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马铃薯种植与收获机械 张亚男 1 马铃薯简介 1 马铃薯简介马铃薯别名 土豆 地蛋 香港 广州叫薯仔 意大利叫地豆 法国叫地苹果 德国叫地梨 美国叫爱尔兰豆薯 俄国叫荷兰薯一年生草本 块茎可供食用 是重要的粮食 蔬菜兼用作物原产于南美洲的安第斯山脉及其附近沿海一带的温带和亚热带地区四倍体栽培种最初于1570年从南美的哥伦比亚将短日照类型引入欧洲的西班牙经人工选择 成为长日照类型 后又传播到亚洲 北美 非洲南部和澳大利亚等地一百多年前华侨从东南亚一带引进传入我国主产区是西南山区 西北 东北和内蒙 其中以西南山区的播种面积最大 约占全国总面积的1 3 山东滕州是中国农业部命名的 中国马铃薯之乡 2 马铃薯的种植 2 马铃薯的种植与播种马铃薯生长发育需要较冷凉的气候条件 因它原产南美洲安第斯山高山区 年平均气温5 10 最高平均气温21 左右 马铃薯块茎生长发育的最适温度为17 19 温度低于2 和高于29 时 块茎停止生长 1 种薯挑选2 种薯处理困种 把出窖后经过严格挑选的种薯 装在麻袋 塑网袋里 席帘围起来 还可以堆放于空房子 日光温室和仓库等处 使温度保持在l0 15 有散射光线即可 经过15天左右 当芽眼刚刚萌动见到小白芽锥时 就可以切芽播种了 晒种 如果种薯数量少 又有方便地方 可把种薯摊开为2 3层 摆放在光线充足的房间或日光温室内 使温度保持在l0 15 让阳光晒着 并经常翻动 当薯皮发绿 芽眼萌动时 就可以切芽播种了 催芽 催芽可促进种薯解除休眠 缩短出苗时间 促进生育进程 3 马铃薯的种植与播种 催芽的常用方法 湿沙层积法 种薯与湿砂或湿锯屑等物层积 在温床或火炕等地方 先铺砂3 6cm 上边放种薯 再盖砂 砂的厚度以盖没种薯为度 如此3 4层后 表面盖5cm左右的砂 并适当浇水至湿润状况 以后保持10 15 和一定湿度 当幼芽生长到1 3厘米 并出现幼根时 就可以播种了 把未切的种薯铺在有充足阳光的室内 温室 塑料大棚的地上 铺2 3层 经常翻动 让每个块茎都充分见光 经过40天左右 当芽长到1 l 5厘米 芽短而粗 节间短缩 色深发紫 基部有根点时 就切块播种 切芽块切块种植能节约种薯 并有打破休眠 促进发芽 出苗的作用 整薯做种整薯播种可以避免用芽块播种容易出现的问题 且可比芽块播种显著增产 播种方法在高寒和阴湿地区 土壤粘重 地势低洼 生育期间降水较多的地方 大多采用垄作 在我国华北 西北大部地区 生育期间较高 雨量少 蒸发量大 又缺乏灌溉条件 多采用平作形式 4 马铃薯种植机械化 3 马铃薯种植机械化随着马铃薯机械化种植技术在世界发达国家的应用与推广 我国逐渐引用和推广这一种植技术 实践证明马铃薯机械化种植技术是实现我国马铃薯产业化的关键环节 将此技术进行大面积推广 不仅仅是马铃薯生产技术的提高 而且有效地改变了农户粗放型的 效率低下的生产状况 更为重要的是大幅度的提高了单位面积的产量 解放了大量的劳动力 降低了生产成本 从而显著的提高了马铃薯的质量 使其社会效益和经济效益得到了明显的提高 所谓的马铃薯机械化种植技术指的是在生产实践中将农艺高产技术与机械化有效的结合起来 并应用于此 目的是促进马铃薯高产高收 5 马铃薯机械化种植技术的应用 1 播前准备1 1确定播种期一般情况下 当10cm深的土壤的温度达到并稳定在7 8摄氏度时 是马铃薯的最佳播种1 2 选择土地马铃薯机械化技术对地块的大小 质量 性质等均有一定的要求 如 一个种植区的面应大于33 3公顷 500亩 对于土壤的要求是最好选用沙壤土质的地块 除此之外 由于是机械化种植 所以要为农业机械留出专用的机具通道 并配有完备的水利设施配套 1 3 品种的选择种子的优劣是决定马铃薯产量高低 质量好坏的前提 在选择种子时 要选择薯型规范 牙眼 表皮色泽新鲜 无龟裂 病斑的良种 从而为实现综合效益 高商品率提供基础 6 马铃薯机械化种植技术的应用 1 4种薯催芽种薯催芽需要满足的条件有 一是室内温度应保持在20摄氏度左右 