弹性揉搓式马铃薯联合收获机设计与试验.pdf
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1、弹性揉搓式马铃薯联合收获机设计与试验魏忠彩1,2,王业炜2,李学强3,4,王金梅3,4,苏国粱3,4,孟鹏祥3,4,韩梦2,金诚谦1,2,李志合2(1.农业农村部南京农业机械化研究所,南京210014;2.山东理工大学农业工程与食品科学学院,淄博255091;3.山东思代尔农业装备有限公司,德州253600;4.山东省马铃薯生产装备智能化工程技术研究中心,德州253600)摘要:针对现有马铃薯联合收获机薯土分离与清土除杂效果不够理想,伤薯率、破皮率和含杂率较高等问题,该研究采用“双重振动分离+弹性揉搓除杂+缓冲减损集薯输送”收获工艺,设计了一种弹性揉搓式马铃薯联合收获机,主要部件包括挖掘装置、
2、液压调控薯土分离装置、弹性揉搓清土除杂装置和缓冲减损集薯输送装置等。在阐述整机结构、收获工艺特点和工作原理的基础上,分析马铃薯运行轨迹、碰撞过程及土块破碎透筛过程,确定双重振动薯土分离段、弹性揉搓清土除杂段和缓冲减损集薯输送段的结构及运行参数,以满足高效分离除杂和减损防损需求。通过田间试验验证,在挖掘深度为 220mm,作业速度分别为 3.17 和 4.16km/h 时,损失率分别为 1.17%和 1.43%,伤薯率分别为 1.30%和1.27%,破皮率分别为 1.98%和 1.84%,生产率分别为 0.41和 0.54hm2/h,各项性能指标均满足相关标准的要求,可为装备研发和优化改进提供参
3、考。关键词:农业机械;马铃薯;联合收获机;弹性揉搓;双重振动;缓冲集薯;清土除杂doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202305177中图分类号:S223.2文献标志码:A文章编号:1002-6819(2023)-14-0060-10魏忠彩,王业炜,李学强,等.弹性揉搓式马铃薯联合收获机设计与试验J.农业工程学报,2023,39(14):60-69.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202305177http:/www.tcsae.orgWEIZhongcai,WANGYewei,LIXueqiang,etal.Designandexperim
4、entsofthepotatocombineharvesterwithelasticrubbingtechnologyJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(14):60-69.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202305177http:/www.tcsae.org0引言分离和除杂环节的破皮损伤问题是制约马铃薯机械化收获发展的短板1-3。2022 年初,全国马铃薯机收率
5、仅为 32%,西南混作区和南方冬作区,马铃薯机收率尚处于 10%以下水平4。另外,现有马铃薯机械化收获以分段式收获为主,人工捡拾费工费时的问题尚未得到有效解决5。目前,国内外马铃薯收获机一般通过杆条筛、摆动筛、拨辊推送等结构形式实现薯、土、杂分离,其结构布置和参数调整均影响着分离效果及收获品质。国外对马铃薯清选分离装置的研究开始时间早、技术更加成熟,RUZHYLO 等6设计了一种用于薯杂分离的螺旋分离器,分离装置由动力驱动的多个螺旋辊和螺旋弹簧组成,同时在机具机架上部和出料口处设有防止漏薯的筛网;MOSALANEJAD 等7对倾斜皮带式的薯石分离装置进行了参数优化,对皮带斜置角度、皮带速度以及
6、皮带表面类型进行试验,并通过 SPSS 软件对试验数据进行分析,得到较佳分离效率的参数组合;国外在马铃薯清选分离装置上还采用了机器视觉技术和基于声学的分离系统,在确保马铃薯清选效率的同时提高了清选准确性8。国内针对小型马铃薯收获机伤薯率和破皮率较高等问题,宋言明等9在设计的马铃薯联合收获机上采用软孔带对薯块和土块进行分离,并利用旋转的滚动毛刷去除马铃薯表面的泥土等杂质;针对马铃薯挖掘机在黏重土壤条件下薯土分离效果差等问题,吕金庆等10设计了一种两级升运链式分离输送装置,得到了影响分离性能的升运链长度范围和抖动器等结构参数;针对山地黏重板结土壤条件下马铃薯收获机伤薯破皮率高的问题,张兆国等11采
