【文章內(nèi)容簡介】 制工作才逐步發(fā)展起來，研究人員在研學原西德、原蘇聯(lián)、日本、瑞士等國外機具的基礎(chǔ)上，研制成功了升運鏈式馬鈴薯收獲機，但由于受當時歷史條件的限制，沒能實現(xiàn)大面積推廣和使用 [8]。20世紀 70 年代，內(nèi)蒙古農(nóng)機所研制出了與 拖拉機配套的 4U– 1 型馬鈴薯集條收獲機，并在當?shù)剡M行了試點推廣。 1978 年在北京舉辦的 12國展覽會上，引進了 不少國外馬鈴薯收獲機具廠商參展。其中有西德哈格多恩農(nóng)機有限公司生產(chǎn)的 RM– R型集條收獲機，日本東洋農(nóng)機株式會社生產(chǎn)的 TP– 2 型集條收獲機，法國莫羅公司生產(chǎn)的 M112型集條收獲機。其中大型機具的配套動力在 30kW 以上，生產(chǎn)率為 。中型機具的配套動力在 22～ 30kW，生產(chǎn)率為 。小型機具的配套動力在 15kW，生產(chǎn)率為 ～ hm2/h。 1979 年， 12國農(nóng)機展覽會后，國家將全部馬鈴薯收獲機樣機都投放在黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，從而為馬鈴薯收獲機的研究工作創(chuàng)造了 良好的條件。 20 世紀 80 年代，我國又引進了西德 RM– R 型、瑞士 SUPER– B 型配套動力為 10 30kw 的馬鈴薯集條收獲機 [14]。 20世紀 90 年代，我國薯類產(chǎn)區(qū)加大了馬鈴薯收獲機械的研制力度，山西省農(nóng)機推廣站與山西省忻州地區(qū)農(nóng)機推廣站、黑龍江省農(nóng)機推廣站與大興安嶺地區(qū)農(nóng)機推廣站、河北省農(nóng)機推廣站與河北省圍場地區(qū)農(nóng)機推廣站、內(nèi)蒙古農(nóng)機推廣站等地農(nóng)機部門分別引進了國內(nèi)外馬鈴薯收獲機械進行演示、選型。其中大型機具有俄羅斯生產(chǎn)的 KJIK– 2– 01 型馬鈴薯聯(lián)合收獲機，意大利生產(chǎn)的 SP100 型雙行集條收獲機。小型機具有意大 利生產(chǎn)的 SP50型、內(nèi)蒙古包頭市農(nóng)機所研制的 4U– 。中型機具有黑龍江生產(chǎn)的 4S00– 型，內(nèi)蒙古農(nóng)機所研制的 4U– 1 型集條收獲機，以及內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學研制的 4SW– 40 型收獲機 [14]，如圖 13所示。 20世紀 90 年代中期，由于國產(chǎn)小四輪拖拉機的大量推廣和應(yīng)用，研制馬鈴薯收獲機已被列入重要日程。而此后，其市場需求旺盛，先后有小型升運鏈式馬鈴薯收獲機和振動式馬鈴薯收獲機投放市場，并占據(jù)了很大的市場份額。 中國農(nóng)業(yè)機械化研究院在綜合國內(nèi)外馬鈴薯收獲機械的基礎(chǔ)上，研制成功了各種型號的馬鈴薯收獲機，如 1520 型馬鈴薯收獲機、 4UL1型馬鈴薯聯(lián)合收獲機、 4UW120 型馬鈴薯挖掘機 1700 型馬鈴薯聯(lián)合收獲機等多種機型，為我國馬鈴薯收獲機的研制奠定了良好的基礎(chǔ)。近年來，我國研制的馬鈴薯收獲機，主要是中小型挖掘機 [925]為主，如河北省圍場農(nóng)機研究所生產(chǎn)的 4VM– 1A型， 4VW– 2A型馬鈴薯挖掘機，黑龍江齊齊哈爾市建新機械廠研制的 4U– 2型牽引馬鈴薯收獲機等，如圖 14所示。有些企業(yè)出于商業(yè)目的，報道馬鈴薯收獲機械工業(yè)初試成功的消息。但是就目前我國普遍的 動力狀況，真正使機具在作業(yè)質(zhì)量過關(guān)、性能穩(wěn)定可靠、推廣 適用的機型并沒有出現(xiàn) [10][24]。目前，國產(chǎn)馬鈴薯收獲機械較成熟的產(chǎn)品主要有兩種類型：一是升運鏈桿條式，該類型機是目前國際通用形式，美國、芬蘭、德國、俄羅斯等國大型收獲機，日本自走式、韓國懸掛式收獲機普遍采用該型式，特點是容易實現(xiàn)單雙行收獲和聯(lián)合作業(yè)。二是柵條擺動 11 分離篩式收獲機 ，該類型機是意大利、日本的早期結(jié)構(gòu)型式，不易實現(xiàn)雙行收獲和聯(lián)合作業(yè)。