李聿堯，楊紅光，王冰，吳峰，顧峰瑋，范加力

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

2015年馬鈴薯作為小麥、水稻、玉米三大主糧的補(bǔ)充，成為我國(guó)第四大糧食作物。馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)均衡，用途多樣，經(jīng)濟(jì)效益高[1-3]。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球馬鈴薯的產(chǎn)量已達(dá)359 070 kt，收獲面積為1.649×107hm2，單位產(chǎn)量達(dá)217 688 kg/hm2；而我國(guó)2020年馬鈴薯的總產(chǎn)量近78 240 kt，單位面積產(chǎn)量為185 474 kg/hm2，收獲面積為4.218×106hm2[4]。近年來(lái)，我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量、種植面積雖均已居世界首位，但技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有一定差距，其主要原因之一就是機(jī)械化程度仍待提高，因此馬鈴薯全程機(jī)械化的進(jìn)一步發(fā)展是極為重要的。而馬鈴薯收獲又是其中必不可少的一環(huán)，機(jī)械化水平越高，效率越高、收獲質(zhì)量越好，同時(shí)還能節(jié)約人工成本。薯土分離技術(shù)是決定收獲質(zhì)量的關(guān)鍵，薯土分離時(shí)的作業(yè)效果、產(chǎn)生的機(jī)械損傷對(duì)整體收獲質(zhì)量有很大的影響。本文將對(duì)馬鈴薯收獲中薯土分離技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，對(duì)幾種不同分離技術(shù)的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，尤其對(duì)聯(lián)合收獲中薯土分離技術(shù)的應(yīng)用做了介紹，并對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)中薯土分離裝置的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析與展望，以期對(duì)相關(guān)研究提供一定參考。

1 馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)

馬鈴薯收獲機(jī)是馬鈴薯全程機(jī)械化的重要一環(huán)，一般可分為分段收獲和聯(lián)合收獲兩類。分段收獲機(jī)一般能夠在工作過(guò)程中將馬鈴薯挖掘并進(jìn)行輸送，在進(jìn)行薯土、薯秧分離的同時(shí)進(jìn)行鎮(zhèn)壓平土，最后將處理完成的馬鈴薯鋪放在壓實(shí)的地面上再另行撿拾。而我國(guó)能夠進(jìn)行撿拾的機(jī)器很少、撿拾過(guò)程大多由人工完成[5-7]。而聯(lián)合收獲機(jī)則能夠在分段收獲的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成收集裝袋，解決了分段收獲后撿拾費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，機(jī)械自動(dòng)化水平更好，效率更高。

馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)一般分為自走式和牽引式兩種。自走式聯(lián)合收獲機(jī)自身就具備動(dòng)力源，駕駛員直接在收獲機(jī)上操作，在田間轉(zhuǎn)彎時(shí)半徑??；牽引式聯(lián)合收獲機(jī)在進(jìn)行工作時(shí)需靠前方的拖拉機(jī)提供動(dòng)力，田間作業(yè)時(shí)不太靈活，但往往結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力利用率更高?？偟膩?lái)看聯(lián)合收獲機(jī)上均包含挖掘、薯土分離、薯秧分離、輸送、集裝等幾部分。作業(yè)時(shí)通過(guò)挖掘部分的限深裝置確定挖掘深度，經(jīng)切草裝置和防纏繞裝置的輔助來(lái)提升挖掘效果，由挖掘鏟將土壤中的薯塊挖出后進(jìn)行運(yùn)輸，將薯塊與土壤、秧?xiàng)U、地膜等雜物運(yùn)送至分離裝置，經(jīng)過(guò)薯土、薯秧、薯雜分離后繼續(xù)運(yùn)輸，再經(jīng)過(guò)后續(xù)工序完成收集裝袋[8-10]。自走式、牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)[11]如圖1、圖2所示。

一些發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)、材料技術(shù)發(fā)展較好，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力足，所研制的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)械已能很好地按指標(biāo)完成收獲作業(yè)。而我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平還存在一定差距，目前國(guó)內(nèi)所進(jìn)行的研究仍以分段式收獲偏多，對(duì)于聯(lián)合收獲的研究也主要是聚焦于中小型聯(lián)合收獲機(jī)械[8, 10]，大型聯(lián)合收獲機(jī)械大多還需依賴進(jìn)口。馬鈴薯聯(lián)合收獲作業(yè)中薯土分離裝置是決定收獲質(zhì)量最為關(guān)鍵的部分，薯土分離這一關(guān)鍵技術(shù)對(duì)傷薯率、損失率、含雜率等多項(xiàng)收獲指標(biāo)都有很大的影響。

圖1 自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)

圖2 牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)

2 薯土分離技術(shù)