二是将所选的种薯在播前大约半个月左右取出放在散色光比较充足的室内 三是保持5天左右对种薯进行一次翻动 确保其接触的光 热均匀 四是当种薯长出0 5cm的紫绿色壮芽时 就可以切茎块播种了 1 5切芽块切芽块是播种马铃薯前进行的最后一个关键项目 由于我国目前使用的种薯的个头比较大 属于大种薯 为了种植方面 降低生产投入的成本 所以要对种薯进行切割 但是在切芽块时 一定要注意一些小细节 否则弊大于利 如 切芽块容易使种薯携带病毒 这是因为切刀是病原菌的携带体 因此 在切割前 要对刀具进行消毒 除此之外 种植者不要只想到减少成本投入 而使所切的芽块过小 应将芽块的重量控制在25g以上 这是因为芽块越大抗病能力和抗旱能力越强 除此之外 为了保证出苗率 要确保每个芽块至少有一个芽眼 而且进行切芽块这项工作时 不宜过早 因为芽块过早切割 会造成其失水 腐烂等现象 7 马铃薯机械化种植技术的应用 1 6整地在整地时 需要满足两个条件 分别是 深耕和深松 这样不仅能够起到消除杂草 提供抗病 抗虫能力 而且还能加厚耕作层 提高蓄水 保肥的能力 在进行这两方面的作业时 需要满足的要求是 在深耕时 耕深要达20cm以上 要使用大型拖拉机与大型铧式犁配套作业 深松时 深度要达40cm以上 采用1SQ 340型全方位深松机作业 1 7施肥在播种前要选用足够的农家肥作为底肥进行施用 从而提高土壤的肥力 2 播种近些年来 随着种植技术的不断改进 传统的耕作方法逐渐被起垄种植技术替换 在采用起垄种植技术时 需要使用起垄装置的播种机 并且起垄的行距 高度以及亩株数分别要满足0 9 1 2m 25 30cm 4500株 其中使用的播种机有单行 双行 四行等类型 如 使用大型拖拉机和大型四行播种机配套作业 在播前需要施用农家肥作为底肥 播种时可以一次完成起垄 开沟 播种 深施化肥 镇压等多道程序 工作效率十分高 8 马铃薯机械化种植技术的应用 3 田间管理3 1一次性除草播种后 可以使用除草通乳油 大约每公顷使用22 5公斤并兑水750公斤 可以达到除草的目的 尤其是禾本科杂草和阔叶杂草 3 2间苗 补苗当马铃薯苗普遍长到4 5cm时 就要进行查苗 补苗 间苗这一环节了 如果发现有的地块缺苗 多苗 应及时采用备用苗带土坐水移栽或间掉多余的苗秧以防与其他苗争肥争光 3 3中耕培土在苗期进行的中耕培土主要有三次 第一次是在苗高约为6cm时 进行合理的深铲 因为这时地下的匍匐茎还没有形成 距离第一次10天后进行第二次 这时的匍匐茎还没有大量形成 可以适当的进行深铲 现蕾初期是第三次 这时匍匐茎已经大量的生成 因此需要合理的浅铲 9 马铃薯机械化种植技术的应用 3 4灌溉马铃薯在生长的季节 要保持适当的水量 因此 要进行适当的灌溉 其中当土壤中的含水量为田间持水量的60 70 是最合适的 3 5病虫害的防治马铃薯在生长期经常出现的病虫害有蚜虫 红蜘蛛等 在对这些病虫害进行防治时 采用的药物需要满足高效 低毒 低残留等条件 4 收获在进行马铃薯的收获时 要及时 以免被冻伤 并且需要达到的要求是在湿度上 田间的最大持水量不宜超过60 温度不可低于8 作业时需要选用与播种机组相匹配的收获机作业 10 国内外马铃薯种植机械研究进展 目前 国际市场上现有的马铃薯种植施肥联合作业机具较多 其技术水平差别较大 大致可分为两个档次 一是德国Grimme公司 美国DoubleL Lockwood公司和挪威TKS公司等为一个档次 主要生产大中型马铃薯播种施肥联合作业机具 在自动化控制 液压系统 播种电子监测等方面技术比较先进 无论是半悬挂式还是牵引式 均可一次完成开沟 施药 施肥 播种和起垄覆土等作业 配套动力88 2kW 120hp 以上 结构比较复杂 价格昂贵 二是以意大利 日本 韩国为一个档次 主要生产中小型马铃薯播种施肥联合作业机具 一般结构较为简单 德国Grimme公司生产的GL T系列牵引式马铃薯种植机 型号有GL34T GL36T GL38T GL42T和GL44T等多种 行数有4行 6行和8行机型 11 GL34T 36T型马铃薯播种机简介 以GL34T为例介绍该类产品的特点 12 GL34T 