馬永龍，楊術(shù)明，李茂強，王乾，柯澤榮

(1.寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.北方民族大學(xué) 機電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750030)

馬鈴薯產(chǎn)業(yè)已成為發(fā)展寧夏南部山區(qū)經(jīng)濟、增加農(nóng)民收入的支柱產(chǎn)業(yè)之一，今后有望發(fā)展成為對促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和增加農(nóng)民收入具有重大作用的戰(zhàn)略性主導(dǎo)產(chǎn)業(yè).2020年，寧夏全區(qū)馬鈴薯種植面積約11.3×104hm2，其中，寧夏南部山區(qū)馬鈴薯種植面積達到8.6×104hm2，占全區(qū)馬鈴薯總種植面積的76.1%.西吉縣還成為中國馬鈴薯種植面積第一縣，建成全國首家綠色馬鈴薯標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)基地[1].寧夏馬鈴薯種植區(qū)域復(fù)雜，特別是山地、丘陵、梯田等小地塊馬鈴薯種植區(qū)域，這些地區(qū)馬鈴薯機械化收獲水平偏低，有些地區(qū)的馬鈴薯種植戶仍然采用傳統(tǒng)的人工挖掘的方式收獲馬鈴薯，嚴(yán)重地制約了馬鈴薯收獲機械化水平的提高[2].這些地區(qū)一方面馬鈴薯機械化收獲十分困難，地塊小而散，一般大中型馬鈴薯收獲機很難進入這些地區(qū)進行作業(yè)，另一方面該地區(qū)馬鈴薯種植戶經(jīng)濟水平有限，大中型馬鈴薯收獲機械價格偏高，增加了馬鈴薯種植戶的經(jīng)濟壓力.

發(fā)達國家的馬鈴薯收獲機械研究起步早，發(fā)展技術(shù)水平高，近年來融入了諸多新技術(shù)，使得馬鈴薯收獲機械化、自動化水平大幅提升[3-4].典型機型有：德國格力莫公司生產(chǎn)的GT-170型馬鈴薯收獲機、比利時AVR公司研制的Spirit 6200型雙行偏移倉收獲機，這些機具主要以露地栽培收獲為主，且體積大、配套動力大，不適用于西北旱區(qū)山坡地、小地塊作業(yè)[5-7].20世紀(jì)90年代起，國內(nèi)馬鈴薯收獲機械發(fā)展迅速，如山西省忻州市農(nóng)機推廣站和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的4SW-60型馬鈴薯挖掘機，黑龍江省農(nóng)機院研制的4U-1、4U-2型馬鈴薯挖掘機，青島洪珠農(nóng)業(yè)機械有限公司生產(chǎn)的4U-83型及4U-130型馬鈴薯收獲機，這些挖掘機技術(shù)已經(jīng)基本成熟，在國內(nèi)廣泛使用[8]，但這些機具多采用壓草輪或立輥式防堵裝置，主要防止雜草、殘秧纏繞，對韌性較好的殘膜容易纏繞在立輥式防堵裝置上，阻礙機具正常工作[9].

寧夏馬鈴薯種植區(qū)域目前使用的馬鈴薯收獲機，針對覆膜馬鈴薯收獲時，無法實現(xiàn)殘膜回收.因此，亟需研制出一種適合于寧夏南部山區(qū)復(fù)雜地形的中小型馬鈴薯收獲機械，滿足馬鈴薯挖掘各項作業(yè)指標(biāo)的同時，實現(xiàn)殘膜回收.

