單壟單行甘薯聯(lián)合收獲機薯秧分離機構設計與參數(shù)優(yōu)化

陳小冬，胡志超，王 冰，游兆延，彭寶良，胡良龍

單壟單行甘薯聯(lián)合收獲機薯秧分離機構設計與參數(shù)優(yōu)化

陳小冬1,2，胡志超1※，王 冰1，游兆延1，彭寶良1，胡良龍1

（1. 農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所，南京 210014； 2. 安徽農業(yè)大學，合肥 230036）

針對中國甘薯聯(lián)合收獲機作業(yè)薯秧分離機構分離不徹底、甘薯損傷數(shù)量多、莖稈纏繞機具部件等亟待解決的問題，該文基于自走式甘薯聯(lián)合收獲機設計了一種結構簡單、摘凈率高、傷薯率低以及防莖稈纏繞的薯秧分離機構。根據(jù)設計計算確定了分離機構結構參數(shù)，其中挖掘輸送裝置總長度為2 050 mm，水平傾角為24o；主動軸和摘輥半徑分別為18、36 mm；輸送裝置下層桿條與摘輥間距為27 mm，最上端與摘輥之間距離為251 mm。經過理論分析明確了甘薯的運動特性及其影響作業(yè)質量的主要工作參數(shù)機具前進速度、主動軸轉速、輸送裝置水平傾角。通過薯秧分離試驗發(fā)現(xiàn)在甘薯收獲期薯秧分離力與其含水率變化規(guī)律符合二次函數(shù)關系，進一步開展田間試驗借助Box-BenhnKen的中心組合設計方法選取主要工作參數(shù)對摘凈率和損傷率的影響并作試驗設計，以此為基礎開展三因素三水平一次回歸正交試驗。在DESIGN EXPERT中使用響應曲面法分析各因素對摘凈率和損傷率影響效應并對回歸模型的參數(shù)進行優(yōu)化。當田間試驗取最優(yōu)參數(shù)組合機具前進速度1.2 m/s、主動軸轉速895 r/min、輸送裝置水平傾角24°時，摘凈率和損傷率分別為98.14%、2.76%，分離效果滿足甘薯收獲要求。該研究也為其他土下果實聯(lián)合收獲作業(yè)果秧分離機構提供思路。

機械化；設計；優(yōu)化；甘薯聯(lián)合收獲；分離機構

0 引 言

甘薯廣泛種植在中國各個地區(qū)[1-4]。甘薯作為重要的糧食作物，尤其在谷物糧食欠收成時期[5-8]，莖葉可以作為家禽飼料[9-10]，莖撕下皮可以作菜入食。甘薯具有秧蔓長、產量高、生長深等特點，單個薯塊質量50～150 g[11]，秧蔓最長可達7 m[12]，生長深度200～280 mm[13]。

甘薯收獲工序主要為去除秧蔓、挖掘明薯、撿拾清選、集薯裝袋，收獲方式有人工收獲、半機械化收獲和機械化收獲。人工收獲甘薯勞動強度非常大，因此各國逐漸使用機械化收獲甘薯。機械化收獲分為分段收獲和聯(lián)合收獲，甘薯分段收獲指的是先用切蔓機殺秧，再用挖掘機挖出甘薯，最后人工撿拾清選；甘薯聯(lián)合收獲有2種，一種是一臺機具一次性完成甘薯收獲，另一種是兩段式聯(lián)合收獲，首先單獨用切蔓機殺秧，最后用挖掘收獲機具完成作業(yè)[14-16]。聯(lián)合收獲機械化程度、效率和經濟效益都非常高，其關鍵工序是分離薯秧，由于甘薯秧蔓長且韌性足，作業(yè)過程秧蔓易堵塞機具，目前甘薯聯(lián)合收獲基本采用兩段式聯(lián)合收獲作業(yè)。

