（机械制造及其自动化专业论文）木薯收获机挖掘部件的研究设计.pdf

- 嬲煳螋 c i a s s i f i e dl n d e x ： t h 6 s e c u r i t yc l a s s i f i c a t i o n ： u d c ： 6 2 1 s e c u r i t yp e r i o d ： d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e r sd e g r e e t h er e s e a r c ha n dd e s i g no f c a s s a v ah a r v e s t e rd i g g i n g c o m p o n e n t s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： s p e c i a l i t y ： r e s e a r c hf i e l d ： u n i v e r s i t y ： 一 s u b m i s s i o nd a t e ： j i a n gz h i g u o p r o f h u a n gh u i e n g i n e e r i n g t r o p i c a la g r i c u l t u r a le q u i p m e n t a n da u t o m a t i o n g u a n g d o n go c e a nu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 广东海洋大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：商志园 2 0 。年月房e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权广东海洋大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：稳固 刷槛名凌晖 2 0 o 年6 月伶日 2 0 r 口年月，乡日 木薯收获机挖掘部件的研究设计 摘要 木薯是世界三大薯类作物( 木薯、马铃薯、甘薯) 之一，也是全球年产超亿吨的七 大作物之一，是许多热带、亚热带地区国家重要的热能来源，也是重要能源性物质。 木薯在我国热作产业中占有重要的地位，近年来随着木薯淀粉、酒精及其深加工业的 发展，尤其是木薯酒精作为燃料乙醇被添加到汽油、柴油中使用，我国木薯种植面积 迅速扩大，目前面积产量仅次于甘蔗、橡胶。但我国木薯生产机械化程度极低，除耕 整地外，其余主要依赖低效的人畜作业。木薯收获产品主要是地下的块根，块根收获 量大，但多数采用手工作业，致使块根挖掘成为当前木薯生产中占用劳动力最多、劳 动强度最大的一项作业，其生产率极低，作业成本高，块根损失、损伤大。 本文针对目自i 中国木薯的栽培方式和种植特点，结合分析国外的木薯收获机械， 设计了一种新型的木薯挖掘装置。 论文通过对不同设计方案的理论分析和论证，确定了木薯挖掘装置动力传动系统 和挖掘分离机构的配置形式，在经过了对结构与运动参数、运动机理的可行性分析与 验证后，将该装置进行了试制与多次用问试验。本文主要研究内容如下： 1 对木薯挖掘装置结构原理及运动特性进行了详细的理论分析，剖析了挖掘部件 的运动特性，确定了影响挖掘性能的土壤参数和各部件参数； 2 通过多次试验，首先在不考虑土壤类型、土壤切削阻力、内摩擦、粘附力、内 聚力等因素的情况下建立块根与土壤沿铲面移动所需力的数学模型，研究各参数对其 性能的影响，然后在考虑土壤类型、土壤切削阻力、内摩擦、粘附力、内聚力等因素 的情况下建立牵引力的数学模型，分析各参数对牵引力的影响，利用m a t l a b 将各 性能曲线可视化： 3 应用l s d y n a 软件建立挖掘铲和土壤的数学模型，在设定土壤参数和部件参 数的前提下进行运动仿真分析，在后处理软件中将挖掘铲的速度、加速度和位移曲线 输出，能够比较直观的观察挖掘铲在入土之后的运动情况，为进一步的理论研究和机 构优化提供了可靠依据。 4 对木薯挖掘装置进行罔问试验，以木薯的损失率作为衡量性能的主要指标，试 验结果表明：新型木薯挖掘装置的参数选取合理，具有较好的挖掘性能和较高的作业 效率。 研制成功的木薯挖掘装置，其功耗小、效率高、收获损失少、整体结构紧凑、入 土方便、性能可靠、制造成本低、调整使用方便。其创新点主要表现在：挖掘铲入土 部分采用入土齿，大大减小了入土时的土壤阻力，挖掘铲尾部采用了分离栅条，将木 薯的挖掘和除土融为一体，简化了作业工序。 