36T型马铃薯播种机简介 13 GL34T 36T型马铃薯播种机简介 该系列马铃薯种植机牵引部件可向左右偏移 允许机器在斜坡地上作业 种箱容量达到3 5t 施肥部件可选 Grimme公司在GL42T和GL44T型马铃薯种植机的产品改进方面 主要体现在结构更加紧凑 可适应窄行距种植 对于如长型和窄型等形状不规则的种薯也可播种 倾斜式液压驱动种箱将种薯输送到V带上 传感器控制种薯到播种单元的运动 保证投放到播种单元的种薯一致 控制系统的终端设备安装在驾驶室内 使用者可以在驾驶室内完成整个控制操作 根据单位面积要求的播种量 也可以通过终端设备直接简便地设置种植间距 开沟器组件为标配件 开沟器的沟形和深度均可以通过DLG设备控制 保证开沟深度和形状一致 14 美国DoubleL公司9500系列4行马铃薯种植机 美国DoubleL公司生产的9500系列4行马铃薯种植机 见图2 配套动力90kW以上 可一次完成开沟 施药 施肥 播种 起垄和覆土等作业 大种箱减少了种植者的停机次数 播种单元选用TKS公司优质产品 拖拉机驾驶室内可以电子控制播种间距 精度能达到98 液压和机械驱动系统采用电子控制 标配的开沟器遇到石块等硬物时 可自动越过 2 4 6 8行多种机型可满足不同的用户需求 15 美国Lockwood公司生产的504 506 508系列 美国Lockwood公司生产的504 506 508系列马铃薯种植机作业速度快 图3为506型 作业效率高 其采用大容量种箱 行走部件为液压驱动 且安装有雷达控制系统 保证播种行距的精确性 双喂入系统保证喂入的准确性 播种部件安装有重播和漏播探测装置 保证播种性能 配套方式有全悬挂 半悬挂和牵引式3种 适用于各类切块马铃薯种的播种作业 一些特殊机型还配备GPS定位功能 16 挪威TKS公司underhaug系列 挪威TKS公司生产的underhaug系列马铃薯种植机有UN3740 UN3744 UN3745 UN3760和UN3780等多种型号 其中3760 3780的机型 见图4 采用牵引式作业 行数有6和8两种 种箱容积有6t和8t两种 种箱升降均靠液压驱动 行距有75 80 85cm三种 配备有圆盘起垄器 固定式和浮动式开沟器 划行器 公路行驶用轮胎 选配施肥部件等 17 我国马铃薯种植机械现状 我国马铃薯种植机具的研制工作起步较晚 播种主要以人工为主 为了满足马铃薯产业发展需要 我国引进了国外的一些马铃薯种植机 如意大利SPEDO公司的SPA 2马铃薯种植机 配套动力37kW 行距60 80cm 播种行数2行 同时可以施肥 挪威KVERNELAND生产多种规格的马铃薯种植机 可播种2行 4行 6行 8行 生产效率高 配备有固体肥料施肥器 行距70 90cm可调 可代表当代马铃薯发展方向 由于国外马铃薯育种形成了标准化生产 绝大多数采用整薯播种 因此 种植机械的播种部件对标准种薯的适应性强 播种质量较高 我国的马铃薯种植时 种薯多为切块 在一块或几块种薯同时进入播种部件时 有效剔出多余薯块 把重播和漏播控制在标准指标之内 实现马铃薯的单粒精播 是播种机械发展的核心问题 国外产品技术虽然先进 但是价格很高 机具适应性和零配件供应不畅也是用户面临的较大问题 因此 国外产品在我国的推广应用困难 不能满足国内对马铃薯种植机的市场需求今马铃薯种植机的发展方向 18 我国马铃薯种植机械现状 目前 国内市场上常见的是中机美诺科技股份有限公司生产的马铃薯种植机 该系列机型均具有开沟 播种 施肥 培土等功能 作业效率高 作业效果较好 在后续的产品改进过程中 又增加了覆膜和喷药两个作业附件 供用户需要时选配 增强了机具的适应性 在两行机型的基础上 2007年 中机美诺又开发了2CM 4型 见图9 配套方式由悬挂式改为牵引式 成倍提高了工作效率 该机能实现马铃薯的播种 施肥 喷药等作业 机械和液压系统设计方面已经日趋成熟 但是在播种电子监测的研发方面还需要做进一步的努力 国产马铃薯种植机基本还处于机械设计阶段 与国外先进的集自动化控制 液压系统 播种电子监测等系统为一体的大功率马铃薯种植机相比还较落后 