馬鈴薯收獲機的設計與試驗

劉瀟 李亮亮 戚江濤

摘要：結合當前新疆馬鈴薯種植模式，設計出一種集挖掘裝置、振幅可調(diào)式振動分離機構、速度可調(diào)式輸送裝置、液壓驅(qū)動裝置及電氣控制系統(tǒng)等為一體的馬鈴薯收獲機，可通過電磁比例流量閥實現(xiàn)裝置的輸送速度、振動轉速等參數(shù)的可調(diào)，通過調(diào)節(jié)板實現(xiàn)裝置振幅參數(shù)的可調(diào);使用ADAMS軟件對V型振動分離機構進行仿真，得到V型振動分離機構在水平方向上以370 mm左右的位移進行往復運動，在垂直方向上以260 mm左右的位移進行起伏循環(huán)運動。最后以輸送速度、振動轉速、振幅為因素，以明薯率和破皮率為響應指標進行裝備田間性能試驗，得出3個影響因素中振幅對明薯率有顯著影響，輸送速度和振動轉速的影響不顯著，影響程度依次為振幅>輸送速度>振動轉速;輸送速度和振動轉速對傷薯率有顯著影響，振幅的影響不顯著，影響程度依次為輸送速度>振動轉速>振幅。分析各影響因素對明薯率和傷薯率的影響，并對其進行優(yōu)化得出，當輸送速度為110 r/min，振動轉速為100 r/min，振幅水平為下時，明薯率達到92.822 3%，傷薯率為2.790 5%。

關鍵詞：馬鈴薯;收獲機;仿真試驗;液壓系統(tǒng);明薯率;傷薯率

中圖分類號： S225.7+1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0242-06

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）具有產(chǎn)量高、經(jīng)濟效益好、環(huán)境適應能力強等優(yōu)點[1]，我國是世界馬鈴薯種植面積最大的國家，年種植面積與產(chǎn)量分別在1 050萬hm2和8 000萬t左右。同時，我國馬鈴薯消費量以平均每年8%的速度增長，是世界上馬鈴薯消費量增長速度最快的國家之一[2]。隨著我國馬鈴薯主糧化發(fā)展戰(zhàn)略的提出，馬鈴薯已逐步成為僅次于小麥、水稻和玉米的第四大糧食作物[3]。但現(xiàn)有的馬鈴薯收獲機在應用過程中存在挖掘阻力大、易壅堵、明薯率低、傷薯率高等問題，導致目前我國馬鈴薯收獲仍以人工或畜力為主，機械化應用水平低[4]，且不同地塊的土質(zhì)松軟程度不同，土壤與馬鈴薯力學結合程度不同，因此，機械化收獲已成為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的必然趨勢。

目前，國外開展的馬鈴薯收獲技術研究主要有德國格力莫（Grimme）公司所生產(chǎn)的RL1700型馬鈴薯收獲機和SE140型馬鈴薯收獲機[5]以及挪威Kverneland Narbo AS公司生產(chǎn)的UN2600型系列牽引式兩行馬鈴薯收獲機[6]，為了提高作業(yè)效率，在機器上融入了振動和液壓技術，通過傳感技術來控制馬鈴薯的傳運量及土壤喂入量，利用虛擬制造技術和超塑加工技術等先進技術，國外馬鈴薯收獲機的研制技術水平相對較高;國內(nèi)主要采用分段式收獲，桿條式分離篩是目前國內(nèi)外馬鈴薯收獲機具中廣泛采用的結構形式[7]。國內(nèi)開展的相關研究主要有黑龍江省伊春市農(nóng)業(yè)機械科學研究所的4UX-2型馬鈴薯收獲機[8]、甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院的4UFD-1400型馬鈴薯聯(lián)合收獲機[9]及學者潘志國等的研究[10-14]。本研究在以上研究基礎上，結合新疆馬鈴薯種植模式，設計研制一種振幅、輸送轉速可調(diào)的馬鈴薯收獲機，以完成薯-土混合物挖掘、輸送、振動分離、集條等作業(yè)。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

