4UMS-1800型木薯起薯收獲機(jī)提升裝置的設(shè)計(jì)

李 玲，黃應(yīng)強(qiáng)，鄧干然，呂以志，崔振德，李國杰，鄭 爽，蘇會(huì)榮，李曉菲

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091；2.湛江市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，廣東 湛江 524038；3.農(nóng)業(yè)部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524091)

0 引言

木薯(Manibot esculenta Crantz.)，灌木狀多年生作物，世界三大薯類作物(木薯、馬鈴薯、甘薯)之一，廣泛栽培于熱帶和亞熱帶地區(qū)，于19世紀(jì)初引入我國，目前在我國的廣東、廣西、海南、云南等地均有廣泛種植[1-2]。木薯可食用、飼用和提取淀粉，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國木薯種植面積達(dá)到40萬hm2以上，在我國的南亞熱帶地區(qū)，木薯是僅次于水稻、甘薯、甘蔗、玉米的第五大作物。在我國木薯主要種植區(qū)域，木薯的收獲主要采用人力、畜力挖掘的粗放作業(yè)方式及較少量的半機(jī)械化作業(yè)方式，而木薯的收獲過程勞動(dòng)強(qiáng)度極大，目前的生產(chǎn)方式效率低下且作業(yè)成本較高，因此研究木薯收獲機(jī)械及其配套設(shè)備具有極其重要的意義[3-5]。

木薯塊根收獲機(jī)械的主要方式有挖掘松土加振動(dòng)分離、挖掘式及挖掘松土加拔起分離3種方式[6]，挖掘松土加振動(dòng)分離的方式功耗過大，如4UM-160型木薯收獲機(jī)[7]、LW-60型木薯收獲機(jī)[8]屬于此類型。挖掘式半機(jī)械化木薯收獲機(jī)械是目前我國研究與應(yīng)用最普遍的木薯收獲機(jī)，如廣西武鳴縣農(nóng)機(jī)局研制的木薯收獲機(jī)[9]、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所的薛忠等人研制的4UMS-390型木薯收獲機(jī)[10]、張意松等人研制的4UMS-900型木薯收獲機(jī)[11]等均采用半機(jī)械化的方式收獲木薯。即拖拉機(jī)牽引挖掘鏟使得土壤下的木薯松動(dòng)，再人工撿拾的收獲方法，雖在一定程度上提高了木薯收獲效率，但人工勞動(dòng)強(qiáng)度依然很大。挖掘松土加拔起分離方式的木薯收獲機(jī)功耗較小，且能有效提升作業(yè)效率，但在木薯撿拾與夾持輸送上的難度較大，孫佑攀等人[12]設(shè)計(jì)了4UMS-1型木薯收獲機(jī)即采用了此種方式。該收獲機(jī)由木薯挖掘和夾持輸送兩部分組成，夾持輸送部分采用多楔帶的雙帶式夾持裝置，因田間作業(yè)的復(fù)雜性及多楔帶承受徑向力能力有限，作業(yè)過程中存在皮帶損壞或掉帶的現(xiàn)象。綜上所述，挖掘松土加拔起分離式的木薯收獲機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此突破木薯撿拾與夾持輸送的瓶頸，對(duì)應(yīng)用于木薯起薯收獲機(jī)上的提升裝置的研究具有重要的意義。

4UMS-1800型木薯收獲機(jī)是中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研制的雙行挖掘式木薯收獲機(jī)，在借鑒前人木薯收獲機(jī)及根莖類作物收獲機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了配套于該機(jī)型的木薯提升裝置，以達(dá)到將松土后的木薯拔出地表的目的。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

針對(duì)當(dāng)前木薯收獲過程中起薯難度大、人工刨土撿拾勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低的問題，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所在已有4UMS-1800雙行挖掘式木薯收獲機(jī)基礎(chǔ)上研制了帶有彈性夾持機(jī)構(gòu)的木薯提升裝置，將挖掘鏟掘松的木薯通過提升裝置提升出地表。木薯提升裝置工作狀態(tài)如圖1所示。