2.1 薯土分離技術(shù)研究概況

在馬鈴薯收獲薯土分離技術(shù)的研究中，大多數(shù)研究設(shè)計(jì)都是以裝置運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)土薯混合物運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)帶動(dòng)薯塊、土塊發(fā)生跳躍、碰撞及振動(dòng)實(shí)現(xiàn)分離的。此過(guò)程中細(xì)碎土壤會(huì)被篩分，大塊的土壤也因此而破碎脫落，附著在薯塊上的土壤也會(huì)隨薯塊與機(jī)構(gòu)之間的作用脫落，處理后的馬鈴薯會(huì)繼續(xù)運(yùn)送至下一工序。

2.1.1 帶桿振動(dòng)式分離技術(shù)

帶桿振動(dòng)式分離技術(shù)是現(xiàn)在最為主流的分離技術(shù)，且無(wú)論是分段收獲還是聯(lián)合收獲都有大量的應(yīng)用。其原理主要是依靠分離裝置自身振動(dòng)并傳遞至薯土混合物，讓土薯塊發(fā)生跳躍、振動(dòng)，附著在薯塊上的泥土因振動(dòng)而脫落，大土塊也會(huì)破碎為小土塊被分離出。起初設(shè)計(jì)的振動(dòng)分離帶桿大多只有單獨(dú)的一個(gè)，即一級(jí)分離帶桿，后隨著學(xué)者的不斷研究和技術(shù)的發(fā)展，二級(jí)及多級(jí)分離的技術(shù)也愈發(fā)成熟，通過(guò)多級(jí)分離帶桿作業(yè)能夠提高作業(yè)效率，提升薯土分離的效果，也有將帶桿設(shè)計(jì)成S型(波浪形)能夠在增加土薯混合物與帶桿之間的接觸面積的同時(shí)有效減少機(jī)身的長(zhǎng)度。

呂金慶等[12]在進(jìn)行4U2A型雙行馬鈴薯挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)采用了先輸送后振動(dòng)分離的技術(shù)。挖掘出的薯土混合物先經(jīng)過(guò)傾斜向上的輸送帶桿，再掉落到振動(dòng)帶桿上進(jìn)行薯土分離。通過(guò)張緊輪確保運(yùn)輸過(guò)程平穩(wěn)，增設(shè)可調(diào)振幅的振動(dòng)輪以適應(yīng)不同收獲情況、不同土壤環(huán)境的分離作業(yè)，在保證收獲質(zhì)量的同時(shí)降低傷薯率。帶桿為彎桿與直桿交替配置，每一根彎桿和相鄰的兩根直桿都能構(gòu)成一個(gè)凹槽型空間，馬鈴薯在帶桿上時(shí)可以盡可能地保持在此凹槽位置而不是來(lái)回滾動(dòng)，也能減少收獲過(guò)程中的損傷。

雖然帶桿在主動(dòng)軸作用下工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，但往往效果不好且不可控，所以通常需借助振動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)帶桿振動(dòng)可調(diào)。振動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為主動(dòng)振動(dòng)機(jī)構(gòu)和固定振動(dòng)機(jī)構(gòu)兩種。工作時(shí)主動(dòng)振動(dòng)裝置受驅(qū)動(dòng)軸作用強(qiáng)化帶桿振動(dòng)，如圖3(a)所示為基于偏心輪機(jī)構(gòu)的激振裝置[13]，其工作時(shí)會(huì)發(fā)生往復(fù)擺動(dòng)，使得分離帶桿受到交替變化的波動(dòng)作用，提高分離效果。如圖3(b)所示為旋轉(zhuǎn)式振動(dòng)裝置[14]，其工作時(shí)會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)使帶桿發(fā)生上下往復(fù)的變化，產(chǎn)生“波峰-波谷”的振動(dòng)面。而固定振動(dòng)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)不發(fā)生運(yùn)動(dòng)近似于被固定在機(jī)架上，但可在工作前調(diào)整其位置實(shí)現(xiàn)張緊以及對(duì)帶桿振動(dòng)幅度等的調(diào)控。

(a) 擺動(dòng)式振動(dòng)機(jī)構(gòu) (b) 旋轉(zhuǎn)式振動(dòng)機(jī)構(gòu)

帶桿振動(dòng)式薯土分離技術(shù)發(fā)展至今已十分成熟，應(yīng)用普遍。在多級(jí)分離帶桿設(shè)計(jì)時(shí)，常在兩級(jí)帶桿之間添設(shè)薯秧分離裝置，便于土壤、莖稈、石塊等雜物的篩分，提高分離效果。但是為此往往也需增加分離帶桿的長(zhǎng)度，或增大土薯混合物振動(dòng)、碰撞的幅度，使得薯塊更易受損，傷薯率偏高。此外也會(huì)因薯塊堵塞等影響發(fā)生故障，使振動(dòng)帶桿無(wú)法穩(wěn)定工作。

2.1.2 振擺結(jié)合式分離技術(shù)

