緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機研制

魏忠彩，李洪文※，蘇國粱，孫傳祝，劉文政，李學強

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緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機研制

魏忠彩1，李洪文1※，蘇國粱2,3，孫傳祝2,4，劉文政1，李學強2,5

(1. 中國農業大學工學院，北京 100083；2. 山東省馬鈴薯生產裝備智能化工程技術研究中心，德州 253600； 3. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255091；4. 山東理工大學機械工程學院，淄博 255091； 5. 山東希成農業機械科技有限公司，德州 253600)

針對現有馬鈴薯收獲機薯土分離效果不理想、傷薯率和破皮率較高等問題，該文采用“2級高頻低幅振動分離+薯秧分離及側輸出+低位鋪放”的薯土分離工藝，研制了一種緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機，該機具主要由挖掘裝置、松土限深裝置、切土切蔓裝置、分離篩、振動調整裝置、薯秧分離裝置、秧蔓側輸出裝置、低位鋪放裝置以及壓實整平裝置等部分組成。結合分離篩末端與緩沖篩銜接處的薯雜分離狀況，分析了緩沖篩傾角變化對薯塊和秧蔓的影響規律，優選出較佳的緩沖篩傾角為36°。試驗結果表明，在收獲速度為0.88和1.16 m/s時，生產率分別為0.41和0.54 hm2/h，傷薯率分別為1.47%和1.12%，破皮率分別為1.89%和1.07%，各項性能指標均滿足相關標準的規定。隨著收獲速度的增加，薯塊碰撞加速度峰值和碰撞次數均減小，可有效降低傷薯率和破皮率，但明薯率有所降低；反之，碰撞加速度峰值明顯增大，明薯率提高的同時傷薯率和破皮率也明顯增大。薯塊位于分離篩上對應于薯壟邊緣位置時，容易產生較大的碰撞加速度峰值（＞150）。研究結果可為進一步探討薯土分離減損控制方法及薯土分離工藝的優化改進提供參考。

農業機械；收獲；馬鈴薯；振動分離；收獲品質

0 引 言

在國家糧食種植業結構調整和馬鈴薯主糧化戰略的大背景下，當前中國馬鈴薯種植面積和總產量均居世界前列，馬鈴薯已成為國內第4大糧食作物[1-3]。國內北方馬鈴薯主產區主要集中在內蒙古、河北、黑龍江、甘肅和陜西等地，有覆膜壟作和不覆膜壟作種植形式之分[4-6]。就收獲方式和收獲機結構形式而言，不同的薯土分離結構形式直接影響著機具總體設計布局、生產效率、分離效果和收獲品質等[7-8]。目前，馬鈴薯收獲機普遍采用的薯土分離振動裝置按其結構形式不同分為一級振動分離、兩級振動分離、振動與波浪兩級分離以及擺動分離等[9-11]。薯土分離振動裝置結構形式的選取必須與種植農藝緊密結合，還要綜合考慮收獲地塊的土壤類型、土壤含水率以及收獲后馬鈴薯的不同用途等因素[12-15]。

在機械化收獲作業時，伴隨著薯土分散分離、土塊破碎分離、薯秧分離和集薯輸送等過程，使得薯雜混合物在分離篩等關鍵部件上的運動復雜多變，薯土分離關鍵部件的結構形式、布置方式以及薯塊在分離篩末端的鋪放形式等均是影響馬鈴薯收獲品質的關鍵因素。而振動裝置的振動膠輪個數、振動幅度、振動軸轉速、分離篩的張緊程度以及振動裝置的布置方式直接影響著施加于分離篩上振動強度的強弱，當然也影響著薯雜混合物的分散與分離[16]。綜上所述，影響薯土分離效率和收獲品質的因素是多方面的，現有機械化收獲技術的振動碎土分離與收獲品質的關系、鋪放形式對收獲品質的影響以及薯土分離工藝對收獲效果的影響、薯塊碰撞沖擊損傷的精確評估等方面尚存不足[17-20]，薯土分離環節的減損防損技術仍然是當前馬鈴薯收獲機設計和改進的關鍵點[21-22]，薯農迫切需要一種分離效果與減損防損相互兼顧的馬鈴薯收獲機應用于實際生產。

本文在前期馬鈴薯收獲試驗的基礎上[23]，對鋪放環節進行優化改進，基于高頻低幅振動分離技術和低位鋪放減損技術研制了一種緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機，在闡述總體設計和工作原理的基礎上，介紹了關鍵部件的設計計算與參數選取，分析了薯土分離階段的薯雜混合物運動特征以及分離篩和緩沖篩銜接處的薯塊運動特征，并利用碰撞檢測裝置獲取了不同收獲速度和緩沖篩傾角條件下的碰撞信息，對樣機各參數條件下的破皮率、傷薯率和明薯率等指標進行了對比分析，以期提高薯土分離效率和收獲品質，為馬鈴薯收獲機薯土分離裝置關鍵部件的改進和薯土分離工藝的優化提供技術 參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構及薯土分離工藝特點

結合國內北方馬鈴薯主產區的壟作種植特點及機械化收獲環節減損防損的實際需求，研制的緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機（如圖1所示）為雙壟作業，作業幅寬為1 650 mm。總體結構包括挖掘裝置、松土限深裝置、切土切蔓裝置、分離篩、振動調整裝置、薯秧分離裝置、秧蔓側輸出裝置、低位鋪放裝置以及壓實整平裝置等。機具可一次完成高效切土切蔓、松土限深、挖掘輸送、2級振動分離、秧蔓分離、秧蔓側輸出、緩沖清土除雜以及壟行壓實整平、低位鋪放等作業過程。

1. 牽引裝置 2. 松土限深輪 3. 切土切蔓裝置 4.挖掘部件 5. 分離篩 6. 振動調整裝置 7. 地輪 8. 薯秧分離裝置 9. 秧蔓側輸出裝置 10. 低位鋪放裝置 11. 集薯板

本機具采用“兩級高頻低幅振動分離+薯秧分離及側輸出+低位鋪放”的薯土分離工藝，收獲作業時，拖拉機通過牽引裝置牽引收獲機前行。切土切蔓裝置的切土圓盤無動力驅動，依靠與土壤之間的摩擦力作用運轉，實現切土切蔓，利于后續挖掘和減阻防纏，可防止機具兩側秧蔓、雜草在分離裝置上產生“纏繞堵塞”。切土圓盤與挖掘鏟匹配作業，可以有效降低機具前行阻力，防止薯塊側漏損失，有助于減損控制及節能降耗。機具的2個地輪內側設有長度與集薯寬度一致的鎮壓輥，將土壤壓實整平，方便后續集薯區薯塊的撿拾，提高明薯率。