1.連接架 2.提升裝置 3木薯 4地面

木薯提升輸送裝置是將土壤與木薯分離，使得木薯升運(yùn)到土壤表面的裝置，木薯提升輸送裝置以大功率拖拉機(jī)作為牽引動(dòng)力，以已研發(fā)并推廣使用的4UMS-1800型木薯起薯收獲機(jī)為基礎(chǔ)，通過連接架與4UMS-1800型挖掘式木薯起薯收獲機(jī)焊接在一起，協(xié)同作業(yè)。

4UMS-1800型挖掘式木薯起薯收獲機(jī)通過三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)后懸掛于拖拉機(jī)上。木薯提升裝置的工作狀態(tài)如圖2所示。其中，提升裝置與水平面呈20°夾角，其動(dòng)力來自拖拉機(jī)后輸出軸。田間作業(yè)時(shí)，木薯留茬30cm左右，通過地輪對(duì)地面進(jìn)行仿形以控制收獲機(jī)入土深度，由4UMS-1800型木薯起薯收獲機(jī)的起薯鏟先起松木薯周邊土壤，由木薯提升裝置夾持木薯?xiàng)U帶動(dòng)木薯提出地表。

該機(jī)具與66kW拖拉機(jī)配套使用，采用了彈性夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)木薯莖稈的夾持，能顯著提高木薯收獲過程中的明薯率、降低作業(yè)能耗及人工作業(yè)強(qiáng)度。

1.2 總體設(shè)計(jì)

木薯提升裝置主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、夾持機(jī)構(gòu)幾個(gè)部分組成，如圖2所示。該提升裝置為雙行式，主要結(jié)構(gòu)包括連接板、傳動(dòng)鏈輪、傳動(dòng)鏈條、夾持鏈條、壓縮彈簧、壓緊輪、張緊輪以及齒輪、減速裝置等。

作業(yè)時(shí)，木薯稈由提升裝置右端入口處進(jìn)入，在夾持鏈條前端V形入口處逐漸收入兩條夾持鏈中間，在壓緊輪和夾持鏈條的共同作用下夾緊木薯稈向上提升，并向提升裝置尾部傳輸，最終將起松的木薯拔出地表。

1.傳動(dòng)鏈條(單排) 2.連接板 3.傳動(dòng)鏈輪(假雙排) 4.傳動(dòng)鏈輪(雙排) 5.傳動(dòng)鏈輪(單排) 6.壓緊輪 7.齒輪 8.張緊輪(雙排) 9.夾持鏈條(雙排帶、節(jié)節(jié)帶彎折板) 10.壓縮彈簧

其主要技術(shù)參數(shù)如下：

外形尺寸/mm：1 057×1 434×257

工作幅寬/mm：雙行(1 800)

提升高度/cm：17(理論)

配套動(dòng)力/kW：66

提升速度/m·s-1：1.817 (理論)

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

木薯提升裝置動(dòng)力來源于拖拉機(jī)后輸出軸，其傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括萬向節(jié)聯(lián)軸器、錐齒輪減速器、齒輪、鏈輪及鏈條等，如圖3所示。

1.萬向聯(lián)軸器 2.雙排鏈輪 3.夾持鏈條 4.鏈輪 5.鏈條 6.齒輪 7.減速器

工作時(shí)，拖拉機(jī)后輸出軸輸出的動(dòng)力經(jīng)過萬向聯(lián)軸器傳遞給錐齒輪減速器，經(jīng)錐齒輪減速器減速并變向90°后傳遞給齒輪(齒輪為兩個(gè)齒數(shù)模數(shù)相同的齒輪，兩齒輪轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反)，動(dòng)力經(jīng)齒輪的軸傳遞給鏈輪，經(jīng)過單排鏈輪、鏈條、雙排鏈輪和帶動(dòng)夾持鏈條運(yùn)動(dòng)。

