振动筛式花生收获机的设计与试验.pdf

第24卷第10期农业工程学报Vol.24No.101142008年10月TransactionsoftheCSAEOct.2008振动筛式花生收获机的设计与试验胡志超，陈有庆，王海鸥，张会娟，谢焕雄，田立佳（农业部南京农业机械化研究所，南京210014）摘要：介绍了4H-800型振动式花生收获机的总体结构、工作原理、技术特点以及关键部件结构与工作参数设计等。该设备主要由挖掘铲、单侧立式切割器、振动筛、驱振组件、行走轮、动力传动装置及机架等组成，与1113.2kW拖拉机配套使用，一次完成两行花生收获。试验和示范应用表明，该机具有作业顺畅、运行可靠、清土率高、损失率低等特点，纯生产率达0.1hm2/h、总损率1.5%、破损率0.1%、含土率7.5%，各项指标优于行业和地方标准规定。关键词：振动筛，收获机，机械化，花生中图分类号：S225.7文献标识码：B文章编号：1002-6819(2008)-10-0114-04胡志超,陈有庆,王海鸥,等.振动筛式花生收获机的设计与试验J.农业工程学报，2008，24(10)：114117.HuZhichao,ChenYouqing,WangHaiou,etal.DesignandexperimentalresearchonvibratingtypepeanutharvesterJ.TransactionsoftheCSAE,2008,24(10)：114117.(inChinesewithEnglishabstract)0引言花生不仅是优质油料作物，而且是主要的蛋白资源，加工品类多，产业链条长，现已成为中国重要的出口创汇产品和农业结构调整重点发展和扶持的种植品种。在消费结构和出口结构不断调整和优化的双重拉动下，花生生产得到长足发展，并逐渐向主产区相对集中，优势产业带基本形成。但是中国花生生产机械化发展却严重滞后，特别是用工量占生产全过程1/3以上、作业成本占生产总成本50%以上的收获作业，目前主要依靠人工完成，劳动强度大、作业成本高（雇人收获花生，已高达2700元/hm2）、效率低、损失大、成本高已成为生产发展与产业成长的主要瓶颈，国内对花生机械化收获技术装备的需求日趋迫切1-3。发达国家对花生收获技术与装备的研究开发，起步早、投入大、发展快，早已实现了专用化、标准化和系列化。中国对花生机械化收获的研制虽较早，但发展十分缓慢，近年来，随着花生收获机械市场需求的不断趋旺，花生收获机械的研究开发进入了一个新的发展时期。可实现挖掘、清土、铺放功能的花生收获机，具有无需自带动力、结构简单、价格低廉、使用成本低等特点，较适合现阶段中国农村经济条件，具有较好的市场需求。但是长期以来，由于对花生机械化收获技术缺乏深入系统的研究，壅土阻塞、秧蔓缠绕、适应性差、损失率高等机械化收获中存在的技术难题始终未能得到很好解决4-9。针对上述问题，结合“十一五”国家科技支撑课题“机械化挖掘收获技术研发与示范”，作者研制了一种可与1113.2kW拖拉机配套的4H-800型振动筛式花生收获机，并在花生主产区进行性能试验与生产考核。带立式单侧切割器的振动筛式花生收获机在国内还未见有报道。该设备已申报国家实用新型专利（一种振动筛式花生收获机、200720044074.0）。1总体设计与作业原理1.1花生收获机的主要任务与要求中国花生种植面积约为433万hm2，是世界第二种植大国10。中国花生种植相对集中1,2,10，主要在鲁、豫、冀、苏、收稿日期：2008-04-25修订日期：2008-08-10基金项目：国家“十一五”科技支撑计划重点项目（2006BAD28B06）作者简介：胡志超（1963），男，陕西蓝田人，研究员，博士生，主要从事农业机械化工程及农产品加工技术装备的研究。南京农业部南京农业机械化研究所，210014。