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(jī)薯秧分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014； 2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥 230036）

針對(duì)中國(guó)甘薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)薯秧分離機(jī)構(gòu)分離不徹底、甘薯?yè)p傷數(shù)量多、莖稈纏繞機(jī)具部件等亟待解決的問(wèn)題，該文基于自走式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、摘凈率高、傷薯率低以及防莖稈纏繞的薯秧分離機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算確定了分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中挖掘輸送裝置總長(zhǎng)度為2 050 mm，水平傾角為24o；主動(dòng)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(jīng)過(guò)理論分析明確了甘薯的運(yùn)動(dòng)特性及其影響作業(yè)質(zhì)量的主要工作參數(shù)機(jī)具前進(jìn)速度、主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、輸送裝置水平傾角。通過(guò)薯秧分離試驗(yàn)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(guān)系，進(jìn)一步開(kāi)展田間試驗(yàn)借助Box-BenhnKen的中心組合設(shè)計(jì)方法選取主要工作參數(shù)對(duì)摘凈率和損傷率的影響并作試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以此為基礎(chǔ)開(kāi)展三因素三水平一次回歸正交試驗(yàn)。在DESIGN EXPERT中使用響應(yīng)曲面法分析各因素對(duì)摘凈率和損傷率影響效應(yīng)并對(duì)回歸模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)田間試驗(yàn)取最優(yōu)參數(shù)組合機(jī)具前進(jìn)速度1.2 m/s、主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速895 r/min、輸送裝置水平傾角24°時(shí)，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(shí)聯(lián)合收獲作業(yè)果秧分離機(jī)構(gòu)提供思路。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；甘薯聯(lián)合收獲；分離機(jī)構(gòu)

0 引 言

甘薯廣泛種植在中國(guó)各個(gè)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(shí)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(zhǎng)、產(chǎn)量高、生長(zhǎng)深等特點(diǎn)，單個(gè)薯塊質(zhì)量50～150 g[11]，秧蔓最長(zhǎng)可達(dá)7 m[12]，生長(zhǎng)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(jī)械化收獲和機(jī)械化收獲。人工收獲甘薯勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，因此各國(guó)逐漸使用機(jī)械化收獲甘薯。機(jī)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(jī)殺秧，再用挖掘機(jī)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(tái)機(jī)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(dú)用切蔓機(jī)殺秧，最后用挖掘收獲機(jī)具完成作業(yè)[14-16]。聯(lián)合收獲機(jī)械化程度、效率和經(jīng)濟(jì)效益都非常高，其關(guān)鍵工序是分離薯秧，由于甘薯秧蔓長(zhǎng)且韌性足，作業(yè)過(guò)程秧蔓易堵塞機(jī)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(guó)外對(duì)這方面起步早、投入大，早已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲甘薯。像日本東洋公司生產(chǎn)的裝有二級(jí)分離裝置的自走式薯類聯(lián)合收獲機(jī)、比利時(shí)AVR公司生產(chǎn)的牽引式薯類聯(lián)合收獲機(jī)等，國(guó)外薯類聯(lián)合收獲機(jī)上薯秧分離機(jī)構(gòu)有彈性摘輥式分離器、稀桿升運(yùn)式分離器、密桿升運(yùn)式分離器以及聯(lián)合分離器，這些分離器體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適合大面積作業(yè)[17-18]。中國(guó)在近幾年才將重心轉(zhuǎn)移到聯(lián)合收獲上，但極少有研究人員研究薯秧分離機(jī)構(gòu)，主要有現(xiàn)代農(nóng)裝北京農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司研發(fā)的1650型帶臂式和農(nóng)機(jī)美諾系列1700型[17]薯類聯(lián)合收獲機(jī)一次作業(yè)收獲量大，薯莖分離機(jī)構(gòu)摘凈率較高，但在黏性較大土壤作業(yè)易堵塞；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的4U-1600與4UFD-1400型[19-24]薯類聯(lián)合收獲機(jī)薯秧分離裝置穩(wěn)定性強(qiáng)，但由于采用皮帶傳動(dòng)，分離過(guò)程土等雜物落入皮帶易造成脫帶；荊毅[25]設(shè)計(jì)的薯類挖掘機(jī)組薯根莖分離輸送機(jī)構(gòu)工作效率高，但分離后的秧蔓易跟隨升運(yùn)鏈向后運(yùn)動(dòng)造成堵塞機(jī)具等問(wèn)題；呂金慶等[26]設(shè)計(jì)的薯莖分離機(jī)構(gòu)工作效果好，但采用拖拉機(jī)牽引田間通過(guò)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(jī)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(dòng)成本。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種適用于在殺秧情況下作業(yè)的甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯秧分離機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)薯秧分離機(jī)構(gòu)作業(yè)過(guò)程力學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出其工作參數(shù)，并開(kāi)展田間試驗(yàn)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(jī)構(gòu)工作原理與設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

自走式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯秧分離機(jī)構(gòu)由挖掘輸送部件、傳動(dòng)部件、摘輥、輸送桿條升運(yùn)鏈、彈性曲型桿條機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。為了使甘薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)更順暢，在收獲前，先用甘薯切蔓機(jī)進(jìn)行殺秧，再使用甘薯聯(lián)合收獲機(jī)收獲。甘薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)挖掘輸送部件經(jīng)液壓裝置驅(qū)動(dòng)以一定角度入土挖掘，被挖掘出的甘薯混合物通過(guò)主動(dòng)軸將動(dòng)力經(jīng)鏈條傳遞給雙層輸送桿條裝置而隨其運(yùn)動(dòng)，到達(dá)彈性曲型桿條機(jī)構(gòu)時(shí)，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(shí)防止甘薯被拋到地里和薯升運(yùn)器上，該間距只能允許莖稈等小塊物體通過(guò)，不允許甘薯通過(guò)，最后通過(guò)莖稈與摘輥表面的摩擦力以及甘薯運(yùn)動(dòng)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(yùn)器輸送到二級(jí)土薯分離裝置進(jìn)一步分離，最后用編織袋兜住出料口收集甘薯。薯秧分離機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如表1。

1.限深裝置 2.薯秧分離機(jī)構(gòu) 3.履帶式底盤(pán) 4.發(fā)動(dòng)機(jī)總成 5.裝料區(qū) 6.出料口 7.后輸送帶 8.甘薯升運(yùn)器 9.駕駛室10.挖掘鏟 11.傳動(dòng)鏈條 12.主動(dòng)軸 13.摘輥 14.彈性曲型桿條機(jī)構(gòu) 15.輸送桿條

表1 薯秧分離機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 薯秧分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 挖掘輸送部件設(shè)計(jì)

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(zhǎng)深度深、結(jié)薯范圍寬、莖稈粗且長(zhǎng)），將其結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為平面固定式單鏟結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既能夠扎斷莖稈防止纏繞，又易入土。

由薯秧分離機(jī)構(gòu)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(dòng)甘薯混合物所需的力，N；R為鏟面對(duì)甘薯混合物反作用力，N；f為甘薯混合物對(duì)鏟面摩擦力，N；G為甘薯混合物重力，N；W為輸送裝置對(duì)甘薯混合物反作用力，N；T為輸送裝置對(duì)甘薯混合物摩擦力，N；V0為機(jī)具前進(jìn)速度，m·s-1；V1為輸送裝置運(yùn)行速度，m·s-1；S1為挖掘部件長(zhǎng)度，mm；S2為輸送裝置長(zhǎng)度，mm。

挖掘作業(yè)階段即甘薯混合物在1長(zhǎng)度范圍內(nèi)，由力的平衡可得