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機設(shè)計

復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機主要由2部分組成：馬鈴薯挖掘部分和殘膜回收部分.馬鈴薯挖掘部分由懸掛裝置、挖掘裝置、防纏繞裝置、機架、傳動機構(gòu)、輸送裝置、限深裝置等組成，殘膜回收部分由收膜機構(gòu)、集膜箱等組成.其中，挖掘裝置用于薯土挖掘；通過傳動機構(gòu)將變速箱的動力傳輸給輸送裝置，輸送裝置用于薯土輸送及分離；防纏繞裝置防止殘膜及馬鈴薯莖稈纏繞在機具上；收膜機構(gòu)、集膜箱用于殘膜輸送及收集.復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.懸掛裝置；2.挖掘裝置；3.防纏繞裝置；4.機架；5.傳動機構(gòu)；6.輸送裝置；7.限深裝置；8.收膜機構(gòu)；9.集膜箱圖1 復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of integrated machine for potato harvesting and residual film collecting in complex terrain

1.2 工作原理

機具通過3點懸掛連接到拖拉機懸掛上，拖拉機動力通過萬向節(jié)輸入機具的變速箱，變速箱輸出的動力通過鏈傳動及齒輪傳動驅(qū)動輸送裝置、防纏繞裝置及收膜機構(gòu)等.作業(yè)時，拖拉機帶動機具行進，挖掘鏟以一定角度入土將土薯鏟起，土薯沿鏟面逐漸后移、抬升，經(jīng)過延伸柵條時部分碎土從間隙漏下.隨著機具的行進，土薯混合物被推送至輸送裝置上，輸送裝置運行過程中，因為振動輪的不斷轉(zhuǎn)動從而帶動輸送裝置有序抖動，使部分大塊泥土破碎，同時碎土與薯塊分離，碎土沿輸送鏈柵條間隙下落.收膜機構(gòu)的轉(zhuǎn)輥在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流，從而將輸送裝置末端已分離的殘膜吸入收膜機構(gòu).吸入的殘膜由于氣流推動從收膜機構(gòu)出口直接進入集膜箱.殘膜收集完后，通過控制集膜箱上方液壓缸的伸縮使集膜箱打開，實現(xiàn)卸膜作業(yè).

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)寧夏南部山區(qū)土壟雙行覆膜種植模式及農(nóng)藝條件[10-12]，復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機主要技術(shù)參數(shù)如下：懸掛式，整機尺寸為3 580 mm×1 500 mm×1 400 mm,配套動力為45～55 kW,作業(yè)速度為1.6～1.8 km/h,作業(yè)幅寬1 200 mm,整機質(zhì)量700 kg,工作深度200～300 mm,作業(yè)效率0.2×104m2/h.

2 主要工作部件設(shè)計與分析

2.1 挖掘裝置

復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機挖掘裝置主要包括挖掘鏟刀、鏟刀固定座、過渡板及過渡板轉(zhuǎn)軸，如圖2所示.機具行進時，帶動挖掘鏟以一定的角度切入土壤，達到一定深度后挖掘鏟刀在土層內(nèi)水平前移.土薯混合物沿鏟刀斜面上移輸送至過渡板，過渡板可根據(jù)土薯運行狀況小幅度調(diào)整角度，從而避免硬土塊及雜物損傷馬鈴薯，同時過渡板的小幅度擺動起到一定的篩土功能.

根據(jù)馬鈴薯挖掘裝置工作原理分析可知，影響挖掘裝置工作性能的主要參數(shù)包括挖掘鏟刀寬度b、挖掘鏟刀鏟面傾角θ及鏟刃角度γ[13].

1.挖掘鏟刀；2.過渡板；3.過渡板轉(zhuǎn)軸；4.鏟刀固定座；5.機架圖2 挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of digging blade

挖掘鏟鏟刀寬度需結(jié)合馬鈴薯種植的農(nóng)藝要求，考慮馬鈴薯種植幅寬及壟距等.挖掘鏟鏟刀為平面鏟，挖掘鏟鏟刀寬度要大于馬鈴薯種植壟寬，避免馬鈴薯收獲過程中出現(xiàn)漏挖現(xiàn)象.結(jié)合整機結(jié)構(gòu)，挖掘鏟鏟刀寬度1 200 mm.