关键词：木薯，挖掘部件，设计，入土，l s d y n a i l t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fc a s s a v ah a r v e s t e rd i g g i n g c o m p o n e n t s a b s t r a c t c a s s a v ai so n eo ft h ew o r l d st h r e em a jo rp o t a t oc r o p s ( c a s s a v a ，p o t a t o e s ，s w e e t p o t a t o e s ) a n dt h ew o r l d s a n n u a lo u t p u to fo v e rs e v e nm i l l i o nt o n so fc r o p s i ti sa n i m p o r t a n te n e r g ys u b s t a n c e sa n di m p o r t a n te n e r g y s o u r c ea l s oi nt h er e g i o no fm a n y t r o p i c a la n ds u b t r o p i c a lc o u n t r i e s i nc h i n a c a s s a v ap l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nh e a tf o r i n d u s t r i a l i nr e c e n ty e a r sc u l t i v a t i o no fc a s s a v ai nc h i n ah a se x p a n d e dr a p i d l ya l o n gw i t h c a s s a v as t a r c h ，a l c o h o la n di t sd e e pp r o c e s s i n gi n d u s t r yd e v e l o p m e n tp a r t i c u l a r l yc a s s a v a e t h a n o le t h a n o li sa d d e dt og a s o l i n ea n dd i e s e lf u e la sf u e la n dt h ec u r r e n ty i e l di ss e c o n d o n l yt os u g a r c a n ea n dr u b b e r h o w e v e r , c a s s a v ap r o d u c t i o nm e c h a n i z a t i o ni nc h i n ai sv e r y l o w ，t h er e s tr e l ym a i n l yo nl i v e s t o c ko p e r a t i o n si n e f f i c i e n ti na d d i t i o nt ot i l l a g el a n d t h e c a s s a v ah a r v e s tp r o d u c ti sm a i n l yt h eu n d e r g r o u n dr o o tt u b e r t h er o o tt u b e rh a r v e s ty i e l d i sb i g ，b u tm o s tw o r ki sc a r r i e do nb yh a n dw h i c hr e s u l t sr o o te x c a v a t i o nb e c o m e st h e l a r g e s tj o bo ft h eo c c u p i e dl a b o rf o r c ea n dl a b o ri n t e n s i t yi nt h ep r o d u c t i o no f c a s s a v a t h e c a s s a v ah a r v e s tp r o d u c t i v i t yi se x t r e m e l yl o w , t h ec o s to fo p e r a t i o ni sh i g h ，t h er o o tt u b e r l o s e sa n dd a m a g e sa r eg r e a t t h i sa r t i c l eh a sd e s i g n e dan e wt y p eo fc a s s a v am i