4TWP—3型甜菜挖掘铺放收获机的研制

    徐涛 刘春旭 朱炫铭

    摘 要：甜菜是仅次于甘蔗的世界第二大产糖类作物，在我国种植区域主要分布在新疆、内蒙古、黑龙江和河北等地。我国甜菜收获方式以传统人工收获和分段式收获为主。甜菜收获机械化水平较低，存在着机具地域适应性差、作业性能不达标和联合作业机型少等问题。该甜菜挖掘铺放收获机的研制成功减少了收获步骤，提高了作业效率，提升了甜菜收获过程的自动化、智能化水平。

    关键词：甜菜；减阻挖掘；铺放；收获机

    中图分类号：S223.94 文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.05.004

    1 引言

    甜菜是两年生草本植物，具有耐低温、耐干旱和耐盐碱等特性，种植范围一般在北纬40°～60°和南纬25°～35°之间的低温地区，其种植面积占全世界糖料作物种植面积的48%，仅次于甘蔗。甜菜按照用途可分为糖用甜菜、叶用甜菜、食用甜菜和饲用甜菜4种。

    甜菜作为糖类作物被大面积引种栽培在我国已经有110多年历史，种植区域主要在北纬40°以北的东北、华北和西北等地区。2016年全国甜菜总种植面积为1.66×105 hm2，其中：新疆占总播种面积的46.45%，内蒙古占36.27%；甜菜总产量约为956.7万t。近些年，在甜菜产业科研机构和农技推广部门的共同努力下，我国在甜菜的品种选育、栽培模式制定等农艺方面形成了一套比较成熟完备的种植模式及规范。我国甜菜的单位面积产量有了较大的提高，新疆地区单产已在54～57 t/hm2，接近发达国家先进水平。与此相比，我国甜菜生产全程机械化的发展明显滞后，配套农机装备技术水平还很落后，尤其在甜菜收获机具的研发和使用方面问题尤为突出[1～3]。国内甜菜收获以传统人工收获和分段式收获两种方式为主，存在着用工多、劳动强度大、作业效率低和收获质量差等问题，严重地影响和制约了我国甜菜产业的快速发展[4]，因此，研制一种集多种功能于一体的智能化和自动化程度高的新型甜菜联合收获作业机成为当务之急。

    2 整机结构及工作原理

    2.1 结构

    4TWP-3型甜菜挖掘铺放收获机与三点后悬挂的轮式拖拉机挂接使用。整机在前、后双梁框架的结构形式的基础上集成各功能部件和智能组件，一次进地即可完成甜菜振动减阻挖掘、茎土杂振动清选分离和块根集条放铺等项作业，辅以自动对行挖掘、智能转换放铺等电液控制功能，整机的自动化、智能化程度得到了显著提升[3]。

    根据甜菜挖掘铺放收获作业农艺技术要求，结合甜菜块根挖掘作业对机具结构、配套动力和运输状态等方面的要求，该机挂接方式采用三点后悬挂的形式，具体机构如图1。收获机在铰接前后框架的基础上，挖掘、清杂部件以机组中心对称面两侧对称布置，收获行（垄）数为3 行，机组中间1套，两侧对称各1 套完整的挖掘机构。该机主要由对行组件、挖掘机构、前后机架、传动系统、支承轮、围栅清选部件、集条放铺装置和液压电控系统7个部分构成。对行组件采用梳齿式结构感知甜菜块根横向位置，将信号传输给控制单元；挖掘机构采用犁刀式结构，实现甜菜块根的振动减阻挖掘工作；前后机架通过铰接的方式连接，通过调整丝杠调整围栅入土角度和深度；围栅清选部件通过旋转振动撞击将喂入的块根及土杂清选分离；集条放铺装置由侧挡板和后挡板及液压控制系统组成，根据作业方向自动调整块根放铺位置；支承轮起到限制作业深度的作用。

    2.2 基本原理

    进行甜菜块根挖掘铺放作业时，机组配套动力为404 kW以上轮式拖拉机。动力输出轴接合转速540 r/min，并接通后液压输出，机组边行进边入土。机具入土后作业速度控制在1～2 km/h之间，适应行距60～70 cm。

