4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構設計

申海洋，王 冰，胡良龍，王公仆，紀龍龍，沈公威,2，吳 騰

4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構設計

申海洋1，王 冰1，胡良龍1※，王公仆1，紀龍龍1，沈公威1,2，吳 騰1

（1. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014；2. 南京工程學院機械工程學院，南京 211167）

為了解決4UZL-1型甘薯聯合收獲機作業過程中損失率大、傷薯率高等問題，該研究在分析4UZL-1型甘薯聯合收獲機整機結構的基礎上開展薯塊交接輸送機構設計。以薯塊交接輸送過程中傷薯率和損失率為主要評價指標，在單因素試驗基礎上運用Box-Benhnken試驗方法，以挖掘輸送機構角度、刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機構速度、刮板鏈輸送速度為試驗因素，對4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構工作參數進行四因素三水平試驗研究，建立了評價指標對各因素的多元回歸模型，分析了各因素對作業質量的影響，并得到了最優結構和作業參數。試驗結果表明：各因素對損失率從大到小的影響順序為刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機構速度、刮板鏈輸送速度、挖掘輸送機構角度；各因素對傷薯率從大到小的影響順序為挖掘輸送機構速度、挖掘輸送機構角度、刮板鏈輸送速度、刮板鏈輸送角度；當機器前進速度為1 m/s，挖掘輸送機構角度為20°、刮板鏈輸送角度為68°、挖掘輸送機構速度為1.2 m/s、刮板鏈輸送速度0.67 m/s時，薯塊損失率為1.12%、損傷率為0.94%，與預測值相比，誤差分別為3.4%和1.1%。研究結果可為甘薯聯合收獲機的結構完善和作業參數優化提供參考。

農業機械；設計；優化；甘薯聯合收獲機；交接輸送機構；響應曲面

0 引 言

甘薯（Sweet potato）又名山芋、番薯、白薯、白芋、地瓜等[1-2]，是重要的糧食作物和能源作物，也是優質的抗癌保健食品[3-4]。

甘薯種植包括育苗、耕整地、栽插、田間管理和收獲5個環節[5]。由于國內甘薯種植以高壟種植為主，壟高一般為250～330 mm，壟距一般為900 mm左右，收獲時甘薯的生長深度一般達到200～250 mm左右，結薯最大直徑達到300 mm[6-8]，且薯塊皮薄肉嫩易損傷，因此機械化收獲難度大；目前甘薯機械化收獲主要采用分段收獲，先利用人工或機器割蔓，再用犁破壟松土或者采用升運鏈式甘薯收獲機將薯塊從土下翻出地面，最后由人工撿拾收獲。作業集成度高、綜合效益顯著的甘薯聯合收獲裝備處于研發階段[9-10]。隨著甘薯規模化種植的發展，甘薯收獲機械也從分段收獲向聯合收獲發展，薯塊交接輸送機構是甘薯聯合收獲機的關鍵部件之一。

國外甘薯聯合收獲機研發起步早，薯塊交接輸送機構的類型也較多。美國McRae和FJohnson最早研發了四級液壓刮板鏈輸送裝置[11]；Lockwood公司研制的直接裝載式甘薯收獲機包含二級輸送裝置，但該機器在一二級交接缺少緩沖裝置，作業過程中傷薯率較高[12]；英國Standen公司生產的TSP1900甘薯收獲機含有多級升運輸送裝置[13]；德國Grimme公司生產的GT170系列牽引式薯類收獲機的輸送提升裝置處于國際前沿，該系列機器具有較大傾斜度和柔順變形的升降機構[14]；比利時dewulf公司研制的R2060系列馬鈴薯收獲機具有高性能偏置刮板鏈輸送裝置[15]；日本松山株式會社生產的GZA651甘薯收獲機采用二級輸送分離結構[16]。

