薯类收获机输送链条清土装置的设计和试验研究

李字增，蒋金琳，战长龄，岳　群，隋修旭

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 　266109)



薯类收获机输送链条清土装置的设计和试验研究

李字增，蒋金琳，战长龄，岳群，隋修旭

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

摘要：薯类收获机薯土分离装置在作业过程中，栅条容易粘着一层泥土，造成栅条之间的间隙变小，严重影响薯土分离效果，明薯率明显降低。为了解决这一技术难题，设计研制了橡胶圆辊式和螺旋叶片式栅条清土装置，在机具收获作业的同时对输送链条进行清土处理。试验研究表明：没有安装清理装置的栅条粘土厚度达到4.85mm，而安装有螺旋叶片式和橡胶圆辊式栅条清土装置的栅条粘土厚度分别为2.90mm和2.55mm；两种栅条清土装置均具有明显的清理栅条粘土效果，满足实际生产要求，尤其是橡胶圆辊式清土装置对链条之间的粘土有很好的清理效果。

关键词：马铃薯收获机；输送链条；栅条清土装置

0引言

随着我国马铃薯产业的不断发展，种植面积也不断扩大，产量持续增长，实现马铃薯收获机械化成为必然趋势[1]。马铃薯种植面积的增加，使得种植期和收获期的耗工量增加。尤其是在收获期，时间紧、工作量大，收获不及时则会造成一定的经济损失[2]。马铃薯收获机械的发展在一定程度上解决了这个难题，但我国中小型薯类收获机械的开发和研制处在起步阶段，生产应用的机具收获效率不高，收获质量也有待进一步提高，而且在一些技术难题上没有很好的解决办法[3]。

目前，我国马铃薯收获机械上所用的输送机构主要有杆条式、摆动筛式和凸轮式3种形式[4]，输送链式收获机的输送链栅条存在严重的栅条粘土问题，每隔一段时间需要人工清理，清理不及时会影响薯土分离效果。为了解决这个问题，本文在研究了输送链上粘土分布情况的基础上，设计了橡胶圆辊式和螺旋叶片式两种栅条清土装置，可在工作过程中对输送链进行清理。同时，与无栅条粘土清理装置的马铃薯收获机进行的比试验与研究，进一步改进和完善了栅条清土装置。

1栅条粘土分析

收获机工作过程中，挖掘铲将薯土混合物挖掘出来并送至输送链；由于土壤粘附力与内聚力以及土壤内摩擦力等因素的影响，导致在输送分离过程中输送链栅条的表面会附着上一层层的泥土；附着在链条上的泥土并不是均匀分布在栅条上，而是主要附着在输送链栅条的前上方，原因是这两个方向在薯土混合物的压力作用下不断地被压实，粘土效果最为严重。上方输送链条的粘土分布情况如图1所示。

图1　栅条粘土分布示意图

输送链粘土主要与土壤的凝聚力和附着力、土壤的内外摩擦力有关。其中，土壤的凝聚力与土壤的质地和湿度有关，凝聚力越大土壤就越不易破碎；而附着力不仅与土壤的质地和湿度有关，还与接触面的材料和粗糙度有关[5]。土壤表面的水膜张力对土壤附着力也有影响：当土壤含水率发生变化时，土壤粘附力将会成倍改变，土壤内聚力与塑性也产生不同的变化。随着土壤含水率的增加，土壤的内聚力增加，而塑性较小[6]。

经过多次田间试验观察可知：输送链条之间距离对链条粘土情况有影响，链条之间距离小的收获机工作一段时间后粘土厚度比链条之间距离大的粘土厚度小。这是因为薯土混合物主要在输送链的上方，接触面积小，但链条之间距离小会使得漏土效果不好，容易壅土。链条之间距离大的在输送过程中，马铃薯夹持在链条之间，接触面积较大，不断压实链条上的粘土，导致粘土情况加重，从而降低薯土分离效果。

使用抖动轮进行薯土分离的收获机对粘土有一定的自清能力，而且带有抖动轮的收获机链条粘土厚度较小，在工作一段时间之后，附着在栅条上的泥土会达到一定的厚度，逐渐趋于稳定。

2栅条清土装置设计

为了清除输送链栅条上的粘土，设计出两种输送链条清土装置，分别是主动圆辊式清理装置和螺旋叶片式清土装置。这两种栅条清土装置都是由输送链主动轮经链轮传动提供动力进行工作,放置在输送链的下方且靠近输送链的后面，如图2所示。