以上兩類型機也有不足之處，就是只能實現(xiàn)挖掘、土壤分離和集條功能，還不能完成排石、去秧、集箱或直接裝車等功能 [9]。最近幾年，我國馬鈴薯聯(lián)合收獲機械的 ，研制也 取得了一定的進展黑龍江省伊春市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 農(nóng)機科研 所成功研制了 4UL2型馬鈴薯聯(lián)合收獲機（樣機），該機可一次完成土薯挖掘、碎土分離、清秧除雜、升運卸薯裝車作業(yè)，于 2021 年 9 月通過鑒定，但未進行推廣?，F(xiàn)代農(nóng)裝北方（北京）農(nóng)業(yè)機械有限公司生產(chǎn)的 1650 型帶臂式聯(lián)合收獲機（圖 15），采用機、電、液一體化技術(shù)，配置浮動挖掘機構(gòu)，對地仿形，確保挖掘深度，一次完成切溝、挖掘、輸送分離、莖蔓清除，集中裝車作業(yè)，也可根據(jù)收獲要求側(cè)面輸出。該機在挖掘時須有一運輸車跟隨，而且地頭、地邊作業(yè)困難，只能適用于大面積 收獲。 12 本課題研究的意義、內(nèi)容及方法 研究意義 馬鈴薯是全球繼小麥、水稻、玉米之后的第四大糧食作物 [1]，它作為一種糧食作物在同等條件下其單位面積蛋白質(zhì)產(chǎn)量分別是小麥的 2倍，水稻的 倍，玉米的 倍；所含 VC是蘋果的 10 倍， VB 是蘋果的 4倍；其它各種礦物質(zhì)含量是蘋果的 10倍以 [2]。因此，在日常生活中，以馬鈴薯為原料的食品已成為時尚。馬鈴薯不但營養(yǎng)齊全而且結(jié)構(gòu)合理尤其是蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與人體的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)基本一致極易被人體吸收利用，其吸收利用率幾乎達到 100%，此外馬鈴薯還含 有其它糧食作物中所沒有的胡蘿卜素和抗壞血酸，因此營養(yǎng)學家說“馬鈴薯是十全十美的全價營養(yǎng)食物” [3]。 馬鈴薯除了上述的營養(yǎng)價值之外它在工業(yè)領(lǐng)域也已成為不可或缺的重要原料，尤其是它的精淀粉、變性淀粉等深加工產(chǎn)品在紡織、印染、造紙、醫(yī)藥、化工、建材和石油鉆探等領(lǐng)域也都顯示出極高的利用價值 [4]，可以制成添加劑、增強劑、黏結(jié)劑、穩(wěn)定劑等，在有些時候它還可以用來生產(chǎn)酵母、多種酶、維生素、人造血液等產(chǎn)品。馬鈴薯獨特的自然屬性和優(yōu)越的經(jīng)濟社會條件，使它的相關(guān)產(chǎn)業(yè)也成為全球的朝陽產(chǎn)業(yè) [5]。從長遠看馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間很 大，前景非常廣闊。據(jù)世界馬鈴薯中心研究表明：在世界范圍內(nèi)對馬鈴薯的需求到 2020 年將有望增長 20%，超過水稻、小麥、玉米的增長，屆時發(fā)展中國家對馬鈴薯的需求將是 2021 年的 2倍，幾乎占全球總產(chǎn)量的一半 [6]。隨著市場對馬鈴薯需求的不斷增加，馬鈴薯的產(chǎn)業(yè)化，機械化種植、收獲、深加工機械已經(jīng)成為各國的重要課題。 目前我國馬鈴薯種植面積正在接近蔬菜種植面積，達 500 萬 hm2，年總產(chǎn)量近 8000萬噸，已成為世界馬鈴薯生產(chǎn)大國，機械化作業(yè)是社會發(fā)展的必然趨勢 。 1)馬鈴薯收獲是時間緊，耗工多的一項作業(yè)。由于馬鈴薯生長 期僅 80～ 90 天，集中種植區(qū)多在我國北部，氣候寒冷，無霜期短，如收獲過早，生長期不夠，干物質(zhì)積累少，影響產(chǎn)量和質(zhì)量，如收獲過晚，易遇霜凍，造成更大損失。而目前馬鈴薯收獲主要靠人畜力，效率低，使收獲期拖長，造成減產(chǎn)，嚴重制約馬鈴薯生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展和效益的發(fā)揮。因此，穩(wěn)定、擴大馬鈴薯種植而積，提高單位面積產(chǎn)量，促進生產(chǎn)發(fā)展，必須采用機械化收獲 [24]。 2)馬鈴薯機械化收獲是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要。