綜合考慮傳遞力矩、垂直方向受力及使用壽命等因素，選取傳動(dòng)鏈節(jié)距15.875，傳動(dòng)鏈輪齒數(shù)19。

木薯收獲機(jī)工作時(shí)的行進(jìn)速度Vm為3.6 ～4.8km/h，為了保證木薯的順利夾持與提升，提升裝置夾持鏈傳輸速度Vl的水平分量應(yīng)大于木薯收獲機(jī)前進(jìn)速度Vm，即

Vl·cosα>Vm

Vl>Vm/ cosα=1.417m/s

式中Vl—提升裝置夾持鏈條傳輸速度；

Vm—4UMS-1800雙行挖掘式木薯收獲機(jī)工作狀態(tài)下行進(jìn)速度；

α—提升裝置傾斜角度。

該裝置擬采用66kW拖拉機(jī)帶動(dòng)，拖拉機(jī)后輸出軸轉(zhuǎn)速為720r/min，采用減速比1∶2的錐齒輪減速后根據(jù)計(jì)算分析，夾持鏈的傳輸速度為1.817m/s，其水平分量為1.707m/s，大于收獲機(jī)行進(jìn)速度，能夠與4UMS-1800型挖掘式雙行木薯收獲機(jī)配合使用。

2.2 柔性夾持裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 壓緊輪的設(shè)計(jì)

木薯莖稈分為表皮和芯部?jī)刹糠郑砥そM織較硬、纖維沿軸向分布，芯部較軟，是一層海綿狀的組織。

木薯莖稈承受徑向壓力與木薯稈的粗細(xì)呈線性關(guān)系，木薯莖稈下部較粗，徑向抗壓強(qiáng)度較大。薛忠等人[13-14]測(cè)得收獲期華南205木薯品種(樣品采自湛江市麻章區(qū))莖稈下部徑向壓縮平均抗壓強(qiáng)度為0.82MPa。

根據(jù)木薯莖稈結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn)，該木薯提升裝置采用了節(jié)節(jié)帶彎折板的雙排鏈條作為夾持鏈的夾持機(jī)構(gòu)。相對(duì)于普通皮帶、多楔帶等，雙排鏈條具有較好的承受徑向壓力的能力，不易斷裂。同時(shí)，彎折板為直接夾持木薯莖稈的部件，每節(jié)鏈條上安裝的彎折板分為上下兩片，兩條夾持鏈構(gòu)成兩對(duì)彎折板對(duì)木薯?xiàng)U進(jìn)行夾持的狀態(tài)，增大了與木薯莖稈受力面積。

夾持裝置如圖4所示。工作時(shí)，以雙排鏈輪作壓緊輪，起到壓緊和承托鏈條的作用，兩側(cè)壓緊輪大小相等，轉(zhuǎn)向相反，采用交錯(cuò)安裝的形式，一側(cè)壓緊輪固定，另一側(cè)壓緊輪通過彈簧調(diào)整位置構(gòu)成彈性夾持，夾持鏈間距25mm，在提高木薯?xiàng)U通過性的同時(shí)有效降低了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。

1.雙排鏈輪 2.彈簧 3.夾持鏈條 4.壓緊輪 5.擋板 6.張緊輪

彈性夾持結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工作狀態(tài)下，夾持鏈間距在25～45mm范圍內(nèi)可調(diào)，可夾持30～45mm范圍的木薯莖稈，即彈簧的壓縮量L在5～20mm范圍內(nèi)有效夾持木薯莖稈，可保證木薯莖稈較好的夾持性與通過性。

1.擋板 2.芯軸 3.彈簧(上) 4.彈簧(下) 5.壓緊輪軸 6.壓緊輪

根據(jù)壓縮彈簧系數(shù)為

k=G·d4/(8D3·Nc)

式中G—為線材的剛性模數(shù)；

d—線徑；

D—中徑；

Nc—有效圈數(shù)。

夾持力為

F=2k·L

式中L—彈簧壓縮長(zhǎng)度。

夾持裝置對(duì)木薯?xiàng)U的提升力為

f=u·F=2u·G·d4/(8D3·Nc)·L

式中u—彎折板對(duì)木薯?xiàng)U的摩擦因數(shù)。

綜合考慮彎折板對(duì)木薯摩擦力、木薯莖稈承力能力與木薯質(zhì)量等因素，選取彈簧線徑2.5mm，中徑20mm，線圈圈數(shù)6.5(有效圈數(shù)4.5)。