振擺結(jié)合式分離技術(shù)常見(jiàn)于分段收獲中，主要由前方的振動(dòng)帶桿與后方的分離篩組成。前方振動(dòng)帶桿形式及工作情況與上節(jié)所述一致，而其后方的擺動(dòng)部分常采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)或是偏心輪配合連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。工作時(shí)在前方振動(dòng)帶桿完成一次分離后，前后擺動(dòng)的分離篩帶動(dòng)土薯混合物發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，黏結(jié)在薯塊上的土壤和大土塊在此過(guò)程中破碎并從篩桿間的空隙掉落，土薯塊也因質(zhì)量減少而被拋落完成分離。

振擺結(jié)合式分離技術(shù)前方的振動(dòng)多采用振動(dòng)帶桿的形式，所以大多數(shù)的研究都是針對(duì)后部分離篩的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的。近年來(lái)有不少學(xué)者運(yùn)用虛擬樣機(jī)、高速攝影等技術(shù)進(jìn)行了研究分析。楊莉[15]通過(guò)ADAMS軟件對(duì)4SW-130型馬鈴薯收獲機(jī)的振動(dòng)分離篩進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，分析了擺動(dòng)分離過(guò)程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及薯塊運(yùn)動(dòng)、受力情況，通過(guò)仿真對(duì)速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等結(jié)果分析，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。謝勝仕等[16]通過(guò)高速攝影技術(shù)對(duì)擺動(dòng)分離篩的影響因素進(jìn)行研究并分析了薯土混合物在擺動(dòng)分離篩上的運(yùn)動(dòng)，探明了分離作業(yè)時(shí)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速以及收獲機(jī)的前進(jìn)速度對(duì)分離效果和傷薯率的影響。

振擺結(jié)合式分離的優(yōu)點(diǎn)在于振動(dòng)與擺動(dòng)相結(jié)合，分離效果更好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，只需更換不同參數(shù)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境情況的收獲作業(yè)，但是同帶桿振動(dòng)式一樣振動(dòng)幅度較大，機(jī)械損傷較明顯，傷薯率偏高，且多應(yīng)用于分段式收獲。

2.1.3 撥動(dòng)式分離技術(shù)

撥動(dòng)式薯土分離技術(shù)作業(yè)時(shí)一般依靠一組或多組撥動(dòng)式輥軸組轉(zhuǎn)動(dòng)撥動(dòng)馬鈴薯，使得薯土混合物發(fā)生碰撞和振動(dòng)。土塊會(huì)因?yàn)檩佪S旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)被擊碎，也會(huì)因?yàn)閾軇?dòng)輥軸組的作用，相互之間發(fā)生碰撞而破碎，薯土分離效果較好。

吳建民等[17]設(shè)計(jì)的撥指輪式馬鈴薯挖掘機(jī)如圖4所示，工作時(shí)挖出的薯土混合物運(yùn)送至分離裝置，撥指輪輥軸旋轉(zhuǎn)，由包裹了彈性橡膠套的撥指撥動(dòng)薯塊，能夠有效減少碰撞損傷，降低傷薯率，土塊受擊破碎，完成薯土分離作業(yè)。為了減少機(jī)械損傷的同時(shí)保證分離質(zhì)量，會(huì)通過(guò)增加輥軸組數(shù)，減少撥動(dòng)力臂長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)，以小損傷、多次撥動(dòng)的方式來(lái)進(jìn)行分離作業(yè)。楊然兵等[18]設(shè)計(jì)了一種撥動(dòng)式輥軸組推送土薯混合物實(shí)現(xiàn)薯土分離的裝置如圖5。工作時(shí)撥動(dòng)輥軸組旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)，土薯混合物被推送、拋擲、不斷與自身和分離裝置間產(chǎn)生碰撞，土塊破碎掉落完成分離。其中每個(gè)撥輪的齒數(shù)、撥動(dòng)輥軸的組數(shù)、組與組之間的距離都會(huì)對(duì)作業(yè)過(guò)程的分離效率、傷薯率有較大的影響。

撥動(dòng)式分離技術(shù)其優(yōu)點(diǎn)就是減小了振動(dòng)式、擺動(dòng)式分離裝置收獲時(shí)機(jī)身所產(chǎn)生的振動(dòng)，能有效地減少分離長(zhǎng)度，薯土分離效果較好，薯塊所受機(jī)械損傷較小，但是對(duì)于整體設(shè)計(jì)要求更高，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，出現(xiàn)故障時(shí)不易維修。

圖4 撥指輪式輥軸

圖5 撥動(dòng)式輥軸組

2.1.4 旋轉(zhuǎn)式分離技術(shù)

