【摘要】：山药在我国有着悠久的栽培历史,种植范围广且种植面积大,其药用价值和营养价值均较高,是目前具有良好市场前景和产业开发潜力的“药食同源”作物。目前,传统的山药收获方式多是以人工挖掘和机械侧边开沟辅助人工收获为主,存在劳动强度大、作业效率低、收获成本高且收获完好率低等系列突出问题,大幅降低了山药种植户的经济效益,严重影响了种植积极性,是制约山药产业发展的关键问题。利用山药收获机可一次性完成开沟破土、振动碎土和菜土分离等功能,使得地下山药的部分块茎裸露,通过人工拔取即可完成山药的收获,省力高效。而现有山药收获机仍存在收获过程中山药易受损、机具与土壤间的适用性差及造价成本高等问题,对机具使用的可靠性和作业的经济性造成影响。因此开发设计收获完好率比较高的山药收获机对提升山药机械化收获水平,推动山药产业的发展具有重要意义。基于上述分析,论文主要研究内容如下:(1)结合山药种植、收获农艺要求及现有收获机存在的不足,确定悬挂式山药收获机整机方案。开发的整机主要包括悬挂装置、收获机机架、开沟破土装置、排土回填装置、振动挖掘碎土装置、传动系统以及实时在线监测系统等,可同时实现山药收获过程中破土开沟、提升排土、土壤回填及山药块茎与土壤分离等功能,并能够实时显示收获机的作业参数,有效提高收获机作业操作便捷性和安全性。

(2)对整机开沟破土装置、排土回填装置、振动挖掘碎土装置和悬挂装置进行结构设计和主要参数确定,利用三维制图软件Solid Works对整体模型进行搭建。综合运用Solid Works的Motion与Simulation插件,在极限条件下对开沟破土装置中的链刀及振动挖掘碎土装置中的格栅式振动铲分别进行结构静力学分析和动力学分析,对关键部件的可靠性进行分析和验证。(3)依据离散元法对振动碎土装置作业进行仿真数值模拟,对虚拟仿真中土壤破碎过程、土壤颗粒间黏结键断裂情况及山药受力进行分析。以影响土壤破碎效果的作业参数为影响因素,以区域内黏结键数量和山药的受力大小为评价指标,进行单因素和多因素试验分析,确定了各因素对区域内黏结键剩余数量的影响显著程度顺序为:振动幅度>振动频率>机具行进速度>振动铲初始倾角;各因素对山药受力大小的影响显著程度顺序为:振动铲初始倾角>振动幅度>振动频率>机具行进速度。(4)根据悬挂式山药收获机设计方案,完成整机样机的加工制造,并进行了系列的田间试验。基于对离散元虚拟仿真试验的分析,借助Design-Expert软件,选取曲柄轴转速、机具行进速度及振动铲倾角为影响因素,开展三因素三水平试验,分析各因素在实际作业中对收获完好率的影响并进行优化设计与分析。结果表明,最大收获完好率最优参数组合为曲柄轴转速306.18r·min~(-1)、机具行进速度137.85m·h~(-1)及振动铲初始倾角-6.18°,并对该参数进行试验验证,山药收获完好率为90.855%,通过优化后的山药收获机作业性能明显改善。