全 文 ：草石蚕联合收获机的研究
陈虎， 王春秀， 赵国成
摘要： 主要针对草石蚕人工收获方式严重制约机械化生产和农民增收的困难，通过对薯类收获机械的研究和讨论，在对比机械结构和工
作特点的基础上研究确定了草石蚕联合收获机的设计方案。 通过专家多次对设计方案论证，草石蚕联合收获机应具有破土、收获、输送、
筛选、收集等功能。 其采用多种机构实现所需装置的运动规律，这将会大幅提高草石蚕的收获效率。
关键词： 草石蚕； 联合收获设计； 收获效率
中图分类号： S225.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-5553 (2014) 05-0045-04
陈虎, 王春秀, 赵国成. 草石蚕联合收获机的研究[J].中国农机化学报, 2014, 35(5): 45~47,70
Chen hu, Wang Chunxiu, Zhao Guocheng. Design of combine harvest machine of artichoke [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization,
2014, 35(5): 45~47,70
DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2014.05.011
(宁夏大学机械工程学院， 银川市， 750021)
收稿日期： 2013年12月26日 修回日期： 2013年9月29日
第一作者： 陈虎， 男， 1986年生， 回族， 宁夏人， 硕士研究生； 研究方向为先进制造技术。 E-mail: generalchen2005@126.com
通讯作者： 王春秀， 女， 1964年生， 吉林人， 教授， 硕导； 研究方向为先进制造技术。 E-mail: chunxwang@nxu.edu.cn
0 引言
草石蚕， 又名螺丝菜、 宝塔菜， 形如蚕蛹， 属地
下茎植物。 其上密集须根， 在须根顶端有患球状肥大
块茎， 根状茎长而横走。 草石蚕主食地下块茎， 肉质
脆嫩、 风味独特、 营养丰富， 有降低血液浓度、 改善
血液循环的独特作用， 是食用和药用兼备的绿色保健
食品。 种植草石蚕时， 先要精细整地， 打垄， 开洼，
垄高200mm左右， 行距250~300mm。 株高300mm左右
时， 形成地下块茎 [1]。
贺兰县草石蚕的种植始于上世纪80年代， 有近30
年的历史。 由于贺兰土壤、 气候等因素适宜种植草石
蚕， 又可以与春小麦和冬小麦套种， 果实具有色白、
质脆、 果大、 成熟期早等特点。 生产地域范围主要集
中在贺兰无公害产区的金贵镇、 习岗镇、 洪广镇等18
个村， 逐步形成规模化特色农产品。 草石蚕产量高，
平均单产在37.5t/hm2左右， 经济效益每公顷可达6万
元左右。 草石蚕种植业已成为当地农业产业结构调整
和农民增收的主打产业之一。
1 草石蚕联合收获机的设计
1.1 收获机的设计要求
用联合收获机收获草石蚕时， 要一次完成切割、
收获、 分离、 筛选等作业 [2]， 在提高劳动生产率、
减轻劳动强度、 减少收获损失的同时， 应满足以下
要求。
1） 确保果实的挖出率不低于95%。
2） 在正常土壤湿度下， 尽可能破碎土块， 确保
果实和土壤及其他杂物的分离。
3） 合理设置除根装置， 避免拥堵。
4） 由于草石蚕肉质脆嫩， 机具结构应当紧凑，
输送材料应选择柔性材料。
1.2 收获机的构造和工作过程
草石蚕的收获过程主要包括： (茎秆) 收割、 挖
掘、 升运、 分离、 筛选及集装等工序。
收获机的主要工作部件设计为： 茎秆收割装置、
破土器、 挖掘器、 输送装置、 挤压辊筒、 振动筛 [3]。
草石蚕联合收获机结构示意图如图2所示。
工作过程： 先经过茎秆切割装置去除茎秆， 再
经过破土器将垄上表层板结土壤进行细化破碎并刮
除陇上表层板结土块， 避免茎秆影响后续工作的顺
图 2 草石蚕联合收获机结构示意图
Fig. 2 Structure schematic diagram of combine harvester
1.收集箱 2.筛选装置 3.气压辊筒 4.输送装置 5.挖掘铲
6.破土装置 7.茎杆收割装置 8.牵引装置
中国农机化学报
Journal of Chinese Agricultural Mechanization
第 35 卷 第 5 期
2014 年 9 月
Vol.35 No.5
Sep. 2014
利进行。 挖掘铲将草石蚕及土垡等杂物一起挖出送
至输送带上， 经过二次提升运输， 将块茎和杂物送
至气压辊筒， 并从辊筒间通过， 利用草石蚕和土块
的破碎压强不同而压碎土块。 破碎后的土块和块茎
进入疏松叉， 其作用是疏松土壤， 使其相对颗粒化，
便于筛选。 疏松后的土壤及杂物和草石蚕块茎进入
振动筛， 在振动筛往复筛选过程中， 土壤和杂物从
筛孔中漏下， 草石蚕块茎和部分未除尽的杂物进入
收集箱。
2 收获机的动力传动系统
2.1 传动系统设计
传动系统方案设计应满足草石蚕的收获作业
要求 (如功率损失少及转速合适 )， 且结构简单紧
凑 、 加工方便 、 成本低 、 传动效率高 、 使用维护
方便等 。 动力分配合理才能使各个工作部件获得
合适的速度 ， 保证各机构协调工作 。 因此 ， 根据
联合收获机升运输送系统和分离系统的工作原理
及结构特点 ， 运用功能分析理论设计了传动系统
如图3所示。 拖拉机动力输出轴通过万向联轴器将
动力传给减速箱 ， 减速箱输出动力分为两路 ： 一
路将动力传递给凸轮传动轴2； 另一路传递给横向
输送链驱动轴5， 再通过链传动将动力依次传递给
其他动力驱动轴。