n i n ge q u i p m e n tc o m b i n e dw i t h a n a l y s i so ff o r e i g nc a s s a v ah a r v e s t e ri nv i e wo ft h ep r e s e n tc h i n e s ec a s s a v a sc u l t i v a t i o n w a ya n dt h ep l a n t e rc h a r a c t e r i s t i c t h ep a p e rh a sd e t e r m i n e dt h ec a s s a v ae x c a v a t i n gg e a rd r i v e t r a i na n dt h ee x c a v a t i o n t r i p p e r sd i s p o s i t i o nf o r mb yd i f f e r e n td e s i g no ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da r g u m e n t a t i o n a f t e rt h ea n a l y s i sa n dt h ec o n f i r m a t i o no ft h es t r u c t u r ea n dt h ep a r a m e t e ro fm o v e m e n ta n d t h em o v e m e n tm e c h a n i s m sf e a s i b i l i t y , t h i se q u i p m e n th a sc a r d e do nat r i a lp r o d u c t i o na n d f i e l dp e r f o r m a n c et e s tm o r et h a no n c e t h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s ： 1 t h ea r t i c l eh a sc a r r i e do nt h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h ec a s s a v ae x c a v a t i n g g e a r ss t r u c t u r ep r i n c i p l ea n dt h es t a t eo fm o t i o n ，a n a l y z e du n e a r t h e dp a r t ss t a t eo fm o t i o n a n dh a sd e t e r m i n e dt h es o i lp a r a m e t e ra n dv a r i o u sp a r t sp a r a m e t e rt h a ta f f e c tt h em i n i n g p r o p e r t i e s 2 t h r o u g hm u l t i p l ep a r a m e t e rt e s t s ，t h e a r t i c l ef i r s te s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h en e c e s s a r yf o r c em o v i n ga l o n gt h es h o v e ls u r f a c ew i t h o u tc o n s i d e r i n gt h es o i l t y p e ，s o i lc u t t i n gr e s i s t a n c e ，i n t e r n a lf r i c t i o n ，a d h e s i o n ，c o h e s i o na n do t h e rf a c t o r sa n d l l i 一 s t u d i e st h ee f f e c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r so ni t sp e r f o r m a n c ea n dt h e ne s t a b l i s h e s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef o r c et r a c t i o nc o n s i d e r i n gt h es