    自动对行机构在机具的最前端，横向位置处于每个挖掘部件左右挖掘犁刀的中间，接触甜菜块根后会判断出与挖掘部件横向位置差异，通过电控液压机构调整每个挖掘单元的横向位置以达到自动对行的功能；挖掘部件为了减轻挖掘阻力采用机械振动的方式，振动源来自传动机构驱动振动曲柄加以实现。松动后的块根及土杂被喂入到清杂围栅和弹簧组成的封闭空间，通过围栅的旋转产生的摩擦和撞击清除块根表面粘土及多余土杂[5～6]。根据不同的农艺需要，甜菜块根的集条放铺位置是不同的，该功能是通过电控模块按照预设好的程序并根据作业方向、速度参数的改变实现自动切换。

    2.3 技术参数

    甜菜挖掘铺放收获机主要技术参数见表1。

    2.4 参数确定

    （1）配套动力：该甜菜收获机自重为1150 kg，配套拖拉机应满足在距离下悬挂点620 mm位置的最大液压提升能力大于机具重量。在拖拉机的牵引能力方面，收获机作业时其牵引阻力主要来自于3组块根振动挖掘部件，参考国内外试验数据，每个挖掘部件入土耕作阻力（含振动）需要消耗的动力一般在4.0～5.0 kW之间（根据作业速度、土壤坚实度和入土深度不同），该机共需要消耗动力在12.0～15.0 kW。机组作业时拖拉机横跨2条垄，故选配拖拉机前后轮距应在12～14 m之间。该机配套范围动力拖拉机参数均符合上述要求。

    （2）挖掘深度：甜菜块根分为根头、根茎、根体和尾根四部分，其中根体含糖量最高，直径在10～25 cm，入土最深处可达35～45 cm。该甜菜收获机每组挖掘部件左、右犁刀前端最大宽度为275 cm，可以保证全部甜菜块根的挖掘喂入。根体最大直径处一般处于地表下15～25 cm，挖掘部件入土深度满足要求。

    （3）作业速度：在满足一定块根挖掘损失率、含杂率和黏土率等性能指标的前提下，尽可能降低功率消耗，提高挖掘效率，经过多次试验验证，确定该机作业速度在1～2 km/h。

    （4）其它：挖掘部件振动频率为540 Hz，振动曲柄偏心±10 mm，挖掘犁刀前后振动幅度±50 mm。围栅转速为90 r/min，在滿足清杂质量的同时尽可能减小块根损伤率。

    3 主要工作部件的设计

    3.1 自动对行组件

    自动对行组件由机械机构和电控液压部件组成，梳齿式仿形机械结构与土壤及块根接触，横向每隔11 mm均匀分布有一个仿形梳齿，中心对称共计27个，用来感知块根相对挖掘部件横向位置。传感器位置信号被传递到PLC模块后，控制电磁阀以驱动液压油缸带动挖掘犁刀左右窜动，幅度±50 mm。该机械部分主要由外护罩、仿形梳齿、传感器支架、梳齿转动轴和联接架等零部件组成，具体结构见图2。

    自动对行组件机械机构共3组，每行（垄）中心对称面左右各16片仿形梳齿及光电传感器，间距11 mm，横向覆盖范围291 mm，测试高度范围0～12 cm。

    3.2 振动挖掘组件

    该组件由挖掘部件和振动机构两部分组成。挖掘部件是该机的主要工作部件，其结构性能和参数的优劣直接影响到整机的挖掘质量和工作效率。振动机构动力来源于拖拉机后动力输出轴，驱动三组凸轮式曲柄部件带动挖掘部件做前后往复运动，以减小挖掘阻力，降低块根损伤几率，提高工作效率。

    挖掘部件采用犁刀式挖掘组件形式，左右犁刀以每行中心面对称左右分布，挖掘喂入口宽度28 cm，输出口宽度8 cm，挖掘部件振动频率540 Hz，振幅±5 cm。该部分主要由挖掘护板、挖掘犁刀、挖掘犁臂、回转轴套和驱动柄等零部件组成，具体结构见图3。