針對新疆地區(qū)馬鈴薯種植模式以及農(nóng)藝要求，設計一種馬鈴薯收獲機，其結構示意見圖1和圖2。該機主要由挖掘裝置、轉速可調(diào)式輸送裝置、參數(shù)可調(diào)式振動分離裝置、液壓驅(qū)動裝置及電氣控制系統(tǒng)等組成，其中轉速可調(diào)式輸送裝置主要由閉合回轉篩等組成;參數(shù)可調(diào)式振動分離裝置主要由V型振動分離機構、調(diào)節(jié)板、調(diào)節(jié)絲桿及偏心輪等組成;液壓驅(qū)動裝置主要由液壓泵、電磁比例流量閥、液壓馬達等組成，電氣控制系統(tǒng)的主控單元為可編輯邏輯控制器（PLC）。馬鈴薯收獲機主要技術參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

該馬鈴薯收獲機可同時完成馬鈴薯挖掘、薯-土輸送振動分離及集條鋪放等作業(yè)。具體工作過程：拖拉機帶動馬鈴薯收獲機前進，齒輪泵在拖拉機后輸出軸的帶動下將液壓油經(jīng)換向閥輸入到液壓比例調(diào)節(jié)閥中，液壓油經(jīng)液壓比例調(diào)節(jié)閥分流后進入2個液壓馬達，液壓馬達②用來驅(qū)動V型振動分離機構進行薯-土分離，使閉合回轉篩完成上下起伏動作，液壓馬達①給閉合回轉篩提供回轉動力，使閉合回轉篩完成薯-土混合物輸送，液壓比例調(diào)節(jié)閥可通過可編程控制程序?qū)σ簤河洼敵隽窟M行調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)V型振動分離機構振幅和閉合回轉篩轉速。工作時，挖掘鏟首先對薯-土混合物進行挖掘，然后將其推送到分離裝置上，閉合回轉篩對薯-土混合物進行輸送和分離， 較小的土塊在振動分離篩面上通過柵條間隙分離，落至地面，較大的土塊也在振動過程中破碎后落至地面，分離后的馬鈴薯被鋪放于地面上，從而進行薯塊收集。

2 關鍵零部件設計

2.1 V型振動分離機構設計

在馬鈴薯機械化收獲過程中，薯-土混合物的高效輸送、有效分離是體現(xiàn)整機作業(yè)性能的重要指標[15-17]。輸送分離裝置采用V型振動分離機構（圖2），液壓馬達②帶動偏心輪旋轉，偏心輪帶動調(diào)節(jié)絲桿作用調(diào)節(jié)板，進而帶動V型抖動桿進行往復振動，從而進行薯-土混合物分離，振幅大小可通過調(diào)節(jié)板進行調(diào)節(jié)。

2.2 液壓系統(tǒng)設計

液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由油箱、液壓馬達、電磁換向閥、電磁比例流量閥等元器件組成，本設計選用美國Hydraforce公司的PV08-30型電磁比例流量閥，其具有電磁驅(qū)動、電氣參數(shù)可變、斷電常閉、三通、帶壓力補償、優(yōu)良的線性和磁滯特性、結構尺寸小、便于檢修、耐用等特點。液壓驅(qū)動系統(tǒng)工作原理：由拖拉機后輸出軸傳遞動力，帶動液壓泵旋轉，再經(jīng)液壓比例調(diào)節(jié)閥通過可編程控制程序?qū)σ簤河瓦M行分流，當輸入不同的控制命令后，電磁比例流量閥實現(xiàn)控制分流作用，進而控制2個液壓馬達轉速，液壓馬達②用來驅(qū)動V型振動分離機構進行振動分離，使閉合回轉篩面完成上下起伏動作，液壓馬達①給閉合回轉篩提供轉動動力，工作原理如圖3所示。

2.2.1 V型振動分離機構的轉速 在振動分離過程分析中，將馬鈴薯薯塊視為質(zhì)點，則馬鈴薯離開分離篩的運動類似于以弧線AB為軌跡，以不同曲率做的圓周運動，當質(zhì)點P位于V型振動分離機構轉角θ處時，受力情況如圖4所示，對其進行受力分析。

