曲永波，方志超,2，柳亞峰，代振維,3，吳明亮,2

振動和撥輥推送式藠頭收獲機研制

曲永波1，方志超1,2※，柳亞峰1，代振維1,3，吳明亮1,2

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，長沙 410128；2. 湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，長沙 410128；3. 湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410151）

針對現(xiàn)有根莖類作物收獲機用于藠頭收獲時存在的果土分離不徹底、埋果率高、地形適應(yīng)性差等問題，該研究研制了基于“桿篩式振動碎土+撥輥推送式多級分離”技術(shù)的自走式藠頭收獲機。對挖掘和果土分離過程中的物料狀態(tài)和作業(yè)機理進行了分析，建立模型計算得到了挖掘裝置的位置和深度、桿篩式振動裝置的振幅和曲柄轉(zhuǎn)速、撥輥的尺寸和位置等關(guān)鍵參數(shù)，基于可調(diào)式挖掘裝置、桿篩式振動裝置、撥輥推送式多級分離裝置組成加工了藠頭收獲機樣機。針對研究內(nèi)容設(shè)計了田間挖掘試驗和整機性能試驗，對以上裝置及整機的作業(yè)性能進行驗證。田間試驗表明：該機實際挖掘深度穩(wěn)定，漏挖率、埋果率、總傷果率分別為0.31%、3.20%、5.87%，有效收獲率為93.23%。整機結(jié)構(gòu)及布局合理，性能穩(wěn)定，能夠滿足當前丘陵山區(qū)條件下藠頭機械化收獲的需求。

農(nóng)業(yè)機械；收獲機；振動；多級分離；丘陵山區(qū)；藠頭

0 引 言

藠頭（），百合科蔥屬多年生鱗莖植物，廣泛種植于中國長江流域及以南的各省區(qū)[1]。其地下鱗莖部位具有獨特的風味口感，同時擁有多種藥理作用和保健功能，具有較高的藥用價值和食用價值[2-3]。近年來國內(nèi)外市場對藠頭的需求量漸增，藠頭已成為部分地區(qū)的特色經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)和出口創(chuàng)匯產(chǎn)品，具有廣闊的市場開發(fā)前景[4]。藠頭的挖掘收獲是產(chǎn)業(yè)鏈中最耗時耗力的環(huán)節(jié)，目前以人工挖掘為主，收獲成本高，作業(yè)效率低，影響藠頭產(chǎn)量及品質(zhì)。因此，推動藠頭機械化收獲對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

近幾年國內(nèi)針對地下根莖類作物收獲技術(shù)及裝備的研究較多，主要集中于馬鈴薯、甘薯、花生等糧食作物及胡蘿卜、甜菜、大蒜等經(jīng)濟作物[5-9]，其他如三七[10]、山藥[11]、半夏[12]等作物也有少量研究。該領(lǐng)域的研究關(guān)鍵在于土壤-機器-作物之間的相互作用，根據(jù)不同作物、不同的場景采用不同的收獲方式：對于體積較大、易于實現(xiàn)果土分離的作物采用挖掘收獲機，如馬鈴薯、百合等[13-14]；對于大蔥、花生、胡蘿卜等易拔出的作物采用夾鏟式收獲機[15-17]；對于平原下的大面積收獲多采用大型聯(lián)合收獲機，丘陵山區(qū)或果土、果莖分離程序復(fù)雜的情況采用中小型機械進行分段式收獲[18]。目前挖掘和果土分離裝置的結(jié)構(gòu)形式多樣：胡志超等[19]較早研究振動篩式結(jié)構(gòu)在輸送和碎土分離過程中的原理，用于花生的挖掘收獲；萬里鵬程等[20]對單擺鏟柵挖掘收獲裝置進行了拋擲特性研究，實現(xiàn)了根莖類作物的減阻挖掘和拋擲分離；魏忠彩等[21-23]針對北方馬鈴薯收獲需求，對桿條輸送鏈式分離篩結(jié)構(gòu)進行了振動、二級分離、緩沖分離等方面的研究，實現(xiàn)了馬鈴薯的低損傷收獲技術(shù)；張兆國等[24]針對云南山地黏土，采用多級分離振動篩的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較好的收獲分離效果；吳建民等[25]采用柵條挖掘鏟和撥指輪的結(jié)構(gòu)提升分離效率，實現(xiàn)了馬鈴薯收獲機的小型化；楊然兵等[26]針對桿條輸送鏈式分離篩碎土效果的不足，設(shè)計了撥輥推送式多級分離裝置，有效提升分離效果；此外也有懸掛式振動結(jié)構(gòu)、多層平篩式結(jié)構(gòu)被用來滿足一些特殊情況的挖掘和果土分離需求[27-28]。綜合目前根莖類作物收獲技術(shù)發(fā)展情況及經(jīng)驗，需要設(shè)計一款地形適應(yīng)性強、果土分離效果佳的小型藠頭收獲機。