7、用多级分离振动、多重缓冲和低位侧铺的方式,设计了一种多级分离缓冲马铃薯收获机,减少了马铃薯的碰撞损伤。常见的清选分离装置一般借助机、电、液一体化控制,应用传感技术调控上料量和作业速度,以实现低损增效控制12-14。薯杂分离过程中,脆嫩的马铃薯表皮由于承受摩擦、挤压和冲击载荷等作用,从而产生胶质层破裂损伤现象15-17。伤薯破皮严重是制约当前国内马铃薯机械化高效低损收获的瓶颈问题,研究马铃薯收获清选分离过程的减损控制技术是马铃薯种植业发展的必然趋势18-20。在薯类收获机研究方面,联合收获过程的清土除杂和集薯减损是保证收获品质的关键21-22。薯杂混合物的输送分离既有土块的破碎解聚,也有物料的前
8、后运移和透筛23-25。马铃薯机械化收获过程中,薯土分离与清土除杂过程复杂多变,仅仅依靠分离筛的杆条式结收稿日期:2023-05-10修订日期:2023-07-09基金项目:国家自然科学基金项目(52105266);山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目(2021TSGC1332);中国博士后科学基金面上资助项目(2021M701801);南京市博士后科研资助计划项目作者简介:魏忠彩,硕士生导师,研究方向为现代农业装备与计算机测控技术,Email:通信作者:金诚谦,研究员,博士生导师,研究方向为大田作物收获机械化与智能化技术,Email:第39卷第14期农 业 工 程 学 报Vol.39No
9、.14602023年7月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJuly2023构难以达到理想的薯杂分离效果26-28。因此,配备清土除杂和缓冲减损集薯装置具有重要的实际意义。为提高薯杂分离效果,进一步降低含杂率、伤薯率和破皮率,研制了一种弹性揉搓式马铃薯联合收获机,在阐述总体设计和工作原理的基础上,介绍了关键部件的设计与参数选取,分析了薯土分离、清土除杂和集薯跌落过程的薯块运动和碰撞特征,对样机的破皮率、伤薯率和含杂率等指标进行了测试分析,以期在确保收获效率的前提下提高收获品质,为马铃薯收获机薯土分离和清土除杂工艺的优化
10、改进提供参考。1总体设计及工作原理1.1整机结构结合国内北方马铃薯主产区的种植农艺和前期减损防损相关试验,研制的弹性揉搓式马铃薯联合收获机(如图 1 所示)为双垄作业,作业幅宽为 1650mm。机具采用拖拉机牵引作业方式,总体结构包括挖掘装置、切土切蔓装置、松土限深装置、薯土分离装置、薯秧分离装置、清土除杂装置和集薯输送装置等。挖掘装置采用固定式组合翼铲结构形式,集薯输送装置采用折叠臂+挡薯板输送带结构形式,变速箱输入轴最大输入转速540r/min。1234567891.牵引装置2.松土限深装置3.切土切蔓装置4.挖掘装置5.薯土分离装置6.折叠架7.缓冲帘8.集薯输送带9.清土除杂装置1.T
11、ractiondevice2.Soillooseninganddepthcontroldevice3.Cuttingdeviceofsoilandseedlings4.Diggingdevice5.Deviceofpotatoesandsoilseparation6.Foldingframe7.Cushioncurtain8.Beltofpotatoesgatheringandconveying9.Soilcleaningandimpurityremovaldevice图 1弹性揉搓式马铃薯联合收获机总体与局部结构示意图Fig.1Diagramofoverallstructureandloca
12、lstructureofpotatocombineharvesterwithelasticrubbing马铃薯收获机的动力传递采用链传动,其传递路线如图 2 所示。1324561.后部振动轴2.传动轴3.变速箱4.橡胶齿驱动轴5.除杂长辊6.除杂短辊1.Vibrationshaftattherear2.Transmissionshaft3.Gearbox4.Rubbertoothdriveshaft5.Longimpurityremovalroller6.Shortimpurityremovalroller图 2马铃薯联合收获机动力传递路线Fig.2Powertransferrouteofpo
