摘 要 針對西南丘陵山區(qū)黏重土壤條件下土薯分離不佳、收獲工序較多等問題，設(shè)計了一款馬鈴薯聯(lián)合收獲機，主要由殺秧裝置、挖掘裝置、往復(fù)圓弧敲打機構(gòu)、多重分離裝置、收集裝置、履帶底盤等組成。確定了整機的工作原理及傳動系統(tǒng)，利用SolidWorks對整機進(jìn)行了三維建模，深入分析了各部件結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)，并闡述了夾雜馬鈴薯的土塊在升運過程中的碰撞規(guī)律。

　　關(guān)鍵詞 馬鈴薯;聯(lián)合收獲;黏重土壤;土薯分離;往復(fù)圓弧運動;西南丘陵山區(qū)

　　馬鈴薯作為我國第四大糧食作物，在西南地區(qū)的種植面積及產(chǎn)量均占全國一半以上[1-3]。受山區(qū)小地塊和黏重土壤條件限制，西南地區(qū)的馬鈴薯機收率遠(yuǎn)低于全國平均水平，主要存在作業(yè)環(huán)節(jié)多且獨立、分離效果不佳、傷薯率高、明薯率低、適宜該區(qū)域聯(lián)合作業(yè)機具空白等問題，因此研究集多種作業(yè)為一體的高效率馬鈴薯聯(lián)合收獲機具有重要意義[4-6]。

　　國外研制的馬鈴薯聯(lián)合收獲機由于動力足、體積龐大，適宜大面積平原作業(yè)，而且購買及維修成本高，從適用性和經(jīng)濟性上均不匹配丘陵山區(qū)的收獲作業(yè)[7-8];國內(nèi)主要為牽引式分段收獲，通過殺秧機、分離篩式收獲機配合收獲，最后人工撿拾，但由于南方黏重土壤條件，存在土塊分離不徹底、配套機具多、人工強度大等問題[9-10]。針對上述問題及區(qū)域聯(lián)合收獲作業(yè)要求，項目組設(shè)計了一款小型馬鈴薯聯(lián)合收獲機，闡述該機具的整機結(jié)構(gòu)及部件設(shè)計特點，并對土薯升運碰撞運動進(jìn)行了理論分析。

　　1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

　　1.1 整機結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)重慶市馬鈴薯單壟雙行種植農(nóng)藝要求，以及黏重土壤、小地塊作業(yè)條件，項目組設(shè)計了一款馬鈴薯聯(lián)合收獲機，實現(xiàn)馬鈴薯低損傷、低含雜率的聯(lián)合收獲作業(yè)目標(biāo)。確定整機結(jié)構(gòu)布局及工作方式，樣機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由履帶地盤、殺秧裝置、挖掘裝置、往復(fù)圓弧敲打機構(gòu)、一級分離裝置、二級分離裝置、三級分離裝置、收集裝置、傳動系統(tǒng)等組成。所有裝置及機構(gòu)集成在履帶底盤上，工作時完成殺秧、土薯挖掘、多重分離、升運、歸框等作業(yè)。馬鈴薯種植壟面寬400 mm、溝深100～150 mm、株距200 mm，因此設(shè)計該機作業(yè)幅寬為600 mm，配套動力為7.5 kW，行走速度≤3 m·s-1，入土深度為20 cm。

　　1.2 傳動系統(tǒng)及工作原理

　　整機傳動系統(tǒng)如圖2所示。整機自帶的動力與變速箱連接，變速箱分別將動力傳遞至二級分離裝置和三級分離裝置的主動鏈輪。其中二級分離裝置的主動鏈輪帶動從動鏈輪轉(zhuǎn)動，二級分離裝置從動鏈輪軸端加有鏈輪Ⅰ，從而帶動一級分離裝置主動鏈輪和激振鏈輪轉(zhuǎn)動，一級分離裝置從動鏈輪軸上分別安裝帶輪Ⅰ和齒輪Ⅰ，齒輪Ⅰ和齒輪Ⅱ嚙合，達(dá)到換向作用，齒輪Ⅱ軸上則安裝鏈輪Ⅱ，鏈輪Ⅱ通過鏈條帶動打葉器鏈輪和螺旋輸送絞龍鏈輪轉(zhuǎn)動，帶輪Ⅰ通過皮帶帶動曲拐帶輪轉(zhuǎn)動，曲拐帶輪則在U型滑軌中運動，其中U型滑軌一端被約束只做圓周轉(zhuǎn)動，從而帶動往復(fù)圓弧敲打桿工作。三級分離裝置主動鏈輪帶動從動鏈輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)行三級土薯分離及運輸作業(yè)。