分離篩在驅動滾筒和張緊滾筒的共同驅動下運行（如圖2所示），其中的橡膠齒與分離篩桿條之間具有良好的嚙合性，這種布置主要是為了增大分離篩在橡膠齒滾筒上的“包角”，并且有利于張緊分離篩，以有效避免“爬齒”現象的發生。對應于分離篩的兩側及中間的連接帶，前后2級振動裝置的振動軸上均裝有3組振動輪，每組振動輪在圓周方向均布4個膠輪，且前、后2組振動裝置的振動強度可調，與3個膠輪、2個膠輪及橢圓形托篩輪的振動裝置相比，既可實現薯土分離過程的高頻低幅振動，也可實現薯土分離過程的多種振動幅度的調整，這既有利于破皮傷薯的減損控制，還可提升機具作業工況的適應性。2級高頻低幅振動裝置可對輸送分離篩施加激振作用力，有利于細碎土壤的分散分離以及土塊的破碎與分離。

1. 換向膠輪 2. 一級振動裝置 3. 一級支撐膠輪 4. 二級振動裝置 5. 二級支撐膠輪 6. 張緊滾筒 7. 分離篩 8. 驅動滾筒

分離篩后端設置有呈“前高后低”傾斜布置的緩沖篩（如圖3所示），緩沖篩的桿條上設有柔性橡膠指，可實現薯塊低位鋪放以及秧蔓的回流輸送。薯塊從分離篩末端跌落至緩沖篩，可有效避免跌落高度過大而導致的薯塊切線擦傷甚至內部損傷等問題。

1. 分離篩 2. 柔性梳秧桿 3. 驅動滾筒 4. 浮動式抽秧軸 5. 緩沖篩驅動軸 6. 緩沖篩

秧蔓側輸出裝置布置于薯秧分離裝置的浮動式抽秧軸下方，一方面可以迫使秧蔓在柔性梳秧桿阻擋以及浮動式抽秧軸抽拽作用下掉落至秧蔓側輸出裝置的輸送帶，另一方面緩沖篩將掉落至緩沖篩篩面的秧蔓輸送至秧蔓側輸出裝置的輸送帶，從而將薯秧及雜草輸送至已完成收獲作業的地表，可有效提高收凈率和明薯率，并方便薯塊的撿拾。

馬鈴薯收獲機的動力傳遞路線如圖4所示。拖拉機輸出的動力經傳動軸3傳遞至變速箱4，然后分別傳遞至振動軸II2、振動軸I1和驅動滾筒5、張緊滾筒7，最后分別傳遞至秧蔓側輸出裝置驅動軸9和緩沖篩主動軸8。驅動滾筒5與位于其前下方的張緊滾筒7之間為鏈傳動，以確保分離篩的運行穩定可靠。2級振動裝置的振動強度調整采用桿條式分離篩與支撐膠輪相結合的形式，通過支撐膠輪控制分離篩的“支撐”與“懸垂”程度，實現控制分離篩的振動強度。

1. 振動軸I 2. 振動軸II 3. 傳動軸 4. 變速箱 5. 驅動滾筒 6. 換向器 7. 張緊滾筒 8. 緩沖篩驅動軸 9. 秧蔓側輸出驅動軸

1.2　工作原理及主要技術參數

收獲機田間作業時，機具通過牽引裝置掛接于拖拉機后方，2組松土限深裝置分別對應于薯壟位置，拖拉機牽引馬鈴薯收獲機沿薯壟方向前進，切土圓盤對應于薯壟兩側，挖掘鏟滿幅入土挖掘。分離篩通過驅動滾筒驅動運行，挖掘鏟挖掘起的薯雜混合物在分離篩運行作用下向后輸送，并在前、后2級高頻低幅振動分離作用下實現薯土分散分離。經薯秧分離裝置和緩沖篩輸運至秧蔓側輸出裝置輸送帶上的秧蔓和雜草輸出至已收獲地表，分離干凈的薯塊經緩沖篩和集薯裝置的“聚攏”作用平鋪于已壓實平整的地表。收獲作業時，挖掘鏟鏟面與分離篩的工作段處于同一平面，沿薯雜混合物運行方向呈前低后高的“直線”狀態布置。為了減小切土阻力，改善切蔓防纏效果，切土圓盤的入土深度范圍為30～80 mm；根據前期試驗經驗，防止較小薯塊二次掩埋，設置挖掘鏟后端與分離篩前端的間隙≤15 mm；根據薯雜分離實現需求，柔性梳秧桿與分離篩在鉛垂方向上的距離為2～3 mm，且根據實際收獲工況可調。根據國內北方馬鈴薯壟作的主導種植模式及其農藝要求，緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機主要技術參數如表1所示。

表1 緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機主要技術參數

2　關鍵部件設計及參數確定

由前期馬鈴薯收獲試驗可知，分離篩上施加的振動幅度過大時，薯雜混合物的“跳躍”和“回流”易導致破皮和傷薯等。從滿足薯土分散分離和土塊破碎2個方面考慮，在結合薯雜混合物運動特點分析的基礎上，通過增加分離篩與薯雜混合物之間低幅度的碰撞接觸次數來改善碎土效果和減損控制是可行的，故采用高頻低幅的振動形式有利于兼顧薯土分離效率和收獲品質。

2.1　薯土分離裝置設計與分析

基于高頻低幅薯土分離指導思想，設計的薯土分離裝置主要由換向膠輪、一級振動裝置、一級支撐膠輪、二級振動裝置、二級支撐膠輪、驅動滾筒和張緊滾筒等部件組成（如圖2所示）。高頻率周期性振動有利于土塊的分散分離和破碎分離，低幅度振動可使得薯塊被“擊起”后的跌落高度相對降低。由于薯土混合物在高頻低幅振動作用下的整體流動性較好，有效降低了“薯-薯”、“薯-機”之間的碰撞接觸與摩擦幾率，馬鈴薯的碰撞特征更加有利于控制在馬鈴薯膠質層破裂和機械損傷臨界值范圍內，有助于減輕薯塊的切線擦傷甚至內部損傷等。根據國內馬鈴薯薯塊三軸尺寸中最小尺寸在30～80 mm之間這一尺寸特征[24]，以較好支承和輸運薯塊為原則，并保證良好的薯土分離效果，設計的桿條直徑為11 mm，相鄰桿條間距為45 mm。從最大限度保證較佳的薯土分離效果和收獲品質等方面考慮，裝置采用“單條分離篩+雙振動可調分離”的形式，分離篩的總長度為6 355 mm，其有效分離行程和有效輸送寬度分別為2 860和1 624 mm，分離篩篩面與水平面之間的夾角（簡稱為“分離篩傾角”）約為19°，正常工作狀態下分離篩傾角可通過改變拖拉機與懸掛裝置的相對位置進行調整。

一般薯土分離裝置施加于分離篩的振動頻率為3～8 Hz[25]，結合分離篩的運行速度與收獲速度的匹配關系，選取振動膠輪的相關參數為：振動膠輪直徑φ=75 mm，振動膠輪軸線的所在圓直徑φ=149 mm，由此得振動膠輪的有效工作圓周（外切圓）直徑φ=224 mm。由此，在支撐膠輪的配合作用下，分離篩可實現15～30 mm相對較低的振動幅度。另外，為保證分離篩上的薯土混合物能夠完成正常輸送與分離，分離篩運行速度與收獲速度應有適宜的匹配范圍，其運動學分析如圖5所示。

