馬鈴薯收獲機工作原理與傷薯問題產生機理研究

侯國強，韓休海，陳維剛

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

馬鈴薯是我國的重要糧食作物，我國的馬鈴薯年產量位居世界第一，但與此同時，馬鈴薯的生產現代化程度卻與發達國家相差較大。近年來隨著馬鈴薯種植面積的進一步增加，生產過程對于機械裝備的需求量不斷提升[1]。為進一步提高我國馬鈴薯產業的市場競爭力，減輕農民生產過程的勞動負擔，加強對馬鈴薯生產相關機械技術的研究十分必要。馬鈴薯收獲機的應用有效解決了傳統生產過程馬鈴薯收獲耗時費力的問題，有效提升了馬鈴薯生產的機械化水平。馬鈴薯收獲機屬于新技術產品，不同產品現階段的機械結構和技術原理存在一定的差異，從馬鈴薯收獲的基本原理出發展開相關研究，有利于馬鈴薯收獲機技術的進一步提升。

1 我國馬鈴薯收獲機技術發展現狀

我國對馬鈴薯收獲機的研究相對較晚，相關研究起步于20世紀 60 年代，到20 世紀 70 年代中期馬鈴薯收獲機產品才逐漸應用于我國的農業生產，當時的馬鈴薯收獲機主要與手扶拖拉機配套使用，且很多產品為引進機型，自主產品的工作能力相對不足，由于進口機型售價較高，導致機具普及困難，應用較少[2]。到20世紀90年代，馬鈴薯的種植面積和生產效益都得到明顯提升，因此農機廠家也加強了相關產品的研究力度，經過近20年的努力，目前，我國馬鈴薯收獲機廠家和相關科研單位已達到60余家，且收獲技術逐漸向大型聯合收獲方向發展。現階段應用效果較好的自主產品包括中國農業機械研究院研發，由現代農裝北方農機有限公司生產的美諾系列、亞地4U系列、4SW系列等；由黑龍江省農業機械工程科學研究院研制的4U-Ⅰ、4U-Ⅱ系列；由內蒙古都牧機廠生產的4U系列產品等。盡管以上產品各具特點，但都能實現馬鈴薯的可靠收獲，能滿足現代化生產的需求。總體上看，我國的馬鈴薯機械化收獲仍有較大的發展空間，相關的技術研究還有很多的工作要做，且農機裝備的普及與技術推廣仍需提升。

2 馬鈴薯收獲機工作原理

市場上銷售的馬鈴薯收獲機主要包括挖掘鏟、輸送裝置、分離裝置等幾大部分組成，機具還配備了懸掛裝置、變速箱等輔助結構，如圖1所示。工作時，馬鈴薯收獲機通過三點式懸掛結構與拖拉機實現連接，由拖拉機的后動力輸出軸將動力傳遞給馬鈴薯收獲機的動力輸入端，從而帶動變速箱轉動，為馬鈴薯收獲機的運轉提供動力支持。在機具前進過程中，挖掘鏟逐漸深入到耕地指定深度，將土壤中的馬鈴薯與土垡一同鏟起，然后通過輸送裝置運送到后方的分離機構。通常情況下，分離機構通過滾動、振動等形式將馬鈴薯與土塊、雜物等分離，先進的收獲機能實現對馬鈴薯的多級分離，從而獲得更加干凈的馬鈴薯個體。小型馬鈴薯收獲機在完成分離工作后一般直接將馬鈴薯散落放置于地表，中大型機型能夠在分離后進行一定量的馬鈴薯儲存，并在田間適當位置集中放置，以便于收集和運輸。部分先進的大型收獲機還具備清選功能，能夠對收獲的馬鈴薯進行自動分級，進一步提升了馬鈴薯收獲的自動化水平，有效減輕了農民在收獲后期的勞動量。

1.挖掘鏟；2.萬向節軸；3.分離機構；4.三點連接；5.變速箱；6.放種口

3 機械化收獲中的傷薯因素分析

3.1 挖掘過程產生的損傷

由于馬鈴薯的地下生長特點，在利用挖掘鏟進行挖掘的過程中必須深入土層之下，將土塊和馬鈴薯一同挖掘上來，挖掘過程中存在復雜的因素影響，可能造成馬鈴薯的損傷。現階段使用的挖掘鏟按照結構劃分可分為三角鏟、凹面鏟、槽形鏟等很多種類，而且挖掘形式多種多樣，有固定式、回轉式、振動式、往復式等眾多方式將馬鈴薯挖掘出土。