尤其是在播种电子监测方面需要做更多的努力 19 我国马铃薯种植机械现状 20 红色希望 中机美诺1240A型四行马铃薯种植机 1240A由中机美诺科技股份有限公司倾力研发生产 该公司是中国农业机械化科学研究院下属企业 专注于大功率拖拉机配套农机具的研发 生产与制造 公司拥有马铃薯全程机械化设备 是我国最早研发生产马铃薯机械的企业之一 1240A采用牵引式设计 降低了配套动力 可配套73 5kW 100hp 以上拖拉机 该机是主要由播种和施肥两部分组成 可一次性完成开沟 播种 施肥 培土等作业 其中播种部分采用的是国外进口的播种单元 播种精度高 漏播率 5 出苗率高 施肥部分采用的是链耙式施肥机构 无堵肥现象 可靠性更好 21 红色希望 中机美诺1240A型四行马铃薯种植机 1240A采用进口播种单元 提高了产品质量 保证了播种质量 拓宽了播种范围 提高了产量 排种器交叉取种 可以通过改变齿轮传动比的简单操作来调整株距 可调范围在14 35cm之间 根据出厂订单 还可以选择80cm或90cm的种植行距 1240A播种结构中的开沟圆盘采用了弹性设计 在碰到硬物的时候可以弹起来 在一定范围内可以避免圆盘的损坏 1240A的肥箱容积较大 可以在大规模种植的时候减少加肥次数 提高了效率 22 红色希望 中机美诺1240A型四行马铃薯种植机 采用了独特的链耙式施肥机构 可以根据地块需求的不同控制施肥量的多少 这是普通的外槽轮式排肥器所不能满足的 而其对肥箱中固体肥的排杂能力 也相当强大 施肥结构中的双圆盘施肥开沟器 除用于切断草根 增强通过性外 还采用了双侧深施肥设计 解决了种 肥同位造成的烧种 烧芽问题 使种肥分布更合理 利用率更高 该机可选装喷药机构 安装在240A的两侧 满足在作业中同时施用液体肥的需求 1240A的整机靠地轮传动 排种器播种的速度和地轮相关联 地轮所行驶的距离 所转的圈数 与播种速度配合缜密 地轮里面安装有离合器 通过液压控制可随时切断动力 如果机器作业到尽头却不方便转弯的话 可以选择倒车 23 红色希望 中机美诺1240A型四行马铃薯种植机 当启动倒车装置后离合器自动断开 停止排种 再次正向行驶时只需将切断的装置打开即可 该机所用的胶带全部采用国外进口 保证质量 防止因扩张 打滑而影响播种效率 24 我国马铃薯种植机械视频中机美诺1240A马铃薯种植机械 25 青岛洪珠马铃薯播种机 26 2TD S2型马铃薯上土机 27 马铃薯收获机械 一 马铃薯收获机一般马铃薯收获机只用于马铃薯收获 少数机型也可以用于挖收甘薯 萝卜 胡萝卜 和洋葱等 马铃薯收获的工艺过程 切茎 挖掘 分离 捡拾 分级和装运等工序 根据收获过程的不同 可以分为 分段收获法和联合收获法 马铃薯收获机按照完成的工艺过程 大致可以分成 马铃薯挖掘机和马铃薯联合收获机 28 马铃薯收获机械 概述 建国初期 我国收获马铃薯仍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 研究人员在研学原西德 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 直到20世纪60年代中期 我国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 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 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 29 马铃薯收获机械 概述 收获期的马铃薯生态与土壤 气候及马铃薯品种有关 早熟品种在收获时一般枯萎 在降雨量较多的年份或施肥较多的土地上 马铃薯成熟时茎叶茂密 收获时需清除茎叶 马铃薯行距为60或70厘米 薯块分布平均宽度为30 40厘米时 薯块分布深度一般在地面12 20厘米范围之内 收获时你必须掌握适宜的挖掘深度 以免增加进入机器的土壤量 若不需先清除茎叶 则马铃薯的收获过程包括挖掘块茎 分离土壤 捡拾和清除茎叶与杂草进行等项作业 分段收获一般将上述作业分为两段进行 