Email：皖等省，连片种植比较普遍，但仍多以各家各户分散种植为主，多为多熟制，收获时间很短。花生种植多采用宽行窄株或宽窄行密植的种植方式，有垄作和平作之分，行距范围在300400mm，株距约为180mm，垄宽约600mm，结果深度范围为50120mm11-14。当前中国花生种植区域广、种植方式不一等特点，给花生的机械化收获造成较大困难，因此开发适应中国农村当前生产条件的花生收获机迫在眉睫。分段式花生收获机，其作业功能是完成挖掘、清土（秧土分离）和条铺（秧果成条铺放）15生产中对花生收获机的主要要求为：高效、顺畅、可靠、低损、低耗、简用、经济、广适。即生产率高；作业过程通顺流畅，秧、果、土、草、杂等在作业过程中不得有壅、堵、堆、卡、缠现象；收获过程中果实的埋、落、漏、夹、破等损失尽可能的小；功率消耗小；使用操作简单，设备价格低，使用成本小，对品种、种植情况、生长情况、田块大小、道路转移等适应性强。上述要求就是开发4H-800型振动筛式花生收获机的总体指导思想。1.2总体设计简介该机主要由挖掘铲、立式单侧切割器、驱振组件、振动筛、行走轮、传动装置及机架等组成，采用三点悬挂方式与1113.2kW的小型拖拉机实现挂接，具体结构如图1所示。挖掘铲的作用是铲断花生主根、掘起秧土，并将掘起的土壤和花生秧果传输到清土装置上。对挖掘铲的要求是前行阻力小、挖掘深度稳定、耐磨损、碎土性好、自洁性好、制作工艺方便等。本机挖掘铲采用整体单铲式平铲，并在其后端设有碎土栅，以增加其破碎土功能，也是花生秧果从挖掘铲升运到振动筛的衔接部件。挖掘铲选用优质合金钢制成，固定连接在机架的前下部。花生收获机的清土装置目前主要有抖动升运链式和振动筛式两种，振动筛式结构紧凑、清土效果好、伤果率低等特点，但较抖动升运链式整体震动较大。综合考虑本设计采用振动筛式清土装置，振动筛栅条为纵向排布，栅条中心距可以根据当地花生品种（主要是花生果大小）来确定，为便于将花生秧果成条铺放到远离未收取区的已收区，振动筛设计为侧尾下倾式，振动筛通过机架两侧的连杆与机架铰接，由前上部的偏心驱振装置驱动作往复振动，驱振装置上配有偏心平衡块装置。为防止作业时秧草缠绕设备和机器内侧挑邻行花生秧蔓，在后视左侧前方设有立式切割器，切割器选用稻麦收割获机常用切割器。传动系统采用多级链带组合传动，分别将拖拉机的输出动力传输到侧向切割器与筛动装置。设备两侧配有充气式橡胶行走轮，通过调节行走轮在机架上的安装位置(高度)来调节挖掘深度，行走轮直径为405mm，宽度为100mm。第10期胡志超等：振动筛式花生收获机的设计与试验1151皮带轮2链轮d3链条4连杆5偏心块6链轮c7悬挂支撑8拉簧9皮带10皮带压紧机构11碎土栅12链条13机架14挖掘铲15切割器组件16连杆17行走轮18连杆19振动筛图1振动式花生收获机结构简图Fig.1Structuraldiagramofvibratingtypepeanutharvester1.3作业原理4H-800型振动筛式花生收获机作业时，拖拉机带动收获机具前行，挖掘铲以一定角度铲入土中（挖掘深度通常在100150mm），将花生主根切断，并将掘起的土壤和花生秧果输送到振动筛上；同时，立式切割器将收区与未收区相邻行间相互牵扯在一起的杂草和秧蔓及时切断，以防止机器因秧草缠绕而受阻和挑邻行。掘起的土壤和花生秧果进入往复运动的振动筛，将花生和沙土不断地向后振动输送，大部分沙土被振落至筛下，实现清土目的，花生秧果和少部分未去除的沙土随后从振动筛的侧尾端被抛送到已收区，实现成条铺放，待田间晾晒后再进行拣拾作业。行走轮安装在机架上，通过选用不同的定位孔可调节行走轮的安装高度，调节挖掘铲的挖掘深度和入土角。