分離篩運行速度（為簡化分析，忽略二者之間由于滑動等引起的速度差異）與收獲速度之間的關系式為

=v1/v（1）

式中為速度系數，一般取0.8～2.5[16]；v1為分離篩的運行速度，m/s。

一般而言，對于分離輸送裝置，當薯土混合物沿1軸的分速度為1.2～2.0 m/s時，分離效率較高；超過2.0 m/s后，則分離效率降低[8,16]。驅動滾筒和張緊滾筒轉速與分離篩運行速度之間的關系滿足式（2）~式（4）。

v1=1π1/60 （2）

v2=2π2/60 （3）

v1=2（4）

注：x1為x軸正向（平行于離篩運動方向）；y1為y軸正向（垂直于分離篩篩面）；O1為坐標原點；α為分離篩傾角，(°)；vg1為驅動滾筒的速度，m·s–1；vg2為張緊滾筒的速度，m·s–1；vs為收獲速度，m·s–1；vy為薯土混合物躍起的速度，m·s–1；ng1為驅動滾筒的轉速，r·min–1；ng2為張緊滾筒的轉速，r·min–1；φg1為驅動滾筒分度圓直徑，m；φg2為張緊滾筒分度圓直徑，m。

驅動滾筒和張緊滾筒中部及兩端對應于分離篩連接帶位置處分別設有橡膠鏈輪，以驅動分離篩運行，鏈輪的分度圓直徑分別為205和170 mm。在前期的馬鈴薯收獲機田間試驗的基礎上，按取拖拉機傳動軸的轉速n=540 r/min計算，經綜合分析后選取變速箱的傳動比為3.46，通過變速箱將拖拉機傳動軸的縱向的動力轉向成橫向的動力。

田間作業時，薯土分離裝置可實現“薯-土-雜”的輸送、振動分散分離和土塊碎土分離，最終將薯塊拋落至緩沖篩[26]。在振動裝置的作用下，薯土混合物“跳躍”離開分離篩之前，在與分離篩之間摩擦力f的綜合作用下，跟隨分離篩向后輸送。分離篩上薯土混合物跳躍過程受力分析如圖6所示。

注：fg為薯土混合物沿分離篩篩面法向向上的慣性力，N；FNh為分離篩對薯土混合物的支反力，N；fz為薯土混合物與分離篩之間的摩擦力，N；mh為分離篩上躍起的某一部分薯土混合物的質量，kg；mhg為分離篩上躍起的某一部分薯土混合物所受的重力，N。

振動膠輪從分離篩緊段下面交替擊打分離篩時，使得分離篩產生“簡諧運動”[27]，由此導致薯土混合物產生沿分離篩篩面法向向上的慣性力f和分離篩對薯土混合物的支反力F。薯土混合物“跳躍”時，其支反力F=0，此時沿1軸建立方程，有：

f≥mgcos（5）

振動強度的調整，是通過手柄控制支撐膠輪“頂起”分離篩的程度來實現的。由于采用前后2級振動分離形式，分離篩呈現出2級無振動、前段振動后段自由狀態以及2級振動形成“微波浪”等多種薯土分離形式。不同振動強度下分離篩上物料的運行軌跡及運動特征均產生相應的變化，從而影響薯土分離效果及收獲品質。分離篩的狀態變化直接影響著薯土混合物的運動特征，無振動或輕微振動適合于沙質土壤條件下的馬鈴薯收獲，2級較強振動適合于黏重土壤或者收獲速度較快上土量較大、馬鈴薯可受到土壤的緩沖保護作用等工況。收獲過程中，高效分離與低損收獲如何兼顧，需要綜合考慮不同的土壤類型、機具薯土分離形式、收獲工況以及馬鈴薯品種等多種因素。2級振動調整裝置綜合作用產生的振動強度較小時，薯土混合物的運動較為平穩；反之，薯土混合物的運動較為“劇烈”，往往伴隨著一定的“跳躍”和“回流”現象，相當于增加了分離篩的有效分離行程，導致馬鈴薯與分離篩桿條的瞬間摩擦和接觸碰撞次數增多，碰撞加速度峰值也會增大，從而增加了馬鈴薯切線擦傷、疲勞累積損傷、內部損傷等形式損傷的概率。分離篩運行速度的變化會導致分離篩的波動程度也隨之變化，在一定程度上也影響著振動調整裝置的激振效果。

2.2　薯秧分離裝置設計與分析

薯秧分離裝置包括梳秧裝置、浮動式抽秧裝置和秧蔓側輸出裝置（如圖7所示）。團狀且相互纏繞的秧蔓在梳秧桿的阻擋作用下進入驅動滾筒處分離篩與抽秧軸之間的間隙，疏秧桿與驅動滾筒處分離篩之間間隙的調整有利于適應不同的秧蔓分離需求。驅動滾筒后下方設有浮動式抽秧軸，其旋轉方向與驅動滾筒的轉向相反，且抽秧軸轉速快于驅動滾筒轉速，以利用相對線速度差實現差速“揉搓”和“抽秧”。

由圖7中的受力分析可以看出，轉速較快的抽秧軸施加在秧蔓團上的抽拽力方向朝向斜下方，梳秧桿和轉速較慢的驅動滾筒處分離篩桿條對秧蔓團摩擦力的合力方向向上，由此產生的“揉搓”和“抽拽”可將秧蔓擠壓“扁軟”或剪切“碎斷”，以避免擁堵，保證機具的可靠性。收獲作業時，薯-秧混合體在柔性梳秧桿的阻擋作用下進入驅動滾筒與浮動式抽秧軸之間的縫隙，并利用相對線速度差產生的“刮擦”、“推擠”和“抽拽”等作用來完成薯秧分離，即薯塊在二者間隙約束力和分離篩末端斜拋產生的慣性作用力的綜合作用下被迫脫離薯-秧混合體。經柔性梳秧桿完成薯-秧混合體、秧蔓分離的秧蔓絕大部分落入秧蔓側輸出裝置，也有一部分落入緩沖篩篩面上，經緩沖篩的斜向上的帶動作用下跌落至秧蔓側輸出裝置，最終由秧蔓側輸出裝置輸送收獲機已完成收獲后的一側地輪后方的地面上。秧蔓側輸出裝置的輸送帶靠近緩沖篩的一側設有掛蔓齒，具有良好的掛蔓作用，以防止秧蔓在空氣動力作用下再次進入緩沖篩。另外，調整臂可方便的調整柔性梳秧桿與驅動滾筒處分離篩之間的距離，以適應不同工況的收獲作業。

1. 柔性梳秧桿 2. 浮動式抽秧軸 3. 緩沖篩 4. 側輸出裝置 5. 刮刀 6. 分離篩

1. Flexible seedling comb bar 2. Floating seedling-pulling shaft 3. Buffer sieve 4. Side output devices 5. Scraper 6. Separation sieve

注：F為抽秧軸對秧蔓的支反力，N；f為秧蔓分別與梳秧桿和分離篩桿條之間摩擦力的合力，N；F為梳秧桿對秧蔓的支反力，N；F為分離篩桿條對秧蔓的支反力，N；F為抽秧軸對秧蔓的抽拽力，N；F為分離篩桿條對秧蔓的驅動力，N。

Note: Frepresents reaction force of pull seedlings shaft to seedlings, N;frepresents resultant frictional force between the seedlings and separation sieve bar, seedling comb bar, N;Frepresents reaction force of seedling comb bar and seedlings, N;Frepresents reaction force of separation sieve bar and seedlings, N;Frepresents pulling force of floating seedling-pulling shaft on seedling, N;Frepresents driving force of separation sieve bar on seedling, N.