挖掘块茎和分离土壤用一台挖掘铺条机完成 之后用类似联合收获机 但卸去挖掘铲或稍加改装的收获机以捡拾块茎和清除茎叶 机器收获马铃薯时 要求其收净率95 以上 损伤率在7 以下 加工用的可低于10 含杂率不高于10 15 30 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 一 马铃薯挖掘机它用于从土壤挖出块茎 并铺放在地面 按其分离部件结构不同 可分为抛掷轮式和升运链式挖掘机两种 1 抛掷轮式挖掘机 31 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 32 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 2 升运链式挖掘机 33 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 3 马铃薯联合收获机 34 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 4 马铃薯挖掘铲 35 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 1 铲刃张角和铲的宽度铲刃张角的大小必须使茎杆和杂草能沿刃口滑切 角过大 茎秆和杂草便不能被切断 会引起挖掘铲堵塞 但铲刃张角减小时 要达到同样的挖掘宽度 则必须增加铲的长度 这会增大工作阻力 并要求增大铲的刚度 现有挖掘铲的张角一般为80 100度 但当角度为100度时 茎秆和杂草就不一定与铲刃产生滑切 因此 在土壤湿度大或土质疏松条件下作业的挖掘铲 其铲刃张角应取小些 在双行铲中间采用了辅助的行间挖掘铲 13 16b 辅助挖掘铲宽度约140毫米 和主挖掘铲之间保留30 40毫米的间隙 以便茎秆杂草滑出 挖掘铲宽度b应保证挖出每一垄中的全部薯块 单株薯块在土壤中的最大分布宽度为400毫米 因此b值一般为400 600毫米 2 铲面的水平倾角及铲的末端离地高度平铲的水平倾角的理论值 可由图13 17b中对沿着铲面移动的掘起物作用力的平衡方程确定 36 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 若角超过上述值 则掘起物就会拥在铲面上 使薯块从铲侧滚落 对于倾角大于理论值的挖掘铲 在铲侧面要装上挡板 铲面与挡板面之间的连接必须圆滑过渡 以防此处堆土 角随挖掘铲需要提升掘起物的高度 即h值 和对松碎土壤的要求而定 h值因挖掘铲后面使用的分离装置种类而异 但必须使铲面上的掘起物都落在紧接的分离装置上 升运链式挖掘机的h值一般在100毫米以上 角度增大有利于破碎土块 但铲的长度和工作阻力将增加 因此 角度值不应该大于20度 结合具体情况使用 对于不带侧挡板的挖掘铲 宜选用较小值 对于中间装有辅助铲的挖掘铲 13 16b 或铲间留有间隙的挖掘铲 13 16c 可采用较大值 在一些用于捡拾薯块的带有侧挡板的挖掘铲上 角度30 35度 使土块进一步压碎 37 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 3 挖掘铲的长度图13 17b中 铲的长度l分为l1和l2两段 铲的前段长度l1可根据确定后的阿尔法角及稍大于平均挖掘深度的h1值 14 18厘米 由下式求出 铲的后段长度l2可用能量定理进行计算 假设掘起物沿铲面以机器的前进速度v运动到B点 则掘起物在B点动能为E mv 2 2 若掘起物沿铲面移动到铲的末端C点时 失去了它的速度 v 0 则土壤开始膨胀 堆积和向铲的两侧散开 块茎也随之显露出来 即掘起物在B点具有的动能 完全用于克服通过长度l2的摩擦功Af和把掘起物提高了h2所做的功Aw上 38 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 挖起物在铲面l2一段的能量平衡方程为 利用上式计算时 在不利条件时 机器前进速度采用最低值 一般为0 7 1 0米 秒 当阿尔法角为14 