马铃薯收获机的结构设计.docx

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马铃薯收获机的结构设计

马铃薯收获机的设计

摘要：

马铃薯为地下产物，且是块茎繁殖，其收获受季节和天气限制。

由于马铃薯的收获费时费力、劳动强度大且季节性强，因此给农民造成极大的困难。

为了解决上述问题，本文就国内外马铃薯收获机现状、马铃薯收获机的研究和应用进行介绍和分析，设计了组合分离式马铃薯收获机。

对该机的主要参数进行了选择，对主要零部件的设计进行了理论计算。

关键词：

马铃薯，设计，挖掘铲

Thedesignofpotatoharvester

Abstract：

Potatoisanundergroundplant.Itsharvestislimitedbythecrownoftheyearandweather.Sincethepotatoharvestingprocesshassomedifficultproblemsforfarmerssuchasbeingstrenuousandtimeconsuming,greatinlaborintensityandurgentinseasonaldemand,thepaperanalysesthepresentsituationofpotatoharvest,andacombinedseparationpotatodiggerhasbeendevelopedthroughselectionofprincipalparametersandtheoreticalcalculationforthedesignofessentialparts.

Kewords:

potato,design,diggingshovel

1.5马铃薯收获机械的发展建议5

2.3主要性能参数6

前言

马铃薯的营养价值非常高，市场潜力巨大。

在国外，大约占40%的马铃薯加工成食品后进入消费市场。

在国内，一向被国人视为不能登大雅之堂的马铃薯产品也突然间在市场上风靡起来。

在北京、上海、广州及西安等全国大中城市，以马铃薯条、马铃薯泥为基本原料的麦当劳、肯德基食品已占据我国快餐市场的半壁江山，而从各种渠道进口的其它油炸薯片或膨化食品等也滚滚而来。

中国农科院副院长屈东玉博士在日前召开的中国马铃薯学术年会上指出：

“马铃薯是一种产量高、适应性强、经济价值大的作物，应把马铃薯主产区列入国家粮食商品粮基地，享受与水稻、小麦等商品粮基地同样的财税待遇，这将是保证我国粮食安全的有效手段。

”

马铃薯作为经济作物，种植面积越来越大，而传统的马铃薯收获手段费时费事，劳动强度大且季节性强，因此给农民造成极大的困难。

马铃薯种植区大部分在潜山和腰山地区，落后的人工收获方式造成马铃薯冻害和减产等不必要的损失，农民对马铃薯收获机械的要求十分迫切。

为了解决上述问题，推广应用小型马铃薯收获机势在必行。

应用马铃薯收获机可以大大提高收获效率，降低劳动者的劳动强度，增产增收，减少收获损失，为我国马铃薯生产奠定良好的基础。

根据我国马铃薯收获机械多年研制生产经验可以看出，日本、意大利、美国等国外机具适应垄作，很难适应我国平作种植形式。

各类型机械需要进行多地域、多收获季节的田间试验和多轮改进，才能提高适应性

。

1绪论

马铃薯是我国主要作物之一。

发展马铃薯生产，对调整优化农业产业结构、加快脱贫致富及地区经济发展具有非常重要的作用。

马铃薯为地下产物,且是块茎繁殖,其收获方式以挖掘机为主。

马铃薯收获机可以大大提高收获效率,降低劳动强度,减少损失,为马铃薯生产奠定良好的基础。

但是收获方式的落后极大的制约了马铃薯生产发展。

为促进马铃薯生产地发展，解决机械化收获问题势在必行。

马铃薯收获机械化的关键矛盾是配套动力与机具性能要求之间的矛盾。

鉴于动力的限制，与14kw一下拖拉机配套机具的性能不宜要求功能全，只要完成起薯环节，让署块基本露于地面即可，其他工序由人工捡拾完成。

从发展看这类机械作为与目前农村具有的小型拖拉机相配套的过渡性机型予以开发、推广。

随着近年来马铃薯种植面积的不断增加，对马铃薯收获的机械化水平的需求越来越大.

