張 濤，龐有倫，宋樹民，吳 瑜，潘 良，紹偉興，楊明金，唐興隆，王圓明，李 想

（1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329；2.西南大學(xué)，重慶 400700；3.重慶華士丹機械制造有限公司，重慶 402260）

馬鈴薯作為我國主要糧食作物之一，在西南地區(qū)種植面積和產(chǎn)量占全國50%以上，但由于作業(yè)環(huán)境限制，馬鈴薯生產(chǎn)機械化程度不到1%，主要依靠人工收獲，勞動強度極大[1]。目前成熟的馬鈴薯機械種類眾多，工作原理和作業(yè)質(zhì)量差別較大，但西南馬鈴薯機械化程度低的主要原因為土壤過于黏重、板結(jié)，無法分離，因此，薯土分離是解決馬鈴薯收獲的主要問題之一[2]。目前分離裝置類型主要有多級柵條分離、圓形輥道分離、拔動輥道式等方式，在北方砂質(zhì)土壤條件下具有低損傷、低含雜率的優(yōu)點。但在黏重土壤下很難同時滿足高去土效率和低損傷的目的。因此，本文設(shè)計了一款往復(fù)敲打式分離機構(gòu)，主要對分離機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、材料、運動參數(shù)等進行了設(shè)計與分析。

1 馬鈴薯土薯分離現(xiàn)狀

1.1 土薯分離結(jié)構(gòu)及工作原理

土薯分離機構(gòu)是馬鈴薯收獲機的核心部件，其機構(gòu)設(shè)計直接影響馬鈴薯收獲的品質(zhì)、分離效果、作業(yè)效率等，在分離過程中需盡量避免薯塊大幅度跳躍和回流現(xiàn)象，以減少多次摩擦造成的切線擦傷和累積碰撞損傷。為了更好地解決土薯分離和保證馬鈴薯品質(zhì)，國內(nèi)外學(xué)者對分離機構(gòu)進行了深入研究[3-4]。目前分離方式主要有柵條分離篩式、拋擲輪式、振動鏟式3種形式。

柵條分離篩應(yīng)用較多，適應(yīng)于大中型收獲機，具有結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定性高的特點。分離篩在結(jié)構(gòu)上設(shè)計差異較大，有斜置平輸送、兩級分離前置振動、兩級分離后置振動、兩級分離加振動，振動結(jié)構(gòu)有振動篩和擺動篩2種。主要零件包括桿式升運鏈、驅(qū)動輥、張緊輪、振動輪等組成，主要工作原理為土薯混合物在導(dǎo)流升運鏈作用下，進入振動位置，通過強制或被動振動方式帶動桿式分離篩運動，迫使土薯混合物產(chǎn)生上下振動，使其破碎，小于桿條間隙的土塊或雜物會通過分離篩掉落田間，經(jīng)過多級緩沖振動和輸送后，馬鈴薯分離干凈后聚攏掉于地表或收集箱，升運鏈中的桿條直徑一般為8～12 mm，根據(jù)馬鈴薯的三軸尺寸特征分析，桿條間距一般設(shè)置為40 mm，為了減少振動對馬鈴薯表皮的損傷，振幅一般設(shè)置為15～60 mm，能夠更好地破碎土塊、篩分碎土。

根據(jù)地區(qū)土壤及地形差異，我國科研人員在分離機構(gòu)的設(shè)計及理論分析上做了大量研究[5-6]。張兆國等[7]針對云南黏土條件，設(shè)計了一種多級分離緩沖馬鈴薯收獲機，根據(jù)土薯分離段的運動規(guī)律，確定了微波浪形分離機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對馬鈴薯運動過程中的受力和碰撞過程進行了分析，揭示了馬鈴薯回流和順流現(xiàn)象原因及破碎效果。魏忠彩等[8]針對馬鈴薯機械損傷率較高等問題，將振動與波浪結(jié)合與改進，并建立了振動分離段和波浪分離段的運動特征和薯塊受力分析。謝勝仕等[9]為闡明擺動分離篩分離機理、結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，應(yīng)用響應(yīng)面試驗法，以篩面傾角、曲棍轉(zhuǎn)速、機器前進速度，分析不同因素水平下馬鈴薯相對分離篩位移的影響和分離篩性能，得到了最優(yōu)篩面傾角一般為21.1°、曲柄轉(zhuǎn)速為230 r/min、機器前進速度為2.03 km/h。

振動鏟式一般應(yīng)用在小地塊作業(yè)環(huán)境中，其主要特點是動力需求小、整機結(jié)構(gòu)緊湊。主要由振動架、調(diào)節(jié)手柄、傳動軸、后掛架、偏心輪、分離篩、鉸接臂構(gòu)成。其工作原理主要為通過空間連桿機構(gòu)帶動振動架沿鉸接點做前后、上下往復(fù)擺動，在擺動過程中將土壤破碎并沿分離篩間隙落下，被分離后的馬鈴薯塊莖被推向后方，最后鋪放在田間。呂金慶等[10]針對丘陵山地地塊小、坡度大等問題，設(shè)計了一種振動式馬鈴薯挖掘分離機，對分離篩的位移運動規(guī)律進行了簡化，并建立了分離篩的位移、速度、加速度方程，揭示了振動分離機理。并通過田間試驗得到了傳動軸轉(zhuǎn)速、分離篩角度、水平位置等因素對明薯率和傷署率的影響規(guī)律，得到了振動分離篩最佳工作參數(shù)為偏心輪轉(zhuǎn)速為240 r/min、分離篩角為60°時，分離效果最好。戴飛等[11]通過正交試驗法對振動式階梯鏟狀馬鈴薯收獲機的作業(yè)參數(shù)進行了優(yōu)化，得到了前進速度、挖掘深度、曲柄偏心距分別為0.55 m/s、210 mm、6 mm，傷署率和損失率最低，明薯率最高。