圖7 薯秧分離裝置布局及受力分析

Fig.7 Layout of seedling separation device and force analysis

浮動式抽秧裝置主要由固定板、螺桿、張緊彈簧、浮動式抽秧軸、連接臂等組成（如圖8所示）。浮動式抽秧軸兩端通過連接盤、螺桿和張緊彈簧實現與連接臂的浮動連接，收獲作業過程中，可充分利用張緊彈簧的彈性來適應不同的抽秧工況。當殺秧時間短，秧蔓尚未來得及枯萎時，浮動式抽秧軸處的秧蔓處理量大，此時張緊彈簧被拉長，使得浮動式抽秧軸與驅動滾筒之間的縫隙增大；反之亦反。浮動式抽秧軸的下方設置有用來刮土切蔓的刮刀，以防堵防纏。綜合分析，選取浮動式抽秧軸直徑為82 mm，且表面包有橡膠層，既可對薯塊起到緩沖減損作用，同時還起到增大摩擦力的作用，以便于順暢抽秧。一般殺秧作業后秧蔓的殘留長度仍在100～150 mm之間，故將2個相鄰柔性梳秧桿之間的距離設計為148 mm。

1. 張緊滾筒 2. 固定板 3. 螺桿 4. 驅動滾筒 5. 張緊彈簧 6. 連接臂7. 浮動式抽秧軸 8. 機架側板

2.3　緩沖篩式薯雜分離裝置設計與分析

由前期的馬鈴薯收獲機田間試驗和相關薯土分離試驗研究可知，跌落沖擊是造成馬鈴薯機械化收獲環節切線擦傷、內部損傷甚至破裂傷薯等現象的因素之一，故在收獲機設計時必須從合理控制跌落高度方面入手來探索減損措施。為降低薯塊的跌落沖擊高度，研制的低位鋪放馬鈴薯收獲機在分離篩的末端下方設置了緩沖篩，既降低薯塊從分離篩直接跌落至地表時的高度，又充分利用橡膠指桿條的橡膠指柔性緩沖特性來達到減損的目的，還保證秧蔓逆向向上輸送而不至于滑落。基于上述分析設計的緩沖薯雜分離裝置如圖9所示，主要由集薯板、張緊裝置、擋蔓板及緩沖篩等組成。

1. 集薯板 2. 側立板 3. 張緊裝置 4. 擋蔓板 5. 緩沖篩 6. 從動軸 7. 支撐架 8. 齒形輪

集薯板通過支撐架固定在緩沖篩上方，呈現“入口大、出口小”狀布置，以便于薯塊歸攏于收獲后的地表。經過分離篩和薯秧分離裝置運送過來的馬鈴薯落到緩沖篩上，緩沖篩上段的運行方向與馬鈴薯滾落方向相反，比重輕的雜草被逆向輸送至緩沖篩的主動端跌落至秧蔓側輸出裝置輸送帶上，密度大的馬鈴薯則在集薯板的阻擋作用下鋪放到地面上。設計的緩沖篩橡膠指桿條如圖9b所示，其直徑φ2=15 mm，相鄰橡膠指桿條之間的間距2=45 mm，同1根橡膠指桿條上徑向交錯布置有2排橡膠指，橡膠指長度為25 mm，同排相鄰橡膠指間距為11.5 mm。

田間作業時，馬鈴薯從分離篩至收集至地表伴隨著2次跌落過程，即1次是薯塊由分離篩跌落至緩沖篩，1次是由緩沖篩跌落至地表。薯塊由分離篩末端朝著緩沖篩跌落時，可以看作是具有初速度為v1的斜拋運動（如圖10所示）。設計的樣機可通過調整緩沖篩與驅動滾筒之間的相對位置來改變薯塊拋起點與緩沖篩最高點之間的距離h。同時，緩沖篩傾角的調整影響著薯塊在水平方向上的位移l和薯塊由分離篩至緩沖篩的跌落高度h。當緩沖篩的傾角一定時，薯塊由分離篩跌落至緩沖篩過程的相關運動分析如下：

l=v1tcos=n1πφ1tcos/60 （6）

h=v1tsin–0.52=n1πφ1tsin/60–0.52（7）

tan=(h-h)/(l-l1) （9）

式中l為薯塊在水平方向上的位移，m；t為薯塊由分離篩至緩沖篩的跌落時間，s；h為薯塊由分離篩至緩沖篩的跌落高度，m；h為將要拋起的薯塊中心與至緩沖篩最高點之間的距離，m；l1為將要拋起的薯塊中心與緩沖篩主動軸中心在水平方向上的距離，m。

注：vy1為薯塊在垂直于分離篩篩面方向躍起的初始速度，m·s–1；vh1為薯塊沿緩沖篩下落的運行速度，m·s–1；vy2為薯塊垂直于緩沖篩篩面的運行速度，m·s–1；β為緩沖篩傾角，(°)；lsd為薯塊在水平方向上的位移，m；hsd為薯塊由分離篩至緩沖篩的跌落高度，m；hsh為將要拋起的薯塊中心與至緩沖篩最高點之間的距離，m；ld1為將要拋起的薯塊中心與緩沖篩主動軸中心水平方向上的距離，m。

綜上所述，影響薯塊斜拋運動的參數有：分離篩的運行速度、分離篩傾角、緩沖篩傾角以及薯塊拋起點與緩沖篩最高點之間的距離h等。若分離篩的運行速度過慢，薯塊的在水平方向上的斜拋行程過小，則薯塊有可能會跌落至浮動式抽秧軸上，這會在一定程度上增加切線擦傷和擠壓傷薯的概率[28-29]。如果分離篩的運行速度過快，薯塊的在水平方向上的斜拋行程過大，則薯塊由分離篩跌落至緩沖篩的高度增加，這會在一定程度上增加薯塊沖擊損傷的概率。為保證實現有效秧蔓回流輸送效果和減損效果，選取的驅動滾筒中心與緩沖篩主動軸中心之間的垂直距離為384 mm。

在分離篩末端的后方設有防護板，防護板距離分離篩末端的距離為240 mm，防護板上固定有柔性膠皮，以避免分離篩末端拋出的馬鈴薯縱向位移過大、跌落至緩沖篩的鉛錘高度過大而造成薯塊切線擦傷和機械損傷等。在緩沖篩靠近秧蔓側輸出一側的下方設有擋蔓板，以避免側輸出的秧蔓在空氣動力的作用下漂浮至緩沖篩而影響秧蔓分離效果。同時，為增強機具對作業工況的適應能力，設計的緩沖篩篩面與水平面之間的夾角（簡稱為“緩沖篩傾角”）可調（如圖11所示），其結構由液壓缸、調整臂、調整軸、牽引臂和牽引鏈等組成。2條牽引鏈與緩沖篩靠近從動軸的一端連接，以便通過液壓缸控制2條牽引鏈的高低來調整緩沖篩的傾角。