要發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)，首先應(yīng)實現(xiàn)馬鈴薯種植及收獲機械化，馬鈴薯種植及收獲機械化離不開性能優(yōu)良的收獲機械，因此研發(fā)適 13 合我國農(nóng)藝種 植要求的新機具，尤其是馬鈴薯聯(lián)合收獲機械，顯得尤為重要 [6]。 2021年 8 月省人民政府和中國農(nóng)業(yè)科學院簽訂了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)科技合作協(xié)議，這標志著甘肅省馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁上新臺階。但甘肅馬鈴薯種植、中耕作業(yè)以及收獲機械化落后，機械化水平達不到 1%的水平，嚴重制約著甘肅馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。解決這些問題，把這一特色產(chǎn)業(yè)做大做強，就必須依靠科技，把先進的科學實用技術(shù)運用到馬鈴薯的育種、種植、加工等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，延長產(chǎn)業(yè)鏈、提高產(chǎn)品附加值，真正使科學技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，促進農(nóng)民增收得實惠、農(nóng)業(yè)發(fā)展有后勁。 3)隨著人 力成本的提高、大量農(nóng)村勞動力向城市轉(zhuǎn)移、我國城市化進程的加快、勞動力的的減少經(jīng)以及成本的提高等，因此馬鈴薯種植區(qū)急需機械化作業(yè)代替人工作業(yè)。甘肅是全國馬鈴薯的主要產(chǎn)區(qū)，但 98%以上的馬鈴薯種植和收獲仍然采用人工挖掘或牧畜犁翻開溝點種和收獲等原始的生產(chǎn)方式進行作業(yè)，存在著勞動強度大，費時費工，損失率高，不便貯藏等缺點 [5]，甘肅定西為國家級馬鈴薯之鄉(xiāng)，但其機械化水平僅為 1%，大部分收獲完全靠人工作業(yè)方式，作業(yè)手段落后，勞動強度大，生產(chǎn)效率低，有時在冬季封凍之前不能完成收獲作業(yè)，給馬鈴薯種植戶造成很大的經(jīng)濟損失 。因此，馬鈴薯種植區(qū)急切需求能夠適應(yīng)種植區(qū)氣候、土壤、環(huán)境、作物等特點的馬鈴薯聯(lián)合收獲機械。 4)當前，馬鈴薯收獲多采用犁翻人撿，費工、費時，漏薯和傷薯現(xiàn)象嚴重，制約了農(nóng)民種植的積極性。馬鈴薯收獲的難題是馬鈴薯的掘出、集中、分撿 (需回收 2 遍 )，為了擴大馬鈴薯生產(chǎn)的規(guī)模，需走機械化發(fā)展的道路。我國雖然有十幾家馬鈴薯收獲機的科研、生產(chǎn)單位，研制生產(chǎn)出了不同類型的馬鈴薯收獲機械，但其明薯率低、傷薯率較高，勞動強度大，費時費力，輸送系統(tǒng)的工作性能直接影響著這些重要指標，因此，對輸送系統(tǒng)等部件進行機理研究具有現(xiàn)實意義 。 5)提高分離率，降低傷薯率以及勞動強度的重點是輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和輸送工作諸機理的研究，包括輸送性能與運動參數(shù)分析，參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。因此，在現(xiàn)有機型基礎(chǔ)上不斷攻關(guān)完善，對輸送系統(tǒng)的工作機理進行分析研究，對影響工作性能的運動和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，以提高分離率，減少傷薯率，降低勞動強度，具有現(xiàn)實應(yīng)用的意義。 6）我國馬鈴薯種植面積大幅攀升，這對我國馬鈴薯收獲機械生產(chǎn)無疑是一個非常好的機遇，近幾年各個行業(yè)對馬鈴薯的需求不斷增加，隨著全國農(nóng)業(yè)機械化步伐的加快，馬鈴薯機械化生產(chǎn)的程度要求進一步提高，由此可以看出，馬鈴薯收 獲機械還存在巨大的發(fā)展空間。 14 研究內(nèi)容 針對國內(nèi)外馬鈴薯收獲機械的主要問題，研制出一種挖掘、分離、輸送等為一體的馬鈴薯收獲機械。 