13、tatocombineharvester拖拉机动力输出轴输出的动力经传动轴传递至变速箱,变速箱输出轴上的一个链轮经链传动向前传递至振动轴,另一个链轮经链传动向后传递至分离筛驱动滚筒和分离筛支承滚筒,分离筛驱动滚筒经链传动依次等速将动力传递给 4 条除杂长辊和 1 条除杂短辊。前部的振动轴采用液压马达驱动,以精准控制振动频率,确保碎土分离效果。后部的振动轴通过链传动提供动力,调整传动装置的运行速度,即可满足不同收获工况下的薯土分离和清土除杂需求。1.2工作原理及主要技术参数收获过程中,在仿形松土限深轮的作用下,垄上土壤得以疏松,两端切土圆盘刀将秧草切断,挖掘铲将薯杂混合物挖掘输送至分离筛上;在液
14、压调控薯土分离装置的作用下逐步进行薯-土分离;马铃薯表皮的泥土在揉搓辊的揉搓作用下脱附;干净的薯块经缓冲帘减速后运行至集薯装置中,输送至料斗车,待转运至后续处理工位。主要技术参数如表 1 所示。表1弹性揉搓式马铃薯联合收获机主要技术参数Table1Maintechnicalparametersofpotatocombineharvesterwithelasticrubbing技术参数 Technicalparameters数值 Values整机尺寸(长宽高)/Overalldimensions/(mmmmmm)667026802890整机质量 Overallweight/kg3270配套动力
15、Matingpower/kW73.5118收获垄数 Harvestingridgenumbers2作业幅宽 Workingwidth/mm1700适应垄宽 Adjustingridgewidth/mm900挖掘深度 Diggingdepth/mm150300纯工作时间生产率Pureworkproductivity/(hm2h1)0.330.55分离筛相邻杆条中心距Centerdistancebetweenadjacentbarsoftheseparationsieve/mm45伤薯率 Damagerateofpotatoes/%2破皮率 Bruisingrateofpotatoes/%3含杂率
16、 Impuritycontent/%4损失率 Lossrate/%4分离筛宽度 Widthofseparationsieve/mm1660装车提升臂最大效率Maximumefficiencyofloadingliftingarm/(th1)60最大装车高度 Maximumloadingheight/mm2940最大装车宽度 Maximumloadingwidth/mm37502关键部件设计及参数确定2.1液压调控薯土分离装置设计液压调控薯土分离装置主要由驱动装置、振动装置、调整装置和分离筛等组成(如图 3 所示),通过调控液压马达的转速来调整振动频率,通过调整臂改变振动幅度,确保较佳碎土分离效
17、果。薯土分离过程中,振动装置以一定频率连续击打分离筛,使得薯土混合物短暂脱离筛面,随之在重力作用下跌落,再次承受来自分离筛筛面施加的瞬时冲击力,迫使土块破碎与透筛分离。为实现低损高效的薯土分离效果,对薯块在分离筛筛面上的碰撞过程分析的基础上,分析土块在分离筛筛面上的破碎透筛过程,即在减少薯块碰撞损伤的前提下提高土块的破碎透筛效果。2.1.1薯块在分离筛筛面上的碰撞过程分析为简化计算,将薯块简化为质量均匀的椭球体,将第14期魏忠彩等:弹性揉搓式马铃薯联合收获机设计与试验61分离筛简化为平面,忽略薯块在运动中所受的空气阻力,对薯块在分离筛上的运动分析如图 4 所示。12a.结构图a.Structu
18、ral diagramb.Physical image b.实物图341.驱动装置2.调整臂3.振动装置4.分离筛1.Drivedevice2.Adjustingarm3.Vibrationdevice4.Separationsieve图 3液压调控薯土分离装置结构图及实物图Fig.3Structuralandphysicaldiagramofpotato-soilseparatingdeviceusinghydraulicregulationvyvhch3h2h1vzvjvfs分离筛运动方向Moving direction of separation sieve薯块振动轮分离筛筛面马铃薯收获
19、机前进方向Moving direction of potato harvesterPotato Separation sieve surfaceVibratingwheel调整臂Adjusting Harm注:vj为作业速度,ms-1;vf为分离筛筛面的线速度,ms-1;vz为薯块因振动装置的击打获得的瞬时速度,ms-1;vhc为薯块即将离开筛面时 vf与 vz的合成速度,ms-1;vy为薯块垂直于筛面方向上的合成速度,ms-1;s为分离筛的倾斜角度,();H 为薯块沿垂直于筛面方向的最大跳跃高度,m;h1为薯块跳跃至最大高度时筛面沿垂直方向的上升高度,m;h2为在薯块下落时筛面沿垂直方向的上