    振动机构采用机械驱动的形式，通过中间齿轮箱将扭矩输送到左、右和中间凸轮驱动轴，凸轮转动产生径向位移，位移值±1 cm。该位移经过驱动柄放大后传递给挖掘犁刀产生振动。该机构主要由中间齿轮箱、万向联接轴、左右凸轮驱动轴、中间凸轮驱动轴及凸轮机构组成，具体结构见图4。

    3.3 清杂集条机构

    该部分主要由旋轉围栅、围栅侧弹簧、集条侧挡板、集条后挡板、后机架、蜗轮蜗杆传动箱和后支脚组成，基本功能就是清除甜菜块根附土及土杂，集条归堆，具体结构见图5。其工作原理是将前部挖掘的甜菜块根及土杂喂入到由旋转围栅和侧围栅弹簧组成的封闭空间，通过旋转摩擦和振动清除土杂，清洁干净的块根根据不同的集条侧、后挡板组合满足不同集条需要。

    旋转围栅直径180 cm，回转速度90 r/min，集条放铺位置为两种，一种是机组作业正后方，一种是机组作业右侧部2 m左右，集条宽度1.2～1.5 m，集条高度30～50 cm，机组左右往复可将6垄甜菜块根集于1条，便于后续捡拾装运作业。

    4 性能测试及结果

    4.1 测试基本条件

    田间性能测试地点为黑龙江省依安县新发乡，试验地块为黑壤土，地势平坦，土壤含水率适中，无杂草残茬覆盖。收获作业甜菜品种为进口KWS9412（单粒型），胸径范围在8～25 cm之间，已经过打缨切顶作业。

    配套拖拉机为东方红LX904型轮式拖拉机，车况良好，机组作业速度在1.0～1.5 km/h之间。性能测试单位为黑龙江农垦农业机械试验鉴定站，测试区间为3段，每段长度为50 m。

    性能测试试验方法依据《JB/T 6276-2007 甜菜收获机械试验方法》行业标准和国家有关标准的要求，对该机作业工艺的可行性及各项技术性能指标进行性能试验。

    4.2 测试结果

    根据第三方鉴定机构田间性能测试记录数据分析，课题主要指标情况如表2所示。

    综合性能测试结果，该机各项指标均达到了课题立项时对中期指标的要求。主要存在问题是：①作业速度和效率有待进一步提高；②作业可靠性没有得到充分试验验证。

    5 结论

    （1）整机可完成甜菜块根类作物平作、垄作条件下的挖掘、清杂和集条作业。收获质量完全满足《NY/T 1412-2007 甜菜收获机作业质量》行业标准的要求，符合甜菜挖掘铺放的农艺需要。

    （2）该甜菜收获机使用、调整和维修简单方便，辅以智能功能部件，如自动对行功能可提高挖掘精度， 降低块根损伤；振动减阻挖掘能减小挖掘阻力，提高挖掘速度和效率；集条位置自动切换提高智能化程度的同时降低人工劳动强度。该机的研制成功为甜菜挖掘铺放收获作业提供了优质的机具保证。

    参考文献：

    [1] 范素香，侯书林，赵匀.国内外甜菜生产全程机械化概况[J].农机化研究，2011，33（3）.

    [2] 王建楠，胡志超，彭宝良，等. 国内外甜菜全程机械化生产现状与趋势[J]. 农业机械，2009（6）：60-62.

    [3] 韩长杰，尹文庆，杨宛章，等.甜菜机械化收获方式分析与探讨[J].中国农机化，2012（1）：71-74.

    [4] 李文秀，吴晓莉，邓勋华.甜菜机械化收获技术和发展对策[J].农机科技推广，2010（6）：45-45.

    [5] 王方艳，张东兴.圆盘挖掘式甜菜联合收获机设计与试验[J]. 农业工程学报， 2013，29（13）：7-14.

    [6] 王方艳，张东兴.圆盘式甜菜收获机自动导向装置的参数优化与试验[J]. 农业工程学报， 2015，31（8）：27-33.