20度时 挖掘铲最佳长度为350 400毫米 39 马铃薯收获机挖掘铲有限元静力学分析 现代 目前 常用的固定式挖掘部件有平面铲和曲面铲2种 曲面铲又分凹面和凸面2种形状 这里针对平面铲和凹面铲进行对比分析 挖掘铲与土壤作用力的计算方法还不太准确 挖掘铲在起土过程中 受土壤阻力后 有一定的应力和变形 用传统方法计算挖掘铲的应力变化非常复杂 并且计算结果不精确 针对这一问题 采用ANSYS有限元软件对挖掘铲静强度进行有限元分析 1挖掘铲牵引阻力模型挖掘铲在土壤中移动的牵引阻力为 40 马铃薯收获机挖掘铲有限元静力学分析 现代 2挖掘铲有限元静力学分析2 1 创建有限元模型在创建有限元模型之前 首先创建三维实体模型 多数有限元分析模型都用实体模型建模 在Inventor软件中建立2种挖掘铲的三维实体模型 图1 几何实体模型不参与有限元分析 通过数据格式转换 导入到ANSYS软件中 经过网格划分 定义材料属性 生成有限元模型 41 马铃薯收获机挖掘铲有限元静力学分析 现代 2 2网格划分单元类型 挖掘铲有一定厚度 所以选择体单元作为受力的基本单元 材料与属性 弹性模量E 2 06 10 5N m 2 密度为7 8 10 6 kg mm 3 泊松比0 3 此次设计的挖掘铲厚度为10mm 据手册知 钢材厚度小于或等于16cm时 Q235碳素结构钢Rs 235MPa 3 这个值可作为应力校核的依据 网格划分 根据模型的形状及受力情况 有限元模型有6000个实体单元 节点数为7955 2 3施加载荷并求解挖掘铲受力有土壤法向力N和摩擦力f 摩擦力与垂直于铲面的法向力相比 摩擦力很小 所以这里只研究法向力N对挖掘铲的影响 每个单元所受的载荷均按静力等效原则转移到网格单元上 运行Solution2CurrentLS 进行静结构有限元计算 42 马铃薯收获机挖掘铲有限元静力学分析 现代 2 4添加边界条件挖掘铲边界条件按实际作业时受力情况分为2部分 见图2 坐标系建立以垂直于铲面为X向 沿铲尖方向为Y向 从铲尾向前看 铲片左侧为Z方向 挖掘铲与固定板之间靠螺栓固定 挖掘铲在X Y和Z方向有3个移动和3个旋转自由度 铲片上半部分 黑色 为完全约束 铲片下半部分 灰色 在土壤作用下 Y和Z方向受约束 X方向为自由 3个旋转方向为约束 43 3计算结果3 1平面铲应力结果把土壤力学模型所计算出的挖掘铲压强值 见表1 加载到铲面上 通常情况下 挖掘铲的入土角在5 25 范围变化 以入土角为10 和15 为例 分析铲内部的应力分布情况 经计算 得到平面挖掘铲静强度有限元分析结果 见表2 应力分布云图见图3和图4 马铃薯收获机挖掘铲有限元静力学分析 现代 44 马铃薯收获机挖掘铲有限元静力学分析 现代 3 2凹面铲应力结果经过与平面铲相同的分析过程 得出凹面铲静强度有限元分析结果 表3 应力分布云图见图5和图6 45 马铃薯收获机挖掘铲有限元静力学分析 现代 3 3变形结果图7为平面铲的变形云图 最大位移在铲尖处 为01188mm 最小变形量为0mm 在铲尾部 此变形过程可以动画方式模拟结构在静力作用下的变形过程 46 4结果分析与讨论 1 从平面铲的总体应力分布可以看出 应力主要分布在挖掘铲中间与固定板接触的位置 并且应力随着入土角A的增大而增大 A为15 时的最大应力值为331456MPa 挖掘铲屈服极限强度为235MPa 因此挖掘铲强度满足设计要求 2 从凹面铲的总体应力分布可以看出 应力主要分布在挖掘铲两侧与机架侧板接触的位置 应力也是随着入土角的增大而增大 A为15 时的最大应力值为251708MPa 挖掘铲屈服极限强度为235MPa 可见凹面铲的性能要优于平面铲 3 通过分析平面铲变形云图可以得出 变形最大处在铲尖 位移量为01188mm 这个数值相对于整个铲长来说 肉眼观察不到 可以忽略不计 4 有限元分析结果比过去采用模型预测更准确 将有限元与农机产品部件的计算机辅助分析 CAA 相结合是今后的研究方向 4 马铃薯收获机挖掘铲有限元静力学分析 现代 47 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 