本文根據(jù)丘陵山區(qū)黏性土壤下藠頭種植分散、地形復(fù)雜、果土分離難度高的特點，結(jié)合藠頭生長深度淺的特性，設(shè)計了一款自走式藠頭收獲機。通過減小挖掘深度降低果土分離難度，由桿篩式振動裝置將板結(jié)黏連的土壤斷裂成土塊，再由撥輥推送式多級分離裝置實現(xiàn)土塊破碎、果土分離。針對研究的內(nèi)容，設(shè)計了挖掘性能試驗和整機性能試驗，通過田間試驗分別對各個裝置及整機的作業(yè)性能進行了測驗。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 藠頭生物特性

藠頭耐旱畏澇，多采用廂面種植模式，其地下鱗莖的生長深度較淺且呈現(xiàn)叢生現(xiàn)象。藠頭鱗莖呈不規(guī)則的水滴球狀，以藠頭根部為原點建立空間坐標系，藠頭鱗莖三軸尺寸如圖1所示。

注：L為藠頭鱗莖長度，mm；E為藠頭鱗莖大端寬度，mm；F為藠頭鱗莖大端厚度。

通過田間數(shù)據(jù)采集、測量統(tǒng)計，得到藠頭鱗莖底端的生長深度為85～115 mm，藠頭鱗莖的長度、大端寬度、大端厚度分別為57.5、33.7、27.4 mm。

1.2 整機結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

結(jié)合國內(nèi)南方丘陵山區(qū)地形及藠頭溝廂種植特點，研制的藠頭收獲機如圖2所示。該機選取高地隙履帶式行走裝置，具有地面貼合性強、挖掘深度穩(wěn)定、轉(zhuǎn)彎半徑小的特點，有效適應(yīng)丘陵山區(qū)復(fù)雜地形下的小田塊作業(yè)；采用“桿篩式振動碎土+撥輥推送式多級分離”的技術(shù)，以較短的工作行程實現(xiàn)有效的果土分離，滿足黏性土壤下的分離要求。本研究的核心部件包括可調(diào)式挖掘裝置、桿篩式振動裝置及撥輥推送式多級分離裝置。

1.可調(diào)式挖掘裝置 2.桿篩式振動裝置 3.撥輥推送式多級分離裝置 4.履帶自走式行走裝置

藠頭收獲機工作部件位于高地隙履帶式拖拉機底盤下方。挖掘裝置安裝在最前方，包括挖掘鏟、挖掘鏟架及液壓缸，挖掘鏟架分上下兩部分實現(xiàn)挖掘深度的粗調(diào)節(jié)；機架與挖掘鏟架通過液壓缸連接，實現(xiàn)入土和抬起動作。桿篩式振動裝置安裝在挖掘鏟架上，由振動桿、兩側(cè)的搖桿及基于偏心輪的曲柄連桿機構(gòu)組成，工作時振動桿篩隨著曲柄連桿機構(gòu)的搖桿往復(fù)振動。撥輥推送式多級分離裝置由五級撥輥、兩級壓土桿和液壓調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，相鄰撥輥的撥輥桿交叉錯位排布，壓土桿位于撥輥上方，整體采用掛接安裝方式，可受液壓調(diào)節(jié)機構(gòu)的調(diào)節(jié)。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.3 工作原理