目前，國內甘薯聯合收獲機還沒有成熟的產品，薯塊交接輸送機構還處于研發和優化階段，但是馬鈴薯聯合收獲機相對成熟，可為甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構研發提供借鑒。1970年中國臺灣省嘉義農業試驗分析所的林金鐓研發出了首臺薯類聯合收獲機，該機器由挖掘輸送鏈、第二級刮板輸送鏈和水平輸送鏈構成完整的輸送提升裝置[16]；立式環形分離輸送裝置是指圓形垂直分隔而成的輸送裝置，主要由皮帶式輸送機構和橫向輸送機構構成[17]；中機美諾公司長期致力于馬鈴薯刮板鏈輸送裝置的研發[18]；甘肅農業大學魏宏安教授在4U-1400FD型薯類聯合收獲機研制中，首次采用由橫向輸送裝置、傾斜輸送裝置和液壓提升裝置構成的刮板鏈輸送裝置[19]；農業農村部南京農業機械化研究所早期研發的甘薯收獲機輸送機構為鏈桿式升運器[20-21]。

針對國內外目前研究現狀，本文結合國內甘薯種植模式，設計了一種適用于先切蔓后聯合收獲的4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構，通過對薯塊交接輸送機構作業過程的運動學和力學分析取得其工作參數，運用臺架試驗和田間試驗相結合的方法確定該工作參數的最佳組合，以滿足4UZL-1型甘薯聯合收獲機整體性能要求[22-24]。

1 整機結構及工作原理

1.1 薯塊基本特性

薯塊基本特性是設計4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構的基礎，薯塊大小與硬度等對4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構的設計有重要影響。隨機選取30株“寧紫4號”甘薯，對薯塊基本特性進行測量，測量結果如表1。

表1 薯塊基本特性參數值

1.2 整機結構及技術參數

研制的4UZL-1型甘薯聯合收獲機主要由挖掘輸送機構、限深機構、薯秧分離機構、刮板鏈輸送機構、弧柵交接機構、后輸送帶、出料口、落土裝置、履帶底盤、變速箱、傳動裝置、液壓缸、駕駛椅、護欄和機架等構成，其基本結構如圖1所示。4UZL-1型甘薯聯合收獲機可一次完成單壟單行薯塊的挖掘、輸送和收集等作業。甘薯聯合收獲機作業時，挖掘鏟先破壟挖掘，并經過挖掘輸送機構薯土分離后，進入刮板鏈輸送機構，實現薯土分離與輸送、集薯作業。該機主要結構參數及技術參數見表2。

1.限深裝置 2.挖掘輸送機構 3.薯秧分離機構 4.液壓缸 5.刮板鏈輸送機構 6.后輸送帶 7.落土裝置 8.出料口 9.駕駛椅 10.機架 11.護欄 12.變速箱 13.履帶底盤 14.傳動裝置 15.弧柵交接機構

表2 4UZL-1型甘薯聯合收獲機結構參數及技術參數

1.3 工作原理

甘薯聯合收獲機作業時，挖掘輸送機構經液壓裝置驅動以一定角度入土挖掘，前端限深輪使挖掘鏟入土深度在合理作業范圍內，被挖掘出的薯土通過挖掘輸送機構輸送至薯秧分離機構，薯塊頂部的殘留藤蔓被鏈輥夾持機構去除，去除殘藤后的薯塊落入弧柵交接刮板鏈輸送機構，將薯塊提升輸送到后輸送帶上，對大土塊進一步分離或人工輔助分離，最后用集薯箱或編織袋兜住出料口完成集薯作業。

2 薯塊交接輸送機構設計算

薯塊交接輸送機構主要由限深機構、挖掘輸送機構、弧柵交接機構和刮板鏈輸送機構等構成，如圖2所示。機器啟動后發動機通過變速箱帶動刮板鏈輸送機構轉動，刮板鏈輸送機構進一步帶動挖掘輸送機構轉動[25]，通過鏈輪大小和傳動比來調節挖掘輸送機構和刮板鏈輸送機構的線速度。交接輸送機構的主要作用是把經挖掘后的薯塊順暢的輸送到后輸送帶上。