20、升高度,m;h3为薯块沿筛面垂直方向的跌落高度,m。Note:vjisoperatingvelocity,ms-1;vfislinearvelocityofsurfaceofpotatosoilseparationsieve,ms-1;vzisinstantaneousvelocityofpotatoobtainedbythestrikeofvibrationdevice,ms-1;vhcisthesynthesisvelocityofvfandvzwhenpotatoisabouttoleavesievesurface,ms-1;vyissynthesisvelocityofpotatope
21、rpendicular to sieve surface direction,ms-1;s is inclination angle ofseparationsieve,();Histhemaximumjumpingheightofpotatointhedirectionperpendiculartosievesurface,m;h1isthemaximumreboundheightofsievesurfaceintheverticaldirectionwhenpotatojumpstoitsmaximumheight,m;h2isthemaximumreboundheightofsieves
22、urfaceintheverticaldirectionwhenpotatofalls,m;h3isthedropheightofpotatoalongtheverticaldirectionofthesievesurface,m.图 4薯块在分离筛上的运动分析Fig.4Movementanalysisofpotatoonaseparationsieve由图 4 可见,薯块由于随机具运行而获得向左的水平速度 vj,由于随分离筛筛面的运行而获得朝着右上方倾斜的线速度 vf,由于振动轮的击打还获得垂直于分离筛筛面的瞬时速度 vz,,由运动分析得 vz和 vy的方程为vz=Afsin(ft+)(1)
23、vy=vz+vjsins(2)式中 A 为振动轮的振幅,m;f为振动轮的角速度,rad/s;为振动轮的初相位,()。薯块因短暂抛起而获得上升初速度,并逐渐跳跃至最大高度位置。在此过程中,机具以速度 vj向左水平运行,分离筛在筛面垂直方向将上升一段距离 h1,可得:t1=vygcossh1=vjt1sinsH=vy22gcoss(3)式中 t1为薯块自筛面跳跃至最大高度所用的时间,s;g为重力加速度,g=9.8m/s2。随后薯块重新落到筛面上,将承受来自分离筛的碰撞冲击力。在此过程中,分离筛在筛面垂直方向还将上升一段距离 h2,由此得:h2=vjt2sinsh3=12gt22cossH=h1+h
24、2+h3(4)式中 t2为薯块从最大高度下落至筛面上所用的时间,s。由式(2)式(4)得t2=vjsins+vzgcossh3=(vzvjsins)22gcoss(5)由式(1)和式(5)得h3=Afsin(ft+)vjsins22gcoss(6)物体碰撞接触力的计算式为29Fst=cAc(7)式中 c为薯块与筛面的碰撞接触应力,N;Ac为薯块与筛面的碰撞接触面积,mm2。查阅文献得:c0.4MPa,碰撞接触面积 Ac与跌落高度 h3之间的关系式为29Ac=1 130h3+120.90(8)由式(6)式(8)得Fst=c565(Afsin(ft+)vjsins)2gcoss+120.90(9)
25、由式(9)可知,薯块与筛面的碰撞接触力主要与机具的作业速度 vj、分离筛的倾斜角度 s和振动轮的角速度 f有关,碰撞接触力越大,薯块受到的机械损伤越大。2.1.2土块在分离筛筛面上的破碎透筛过程分析土块的破碎透筛过程分析如图 5 所示,完整的大土块(图 5a)刚刚被击打破碎成小土块时一般近似为正方体。对土块受击打而破碎的过程进行力学分析(图 5b),将土块理想化成质量均匀的正方体块,经过振动轮的多次冲击作用而发生碎裂,再经过多次相互冲击后逐渐变成近似的球形颗粒,最终从筛面杆条间隙处落下(图 5c)。由图 5 可见,土块主要受到惯性力、重力、外部作用力和黏结力的作用,土块的破碎机理是其所受到的外
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