土豆联合收获机械原理方案设计

摘要：通过理论分析和目前土豆收获机械存在的问题，运用功能分析的方法，提出了一种小型牵引式土豆联合收获机械的原理结构方案，该机能够一次完成清选、分级装袋，结构小、使用方便。

关键词：土豆；收获；功能分析；原理方案设计

1设计任务

我国土豆种植面积达466.70多万公顷，仅内蒙古、山西两省区种植面积就达80.03多万公顷[1]。虽然在欧美、前苏联等国家有一些土豆收获机械，但是他们主要是研制大功率的联合收获机，这些机型只能在大面积土地上使用，不适用于小地块。目前，土豆收获机的质量还比较差，制约着土豆机械化生产的发展。我国大部分地区土豆收获主要靠人畜力，小面积收获常采用铁锨或锄头人工挖掘，较大面积收获采用畜力挖掘犁[6]，这种作业劳动强度非常大，严重影响土豆种植。近几年我国有不少地区在研制土豆收获机械，主要是小型的土豆挖掘机，机型在工作原理及结构上大同小异，它们只是把薯块从土里挖出来成条铺放于地表靠人工捡拾，这种方式对薯块的损伤比较大，捡拾和收集土豆仍然要耗用大量的人力物力，未从根本上解决土豆收获的机械化问题。收获机械与农艺不配套，适用性和可靠性差，质量不过硬。至今没有成熟的机型让人们接受。为此，设计一种适合于我国北方地区种植模式、经济实用、小型的土豆联合收获机械非常重要。

2土豆收获机总功能

根据土豆联合收获系统的设计任务，该机应能实现如下的功能：

3总功能分解

根据收获系统的总功能，该机应能一次完成挖掘、分离、清选和装袋等多种作业。它的构成如下：

4建立功能结构图

根据总功能分解，建立功能结构图（如图一）

5寻找原理解法和原理解组合

根据功能结构图，可建立土豆联合收获机的形态学矩阵，如表一；从表一中可得到，组合方案数为：

5×5×3×6×5×2×2=9 000（种）

在表一的9 000种组合方案中。根据确定原理方案的3条原则：综合工程设计经验、现有资料信息及来自其它方面的建议，我筛选出如下几个整体方案[8]。

方案一为：A2+B1+C1+D1+E5+F2+G2 为柴油机带动的收获机

方案二为：A1+B1+C1+D5+E5+F1+G1为汽油机带动的收获机

方案三为：A2+B1+C1+D5+E5+F2+G2 为柴油机带动的旋转分离栅式收获机

图一 功能结构图

表一土豆联合收获机形态学矩阵

6评价与分析

6.1挖掘部件

它的作用是把薯块和土壤一起挖起，并把它传送到分离部件上去。广泛使用的是固定式、回转式和复式三种[7]。

6.1.1固定式挖掘器

固定式挖掘器多为铲形，其中可分为平面三角形铲、曲面铲和槽形铲等。其中以平面三角形铲结构最简单，运用最广。铲子根据工作幅宽不同可分成单铲、双铲和多铲，为了保证薯块及土块顺利输送到分离器上，铲的后缘应与输送分离器位于同一高度，故挖掘器有一安装角，随着安装角的减小，阻力减小，输送顺利，但铲长增加，安装高度减少。

6.1.2驱动式挖掘器

驱动式挖掘器除有前进运动外，还有回转运动或往复运动。根据运动形式不同可分为：振动式挖掘铲和圆盘式挖掘器。振动式挖掘铲工作时由曲柄这种机构驱动作往复运动，其工作过程包括切割土壤和输送土壤两个阶段。试验表明，振动铲与固定式挖掘器相比，它对薯块的压伤显著减少，但切伤增多。在良好条件下工作无甚差别。使耕作机具振动，能减少耕作机械的平均牵引阻力，但并不减少所需的总功率[7]。圆盘式挖掘器，这是另一种驱动式挖掘部件，它由两个反向转动的圆盘组成，多用于双行收获机上。

6.1.3复式挖掘器

它是前两种挖掘铲的组合，最常见的是固定式平面铲和振动式圆盘侧铲的组合。掘器能够防止机器两侧缠革和堵塞，适合在较黏重土壤、潮湿和多草的条件下工作。

按照土壤工作部件牵引平衡理论，一般取起土角为18°～25°[2]。对挖掘部件的要求：在尽量少挖取泥土的情况下挖净薯块；挖掘深度稳定，并能根据需要进行调节[1]；保证土垡能沿铲面顺利通过。因此，选用“固定式挖掘器”。

为了对分离薯块中的土块提供有利条件，在前面安装了镇压装置（如图二），该镇压装置是将两个圆盘与滚筒组成。采用机架上安装弹簧调节装置可以实现地面仿形，同时调节对地面的压紧力来压碎土块。镇压装置两边的切土圆盘刀将收获行两端的土垡及草蔓切开，挖掘铲把土垡挖起，土垡沿挖掘铲被直接输送到第一分离筛上，在强制抖动分离筛不断地筛选下，薯块与泥土分离。