挖掘鏟刀鏟面傾角的合理設(shè)計能夠降低收獲機運行時的挖掘阻力，同時具有一定的碎土性能.收獲機工作過程中，對挖掘鏟鏟刀進行受力分析，建立方程[14]

(1)

即

(2)

式中，F(xiàn)N為挖掘鏟刀鏟面對土薯的支持力；T為挖掘鏟刀鏟面受到土薯的反作用力；G為挖掘鏟上土薯的重力；Ff為挖掘鏟刀鏟面與挖掘鏟上土薯的摩擦力；u為挖掘鏟刀鏟面與土壤的摩擦因數(shù)，取0.557～0.721[15].計算，可得

(3)

由式(3)分析可知，挖掘鏟刀鏟面傾角θ越小，收獲機工作過程中，挖掘裝置受到的阻力就越小，但是挖掘裝置的碎土和篩土效率會大大降低；挖掘鏟刀鏟面傾角θ增大時，挖掘裝置的碎土和篩土效率會提高，但是挖掘裝置受到的阻力會增加，從而增加收獲機的功率消耗[16].因此，θ需保證在合適的取值區(qū)間.

設(shè)挖掘阻力為R，則

R=kab，

(4)

式中，R為挖掘鏟刀受到的阻力；k為單位橫截面面積阻力；a為挖掘深度；b為挖掘作業(yè)幅寬.

依照馬鈴薯種植區(qū)域土壤參數(shù)確定k為0.04～0.05.馬鈴薯收獲機挖掘裝置的挖掘深度在200～300 mm，收獲機作業(yè)寬度為1 200 mm.可取k=0.045 N/mm2，a=250 mm，b=1 200 mm，代式(4)，求得挖掘鏟刀受到的阻力R為13 500 N.實驗地區(qū)土壤密度為2.76×10-3g/mm3，挖掘長度為680 mm，根據(jù)所給數(shù)據(jù)計算挖掘鏟上土薯混合物的重力5 630 N.將所得數(shù)據(jù)代入式(3)，得到挖掘鏟刀鏟面傾角θ取值為31.6°～38.2°.

鏟刃角度γ的大小影響挖掘裝置鏟刀入土性能.若使鏟刀滿足設(shè)計要求，土薯混合物對鏟刃的推力沿鏟刃平行向上的分力必須大于鏟刃對薯土混合物的摩擦力，鏟刃角度γ過大時，挖掘裝置入土?xí)r不易切斷根莖及土薯混合物，同時，工作過程中，挖掘鏟阻力增大，造成不必要的功率損耗；鏟刃角度γ過小時，挖掘鏟入土和切土效果提升，但是鏟刃使用過程中易折斷并且容易損傷馬鈴薯.經(jīng)試驗分析，收獲機鏟刃角度設(shè)計為25°[17].

2.2 輸送裝置

輸送裝置主要由前驅(qū)動梅花輪、前驅(qū)動軸、振動輪、振動輪軸、前支撐輪、上張緊輪、后驅(qū)動梅花輪、后驅(qū)動軸、后支撐輪、從動輪、下支撐輪、下張緊輪、輸送帶及輸送柵條等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示.

1.前驅(qū)動梅花輪；2.前驅(qū)動軸；3.振動輪；4.振動輪軸；5.前支撐輪；6.上張緊輪；7.后驅(qū)動梅花輪；8.后驅(qū)動軸；9.后支撐輪；10.從動輪；11.輸送帶；12.輸送柵條；13.下支撐輪；14.下張緊輪圖3 輸送裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of conveyor device

輸送裝置設(shè)計為雙驅(qū)動，拖拉機動力輸出軸經(jīng)變速箱變速后，通過鏈傳動將動力經(jīng)多級傳動傳輸至振動輪軸.前、后驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動過程中，帶動前、后驅(qū)動梅花輪旋轉(zhuǎn)，梅花輪輪齒撥動輸送柵條，輸送柵條與輸送帶固定連接，在相應(yīng)位置分別安裝從動輪、張緊輪、支撐輪及振動輪，構(gòu)成整套輸送裝置.