1.1马铃薯收获机发展概况

马铃薯是我国北方主要粮食作物之一，在内蒙、甘肃、宁夏、河北、山西、黑龙江、河南等省大面积种植，特别是内蒙、甘肃、河北北部等地因常年干旱少雨，气候寒冷，沙质土壤多，不利于其它作物的生长，马铃薯使成为这些地区的主产粮食作物。

近几年来，马铃薯迅速以经济作物走向市场，大量销售到北京、天津、上海、广州等各大城市，美国百事食品有限公司等国外企业也纷纷在我国以承包大面积种薯地形式而参与到马铃薯种植和深加工行业。

随着马铃薯向规模化种植的发展，农民要求机械化收获的愿望日趋强烈。

由于各地土壤、气候、地形及种植习惯的差异，种植机械发展相对滞后，多采用犁翻人工点播种植，行距不统一。

小行距平作与大行距垄作形式共存，平作行距在400-550mm之间，垄作在600—900mm之间。

近几年，随着早上市鲜薯需求量的增加，收获季节提前，马铃薯茎叶生长旺盛，薯皮鲜嫩，机械收获更易破皮和缠绕拥土，使农艺要求与机械收获适应性的矛盾更加突出。

机械化收获马铃薯技术，关键问题是收获机械适应性差，伤薯率高。

因此，研制开发性能优良，适应性强，伤薯率低，多型号，价格适中，并能同大中马力拖拉机配套的收获机械是非常必要的

。

1.1.1国内马铃薯收获机发展概况

新中国成立初期,我国收获马铃薯采用人工刨或旧犁挖掘的落后方式。

直到20世纪60年代中期,马铃薯收获机具的研制工作才逐步发展起来。

研究人员在研究原西德、原苏联、日本、瑞士等国外机具的基础上，研制成功了升运链式马铃薯收获机，但是由于受当时历史条件的限制，没能实现大面积推广和使用。

20世纪70年代中期，由于手扶拖拉机的大量推广应用,国内又掀起了为手扶拖拉机配套的马铃薯收获机的研制高潮,成功研制了鼠笼式马铃薯收获机,但受当时的配套动力限制,未能生产和推广。

1979年，12国农机展览会后，国家将全部马铃薯收获机样机都投放在黑龙江省农业机械工程科学研究院，从而为马铃薯收获机的研究工作创造了良好的条件。

到20世纪90年代中期,由于国产小四轮拖拉机的大量推广和应用,研制马铃薯收获机已被列入重要日程。

而此后,其市场需求旺盛,先后有小型升运链式马铃薯收获机和振动式马铃薯收获机投放市场,并占据了很大的市场份额。

1.1.2国外马铃薯收获机发展概况

从农业机械化发展过程来看，马铃薯收获机发展较迟缓，只是近50年才发展到较高水平。

国外马铃薯机械化收获起步早、发展快、技术水平高。

在2O世纪4O年代初前苏联、美国就开始研制推广应用马铃薯收获机了，5O年代末期全面实现了生产机械化。

7O～8O年代，德、英、法、意大利、瑞士、波兰、匈牙利、日本和韩国亦相继实现了马铃薯生产机械化。

国外马铃薯收获机械的技术水平相当高，不但生产率高而且高新技术已融于机具之中。

如采用振动、液压技术进行挖掘；采用传感技术控制土壤喂人量、马铃薯传运量以及分级装载；采用气压、气流、光电技术进行碎土和分离及利用微机进行监控操作等。

原苏联是生产收获机最早的国家。

1960年，马铃薯联合收获机保有量是3万台，1976年，保有量是6万台，1979年，马铃薯收获机械工业化程度达到77%（其中国营农场为84%，集体农庄为73%）；到20世纪90年代除，马铃薯收获机共有16种机型，其中10种是联合收获机，其中劳动生产率比其他2行收获机提高1-2倍。

美国在1948年以前用收获机来收获马铃薯，然后人工捡拾。

直到1967年，开始使用联合收获机，劳动生产率达到100kg/（h·人）。

20世纪80年代初期，联合收获机和分段收获的面积占马铃薯种植面积的85%，其中联合收获已经达到50%以上、20世纪到90年代，美国已经基本实现了马铃薯收获机械化。

德国20世纪在40年代主要生产和使用抛掷式收获机；50年代主要生产和使用升运链式收获机和捡拾装载机，进行分段收获；到1970年保有量达到6205台；70年代开始生产联合收获机，机型有20多种，均是原联合收获机的变型，其保有量达到6万台；90年代开始生产收获-捡拾装载机和具有自动分选装置的联合收获机。