1. 調整臂 2. 液壓缸 3. 牽引臂 4. 調整軸 5. 牽引鏈 6. 緩沖篩 7. 集薯板

3　田間試驗與結果分析

3.1　試驗條件

試驗地位于河北省張家口市沽源縣高山堡鄉二龍山村，屬溫帶大陸性草原氣候，年平均氣溫1.4 ℃，年平均降水量426 mm，年平均無霜期天數為117 d，海拔1 396 m。馬鈴薯種植模式：上一年翻耕，于2018年5月上旬機械化種植，壟間距90 cm，壟寬50 cm，壟高25 cm，株距25 cm，單壟單行。試驗時間為2018年9月18日－2018年9月21日，試驗地種植品種為布爾班克，試驗前1周機械化殺秧，人工去除滴灌帶。土層≥0～15 cm和土層＞15～30 cm的平均土壤緊實度分別為181.08 kPa和526 kPa；土壤平均含水率10.84%。其他試驗設備有功率為88.2 kW的約翰迪爾1204拖拉機、精度為0.01 g的NP-501型電子天平秤、美國Teachmark公司生產的碰撞檢測裝置（IRD）、8203型鋼卷尺、米尺和PS-930型秒表。田間試驗現場如圖12。

a. 收獲機背面 a. Rear of harvesterb. 收獲機側面 b. Side of harvester

3.2　試驗方法

樣機田間試驗的傷薯率、破皮率、明薯率及純作業時間（純作業時間指正常作業的時間）等指標參考《NY/T648－2015馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》[30]規定的檢測方法進行，其中純作業時間指正常作業的時間，不包括地頭轉向、停機等時間，其中穩定區作業長度為10 m，數據采集區作業長度為30 m，傷及薯肉的薯塊視為傷薯，擦傷面積大于0.2 cm2的薯塊視為破皮[11]。另外，檢驗振動分離裝置、薯秧分離及側輸出裝置、緩沖薯雜分離及壓實整平裝置的穩定性、可靠性及各裝置的協調配合性能。試驗過程中，在測定上述指標的同時，在設定的試驗參數條件下，待收獲機按照設定的收獲速度勻速行駛后，以馬鈴薯碰撞檢測裝置（如圖13所示）獲取馬鈴薯在整個收獲環節各個流程的碰撞信息，首先將碰撞檢測球置于田間作業收獲機前端挖掘裝置正上方的薯雜混合物中，使其混流于待分離的薯雜混合物中，來記錄薯塊在收獲機中到達各關鍵位置處的碰撞加速度、速度變化值等碰撞特征信息；待碰撞檢測球從收獲機末端落下時取出，并將反映碰撞特征的數據傳輸至計算機；最后，分析薯塊在收獲過程中所產生的機械沖擊特征，探索樣機易產生破皮損傷的關鍵位置，以準確評估樣機的收獲品質。

圖13 馬鈴薯碰撞檢測

3.3　結果與分析

3.3.1緩沖篩傾角選取

兼顧秧蔓分離效果和薯塊的收獲品質是緩沖篩傾角選取考慮的關鍵。在前期收獲試驗和試驗地預試驗基礎上，收獲速度為0.88 m/s時分別設置緩沖篩傾角為27°、36°和45°，觀察分離篩末端與緩沖篩銜接處的薯雜分離情況，分析緩沖篩傾角變化對薯塊和秧蔓運動規律的影響，優選不同出試驗地較佳的緩沖篩傾角。采集的不同緩沖篩傾角條件下薯塊在緩沖篩上的碰撞特征信息如表2所示。分析可知，緩沖篩傾角為27°、36°和45°時，薯塊在緩沖篩上的碰撞次數在10～14次之間，當緩沖篩傾角為27°時，采集到的碰撞加速度峰值為125.66，與緩沖篩傾角為36°和45°時相比，碰撞加速度峰值分別增大0.58倍、1.19倍。這是由于緩沖篩傾角較小時，薯塊由分離篩至緩沖篩的跌落高度h相對增加，由緩沖篩跌落至地表時的高度也較大，薯塊在緩沖篩上的滾落時間也相對較長，從而導致碰撞加速度峰值較大。

另外，此時緩沖篩上的混合物易產生擁堵現象，部分薯塊下落不夠流暢。緩沖篩傾角為45°時，采集到的碰撞加速度峰值只有57.42，這是由于薯塊由分離篩至緩沖篩的跌落高度h和薯塊從緩沖篩跌落至地表時的高度均較小，薯塊在緩沖篩上的滾落時間相對較短所致。但是，試驗中發現此時緩沖篩上的秧蔓逆向輸送至側輸出裝置輸送帶的效果較差，導致秧蔓分離不徹底而影響后續撿拾工作。兼顧緩沖減損和薯雜分離2方面的實際需求，選取較優的緩沖篩傾角為36°。

表2 不同緩沖篩傾角條件下的碰撞特征

3.3.2不同收獲速度對薯土分離效果的影響

為探索不同收獲速度條件下分離篩不同關鍵區域及整個薯-土-雜分離過程中的碰撞損傷規律，以前期收獲試驗為基礎，選取機具收獲速度分別為1=0.88 m/s和2=1.16 m/s，設置緩沖篩傾角為36°。不同收獲速度條件下的測試結果如表3所示。由表3可見，樣機的各項測試結果均能滿足《NY/T648－2015馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》的要求。

表3 不同收獲速度條件下的測試結果

由表3可見，收獲速度對薯塊在分離篩上的運動規律有著顯著影響。收獲速度較大時，一定時間內大量的薯雜混合物被挖掘輸送至分離篩，僅依靠分離篩桿條縫隙和振動裝置的激振作用無法進行較好的分散分離和土塊破碎分離，甚至仍有一部分土塊跌落至緩沖篩，從而導致收獲速度v2=1.16 m/s時的明薯率比v1=0.88 m/s時下降2.3%。對比可知，v1=0.88 m/s時的傷薯率和破皮率分別比評價指標[30]降低0.03個百分點和0.11個百分點，v2=1.16 m/s時的傷薯率和破皮率分別比評價指標降低0.38個百分點和0.93個百分點。另外，由于土壤的緩沖保護作用，收獲速度v2=1.16 m/s比v1=0.88 m/s時的傷薯率和破皮率分別降低0.35個百分點和0.82個百分點，這是因為隨著收獲速度的提高，單位時間內分離篩上的薯雜混合物總量也隨之增加，土壤的緩沖作用有利于減小薯塊與桿條的直接接觸碰撞次數，有助于降低薯塊的最大碰撞加速度峰值，因此可有效降低傷薯率和破皮率，但也同時導致明薯率的降低。反之，伴隨著細碎土壤的分散分離和土塊的破碎分離，薯雜混合物尚未到達分離篩末端已基本完成薯土分離，導致薯塊在分離篩上直接與桿條接觸，雖然明薯率得到提高，但同時傷薯率和破皮率也明顯增大。