機具輸送裝置整體可分為S形分離段和振動分離段，如圖3所示，從動輪至上張緊輪段為S形分離段，上張緊輪至前驅(qū)動梅花輪段為振動分離段.機具在拖拉機的帶動下前行，土薯混合物經(jīng)挖掘鏟挖掘、上移、輸送至輸送裝置.土薯混合物首先進入S形分離段，經(jīng)斜面向斜上方輸送、篩分.大土塊及土薯混合物在此斜面上升過程中瞬間滑移、翻滾，土塊破碎.連接?xùn)艞l的輸送帶為橡膠材質(zhì)，收獲機行進過程中產(chǎn)生振動，帶動輸送裝置的輸送帶和柵條上下小幅度起伏振動.土薯混合物在S形分離段繼續(xù)輸送至波峰-波谷段，大土塊輸送至波峰處由于應(yīng)力集中而斷裂、破碎，波谷與波峰的高度差致使土塊翻滾、分離、破碎.在土薯混合物輸送過程中，為避免馬鈴薯與柵條碰撞破皮，在柵條外表面包裹一層橡膠.土薯混合物經(jīng)過S形分離段到達振動分離段后，土量相對較少，較堅硬的大土塊及部分包裹在馬鈴薯表面的土壤還未破碎，集中在最上方的碎土也未下沉篩離.此階段需要加大振動幅度，使集中在最上方的碎土下沉篩離，加速大土塊翻滾、碰撞、破碎、篩離.因此，在向上輸送的斜面下方安裝振動輪，通過調(diào)整振動轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速改變輸送帶的振動頻率.隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增大，輸送帶及柵條的振動頻率和振動幅度也不斷增大，土薯混合物在輸送裝置上翻滾、碰撞的頻率增加，從而大幅提升輸送裝置的篩分效率[18-20].

2.3 收膜機構(gòu)

收膜機構(gòu)實際類似于一個離心風(fēng)機，主要由轉(zhuǎn)軸、葉片、軸承座、收膜機構(gòu)固定座、出氣口、殼體、進氣口等組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示.收膜機構(gòu)通過固定座固定在機架上.機具運行時，系統(tǒng)通過鏈傳動帶動收膜機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，使氣體及殘膜從進氣口進入殼體，沿殼體內(nèi)邊緣流動，從出氣口流出，從而將殘膜回收至集膜箱.

1.轉(zhuǎn)軸；2.葉片；3.軸承座；4.收膜機構(gòu)固定座；5.出氣口； 6.殼體；7.進氣口圖4 收膜機構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of residual film collecting mechanism

根據(jù)收膜機構(gòu)的應(yīng)用場合和實驗原理，通過流體仿真軟件ANSYS Fluent模擬葉片數(shù)量分別為8、12、16片及葉輪轉(zhuǎn)速分別為835、1 120、1 390 r/min時，采用變量控制法確定最佳參數(shù)[21-22].

2.3.1 葉片數(shù)量對收膜機構(gòu)流場的影響分析

根據(jù)收膜機構(gòu)及集膜箱安裝位置確定收膜機構(gòu)進氣口、出氣口位置及殼體結(jié)構(gòu)，葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min，采用變量控制法在葉輪的葉片數(shù)量分別為8、12、16片時，對收膜機構(gòu)進行流體仿真分析，得到葉片數(shù)量不同時葉輪同一橫截面上的全壓和速度云圖，如圖5所示.收膜機構(gòu)工作時，殘膜由進氣口吸入后，沿壁面區(qū)域流動，最后從出氣口流出，主要分析討論從進氣口到出氣口收膜機構(gòu)殼體邊緣區(qū)域的壓力及速度分布情況.從不同葉片數(shù)收膜機構(gòu)同一橫截面壓力云圖可以看出，壓力的分布具有相同規(guī)律：從葉輪中心沿徑向壓力逐漸增大，最大壓力基本上都集中分布在收膜機構(gòu)殼體從進氣口到出氣口的邊緣區(qū)域，在出氣流道內(nèi)，最大壓力區(qū)域逐漸擴大.

