馬鈴薯土薯分離機構現狀及敲打輔助分離機構設計

張 濤，龐有倫，宋樹民，吳 瑜，潘 良，紹偉興，楊明金，唐興隆，王圓明，李 想

（1.重慶市農業科學院，重慶 401329；2.西南大學，重慶 400700；3.重慶華士丹機械制造有限公司，重慶 402260）

馬鈴薯作為我國主要糧食作物之一，在西南地區種植面積和產量占全國50%以上，但由于作業環境限制，馬鈴薯生產機械化程度不到1%，主要依靠人工收獲，勞動強度極大[1]。目前成熟的馬鈴薯機械種類眾多，工作原理和作業質量差別較大，但西南馬鈴薯機械化程度低的主要原因為土壤過于黏重、板結，無法分離，因此，薯土分離是解決馬鈴薯收獲的主要問題之一[2]。目前分離裝置類型主要有多級柵條分離、圓形輥道分離、拔動輥道式等方式，在北方砂質土壤條件下具有低損傷、低含雜率的優點。但在黏重土壤下很難同時滿足高去土效率和低損傷的目的。因此，本文設計了一款往復敲打式分離機構，主要對分離機構的結構、材料、運動參數等進行了設計與分析。

1 馬鈴薯土薯分離現狀

1.1 土薯分離結構及工作原理

土薯分離機構是馬鈴薯收獲機的核心部件，其機構設計直接影響馬鈴薯收獲的品質、分離效果、作業效率等，在分離過程中需盡量避免薯塊大幅度跳躍和回流現象，以減少多次摩擦造成的切線擦傷和累積碰撞損傷。為了更好地解決土薯分離和保證馬鈴薯品質，國內外學者對分離機構進行了深入研究[3-4]。目前分離方式主要有柵條分離篩式、拋擲輪式、振動鏟式3種形式。

柵條分離篩應用較多，適應于大中型收獲機，具有結構簡單和穩定性高的特點。分離篩在結構上設計差異較大，有斜置平輸送、兩級分離前置振動、兩級分離后置振動、兩級分離加振動，振動結構有振動篩和擺動篩2種。主要零件包括桿式升運鏈、驅動輥、張緊輪、振動輪等組成，主要工作原理為土薯混合物在導流升運鏈作用下，進入振動位置，通過強制或被動振動方式帶動桿式分離篩運動，迫使土薯混合物產生上下振動，使其破碎，小于桿條間隙的土塊或雜物會通過分離篩掉落田間，經過多級緩沖振動和輸送后，馬鈴薯分離干凈后聚攏掉于地表或收集箱，升運鏈中的桿條直徑一般為8～12 mm，根據馬鈴薯的三軸尺寸特征分析，桿條間距一般設置為40 mm，為了減少振動對馬鈴薯表皮的損傷，振幅一般設置為15～60 mm，能夠更好地破碎土塊、篩分碎土。

根據地區土壤及地形差異，我國科研人員在分離機構的設計及理論分析上做了大量研究[5-6]。張兆國等[7]針對云南黏土條件，設計了一種多級分離緩沖馬鈴薯收獲機，根據土薯分離段的運動規律，確定了微波浪形分離機構的主要結構參數，并對馬鈴薯運動過程中的受力和碰撞過程進行了分析，揭示了馬鈴薯回流和順流現象原因及破碎效果。魏忠彩等[8]針對馬鈴薯機械損傷率較高等問題，將振動與波浪結合與改進，并建立了振動分離段和波浪分離段的運動特征和薯塊受力分析。謝勝仕等[9]為闡明擺動分離篩分離機理、結構與工作參數，應用響應面試驗法，以篩面傾角、曲棍轉速、機器前進速度，分析不同因素水平下馬鈴薯相對分離篩位移的影響和分離篩性能，得到了最優篩面傾角一般為21.1°、曲柄轉速為230 r/min、機器前進速度為2.03 km/h。

振動鏟式一般應用在小地塊作業環境中，其主要特點是動力需求小、整機結構緊湊。主要由振動架、調節手柄、傳動軸、后掛架、偏心輪、分離篩、鉸接臂構成。其工作原理主要為通過空間連桿機構帶動振動架沿鉸接點做前后、上下往復擺動，在擺動過程中將土壤破碎并沿分離篩間隙落下，被分離后的馬鈴薯塊莖被推向后方，最后鋪放在田間。呂金慶等[10]針對丘陵山地地塊小、坡度大等問題，設計了一種振動式馬鈴薯挖掘分離機，對分離篩的位移運動規律進行了簡化，并建立了分離篩的位移、速度、加速度方程，揭示了振動分離機理。并通過田間試驗得到了傳動軸轉速、分離篩角度、水平位置等因素對明薯率和傷署率的影響規律，得到了振動分離篩最佳工作參數為偏心輪轉速為240 r/min、分離篩角為60°時，分離效果最好。戴飛等[11]通過正交試驗法對振動式階梯鏟狀馬鈴薯收獲機的作業參數進行了優化，得到了前進速度、挖掘深度、曲柄偏心距分別為0.55 m/s、210 mm、6 mm，傷署率和損失率最低，明薯率最高。