旋轉(zhuǎn)式分離技術(shù)主要是由可轉(zhuǎn)動(dòng)的圓形分離裝置自身旋轉(zhuǎn)使土薯混合物受到相應(yīng)的作用，土塊碎裂脫落完成了分離。其旋轉(zhuǎn)軸大多是與地面近似平行的，此時(shí)依靠分離裝置旋轉(zhuǎn)使土薯塊受到重力和支持力的綜合作用發(fā)生碰撞。也有旋轉(zhuǎn)軸與地面存在一定角度，讓薯塊受離心力和重力的綜合作用完成分離。

旋轉(zhuǎn)分離技術(shù)較為典型的是旋轉(zhuǎn)軸與地面近似平行的滾筒式薯土分離[19]。工作時(shí)挖掘出的薯土混合物在轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒式分離裝置內(nèi)部的發(fā)生碰撞和振動(dòng)，使得土塊發(fā)生破碎并從間隙中脫落。石林榕等[20]研制的圓盤柵式馬鈴薯挖掘機(jī)的圓盤柵與水平面之間存在一定夾角并不斷地旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入分離裝置的薯土混合物受到離心力和重力的綜合作用，體積大的土薯塊會(huì)在圓盤柵外周運(yùn)動(dòng)并發(fā)生碰撞，土塊會(huì)碎裂、脫落，薯塊會(huì)因自身泥土減少使得質(zhì)量變小，受綜合作用力影響沿圓周向?qū)項(xiàng)l移動(dòng)完成分離。楊然兵等[10]設(shè)計(jì)的一種立式環(huán)形分離輸送裝置能在將薯塊向上層運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)完成薯土分離。薯土混合物被運(yùn)至立式環(huán)形分離裝置中，薯土混合物在環(huán)形裝置與隔板所構(gòu)成的相對(duì)密閉空間中隨環(huán)形裝置的旋轉(zhuǎn)而上升，并受重力和離心力的作用發(fā)生碰撞，土塊破碎脫落完成分離，薯塊被運(yùn)送至最高點(diǎn)后進(jìn)入下道工序完成向上的運(yùn)輸。幾種不同原理的旋轉(zhuǎn)式分離技術(shù)如圖6所示。

(a) 滾筒式薯土分離裝置 (b) 圓盤柵式分離裝置

(c) 立式環(huán)形分離裝置

旋轉(zhuǎn)式分離設(shè)備作業(yè)時(shí)主要通過(guò)圓形裝置自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力完成分離作業(yè)，在工作時(shí)振動(dòng)較小，工作更加平穩(wěn)，機(jī)身整體不會(huì)過(guò)長(zhǎng)，但是圓形結(jié)構(gòu)會(huì)造成機(jī)器寬度較大，相對(duì)而言結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且旋轉(zhuǎn)時(shí)薯秧、地膜等雜物不易被分離出。

四種不同類型薯土分離技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)及其相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 不同薯土分離技術(shù)的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)Tab. 1 Working principles， advantages and disadvantages of different tuber and soil separation technologies

2.2 聯(lián)合收獲與分段收獲中的薯土分離技術(shù)

無(wú)論是聯(lián)合還是分段收獲，挖掘鏟剛挖出的大量薯土混合物含土率極高并混有大量土塊，故在挖掘后的首次薯土分離任務(wù)極重。目前國(guó)內(nèi)外所設(shè)計(jì)的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)大多采用振動(dòng)帶桿來(lái)完成首次薯土分離，帶桿振動(dòng)式分離能夠通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整桿條的間距快速分離大量的細(xì)碎土壤，有效減少后續(xù)的工作壓力。對(duì)于分段收獲來(lái)說(shuō)，擺動(dòng)式分離篩往往設(shè)計(jì)在機(jī)器末端，而旋轉(zhuǎn)式與撥動(dòng)式分離結(jié)構(gòu)特殊，應(yīng)用最多的仍是帶桿振動(dòng)式分離技術(shù)。即無(wú)論是聯(lián)合還是分段收獲，挖掘后進(jìn)行的首次薯土分離大多都采用振動(dòng)帶桿。

