山药种植与收获新型设备的设计开发

刘卫华 邱建兴 刘 敏 沈启扬

0 引言

山药物理性状特殊，一般直径在30 mm左右，长度在600～900 mm，适宜在排水良好、土层深厚的沙壤土种植。传统的种收方式主要依靠人工。种植时，需开沟深松900 mm，作成畦宽600 mm、畦距500 mm的种植畦。一般每个壮劳力每天只能深松10 m，深松0.07 hm2（1亩）土地需要60个人工。收获时，需用人工将种植畦内泥土全部挖出。一般一个壮劳力每天只能收获20 m。不但劳动强度大，作业效率低，而且在挖取时容易铲断、铲伤山药，影响其品质和商品价值。因而，研制开发山药种植收获环节的机械化装备——山药种植收获机械，已成为山药产业发展的迫切需求。

通过对国内现有的山药种植收获机械设备的调研发现，目前该类机械大都采用三轴型设计，其中两根轴用于深松土壤（种植时使用），另一根轴用于挖掘开沟（收获时使用）。行走机构大致分为轮式行走机构、履带式行走机构两种。轮式行走机在田间作业遇田埂、排水沟等障碍时，通过性能不高，田间换行时容易压碎山药，一般只作为深松机械，不能一机多用。履带式行走机改良了轮式行走机的田间通过性能。它的结构形式有两种：一种用手扶拖拉机变速箱作传动部件，采用多组皮带传动变速，适用范围窄，调整操作不便；另一种采用液压驱动履带行走机构，通过液压传动实现行走机构的无级调速，操作性、适应性大幅度提高。挖掘装置可分为链式挖掘装置和螺旋叶片轴式挖掘装置两种。链式挖掘装置采用回转链式传动，传动链工作环境恶劣，使用寿命不长；螺旋叶片轴式挖掘装置，改良了链式挖掘装置的性能，但在螺旋轴参数设计、耐磨性方面还有待提高。

1 设计开发

2013年，江苏省农业机械管理局立项支持开发山药种植与收获新型设备。技术目标是：种植环节采用专用的深松机械将山药种植畦深松至符合山药种植农艺要求的深度；收获环节采用专用的深松机换装挖掘装置在山药行间开深槽，再由人工辅助将山药取出，完成收获作业。该技术可改变目前山药生产机械缺失的现状，提升山药种植机械化水平，有效推动山药产业的发展，带动地方经济发展。

1.1 设计方案

研制生产一种三轴式山药深松收获机，以90 kW发动机为动力，采用液压驱动履带行走机构，无级调速，螺旋叶片轴式深松、挖掘装置，在不同含水率、不同密度土壤及排水沟众多的田块作业时，具有良好的适应性。

1.2 整机设计（如图 1、图 2所示）

整机设有起动电瓶、柴油机和液压油散热冷却器。柴油机驱动齿轮泵带动行走驱动马达，行走驱动马达驱动行走链条，行走链条前方设有过桥减速轮，齿轮泵带动升降油缸，进而带动链轮减速箱总成、收获单绞龙。升降油缸下方连接有减速箱，链轮减速箱总成固定于滑动定位支架上，链轮减速箱总成连接种植双绞龙，种植双绞龙下端后方设有双向拨泥绞龙。柴油机控制减速箱，油缸升降控制收获单绞龙、种植双绞龙打孔的深度，双向拨泥绞龙将泥土送至两侧远处，防止泥土重新落入槽沟。

1.3 传动系设计

1.3.1 机械传动路线

柴油发动机动力传动路线分三条（如图 3所示）：

（1）柴油发动机通过联轴器一（链轮连接）双排链条传动将动力传递到减速机135（1/10）上，经六角轴和链轮一链条传动（链轮二、链轮三）带动收获绞龙或种植龙工作。收获绞龙主要是向下挖掘开沟、挖出山药，种植绞龙主要用于土地深松、开沟，方便山药种植。收获单绞龙和种植双绞龙不能同时工作。

图1 整机主视图

图2 整机俯视图

（2）柴油发动机通过皮带传动将动力传递到减速机120（1/10）上，再经过两组链轮（速比均为1:2）链条传动，带动双向拨泥绞龙工作，将收获单绞龙工作时挖出的泥土向沟槽两边输送，避免泥土掉入绞龙开出的沟槽中，影响人工清理捡拾山药。双向拨泥绞龙与收获绞龙同时工作时，应将双向拨泥绞龙的一套传动机构从机具上卸载下来。

（3）柴油发动机通过皮带传动将动力传递到内啮合齿轮泵上，通过液压传动实现机具无极调速、前进、后退、变向和种植，收获绞龙的上下运动。

图3 传动路线图

1.3.2 作业流程

深松作业时，发动机动力传动路线分两条。一路通过链式联轴器将动力水平传递至主蜗轮蜗杆减速箱，经蜗轮蜗杆减速箱降速变向后，由六角形传动轴垂直向上传递至链轮传动箱。链轮传动箱体通过四个圆管和井字型机架四根圆形立柱联接，可在圆形立柱上上下移动来完成链轮传动箱体和螺旋深松工作部件的上升和下降。链轮传动箱内有一链轮设计为六角型内孔，和六角型传动轴联接，在传动箱体上下运动时能将动力可靠地传递至链轮传动箱中间链轮，带动深松工作部件作业。链轮传动箱有三根三角形布置的动力输出轴，井字型机架上两根平行的圆形立柱动力输出轴为深松工作部件驱动轴，另一轴为挖掘工作部件驱动轴。深松工作部件由两个经过优化设计加工的螺旋叶片轴式深松轴，通过法兰联轴器和链轮传动箱动力输出轴联接，可方便地变换作业方式。另一路经过链轮链条将发动机动力传递至液压泵，液压泵将液压油传递至总控制阀。通过总控制阀带动升降油缸实现工作部件上升、下降或浮动，以及机具无级调速、前进、后退、变向。

山药机挖掘开槽作业时，将深松工作部件拆除，安装挖掘作业部件。挖掘作业部件由挖掘钻、月牙形挡土板和横向拨泥绞龙组成，挖掘钻通过联轴器和链轮箱前部动力输出轴联接，月牙形挡土板固定在链轮箱体上。作业时，月牙形挡土板将挖掘钻叶片上的泥土输送至上方，由横向拨泥绞龙向两边输送，完成山药行间开槽取土作业；再由人工辅助将山药取出，完成挖掘作业。发动机通过皮带传动将动力传递至辅蜗轮蜗杆箱，经辅蜗轮蜗杆箱、中间传动轴、链轮机构减速变向后传递至横向拨泥绞龙。在挖掘作业时，拔泥绞龙将挖掘轴开槽取出的土横向拨出，防止泥土掉入开挖的深槽，影响人工辅助采收山药。

2 结论

试验测得，山药种植与收获新型设备松土深度可达813 mm，松土速度为221 m/h，与人工作业相比，不仅工作效率高、劳动强度低，而且深松深度一致，土壤细碎，有利于提高山药的品质。山药种植收获机械的推广应用对推进山药生产机械化具有十分重要的意义。