1.限深機構 2.挖掘輸送機構 3.弧柵交接機構 4.刮板鏈輸送機構

2.1 挖掘輸送機構設計

挖掘輸送機構是甘薯聯合收獲機的關鍵部件，其作用是挖掘、薯土輸送和分離，使其輸送到輸送鏈與取秧輥的間隙處進入后續工序。挖掘輸送結構主要由挖掘鏟、輸送桿條、連接機架、主動軸、張緊輪裝置、滾子鏈和滾子鏈輪組成，如圖3所示。

1.挖掘鏟 2.輸送桿條 3.連接機架 4.主動軸 5.張緊輪裝置 6.滾子鏈 7.滾子鏈輪

根據挖掘輸送機構的挖掘、薯土分離和輸送功能，挖掘鏟設計為平面固定式單鏟結構。為了使薯塊能夠沿挖掘輸送機構上斜面向后上方滑動而不倒滑，挖掘輸送機構傾角存在一臨界值0，且0，但角也不能過小，否則會使輸送鏈過長。

通過薯塊在挖掘輸送機構上的受力分析來確定傾角的大小。當薯塊在挖掘輸送機構上處于臨界值β時，受力分析如圖4所示。

注：H為挖掘輸送機構后端高度，mm；β0為挖掘輸送機構的傾角臨界值，(°)；G為薯塊重力，N；N為薯塊受到的支持力，N；f為挖掘輸送機構對薯塊的摩擦力，N；V0為機具前進速度，m·s-1；V1為挖掘輸送機構速度，m·s-1；S為挖掘輸送機構長度，mm。

由圖4可知：

sin0=（1）

cos=cos0=（2）

=（3）

?sin=（4）

式中為薯塊重力，N；為薯塊受到的支持力，N；為挖掘輸送機構對薯塊摩擦力，N；為薯塊與挖掘輸送機構之間的靜摩擦因數，取=0.644[25]；為薯塊的質量，kg；為薯塊在挖掘輸送機構上的加速度，m/s2。由式（1）～（3）可得，0=32.78°，通過液壓裝置調節，取值為20°～29°。

由式（2）～（4）可得

cos?sin=（5）

式中為重力加速度，取=9.8 m/s2。由于薯塊在挖掘輸送機構上先勻加速再勻速運動，則

1=1（6）

在薯塊輸送過程中，當挖掘輸送機構的輸送速度較快時，會造成薯塊損傷，因此，輸送速度與甘薯聯合收獲機前進速度（0=1 m/s）的比值應不小于1[23]，即甘薯聯合收獲機前進速度稍低于輸送速度[26]，即輸送速度的范圍為1～1.3 m/s；為了防止薯塊過多的碰撞，薯塊在挖掘輸送機構上勻速運動時間一般小于5 s，由式（5）～（7）和的取值范圍可得挖掘輸送機構的長度為334～3 009 mm，根據加工工藝與田間工況設定挖掘輸送機構的總長=1 800 mm。

=sin（8）

式中為挖掘輸送機構后端高度，mm。

由式（8）和的取值范圍可得為616～900 mm，根據加工工藝與田間工況確定=660 mm。

根據輸送桿條的設計要求，即薯土分離、不傷薯、不漏小薯塊，設定輸送桿條直徑為10 mm，輸送桿條間距為40 mm，輸送桿條的輸送輪直徑為100 mm，桿條表面套有橡膠。

2.2 刮板鏈輸送機構設計

刮板鏈輸送機構是甘薯聯合收獲機的二級提升輸送機構，其作用是把經過挖掘輸送機構分離后的薯塊輸送提升到后輸送帶上。刮板鏈輸送機構主要由弧柵交接機構、輸送桿條、刮板、主動輪、張緊輪裝置、滾子鏈、護板和上端防護罩等組成，如圖5所示。

1.弧柵交接機構 2.輸送桿條 3.刮板 4.主動輪 5.張緊輪裝置 6.滾子鏈 7.護板 8.上防護罩

挖掘輸送機構上的薯塊要能夠準確落入刮板鏈輸送機構上的刮板間隙，且不傷薯，因此刮板鏈輸送機構除應有適當的傾角外，其運動速度必須小于挖掘輸送機構輸送速度。以薯塊為研究對象，將挖掘輸送機構上薯塊復雜運動簡化為質點運動，故薯塊從挖掘輸送機構上最高點落入刮板間隙運動可看作是具有一定初速度的拋物運動[27]。以挖掘輸送機構最高點為原點建立坐標系，如圖6所示。