1.悬挂机架　2.挖掘铲　3.输送链　4.清土装置　5.传动链 6.变速箱

该收获机与中小型拖拉机采用三点悬挂式连接机架。在工作过程中，挖掘铲对马铃薯进行挖掘并将薯土混合物传送到输送装置，经抖动轮抖动进行薯土分离，最后将分离出来的马铃薯抛掷到地面上，由人工进行捡拾、装袋；工作一段时间后，输送链条上会粘着一层粘土，经过两种清土装置的清土处理，使得薯土分离更加彻底。

2.1橡胶圆辊式清土装置

本文设计的橡胶圆辊式清理装置如图3所示。其中，圆辊的长度即为输送链条的长度，清土装置圆辊的直径略小于输送链栅条的直径，在设计时采用直径为10mm的杆条，相邻两杆条之间的角度为36°。清土装置的圆辊上分布有橡胶，并且相邻两个圆辊轴上的橡胶交替布置，由于橡胶与粘土和输送链的摩擦，一段时间后可能会出现橡胶磨损现象，需要对部分橡胶进行更换；本设计的橡胶塞孔可以简单替换圆辊上损坏的橡胶，并很好地卡住橡胶。

1.橡胶　2.圆辊　3.转动齿轮　4.支架

根据输送链上粘土的分布情况，圆辊与输送链条之间存在一定间隙，防止磨损并减小消耗。当输送链条位于下方时，其粘土严重的地方是左下方，为了达到更好的清理效果，橡胶伸入输送链条之间，并且清土装置运动方向与输送链行进方向相反，能够有效清理输送链条之间的粘土。

收获机工作过程中，下方的输送链向左运动，如图4所示。橡胶圆辊式清土装置对链条上的粘土进行清理，要求去土装置的转动速度在最高点的线速度略小于输送链的行进速度，能够对每个输送链条进行清理，并利用去土装置自身转动的离心力将清理的粘土分离出去；间隔分布的橡胶也防止清土装置自身粘土问题的发生。

1.输送链　2.传动轮　3.主动圆辊式清土装置　4.固定轮

2.2螺旋叶片式清土装置

螺旋叶片式清理装置的主要参数包括叶片直径、开口角度、展开内直径和外直径等，如图5所示。

图5　螺旋叶片参数设计图

螺旋叶片一个导程的展开长度为

(3)

(4)

展开内直径为

5)

展开外径为

(6)

开口角度为

(7)

根据实际设计要求，选取外径D=218mm，内径d=30mm，h=100mm，b=90mm。由上述公式计算，可确定展开内直径d1=46mm，展开外直径D1=228mm，开口角度α=23°。

螺旋叶片按照螺旋叶片的个数可分为双螺旋叶片式和单螺旋叶片式两种形式，如图6所示。螺旋叶片与输送链栅条在运行过程中接触，为了防止链条和螺旋叶片磨损，在螺旋叶片外延处安装耐磨橡胶。在输送链条行进过程中，旋转的螺旋叶片对栅条上的粘土进行清理，当两个输送链条位于螺旋叶片最高点处时，此时螺旋叶片嵌入输送链条之间，对链条之间的粘土进行清理，清理下来的泥土在离心力作用下分离出去。

1.输送链条　2.栅条粘土　3.传动齿轮　4.旋转支架　5.螺旋叶片

单螺旋叶片式清土装置结构简单，清理出来的粘土在离心力的作用下分离至一侧。双螺旋叶片式清土装置是由两个对称的单螺旋叶片组合而成，在旋转过程中受到轴向的作用力相互抵消，清土过程稳定，而且清理出来的粘土在离心力作用下被分离至两侧。所以，双螺旋叶片式清土装置相比于单螺旋叶片式清土效果更好、稳定性更高。

3对比试验研究

本次对比试验中，选用安装有上述两种栅条清土装置的收获机与没有安装清土装置的收获机进行田间性能对比试验。试验地点设在胶州市胶莱镇工业园区的试验田，土质为中壤土。为了达到更好的实验效果，试验时间选在下雨后进行。试验前，测得在200mm以内的土层平均含水率为18%、土壤硬度为120kPa。

所选试验机具以1m/s的收获速度进行工作，每50m记录一次栅条的粘土厚度，以粘土层厚度最大的方向为准，并用精度为0.05mm的游标卡尺记录土层厚度，设定作业总长度为500m。栅条上粘土厚度测试结果对比如表1所示。