o i lt y p e ，s o i lc u t t i n gr e s i s t a n c e ， i n t e m a lf r i c t i o n ，a d h e s i o n ，c o h e s i o na n do t h e rf a c t o r st oa n a l y z et h ee f f e c t so fv a r i o u s p a r a m e t e r s o nt h et r a c t i o n ，a t l a s tu s e sm a t l a bt om a k ep e r f o r m a n c ec u r v et ob e v i s u a l i z a t i o n 3 u s i n 2t h el s d y n as o f t w a r e ，t h ea r t i c l ee s t a b l i s h e se x c a v a t i o ns h o v e la n dt h es o i l m a t h e m a t i c a lm o d e l ，c a r r i e so nt h em o v e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i su n d e rt h ep r e m i s eo f s e t t i n gt h ep a r tp a r a m e t e r sa n ds o i lp a r a m e t e r t h es h o v e l ss p e e d ，t h ea c c e l e r a t i o na n d t h e d i s p l a c e m e n tc u r v ew i l lb eo u t p u t e di nt h ep o s t p r o c e s s i n gs o f t w a r e i t i se a s yt oo b s e r v e t h em o v e m e n ts i t u a t i o no fd i g g i n gs h o v e la f t e rb e i n gb u r i e da n dh a sp r o v i d e dt h er e l i a b l e b a s i sf o rt h ef u r t h e rf u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n d t h eo r g a n i z a t i o no p t i m i z a t i o n 4 t h ec a s s a v ae x c a v a t i n gg e a ri sc a r r i e do nt h ef i e l de x c a v a t i o np e r f o r m a n c et e s ta n d t a k e sa n dd a m a g er a t ea sk e yi n d i c a t o r st om e a s u r ep e r f o r m a n c e t e s tr e s u l t ss h o w st h a t ： t h en e wc a s s a v ae x c a v a t i o ne q u i p m e n tp a r a m e t e rs e l e c t i o ni sr e a s o n a b l ea n dh a st h eg o o d e x c a v a t i o np e r f o r m a n c ea n dh i g hd i g g i n ge f f i c i e n c y t h i sa r t i c l ed e v e l o p st h es u c c e s s f u lc a s s a v ae x c a v a t i n gg e a rw h i c hp o w e rl o s si ss m a l l ， t h ee f f i c i e n c yi sh i g h ，t h eh a r v e s td a m a g e sa n dm a n u f a c t u r i n gc o s ta r el o w , t h eo v e r a l l s t r u c t u r ei sc o m p a c t i ti se a s yt oa d j u s ta n dh a sr e l i a b l