4 马铃薯分离装置马铃薯的分离装置有抛掷轮式 升运链式 摆动筛式和转筒式等详形式 抛掷轮式多用于单行挖掘机上 升运链式在马铃薯收获机上用的比较多 因为它在潮湿土壤上工作时粘附泥土少 而且在干燥地上收获时的薯块损伤也少 因而多用于挖掘铲后最初的土壤分离 摆动式和滚筒式一般位于它的后部 用来进一步分离土壤及输送薯块 一 升运链式分离装置由直径为8 12毫米的钢杆条 按一定间距固定在两条链子组成 也有将杆条两端弯成钩形 彼此挂结在一起 形成环形链条状 前者称为链杆式 后者叫钩杆式 钩杆式由于省去了链条 结构比较简单 为了加强对土块的破碎和分离作用 在升运链上工作面的杆条下设置有抖动器 抖动器有随动型和主动型 48 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 随动型的抖动器通常做成椭圆形的齿轮状 直接与升运链工作面的杆条相接触 由升运链杆条带动 其转动的圆周速度与升运链的工作速度相同 椭圆形抖动器的长半径和短半径之差 使升运链工作面的运动方向发生瞬时的周期性变化 从而抖动升运链上的掘起物 决定抖动强度 土壤过筛强度 的因素有抖动器长短半径之比 抖动器的数量 升运链的紧度和速度等 升运链的紧度以链工作面杆条不脱离抖动器为限度 若紧度过大 升运链与抖动器接触时间短 工作面升起的高度低 即振幅减小 使筛土量减少 因此链条紧度不应过大 升运链不完全是作直线运动的 在抖动器作用的某一瞬间 可视为圆周运动 所以土块受到其作用产生离心力P 若P力的竖直分力P1大于土块的重力Q 则土块就会被抛向上 49 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 此式为抛起土块时抖动器的最低转速 这一转速系由升运链速度决定 在粘土地工作时 最佳速度为2米 秒 升运链式分离装置结构简单 而且在完成分离工作时 还可以进行与水平成20度的升运工作 但是它的链条 杆 磨损快 所需能量大 强制抖动器的抖动轮两个为一组 由曲柄连杆机构驱动 它们以一定的频率上下摆动把振动传给升运链 其抖动强度可通过变化曲柄大小及转速来实现 50 马铃薯收获机基本构造和基本原理 经典 二 摆动筛式分离装置筛式分离装置主要应用在小型马铃薯收获机械上 其主要形式为摆动筛式和滚筒筛分离机构 摆动筛式分离机构主要通过摆动筛的摆动 抛掷作用实现分离目的 它的分能力比抖动链式强 它不仅能够筛分土壤 而且还能把筛面上的混合物向上输送 但是于自身的结构 它的缺点是 筛子做往复摆动时产生的惯性力得不到平衡 对机架产生击力 因此要求机架的强度相对比较高 在分离的过程中容易堵塞筛孔 为了追求更好分离效果 需要加大摆动筛的摆动幅度 可是摆动过程中的振动和抛掷容易造成薯块的伤 所以摆动幅度和频率不能过大 因而限制了作业效率 三 滚筒筛式分离装置滚筒筛式分离机构一般作为后续分离输送部件应用在单行马铃薯收获机械上 它在离的过程中通过筛内表面上装有的叶片 在分离的同时提升薯块 它具有坚固耐用 使可靠性好 能量消耗小 没有不平衡惯性力的优点 但分离性能差 金属用量大 在重土壤或土壤含水量较大时容易粘土 堵塞 抖动链式和摆动筛式分离机构相比 滚筒筛分离能力较差 对于带内螺旋的滚筒筛可以过提高滚筒的转速来提高分离能力 但由于速越高 薯块离开分离筛时的速度也越大 抛起的高度也更高 就会造成落地时薯块损率提高 51 4U 2B型马铃薯收获机的设计 吕金庆2007 4U 2B型马铃薯收获机是结合我国配套动力及马铃薯收获工艺的实际情况设计的一种新型马铃薯收获机具 其与48kW以上的轮式拖拉机配套使用 1次性作业可以完成挖掘 升运 分离 放条等多项作业 为此 阐述了马铃薯收获机的设计原理和设计思想 介绍了其技术参数及结构特点 为马铃薯收获机的研制提供参考依据1 总体结构及技术参数在总体结构上 首先考虑到该机作业特点 作业条件及实际工作中安装方便 同时 在保证机组工作可靠 配套合理 性能稳定 通过性能好的前提下 应实现结构紧凑 并在配置中满足 一是联接和安装工作部件的机架除了有足够的强度和刚度外 