1.刮板鏈輸送機構 2.刮板 3.弧柵交接機構 4.挖掘輸送機構主動輪 5.挖掘輸送機構 6.薯塊

1.Scraper chain conveyor mechanism 2.Scraper 3.Arc grid transfer echanism 4.Driving wheel of excavating and conveying mechanism 5.Excavating and conveying mechanism 6.Potato

注：為薯塊做拋物運動的初始點；為薯塊與刮板鏈機構的交點；2為刮板鏈輸送機構速度，m·s-1；為挖掘輸送機構的傾角，(°)；為刮板鏈輸送機構的傾角，(°)。

Note:is the initial point of the parabolic movement of the potato;is the intersection point of the potato and the scraper chain mechanism;2is the speed of the scraper chain conveyor mechanism, m·s-1;is the inclination angle of the excavating conveyor mechanism, (°);is the inclination angle of the scraper chain conveying mechanism, (°).

圖6 薯塊拋物運動模型

Fig.6 Parabolic motion model of potato

如圖6所示，薯塊運動的參數方程為

式中3為薯塊拋出后運動時間，s。

由式（9）～（10）可得，薯塊從拋出到落到C點的時間3為

薯塊落到刮板鏈的瞬時速度為

根據前期試驗可知刮板鏈輸送速度<0.72 m/s，因此>42°，又因為刮板鏈輸送機構過于直立不利于薯塊的提升輸送，取≤70°。刮板鏈輸送機構的間距根據薯塊的大小取180 mm。

3 作業性能試驗

3.1 試驗臺搭建

為了測試單因素對作業質量的影響，分別用變頻器調節挖掘輸送機構速度和刮板鏈輸送機構速度，用液壓裝置調節挖掘輸送機構角度，用機械方式調節刮板鏈輸送機構角度，同時后端設計接料平臺，如圖7所示。

試驗設備與儀器主要有4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構試驗臺架、卷尺、電子臺秤、電子秒表、轉速儀、電子天平、集薯箱和一定量的“寧紫4號”等。

1.交接輸送機構 2.臺架 3.電機 4.變頻器

3.2 試驗參數與方法

臺架試驗分別測定4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構不同工作參數下輸送過程中薯塊損失率1、傷薯率2作為薯塊交接輸送機構的評價指標。影響4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構評價指標的因素很多，通過單因素試驗研究發現挖掘輸送機構角度和速度、刮板鏈輸送角度和速度對作業指標的影響較大，因此在單因素試驗的基礎上確定挖掘輸送機構角度和速度、刮板鏈輸送角度和速度為影響作業指標的主要因素。通過單因素試驗和機構設計可知，挖掘輸送機構角度范圍為20°～26°，刮板鏈輸送角度范圍為60°～70°，挖掘輸送機構速度范圍為1～1.3 m/s，刮板鏈輸送速度范圍為0.6～0.72 m/s。試驗方案為四因素三水平Box-Behnken試驗[28]，對挖掘輸送機構角度1、刮板鏈輸送角度2、挖掘輸送機構速度3、刮板鏈輸送速度4四個試驗因素開展響應面試驗研究[29]。試驗因素與水平如表3所示。

表3 試驗因素和水平

試驗選擇寧紫4號，薯塊質量與形狀差異較小，每次試驗前對薯塊進行稱量，試驗后對損失和損傷的薯塊稱量，在同一條件下每組試驗進行3次，結果取平均值。

4UZL-1型甘薯聯合收獲機交接輸送機構的評價指標為損失率和傷薯率，參照河南省地方標準DB41/T 1010-2015《甘薯機械化起壟收獲作業技術規程》[30]，計算方法如下：

