馬鈴薯收獲機(jī)工作原理與傷薯問題產(chǎn)生機(jī)理研究

侯國(guó)強(qiáng)，韓休海，陳維剛

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

馬鈴薯是我國(guó)的重要糧食作物，我國(guó)的馬鈴薯年產(chǎn)量位居世界第一，但與此同時(shí)，馬鈴薯的生產(chǎn)現(xiàn)代化程度卻與發(fā)達(dá)國(guó)家相差較大。近年來(lái)隨著馬鈴薯種植面積的進(jìn)一步增加，生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于機(jī)械裝備的需求量不斷提升[1]。為進(jìn)一步提高我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，減輕農(nóng)民生產(chǎn)過(guò)程的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，加強(qiáng)對(duì)馬鈴薯生產(chǎn)相關(guān)機(jī)械技術(shù)的研究十分必要。馬鈴薯收獲機(jī)的應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程馬鈴薯收獲耗時(shí)費(fèi)力的問題，有效提升了馬鈴薯生產(chǎn)的機(jī)械化水平。馬鈴薯收獲機(jī)屬于新技術(shù)產(chǎn)品，不同產(chǎn)品現(xiàn)階段的機(jī)械結(jié)構(gòu)和技術(shù)原理存在一定的差異，從馬鈴薯收獲的基本原理出發(fā)展開相關(guān)研究，有利于馬鈴薯收獲機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步提升。

1 我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)的研究相對(duì)較晚，相關(guān)研究起步于20世紀(jì) 60 年代，到20 世紀(jì) 70 年代中期馬鈴薯收獲機(jī)產(chǎn)品才逐漸應(yīng)用于我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)的馬鈴薯收獲機(jī)主要與手扶拖拉機(jī)配套使用，且很多產(chǎn)品為引進(jìn)機(jī)型，自主產(chǎn)品的工作能力相對(duì)不足，由于進(jìn)口機(jī)型售價(jià)較高，導(dǎo)致機(jī)具普及困難，應(yīng)用較少[2]。到20世紀(jì)90年代，馬鈴薯的種植面積和生產(chǎn)效益都得到明顯提升，因此農(nóng)機(jī)廠家也加強(qiáng)了相關(guān)產(chǎn)品的研究力度，經(jīng)過(guò)近20年的努力，目前，我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)廠家和相關(guān)科研單位已達(dá)到60余家，且收獲技術(shù)逐漸向大型聯(lián)合收獲方向發(fā)展。現(xiàn)階段應(yīng)用效果較好的自主產(chǎn)品包括中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院研發(fā)，由現(xiàn)代農(nóng)裝北方農(nóng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的美諾系列、亞地4U系列、4SW系列等；由黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的4U-Ⅰ、4U-Ⅱ系列；由內(nèi)蒙古都牧機(jī)廠生產(chǎn)的4U系列產(chǎn)品等。盡管以上產(chǎn)品各具特點(diǎn)，但都能實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的可靠收獲，能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求。總體上看，我國(guó)的馬鈴薯機(jī)械化收獲仍有較大的發(fā)展空間，相關(guān)的技術(shù)研究還有很多的工作要做，且農(nóng)機(jī)裝備的普及與技術(shù)推廣仍需提升。

2 馬鈴薯收獲機(jī)工作原理

市場(chǎng)上銷售的馬鈴薯收獲機(jī)主要包括挖掘鏟、輸送裝置、分離裝置等幾大部分組成，機(jī)具還配備了懸掛裝置、變速箱等輔助結(jié)構(gòu)，如圖1所示。工作時(shí)，馬鈴薯收獲機(jī)通過(guò)三點(diǎn)式懸掛結(jié)構(gòu)與拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，由拖拉機(jī)的后動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力傳遞給馬鈴薯收獲機(jī)的動(dòng)力輸入端，從而帶動(dòng)變速箱轉(zhuǎn)動(dòng)，為馬鈴薯收獲機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力支持。在機(jī)具前進(jìn)過(guò)程中，挖掘鏟逐漸深入到耕地指定深度，將土壤中的馬鈴薯與土垡一同鏟起，然后通過(guò)輸送裝置運(yùn)送到后方的分離機(jī)構(gòu)。通常情況下，分離機(jī)構(gòu)通過(guò)滾動(dòng)、振動(dòng)等形式將馬鈴薯與土塊、雜物等分離，先進(jìn)的收獲機(jī)能實(shí)現(xiàn)對(duì)馬鈴薯的多級(jí)分離，從而獲得更加干凈的馬鈴薯個(gè)體。小型馬鈴薯收獲機(jī)在完成分離工作后一般直接將馬鈴薯散落放置于地表，中大型機(jī)型能夠在分離后進(jìn)行一定量的馬鈴薯儲(chǔ)存，并在田間適當(dāng)位置集中放置，以便于收集和運(yùn)輸。部分先進(jìn)的大型收獲機(jī)還具備清選功能，能夠?qū)κ斋@的馬鈴薯進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)，進(jìn)一步提升了馬鈴薯收獲的自動(dòng)化水平，有效減輕了農(nóng)民在收獲后期的勞動(dòng)量。

1.挖掘鏟；2.萬(wàn)向節(jié)軸；3.分離機(jī)構(gòu)；4.三點(diǎn)連接；5.變速箱；6.放種口

3 機(jī)械化收獲中的傷薯因素分析

3.1 挖掘過(guò)程產(chǎn)生的損傷

由于馬鈴薯的地下生長(zhǎng)特點(diǎn)，在利用挖掘鏟進(jìn)行挖掘的過(guò)程中必須深入土層之下，將土塊和馬鈴薯一同挖掘上來(lái)，挖掘過(guò)程中存在復(fù)雜的因素影響，可能造成馬鈴薯的損傷。現(xiàn)階段使用的挖掘鏟按照結(jié)構(gòu)劃分可分為三角鏟、凹面鏟、槽形鏟等很多種類，而且挖掘形式多種多樣，有固定式、回轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式、往復(fù)式等眾多方式將馬鈴薯挖掘出土。