作業(yè)前，先依據(jù)挖掘深度需求調(diào)整挖掘裝置、撥輥推送式多級分離裝置至合適的掛接點。作業(yè)時，通過液壓缸將挖掘裝置、果土分離裝置放下；隨著機具前進挖掘鏟將藠頭鱗莖的混合物料挖起，輸送至桿篩式振動裝置上，由振動桿組成的篩面通過振動實現(xiàn)第一步碎土分離；隨后混合物料輸送到撥輥推送式多級分離裝置上，通過撥輥上的桿進行輸送和果土分離，實現(xiàn)第二步的多級分離；撥輥組上方的兩級壓土桿可將未能斷裂破碎的大土塊擠壓至撥輥組的分離碎土空間內(nèi)（以下稱持果空間）。作業(yè)過程中，混合物料受到篩面的振動沖擊、翻轉(zhuǎn)作用，撥輥組的碰撞、擠壓作用，最終完成果土分離。

1.4 振動和撥輥推送式技術(shù)特點

藠頭生長深度較淺，高地隙履帶式行走裝置能夠貼合地表，減小地形變化對挖掘深度的影響，減少挖掘損失，降低果土分離難度。在輸送分離方案上，采用“桿篩式振動碎土+撥輥推送式多級分離”的技術(shù)，實現(xiàn)“板結(jié)土塊-大土塊-小土塊”的土壤破碎及分離順序，如圖3所示。

圖3 振動和撥輥推送式果土分離技術(shù)示意圖

桿篩式振動裝置上為厚板狀土壤、大土塊、小土塊和藠頭的混合物料，由振動桿組成的振動篩面對黏連板結(jié)的土壤具有較好的翻轉(zhuǎn)分裂能力，篩面向上振動的過程中使土壤受到向上的沖擊，位于振動桿根部與末端的土塊受到的沖擊速度不同而產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)趨勢，板結(jié)的土塊發(fā)生斷裂，同時部分碎土塊從篩面上掉落至田間；隨著向后的輸送，篩面末端對土壤的沖擊使篩面上的土壤與后方的土壤分散開。輸送至撥輥推送式多級分離裝置上為土塊、散狀土、藠頭的混合物料，撥輥上的撥輥桿向后上方推動土壤，相鄰撥輥間的持果空間變化對土塊實現(xiàn)強制破碎。由于混合物料體積較大，有可能發(fā)生物料在撥輥組表面輸送的情況，在第二、四級撥輥上方各有一排交錯的壓土桿，可在破碎大土塊的同時將混合物料擠壓至撥輥間的持果空間里。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

2.1 藠頭基本物理特性預(yù)試驗

藠頭的基本物理特性是藠頭輸送分離理論分析計算的依據(jù)。藠頭的損傷主要是機器碰撞、擠壓造成的，因此需要對藠頭鱗莖的碰撞損傷性能及其與65Mn鋼的摩擦系數(shù)進行測算。模擬藠頭與振動桿碰撞制作了碰撞損傷試驗臺，選用質(zhì)量范圍為18～20 g的較大的新鮮藠頭進行跌落損傷試驗，如圖4a所示；在65Mn鋼板上對新鮮藠頭進行滑動摩擦角的測定，如圖4b所示。

經(jīng)過預(yù)試驗測算得，藠頭的安全碰撞速度為2.33 m/s，藠頭與65Mn鋼的摩擦因數(shù)為0.460。

圖4 藠頭物理特性研究

2.2 挖掘裝置結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

藠頭生長深度淺，對挖掘深度調(diào)節(jié)性的要求高，且需要適應(yīng)多種不同地形下的種植模式。本研究采用上下分段的結(jié)構(gòu)，并采用基于液壓調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸式固定方案，可以實現(xiàn)挖掘鏟的深度、角度雙重調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖5a所示。

挖掘裝置的安裝架分為上下兩部分，將挖掘鏟與機架連接和固定。上、下安裝架的不同安裝位置可適應(yīng)不同環(huán)境下的挖掘需求。液壓缸可控制挖掘裝置整體繞軸承座旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)挖掘裝置的入土和抬起動作。挖掘裝置的深度及角度調(diào)節(jié)方式如圖5b所示。根據(jù)藠頭生長深度及機器正常行駛的需求，取工作時的最大挖掘深度為200 mm，非工作狀態(tài)下的挖掘鏟離地高度至少為120 mm，因此挖掘鏟的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)滿足≥320 mm。

1.液壓缸 2.軸承座 3.上安裝架 4.下安裝架 5.挖掘鏟 6.廂面水平面 7.藠頭生長區(qū) 8.履帶所處水平面

1.Hydraulic cylinder 2.Bearing pedestal 3.Upper part of mounting frame 4.Lower part of mounting bracket 5.Digger blade 6.Horizontal plane of the ridge 7.Growing region of8.Horizontal plane of tractor

注：為挖掘鏟角度調(diào)節(jié)的極限位置高度差，mm。

Note:is the height difference of the limit position for the angle adjustment of the digging shovel, mm.