3.3.3薯壟不同位置對薯土分離效果的影響

在薯土分離過程中，由于振動裝置的激振作用以及在薯雜混合物中分布狀況的差異，一部分薯塊會產生“回流”或“側流”。為此，同一收獲速度條件下的試驗分2組進行，即第1組試驗將碰撞試驗球掩埋于分離篩前端對應于“薯壟”中間位置，第2組試驗對應于“薯壟”邊緣位置。試驗還測得了2種收獲速度條件下不同位置的碰撞力G和速度變化值D等關鍵參數，本試驗采集的最小臨界碰撞加速度為10，存儲于碰撞檢測球后導出至計算機進行分析。設定每次試驗初次碰撞時間t記作0，自初次碰撞后的碰撞時間t為此次碰撞與初次碰撞的時間間隔，由此得不同收獲速度條件下的碰撞信息如圖14和圖15所示。

圖14 不同收獲速度條件下薯壟中間位置的碰撞信息

由圖14可以看出，試驗球置于分離篩上對應于薯壟中間位置時，收獲速度為0.88 m/s時的碰撞加速度峰值為149.02，試驗球在機具中歷時約為2.88 s，收獲過程中碰撞30次。收獲速度為1.16 m/s時的碰撞加速度峰值只有61.54，試驗球在機具中歷時約為2.44 s，碰撞次數為24次。

分析可知，隨著收獲速度的增加，薯塊碰撞加速度和碰撞次數均減小，這主要是因為隨著收獲速度的增加，單位時間“涌入”分離篩的薯雜混合物相應增加，土壤在薯土分離過程中起到了一定的緩沖作用導致的。

由圖15可以看出，試驗球置于分離篩上對應于薯壟邊緣位置時，收獲速度為0.88 m/s時的碰撞加速度峰值為180.16，試驗球在機具中歷時約為4.42 s，碰撞次數為39次。而收獲速度為1.16 m/s時的碰撞加速度峰值達184.62，試驗球在機具中歷時只有3.75 s，碰撞次數為43次。分析可知，薯塊的碰撞加速度峰值和碰撞次數受到收獲速度的影響不大，這主要是因為對應于薯壟邊緣位置薯雜混合物的數量相對較小、土壤的摩擦帶動和緩沖減損作用不夠明顯導致的。

圖15 不同收獲速度條件下薯壟邊緣位置的碰撞信息

比較圖14a與圖15a、圖14b與圖15b可以看出，同一收獲速度條件下，薯塊對應于薯壟邊緣位置時的碰撞加速度峰值和碰撞次數比中間位置時明顯增大，試驗球在機具中的歷時也較長，這主要是由于薯塊在薯壟邊緣位置時的薯雜混合物厚度相對較小，土壤的摩擦帶動效果差、薯塊多次翻滾“回流”現象相對加劇、土壤的緩沖“包裹”減損效果較弱所致。薯塊在分離篩上對應于薯壟中間位置時，前半段基本處于土壤的“包裹”中，即在分離篩的前半段基本不產生碰撞，直至后半段伴隨著土壤的透篩減少才逐漸產生碰撞，尤其當收獲速度較大時土壤的保護作用越發明顯，這進一步說明了收獲速度對薯土分離效果影響的重要程度。

另外，薯塊位于分離篩上對應于薯壟邊緣位置時，容易產生較大的碰撞加速度峰值（＞150），這主要是由于薯塊在該位置處受到土壤的緩沖保護作用相對較弱、薯塊與桿條直接接觸的概率較大所導致的。所以，薯塊在分離篩上對應于薯壟邊緣位置時產生疲勞累計破皮損傷和傷薯的概率較大。

3.4　討 論

由圖14和圖15可以看出，與輸送分離段相比，薯塊在緩沖篩上產生的碰撞加速度峰值較小且變化幅度不大，即在輸送分離段薯塊易產生幅值較大的碰撞加速度，相對較強的機械沖擊是產生傷薯和破皮的主要原因，這也充分說明低位鋪放薯雜分離裝置具有較強減輕跌落過程機械沖擊的作用。另外，跌落在緩沖篩上的薯塊伴隨著橡膠指桿條的彈性變形作用實現減損控制，使得緩沖除雜段所對應的碰撞加速度峰值基本上不高于分離篩上所產生的碰撞加速度，這充分說明緩沖篩的橡膠指桿條具有良好的降低機械沖擊作用。

薯塊在緩沖篩上的碰撞加速度峰值變化不明顯，即緩沖效果不佳，觀察發現這是由于收獲速度的增加導致單位時間內跌落至緩沖篩的薯塊數量增多，薯-薯之間在“聚攏”時的“劇烈”碰撞產生了相對較大的碰撞加速度，這進一步說明收獲速度對緩沖效果具有較大影響。另外，有研究表明，收獲前對較干地塊進行適當灌溉，可減少土塊數量，使得收獲后的薯塊與分離篩有關零 部件之間增加一層濕潤土壤，有利于減輕薯塊的碰撞損傷[31]。

碰撞加速度峰值和速度變化值是產生損傷的主要原因，在一定的碰撞加速度峰值條件下，速度變化值越小，其損傷區域面積越大[32]。薯塊與分離篩桿條直接接觸時，易產生較大的碰撞加速度峰值和較小的速度變化值，尤其在振動激勵迫使薯塊“跳躍”的情況下。當試驗球與緩沖篩接觸碰撞時，其大部分碰撞所對應的速度變化值相對較為分散，且薯塊與緩沖篩的接觸碰撞產生的速度變化值趨勢比與分離篩振動分離段碰撞時大，這充分說明本文設計的低位鋪放形式具有良好的減損控制效果，這與前人研究結論是一致的，即相對較硬材料的接觸碰撞與較軟的材料相比，易產生較大的碰撞加速度峰值和較小的速度變化值[33]。因此，在后續樣機優化改進中，可采取措施使得薯雜混合物盡可能均勻鋪放至分離篩上，以有效避免部分薯塊與分離篩桿條之間的直接接觸碰撞而導致的傷薯現象。

4　結 論

1）研制的緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機采用“2級高頻低幅振動分離+薯秧分離及側輸出+低位鋪放”的薯土分離工藝，可一次性完成高效切土切蔓、松土限深、挖掘輸送、2級振動分離、秧蔓分離及側輸出、低位鋪放薯雜分離等作業。在收獲速度為0.88和1.16 m/s時，生產率分別為0.41和0.54 hm2/h，傷薯率分別為1.47%和1.12%，破皮率分別為1.89%和1.07%，各項性能指標均滿足相關標準的規定。

2）收獲速度為0.88 m/s時，在緩沖篩傾角為27°、36°和45°條件下，分析了緩沖篩傾角變化對薯塊和秧蔓的影響規律，優選出較佳的緩沖篩傾角為36°。試驗結果表明，薯塊在緩沖篩上產生的碰撞加速度峰值相對較小，其碰撞加速度峰值主要來源于薯塊與分離篩的碰撞接觸，這充分說明低位鋪放薯雜分離裝置具有良好的減輕跌落沖擊效果。

3）隨著收獲速度的增大，薯塊碰撞加速度峰值和碰撞次數均減小，可有效降低傷薯率和破皮率，但明薯率有所降低；反之，碰撞加速度峰值明顯增大，明薯率升高的同時傷薯率和破皮率也明顯增大。薯塊位于分離篩上對應于薯壟邊緣位置時，容易產生較大的碰撞加速度峰值（＞150）。

[1] Nobuhisa K, Tsutomu K, Keiichi S, et al. Energy efficiency of potato production practices for bioethanol feedstock in northern Japan[J]. European Journal of Agronomy, 2013, 44(1): 1－8.