下面結(jié)合前人已有研究對(duì)比分析振動(dòng)式帶桿薯土分離在聯(lián)合與分段收獲中的應(yīng)用。首先從整體上來(lái)看聯(lián)合與分段收獲時(shí)的整機(jī)前進(jìn)速度都在0.56～1.67 m/s之間，其中以0.88 m/s和1.16 m/s進(jìn)行試驗(yàn)較多[13-14, 21]。其次，分段式帶桿的線速度范圍在1.2～2.0 m/s，大多為1.52 m/s，而為了提高明薯率也會(huì)將分離速度提高至2.16 m/s[21]，而聯(lián)合收獲的一級(jí)振動(dòng)帶桿線速度范圍在1.15～1.85 m/s，為綜合提高分離效果將一級(jí)帶桿的線速度設(shè)為1.35 m/s，后續(xù)分離帶桿設(shè)為速度0.8～1.2 m/s[8]。分段和聯(lián)合收獲振動(dòng)帶桿的帶桿間隙大多為45 mm，保證首次薯土分離能夠分離出大量的細(xì)碎土壤，而聯(lián)合收獲后續(xù)的帶桿間隙會(huì)相應(yīng)減少至40 mm、35 mm[13]。雖然具體機(jī)型的要求會(huì)因土壤、薯種、收獲環(huán)境等因素不同而有所差異，但綜合來(lái)看，聯(lián)合收獲分離帶桿的線速度要小于分段式，帶桿的間隙也有所差異，這些對(duì)分離效果都有很大的影響，聯(lián)合收獲對(duì)挖掘后的首次薯土分離的效果要求更低，其原因主要是聯(lián)合收獲整體分離面積較長(zhǎng)，首次薯土分離時(shí)適當(dāng)保留一定土壤有助于減少后續(xù)作業(yè)中薯塊受到的損傷，且在經(jīng)歷多次分離后仍能夠達(dá)到收獲標(biāo)準(zhǔn)。而分段式收獲大多只有一次薯土分離過(guò)程且分離后多被拋至土面，為保證收獲質(zhì)量要盡可能地篩分出更多的土壤，故對(duì)薯土分離要求更高。

2.3 聯(lián)合收獲中的二次薯土分離技術(shù)

馬鈴薯聯(lián)合收獲是集挖掘、除雜、裝袋等功能于一體的，要降低裝袋時(shí)袋內(nèi)的土壤含量，應(yīng)提高整機(jī)的薯土分離能力。為保證薯土分離效果并減少薯塊所受機(jī)械損傷可通過(guò)減少振動(dòng)幅度的同時(shí)增加分離機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度，進(jìn)行多次的輸送分離來(lái)實(shí)現(xiàn)，這同時(shí)也滿足了聯(lián)合收獲中多工序的需求。而要提高聯(lián)合收獲作業(yè)質(zhì)量，綜合提高分離效果，降低含雜率，對(duì)后續(xù)作業(yè)過(guò)程中的部分分離機(jī)構(gòu)或是裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，進(jìn)行薯土分離的同時(shí)實(shí)現(xiàn)薯秧分離、薯塊分級(jí)等功能。后續(xù)工序中完成其他功能時(shí)兼顧實(shí)現(xiàn)的薯土分離稱為二次薯土分離。

目前聯(lián)合收獲中的二次薯土分離主要存在于以下幾部分：薯秧地膜的分離清除、薯塊的輸送升運(yùn)、薯塊分級(jí)(小薯石塊的篩分清除)等。

薯秧分離有升運(yùn)式、摘輥式等形式、其中摘秧輥即可視為基于撥動(dòng)式薯土分離技術(shù)改進(jìn)而來(lái)的。在胡良龍等[23]設(shè)計(jì)的薯類聯(lián)合收獲機(jī)以及Wu等[24]設(shè)計(jì)的薯土分離裝置中均進(jìn)行了徑向摘秧輥的設(shè)計(jì)，如圖7所示。粗螺旋輥與細(xì)圓輥交替布置、反向轉(zhuǎn)動(dòng)，保證薯塊正常運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)將秧?xiàng)U拖拽除去，在進(jìn)行薯秧分離的同時(shí)進(jìn)一步減少了土壤的含量。除了徑向設(shè)置輥軸組還有軸向輥軸組的設(shè)計(jì)如圖8所示，同樣能夠兼顧薯土、薯秧分離，綜合減少聯(lián)合收獲的含雜率。美國(guó)、德國(guó)等國(guó)外機(jī)型都有將撥動(dòng)式輥軸組的輥輪設(shè)計(jì)為星型輪的樣式[25]如圖9所示，輥輪間設(shè)有一定的角度差，在降低薯塊損傷的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)薯土與薯秧的分離。

圖7 徑向摘秧輥

圖8 軸向摘秧輥

圖9 星型輥輪圖

不少馬鈴薯聯(lián)合收獲設(shè)備為了合理利用空間，盡可能減少整機(jī)的長(zhǎng)度，通常會(huì)采用上下兩層的分離運(yùn)輸，這就需要采用升運(yùn)機(jī)構(gòu)將下層的薯土混合物運(yùn)送至上層，有學(xué)者針對(duì)此類升運(yùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)向上升運(yùn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了薯土分離。日本東洋農(nóng)機(jī)[26]以及楊然兵等[10]都以旋轉(zhuǎn)式薯土分離為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了立式旋轉(zhuǎn)升運(yùn)裝置[10]如圖10所示，能夠?qū)⑹韷K向上運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)借由重力和離心力的綜合作用完成薯土分離。