挖掘過(guò)程對(duì)馬鈴薯產(chǎn)生損傷原因包括以下三點(diǎn)：一是多數(shù)挖掘鏟前部配備有切土裝置，用以將土壤、雜草等預(yù)先切開，達(dá)到減小挖掘阻力的作用，但若切土裝置調(diào)整不當(dāng)，會(huì)造成切土間隙過(guò)大或過(guò)小，導(dǎo)致土盤不能夠?qū)崿F(xiàn)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的收獲幅寬位置完成切土作業(yè)，導(dǎo)致切土結(jié)構(gòu)進(jìn)入馬鈴薯生長(zhǎng)區(qū)域，造成馬鈴薯破損、切斷、擠傷等機(jī)械式損傷；二是挖掘鏟的入土深度不足，導(dǎo)致挖掘過(guò)程出現(xiàn)部分生長(zhǎng)較深的馬鈴薯與挖掘鏟接觸，從而造成嚴(yán)重的馬鈴薯?yè)p傷；三是為保證馬鈴薯和土壤有效分離，在進(jìn)入土薯分離結(jié)構(gòu)前應(yīng)先通過(guò)壓土輪將較大的土塊壓碎，有效提高土薯分離的效率，當(dāng)壓土輪調(diào)整不當(dāng)時(shí)，壓土輪產(chǎn)生的過(guò)大壓力會(huì)壓傷馬鈴薯，影響收獲后的馬鈴薯品質(zhì)。

3.2 土薯分離過(guò)程造成的損傷

土薯分離是馬鈴薯收獲機(jī)的重要功能，土薯分離裝置根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)不同分為擺動(dòng)篩式、桿條輸送式、撥輥推送式等幾類，工作時(shí)輸送裝置將馬鈴薯和挖掘出的土壤、雜草等一同送入分離機(jī)構(gòu)，在分離機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)、振動(dòng)下實(shí)現(xiàn)馬鈴薯與土壤和雜物的分離，但在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)碰撞、擠壓、摩擦等問題，造成馬鈴薯破皮、磕傷等。且土薯分離的能力與傷薯問題直接相關(guān)，土薯分離能力越強(qiáng)，對(duì)馬鈴薯的損傷越嚴(yán)重。此外，在土薯分離完成后，很多機(jī)型通過(guò)尾篩將馬鈴薯輸送到收集箱體位置，尾篩能有效控制馬鈴薯的下落高度，尾篩的調(diào)整不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯在下落過(guò)程中產(chǎn)生損傷。

3.3 清選分級(jí)裝置產(chǎn)生的損傷

清選分級(jí)工作是現(xiàn)代化收獲的必要工序，很多先進(jìn)的大型馬鈴薯收獲機(jī)集成了清選分級(jí)的功能，而小型機(jī)具盡管不具備清選分級(jí)的功能，但也能通過(guò)專用的分級(jí)機(jī)械實(shí)現(xiàn)收獲后的分級(jí)工作。清選工作的主要任務(wù)是利用清選爪對(duì)馬鈴薯進(jìn)行攪動(dòng)，使殘留的泥土、雜物掉落，并使清選后的馬鈴薯向分級(jí)裝置的位置運(yùn)動(dòng)，若清選爪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和工作角度調(diào)整不當(dāng)，不僅會(huì)影響馬鈴薯的運(yùn)行速度，還會(huì)造成大量馬鈴薯的破皮和損傷。當(dāng)馬鈴薯進(jìn)入分級(jí)裝置后，馬鈴薯在分級(jí)輥上轉(zhuǎn)動(dòng)，受到分級(jí)速度和分級(jí)裝置的斜置角度等因素的影響，也可能造成馬鈴薯表面的摩擦破皮，甚至造成更嚴(yán)重?fù)p傷[3]。此外，在清選分級(jí)結(jié)束后，運(yùn)輸過(guò)程中，因多級(jí)輸送帶存在高度差，也可能在多次下落過(guò)程產(chǎn)生損傷，影響后期儲(chǔ)存效果。

4 預(yù)防傷薯問題的優(yōu)化建議

優(yōu)化挖掘裝置的工作狀態(tài)，嘗試將振動(dòng)、液壓和氣壓傳動(dòng)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，綜合應(yīng)用到挖掘裝置的功能之中，從而通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)智能控制挖掘深度和挖掘鏟的入土角度，提升挖掘過(guò)程的合理性，避免挖掘深度不足造成的傷薯問題。

改良現(xiàn)有壓土輪的結(jié)構(gòu)形式，使其在具有一定壓力的情況下能夠自行調(diào)解，避免出現(xiàn)過(guò)大壓力。例如采用浮動(dòng)的壓土輪形式，使其在與體積較大馬鈴薯接觸時(shí)能夠自動(dòng)收縮，減小壓力，或改為橡膠壓土輪以減小對(duì)馬鈴薯產(chǎn)生的損傷。

對(duì)于土薯分離結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和振動(dòng)頻率應(yīng)能通過(guò)便捷的方式進(jìn)行調(diào)整，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證馬鈴薯與土壤分離的最佳轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率，以達(dá)到最佳分離效果和最低傷薯率的良好配合關(guān)系。同時(shí)對(duì)于馬鈴薯的多級(jí)輸送結(jié)構(gòu)，可采用緩沖坡設(shè)計(jì)或橡膠緩沖墊減小下落過(guò)程的沖擊力，以達(dá)到降低傷薯率的效果。