　　收獲作業(yè)時，馬鈴薯聯(lián)合收獲機向前行進(jìn)，通過液壓系統(tǒng)和限位地輪共同調(diào)整挖掘鏟入土角，達(dá)到設(shè)計的挖掘深度。扳動工作離合器，殺秧裝置及多重分離裝置同時工作，在挖掘之前，打葉器將秧蔓貼近地面割斷并拋送至螺旋輸送絞龍中，通過螺旋絞龍將秧蔓側(cè)向強制輸送至壟邊，之后挖掘鏟將薯塊、土壤、雜草等混合物一起鏟起，并沿鏟面傾角方向運動，進(jìn)入一級分離裝置。該裝置前端上方的往復(fù)圓弧運動的橡膠敲打桿將土壤向上拋送并反復(fù)敲打，解決黏重土薯分離難題，之后土薯等雜質(zhì)沿波浪型導(dǎo)流開始分離與升運，薯塊在主動激振裝置作用下對土壤進(jìn)行二次破碎，小于分離柵條間隙的土塊落入田間，土薯則繼續(xù)上升至落入三級分離裝置，經(jīng)過多次長距離分離后，橫向運輸將薯塊歸框，完成聯(lián)合收獲作業(yè)。

　　2 關(guān)鍵部件設(shè)計

　　2.1 殺秧裝置

　　在馬鈴薯收獲時，為了避免秧蔓纏繞或分離不凈，需先進(jìn)行殺秧工作。本研究設(shè)計的殺秧裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由螺旋輸送絞龍、刀架、切割動刀、切割定刀等組成，其工作方式為切割動刀固定在刀架上做圓周運動，在機具前進(jìn)時將秧蔓攏集進(jìn)入護罩中，并在護罩下端設(shè)有切割定刀，與切割動刀配合將秧蔓切斷，并拋送至絞龍位置，將切碎長短不等的秧蔓強制側(cè)向輸送，落至壟邊，不影響后續(xù)收獲作業(yè)。

　　2.2 挖掘裝置

　　挖掘裝置是直接觸土部件，主要功能是使土壤蓬松，并將一定深度的土壤和馬鈴薯一并鏟起，沿鏟面傾角滑至一級分離裝置。挖掘裝置主要由挖掘鏟、鏟刀架、固定軸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了減少挖掘阻力，挖掘鏟結(jié)構(gòu)為三角弧形結(jié)構(gòu)，且間隔相等布置，有利于黏重土壤的切削和破碎。鏟刀尖端與中心線形成的夾角為鏟刀傾角γ，其值大小對漏挖率及挖掘鏟的自潔功能有重要影響，在設(shè)計時，鏟刀傾角需滿足式(1)，由于土壤與金屬材料的摩擦角一般取值為30°～36°，因此本設(shè)計中鏟刀傾角設(shè)定為54°。

　　[γ=90°-ψ] (1)

　　式(1)中，γ為鏟刀傾角，Ψ為土壤與鏟刀材料的摩擦角。

　　2.3 往復(fù)圓弧運動敲打機構(gòu)

　　往復(fù)圓弧運動敲打機構(gòu)主要功能是將鏟起的黏重土壤向上拋送及破碎，其結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)動桿、軸承座、U型滑軌、偏心曲拐、橡膠叉等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。借助曲柄搖桿原理將皮帶輪上的動力轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)動桿的往復(fù)圓弧運動，轉(zhuǎn)動桿上設(shè)計有橡膠材料的樹杈，將夾雜馬鈴薯的土塊向上拋起并且敲打。選擇橡膠材料能夠避免馬鈴薯產(chǎn)生機械損傷，橡膠杈間隔分布有利于對土壤產(chǎn)生切削作用。

　　由于轉(zhuǎn)動桿的往復(fù)轉(zhuǎn)動角度受升運及挖掘鏟裝置裝配關(guān)系影響，在設(shè)計時需考慮角度限位，因此對往復(fù)圓弧運動進(jìn)行深入分析，其運動規(guī)律為如圖6所示。圖中OC桿為偏心曲拐，做完整圓周運動，而O'C'為轉(zhuǎn)動桿，做圓弧運動，當(dāng)OC桿運動至A點位置時，O'C'桿則達(dá)到A'位置，轉(zhuǎn)動180°后，OC桿到達(dá)B點，則O'C'桿則至B'點，此時完成一個圓弧運動周期，此時O'A'和O'B'的夾角φ為轉(zhuǎn)動桿的轉(zhuǎn)動角度。

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