式中1為薯塊在輸送過程的損失率，%；2為薯塊在輸送過程的傷薯率，%；1為作業前薯塊總質量平均值,kg；2為作業后損失（輸送過程掉落或者由于速度過快甩出輸送鏈的薯塊）薯塊總質量平均值，kg；3為作業后損傷（在交接輸送過程中由機構和工作參數不合理引起的薯塊破碎）薯塊總質量平均值，kg。

4 試驗結果與分析

本文四因素三水平Box-Behnken試驗方案有29個試驗點，其中24個試驗點為分析因子，5個試驗點為零點誤差估計，試驗方案與結果如表4所示。

利用Design-Expert8.0.6.1軟件對試驗結果進行多元回歸擬合分析[31-33]，建立損失率1、傷薯率2對挖掘輸送機構角度1、刮板鏈輸送角度2、挖掘輸送機構速度3和刮板鏈輸送速度44個自變量的多元回歸方程，如式（15）和式（16）所示，回歸方程方差分析結果如表5所示。

表4 試驗方案與結果

注：1、2、3、4為123、x的水平值，下同。

Note:1,2,3,4is the levels value of1,2,3,4, respectively, same as below.

表5 回歸方程方差分析

注：<0.01（極顯著，**）；0.01≤<0.05（顯著，*）。

Note:<0.01 (highly significant, **); 0.01≤<0.05 (significant, *).

通過表5的回歸方差分析可知，損失率1和傷薯率2的值都小于0.01，表明回歸方程極顯著；損失率1的失擬項為0.1076，傷薯率Y的失擬項為0.098，表明損失率1和傷薯率2的回歸方程擬合度高；損失率1和傷薯率2的決定系數2值分別為0.9033和0.9018，表明損失率1和傷薯率2的回歸方程可以解釋90%以上的評價指標。因此，該模型可以優化分析4UZL-1型甘薯聯合收獲機交接輸送機構參數。

值反應回歸方程中各參數的影響程度，<0.01時，參數對回歸方程影響極顯著，<0.05時，參數對回歸方程影響顯著。損失率1回歸方程中2和22對回歸方程影響極顯著（<0.01），X42324和12對回歸方程影響顯著（<0.05）；傷薯率Y回歸方程中3、13和32對回歸方程影響極顯著（<0.01），1434和12對回歸方程影響顯著（<0.05）。剔除回歸方程不顯著回歸項，對回歸方程1、2進行優化，如式（17）和式（18）所示。

通過方差分析可知，各因素對損失率影響程度從大到小的順序為刮板鏈輸送角度2挖掘輸送機構速度3刮板鏈輸送速度4挖掘輸送機構角度1；各因素對傷薯率影響程度從大到小的順序為挖掘輸送機構速度3、挖掘輸送機構角度1、刮板鏈輸送速度4、刮板鏈輸送角度2。

利用Design-Expert8.0.6.1軟件繪制各因素對試驗指標的影響曲面圖，結果如圖8所示。

由圖8a可以看出，刮板鏈輸送角度和挖掘輸送機構速度交互作用顯著，主要是因為薯塊在挖掘輸送機構末端做拋物運動，挖掘輸送機構的輸送速度越快，薯塊在挖掘輸送末端的拋物運動初速度越大，會使薯塊飛出挖掘輸送機構而造成損失；同時刮板鏈輸送機構傾角較小時，薯塊落入刮板鏈輸送機構的距離較小，容易造成薯塊反彈。由圖8b可知，刮板鏈輸送機構角度越大且輸送速度越慢時損失越小，這是因為在挖掘輸送機構的角度與速度都處于0水平時，刮板鏈輸送角度越大，做拋物運動的薯塊落入刮板間的反彈越小，同時刮板鏈輸送機構速度較慢時，薯塊會在刮板間順利輸送，否則速度較快會使薯塊在輸送過程中抖落而造成損失。由圖8c可知，挖掘輸送機構速度與刮板鏈輸送機構速度的交互作用不顯著，主要是因為挖掘輸送機構角度和刮板鏈輸送角度都處于0水平時，薯塊在輸送鏈上都處于平穩狀態，速度變化不會對薯塊造成較大的損失。