ep e r f o r m a n c e i t si n n o v a t i o nm a i n l y d i s p l a y si n ：d i g g i n gs h o v e lb u r i e dp a r ti sb u r i e dt e e t h w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h er e s i s t a n c e o ft h es o i lw h e nb u r i e d ，d i g g i n gs h o v e lt a i lu s i n gs e p a r a t et r a s hr a c kw i t hs e p a r a t i o n ， m i n i n ga n dc a s s a v ar e m o v e rs i m p l i f i e st h ej o bs t e p k e yw o r d s ：c a s s a v a ，m i n i n gp a r t s ，d e s i g n ，b u r i e d ，l s _ d y n a i v 目录 l 引言l 1 1 研究的目的与意义1 1 1 1 中国木薯生产现状3 1 1 2 中国木薯种植方式3 1 1 3 木薯生产机械化的现状3 1 2 木薯收获机械挖掘部件的研究现状4 1 2 1 国外研究现状5 1 2 2 国内研究现状6 1 3 研究目标7 1 4 研发面临的难点7 1 5 本章小结8 2 木薯收获机挖掘部件的设计思想和分析依据9 2 1 设计思想9 2 2 挖掘装置结构形式的确定9 2 3 辅助分析依据1 0 2 3 1 木薯的种植生长状态1 0 2 3 2 土壤物理力学性质1 0 2 3 3 块根的物理性质1 8 2 3 4 挖掘部件技术性能指标1 9 2 3 5 配套动力参数确定0 00 0 1 9 2 4 本章小结1 9 3 木薯收获机挖掘部件结构特点、作业原理和参数分析2 1 3 1 挖掘部件的结构特点与作业原理2 1 3 2 影响挖掘性能的参数分析2 2 3 2 1 土壤的状态参数2 3 3 2 2 工作部件的参数2 3 3 3 本章小结3 2 4 挖掘铲阻力模型的建立与分析3 4 4 1 理想状态下挖掘铲阻力3 4 4 2 挖掘铲加载土壤的阻力模型3 5 4 3 性能曲线分析4 3 4 4 本章小结4 4 5 挖掘部件l s - d y n a 运动仿真分析4 5 5 1 软件介绍4 5 5 2 建立木薯挖掘铲与土壤的分析模型4 6 5 2 1 分析环境设置4 6 5 2 2 定义土壤和挖掘铲的单元类型4 6 5 2 3 定义土壤和挖掘铲的材料类型4 6 5 2 4 建立挖掘铲和土壤的几何模型4 7 5 2 5 对土壤和挖掘铲几何模型进行网格划分4 7 5 2 6 建立p a r t 4 8 5 2 7 定义挖掘铲和土壤的接触信息4 8 5 2 8 定义挖掘铲边界约束条件4 9 5 2 9 定义土壤的约束条件4 9 5 2 1 0 定义挖掘铲的初始速度4 9 5 2 11 读入结果文件并分析4 9 5 3 本章小结5 2 6 试验结果和分析5 3 6 1 试验目的5 3 6 2 试验方法5 3 6 3 试验条件5 3 6 3 1 土壤含水率的测定5 4 6 3 2 木薯种植生长情况测定5 4 6 4 试验结果5 6 6 4 1 生产率测定5 6 6 4 2 单位面积燃油消耗量测定5 6 6 4 3 损失率测定5 6 6 4 4 作业速度测定5 6 6 4 5 耕深及稳定性测定5 7 6 5 试验结果分析5 9 6 6 本章小结5 9 7 结论与建议6 0 7 1 主要结论和成果6 0 7 2 今后的研究方向和建议6 0 参考文献6 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 6 致 射6 7 作者简介6 8 导师简介一6 9 广东海洋大学硕士学位论文 1 引言 木薯是种神奇的植物，也是我国的主要热带作物之一，从我们早上起来使用的牙 膏，到食品添加剂，再到办公室使用的器材以及我们身上穿的衣服，动物所食用的饲 料，都离不开木薯。其产品用途和涉及领域广泛，已经成为与国计民生、人们生活息 息相关的重要资源，木薯的主要用途是食用、饲料用和工业上的开发利用。木薯块根 是最重要的部分，不仅可作为人类食品，而且可作为工业应用，块根淀粉是工业上主 要的制淀粉原料之一【l 】。全世界木薯的6 5 用于人类食物，是热带湿地低收入农户的 主要食用作物。在当前世界食品及能源危机下，木薯作为一种新兴的生物能源，是一 种很好的替代产品，但当前国内木薯收获基本上是靠人工作业，收获劳动强度大，工 作效率低。