控制挖掘角度和升运高度可调 二是支撑轮位于机架和升运链下部 可满足不同垄距地块收获作业 适应性强 三是各部件结构紧凑 部件总成相对独立 以便拆装 更换和保养 部件之间应合理配置 防止产生壅土 杂草缠绕和堵塞 52 4U 2B型马铃薯收获机的设计 吕金庆2007 1 1结构组成 53 4U 2B型马铃薯收获机的设计 吕金庆2007 1 2性能特点1 该机作业效率高 土壤条件适应性强 由于该机采用4圆盘 垄上前压秧轮仿形和双侧边除草小铲3组件组合结构 减小了作业阻力并无堵塞和杂草缠绕现象 解决了马铃薯收获机在田间作业时产生壅土 杂草缠绕问题 提高了作业速度 同时 3组件联合作业减少了机具挖掘土壤和升运土壤的数量 有效地适应粘重土壤和沙性土壤 2 工艺程序科学合理 一是采用了固定式平面铲挖掘 4圆盘切土 导土及阻挡马铃薯侧移 同时 降低了挖掘阻力并将全部马铃薯挖掘 升运 防止拖堆 堵塞 二是采用了带式升运链 有效地减少马铃薯升运时的机械损伤 另外 第一升运链采用双排升运和特殊材质链条 减少了杆条的支撑宽度 杆条不折断 降低了机器的故障率 三是采用了齿轮箱及套筒滚子链条传动 传动平稳可靠 同时 在齿轮箱后部安装安全离合器系统 在机器出现堵塞或卡滞现象时 能够自动脱离与结合 有效地降低了机器的故障率 工作稳定可靠 效率高 54 4U 2B型马铃薯收获机的设计 吕金庆2007 3 土壤条件适应性强 由于挖掘铲角度可调节 可根据不同的土壤条件和农艺要求进行调整挖掘角度及深度 达到整机挖掘深度调节及各部件深度单独调节 1 3主要性能指标整机质量 kg 900外形尺寸 长 宽 高 mm 3867 2012 1270作业幅宽 mm 1800配套动力 48kW以上轮式拖拉机明薯率 98 以上生产率 hm2 h 1 0 4 0 5挖掘深度 cm 25 55 4U 2B型马铃薯收获机的设计 吕金庆2007 2主要工作部件设计1 挖掘部件的设计 考虑机械的通过性能和减少堵塞 采用单行三小铲组合 如图2所示 挖掘角度调整范围为17 25 同时可打破犁底层形成虚实相间的耕层结构 熟化深层土壤 2 升运部件设计 本机升运部件采用带槽橡胶带及杆条用铆钉铆接结构 有效地降低了马铃薯的损伤率 同时 铆接接头采用双皮带搭接结构有效地解决了由于链条皮带夹连接而产生的机具故障 提高了生产率 3 传动系统的设计 其主要采用齿轮箱及链轮传动 传动比稳定 可靠 其有效地保证了升运链的升运速度 使整机升运 分离效果好 56 4U 2B型马铃薯收获机的设计 吕金庆2007 4 挡板部件的设计 主要考虑机具作业时的往复性 在机架后部装有挡板部件 把升运分离后的马铃薯归成一条 有利于人工拣拾和下次作业时机具不伤已收获放在地表的马铃薯 挡板的宽度及角度可调 便于挡板调整放条宽度及遮挡地轮 防止分离后的马铃薯落在地轮上而产生伤薯 5 支撑轮的设计 支撑轮的主要作用是在运输时支撑整机质量及作业时限制整机的挖掘深度和调整整机的挖掘角度 本机支撑轮组件设计了单支臂丝杠高度调整结构及具有较好通过性能的橡胶充气轮胎6 机架的设计 根据机具的总体结构需要 并保证各组件之间合理配置 保证机具的通过性能 本机设计了框架式和三角形机架结构 牵引架承担着整机前进方向的力量和悬挂整机的力量 因此要求牵引架有足够的强度和刚度 本机主梁采用80mm 80mm 6mm的方管和16mm厚的上下悬挂臂及技撑管等组成的三角形机架结构 强度刚度好 57 4U 2B型马铃薯收获机的设计 吕金庆2007 3使用效果1998年以来 4U系列马铃薯收获机每年生产30台左右 4U2B型马铃薯收获机是2006年生产的最新型马铃薯收获机 2006年生产30台全部投入生产使用 在内蒙的海拉尔 大雁 通辽的霍林河和黑龙江省各马铃薯产区等均有应用 该机一次作业可达到挖掘 升运 分离放条等多项作业 每台机具作业80hm2左右 工作状态稳定 故障率低 收获效果好 4结论1 从田间作业来看 该项机具达到了预期的目的 一次作业即可完成挖掘 升运 分离放条等多项作业 2 该机具配置合理 具有一机多用功能 可兼收圆葱 胡萝卜等块茎类作物 同时