圖10 立式環(huán)形分離裝置

為了提高收獲薯塊的品質(zhì)，有的聯(lián)合收獲機(jī)在進(jìn)行收集裝袋前會(huì)進(jìn)行薯塊的分級(jí)以及小薯、石礫土塊的篩分，也能實(shí)現(xiàn)二次薯土分離，進(jìn)一步減少土壤的含量。連文香[27]研究設(shè)計(jì)的分級(jí)裝袋裝置，隨著薯塊向后輸送，輥軸的間隙會(huì)發(fā)生變化，小薯塊和石塊、土壤會(huì)因此而被篩分，兼顧了分級(jí)運(yùn)輸與土壤分離。日本東洋農(nóng)機(jī)[26]也通過(guò)在輥軸中間設(shè)置出多組凸起的圓盤來(lái)實(shí)現(xiàn)分級(jí)如圖11所示，伴隨著碰撞與振動(dòng)，薯塊被繼續(xù)運(yùn)送，小薯和土石落入縫隙中，完成薯塊分級(jí)運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了二次薯土分離。

圖11 分級(jí)篩分裝置

3 薯土分離技術(shù)在國(guó)內(nèi)外聯(lián)合收獲機(jī)械中的應(yīng)用

相比于國(guó)內(nèi)，國(guó)外工業(yè)水平整體較高，技術(shù)更為先進(jìn)，對(duì)于薯土分離裝置的研究開(kāi)展更早，使得馬鈴薯機(jī)械化收獲更為成熟，如美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。他們的馬鈴薯收獲技術(shù)、體系都更先進(jìn)，對(duì)收獲機(jī)的整體設(shè)計(jì)也更優(yōu)秀，對(duì)薯土分離技術(shù)的應(yīng)用也更好。

美國(guó)973型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)[28]如圖12所示。該機(jī)型的二次薯土分離裝置是由撥動(dòng)式輥軸組來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在輥軸組之間設(shè)計(jì)反向旋轉(zhuǎn)軸，能拖拽分離出存在的秧苗等雜物、異物，因此可以實(shí)現(xiàn)不提前殺秧直接進(jìn)行收獲。輥軸組設(shè)計(jì)為星型六齒式如圖13所示，在進(jìn)行分離時(shí)薯土混合物的碰撞頻率更高，分離效果更好。同時(shí)撥動(dòng)輥軸選用聚氨酯材料在保證硬度的同時(shí)不易對(duì)馬鈴薯造成損傷，而且土壤較難附著在此材料上?？梢愿鶕?jù)不同工況調(diào)節(jié)分離速度，提高了土薯的分離效果，減少堵塞，能有效降低傷薯率、破皮率。

圖12 美國(guó)Double L 973型馬鈴薯收獲機(jī)

圖13 Double L 973型收獲機(jī)土二次薯分離裝置

德國(guó)AR-4BX型聯(lián)合收獲機(jī)[29]采用三級(jí)振動(dòng)式分離，采用了帶有頂端保護(hù)的雙齒帶，第一級(jí)振動(dòng)分離帶可以根據(jù)收獲挖掘速度進(jìn)行調(diào)整，第二級(jí)振動(dòng)由液壓系統(tǒng)控制，保證整機(jī)工作時(shí)更加的穩(wěn)定。并且在第二、三級(jí)分離裝置后設(shè)計(jì)了一組帶橡膠層的軸向輥軸組系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二次薯土分離。在面對(duì)不同土壤類型時(shí)能夠通過(guò)更換配件實(shí)現(xiàn)更好的效果，因地制宜。德國(guó)SE150-60型馬鈴薯收獲機(jī)[25]分離裝置的原理為二級(jí)振動(dòng)分離，能根據(jù)不同石塊含量、土塊大小、含雜量的土壤情況對(duì)一級(jí)振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)的調(diào)整，在二級(jí)薯土分離時(shí)也可以通過(guò)更換篩分器的形式，提高薯土分離效果，減少堵塞。整機(jī)可以根據(jù)不同的土壤、環(huán)境情況進(jìn)行組合選擇，保證不同條件下的收獲質(zhì)量。

日本TPH7系列型號(hào)的馬鈴薯收獲機(jī)[26]對(duì)帶桿振動(dòng)分離技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在振動(dòng)輸送分離帶中的桿條采用粗細(xì)交替的布置，提高了激振裝置的振動(dòng)能力，更易將附著的土塊打碎分離；在分離器上用橡膠包裹，減少作業(yè)期間造成的損傷；同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)整分離裝置的工作速度，滿足不同情況的需求。整機(jī)通過(guò)環(huán)式升運(yùn)裝置實(shí)現(xiàn)上下兩層分離作業(yè)，減少了整機(jī)長(zhǎng)度并提高了作業(yè)效率，有效地降低了傷薯率。