如圖5橫截面上，葉片數(shù)量為8片時，殼體內(nèi)側(cè)壓力為178～478 Pa，但壓力分布不均勻；葉片數(shù)量為12片時，殼體內(nèi)側(cè)壓力為171～404 Pa，壓力分布比較均勻，在出氣流道內(nèi)壓力逐漸降低，有利于殘膜從出氣口排出；葉片數(shù)量為16片時，殼體內(nèi)側(cè)壓力為356～641 Pa，壓力分布比較均勻，在出氣流道內(nèi)壓力逐漸降低，且下降幅度變化均勻，更有利于殘膜從出氣口排出.從壓力云圖對比分析，葉片數(shù)量為8片時，輸送效果不佳；葉片數(shù)量為12和16片時，壓力分布都比較均勻，但是葉片數(shù)量為16片時，出氣流道區(qū)域內(nèi)壓力降低更均勻，更利于殘膜的排出,所以，在收膜機構(gòu)葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時，從壓力云圖分析，葉片數(shù)量為16片時，收膜機構(gòu)的殘膜收集效果更佳.

從圖5分析，3種情況下隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，氣體流動速度沿徑向逐漸增大.在葉輪旋轉(zhuǎn)至弧頂區(qū)域位置時，氣流受到一定的阻礙，導(dǎo)致此位置氣流相對比較復(fù)雜.轉(zhuǎn)輪對應(yīng)位置均出現(xiàn)小渦流，導(dǎo)致葉輪與殼體弧頂之間區(qū)域速度明顯增加，在此處達到最大流動速度，流速為27.1～50.6 m/s.

葉片數(shù)量為8片時，出氣流道內(nèi)速度降幅過大，由16.9～21.5 m/s迅速降低至1.54～3.07 m/s.導(dǎo)致沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生較大氣流，大部分殘膜流動至此區(qū)域后沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向流動，使殘膜無法順利從出氣口排出.葉片數(shù)量為12片時，在出氣流道下方區(qū)域流速變化不均勻；葉片數(shù)量為16片時，出氣流道整個區(qū)域流體速度從左至右、從上往下逐漸減小，變化均勻，殘膜在流體內(nèi)流動更加順暢，更利于殘膜從出氣口排出.因此，在收膜機構(gòu)葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時，從速度云圖分析，葉片數(shù)量為16片時，收膜機構(gòu)的殘膜收集效果更佳.

a.8片葉片壓力云圖;b.8片葉片速度云圖;c.12片葉片壓力云圖;d.12片葉片速度云圖;e.16片葉片壓力云圖;f.16片葉片速度云圖圖5 不同葉片數(shù)收膜機構(gòu)橫截面壓力和速度云圖Fig.5 Pressure and velocity diagram of the cross section of the residual film collecting mechanism with different blade numbers

在同一截面上，葉片數(shù)量分別為8、12、16片時，內(nèi)部流場的速度矢量圖如圖6所示.氣流從進氣口進入后，葉輪順時針方向旋轉(zhuǎn)，帶動氣流沿殼體壁面也順時針流動，氣流流至殼體弧頂與出氣流道交界處，氣流由旋轉(zhuǎn)運動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閽佄锞€流向出氣口.葉片數(shù)量為8片時，氣流流至距出氣口150 mm處，產(chǎn)生比較強的渦流，約60%的氣流沿葉輪徑向順時針回流，剩余氣流從出氣口流出；葉片數(shù)量為12片時，氣流沿出氣流道上壁面以12.6～18.9 mm/s從出氣口流出，但在出氣流道中間區(qū)域氣流流至出氣口附近，出現(xiàn)較大的渦流，約70%氣流順時針旋轉(zhuǎn)回流，剩余氣流從出氣口上下部位流出；葉片數(shù)量為16片時，氣流沿出氣流道上方從出氣口流出，流速由35.3～10.1 mm/s在出氣流道內(nèi)向下方逐漸擴散，且整體流動方向仍然流向出氣口，僅在靠近底部區(qū)域出現(xiàn)小渦流.為了使收膜機構(gòu)與機具結(jié)構(gòu)配套，收膜機構(gòu)尺寸較大，所以收膜機構(gòu)出氣口寬度相對較大，導(dǎo)致出氣流道內(nèi)流體區(qū)域情況相對比較復(fù)雜，所以在出氣流道底部出現(xiàn)小范圍回流現(xiàn)象，對殘膜回收效果的影響可以忽略.因此，在收膜機構(gòu)葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時，從速度矢量圖分析，葉片數(shù)量為16片時，收膜機構(gòu)的殘膜收集效果更佳.