圖5 可調(diào)式挖掘裝置

Fig.5 Adjustable digging device

實際工作中的挖掘深度會受到地形影響而波動[29]。若挖掘深度設(shè)定值過小會存在較多的漏挖及挖傷現(xiàn)象，過大會挖起過多土壤導(dǎo)致果土分離困難，引入挖掘深度的波動值來描述實際挖掘深度的波動范圍，波動值主要受行走裝置、挖掘鏟位置、地形地勢影響。以廂面種植模式為例，忽略履帶行走在溝底時的下陷影響，可簡化為兩種模型：溝底的凸起使機器前端翹起導(dǎo)致挖深變淺、整體地勢坡度角發(fā)生傾斜突變導(dǎo)致挖掘鏟相對廂面上移。以履帶末端為原點，沿溝底所在平面向前為軸方向，挖掘深度波動分析如圖6所示。

注：P為正常工作時挖掘鏟在y軸上的投影；P1、P2分別為溝底凸起和地勢上傾時挖掘鏟在y軸上的投影；λ1、λ2分別為溝底凸起和地勢上傾時挖掘深度的波動值，mm；S1為凸起頂點在x軸上的投影；S2為地勢上傾突變點在x軸上的投影；S3為挖掘鏟在x軸上的投影；S4為地勢上傾時履帶底面在x軸正方向上的投影；S為履帶底面在x軸上的投影；K為凸起頂點在y軸上的投影；T為廂面表面所在位置；κ為地勢傾斜突變角，(°)；y軸負半軸只表示值的大小，不取正負。

挖掘深度波動值1、2分別表示為

根據(jù)三角形關(guān)系推導(dǎo)，y1、y2、y3、x4有以下關(guān)系

機器重心近似位于履帶中心，重心超過臨界點時不再滿足式（2），故x1應(yīng)滿足

式（1）～（5）中的、為對應(yīng)點的坐標。

挖掘深度設(shè)定值、廂面厚度y與挖掘鏟到履帶底面的垂直距離的關(guān)系為

式中λ為12的最大取值，mm；為藠頭生長深度，mm。

根據(jù)前期的田間數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)有機具的相關(guān)參數(shù)：y=60 mm，=110 mm，=8.5°，x=1 300 mm，x2取值范圍為0～1 300 mm，x3=180 mm，y=120 mm。代入式（1）～（6）得：履帶受溝底的凸起影響可取到挖掘深度最大波動值：λ=47.8 mm，=157.8 mm，y=37.8 mm。為便于調(diào)整，取=40 mm，挖掘深度設(shè)定值為=160 mm。

2.3 桿篩式振動裝置

2.3.1 主要結(jié)構(gòu)

桿篩式振動裝置由振動桿、振動轉(zhuǎn)軸、振動搖桿、振動連桿、偏心輪和振動傳動軸組成。工作時，由偏心輪、連桿、搖桿組成的曲柄搖桿機構(gòu)在振動傳動軸的轉(zhuǎn)動下形成振動搖桿的往復(fù)運動，帶動振動桿篩產(chǎn)生振動，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.振動傳動軸 2.偏心輪 3.振動連桿 4.振動搖桿 5.振動桿 6.振動轉(zhuǎn)軸