挖掘過程對馬鈴薯產生損傷原因包括以下三點：一是多數挖掘鏟前部配備有切土裝置，用以將土壤、雜草等預先切開，達到減小挖掘阻力的作用，但若切土裝置調整不當，會造成切土間隙過大或過小，導致土盤不能夠實現按照預先設計的收獲幅寬位置完成切土作業，導致切土結構進入馬鈴薯生長區域，造成馬鈴薯破損、切斷、擠傷等機械式損傷；二是挖掘鏟的入土深度不足，導致挖掘過程出現部分生長較深的馬鈴薯與挖掘鏟接觸，從而造成嚴重的馬鈴薯損傷；三是為保證馬鈴薯和土壤有效分離，在進入土薯分離結構前應先通過壓土輪將較大的土塊壓碎，有效提高土薯分離的效率，當壓土輪調整不當時，壓土輪產生的過大壓力會壓傷馬鈴薯，影響收獲后的馬鈴薯品質。

3.2 土薯分離過程造成的損傷

土薯分離是馬鈴薯收獲機的重要功能，土薯分離裝置根據機械結構不同分為擺動篩式、桿條輸送式、撥輥推送式等幾類，工作時輸送裝置將馬鈴薯和挖掘出的土壤、雜草等一同送入分離機構，在分離機構的運轉、振動下實現馬鈴薯與土壤和雜物的分離，但在機械運轉的過程中會不可避免地出現碰撞、擠壓、摩擦等問題，造成馬鈴薯破皮、磕傷等。且土薯分離的能力與傷薯問題直接相關，土薯分離能力越強，對馬鈴薯的損傷越嚴重。此外，在土薯分離完成后，很多機型通過尾篩將馬鈴薯輸送到收集箱體位置，尾篩能有效控制馬鈴薯的下落高度，尾篩的調整不當也會導致馬鈴薯在下落過程中產生損傷。

3.3 清選分級裝置產生的損傷

清選分級工作是現代化收獲的必要工序，很多先進的大型馬鈴薯收獲機集成了清選分級的功能，而小型機具盡管不具備清選分級的功能，但也能通過專用的分級機械實現收獲后的分級工作。清選工作的主要任務是利用清選爪對馬鈴薯進行攪動，使殘留的泥土、雜物掉落，并使清選后的馬鈴薯向分級裝置的位置運動，若清選爪的運轉速度和工作角度調整不當，不僅會影響馬鈴薯的運行速度，還會造成大量馬鈴薯的破皮和損傷。當馬鈴薯進入分級裝置后，馬鈴薯在分級輥上轉動，受到分級速度和分級裝置的斜置角度等因素的影響，也可能造成馬鈴薯表面的摩擦破皮，甚至造成更嚴重損傷[3]。此外，在清選分級結束后，運輸過程中，因多級輸送帶存在高度差，也可能在多次下落過程產生損傷，影響后期儲存效果。

4 預防傷薯問題的優化建議

優化挖掘裝置的工作狀態，嘗試將振動、液壓和氣壓傳動技術與傳感器技術相結合，綜合應用到挖掘裝置的功能之中，從而通過自動控制技術智能控制挖掘深度和挖掘鏟的入土角度，提升挖掘過程的合理性，避免挖掘深度不足造成的傷薯問題。

改良現有壓土輪的結構形式，使其在具有一定壓力的情況下能夠自行調解，避免出現過大壓力。例如采用浮動的壓土輪形式，使其在與體積較大馬鈴薯接觸時能夠自動收縮，減小壓力，或改為橡膠壓土輪以減小對馬鈴薯產生的損傷。

對于土薯分離結構的運轉速度和振動頻率應能通過便捷的方式進行調整，并通過試驗驗證馬鈴薯與土壤分離的最佳轉速和振動頻率，以達到最佳分離效果和最低傷薯率的良好配合關系。同時對于馬鈴薯的多級輸送結構，可采用緩沖坡設計或橡膠緩沖墊減小下落過程的沖擊力，以達到降低傷薯率的效果。