2.2 主要运动参数分析与确定
机器中输出轴均为转速式动力输出轴， 其传动
原理如图3所示 。 查阅相关资料知 [ 4~5]， 输出轴转
速为固定标准值 ： 540 ±10r/min或 1 000 ±25r/min。
联合收获机选择万向节传动轴输入转速为540r/min。
参考国标Ⅱ型切割器的速度标准， 动刀切割速度取
1.25m/s。 升运链既可以输送掘起物 ， 又可以作为
第一级分离装置， 其运行速度须略大于拖拉机前进
速度以防止拥堵， 取升运链的线速度0.8~1m/s。 由
于宁夏草石蚕的种植土壤属沙性土壤， 而草石蚕又
肉质脆嫩， 所以该机初定振动筛的运动参数： 筛子
倾角15°， 曲柄半径250mm， 转速450r/min， 吊杆安
装角30°， 物料的移动速度为0.6~1m/s， 从而减少
草石蚕的损失和增加抓取能力。 气压式辊筒圆周线
速度取2.5m/s， 辊子直径300mm， 得气压式辊筒圆
周速度为80r/min。
3 主要工作部件
3.1 茎秆收割装置
草石蚕收获时茎秆如果不进行处理 ， 将会随
挖掘铲收获的果实及其他杂物一起进入分离装置 ，
这将会影响果土分离 ， 堵塞筛子 ， 故设计茎秆切
割装置是非常必要的 [ 6]。 草石蚕联合收获机切割
装置的切割器采用单支撑切割 ， 由动刀配合定刀
切割完成作业 ， 割幅 900mm (种植行距 300mm) ，
如图4所示。 主要由传动链轮、 凸轮传动轴、 空间
圆柱凸轮 、 上动刀连架 、 下定刀和机架组成 ， 动
力由变速箱输出轴提供 ， 利用凸轮机构实现动刀
的往复直线摆动。
3.2 仿形式破土器
草石蚕春种秋收， 表层土壤在收获季节干燥程度
增加， 板结程度也急剧增加。 收获时， 表层板结土壤
的破碎、 细化将至关重要 [8]。 采用如图5所示的仿形
式破土器， 其形状与草石蚕种植垄形相似， 目的在于
破碎垄上深度2~4mm的表层板结土壤， 以利于果实与
土壤的分离和筛选。
3.3 挖掘铲
挖掘铲的任务是以带最少的泥土挖掘并尽可能使
图 3 草石蚕联合收获机动力传动系统
Fig. 3 Power transmission system of combine harvester
1.万向节传动轴 2.凸轮传动轴 3.变速箱 4.横向输送链从动轴
5.横向输送链驱动轴 6.升运链从动轴 7.升运链驱动轴
8.气压辊筒驱动轴 9.振动筛曲柄驱动轴 10.气压辊筒从动轴
11.筛子防堵装置驱动轴 12.筛子防堵装置从动轴
图 4 茎秆切割装置结构示意图
Fig. 4 Structure diagram of stalk cutting device
1.传动链轮 2.凸轮传动轴 3.空间圆柱凸轮
4.上动刀连架 5.下定刀 6.机架
中国农机化学报 2014 年
图 5 仿形式破土器
Fig. 5 Ground-breaking device of imitation
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挖掘铲的任务是以带最少的泥土挖掘并尽可能使土壤
松散， 将掘起物 (包括块茎、 土壤和杂物) 送到后面
的分离装置上。 根据实际需要， 采用固定式挖掘铲，
其刚性地固定在铲架上， 各铲之间留有滑草间隙， 如
图6所示。 此铲结构简单， 应用广泛。
挖掘铲的主要参数是铲体宽度B、 铲体长度L、
铲面倾角α。 挖掘铲的设计要充分考虑草石蚕的田间
分布宽度、 行距以及垄高等因素， 保证挖净的同时
尽可能减少挖掘起过多的土壤； 还需考虑收获机前
进时， 挖掘铲偏离草石蚕的集结幅度 [7]。 根据草石蚕
栽培学和实地考察表明， 宁夏贺兰县草石蚕结实集
中 ， 行 距 250 ~300mm， 垄 宽 200 ~250mm， 垄 高
200mm左右， 株距为100~160mm。 综合考虑以上因
素 ， 设计收获机挖掘行数为 3行 ， 铲体总幅宽B=
850mm (单铲宽度为 250mm) ， 挖掘深度 取 140 ~
200mm。 为确保挖掘物顺利输送到升运装置上， 铲
体的后缘应略高于升运装置， 故挖掘铲需要有一定
的安装倾角α。 当倾角α增大时阻力增加， 挖掘物会
向铲前方翻涌， 不利于升运输送； 当倾角α的减小时
阻力减小， 输送顺利， 但铲体长度会增加。 通过实
验证明， 当挖掘深度为140~200mm时， 铲体长度L取
400mm， 倾角α取25°， 即可达到实际生产要求。 另
外在挖掘铲两侧装上适当的挡板或改型为槽形铲 ，
防止铲中的掘起物从侧面散落。
3.4 主要分离装置设计
3.4.1 气压辊筒碎土器
为了进一步将挖掘混合物中的土块破碎， 同时将
果实上的土壤分离， 以便后续筛选， 采用气压辊筒碎
土器， 如图7所示。
气压辊筒碎土器由两个充气橡胶辊筒组成， 辊子
由5mm厚橡胶外胎和充气内胎构成， 当混合物通过两
辊筒间隙时土块被破碎， 一般土块通过充气辊时的破
碎压力不超过150N， 因而不会损伤草石蚕块茎。 常
用的辊子直径为300~320mm。 试验测试还得出， 在一
定范围内增加辊子的直径， 可减少果实的损失。
3.4.2 振动筛
为了有效地从挖掘物中分离出草石蚕块茎果实，
该机设计采用经过改进的长条型冲孔筛， 利用曲柄滑
块机构驱动振动筛纵向摆动， 如图8所示。 筛子的长
度需保证对运送来的果实有足够的分离时间， 即设计
长度为800~1 200mm， 倾斜角度为10°~15° [9]。 在振
动筛下方设置刮带， 防止土壤堵塞， 同时确保筛子摆
动幅度和频率不能过大， 以防损伤果实。 挖掘物通过
升运输送器再经过气压辊筒破碎分离后落入振动筛，
土壤漏下， 果实进入收集箱。
4 结论
1） 通过对市场上类似收获根茎类农业设备的研