2.3.2 振動桿篩面運動學(xué)分析

桿篩式振動分離裝置通過振動擊碎混合物料底層的土壤，部分碎土通過振動桿的間隙落回田間，實現(xiàn)第一步果土分離。振動桿構(gòu)成的篩面（以下稱篩面）沿振動桿方向上的各部位線速度不同，使物料在向上振動的過程中產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)趨勢，在這個趨勢的作用下土壤的板結(jié)黏連性質(zhì)受到破壞發(fā)生斷裂，避免土塊過大無法進入撥輥持果空間。工作時，物料能否順利向后輸送的影響因素有搖桿長度L、搖桿擺角、搖桿最大位置角及搖桿與振動桿篩面的夾角，選取振動傳動軸的軸心A為坐標原點，原點與振動轉(zhuǎn)軸圓心D的連線方向為軸建立平面直角坐標系，曲柄搖桿振動機構(gòu)如圖8所示。

注：L1為曲柄AB長度，mm；L2為連桿BC長度，mm；L3為搖桿CD長度，mm；L4為曲柄與搖桿軸心距離，mm；L5為振動桿的長度，mm；虛線表示地面水平線。

由解析法對曲柄連桿機構(gòu)建立封閉矢量方程式[30]

式中1、2、3分別為曲柄AB、連桿BC、搖桿CD與軸正方向的夾角，(°)。

根據(jù)鉸鏈四桿機構(gòu)的瞬心法表達式，搖桿CD與軸的最大夾角、擺角分別表示為

這里以地表水平面為參考，則

式中為篩面與水平面的最大夾角，(°)；為軸與水平面的夾角，(°)；為篩面與水平面的最小夾角，(°)。

為了保證物料能夠穩(wěn)定的自篩面輸送至撥輥組，振動桿長度5、篩面與水平面的最小夾角應(yīng)滿足

式中為撥輥筒距挖掘面的最小距離，mm。

根據(jù)機具實際參數(shù)測得，1=18 mm，2=700 mm，4=790 mm、5=230 mm、=80°；為避免撥輥桿與未挖掘的硬底層接觸造成裝置變形失效，取=60 mm；通過壅土預(yù)試驗得到最小壅土傾角為35°，即=35°。代入式（7）～（11），計算整理得L=117.3 mm，=21°，=21°，=14°。

篩面的振動頻率由曲柄轉(zhuǎn)速決定，轉(zhuǎn)速過小時篩面的線速度較慢，篩面無法有效分裂板結(jié)的大土塊導(dǎo)致果土分離效果不佳，轉(zhuǎn)速過大時易導(dǎo)致藠頭損傷。根據(jù)2.1節(jié)中的物理特性，為避免篩面撞擊導(dǎo)致藠頭損傷，篩面運動應(yīng)滿足

式中3為搖桿CD的角速度，rad/s。

根據(jù)瞬心法，搖桿CD的角速度表達式為

式中1為曲柄AB的角速度，rad/s。

該機構(gòu)具有快進慢退的急回特性，因此聯(lián)立公式（7）、（12）、（13），可得曲柄AB轉(zhuǎn)的動角速度應(yīng)滿足1≤22.4 rad/s。這里1取18～20 rad/s。

2.4 撥輥推送式多級分離裝置

2.4.1 撥輥組結(jié)構(gòu)及參數(shù)

撥輥推送式多級分離裝置由五級撥輥組、兩級壓土桿及其調(diào)節(jié)裝置組成，通過撥輥桿對物料擠壓輸送，有效增加了分離裝置對土壤的擾動。五級撥輥組安裝在兩塊側(cè)板上，為提高物料從振動桿到多級撥輥組的輸送穩(wěn)定性，側(cè)板前端通過可調(diào)節(jié)懸掛臂安裝在機架上。后端使用同軸心懸掛臂掛接，液壓調(diào)節(jié)時，撥輥一級傳動軸始終繞拖拉機傳動軸轉(zhuǎn)動，提升了傳動的可靠性，避免鏈傳動失效的風險，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1.側(cè)板架 2.撥輥桿 3.撥輥壁 4.壓土桿 5.懸掛臂 6.同軸心懸掛臂 7.液壓缸

撥輥參數(shù)如圖10所示。撥輥外圓直徑過小時，撥輥桿只作用于底層物料，會導(dǎo)致物料輸送不及時，產(chǎn)生壅土現(xiàn)象，無法正常工作；過大時會導(dǎo)致?lián)茌仐U直接觸到未挖掘的硬底層土壤，傳動阻力增大，易變形失效。根據(jù)篩面末端高度，撥輥外圓直徑為240 mm。為了保證物料輸送的連續(xù)性，撥輥桿數(shù)不小于3[26]。桿數(shù)越多，相鄰撥輥轉(zhuǎn)動一周的交錯擠壓頻率越高，根據(jù)表2藠頭三軸尺寸，當桿數(shù)達到5時，擠壓角過小易傷果，因此撥輥桿數(shù)為4。

1.撥輥桿 2.輥筒壁 3.撥輥軸

1.Roller rod 2.Roller wall 3.Roller rotation

注：為曲柄撥輥桿長度，mm；為輥筒半徑，mm。

Note:is the length of the crank roller rod, mm;is the roller radius, mm.