2.2.2 夾持鏈有效夾持長(zhǎng)度的確定

木薯塊根在地下分布的深度一般為20cm左右，木薯收獲機(jī)的挖掘鏟在松動(dòng)木薯周邊土壤的過程中同時(shí)在一定程度上抬升木薯，木薯提升裝置的提升高度在15～20cm之間比較合適。夾持鏈有效夾持長(zhǎng)度是兩側(cè)壓緊輪能同時(shí)對(duì)木薯稈進(jìn)行夾持的長(zhǎng)度區(qū)域，設(shè)計(jì)夾持鏈有效夾持長(zhǎng)度為495mm，夾持鏈傾斜角度為20°，使得木薯提升高度為17cm。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

初步田間性能試驗(yàn)于2016年年底，在位于湛江市麻章區(qū)湖秀路3號(hào)的木薯試驗(yàn)地進(jìn)行。試驗(yàn)地基本條件如下：

土壤類型為我國熱帶、亞熱帶地區(qū)典型的紅壤土；木薯品種為南植199；木薯種植方式為機(jī)械化平種；種植行距為900mm；種植株距為600mm；留茬高度為300mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明：整機(jī)能夠在留茬木薯地進(jìn)行收獲作業(yè)，相較以往的4UMS-1800型雙行挖掘式木薯收獲機(jī)，顯著提高了明薯率，明薯率達(dá)到70%以上，減輕了人工撿拾的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了漏收率；夾持裝置能夠通過夾持木薯莖稈提升木薯，其夾持性能滿足木薯莖稈的夾持要求。

經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，木薯提升裝置在作業(yè)過程中主要存在以下幾個(gè)方面的問題：

1)對(duì)倒伏木薯莖稈的夾持能力較差，倒伏木薯莖稈無法進(jìn)入提升裝置入口。

2)對(duì)行精確性要求較高，當(dāng)行不直、行距不一致、機(jī)手對(duì)行不準(zhǔn)等情況時(shí)，莖稈無法進(jìn)入夾持鏈中。

3)黏性土壤、雜草較多環(huán)境下，提升裝置入口處易形成堵塞。

4 結(jié)論與討論

創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了木薯提升裝置彈性夾持機(jī)構(gòu)，可配合4UMS-1800型雙行挖掘式木薯收獲機(jī)進(jìn)行木薯收獲，顯著提高了明薯率，降低了人工撿拾勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。同時(shí)，相對(duì)于振動(dòng)分離式的木薯挖掘收獲機(jī)動(dòng)力消耗小，配置上提升裝置的4UMS-1800雙行挖掘式木薯收獲機(jī)可配套66kW拖拉機(jī)使用。

針對(duì)當(dāng)前存在的問題，后續(xù)需在木薯種植農(nóng)藝和提升裝置結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

1)在木薯種植農(nóng)藝方面：采用機(jī)械化種植，保證種植行距、株距的一致性；加強(qiáng)木薯田間管理，及時(shí)除草，避免雜草太多導(dǎo)致的機(jī)具堵塞，為木薯機(jī)械化收獲創(chuàng)造良好的田間條件。

2)在木薯提升裝置方面：增加自動(dòng)對(duì)行裝置，提高對(duì)行的準(zhǔn)確性，減輕拖拉機(jī)手人工對(duì)行的難度；改進(jìn)4UMS-1800雙行挖掘式木薯收獲機(jī)的限深裝置或安裝深度自動(dòng)控制裝置，控制機(jī)具的挖掘深度，避免挖掘過深造成的機(jī)具堵塞和挖掘過淺造成的木薯斷裂。

針對(duì)倒伏木薯莖稈夾持能力差的問題，在木薯提升裝置入口處增加扶正機(jī)構(gòu)，提高木薯莖稈的通過率。