6.2分离部件

由挖掘器输送来的土垡，其中包括薯块、碎土、土块、石头、茎叶和杂草等。该分离部件必须尽可能的把薯块分离出来，便于后续作业。在土豆收获机械上用的分离器种类较多．主要有抖动链式、振动筛式和圆筒筛式等[7]。

6.2.1抖动链式输送分离器

它由抖动链、抖动轮及主、从动链轮组成。抖动链式输送分离器是利用薯块和夹杂物的几何尺寸不同而进行分离的。夹杂物、土块和小石子等从抖动链的杆条中漏下，薯块和大杂物等则送至后续分离器上。抖动轮是被动的，由抖动输送链带动，用来强化分离能力，有椭圆形、半椭圆形和三角形等几种，数量为一个或两个不等。最近一些机器采用的强制式抖动机构，由曲柄直接驱动，改变曲柄的转速和半径能改变抖动频率和振幅。试验结果表明，在潮湿的土壤条件下，装有强制式抖动机构的输送器其分离能力大于椭圆形抖动轮[7]。抖动链式输送分离器由于磨损快，金属用量大。

6.2.2筛式输送分离器

筛式又可分摆动和振动两种：前者由两摇杆悬吊，曲柄连扦机构驱动；后者两端由弹簧支承，由振动源激振，以前者应用较多。筛子多为长孔，由纵横杆条构成。纵向两杆间间隙为25～35cm。振动筛式一般分离能力比抖动模式强，但易堵塞，机架强度要求高．

6.2.3圆筒筛

圆筒筛常用来作后续的分离输送器。它通常配置在抖动链式或筛式分离器之后，在筛的内表面装有叶片，在分离的同时提升薯块。这种结构使用可靠性好，能量消耗少，并且没有不平衡的惯性力，但分离能力差，金属用量大，土壤潮湿时容易堵塞。

在挖掘铲尾部同向平行安装一组栅条式强制抖动分离筛,该筛通过动力输出轴传输动力，经偏心摆杆机构，使得筛上下摆动将土块和土豆分开，同时将土豆输送到后面的升运链。栅条采用弹性橡胶包裹，能够减少薯块损伤。

6.3升运部件

该升运部件的作用是：对薯块进行进一步的分离；将薯块输送到一定的高度，便于薯块的装袋。

6.4茎叶分离部件的设计

收获前对地面上的茎叶可采用化学处理或机械处理。所谓化学处理，即在收获前10d喷洒化学药剂，使茎叶枯萎。但这对害季收获土豆不适应，因为提前喷药会影响产量。所谓机械处理即在收获机前安装茎叶粉碎器或单独用茎叶粉碎机将茎叶打碎撒放在田间或收获到箱中。在挖掘过程中被带到收获机上的一些篓叶，则可用茎叶分离器进行分离[7]。

该机茎叶分离部分采用栅式输送装置（其中杆采用弹性橡胶包起来），在输送过程中，上面的风机工作将其中的茎叶吹到下面的输送板上，使得茎叶滑落到已挖掘的一边撒放在田间。为了防止茎叶缠绕在杆上，阻碍输送装置，在茎叶分离初始端安装与栅同步的刀片，将其缠绕在杆上的茎叶割断，进行二次分离（如图三）。茎叶分离结束时，将薯块输送到等级分离装置，进行薯块分级。

6.5薯块分级装置

分级装置的任务是，在挖出薯块后将薯块分成所要求的大小，分离成大、中、小三个等级。目前，分级装置运用的是滚柱式和栅条式。由于这种机构总存在土豆停滞在分级带上，因此，该机一二级分离装置采用了平行四杆机构，横向杆是在链轮的带动下转动，从而输送薯块前进；通过四杆机构调节两杆之间的间距来控制分级的大小（如图四）。油缸的控制路线为：通过时间继电器设置，通电延时断开和通电延时闭合来控制电磁阀，电磁阀再控制油缸动作和停止，从而间歇微调整两杆之间的间隙，保证没有薯块停滞在分离带上。第三极是最小的薯块，它采用了网状输送带，保证所有小的薯块全部装袋。

7结论

根据以上评价分析，该机选用方案为：

A2+(B1+B3+B5)+C1+(D1+D5)+E5+F2+G2 为牵引式土豆联合收获机；其中（B1+B2+B5）和(D1+D5)是这几种方式的结合，其总结构如下：

参考文献

[1]赵满全,窦卫国,赵士杰,杜文亮.新型土豆挖掘机的研制与开发[J].内蒙古农业大学学报,2000,21(2):91～96.

[2]北京农业工程大学主编.农业机械学[M].北京：中国农业出版社，2003.

[3]鲁劲屏.土豆收获机械质量现状分析[J].农机质量与监督,2008,(01):28～29.

[4]马庆学.土豆机械化收获技术及其机具改进措施[J].新疆农机化,2008,(02):24～25.

[5]吕金庆,李世柱,李国民,王春海.土豆挖掘机升运器的设计研究[J].农机化研究, 2004,(04).

[6]王彦军.4M-2型土豆联合收获机分离输送系统的研究[D].甘肃农业大学,2007.

[7]江苏工学院.农业机械学下册[M].1981.3.

[8]廖林清，王化培，石晓辉等.机械设计方法学[M].重庆：重庆大学出版社,1996.8.