拋擲輪式分離機構結構簡單、質量輕，不易壅堵，適合在黏重土壤、雜草較多條件下作業，確定是埋薯率較多，傷薯嚴重，需及時人工撿拾。主要結構為旋轉輪，并布有若干弧形指桿，作業時，旋轉輪在拖拉機前進方向的垂直平面內作圓周運動，其轉速一般為3～4 m/s。當運動至一定位置時掉落沿導向槽落到地表，完成收獲過程。在圓周輪上的撥齒一般有剛性和鉸接兩種連接形式，撥齒的結構有圓柱和圓錐兩種[12]。

1.2 作業存在的問題

土薯分離不徹底、傷薯率較高，嚴重影響馬鈴薯品質和經濟價值。秧薯分離研究較少，易出現雜草、秧蔓纏繞堵塞等現象。分離機構主要部件系列化、標準化不夠，開發成本較高，壟距調節性差，整機結構龐大、質量高，可靠性差，新材料及工藝研究較少。馬鈴薯聯合收獲機由于體積、質量、功率大，且購買、維修成本高，配件供應較少，不適應我國丘陵山地作業。

2 結構與工作原理

該機主要有挖掘鏟、敲打桿、轉動軸、拉桿I、拉桿II、柵條、驅動輥、激振輪、拉桿III、鏈輪等組成，具體結構見圖1。

圖1 分離機構示意圖Fig.1 The schematic diagram of separation mechanism

首先挖掘鏟將土薯一起鏟起，沿著鏟面提升至柵條上方，通過四桿機構帶動敲打桿進行往復運動，將土薯進行第一次破碎，之后隨著柵條運動將土薯進行分離和提升，提升至中間部位時激振輪轉動的過程中，會迫使輸送柵條鏈產生上下周期性波動，在跌落過程中產生沖擊碰撞，使土薯塊進行二次破碎，之后土塊通過間隙掉落，薯塊則通過提升和間隙土塊掉落歸框或掉落地面。本結構中所有柵條和敲打桿采用橡膠材料制作，可有效降低馬鈴薯的碰撞損傷，同時提高了薯土分離效果。

3 主要參數確定

柵條間距對漏薯率和含雜率有重要影響，主要受馬鈴薯的品種和塊莖大小決定。亞洲和歐洲的柵條間距一般分別為30～40 mm、40～48 mm。我國西南地區馬鈴薯品種多為扁圓形紫薯，為了能夠有效分離土壤、保證薯塊不掉落，需對當地主流馬鈴薯品種的外形尺寸進行測量和統計分析，使柵條間距小于薯塊平均厚度。經統計分析得到紫薯的厚度一般在25～90 mm，平均厚度為55 mm，因此，本文中設計柵條間距為35 mm，柵條為直徑6 mm，材料為內芯圓鋼外圈橡膠，能夠有效減小柵條對馬鈴薯造成機械損傷。

4 運動分析

馬鈴薯在收獲時水分極高，含水率一般都＞60%，極易受外力產生表皮或內部損傷，嚴重影響品質和貯存時間[13]。柵條鏈在升運過程中土薯分離效率與其速率有很大關系，其速率過高，去土效果明顯，但易造成表皮損傷，而速率過低，則會去土效果減弱，分離不徹底。馬鈴薯在柵條分離鏈上的運動受力見圖2。對其進行分析，假設薯塊作勻速運動，則平衡方程如式（1）所示。

式中：P——馬鈴薯的提升力，N；F——柵條鏈的支撐力，N；G——馬鈴薯的重力，N；Gx——重力在x方向的分力，N；G y——重力在y方向的分力，N；ɑ——分離裝置的傾角，°；μ——土薯在柵條鏈上的摩擦系數。

由上式分析得到式（2），由此發現分離裝置的傾角與材料的摩擦系數有一定關系，如果傾角過大，會造成土薯升運不上去，產生壅堵，如果傾角過小，土薯與柵條鏈之間的摩擦不夠，不能產生有效的碰撞，去土效果不佳。一般傾角≤30°。

5 總結

（1）分離清選裝置是馬鈴薯收獲機的重要組成部分，本文針對西南黏重土壤特性，設計了一款土薯分離機構，通過往復圓弧敲打，對土壤進行第一次破碎，之后通過柵條鏈將薯塊提升和去土，并通過激振器，迫使柵條鏈上下周期振動，對土薯進行二次破碎。

（2）利用SolidWorks對分離機構進行三維建模，并確定了主要零件的結構參數，分析了土薯的運動規律。