對整個機械的機架、行走、傳動、分離各部分進行研究設(shè)計 ，并使之能達到既定目的。 本論文主要對機架、行走部分進行相應(yīng)的理論分析與計算，以確定尺寸，完成初步設(shè)計。 我國馬鈴薯收獲機械技術(shù)的研究開發(fā)已有幾十年的歷史，但水平相對較低，制約我國馬鈴薯收獲機械發(fā)展的因素主要有以下幾方面 [22]: （ 1）塊莖收獲所要求的機具技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滿足生產(chǎn)需求困難大。 （ 2）配套動力不能 滿足機具應(yīng)用要求。 （ 3）馬鈴薯種植方式多樣化。在種植方式上有壟作、平作；在作物定植上，行距、株距不一；在使用中機組進地行走難和對行作業(yè)難等問題，影響作業(yè)質(zhì)量和效果。 （ 4）我國日前還沒有標準的馬鈴薯收獲機械試驗方法和標準。 （ 5）馬鈴薯收獲機的機理研究和系統(tǒng)的理論欠缺，研究手段相對落后。 針對以上問題，必須在薯塊輸送工作性能方面有所突破，使其達到功耗小，適應(yīng)性強、效率高、耐用性強，在 滿足損傷率和丟失率等農(nóng)業(yè)要求的前提下，降低勞動強度，達到機械化收獲的目的。 1）馬鈴薯機械化收獲理論研究。 2）減少機具阻力。 3)馬鈴薯柔性輸送系統(tǒng)的研究。薯塊在輸送過程中極易傷害表皮，對儲存極為不利，因此需在輸送過程中研究應(yīng)用新結(jié)構(gòu)、新材料，避免在薯塊輸送過程中損傷馬鈴薯。 研究方法 1)通過查閱文獻資料，吸收并借鑒 部分 馬鈴薯收獲機械及其它收獲機械輸送系統(tǒng)的成功之處，研究并確定馬鈴薯聯(lián)合收獲機分離輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)。 2)對輸送系統(tǒng)各主要機構(gòu)進行設(shè)計，并分析確定主要參數(shù)。 3）主要技術(shù)路線如下： 文獻檢索 調(diào)研綜合分析 提出預(yù)設(shè)計方案 確定主要參數(shù) 繪制圖樣結(jié)構(gòu) 完善設(shè)計 15 第 2 章 馬鈴薯收獲機的總體原理及挖掘部分設(shè)計 馬鈴薯的生長農(nóng)藝特征及收獲要求 馬鈴薯的生長農(nóng)業(yè)特征 馬鈴薯成熟塊莖一般生長在 5～ 20cm的土層。塊莖的生長寬度一般為 400cm左右。馬鈴薯塊莖地下分布情況 如圖21。 收獲要求 （ 1）挖掘深度 應(yīng)該滿足農(nóng)藝要求 ,即機具的 挖掘深度應(yīng)該大于馬鈴薯的種植深度 ,如 果機具的挖掘深度小于種植深度 ,必定造 成馬鈴薯的漏挖與損傷。一般挖掘深度 為： 15～ 16 25cm。 （ 2）明薯率、挖凈率與傷薯率 明薯率 ： 是說明馬鈴 薯的收獲率。這里值得說明的是有些馬鈴薯一部分露在外面 ， 另一部分則埋在土里 ， 屬于明薯還是暗薯不好判定。所以在測試時我們規(guī)定露在外觀的馬鈴薯≥ 1/4 時為明薯 ， 否則為暗薯 。 漏挖薯 ： 是機具未挖出的馬鈴薯 ： 它也是機具造成的損失，明薯、埋薯揀拾干凈后用人工找出機器沒有挖掘出來的殘留薯塊。 損傷薯 ： 從明薯、埋薯、漏挖薯中所有傷薯。根據(jù) GB5262 農(nóng)業(yè)機械試驗條件，馬鈴薯收獲機的作業(yè)標準為：明薯率≥ 96%、傷薯率≤ 6%、挖凈率≥ 97%較為合適。 馬鈴薯 收獲機的整機機構(gòu)及工作原理 該機有拖拉機牽引，通過拖拉機動力輸出 軸、伸縮萬向節(jié)和減速器箱輸出軸的兩端分別將動力傳給撥土輪和分離器的中間旋齒，中間旋齒在通過鏈輪再傳動到其它各旋齒，再由前后旋齒軸分別帶動喂入輪和升運鏈。分離器的四組旋齒交錯排列，各組旋齒的相位差為 90 度，齒距為 18mm。 機器的起落有拖拉機的液壓懸掛裝置控制。工作時液壓懸掛處于浮動位置，通過調(diào)節(jié)限深輪的高低位置控制挖掘鏟的入土深度。 工作時，薯塊和土壤沿挖掘鏟上升并向后移動，借助撥土輪、喂入輪的作用， 17 送入旋齒分離機構(gòu)，再旋齒的作用下，被破碎的土壤從旋齒間漏下，薯塊及部分硬土塊順次經(jīng)各旋齒送至升運鏈，由升運 鏈送入薯箱，然后靠其重量自動放堆。 挖掘部件的設(shè)計 挖掘部件主要由挖掘鏟、鏟架、仿形鎮(zhèn)壓輪、深度調(diào)節(jié)桿和挖掘頭架等組成，如圖23所示。其中 h表示挖掘的深度，