[2] 徐建飛，金黎平. 馬鈴薯遺傳育種研究：現狀與展望[J]. 中國農業科學，2017，50(6)：990－1015. Xu Jianfei, Jin Liping. Advances and perspectives in research of potato genetics and breeding[J]. Scientia agricultura Sinica, 2017, 50(6): 990－1015. (in Chinese with English abstract)

[3] Kang Wenqin, Fan Mingshou, Ma Zhong, et al. Luxury absorption of potassium by potato plants[J]. American Journal of Potato Research, 2014, 91(5): 573－578.

[4] 孫偉，王虎存，趙武云，等. 殘膜回收型全膜覆土壟播馬鈴薯挖掘機設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(9)：105－114. Sun Wei, Wang Hucun, Zhao Wuyun, et al. Design and experiment of potato digger with waste film recollection for complete film mulching, soil covering and ridge sowing pattern[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(9): 105－114. (in Chinese with English abstract)

[5] 呂金慶，田忠恩，楊穎，等. 4U2A 型雙行馬鈴薯挖掘機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(6)：17－24. Lü Jinqing, Tian Zhongen, Yang Ying, et al. Design and experimental analysis of 4U2A type double-row potato digger[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6): 17－24. (in Chinese with English abstract)

[6] 戴飛，郭笑歡，趙武云，等. 帆布帶式馬鈴薯挖掘-殘膜回收聯合作業機設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(3)：104－113. Dai Fei, Guo Xiaohuan, Zhao Wuyun, et al. Design and experiment of canvas belt combined operation machine for potato digging and plastic film collecting[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(3): 104－113. (in Chinese with English abstract)

[7] 魏忠彩，李學強，孫傳祝，等. 馬鈴薯收獲與清選分級機械化傷薯因素分析[J]. 中國農業科技學報，2017，19(8)：63－70. Wei Zhongcai, Li Xueqiang, Sun Chuanzhu, et al. Analysis of potato mechanical damage in harvesting and cleaning and sorting storage[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2017, 19(8): 63－70. (in Chinese with English abstract)

[8] 中國農業機械化科學研究院. 農業機械設計手冊[M]. 北京：中國農業技術出版社，2007.

[9] 呂金慶，孫賀，兌瀚，等. 粘重土壤下馬鈴薯挖掘機分離輸送裝置改進設計與試驗[J]. 農業機械學報，2017，48(11)：146－155. Lü Jinqing, Sun He, Dui Han, et al. Design and experiment on conveyor separation device of potato digger under heavy soil condition[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(11): 146－155. (in Chinese with English abstract)

[10] 謝勝仕，王春光，鄧偉剛，等. 擺動分離篩薯土分離機理分析與參數優化試驗[J]. 農業機械學報，2017，48(11)：156－164. Xie Shengshi, Wang Chunguang, Deng Weigang, et al. Separating mechanism analysis and parameter optimization experiment of swing separation sieve for potato and soil mixture[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(11): 156－164. (in Chinese with English abstract)

[11] 魏忠彩，李洪文，孫傳祝，等. 振動與波浪二級分離馬鈴薯收獲機改進[J]. 農業工程學報，2018，34(12)：42－52. Wei Zhongcai, Li Hongwen, Sun Chuanzhu, et al. Improvement of potato harvester with two segment of vibration and wave separation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(12): 42－52. (in Chinese with English abstract)

[12] 呂金慶，尚琴琴，楊穎，等. 馬鈴薯殺秧機設計優化與試驗[J]. 農業機械學報，2016，47(5)：106－114. Lü Jinqing, Shang Qinqin, Yang Ying, et al. Design optimization and experiment on potato haulm cutter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(5): 106－114. (in Chinese with English abstract)

[13] 馮斌，孫偉，石林榕，等. 收獲期馬鈴薯塊莖碰撞恢復系數測定與影響因素分析[J]. 農業工程學報，2017，33(13)：50－57. Feng Bin, Sun Wei, Shi Linrong, et al. Determination of restitution coefficient of potato tubers collision in harvest and analysis of its influence factors[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 50－57. (in Chinese with English abstract)

[14] Zhou K, Jensen A L, Bochtis D D, et al. Simulation model for the sequential in-field machinery operations in a potato production system[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2015, 116(8): 173－186.

[15] Naji Mordi N Al-Dosary. Potato harvester performance on tubers damage at the eastern of Saudi Arabia[J]. CIGR Journal, 2016, 18(2): 32－42.

[16] 李濤，周進，徐文藝，等. 4UGS2 型雙行甘薯收獲機的研制[J]. 農業工程學報，2018，34(11)：26－33. Li Tao, Zhou Jin, Xu Wenyi, et al. Development of 4UGS2 type double-row sweet potato harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(11): 26－33. (in Chinese with English abstract)

[17] Canneyt T V, Langenakens J, Tijskens E, et al. Characterisation of a potato-shaped instrumented tool to predict mechanical damage to potatoes[J]. Ifac Proceedings Volumes, 2001, 34(28): 61－66.

[18] Opara U L, Pathare P B. Bruise damage measurement and analysis of fresh horticultural produce: A review[J]. Postharvest Biology & Technology, 2014, 91(5): 9－24.

[19] Azizi P, Dehkordi N S, Farhadi R. Design, construction and evaluation of potato digger with rotary blade[J]. Cercetari Agronomice in Moldova, 2014, 47(3): 5－13.

[20] Tvan C, Tijskens E, Ramon H, et al. Characterisation of a potato-shaped instrumented device[J]. Biosystems Engineering, 2003, 86(3): 275－285.

[21] 魏忠彩，李學強，張宇帆，等. 馬鈴薯全程機械化生產技術與裝備研究進展[J]. 農機化研究，2017，39(9)：1－6. Wei Zhongcai, Li Xueqiang, Zhang Yufan, et al. Reviews on technology and equipment of potato production[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(9): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[22] 楊然兵，楊紅光，尚書旗，等. 馬鈴薯聯合收獲機立式環形分離輸送裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(3)：10－18. Yang Ranbing, Yang Hongguang, Shang Shuqi, et al. Design and experiment of vertical circular separating and conveying device for potato combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(3): 10－18. (in Chinese with English abstract)

[23] Wei Zhongcai, Li Hongwen, Sun Chuanzhu, et al. Experiment on the characteristics of dropping collision and harvesting of potatoes[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2018, 27(1): 99－111.