因此用机械化代替人工收获是必然方向。 1 1 研究的目的与意义 木薯，又称树薯、树番薯、木番薯，有“地下粮仓”、“淀粉之王 和“特用作物” 之誉称，与甘薯、马铃薯并称为世界三大薯类，也是世界上年产量超过亿吨的七大农 产品之一。如图卜1 和卜2 所示为木薯的田间生长情况和块根示意图。 木薯收获机挖掘部件的研究设计 图卜2 木薯块根示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fc a s s a v ar o o t 目前，全球约有9 0 多个国家种植木薯，主要为发展中国家，并主要集中在非洲 和南美洲，约占世界木薯产量的7 0 。世界上木薯产量最大的国家是尼日利亚，达 3 3 0 0 多万吨，其次为巴西、泰国、印尼、刚果。发达国家倾向于进口木薯以及初级 加工产品用作进一步深加工的原料。据世界粮农组织( f a o ) 统计，中国是最大的木 薯进口国。2 0 0 6 年1 1 1 月份中国进口木薯达4 5 1 1 万吨，创造了同期木薯进口量的 最高水平，而且比2 0 0 5 年全年进口量高出1 1 9 万吨，增长幅度为3 6 ，表明了国内 对木薯的需求量呈快速增长趋势。 我国随着木薯淀粉、酒精及其深加工业的发展，尤其是近年来木薯酒精作为燃料 乙醇被添加到汽油、柴油中使用，使市场对木薯原料的需求十分强劲。为了促进生物 燃料的发展，我国在可再生能源长期发展规划中提出：2 0 2 0 年生物燃料要替代石油 1 0 0 0 万吨以上，目前己在广西等地建设以木薯为原料的燃料乙醇示范项目。 近年来随着城市化进程的加快，从事农业生产的劳动力越来越紧缺，尤其是木薯 收获季节，不少种植户不得不高价雇用外来民工。而外来民工工资上涨，粮食、住房 等问题都待解决，这在一定程度上进一步增加了木薯生产成本；同时因与甘蔗收获与 种植季节相重叠，劳动力供给不稳定，致使木薯生产成本不断上升。并且热带农业劳 动力结构性短缺还将同渐突出，为减轻劳动强度，缓解劳动力紧缺，提高生产效率， 降低生产成本，推进木薯生产全程机械化已十分迫切，而木薯收获机械技术是制约木 薯生产全程机械化的一个瓶颈。 2 广东海洋大学硕士学位论文 随着我国经济的快速发展，能源需求不断增长，木薯种植面积不断扩大。目前， 国内木薯专用收获机械还处于研发与试验阶段，市场上没有成熟的机型。木薯块根在 地下生长的大小、长度不一，并且向四处延伸，且块根较脆，挖掘难度较大，是收获 过程中较难的一个环节，机具前进时所受的阻力主要是土壤对挖掘部件的阻力。但由 于对挖掘部件缺乏相关理论基础和技术手段还欠完善，这制约了木薯收获机械的研 制。因此研制合理的适用的收获机械和实现高效率的木薯收获关键在于挖掘部件和对 其机理的研究。 1 1 1 中国木薯生产现状 木薯目6 ，j 主要在广西、海南、云南和广东省种植，但是它能够在新开垦的荒地种 植，适宜我国长江以南的广大地区1 2 j 。2 0 0 5 年我国木薯种植面积约6 0 力公顷，总产 量11 0 0 万吨。2 0 0 7 年种植面积扩大到了7 8 0 力亩，总产量达1 0 0 0 万吨。2 0 0 9 年则 达8 9 0 万亩，木薯在我国热作产业中占有重要的地位，面积产量仅次于甘蔗、橡胶。 但我国鲜薯原料仍严重不足，每年都要拿出大笔外汇进口木薯干片和淀粉。因而木薯 种植在我国发展自i f 景十分广阔。 广西是我国最大的木薯生产基地，木薯种植面积和产量均占全国总量7 0 左右。 2 0 0 8 年广西木薯种植面积3 6 0 万亩，产量4 5 3 万吨。2 0 0 9 年，广西木薯种植面积6 0 0 万亩。农业部计划，到2 0 1 5 年，将全国木薯种植面积从目6 ，j 的近9 0 0 万卣增) j u - n1 5 0 0 万亩，同时通过良种良法，提高木薯单产，将木薯产量提高到3 0 0 0 万吨。 1 1 2 中国木薯的种植方式 木薯种植方法主要有三种：平放、斜插和直插1 3 j 。 ( 1 ) 平放 平放是将种茎平放，浅埋于植穴或植沟中，平放可四周结薯，浅生，水平分布， 容易收获，生产上多用此法。 ( 2 ) 直插 直插乃将种茎垂直插植于土中，种茎的1 3 露出表土或全部埋入土中，直插出苗 早而齐，结薯多，入土较深，抗旱抗风性能较强，但薯块大小不均匀，种植时花工多， 收获也较困难。 ( 3 ) 斜插 斜插是将种茎呈1 5 0 _ 4 5 0 角斜种于植穴或植沟中，种茎的1 3 露出表土或全部埋 于土中，斜插出苗快，出苗率高，能保证全苗，薯块多朝一个方向伸展，收获方便， 其抗旱抗风性能介于平放和直插之间。 1 1 3 木薯生产机械化的现状 随着木薯种植面积的不断扩大和农村劳动力的转移，木薯生产机械化的问题就显 得尤为重要。 在中国，木薯机械化技术总的来说进度还是很慢。