3 振動分離裝置仿真

3.1 幾何建模

ADAMS軟件是由美國MSC公司開發(fā)研制的集建模、求解、可視化技術于一體的虛擬樣機軟件，主要針對機械系統(tǒng)進行仿真分析[18]。偏心輪機構參數(shù)決定V型振動分離機構的運動規(guī)律，因此須要建立V型振動分離機構及其偏心輪機構的仿真模型，根據(jù)仿真結果確定其運動參數(shù)。將Solidworks實體模型的數(shù)據(jù)格式轉換為Parasolid（*.x_t）格式，通過ADAMS/Import模塊導入ADAMS中，建立幾何實體模型。

3.2 添加約束

通過添加不同的約束，將偏心輪跟V型振動分離機構聯(lián)系在一起，動力MOTION_1由偏心輪軸輸入，轉速選擇50 degree×time帶動偏心輪旋轉，通過調(diào)節(jié)絲桿，使V型振動分離機構擺動，各部件添加約束均為轉動副（圖5）。

3.3 仿真分析

在開始仿真分析前，利用模型自檢工具對樣機模型進行最后檢驗，排除建模過程中的隱含錯誤，以保證仿真分析過程順利進行，點擊Simulation進行仿真，終止時間為80 s，仿真步驟為50，點擊開始仿真按鈕，系統(tǒng)進行仿真，觀察模型的運行情況，仿真結果如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

由圖6可知，當t=0時，V型振動分離機構沿x軸正半軸方向增大，當增大到約220 mm時，開始沿反方向運動;當t=10 s時，達到反向最大值（-150 mm），然后繼續(xù)向正向運動，回到起始點，由此可得V型振動分離機構在水平方向上以約370 mm的位移進行往復運動。 由圖7可知， V型振動分離機構在垂直方向上以260 mm左右的位移進行上下起伏循環(huán)運動，軌跡運行平穩(wěn)，無間斷點和突變現(xiàn)象，符合設計要求。由圖8和圖9可知，在x軸和y軸方向上，V型振動分離機構仿真速度都在進行周期性變化，V型振動分離機構的抖動速度應大于分離篩的輸送速度，這樣可降低薯塊壅堵，加快薯-土混合物分離。圖8中x軸最大速度為0-11 m/s，y軸最大速度為0.07 m/s。該輸送速度值大于0，可實現(xiàn)薯土分離，且速度不太大，不至于傷薯，故該設計速度可作為馬鈴薯收獲機的實際速度，在進行收獲作業(yè)時可保證收獲機正常工作。

4 生產(chǎn)試驗與結果分析

4.1 試驗條件

2017年8月在新疆石河子市五宮村進行馬鈴薯收獲機性能試驗，試驗田種植的馬鈴薯品種為早熟品種荷蘭7號，適應性廣，表皮極易破損，種植模式為寬壟雙行。試驗地面積為 5 hm2，土壤板結較嚴重，灌溉方式為滴灌，試驗前10 d停止滴灌作業(yè)并完成殺秧作業(yè)。配套動力由約翰迪爾454拖拉機提供，慢3檔作業(yè)（圖10）。

4.2 試驗設計

在薯-土混合物輸送分離過程中，作業(yè)效果好壞主要體現(xiàn)在明薯率、破皮率等指標上[19-20]，而影響各指標的主要因素有輸送速度、振動速度及振幅等，為此對以上3種影響因素進行分析。本試驗采用3因素3水平正交試驗設計進行分析，輸送速度水平為70、90、110 r/min，振動轉速水平為80、100、120 r/min，振幅水平為上、中、下，以明薯率和破皮率為響應指標，按照NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術規(guī)范》規(guī)定的試驗方法進行試驗，試驗所取因素和水平如表2所示。依據(jù)L17（33）表進行17組試驗，每組試驗重復5次取平均值作為試驗結果（表3）。

4.3 試驗結果分析

4.3.1 回歸方程 根據(jù)試驗結果，明薯率和破皮率的回歸方程如下：

Y1=93.68+4.04A-3.96B+4.35C-3.13AB-1.90AC+7.10BC-4.58A2-7.68B2-8.65C2;