本机的主要特点：采用侧尾振动筛清土装置，清土效果好、条铺效果好、可靠度高、损失率低；因侧边配置立式切割器，可及时切断邻行间相互牵扯在一起的杂草和秧蔓，从而可有效排除秧草缠绕阻隔与挑邻行问题，提高作业顺畅性和降低收获损失；偏心块与振动筛采用等惯量反配置自平衡设计，不仅可同时实现清土和输送一体化功能，而且具有震动小、运行平稳可靠、驾乘舒适等特点；通过调节行走轮安装高度，来调整挖掘深度和挖掘铲入土角，操作简单方便；1113.2kW拖拉机即可带动，与现阶段大多数农户拥有的小四轮拖拉机相适应，具有适配动力广，投资少，收效快等特点。2主要参数确定与关键部件设计2.1主要参数确定参照相关花生收获机的技术参数和双行振动式马铃薯挖掘机功率选定原则9,16,17，本设备适配动力功率为1113.2kW的拖拉机，每次收两行，预期生产率为：0.070.1hm2/h，根据花生主产区种植的宽窄行距实际情况，选定作业幅宽为800mm，因此确定挖掘铲的宽度为800mm，同时采用入土角与振动筛升运角一致设计原则，选定挖掘铲入土角为1816。挖掘深度设计为80200mm可调，通过调节行走轮在机架上的上下安装位置实现。2.2传动系统与振动筛组件传动系统配置如图2a所示，链轮d与皮带轮同轴，主传动轴上安装有链轮a、链轮b、偏心块（曲柄），链轮a与链轮d构成一组链传动，链轮b与链轮c构成另一组链传动。动力由拖拉机带轮传入安装在机架上的皮带轮，再由链传动至主轴，主轴上动力一分为二，一路传至偏心连杆，使立式割刀的动刀组作上下往复运动，完成对缠绕秧、草的切割；另一路传至振动筛体。振动筛体通过机架两侧的连杆、连杆悬挂在机架下部。作业时，连杆在曲柄回转运动的带动下，使得连杆来回摆动，并使振动筛按确定振幅作往复振动，以实现清土、输送和条铺秧果。拉簧最大拉力为650N，其作用是用来减小筛体自重对振动平衡性的影响。1拖拉机带轮2皮带轮3链轮d4机架5链轮a6主传动轴7链轮c8偏心连杆9连杆10连杆11偏心块（曲柄）12链轮b13连杆14拉簧15振动筛图2动力传动配置与振动部件Fig.2Schematicoftransmissionsystemandvibrationcomponent116农业工程学报2008年振动筛的振动频率和振幅大小对设备的清土效果、输送顺畅性以及机具震动性、可靠性等影响很大。振动筛对物料的抛掷力与筛动频率的二次方和振幅的一次方乘积成正比，综合考虑，并比照多种同类机型，本设计采用大振幅低频率型振动筛结构形式，振动筛的振幅选定为32mm，拖拉机一档行驶时，振动筛的振动频率为：260r/min。2.3立式切割器立式切割器结构如图3所示，型号为标准型，割刀行程为76.2mm，有效切割高度选定为：350mm，割刀频率选定为940r/min(切割速度约为1.2m/s)。切割器有5组动刀片、4组护刃器，动刀组嵌套在护刃器槽内，压刃器和限位板确保动刀与护刃器的直槽边无缝接触，其中护刃器、压刃器、限位板、调整垫、连接板等均固定在割刀架上，而槽内的动刀则可上下运动，导向杆下端与动刀组固定连接，上端套在导向管内，同时动刀组与图2中的偏心连杆相连接，在偏心连杆的往复运动作用下，并受导向管的方向约束，动刀组在垂直方向作往复运动。机具作业时，切割器可及时切断邻行间相互牵扯在一起的杂草和秧蔓，有效排除秧草缠绕阻隔与挑邻行问题，提高作业顺畅性和降低收获损失。图3切割器Fig.3Cutterdevice3试验与示范应用情况4H-800型振动式花生收获机由农业部南京农业机械化研究所设计、开封市茂盛机械有限公司制造生产，在花生主产区河南杞县进行试验和示范应用。试验花生品种为鲁花7号，为机播种植，如图4所示，采用宽窄行垄作，宽行距为450500mm，窄行距为250300mm，沟宽为200250mm，垄顶宽为550600mm，垄底宽为650700mm，平均株距为200mm，植株特征：平均株丛高度为450mm，株丛范围150200mm，结果深度60100mm，平均结果范围为200mm。试验时，采用13.2kW的拖拉机作动力，作业幅宽为800mm，前进速度1.2m/s，一次收获1垄2行。