在种植方面主要体现为：南方 木薯收获机挖掘部件的研究设计 土地分散，土壤以红土为主，粘、酸、贫瘠，土壤比阻大，多为山坡地形，对机具的 材料要求高。根据中小动力拖拉机保有量多的特点，该类机械以小四轮拖拉机为牵引 动力，在一定程度上能够解决木薯人工或畜力播种劳动量大和生产率低下的问题。 目前，我国在木薯的加工方面已有了较多技术成熟的机械如木薯切片机，木薯清 沈装置，木薯粉烘干设备等，这些设备的出现大大推动了木薯加工产业的发展，木薯 加工已经初具规模并向成熟化发展。 相比之下，中国木薯收获的机械化水平低下则极大地影响了木薯产业的发展1 4 j 。 木薯收获产品主要是地下的块根，块根收获量大，但多数采用手拔，一个壮劳力一天 最多只能拔一亩，而且要等下雨天泥土松软时彳好丌工，也有部分地区人工先砍去茎 杆，然后采用畜力或在拖拉机装上没有翻土板的犁头，将块根两侧的表层土壤犁松后 再用手拔，另外采用锄头等工具挖掘或采用简单的拔薯j 具协助手工拔。而从国外引 进、消化吸收的机型则由于不符合中国图情或动力消耗大、作业效果较差等原因，没 有形成较大的生产和使用规模，这就使中国的木薯收获机械与装刮气6 - 7 j 的研发多年来 一直徘徊不前，与国外存在很大的差距。 国外，巴西、尼同利亚、古巴、马柬两亚、泰国等国多年来虽对木薯机械化收获 技术进行了一定研究，但多数仍存在适应性不强、可靠性较差等问题，致使现有收获 机械主要是在较容易收获的条件下应用。当土壤干旱板结，或雨季潮湿泥泞、土壤粘 性较大时，或地块杂草丛生时，则适应性差、可靠性低，影响到大面积推广应用。 总之，中国现阶段木薯收获方法的落后带来了各方面的问题，大体上表现为人工 收获劳动强度大，效率低下。长期以来，木薯的收获都是靠人工完成的，特别是近几 年来随着农村剩余劳动力的转移，这一矛盾更加突出。 当前木薯收获环节是用工量最大的环节。加之木薯块根较大，在地表下的分布又 不规则，且肉质松脆，从而致使不仅收获效率低，块根损伤也大【8j 。以上因素在一定 程度上极大的影响了薯农的生产积极性，薯农迫切要求用机械代替人工收获，并且在 木薯收获季节，由于收获效率低，所耗时| 日j 较长，导致很多木薯在地下发芽甚至腐烂， 造成木薯产量的减少。 所以，设计、研制新型的符合中国国情的木薯收获装置是提高中国木薯生产机械 化水平的关键1 9 j 。 1 2 木薯收获机械挖掘部件的研究现状 木薯挖掘在木薯块根的成熟期，挖掘时挖掘铲以一定的入土角进入土壤，随着机 组自订进，楔形挖掘铲以一定的速度水平自订迸和达到一定的深度，当入土角减小到零， 挖掘铲到达预定深度，此时整个挖掘铲在木薯块根底部运动，实现块根与土壤的分离 【1 0 ，i l 】 0 挖掘过程大致经历以下几个步骤，如图卜3 所示： 4 广东海洋大学硕士学位论文 图l 一3 小薯挖掘铲的挖掘过程 f i g 1 3 c a s s a v ad i g g i n gs h o v e lm i n i n gp r o c e s s 木薯挖掘部件结构形式目前主要有楔形工作面和v 形工作面，不同的结构形式 具有不同的工作原理，受力差别很大，受力分析不同，本课题设计的挖掘铲为水平楔 形，因此将对这一类型作为分析的对象。 1 2 1 国外研究现状 在国外，对木薯收获机械的研发从未停止过，但多为发展中国家，技术力量普遍 比较薄弱。泰国、巴西、尼同利亚、哥伦比亚、马来函亚在木薯收获机械的研发方面 一直走在世界的前列，相继研发出了多种收获机型，不同的机型采取不同的挖掘装置， 但都是以减小挖掘阻力和提高生产效率为主要目标f 1 2 限m 】，但多数仍存在适应性不 强、可靠性较差等问题。 哥伦比亚研制的p 9 0 0 型两行木薯收获机，重为2 0 0k g ，生产率为5 - 8h m 2 d ( 8h ) ， 采用机组牵引的方式，挖掘部件为v 形挖掘铲，前进时v 形挖掘铲从木薯块根底部 通过，实现木薯与土壤的分离，能同时作业两行木薯( 行距为8 0 1 0 0c m ) ，作业后木 薯块根留在原地。 马来西亚农业研究与发展研究所研发的两种木薯挖掘机，即m a r d i 木薯挖掘机 和a p i 木薯挖掘升降机。 m a r d i 为机挂机械，生产率在o 1 3 o 1 8h m 2 h 之问，使用可靠性为8 2 - 9 2 。 挖掘部件为丑、t u 炯l l i 带有v 形齿的整体主刀结构，机组自订进时，v 形齿辅助主刀更好的 入土，整个主刀在木薯块根底部运动，实现木薯与土壤的分离。 a p i 为半悬挂式拖拉机装置，它在挖掘、提升木薯并抖落木薯上的土块后把木薯 放置在地面。与传统方法相比，该机械节省了挖掘操作9 2 9 5 的劳力，其挖掘部 件由主刀和一个输送分离装置组成，主刀实现木薯块根与土壤的初步分离，输送装置 将块根输送到地面上。 