日本在1955年以前使用畜力挖掘机，1955年到1965年生产悬挂式的抛掷式和升运链式收获机。

70年代开始引进英国、美国等发达国家的联合收获机，并研制适合日本国情的联合收获机。

目前，国外马铃薯收获机械大多采用升运链条式联合作业，技术上已达到相当高的水平。

由于国外马铃薯采用机械化垄作种植形式，适应这种特点而设计的收获机械在中国难以适应平作收获。

以内蒙百事食品（中国）有限公司种薯基地进口机为例，其全部实现机械化作业，种植方式采用垄作，行距为900mm，收获机械为牵引式双行联合作业，多级链输送，配套动力在59．7kW以上，一次完成挖掘，土、石、薯、秧分离，并可实现薯块大小自动分捡、自行装车等功能该机为全液压操纵，各机构可实现自动折叠运输，伤薯率极低。

机体与薯块可能接触部位均用橡胶件保护。

又如，芬兰康克公司生产的双行马铃薯收获机为牵引式，配套动力为33．6kW以上，在拖拉机右侧实现挖掘，土、薯、茎叶分离，薯块直接装袋装箱。

同时，该机可作为捡拾机使用，后部工作台为液压升降式，薯块或石头可直接运至田地头。

日本生产的主要为单行履带自走式联合作业机，行走与输送链HST无级变速，发动机为水冷4冲程3缸柴油机。

1.2我国马铃薯收获机发展趋势

1.2.1马铃薯生产现状

马铃薯原产于南美洲的安第斯山，17世纪由荷兰人带到我国台湾。

它是重要的粮食兼用和工业原料作物。

目前，全世界主要种植马铃薯的国家有148个，总面积达1838万hm

，总产量3亿吨。

近年来，种植业结构调整、马铃薯加工业的蓬勃发展、西式快餐大量兴起、方便食品的不断涌现、加工产品的大量开发以及经济效益的提高，极大地调动了农民的种植积极性。

我国马铃薯种植面积以10万hmm

/年的增长速度逐年增加，2001年达到472万hm

，产量居世界第一位；2003年，黑龙江省种植面积60万hm

产量达到960万吨。

所以从机械化角度来看，马铃薯种植和收获机械蕴涵着巨大的商机。

1.2.2马铃薯收获机发展趋势

（1）在我国，马铃薯收获机向集机电和液压技术为一体的大型化方向发展，从而提高自动化程度和生产效率，获得最佳的经济效益。

（2）向联合作业方向发展，实现多功能作业，降低作业成本和设备投入费用。

（3）向自走式发展，装有分级装置，降低劳动强度。

（4）注重产品质量，提高可靠性，实现互换性。

1.2.3我国马铃薯生产全程机械化的发展趋势

（1）要加大公关力度，提高机具性能指标，使其尽快达到国际先进水平。

实现定型生产，占领国内市场，替代进口产品。

（2）提高“三化”水平，增加作业功能，以满足农业生产需求。

（3）提高机电、液压一体化和检测水平，开展联合作业机具的研制。

（4）提高生产企业的加工工艺水平，保证设备制造质量。

我国马铃薯种植面积大幅攀升，这对我国马铃薯收获机机械生产无疑是一个非常好的机遇，但同时也是一种挑战。

总的来说，马铃薯收获市场潜力巨大，如果能充分抓住这个大好时机，认清国内马铃薯收获机械的应用现状，有选择地引进和吸收国内外先进技术，并及时开发出适合我国国情的马铃薯联合收获机，将为我国马铃薯生产奠定良好的基础。

1.3马铃薯收获机械的类型及技术要求

1.3.1马铃薯收获机械的类型

目前，国产马铃薯收获机械较成熟的产品主要有两种类型：

一是升运链杆条式，该类型机是目前国际通用型式，美国、芬兰、德国、俄罗斯等国大型收获机，日本自走式、韩国悬挂式收获机普遍采用该型式，特点是容易实现单双行收获和联合作业；二是栅条摆动分离筛式收获机．该类型机是意大利、日本的早期结构型式，不易实现双行收获和联合作业。