由圖8d可以看出，當挖掘輸送機構速度和挖掘輸送機構角度皆處于低水平時傷薯率達到最大值，這是因為挖掘輸送機構是由桿條組成，挖掘輸送機構角度越小挖掘輸送機構的水平距離越長，挖掘輸送機構速度越慢挖掘輸送時間越久，這兩者都處于低水平時會使薯塊與挖掘輸送機構桿條碰撞的次數增加，受傷薯塊增多。由圖8e可知，挖掘輸送機構角度與刮板鏈輸送速度的交互作用不顯著，這是因為挖掘輸送機構速度和刮板鏈輸送速度都處于0水平時，挖掘輸送機構上薯塊做拋物運動時會有理想的初始高度，落入刮板間會有理想的輸送速度，因此傷薯率會變小。由圖8f可知，挖掘輸送機構速度越慢且刮板鏈輸送速度越快，傷薯率達到最大值，反之，傷薯率達到最小值，這是因為挖掘輸送機構速度越慢，薯塊在挖掘輸送機構上的碰撞次數越多，而刮板鏈輸送速度較快，會刮板鏈輸送機構輸送的薯塊較少且有抖動；而挖掘輸送機構速度較快，刮板鏈輸送速度較慢，就會導致薯塊在交接處堵塞和碰撞而造成傷薯。

圖8 交互因素對損失率（Y1）和傷薯率（Y2）的影響

5 參數優化與驗證試驗

5.1 參數優化

為了使4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構的作業性能達到最佳，要求薯塊在輸送過程中的損失率和傷薯率低，通過對薯塊在輸送過程中損失率和傷薯率的交互因素分析可知：要獲得薯塊在輸送過程中較低的損失率，就必須要求挖掘輸送機構角度小和刮板鏈輸送角度小；要獲得薯塊在輸送過程中較低的傷薯率，需同時滿足挖掘輸送機構速度慢和刮板鏈輸送速度慢的要求。根據4UZL-1型甘薯聯合收獲機的實際工況]確定優化約束條件為

利用Design-Expert軟件對各參數進行優化求解以達到最優工作參數組合。當挖掘輸送機構角度20°、刮板鏈輸送角度68.07°、挖掘輸送機構速度1.2 m/s、刮板鏈輸送速度0.67 m/s時，甘薯聯合收獲輸送提升機構工作時的損失率為1.16%、損失率為0.95%。

5.2 試驗驗證

為了驗證回歸方程的準確性，運用優化后的組合參數在農業農村部南京農業機械化研究所甘薯試驗基地進行試驗驗證。結合機械設計要求與試驗過程的實際工況，對優化后的理論值取整，將挖掘輸送機構角度置為20°、刮板鏈輸送角度置為68°、挖掘輸送機構速度置為1.2 m/s、刮板鏈輸送速度置為0.67 m/s，在機器行駛速度為1 m/s條件下進行田間試驗驗證（圖9），結果見表6。

圖9 4UZL-1型甘薯聯合收獲機田間作業圖

表6 優化條件下各評價指標實測值

由表6可知，損失率1和傷薯率2的試驗值與優化值比較接近，其損失率1和傷薯率2的試驗值與優化值相對誤差分別為3.4%和1.1%，因此，該參數組合具有一定的可靠性。因此，在甘薯聯合收獲機作業時，可采用該優化參數組合，即挖掘輸送機構角度20°、刮板鏈輸送角度68°、挖掘輸送機構速度1.2 m/s、刮板鏈輸送速度0.67 m/s，此時甘薯聯合收獲薯塊損失率為1.12%、傷薯率為0.94%。

6 結 論

1）利用臺架試驗與田間試驗相結合的試驗方法，采用Box-Benhnken試驗方案對挖掘輸送機構角度、刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機構速度和刮板鏈輸送速度對薯塊交接輸送機構作業時薯塊損失率和傷薯率的影響建立多元回歸方程，通過臺架試驗對多元回歸方程進行分析和優化，通過田間試驗對多元回歸方程分析的結果進行驗證，結果表明試驗指標的實測值與優化值相對誤差分別為3.4%和1.1%，優化結果具有一定的可靠性。

