增加橡胶管后摩擦力增强防止番薯滚动造成的破皮及减少了与钢材之间的激烈碰撞导致的破损。在实际田间对比试验中也能清楚看出增加橡胶管后番薯薯块破损明显降低。2.2.1升运分离装置消耗功率计算在升运分离装置运行时，会受到驱动链轮圆周力Ft1，链条与链轮之间所受摩擦力 f1，土薯混合物和升运链之间所受摩擦力 f2，根据式（6）式（9）进行受力计算。Fa=Ft1+f1+f2（6）Ft1=Q1Dgsinv（7）f1=ML（8）f2=DLM（9）式中Fa升运分离装置所受总阻力，NFt1驱动链轮所受圆周力，Nf1链条与链轮之间的摩擦力，Nf2土薯混合物与升运链间所受阻力，NQ物料喂入量1厚度修正系数，取 0.7D升运链宽度，为 0.68 m链条与链轮之间摩擦系数，取 0.3L升运链长，mM升运链质量代入式（6）中可求解Fa 3.36 kN可得升运分离装置总功率 P 为P=Fav=3.361.25=4.2 kW实际功率 P*为总功率值除以有效利用率，代入公式可得p=p=4.20.89=4.72 kW因此，通过上述计算可得升运分离装置实际功率4.72 kW。2.2.2土薯混合物运动条件分析抖动元件是为了增强分离装置的振动幅度，三角抖动轮工作时每次一个顶点顶起升运链，即每次均为1 个外接圆半径值起作用，故可将三角形抖动轮简化为半径为 R 的圆形装置，并且角速度为，其受力分析如图 5 所示，在图中 P 点为土薯混合物被抛弃的起点，以此建立直角坐标系并根据平衡条件可得式（9）和式（10）。(Ft+FN)sin()+fcos()=m1g（10）(Ft+FN)cos()=fsin()（11）式中Ft土薯混合物所受离心力，NFN土薯混合物所受支撑力，N升运链倾角，（）三角抖动轮作用角度，（）f土薯混合物所受摩擦力，N 姚自力等：基于振动挖掘与二次分选的 4U-90 型番薯收获机设计与试验 103 m1土薯混合物质量，kg并根据圆周力 Ft=m2R 和摩擦力 f=FN可得，影响土薯混合物抛起运动的因素为三角抖动轮的角速度、外接圆半径及被抛起的作用角度。图 5土薯受力分析Fig.5 Force analysis of soil and potato 2.2.3升运链运动状态分析在升运分离装置中三角抖动轮起着重要作用，在传动轴带动下起到与链面做往复振动运动，从而将黏土分离18。可将三角抖动轮简化为简谐运动。设置正方向为与链面垂直向上，升运分离装置工作时达到的最低点为零点，可得X=A2cos(t+)+A2（12）式中X升运链垂直方向的位移，mA升运链振幅，m升运链振动的角频率，rad/s简谐振动的初相位角，（）将上述方程对时间 t 求导，得速度方程v=A2 sin(t+)（13）式中v升运链沿垂直于链面方向的速度，m/s。速度方程在对时间 t 进行求导，得加速度方程a=A22cos(t+)（14）式中a升运链沿垂直于链面方向的加速度，m/s2由于升运链因抖动轮转动从而振动，因此升运链振动的频率与三角抖动轮产生的频率相同。=2q（15）式中q三角抖动轮频率，Hz将式（14）代入式（12）与式（13）中，可得v=Aqsin(2qt+)（16）a=22Aq2cos(2qt+)（17）由式（15）和式（16）可知，三角抖动轮频率对升运链沿垂直于链面方向上的速度和加速度有着重要影响。振幅能对土薯分离效果造成直接显著影响，不仅要达到较好分离效果并且对薯块较小损伤，振幅应保 持 在 一 定 范 围 内，根 据 资 料 得 知 振 幅 一 般为1040 mm，本设计取振幅 15 mm。由于升运链频率与抖动率频率相同，可根据三角抖动轮外接圆半径和式（17）计算振动频率。vr1=r=2qr（18）式中vr1升运链线速度，m/sq三角抖动轮频率，Hzr三角抖动轮外接圆半径，为 0.065 m计算可得q=1.2520.065=3.06 Hz 2.3二次分选装置结构设计薯块在升运过程中，由于薯块大小差异，会有部分小型薯块掉落，导致收获不全、土薯分离不彻底的情况。因此，设计二次分选装置，结构如图 6 所示。放置在机具下侧，以收集从升运筛杆掉落的薯块，并且二次分选装置也会进行振动土薯分离。1.主传动轴2.偏心轮3.二次分选连杆4.二次分选摆臂5.二次分选篮图 6二次分选装置结构Fig.6 Structure of secondary sorting device 作业时，动力由链传动进入二次分选装置主传动轴，带动传动轴两端偏心轮转动，偏心轮带动二次分选装置连杆前后摆动和二次分选摆臂摆动，从而带动下方二次分选收集篮振动分离土薯，将从上方筛杆掉落的薯块集中收集。3样机试验与结果分析 3.1试验过程样机制造完成后于 2022 年 10 月 4 日在浙江省杭州市临安区进行试验研究。该地区多为丘陵山地，光照充足并且地势较为平坦，适宜番薯种植，种植模式为单行式垄作，并且为小地块种植。