究和对当地草石蚕实际种植、 收获情况的调查研究、
分析和实验， 根据实验获得的数据设计了与拖拉机配
套使用的牵引式草石蚕联合收获机。
2） 联合收获机可一次性完成茎秆切割、 挖掘、
输送、 分离和集装等功能， 既提高了收获效率， 又降
低了成本。
3） 整机结构简单， 易操作， 易维修， 工作可靠，
寿命长， 做到不误农时。
4） 解决了纯人工收获方式制约机械化生产的瓶
颈， 同时在促进当地产业结构调整和为农民增收方面
发挥了重要作用。
（下转第70页）
图 7 气压辊筒碎土器
Fig. 7 Clod splintered machine of pressure roller
图 8 振动筛结构示意图
Fig. 8 Structure diagram of vibration shaker
(a) 挖掘铲安装图
(b) 挖掘铲俯视图 (c) 挖掘铲侧视图
图 6 挖掘铲结构示意图
Fig. 6 Structure diagram of mining shovel
1.曲柄驱动轴 2.曲柄滑块机构
3.筛子 4.收集箱 5.防堵刮带
陈虎 等: 草石蚕联合收获机的研究第 5 期
1.传动链轮 2.气压辊筒 3.传动齿轮
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Design of combine harvest machine of artichoke
Chen hu, Wang Chunxiu, Zhao Guocheng
(Ningxia University, Yinchuan, 750021, China)
Abstract: Aiming at the serious restriction of mechanized production and difficult income increase of farmer caused by the artificial planting and harvesting of
Chinese artichoke, the design of artichoke combine harvest machine was confirmed by the research and discussion of the potato harvest machine as well as
comparing its structure and working characteristics. The artichoke combined harvest machine should have the function of breaking soil, harvesting, transportation,
screening, collecting etc., many kinds of mechanism were used to achieve the motion law of the device. This will greatly improve the efficiency of harvesting.
Keywords: artichoke; combined harvester; mechanism; the efficiency of harvesting
（上接第 47页）
参 考 文 献
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Modeling and simulation of a kind of curvature algorithm based on elliptic paraboloid
Mu Yidong, Qu Peng
(Liaocheng University, Liaocheng, 252000, China)
Abstract: Firstly, a mathematical model of the calculation of elliptic paraboloid curvature was established. Then, the math model of the effect of curvature
on the main cutting force was analyzed by Matlab, and the model of the effect of the elliptic paraboloid on the main cutting force of milling was
established. The correctness of this surface curvature algorithm was proved through comparing the data collected in different cutting paths. The tool path of
the milling was optimized based on this model while processing the complicated curve surface. It also has instructive significance to practical production.
Keywords: elliptic paraboloid; normal curvature; main cutting force; algorithm
累了一定的实践经验。
参 考 文 献
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中国农机化学报 2014 年70