2）各因素對薯塊損失率影響程度從大到小的順序為刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機構速度、刮板鏈輸送速度、挖掘輸送機構角度；各因素對傷薯率影響程度從大到小的順序為挖掘輸送機構速度、挖掘輸送機構角度、刮板鏈輸送速度、刮板鏈輸送角度。

3）當薯塊交接輸送機構最優工作參數組合挖掘輸送機構角度20°、刮板鏈輸送角度68°、挖掘輸送機構速度1.2 m/s、刮板鏈輸送速度0.67 m/s，此時薯塊損失率為1.12%、傷薯率為0.94%。

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Design of potato connecting and conveying mechanism for 4UZL-1 type sweet potato combine harvester

Shen Haiyang1, Wang Bing1, Hu Lianglong1※, Wang Gongpu1, Ji Longlong1, Shen Gongwei1,2, WuTeng1

(1.,,210014,; 2.,,211167,)

Sweet potato is an important food crop and energy crop. In order to solve the problems of larger loss rate and high damage rate of 4UZL-1 sweet potato combine harvester during the operation process, a potato connection and conveying mechanism was designed based on the analysis of the structure of 4UZL-1 sweet potato combine harvester and characteristics of domestic sweet potato planting models in this paper. The potato connection and conveying mechanism was mainly composed of a depth limiting mechanism, a digging conveying mechanism, an arc grid conveying mechanism and a scraper chain conveying mechanism. The working parameters were obtained through the kinematic and mechanical analysis of the working process of the mechanism. Aiming at the main evaluation indexes of potato damage rate and loss rate during the transfer and transportation, the Box-Benhnken test was presented on the basis of single-factor test. The angle of the digging conveyor, the conveyor angle of the scraper chain, the conveyor speed of the digging and the conveyor speed of the scraper chain were selected as testing factors. The multiple regression model of evaluation index to each factor was established, and the influence of each factor on operation quality was analyzed, and the optimal structure and operation parameters were obtained. The results showed that the order of the significance influence of factors on potato loss rate from large to small was that the conveyor angle of the scraper chain, the conveyor speed of the digging conveyor, the conveyor speed of the scraper chain and the angle of the digging conveyor. The order of the factors influencing on potato damage rate from large to small was the conveyor speed of the digging, the angle of the digging conveyor, the conveyor speed of the scraper chain and the conveyor angle of the scraper chain. When the forward speed of the machine was 1 m/s, the angle of the digging conveyor was 20°, the conveyor angle of the scraper chain was 68°, the conveyor speed of the digging was 1.2 m/s, and the conveyor speed of the scraper chain was 0.67 m/s, respectively, the potato loss rate was 1.12%, and the potato damage rate was 0.94%. Compared with the predicted values, the relative errors were 3.4% and 1.1%, respectively, the results satisfied the performance requirements of the 4UZL-1 sweet potato combine harvester. The study is benefit for the structure improvement and operation parameters optimization of the sweet potato combine harvester.

agricultural machinery; design; optimization; sweet potato combine harvester; connection and conveying mechanism; response surface

申海洋，王冰，胡良龍，等. 4UZL-1型甘薯聯合收獲機薯塊交接輸送機構設計[J]. 農業工程學報，2020，36(17)：9-17.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.002 http://www.tcsae.org

Shen Haiyang, Wang Bing, Hu Lianglong, et al. Design of potato connecting and conveying mechanism for 4UZL-1 type sweet potato combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 9-17. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.002 http://www.tcsae.org

2020-05-05

2020-08-31

國家重點研發計劃（2016YFD0701604）；國家現代農業甘薯產業技術體系建設專項（CSRS-10-B18）

申海洋，助理工程師，主要從事土下果實生產機械化技術與裝備研究。Email：1466265003@qq.com

胡良龍，研究員，主要從事土下果實生產機械化技術與裝備研究。Email：hurxbb@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.002

S225.7+1

A

1002-6819(2020)-17-0009-09