Y2=6.28-2.73A+2.25B-1.25C+0.25AB+3.6AC-7.8BC+0.26A2+2.46B2+4.76C2。

4.4 各因素對明薯率的影響分析

由表4可知，模型的明薯率P值為0.016，小于0.05，表明該模型較顯著，其中輸送速度P值為0.064 1，振動轉速P值為0.068 0，振幅P值為0.049 9，由此可知，3個因素中振幅對明薯率具有顯著影響，輸送速度和振動轉速的影響不顯著，三者影響程度依次為振幅>輸送速度>振動轉速。由圖 11-a 可知，當振幅為中時，隨著輸送速度和振動轉速的增加，分離篩輸送速度增加，減少了壅堵，增加了薯-土分離，明薯率開始增大，但當輸送速度增加到110 r/min時，明薯率將不再增加，開始下降，振動轉速也有著同樣的趨勢，因為在振動轉速上升時，可以在一定的時間內(nèi)增加薯-土混合物的分離，增大明薯率，但是振動轉速不宜過大，過大將會對馬鈴薯造成一定的損傷，由圖11-b可知，當振動轉速為100 r/min時，隨著振幅和輸送速度的增加，明薯率先增大后減小，;由圖11-c可知，當輸送速度為 90 r/min 時，隨著振幅和振動轉速的增加，明薯率也呈先增大后減小的趨勢;當振動轉速超過104 r/min時，對明薯率影響明顯增大。

4.5 各因素對傷薯率的影響分析

由表4可知， 模型的傷薯率P值為0.000 5， 小于0.05，說明該模型也顯著，其中輸送速度P值為0.003 8， 振動轉速P值為0.009 9，振幅P值為0.092 4，由此可知，輸送速度和振動轉速對傷薯率具有顯著影響，振幅的影響不顯著，三者影響程度依次為輸送速度>振動轉速>振幅。由圖12-a可知，當振幅為中時，隨著輸送速度的增大和振動轉速的減小，傷薯率開始減小，這是由于振動轉速的增大，加快了薯-土混合物的分離，使大量的土塊破碎，然后通過篩條落向地面;由圖12-b可知，當振動轉速為100 r/min時，隨著振幅的增大，傷薯率先減小后增大，這是由于振幅的增大，直接對馬鈴薯造成了一定的表皮損傷，隨著輸送速度的增加，傷薯率反而減小，這是由于輸送速度的增加，使馬鈴薯薯塊可以盡快向后方輸送，減少了在分離篩上的停留時間，因此降低了傷薯率;由圖12-c可知，當輸送速度為90 r/min時，隨著振幅和轉動速度的增加，傷薯率呈上升趨勢，振幅越大，傷薯率越明顯，振動轉速對傷薯率的影響大于振幅，如圖12-c所示。

4.6 試驗優(yōu)化

以輸送速度、振動轉速、振幅為試驗因素，明薯率期望值最大，傷薯率期望值最小，得出的優(yōu)化結果如表5所示。

由表5可知，當輸送速度為110 r/min，振動轉速 100 r/min，振幅為下時，明薯達到92.822 3%，傷薯率為 2.790 5%，符合馬鈴薯收獲機設計要求。

5 結論

設計完成了一種集挖掘裝置、振幅可調(diào)式振動分離機構、轉速可調(diào)式輸送裝置、液壓驅(qū)動裝置及電氣控制系統(tǒng)等為一體的馬鈴薯收獲機，可通過電磁比例流量閥調(diào)節(jié)油量驅(qū)動液壓馬達①、液壓馬達②，從而實現(xiàn)裝備輸送速度、振動轉速等工作參數(shù)的可調(diào)，通過調(diào)節(jié)板實現(xiàn)裝置振幅的可調(diào)。

使用ADAMS對V型振動分離機構進行仿真得出，V型振動分離機構在水平方向上以370 mm左右的位移進行往復運動，垂直方向上以260 mm左右的位移進行起伏循環(huán)運動，X軸最大速度為1.1 m/s，該值大于輸送速度值，說明該設計速度可作為馬鈴薯收獲機的實際工作速度，在進行收獲作業(yè)時可保證收獲機正常工作。

通過田間試驗得出，3個影響因素中輸送速度和振動轉速對傷薯率具有顯著影響，且三者的影響次序為輸送速度>振動轉速>振幅;只有振幅對明薯率具有顯著影響，影響次序為振幅>輸送速度>振動轉速。分析各影響因素對明薯率和傷薯率的影響，并對其進行優(yōu)化得出，當輸送速度為 110 r/min，振動轉速100 r/min，振幅為下時，明薯率達到92-822 3%，傷薯率為 2.790 5%。

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