[24] 王彥軍. 4M-2型馬鈴薯聯合收獲機分離輸送系統的研究[D]. 蘭州：甘肅農業大學，2007. Wang Yanjun. Research on Separating and Conveying System of the 4M-2 Potato Combine Harvester[D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[25] 田忠恩. 馬鈴薯挖掘機防堵裝置系統的設計與性能試驗[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2016. Tian Zhongen. Design and Experiment Research on Anti- Blocking System of Potato Digger[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[26] 戴飛，趙武云，孫偉，等. 馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯合作業機設計與試驗[J]. 農業機械學報，2017，48(1)：64－72. Dai Fei, Zhao Wuyun, Sun Wei, et al. Design and experiment of combined operation machine for potato harvesting and plastic film pneumatic auxiliary collecting[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(1): 64－72. (in Chinese with English abstract)

[27] 呂金慶，田忠恩，吳金娥，等. 4U1Z型振動式馬鈴薯挖掘機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(12)：39－47. Lü Jinqing, Tian Zhong’en, Wu Jin’e, et al. Design and experiment on 4U1Z vibrating potato digger[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(12): 39－47. (in Chinese with English abstract)

[28] 魏宏安，張俊蓮，楊小平，等. 4UFD-1400 型馬鈴薯聯合收獲機改進設計與試驗[J]. 農業工程學報，2014，30(3)：12－17. Wei Hong’an, Zhang Junlian, Yang Xiaoping, et al. Improved design and test of 4UFD-1400 type potato combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(3): 12－17. (in Chinese with English abstract)

[29] 孫廣輝，魏宏安，李彥晶，等. 4UFD-1400 型馬鈴薯聯合收獲機薯秧分離裝置設計[J]. 甘肅農業大學學報，2012，47(6)：146－150. Sun Guanghui, Wei Hong’an, Li Yanjing, et al. Development of potato seeding separation devices of 4UFD-1400 potato combine harvester[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2012, 47(6): 146－150. (in Chinese with English abstract)

[30] 中華人民共和國農業部.馬鈴薯收獲機質量評價技術規范: NY/T648－2015[S]. 北京：中國標準出版社，2015.

[31] Bentini M, Caprara C, Martelli R. Harvesting damage to potato tubers by analysis of impacts recorded with an instrumented sphere[J]. Biosystems Engineering, 2006, 94(1): 75－85.

[32] Zapp H R, Ehlert S H, Brown G K, et al. Advanced instrumented sphere (IS) for impact measurements[J]. Transactions of the ASAE, 1990, 33(3): 955－960.

[33] Xu Rui, Takeda F, Krewer G, et al. Measure of mechanical impacts in commercial blueberry packing lines and potential damage to blueberry fruit[J]. Postharvest Biology & Technology, 2015, 110(12): 103－113.

Development of potato harvester with buffer type potato-impurity separation sieve

Wei Zhongcai1, Li Hongwen1※, Su Guoliang2,3, Sun Chuanzhu2,4, Liu Wenzheng1, Li Xueqiang2,5

(1.100083,; 2.253600,; 3.255091,; 4.255091,; 5.253600,)

Harvesting is the most crucial step of the whole potato production mechanization process, and the most challenging issue is to separate potato, soil and impurity thoroughly and meanwhile control the damage rate and bruising rate of potato. It is widely recognized that there exists some unsatisfactory separation effect problems like higher bruising rate and damage rate and lower exposed rate during the process of mechanical potato harvest. To solve these problems, based on the technology of potato-impurity separation with 2 segment of high frequency and low amplitude vibration separation, potato seedling separation and side conveying and low position laying, a new potato harvester was improved through setting low position laying segment and potato-impurity separation device with buffer sieve. The potato harvester was consisted of digging parts, soil loosening and depth control wheel, cutting device of soil and seedling, separation sieve, vibration adjustment device, device of potato and seedling separation, device of side conveying of seedling, low position laying device and compaction leveling device. In that way, it can reduce the drop height effectively and benefit for potato-impurity separating and potato-seeding separating during the process of mechanical potato harvest. As such, the field harvesting experiments were carried out, when the harvesting speed was 0.88 m/s, the effects of the inclination angle of buffer sieve on the kinematic characteristics of potato and seedling were analyzed when the inclination angle of buffer sieve was 27°, 36° and 45°, and the better inclination angle of buffer sieve 36° was selected. At the meantime, the results showed that peak impact acceleration produced by potatoes on the buffer sieve was relatively small, and the peak impact acceleration mainly came from the impact contact between potatoes and the separation sieve. Therefore, it is demonstrated that the low position laying device had a good performance to reduce drop impact, and to reduce the damage rate and bruising rate. The field harvesting experiments results showed that, the productivity was 0.41 and 0.54 hm2/h, the damage rate was 1.47% and 1.12%, and the bruising rate was 1.89% and 1.07%, respectively when the harvest speed was 0.88 and 1.16 m/s, the field harvesting experiment results and evaluation indeices met the requirements of relevant standards. The results also indicated the peak impact acceleration and impact number of potatoes were decreased with the increase of harvesting speed, which could effectively reduce the damage rate and bruising rate. However, the exposed rate decreased with the increase of harvesting speed, the main reason was the mixture of potato-impurity influxing into the separation sieve in unit time increased correspondingly, and soil worked as buffer in the process of potato-impurity separation with the increase of harvesting speed. On the contrary, the peak impact acceleration and impact time of potatoes were increased significantlyCompared with the potatoes located in the middle of the ridge on the separation sieve, it was easy to produce the larger peak impact acceleration when potatoes located on the separation sieve corresponding to the edge position of potato ridge, it was mainly due to the relatively weak soil buffering and protection for potatoes at this location, so the probability of direct contact between potatoes and rods was greater. This research may provide a technical reference for further study on the loss reduction control method of potato-impurity separation and the optimization and improvement of potato-impurity separation process.

agricultural machinery; harvesting; potato; vibrating separation; harvest quality

2018-11-09

2018-12-08

山東省重大科技創新工程項目（2017CXGC0219）；山東省泰山產業領軍人才工程高效生態農業創新類項目（LJNY201615）；“十三五”國家重點研發計劃專項（2016YFD0701603-02）；山東省農機化裝備研發創新項目（2016YF034）

魏忠彩，博士生，主要從事現代農業裝備與計算機測控技術研究。Email：weizc2011sdut@163.com

李洪文，教授，主要從事現代農業裝備與計算機測控技術研究。Email：lhwen@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.001

S223.2

A

1002-6819(2019)-08-0001-11

魏忠彩，李洪文，蘇國粱，孫傳祝，劉文政，李學強.緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機研制[J]. 農業工程學報，2019，35(8)：1－11. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.001 http://www.tcsae.org

Wei Zhongcai, Li Hongwen, Su Guoliang, Sun Chuanzhu, Liu Wenzheng, Li Xueqiang.Development of potato harvester with buffer type potato-impurity separation sieve[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 1－11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.001 http://www.tcsae.org