目前，国产机还不能实现联合作业。

以上两种类型机也有不足之处，就是只能实现挖掘、土薯分离和集条功能，还不能完成排石、去秧、集箱或直接装车等功能。

1.3.2马铃薯收获机的技术要求

国内马镥薯收获机械技术发展还处于起步阶段，但各类型机均应具备以下技术要求：

（1）挖净率

要求挖深在150—200ram之间，每行挖掘宽度在350—500ram之间，挖净率应不低于98％。

（2）明薯率

收获机必须具有良好的分离机构，能将薯块与土壤分离，使分离后的薯块集堆或集条以便于人工捡拾．明薯率应达95％。

（3）破损率

收获时应尽量减少马铃薯破皮、切伤等损失，破损率应小于5％。

（4）生产率

机械收获的目的在于减轻劳动强度，提高生产率，适时收获。

因此，收获机作业时应具有一定的作业速度。

（5）其它要求

马铃薯收获机在尽可能减少自身动力消耗的情况下，其配套动力应具有一定

的储备。

分离机构应具有排石、去秧功能，以适应土壤、地形等方面的变化，以及收获后田地应平整，不能影响以后农田作业要求。

1.4马铃薯收获机发展的主要制约因素

1.4.1动力配套问题

11—14kW拖拉机虽是目前农村拥有量最多的动力机械，但问题的核心是小型拖拉机不适宜于配套单行收获机，动力不能满足一次完成挖掘、分离、薯块集堆或集条作业，更谈不上完成去秧、排石、装箱等功能。

实践表明，不管收获机械如何改进，马铃薯收获仍然需要较高动力消耗，现在与小型拖拉机配套的收获机普遍存在动力不足的问题。

虽然与18—22kW以上拖拉机配套的单行收获机和38kW以上拖拉机配套的双行收获机克服了动力不足、适应性差的问题，作业质量也较好，但农户拥有该类型拖拉机数量有限，在一定程度上制约了马铃薯收获机械的发展。

1.4.2生产规模与种植形式

目前，农村小规模生产方式制约了大中型马铃薯收获机的发展，收获机市场出现了先小型，后小中型并举的现象。

马铃薯种植形式不统一也直接影响收获机作业性能。

1.4.3机具性能问题

目前我国各地研制的收获机普遍存在可靠性差，作业质量不稳定，适应性不强，功能不全等问题。

1.5马铃薯收获机械的发展建议

（1）机具类型多样化、系列化、标准化。

我国马铃薯收获机械的设计开发要适合国情，不但要适应我国广大农村现有的配套动力条件，还要适应各地不同的农艺要求。

（2）提高机具可靠性。

马铃薯收获机械在恶劣的条件下工作，零部件易腐蚀、磨损或断裂，因此在设计时应从结构特性、制造工艺和材料处理等几方面综合分析，改善零件的可靠性，进而提高整机的可靠性。