圖10 撥輥參數(shù)示意圖

Fig.10 Schematic diagram of roller pushing parameters

2.4.2 果土分離動力學(xué)分析

輸送分離過程中的損失主要來自于埋果及機器的傷果[31]。為提高持果空間利用率，降低漏果導(dǎo)致埋果的風險，撥輥桿與相鄰撥輥輥筒壁距離應(yīng)不超過20 mm，選擇15 mm。撥輥桿長、輥筒半徑及相鄰撥輥中心距之間的關(guān)系為

相鄰撥輥的撥輥桿相交角是影響碎土性能的關(guān)鍵因素，如圖11所示，相交角度過小，導(dǎo)致藠頭擠壓損傷；相交角度過大，無法有效碎土。

圖11 撥輥桿的不同相交角度（θ）示意圖

在碎土過程中，撥輥桿也會對藠頭施加力的作用，最可能出現(xiàn)損傷的情況是裸露的藠頭直接受到相交的撥輥桿的擠壓。為了簡化模型，假設(shè)當撥輥桿相交時開始對藠頭施加直接作用力，忽略輥筒的傾角，以撥輥軸心為原點，以軸心連線方向為軸建立平面直角坐標系，藠頭受力如圖12所示。

兩軸心與撥輥桿構(gòu)成的三角形存在關(guān)系：

假設(shè)藠頭受力平衡，則在沿桿向下和垂直于桿向下的力學(xué)平衡式分別為

為避免撥輥桿過早相交導(dǎo)致的損傷，輥筒半徑不宜過小，取=40 mm；根據(jù)藠頭物理特性，藠頭重力取=0.171N，摩擦因數(shù)取=0.46，藠頭受到的最大壓力應(yīng)滿足max{1∪2}≤11.5N，代入公式（14）～（18）得：=175 mm，=80 mm，≥43.7°。為了安全和方便取=48°。

注：為相鄰撥輥中心距，mm；為撥輥桿相交角度，(°)；為撥輥桿開始相交時，前一個撥輥桿與軸的銳角夾角，(°)；為藠頭受到的重力，N；1為后方撥輥桿對藠頭的壓力，N；2為前方的撥輥桿對藠頭的壓力，N。

Note:is the center distance of drum shaft, mm;Is the intersection angle of the roller shifting rod, (°);Is the included angle of the acute angle between the previous roller rod and the-axis when the roller rod starts to intersect, (°);is the gravity of Chinese, N;1is the pressure of the rear roller lever on the, N;2is the pressure of the front roller rod on the, N.

圖12 藠頭受力分析圖

Fig.12 Force analysis diagram of

3 田間試驗

3.1 試驗條件

基于本研究制作了4DK-100型藠頭收獲機，整機總功率為30 kW，預(yù)設(shè)挖掘深度=160 mm、曲柄轉(zhuǎn)動角速度1范圍為18～20 rad/s、撥輥桿相交角度=45°等參數(shù)來自于2.2～2.4的分析計算。機具前進速度過快會影響挖掘穩(wěn)定性，故前進速度采用本機的低速一檔0.31～0.36 m/s；撥輥組轉(zhuǎn)速過快易導(dǎo)致藠頭鱗莖損傷，為避免輸送不及時導(dǎo)致壅土現(xiàn)象，配套的撥輥組轉(zhuǎn)速為0.95～1.10 r/s。試驗裝置及田間試驗如圖13所示。

a. 試驗裝置a. Test deviceb.田間試驗b. Field experiment

田間試驗地點選在湖南省津市市白衣鎮(zhèn)藠頭試驗基地，地處大陸性亞熱帶季風濕潤氣候（29°27?N，111°53?E），土壤含水率為17%，土壤堅實度為119～125 kPa，典型黏重土壤。試驗地長35 m，廂面溝深120 mm，原廂面寬度1 200 mm，試驗田的藠頭品種為細葉藠。為避免機器殺秧造成的藠頭損傷及廂面寬度不符合樣機試驗參數(shù)等因素的影響，試驗前一天對試驗田進行人工殺秧并將廂面寬度修整至1 100 mm。