试验表明，该机作业顺畅、性能稳定、可靠性好，性能检测结果如表1所示。与人工收获相比，可节省60以上工时，降低生产成本。该机2007年在河南省开封等地花生主产区进行了示范，累计示范面积达10hm2，取得了较好的社会效益和经济效益。图4花生种植形式示意图Fig.4Schematicofpeanutplantingtype表1性能考核技术参数Table1Specificationsofthepeanutharvestertesting检测项目本机结果行业标准配套动力/kW13.2总损失率/%1.55破损率/%0.11含土率/%7.520纯生产率/hm2h-10.1收获幅宽/mm8004结语研制成功的4H-800型振动筛式花生收获机适用于花生分段收获作业模式，可完成花生挖掘、清土、铺放功能，本机用于花生收获，节省工时，减缓农村劳力不足，降低收获作业成本。试验和示范应用表明该设备具有作业顺畅、运行可靠、损失率低、效率高、适配动力广等特点，纯生产率达0.1hm2/h、总损率1.5%、破损率0.1%、含土率7.5%，各项指标优于行业标准规定。参考文献1尚书旗，王方艳，刘曙光，等花生收获机械的研究现状与发展趋势J农业工程学报，2004，20(1)：20252胡志超，王海鸥，彭宝良，等国内外花生收获机械化现状与发展J中国农机化，2006，（5）：40433余泳昌，刘文艺，冯春丽花生收获机械发展与应用现状J山东农机，2005，(6)：10114胡志超，彭宝良，尹文庆，等4LH2型半喂入自走式花生联合收获机的研制J农业工程学报，2008，24(3)：1481535赵荣东发展花生收获机械化迫在眉捷J农业机械，2004，(9)：46尚书旗，王方艳，刘曙光花生生产机械化的应用现状与进展分析J花生学报，2003，11：5095177尚书旗，王延耀，周亚龙花生收获机的应用现状与推广J农机科技推广，2004，(8)：10118尚书旗，刘曙光，王方艳，等花生生产机械的研究现状与进展分析J农业机械学报，2005，36(3)：1431479尚书旗，周亚龙，王晓燕，等三种花生收获机的作业性能对比试验研究J农业工程学报，2008，24(6)：15015310张智猛，胡文广，许婷婷，等中国花生生产的发展与优势分析J花生学报，2005，34(3)：61011顾克军，杨四军，李博，等几个特色花生新品种（系）特征特性及其配套栽培技术J江苏农业科学，2006，（6）：868812吕翠芳春花生高产栽培技术J河北农业科技，2007，（4）：813王冠华，陈宗法，胡明娟，等绿色食品花生高产栽培技术J江苏农业科学，2007，（1）：404114黄从福，段解良，谈胜，等花生高产栽培及配套的病虫防控技术J湖北植保，2007，（3）：394015NY/T502-2002，花生收获机作业质量标准S16中国农业机械化科学研究院农业机械设计手册：下册M北京：中国农业科学技术出版社，2007第10期胡志超等：振动筛式花生收获机的设计与试验11717尚书旗，王建刚，王方艳，等4H2型花生收获机的设计原理及运动特性分析J农业工程学报，2005，21(1)：8791DesignandexperimentalresearchonvibratingtypepeanutharvesterHuZhichao,ChenYouqing,WangHaiou,ZhangHuijuan,XieHuanxiong,TianLijia(NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanization,MinistryofAgriculture,Nanjing210014,China)Abstract:Theoverallstructure,workingprinciple,technicalfeatures,struc