雖然我國(guó)馬鈴薯機(jī)械化自動(dòng)化起步較晚，但目前國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)的研究成果也越來(lái)越多。青島洪珠研制的洪珠4U-90LH馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)采用振動(dòng)分離裝置完成薯土分離，在挖掘過(guò)程中能夠壓碎壟床土表的硬物，振動(dòng)分離帶桿角度可控，分離效果好，破皮率低，對(duì)不同土壤環(huán)境的收獲條件都能有較好的適應(yīng)性[11]。中機(jī)美諾[30]研制的1710A型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)能夠一次性完成挖掘、薯土薯秧分離、輸送至裝運(yùn)車等作業(yè)，采用二級(jí)振動(dòng)分離裝置，保證振動(dòng)強(qiáng)度，薯土分離效果好，使用壽命長(zhǎng)，且通過(guò)輸送臂完成升運(yùn)裝車，極大地減少了時(shí)間、人力成本，經(jīng)濟(jì)效益高。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外馬鈴薯收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀可發(fā)現(xiàn)我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家仍然存有一定的差距，發(fā)達(dá)國(guó)家的馬鈴薯收獲技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，機(jī)械化水平較高，能夠滿足其目前收獲情況所需，且不同工作原理的薯土分離技術(shù)都較為成熟，幾乎每種類型的薯土分離裝置都能順利地完成收獲作業(yè)的要求，創(chuàng)新能力強(qiáng)。而我國(guó)馬鈴薯收獲技術(shù)仍然需要進(jìn)一步提高，應(yīng)結(jié)合我國(guó)馬鈴薯實(shí)際種植模式、收獲土壤情況，提升薯土分離效果，延長(zhǎng)使用壽命，提高創(chuàng)新性、適用性、可替換性等，并逐漸向提高收獲穩(wěn)定性，更加自動(dòng)化、智能化，更偏向人機(jī)交互，更便于操作機(jī)具作業(yè)的方向發(fā)展。

4 薯土分離裝置設(shè)計(jì)思路分析與展望

我國(guó)馬鈴薯種植區(qū)域廣，不同地區(qū)有不同的土壤類型、氣候環(huán)境、地形條件、種植模式，同種機(jī)型無(wú)法滿足各地不同的要求，要因地制宜，對(duì)不同的田間收獲條件應(yīng)有不同的設(shè)計(jì)思路。目前我國(guó)分段收獲已較成熟，機(jī)身長(zhǎng)度小，拖拉機(jī)牽引提供動(dòng)力，可進(jìn)行小田塊多批次的收獲，但極其損耗人力、時(shí)間，且收獲大田塊時(shí)效率極低。所以進(jìn)一步發(fā)展馬鈴薯聯(lián)合收獲迫在眉睫，其中薯土分離裝置的設(shè)計(jì)更是極為關(guān)鍵。聯(lián)合收獲因有完成裝袋的需求，減少袋中土壤以及雜質(zhì)的含量，故對(duì)分離效果的要求更高。而提高分離效果往往需要增大薯塊碰撞、振動(dòng)的頻率，使得薯塊更易受損。所以根據(jù)田間收獲條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，處理好分離效果與薯塊損傷率之間的矛盾關(guān)系，即在保證分離效果的同時(shí)盡可能減少薯塊所受的損傷，綜合提高收獲質(zhì)量是十分重要的。綜上將從土壤類型、種植區(qū)域角度來(lái)分析薯土分離裝置的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行一定的展望。

4.1 不同土壤類型的薯土分離裝置設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)土壤可分為沙土、黏土和壤土三種。沙土透水透氣，土質(zhì)疏松，黏性較低，針對(duì)此類土壤大部分薯土分離裝置都能較好地完成分離作業(yè)，分離時(shí)土壤更加容易破碎脫落，而且不容易附著在分離裝置上，減輕了分離負(fù)擔(dān)，不過(guò)一般沙土上的馬鈴薯種植較少。黏土含沙量很少，不易透水、黏性較強(qiáng)，土塊相對(duì)不易破碎，需要較高的分離強(qiáng)度，這就需要提高工作時(shí)的強(qiáng)度，提高振動(dòng)頻率和碰撞發(fā)生的次數(shù)。而且在進(jìn)行分離作業(yè)時(shí)黏土比較容易附著在裝置上，導(dǎo)致分離效果變差。無(wú)論是振動(dòng)式帶桿還是撥動(dòng)輥軸組都很難不被附著，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮添設(shè)刮泥器，將附著的黏土刮落。壤土是介于沙土和黏土之間的，保水保肥，是最適合種植的土地，針對(duì)此設(shè)計(jì)分離裝置時(shí)要兼顧考慮分離效率與傷薯率之間的關(guān)系，得出最優(yōu)的薯土分離方案。

4.2 不同種植區(qū)域的薯土分離裝置設(shè)計(jì)

我國(guó)馬鈴薯種植區(qū)域較廣，大體上可以分為北方、中原、西南和南方四個(gè)主要產(chǎn)區(qū)。其中尤其以北方產(chǎn)區(qū)和西南產(chǎn)區(qū)為主，兩者的產(chǎn)量能達(dá)全國(guó)總產(chǎn)量的近90%，中原和南方產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量較低[3]。