为验证样机在丘陵 104 农业工程设计制造与理论研究 小地块上的不同收获效果和薯块的损伤情况，因此对两行薯垄进行杀秧处理，对一行薯垄不进行杀秧处理，在挖掘深度、样机行进速度、分离筛杆运行速度等都保持不变的情况下，测量样机的挖掘情况，计算样机试验的明薯率、漏薯率、破损率。试验进行 2 次，第2 次与第 1 次试验样机相比，筛杆外增加了橡皮管减少磨损和碰撞，并对限深轮加以改进。试验目的：一是验证样机是否能正常工作挖掘、输送番薯；二是测试样机挖掘番薯的损伤、挖掘情况，观察记录漏薯率和明薯率等。试验过程如图 7 和图 8 所示。图 7第 1 次试验过程Fig.7 Process of the first test 图 8第 2 次试验过程Fig.8 Process of the second test 3.2试验结果与分析伤薯率是薯类收获机重要的指标，国内外关于薯类机械损伤和分离率的研究有很多。伤薯率高、明薯率低、土薯分离效果差是国内马铃薯收获机面临的通病和难题。初代样机采用升运链式番薯收获，在番薯收获时升运链振动和底部筛网二次振动进行土薯分离，并进行了田间试验。（1）试验表明，初代样机能做到正常挖掘番薯、输送番薯，但由于限深轮原因，样机前方番薯秧堆积较为严重，将限深轮修改或者取下后有良好改善。（2）样机挖掘番薯情况良好，漏薯率较低，也并不会切断整块番薯，但番薯损伤率较高，破皮率较高。将升运链导杆套上橡皮管以减轻番薯各自和与导杆碰撞后此情况有较好改善。番薯收获试验主要测定收获过程中土薯分离的效果及条铺后薯块伤薯情况，具体测量参数包括明薯率、伤薯率和损失率。T1=W2W（19）T2=W3W（20）T3=W1W（21）W=W1+W2+W3（22）式中T1损失率，%T2伤薯率，%T3明薯率，%W1明薯质量，kgW2漏挖薯质量，kgW3伤薯质量，kgW总薯质量，kg，在拖拉机前进速度为 1 m/s、挖掘深度为 20 mm 条件下进行两次试验作业，运行长度 14.5 m（未杀秧为15 m），第 2 次试验分 3 组统计试验数据，结果如表 1和表 2 所示。由表 1 和表 2 可知，第 1 次样机试验效果并不理想，伤薯率与损失率都比较高，当第 2 次改进样机之后，伤薯率和损失率都有明显下降，增加橡胶套管等改进对番薯破皮有显著影响。由表 2 可知，样机挖掘番薯效果较为不错，明薯率可以得到保证，并且损失率和伤薯率也较低，3 组数据对比可知，伤薯率最低为未杀秧组，因为由于秧苗的存在，降低了薯块在升运过程中的碰撞破损，使薯块得到进一步保护。但相比较而言，已杀秧能够提高番薯挖掘效果，明薯率有所提升。4结束语丘陵山地番薯收获机能够一次性完成挖掘、升运 表 1第 1 次试验结果统计Tab.1 Results statistics of the first test组别明薯质量/kg漏薯质量/kg破损质量/kg总质量/kg伤薯率/%损失率/%明薯率/%已杀秧 1 组22.341.533.3627.2312.345.6282.04已杀秧 2 组19.812.252.9725.0311.878.9979.15 姚自力等：基于振动挖掘与二次分选的 4U-90 型番薯收获机设计与试验 105 分离、收后条铺和二次振动分选等作业。并通过计算分析了影响土薯混合物抛起运动的关键因素，以及升运链工作时的状态。田间试验结果表明，挖掘装置和升运振动装置能够有效提高番薯挖掘效果和挖掘后土薯分离效果，提升了番薯收获机在小地块种植时的收获效率，二次分选装置能够有效防止番薯在机具行进过程中薯块掉落等问题，并能够同时对其进行振动土薯分离。样机田间试验效果较好，对番薯产业与后续样机改进提供理论与现实依据。参考文献 王淳广东地区番薯育苗技术要点J特种经济动植物，2022，25（11）：97-98，1011 田圣陶番薯的营养价值与种植技术J乡村科技，2019（35）：100，1032 王大莉红薯种植技术及病虫害防治探析J种子科技，2022，40（23）：34-363 苏一钧，董玲霞，王娇，等菜用和观赏甘薯种质资源遗传多样性分析J植物遗传资源学报，2018，19（1）：57-64SU Yijun，DONG Lingxia，WANG Jiao，et alGenetic diversity invegetable and ornamental sweetpotato germplasmJ Journal of PlantGenetic Resources，2018，19（1）：57-644 张华丽红薯机械化收获机具的试验研究J农业开发与装备，2018（8）：1225 丁全利，郭凤艳马铃薯机械化收获关键技术及发展趋势J农机使用与维修，2022（11）：44-466 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农业工程设计制造与理论研究