國外對這方面起步早、投入大，早已實現(xiàn)機械化收獲甘薯。像日本東洋公司生產的裝有二級分離裝置的自走式薯類聯(lián)合收獲機、比利時AVR公司生產的牽引式薯類聯(lián)合收獲機等，國外薯類聯(lián)合收獲機上薯秧分離機構有彈性摘輥式分離器、稀桿升運式分離器、密桿升運式分離器以及聯(lián)合分離器，這些分離器體積龐大、結構復雜，適合大面積作業(yè)[17-18]。中國在近幾年才將重心轉移到聯(lián)合收獲上，但極少有研究人員研究薯秧分離機構，主要有現(xiàn)代農裝北京農業(yè)機械有限公司研發(fā)的1650型帶臂式和農機美諾系列1700型[17]薯類聯(lián)合收獲機一次作業(yè)收獲量大，薯莖分離機構摘凈率較高，但在黏性較大土壤作業(yè)易堵塞；甘肅農業(yè)大學設計的4U-1600與4UFD-1400型[19-24]薯類聯(lián)合收獲機薯秧分離裝置穩(wěn)定性強，但由于采用皮帶傳動，分離過程土等雜物落入皮帶易造成脫帶；荊毅[25]設計的薯類挖掘機組薯根莖分離輸送機構工作效率高，但分離后的秧蔓易跟隨升運鏈向后運動造成堵塞機具等問題；呂金慶等[26]設計的薯莖分離機構工作效果好，但采用拖拉機牽引田間通過性差，小塊田工作效率低。殘留在甘薯上的莖稈未被分離，不僅影響機具的作業(yè)效率和使用壽命，而且收獲的甘薯需人工撿選分離，增加了勞動成本。

針對上述問題，本文設計了一種適用于在殺秧情況下作業(yè)的甘薯聯(lián)合收獲機薯秧分離機構，通過對薯秧分離機構作業(yè)過程力學分析與運動學分析得出其工作參數(shù)，并開展田間試驗確定其最佳參數(shù)組合以滿足甘薯收獲要求[27-28]。

1 薯秧分離機構工作原理與設計

1.1 工作原理

自走式甘薯聯(lián)合收獲機薯秧分離機構由挖掘輸送部件、傳動部件、摘輥、輸送桿條升運鏈、彈性曲型桿條機構等組成，如圖1所示。為了使甘薯聯(lián)合收獲機作業(yè)更順暢，在收獲前，先用甘薯切蔓機進行殺秧，再使用甘薯聯(lián)合收獲機收獲。甘薯聯(lián)合收獲機作業(yè)時挖掘輸送部件經液壓裝置驅動以一定角度入土挖掘，被挖掘出的甘薯混合物通過主動軸將動力經鏈條傳遞給雙層輸送桿條裝置而隨其運動，到達彈性曲型桿條機構時，曲型桿條依靠自身的重力將甘薯的莖稈捋順（防纏繞）輸送到摘輥與輸送裝置下層的間距處，同時防止甘薯被拋到地里和薯升運器上，該間距只能允許莖稈等小塊物體通過，不允許甘薯通過，最后通過莖稈與摘輥表面的摩擦力以及甘薯運動的慣性力將甘薯與其莖稈分離，被拉下的莖稈被輸送裝置下層桿條帶到地里，甘薯則被薯升運器輸送到二級土薯分離裝置進一步分離，最后用編織袋兜住出料口收集甘薯。薯秧分離機構主要技術參數(shù)如表1。

1.限深裝置 2.薯秧分離機構 3.履帶式底盤 4.發(fā)動機總成 5.裝料區(qū) 6.出料口 7.后輸送帶 8.甘薯升運器 9.駕駛室10.挖掘鏟 11.傳動鏈條 12.主動軸 13.摘輥 14.彈性曲型桿條機構 15.輸送桿條

表1 薯秧分離機構主要技術參數(shù)

1.2 薯秧分離機構設計

1.2.1 挖掘輸送部件設計

挖掘輸送部件要求不漏挖、分離部分薯土、甘薯不倒滑。輸送部件最前端安裝挖掘部件，由甘薯的生理特性（生長深度深、結薯范圍寬、莖稈粗且長），將其結構形式設計為平面固定式單鏟結構，該結構既能夠扎斷莖稈防止纏繞，又易入土。

由薯秧分離機構作業(yè)原理知，甘薯混合物狀態(tài)可分為挖掘階段和輸送階段，兩階段甘薯混合物受力情況如圖2。

注：h0為平均挖掘深度，mm；h1為挖掘鏟后端高度，mm；h2為輸送裝置后端高度，mm；β為輸送裝置水平傾角，(°)；F1為沿鏟面移動甘薯混合物所需的力，N；R為鏟面對甘薯混合物反作用力，N；f為甘薯混合物對鏟面摩擦力，N；G為甘薯混合物重力，N；W為輸送裝置對甘薯混合物反作用力，N；T為輸送裝置對甘薯混合物摩擦力，N；V0為機具前進速度，m·s-1；V1為輸送裝置運行速度，m·s-1；S1為挖掘部件長度，mm；S2為輸送裝置長度，mm。

挖掘作業(yè)階段即甘薯混合物在1長度范圍內，由力的平衡可得