北方產(chǎn)區(qū)主要以春播秋收為主，且大多數(shù)為平原地區(qū)，單塊種植面積都較大，因此大型的聯(lián)合收獲機(jī)械更加高效。在設(shè)計(jì)分離裝置時(shí)應(yīng)當(dāng)將高效、快速完成大量薯土混合物的分離放在首位，可以采用以振動(dòng)式分離帶桿為主的分離技術(shù)。為了保證分離效果可以加長(zhǎng)分離帶桿的長(zhǎng)度、寬度，并采用多級(jí)振動(dòng)分離帶桿或是振動(dòng)帶桿與波浪形帶桿相結(jié)合的設(shè)計(jì)，也可以選用撥動(dòng)式輥軸組來(lái)完成分離作業(yè)，設(shè)計(jì)時(shí)選用組數(shù)較多，寬度較大的分離裝置，在保證分離效果的同時(shí)，降低機(jī)械損傷。但是北方產(chǎn)區(qū)較為干旱、馬鈴薯種植時(shí)要進(jìn)行地膜覆蓋，所以在設(shè)計(jì)薯土分離裝置時(shí)要兼顧考慮殘膜等雜物的影響及回收，在北方平原地區(qū)大面積種植，可以不用考慮收獲機(jī)機(jī)身的長(zhǎng)度。中原產(chǎn)區(qū)情況與北方產(chǎn)區(qū)大致相同，以平原為主，但生長(zhǎng)環(huán)境良好，進(jìn)行分離裝置設(shè)計(jì)時(shí)可以北方產(chǎn)區(qū)作為參考。

西南產(chǎn)區(qū)以混作為主，且多丘陵山地，單塊種植面積較小，因此要以中小型聯(lián)合收獲為主。在設(shè)計(jì)分離裝置時(shí)應(yīng)避免過(guò)長(zhǎng)，保證能夠在小田塊內(nèi)正常的進(jìn)行收獲工作及掉頭?？梢圆捎幂^短的振動(dòng)式分離帶桿來(lái)完成分離作業(yè)，因?yàn)榉N植面積小，所需進(jìn)行的分離任務(wù)也較輕，較短的振動(dòng)帶桿也能滿足收獲指標(biāo)的要求，也可以采用波浪形帶桿，能夠提升分離效果。此外也可以采用旋轉(zhuǎn)式的分離裝置如鼠籠式，其長(zhǎng)度相對(duì)較短，能有效地減少機(jī)身長(zhǎng)度，便于在較小的地塊中完成掉頭、收獲，且能夠保證收獲質(zhì)量。此外西南產(chǎn)區(qū)的雨水較多，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮耐腐蝕性，保證機(jī)器在工作時(shí)的可靠性以及整機(jī)的使用壽命等。

4.3 薯土分離裝置設(shè)計(jì)思路的展望

隨著信息技術(shù)及傳感器等的發(fā)展，除了上文所述的設(shè)計(jì)思路外，在未來(lái)進(jìn)行薯土分離設(shè)計(jì)時(shí)或應(yīng)更多向智能化、復(fù)合型、綠色化的方向考慮。

智能化，即在設(shè)計(jì)時(shí)考慮減少人工操作，強(qiáng)調(diào)機(jī)器的自動(dòng)控制。在進(jìn)行分離作業(yè)時(shí)可以根據(jù)喂入量以及分離裝置上土雜含量的不同進(jìn)行振動(dòng)頻率、幅度自動(dòng)調(diào)控，有效減少薯塊的損傷；在多級(jí)薯土分離機(jī)構(gòu)之間能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速、振幅等最優(yōu)配比的自動(dòng)調(diào)控；對(duì)工作時(shí)的狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)警。智能化地實(shí)現(xiàn)既能減少人工操控步驟、便于駕駛，又能保證收獲質(zhì)量、減少損傷。

復(fù)合型，即在設(shè)計(jì)時(shí)考慮可替換性以及一機(jī)多用的可能。在進(jìn)行不同收獲條件的薯土分離裝置設(shè)計(jì)時(shí)可以將分離裝置的大小尺寸、動(dòng)力傳輸?shù)冗M(jìn)行規(guī)范統(tǒng)一，使得同一收獲機(jī)在面對(duì)不同情況時(shí)只需更換分離裝置即可完成作業(yè)，加強(qiáng)通用性、適用性。實(shí)現(xiàn)在混作區(qū)可以對(duì)其他土下果實(shí)進(jìn)行收獲的可替換性，也考慮進(jìn)行其他作物收獲的可能性，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

綠色化，即在設(shè)計(jì)時(shí)考慮綠色發(fā)展，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。在材料科學(xué)以及制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇新型材料，在保證可靠性及收獲質(zhì)量的前提下降低綜合成本，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用；合理計(jì)劃充分利用能源，降低功耗，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)化發(fā)展。