拋擲輪式分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，不易壅堵，適合在黏重土壤、雜草較多條件下作業(yè)，確定是埋薯率較多，傷薯嚴(yán)重，需及時人工撿拾。主要結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)輪，并布有若干弧形指桿，作業(yè)時，旋轉(zhuǎn)輪在拖拉機前進方向的垂直平面內(nèi)作圓周運動，其轉(zhuǎn)速一般為3～4 m/s。當(dāng)運動至一定位置時掉落沿導(dǎo)向槽落到地表，完成收獲過程。在圓周輪上的撥齒一般有剛性和鉸接兩種連接形式，撥齒的結(jié)構(gòu)有圓柱和圓錐兩種[12]。

1.2 作業(yè)存在的問題

土薯分離不徹底、傷薯率較高，嚴(yán)重影響馬鈴薯品質(zhì)和經(jīng)濟價值。秧薯分離研究較少，易出現(xiàn)雜草、秧蔓纏繞堵塞等現(xiàn)象。分離機構(gòu)主要部件系列化、標(biāo)準(zhǔn)化不夠，開發(fā)成本較高，壟距調(diào)節(jié)性差，整機結(jié)構(gòu)龐大、質(zhì)量高，可靠性差，新材料及工藝研究較少。馬鈴薯聯(lián)合收獲機由于體積、質(zhì)量、功率大，且購買、維修成本高，配件供應(yīng)較少，不適應(yīng)我國丘陵山地作業(yè)。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

該機主要有挖掘鏟、敲打桿、轉(zhuǎn)動軸、拉桿I、拉桿II、柵條、驅(qū)動輥、激振輪、拉桿III、鏈輪等組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 分離機構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of separation mechanism

首先挖掘鏟將土薯一起鏟起，沿著鏟面提升至柵條上方，通過四桿機構(gòu)帶動敲打桿進行往復(fù)運動，將土薯進行第一次破碎，之后隨著柵條運動將土薯進行分離和提升，提升至中間部位時激振輪轉(zhuǎn)動的過程中，會迫使輸送柵條鏈產(chǎn)生上下周期性波動，在跌落過程中產(chǎn)生沖擊碰撞，使土薯塊進行二次破碎，之后土塊通過間隙掉落，薯塊則通過提升和間隙土塊掉落歸框或掉落地面。本結(jié)構(gòu)中所有柵條和敲打桿采用橡膠材料制作，可有效降低馬鈴薯的碰撞損傷，同時提高了薯土分離效果。

3 主要參數(shù)確定

柵條間距對漏薯率和含雜率有重要影響，主要受馬鈴薯的品種和塊莖大小決定。亞洲和歐洲的柵條間距一般分別為30～40 mm、40～48 mm。我國西南地區(qū)馬鈴薯品種多為扁圓形紫薯，為了能夠有效分離土壤、保證薯塊不掉落，需對當(dāng)?shù)刂髁黢R鈴薯品種的外形尺寸進行測量和統(tǒng)計分析，使柵條間距小于薯塊平均厚度。經(jīng)統(tǒng)計分析得到紫薯的厚度一般在25～90 mm，平均厚度為55 mm，因此，本文中設(shè)計柵條間距為35 mm，柵條為直徑6 mm，材料為內(nèi)芯圓鋼外圈橡膠，能夠有效減小柵條對馬鈴薯造成機械損傷。

4 運動分析

馬鈴薯在收獲時水分極高，含水率一般都＞60%，極易受外力產(chǎn)生表皮或內(nèi)部損傷，嚴(yán)重影響品質(zhì)和貯存時間[13]。柵條鏈在升運過程中土薯分離效率與其速率有很大關(guān)系，其速率過高，去土效果明顯，但易造成表皮損傷，而速率過低，則會去土效果減弱，分離不徹底。馬鈴薯在柵條分離鏈上的運動受力見圖2。對其進行分析，假設(shè)薯塊作勻速運動，則平衡方程如式（1）所示。

式中：P——馬鈴薯的提升力，N；F——柵條鏈的支撐力，N；G——馬鈴薯的重力，N；Gx——重力在x方向的分力，N；G y——重力在y方向的分力，N；ɑ——分離裝置的傾角，°；μ——土薯在柵條鏈上的摩擦系數(shù)。

由上式分析得到式（2），由此發(fā)現(xiàn)分離裝置的傾角與材料的摩擦系數(shù)有一定關(guān)系，如果傾角過大，會造成土薯升運不上去，產(chǎn)生壅堵，如果傾角過小，土薯與柵條鏈之間的摩擦不夠，不能產(chǎn)生有效的碰撞，去土效果不佳。一般傾角≤30°。

5 總結(jié)

（1）分離清選裝置是馬鈴薯收獲機的重要組成部分，本文針對西南黏重土壤特性，設(shè)計了一款土薯分離機構(gòu)，通過往復(fù)圓弧敲打，對土壤進行第一次破碎，之后通過柵條鏈將薯塊提升和去土，并通過激振器，迫使柵條鏈上下周期振動，對土薯進行二次破碎。

（2）利用SolidWorks對分離機構(gòu)進行三維建模，并確定了主要零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了土薯的運動規(guī)律。