（3）多功能联合收获。

目前许多机型只有挖掘功能，没有分离清选和输送功能，生产率相对较低，实际收获时的成本较高。

因此，要通过消化吸收国外先进技术，进一步优化挖掘、分离、清选和输送功能，提高生产率。

同时要提高机具的适应能力，完善根茬、残膜的收集功能，使其真正实现多功能联合作业。

（4）加强基础性能的研究。

研究土壤性质，可准确确定机具的受力特性，理地选择结构参数；研究马铃薯性状，可减少其破损量，提高分选效率。

深入研究土壤和马铃薯特性有助于优化机器结构，提高其使用性能。

2机具结构特点、工作原理及性能参数

2.1总体结构

本任务设计的马铃薯挖掘机与80-100马力的拖拉机配套作业，挂接方式为后悬挂，作业时需对行。

该机主要由悬挂机架、转动输送筛、挖掘铲及铲架、切土圆盘刀、传动机构、摆动筛等机构组成。

铲架通过螺栓安装在悬挂机架的侧板上，在铲架上安装有挖掘铲。

在机架上焊有2点悬挂的地方，与拖拉机的悬挂机构相连。

在机架中部安装有传动机构，它由传动箱、一对锥齿轮和传动轴组成。

传动机构通过传动轴与拖拉机的动力输出轴连接，拖拉机的动力传动到转动输送筛和摆动分离筛上，使转动输送筛转动，将挖掘出的马铃薯输送到摆动筛上达到分离效果。

转动输送筛的主动轴的转动作用由链条带动，从而使转动筛达到转动的效果。

传动机构末端上有一偏心轮，偏心轮使与其相连的连杆一端作回转运动，在连杆另一端带动摆动筛使其摆动，使马铃薯和土壤达到分离的效果

。

2.2主要工作原理

拖拉机通过悬挂机构牵引马铃薯收获机前进，拖拉机的动力输出轴与收获机的机传动机构通过传动轴相连接，在拖拉机启动后，结合动力输出轴使其转动，并通过传动机构传送动力，使转动输送筛转动、摆动筛转动摆动；在拖拉机前进过程中，挖掘铲挖出土垡，土垡沿挖掘铲传到转动输送筛上进行初次分离，然后由传动筛输送到摆动分离筛上再次分离，在摆动筛的摆动作用下薯块和泥土分离，并将薯块成条状铺放在挖掘机的后面，以便捡拾

。

2.3主要性能参数

马铃薯主要性能参数见表1所示：

表1马铃薯主要性能参数

工作宽度

1800mm

作业行数

2行

作业深度

200mm

主轴转速

540r/min

配套动力（拖拉机）

80-100马力

作业速度

0.6～1m/s

纯小时生产率

0.25～0.60hm

·h

集薯类型

铺条

理论明薯率

>95%

理论挖净率

>98%

理论破损率

<3%

行距

700～900mm

3主要部件的设计

3.1挖掘部件的设计

挖掘部分的作用是把薯块和土壤一起挖起，并把薯块和土壤输送到分离筛上。

对挖掘部件的要求如下：

a在尽量少挖取土壤的情况下挖净薯块；

b挖掘深度稳定不损伤薯块，并可根据需要进行调整；

c挖掘铲应有较强的碎土能力，对粘重土壤保证土垡能顺利通过，以便为分离薯块中的土壤提供有利条件；

d要求挖掘部件的牵引阻力小，刃口的耐磨性好。

为满足上述要求，采用了组合式挖掘部件。

这种挖掘部件由三角平面多铲、铲架和切土圆盘刀组成。

挖掘铲与铲架通过螺钉连接，铲架固定在机架上。

切土圆盘刀安装高度可调节。

3.1.1挖掘铲的设计

挖掘铲是挖掘机的主要部件，而挖掘铲的参数的选择是马铃薯挖掘机的设计基础。

3.1.1.1设计依据

主要依据是薯块的分布宽度、结薯深度和薯块成簇性等生长状况（图1）,以及土壤土质和根系的抓土程度。

按收获农艺相关指标——挖净率、伤薯率、明薯率等,对挖掘铲的设计要求是:

a将所有薯块掘起,保证挖净且不铲薯。

b能流畅地将掘起物送往分离装置。

c尽早漏土,减小挖掘阻力,避免机前壅土,且减小筛分部件负荷,提高整机收获的明薯率。

图1　马铃薯根系和薯块一般分布状况

固定式三角平面多铲是挖掘机的主要工作部件之一，结构比振动式挖掘铲和主动圆盘挖掘部件结构简单，制造方便，不需要动力传动。

其缺点是容易产生壅土现象。

壅土现象产生的原因：

a土壤板结，有大土块、大石块和杂草缠绕；

b悬挂连接尺寸不正确，挖掘铲工作倾角过大或过小；

c挖掘深度和前进速度超过设计值。

但在土壤条件好的情况下，正确使用挖掘机是可以避免和减少壅土现象发生的。

因此，固定式三角平面多铲在国内外仍得到广泛应用。

3.1.1.2平面铲主要参数的确定

三角平面多铲的铲面为平面，且常用在链杆式挖掘机上。

因此，该机采用三角平面多铲，由11个三角平面铲组成，材料为65Mn。

固定方式是通过铲柄固定在铲架上，并在各铲之间留有滑草间隙。

挖掘铲主要参数：

图2、图3

γ--铲刃斜角

α--铲的倾角

L--铲的长度

B--铲的宽度

h—铲后端高度

图2挖掘铲参数1

图3挖掘铲参数2

受力分析：

铲刃斜角γ为了保证铲刃的自动清理，可由图4的受力分析确定。

图四受力分析

图5铲尖受力分析

由公式P

sin（90°−γ）＞F

（1）

使土壤在铲刃上的滑切能力克服摩擦力，土壤与铲刃做相对运动。

公式中

P

—作用在铲刃的阻力（N）

F—土壤对铲刃的摩擦力（N）

F=Ntg

—土壤对铲刃的摩擦角

由摩擦定律知

F=Ntg

N=P

cos（90°-γ），

将其代入

（1）式得

γ＜90°-

（2）

一般土壤对铲刃的摩擦角为

=26.5°～35°，故取γ=55°为易。

γ过大，茎杆和杂草不能被切断，而且会引起铲前堵塞；但是γ减小时，要达到同样的挖掘宽度，则必须增加铲的长度，这会增加工作阻力，并且需加强铲的强度。

挖掘铲的倾角α和铲的长度L可由图（4）的受力分析求得。

根据土壤在挖掘铲上的受力分析可建立如下平衡方程式：

Pcosα−F−G

α=0（3）

N−Gcosα−Psinα=0（4）

F=

tg

（5）

式中

P—沿着挖掘铲移动掘起物所需的力（N）

N—铲对土壤的反作用力（N）

G—铲面上土壤的重力（N）

F—土壤对铲的摩擦力（N）

—土壤对铲的摩擦系数

将式（3）、（4）、（5）联立解得

（6）

P=Gtg（α+

）（7）

挖掘铲在工作过程中必然受到阻力的影响，工作阻力不仅只是由于铲起的土壤沿铲移动而产生的，同时，由于切割土壤的作用也会产生阻力，因此这部分力为

P

=KA（8）

如果不考虑土壤沿着铲面移动速度的影响，则铲的总阻力为

R=P+P

=Gtg（α+

）+KA（9）

式中

—土壤对钢的摩擦角

=tg

K—犁沟土壤比阻（N/m

）

轻质土K=16000～20000N/m

中等轻质土K=20000～24000N/m

中等坚实土K=24000～30000N/m

A—铲面上土壤的横断面积（m

）

铲面的水平倾角α的理论值可由图6中对铲面移动的掘起物作用力的平衡方程确定。

图6铲面水平倾角及铲的末端离地高度示意图

Pcosα-T-Gsinα=0

R-Gcosα-Psin=0

式中

P—沿铲面移动掘起物所需的力

R—铲面对土壤的反作用力

G—掘起物的重力

T—铲面对掘起物的摩擦力

T=R

（

为土壤对钢的摩擦系数）

由此可得

α=arctg（P－G

）/（P+G

）

如果超过上述值，则掘起物就会壅在铲面上，使薯块从铲侧滚落，同时也加大了工作阻力。

实际中，α角根据挖掘铲需要提升掘起物的高度和对松碎土壤的要求来确定，α角增大，有利于破碎土块，但铲的工作阻力增加；α角过小，影响入土深度。

根据试验，取α=18°～25°。

铲的长度L可由挖掘深度h与倾角α计算，

即：

L=h/sinα（10）

铲的宽度B为130mm，边铲取宽度B

=165mm，总铲宽度B

=1800mm。

由条件可知，所要求的挖掘深度h=200mm，在此深度条件下马铃薯才能完全从土壤里挖掘出来，且不致铲坏马铃薯。

取铲的倾角α=23°，

=30°（中等轻质土），则铲的长度L=355～650mm，取L=340mm；铲的总阻力R=35～42kN。

挖掘铲主要参数见表2：

表2挖掘铲主要参数

铲的倾角α

23°

铲的宽度B

130mm

边铲宽度B

165mm

总铲宽度B

1800mm

三角平面铲个数

11个（包括边铲2个）

铲间隙

27mm

铲的长度L

340mm

铲刃斜角γ

55°

挖掘阻力受土壤类型、挖掘深度、铲的形状和铲的倾角等影响很大，因此该机采用三角平面多铲，由11个三角平面铲组成，各单铲之间留有27mm的间隙，间隙过大，易漏掉马铃薯，间隙过小会增大挖掘阻力。

3.1.2切土圆盘的设计

在工作时，平面铲挖起的土垡容易散落在机器两侧，造成薯块丢