a.8片葉片速度矢量;b.12片葉片速度矢量;c.16片葉片速度矢量圖6 不同葉片數(shù)收膜機構(gòu)橫截面速度矢量Fig.6 Velocity vector diagram of the cross section of the residual film collecting mechanism with different blade numbers

2.3.2 葉輪轉(zhuǎn)速對收膜機構(gòu)流場的影響分析

葉輪葉片數(shù)量為16片時，采用變量控制法，轉(zhuǎn)速分別為835、1 120、1 390 r/min時，對收膜機構(gòu)進行流體仿真分析，得到收膜機構(gòu)葉輪在不同轉(zhuǎn)速下同一橫截面上的全壓和速度云圖，如圖7所示.采用同樣的方法，討論從進氣口到出氣口收膜機構(gòu)殼體邊緣區(qū)域的壓力及速度分布情況.

圖7可見，不同葉輪轉(zhuǎn)速下，從收膜機構(gòu)同一橫截面壓力云圖可以看出，壓力的分布具有相同規(guī)律：從葉輪中心至葉片區(qū)域出現(xiàn)最小壓力，最大壓力基本集中在葉輪上方與殼體頂部的中間區(qū)域.

葉輪轉(zhuǎn)速為835 r/min時，殼體內(nèi)側(cè)壓力為192～805 Pa，在出氣流道中間區(qū)域，壓力分別向葉輪方向和出氣口方向逐漸減小，在此區(qū)域的壓力分布不均勻；葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時，殼體內(nèi)側(cè)的壓力為214～926 Pa，出氣流道內(nèi)，沿葉輪到出氣口方向，從殼體頂部至流道底部區(qū)域，壓力逐漸減小，分布比較均勻，利于殘膜從出氣口排出；葉輪轉(zhuǎn)速為1 390 r/min時，殼體內(nèi)側(cè)的壓力為129～1 210 Pa，壓力變化范圍比較大，殼體弧頂內(nèi)側(cè)高壓區(qū)范圍小，從殼體頂部至葉輪中心壓力變化比較明顯，由圖7e可知，出氣流道靠近出口區(qū)域壓力基本無變化，從壓力云圖難以直接判斷，需結(jié)合速度云圖綜合分析.因此，在葉輪葉片數(shù)量為16片時，從壓力云圖分析，葉輪轉(zhuǎn)速為835 r/min時，收膜機構(gòu)的效果不佳；葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時，收膜機構(gòu)的殘膜收集效果較好；葉輪轉(zhuǎn)速為1 390 r/min時，需結(jié)合速度云圖綜合分析.