3.2 試驗方法

根據(jù)本文研究內(nèi)容，需要分別驗證挖掘裝置、撥輥推送式多級分離裝置和整機的作業(yè)性能。參考JB/T6276-2007《甜菜收獲機械-試驗方法》，通過挖掘性能試驗得到漏挖率、挖掘傷果率，再通過整機作業(yè)試驗得到明果率、總傷果率和有效收獲率；通過計算可得到埋果率和分離傷果率。其中每個試驗進行3組，單組試驗面積達35 m2，單組樣本量為10，總樣本量為30，滿足驗證試驗樣本需求。

在挖掘試驗前，以試驗廂面的相鄰廂面為基準進行測量和標記，試驗過后人工將上層挖出的松軟土壤清理干凈，記錄與相對應(yīng)參考點的位置，計算得到實際挖掘深度。

田間試驗的基本指標及定義式有

式中1為漏挖率，由于挖掘深度不足導(dǎo)致的漏挖概率；、1、2、3、4、5分別為采集區(qū)域內(nèi)的藠頭總質(zhì)量、漏挖的藠頭質(zhì)量、挖掘過程造成損傷的藠頭質(zhì)量、所有受到損傷的藠頭質(zhì)量、鋪放在地面上的藠頭質(zhì)量、鋪放在地面上且未受損傷的藠頭質(zhì)量，kg；1為挖掘傷果率，挖掘過程中造成的傷果概率；為傷果率，即整個作業(yè)過程造成的總傷果概率；為明果率，即鋪放在地面上的概率；為有效收獲率，未受損傷且鋪放在地面上的概率，用來衡量整機作業(yè)性能。

需要注意的是，內(nèi)部組織損傷的藠頭易腐爛，也列為傷果。藠頭鱗莖的表皮為半透明膜，呈現(xiàn)為明亮有光澤的乳白色，發(fā)生內(nèi)部損傷后，由于組織細胞液浸漬，其表面會呈現(xiàn)暗淡的灰白色。因此藠頭損傷的判斷依據(jù)是：表皮無破損且靜置2 h后未發(fā)生明顯的色澤變化。

3.3 試驗結(jié)果與分析

田間試驗結(jié)果如表2、表3所示。

表2 挖掘性能田間試驗結(jié)果

由表2可知，挖掘試驗中的實際平均挖掘深度為163 mm，漏挖率、挖掘傷果率分別為0.31%、0.46%，該機挖掘深度穩(wěn)定性好，能夠較好貼合地面，降低挖掘過程產(chǎn)生的漏挖和傷果損失。

表3 整機性能田間試驗結(jié)果

由表3可知，整機作業(yè)的明果率為96.49%，傷果率為5.87%，而整機試驗結(jié)果減去挖掘試驗結(jié)果便可以得到輸送分離過程的指標。結(jié)合表2的結(jié)果可得：分離傷果率為5.41%，埋果率為3.20%。由以上結(jié)果可知，該機的果土分離效果佳，明果率高，但撥輥推送式多級分離裝置的分離傷果現(xiàn)象較明顯。整機有效收獲率為93.23%，因此傷果、埋果和漏挖造成的總損失率為6.77%。從作業(yè)環(huán)節(jié)看，輸送分離過程中因傷果造成的損失最顯著，具有進一步優(yōu)化改進的空間；從整體上看，該機的作業(yè)質(zhì)量較好，適應(yīng)性強，整機性能符合設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

1）針對中國南方丘陵山區(qū)黏重土壤下藠頭收獲困難的現(xiàn)狀，研制了一款履帶自走式小型藠頭收獲機，可實現(xiàn)多地形、小田塊條件下藠頭機械化收獲。