泰国研制的振荡式木薯收获机，挖掘部件是一个呈楔形状的振动犁，由一个三角 形的犁头和一块板条形的倾斜度为2 5 0 - 3 0 0 的平面底座组成。它被两根板簧梁固定在 主体机上。该收获机是后悬挂式的，能收获1 0 0 的木薯块根。它在3 7c m 深、含水 率为1 8 6 的沙质土壤中需要1 6k w 的通风电力，速度为6 1k m h 。最大f 日间生产能 力为0 6 4h m 2 h 。 5 木薯收获机挖掘部件的研究设计 尼同利亚和巴西在2 0 0 2 年研制了一种木薯收获机，这种收获机包括一个收获工 具，一个块根挖起机拔起机装置，一个收集器汇聚斜槽，以及一个升运机装载机装 置。它不仅能进行木薯块根周围的松土工作，并能把松动过的木薯块根拔出土壤，然 后装上卡车或拖车【”j 。 其挖掘部件为一体主刀结构，收获时主刀从块根底部通过，实现木薯与土壤的完 全分离。 1 2 2 国内研究现状 目前，我国木薯机械化收获技术的研究仅处于起步与试验阶段，市场上没有技术 成熟、可商业化推广应用的机型。 收获工具主要是薯农在生产实践中摸索制成的两种简单的手工拔薯器。一种是两 条角钢呈3 0 0 4 0 0 焊接在一起，然后用铁线将其中一条固定在木棒上制成的木薯工具； 另一种就是卡齿式木薯收获工具，将内侧两边成锯齿状的v 形卡齿的一端和一直杆固 定在一起，使用时通过卡齿内侧锯齿卡住木薯茎杆，再抬升直杆的手动端即可将木薯 块根拔出。但这两种手工收获工具均收获效率低只能适合单家散户的小丽积收获，难 以满足大面积木薯收获的需求，并且这两种工具在制作时，只是简单的利用了杠杆原 理，在工作时，尤其是土壤粘度较大时，块根损伤也较大。 2 0 0 8 年底中国农业机械化科学研究院耕作种植机械研究所与广西南宁朗禾农业 科技有限公司联合引进的巴西4 m u 2 型木薯采收机，它由一把成7 2 0 角的v 形刀片、 支杆、端头、圆盘土壤切割器、机架等组成。v 形刀片安装于支杆上，支杆一方面起 固定刀片的作用，另一方面则是将v 形刀片左右刃分丌，其左右刃均长9 6 c m 、宽1 0 c m 。作业前，需把木薯茎卡t 离地面3 0 c m 以上切断并清走，作业时，位于v 形刀片中 问并固定在支杆上的端头和前面的网盘土壤切割器行走在两行木薯之间即垄沟，v 形 刀片的左右刃沿前进方向分别从左侧和右侧的木薯块根底部通过，左右刃各收获薯地 中的一垄块根。但因v 形刀片左右刃各收获一垄块根，故左右刃长度大，致使机具负 荷重、强度低，从而作业成本高、生产率低、适应性不强、机具使用可靠性差。目前 该机还处于试验改进中，没有较大进展。 2 0 0 9 年1 月广西武鸣县农机局采用郑州山河机械制造有限公司生产的马铃薯收 获机改进研制了4 u m 1 6 0 0 型木薯块根收获机，该机以天津8 0 4 型拖拉机为动力，幅 宽1 6 m ，工作深度3 0 c m ，一次收获两垄块根。但庞大的土壤与块根分离装置，致使 机具负荷重，阻力大，从而生产率低，作业成本高，其生产率仅0 0 6 7h m 2 h ，收获 成本达约8 9 6 元h m 2 。 河南坤达农业机械有限公司采用马铃薯收获机改进研制了木薯收获机，但庞大的 土壤与块根分离装置同样存在机具负荷重、阻力大、生产率较低、作业成本较高的问 题。 由于对木薯挖掘部件一直缺少精确的理论分析和计算，相关研究理论比较欠缺， 6 广东海洋大学硕士学位论文 因此对于木薯收获，精确研究挖掘机理，适度的进行参数优化和性能分析，对进一步 研究适合我国国内种植条件的木薯收获机具有十分重要的意义【1 6 1 7 , 1 8 】。 我们必须从中国农业实际发展需要出发，在借鉴国外农_ , l k ：o l 械化发展经验的基础 上【1 9 2 0 j ，引进新的技术手段和方法f 2 1 1 ，加快技术创新【2 2 1 ，为我国的木薯收获机械化 与现代化提供更多更好的产品新技术1 2 引，并不断缩小与发达国家的差距1 2 4 | ，才能早 同实现木薯机械化收获，加速发展木薯产业。 1 3 研究目标 木薯收获产品主要是地下的块根，对于块根机械化收获，主要有挖式、拔式及挖 拔结合式三种。后两种，因生产率低，并且除砂质土壤外，在其它土壤情况下还易使 块根断裂。故当前世界各地对于木薯块根收获大多采用挖式。 但目自订国内外研制的各类收获机械，其关键装置块根挖掘部件均存在适应性 不强、可靠性较低等问题，致使现有收获机械主要足在较容易收获的条件下应用。当 土壤干旱板结，或阿季潮湿泥泞、土壤粘性较大时，或地块杂草丛生时，则适应性差、 可靠性低。 块根挖掘技术是当前小薯机械化收获技术的重点、难点，巴西、尼同利亚、泰国 等国都己设立课题_ f 在进行相关研究【2 川。为突出解决其中的“瓶颈”问题，我们以“高 效、低成本”为研究宗旨，结合国外已有技术，着重解决减阻