分析圖7速度云圖，葉輪轉(zhuǎn)速為835 r/min時，在出氣流道內(nèi)，流體流速逐漸減小，但在葉輪與出氣流道交界位置產(chǎn)生比較大的渦流，部分流體在此渦流作用下，沿葉輪徑向順時針回旋，導(dǎo)致部分殘膜沿葉輪徑向順時針旋轉(zhuǎn)回流.葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，在弧頂區(qū)域過渡后，氣流流至出氣流道，在出氣流道內(nèi)沿葉輪至出氣口方向，從殼體頂部到底部區(qū)域，流體速度逐漸減小，在出氣流道內(nèi)流速在5.06～25.3 m/s均勻變化，從進氣口到出氣口整個流動過程均比較理想.葉輪轉(zhuǎn)速為1 390 r/min時，在葉輪與出氣流道交界區(qū)域產(chǎn)生小渦流.同時，轉(zhuǎn)速過高，鏈傳動系統(tǒng)載荷會大幅增加.因此，結(jié)合壓力云圖和速度云圖，在收膜機構(gòu)葉輪葉片為16片，葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時，收膜機構(gòu)的殘膜收集達到預(yù)期效果.

a.轉(zhuǎn)速為835 r/min壓力云圖;b.轉(zhuǎn)速為835 r/min速度云圖;c.轉(zhuǎn)速為1 120 r/min壓力云圖;d.轉(zhuǎn)速為1 120 r/min速度云圖;e.轉(zhuǎn)速為1 390 r/min壓力云圖;f.轉(zhuǎn)速為1 390 r/min速度云圖圖7 不同葉輪轉(zhuǎn)速收膜機構(gòu)橫截面壓力和速度云圖Fig.7 Pressure and velocity diagram of the cross section of the residual film collecting mechanism with impeller speed

分析速度矢量圖，葉輪轉(zhuǎn)速分別為835、1 120、1 390 r/min時，收膜機構(gòu)的速度矢量圖如圖8所示.葉輪轉(zhuǎn)速為835、1 390 r/min時，氣流在出氣流道內(nèi)流動時，在葉輪與出氣流道交界處均產(chǎn)生比較強的渦流，部分氣流沿葉輪徑向順時針回流，剩余氣流在出氣口邊緣區(qū)域也出現(xiàn)湍流；因此，葉輪轉(zhuǎn)速為835、1 390 r/min時，殘膜在葉輪與出氣流道交界處回旋，導(dǎo)致殘膜在此處堆積，阻礙殘膜從出氣口排出；葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時，在氣流從弧頂區(qū)域沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向流出后，沿出氣流道向出氣口扇形輻射，速度逐漸減小且速度變化均勻，扇形區(qū)域內(nèi)流動速度為15.2～22.7 m/s，速度變化幅度較小.因此，在收膜機構(gòu)葉輪葉片為16片時，從速度矢量圖分析，葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min時，收膜機構(gòu)的殘膜收集效果更佳.

a.835 r/min;b.1 120 r/min;c.1 390 r/min圖8 不同葉輪轉(zhuǎn)速收膜機構(gòu)橫截面速度矢量圖Fig.8 Velocity vector diagram of the cross section of the residual film collecting mechanism with impeller speed

3 田間試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件

2019年10月，在寧夏固原市西吉縣新營鄉(xiāng)白城村陽洼組進行了復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機田間作業(yè)性能試驗.試驗地塊地勢較平坦，土壤為砂壤土，土壤含水率為20.2%～23.1%，土壤堅實度為1.54～2.09 MPa.馬鈴薯采用土壟雙行覆膜種植方式，土壟高度為15～20 cm，土壟寬度為80～85 cm，株距為45 cm，播深為10 cm.

3.2 試驗方法

按照國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[23-24]進行田間作業(yè)性能試驗.試驗動力為路通-554型拖拉機，額定功率為40.5 kW，機具作業(yè)前進速度為1.6～1.8 km/h.試驗選取明薯率、傷薯率、損失率、殘膜拾凈率作為機具工作性能的測試指標(biāo)，試驗過程如圖9所示.

a.樣機作業(yè)過程;b.未殺秧區(qū)域作業(yè)效果;c.已殺秧區(qū)域作業(yè)效果圖9 田間作業(yè)性能試驗Fig.9 Results of field experiment of combined operation machine

明薯率、傷薯率及損失率的試驗，選擇有代表性的試驗地進行試驗，測區(qū)長30 m，從中等距離取3個測試小區(qū)，每小區(qū)長3 m，寬度為壟距，總共選取10個測試小區(qū).在面積為3 m×壟距的區(qū)域內(nèi)，撿起明薯，撥開覆土撿出埋薯，人工挖出機具未挖出的馬鈴薯，分別稱其質(zhì)量，計算各指標(biāo)，取10組試驗結(jié)果的平均值.