2）定義了挖掘深度最大波動值并建立了挖掘深度最大波動值的解析式，找到其與地形、行走裝置、挖掘鏟位置的關(guān)系，有效提升挖掘穩(wěn)定性，降低果土分離難度；分別對桿篩式振動裝置和撥輥推送式多級分離裝置建立模型得到尺寸和工作參數(shù)與性能的聯(lián)系。

3）田間性能測驗表明，整機作業(yè)的明果率為96.49%，有效收獲率為93.23%，本研究所設(shè)計的結(jié)構(gòu)及參數(shù)合理，作業(yè)過程流暢可靠，適應(yīng)性強，能夠滿足當前丘陵山區(qū)黏重土壤下的藠頭機械化收獲需求。

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Development of a vibrating and roller pushing typeharvester

Qu Yongbo1, Fang Zhichao1,2※, Liu Yafeng1, Dai Zhenwei1,3, Wu Mingliang1,2

(1.,,410128,; 2.,410128,; 3.410151,)

is one type of the small underground bulb crops, mainly distributed among the hilly and mountainous areas in southern China. The growing place is normally characterized by the complex and changeable terrain with the high soil viscosity. Therefore, some difficulties can be posed as the mechanized harvesting of, such as the high requirements for separating fruit and soil, the great difficulty in separating, and terrain adaptability. In this study, a fruit soil separation technology was developed for the “rod and sieve type vibration separation + roller pushing type multistage separation”. A walking device with high chassis crawler was adopted to place the working parts, such as the adjustable digging device, the rod and sieve type vibration separation device, and the roller pushing types multistage separation device between the two crawlers. The size of the machine was reduced suitable for the small plot harvesting operation under complex terrain. The excellent working performance was achieved in the digging shovel in the middle of the crawler. The strong stability of excavation depth was promoted in the fruit-soil separation of the less excavation depth. The rod and sieve type vibration separation device was realized the first step of conveying and separation by vibrating and impacting the clods. There were different linear speeds at the root and end of the vibrating rod. Specifically, the large clods were used to turn over the clods, and then cause the clods to be longitudinally sheared and damaged. Excellent conditions were created for the subsequent separation of fruit and soil. The clod was crushed and fell back to the field, as the fruit holding space was changed to form the adjacent rollers during the operation of the Roller pushing type multistage separation device. The fixed soil pressure rod of soil crushing was used to squeeze the clods into the fruit holding space, in order to achieve the efficient crushing of the soil block for the better fruit and soil separation. As such, the large clods were avoided to transport on the surface of the roller group without entering the fruit holding space. Each device in the working process was analyzed using theoretical calculation and simulation. The key parameters were obtained, such as the position and depth of the adjustable digging device, the amplitude and crank speed of the rod and sieve type vibration device, as well as the size and position of the roller. Theharvester was finally developed, including the adjustable digging, the rod and sieve type vibration, and the roller pushing type multistage separation device. The field excavation test were designed to verify the performance of each device and the complete machine. It was found that there was the stable actual digging depth of the machine, where the rate of missed digging was 0.31%, the rate of buried fruit was 3.20%, the total rate of damaged fruit was 5.87%, and the effective harvest rate was 93.23%. Therefore, the stable performance was achieved in the reasonable structure design and layout of the whole machine. The improved harvester can fully meet the demand for the mechanized harvesting ofunder the current hilly and mountainous conditions.

agricultural machinery; harvester; vibration; multistage separation; hilly and mountainous areas;

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.006

S22.57+9

A

1002-6819(2022)-19-0051-09

曲永波，方志超，柳亞峰，等. 振動和撥輥推送式藠頭收獲機研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(19)：51-59.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.006 http://www.tcsae.org

Qu Yongbo, Fang Zhichao, Liu Yafeng, et al. Development of a vibrating and roller pushing typeharvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(19): 51-59. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.006 http://www.tcsae.org

2022-07-13

2022-09-08

國家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目（CARS-12）；油菜壟作窄壟深溝成形原理及裝置參數(shù)優(yōu)化研究（2021JJ30344）

曲永波，研究方向為地下塊莖類收獲技術(shù)及裝備研發(fā)。Email：731281493@qq.com

方志超，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為南方黏性土壤條件下地下塊莖類作物果土分離機理研究及裝置開發(fā)。Email：fangzhichao@hunau.edu.cn