表1　栅条粘土厚度测试结果

根据测试栅条上粘土情况与粘土厚度的对比分析，可以得出：

1)在收获机工作500m后，没有安装栅条清土装置的栅条粘土厚度达到4.85mm，而安装有螺旋叶片式和橡胶圆辊式栅条去土装置的栅条粘土厚度分别为2.90mm和2.55mm；螺旋叶片式和橡胶圆辊式清土装置的清理效果相差不大。

2)安装两种栅条清土装置的收获机的栅条粘土厚度的变化规律：机具从开始工作到工作了400m的过程中，输送链栅条的粘土厚度不断地增加；当作业距离超过400m之后，输送链栅条的粘土厚度基本保持稳定，趋于水平状态。

3)在相同条件下多次进行试验，对试验后的栅条粘土情况和栅条清土装置的情况加以观察，结果表明：螺旋叶片式栅条去土装置对输送链条的外部清理效果较好且稳定，在离心力的作用下能很好地将粘土分离出去；但其对整个栅条的去土效果不好，尤其是粘土分布最多的栅条之间的部分。橡胶圆辊式栅条清土装置的橡胶位于输送链条之间，使得输送链条上的粘土与橡胶摩擦，达到清土的效果；同时，安装的橡胶装置对输送链条前、后及中间的粘土都有很好的清理效果。由于橡胶圆辊式中的橡胶部分与输送链条接触，消耗功率相比于螺旋叶片式较大，而且一段时间后橡胶会出现磨损现象，需要对橡胶进行更换。

4结论

1)在粘重土壤条件下，薯类收获机输送链式薯土分离装置的栅条容易粘着一层泥土且不容易清除，需要增加机械装置，强制清除栅条上的粘土，以确保收获质量。本文设计的两种输送链栅条清土装置具有良好的清理粘土效果，尤其是橡胶圆辊式清土装置对输送链条前、后及中间的粘土都有很好的清理效果。

2)根据试验数据分析可知：没有安装清理装置的栅条粘土厚度达到4.85mm，而安装有螺旋叶片式和橡胶圆辊式栅条清土装置的栅条粘土厚度分别为2.90mm和2.55mm。这说明，本文设计的两种栅条清土装置均具有明显的清理栅条粘土的效果，可满足实际生产要求。

参考文献：

[1]赵硕,张东兴,冯伟伟.破解马铃薯收获机薯土分离难题[J].农机科技推广,2008(4):34-35.

[2]史明明,魏宏安,刘星,等.国内外马铃薯收获机械发展现状[J].农机化研究,2013,35(10):213-217.

[3]邵世禄,万芳新,魏宏安,等.我国马铃薯收获机械研制与发展的研究[J].中国农机化,2010(37):34-39,50.

[4]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册(下)[K].北京:中国农业科学技术出版社,2007:1056-1058.

[5]徐中华,王建华.有限元方法分析土壤切削问题的研究进展[J].农业机械学报,2005,36(1):134-137.

[6]李雷霞,贾晶霞,李建东,等.土壤参数与马铃薯收获机牵引阻力的研究[J].农机化研究,2013,35(10):125-128.

Design and Experimental Study on the Conveying Chain Soil Cleaning Device of Potato Harvester

Li Zizeng, Jiang Jinlin, Zhan Changling, Yue Qun, Sui Xiuxu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：The potato and soil separation device of Potato harvester in the process of operation, grid article easy to stick with a layer of dirt, gaps between bars caused by the smaller, seriously affect the separation effect of potato and soil, come to light rate of potato significantly reduced. In order to solve the technical problem, this paper designed the rubber round roll bars and spiral vane of soil device, the machine harvest operation of conveyor chain at the same time to clean up. Test research shows that the bars do not install the cleaning device of the clay thickness is 4.85 millimeters, and equipped with the spiral vane bars and rubber roller circle the black bars of the clay soil device thickness of 2.90 millimeters and 2.55 millimeters respectively, two kinds of bars of black soil device has obvious effect of bars cleaning clay, satisfies the requirement of practical production, especially the rubber round roll soil device has good cleaning effect on the clay between the chain.

Key words：potato harvester; conveyor chains; soil device

文章编号：1003-188X(2016)02-0123-05

中图分类号：S225.7+1

文献标识码：A

作者简介：李字增(1989-)，男，山东滕州人，硕士研究生，(E-mail)18306391243@163.com。通讯作者：蒋金琳(1956-)，男，山东龙口人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail)gcdzz@qau.edu.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203028)

收稿日期：2015-01-09