3.2.1 明薯率

Ym=Gm/(Gm+Gn+Gw)×100%，

(1)

式中，Ym為明薯率；Gm為明薯質(zhì)量；Gn為埋薯質(zhì)量；Gw為漏挖薯質(zhì)量.

3.2.2 傷薯率

Yp=Gp/(Gm+Gn+Gw)×100%，

(2)

式中，Gp為傷薯質(zhì)量.

3.2.3 損失率

Yw=(Gn+Gw)/(Gm+Gn+Gw)×100%.

(3)

3.2.4 殘膜拾凈率

(4)

式中，W為作業(yè)后的表層或深層殘地膜質(zhì)量；W0為作業(yè)前的表層或深層殘地膜質(zhì)量.

殘膜拾凈率的試驗，同樣選擇有代表性的試驗地進行試驗，測區(qū)長為30 m，從中等距離取3個測試小區(qū)，每小區(qū)長5 m，寬度為壟距，總共選取10個測試小區(qū).作業(yè)前人工取出表層(地表及土層深度0～100 mm)殘膜，作業(yè)后撿拾出遺留在表層殘膜，去除塵土及水分后，分別稱其質(zhì)量，計算殘膜拾凈率，取10組試驗結(jié)果的平均值.

3.3 試驗結(jié)果與分析

復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機田間試驗結(jié)果如表1所示.

由表1可以看出，復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機的試驗指標(biāo)均達到國家標(biāo)準(zhǔn)要求.

作業(yè)過程中，機具的作業(yè)前進速度保持在1.6～1.8 km/h時，整體作業(yè)性能較好且機具運行穩(wěn)定.當(dāng)機具的作業(yè)前進速度進一步提升時，機具在運行過程中挖掘鏟前端易壅土，且輸送裝置的篩土性能不佳，導(dǎo)致明薯率下降.殘膜能夠連續(xù)地被收膜機構(gòu)吸入，特別是小片殘膜，采用其他方法回收效果不理想，而此方法能夠高效回收小片殘膜.但對于與馬鈴薯莖稈纏繞在一起的塑料殘膜，回收效果不佳，如圖9b所示.因此，在收獲前需要進行馬鈴薯秸稈粉碎，這樣殘膜回收效果更佳，如圖9c所示.

表1 田間試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)對挖掘裝置、輸送裝置及收膜機構(gòu)等關(guān)鍵工作部件進行設(shè)計和選型，并完成關(guān)鍵參數(shù)的分析計算，研制了復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機，能夠較好地解決寧夏南部山區(qū)復(fù)雜地形的馬鈴薯挖掘與殘膜回收的難題.

2)復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機的收膜機構(gòu)為離心風(fēng)機.運用ANSYS Fluent軟件，以收膜機構(gòu)的葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪的葉片數(shù)量為設(shè)計參數(shù)，采用變量控制法確定最佳參數(shù).軟件模擬和實驗結(jié)果顯示：收膜機構(gòu)的葉輪轉(zhuǎn)速為1 120 r/min、葉輪的葉片數(shù)量16片時，收膜機構(gòu)能夠達到更好的殘膜回收效果.

3)田間試驗表明：復(fù)雜地形馬鈴薯收獲及殘膜回收一體機作業(yè)后明薯率為98.6%，傷薯率為2.92%，損失率為1.4%，殘膜拾凈率為90.77%，試驗指標(biāo)均達到國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求，能夠?qū)崿F(xiàn)在寧夏南部山區(qū)復(fù)雜地形的馬鈴薯收獲、殘膜回收的一體化作業(yè).