沙地鮮食甘收獲機輸送分離裝置設計與試驗

中圖分類號： S225.7+1 文獻標志碼：A 文章編號：1008-0864（2025）06-0104-09

Design and Experimentation of Conveying and Separating Device for Fresh-eating Sweet Potato Harvester in Sandy Soil

ZHENG Gang1，XU Peng2，CHEN Dongquan2，YANG Songmei1，WU Minsheng1，YANG Ranbingl （1.ColegeofMechanicalandElectricalEngineering，HainanUniversityHaikou57228，China；.CollgeofInformatioand Communication Engineering，Hainan University，Haikou 57O228，China）

Abstract：Aiming atthe problems of mechanization harvesting high skinbreakingrateoffresh-eating swet potato undersandysoil，this studydesignedarubber-wrapped integrated conveyingand separating device.The device key components were designed，the quadratic regresson orthogonal rotating combination design was adopted to conduct field testsand performanceanalysiswith the linespeedof theconveyingandseparatingdevice，theamplitudeof the jiter device，and the digging depthas test factors，and theswe potato skin breaking rate and lossrate as the evaluation indexes，as wellas thevariance analysis response surface drawingand parameter optimization were caried out by using Design Expert softwareof the test results.Optimal working parameter combination after optimization：the line speed of the conveying and separating device was 0.28m^*s^-1 ，the amplitude of the shaking device was14 mm，the digging depth was 232 mm，forecast the skin breaking rate was 0.851% ，the loss rate was （204號 0.678% . According to the verification test get the parameter combination below the skin breaking rate was 0.866% （2 and the loss rate was 0.694% ，and the optimization results were basically consistent with the verification results， which met the requirements of fresh-eating sweet potato harvesting in sandy land.

Key words：sweet potato harvester; conveying and separating device;sandy soil; fresh-eating sweet potato

甘薯是重要的糧食、飼料、工業原料及新型能源用作物，不僅營養豐富，同時還具有抗癌保健的作用[-3]。近年來，隨著人們生活水平和健康意識的提高，鮮食甘薯消費量逐年遞增[45]。沙地種植的甘薯外形美觀、香甜可口，更受人們喜愛，沙地鮮食甘薯對機械化的需求也隨之增大。收獲階段是甘薯生產中用工量和勞動強度最大的環節，其用工量占全過程 42% 左右。目前，甘薯收獲機適應性差，一種機具難以適應多種不同土壤，需要針對相應土壤開發適宜的機具。沙質土壤相對黏性土壤更易于分離，但是在輸送分離階段甘薯會因土壤流動而發生滾動，增加破皮率。因此，研究沙地鮮食甘薯收獲機械、降低其在輸送分離階段的破皮率對推動鮮食甘薯產業的發展具有重要意義。

目前，根莖類作物收獲機械輸送分離裝置主要有撥輥推送式、擺動篩式和桿條輸送式等[9-1]撥輥推送式薯土分離效果好，一般和其他類型組合使用，整機結構較大；擺動篩式薯土分離效果好，但易對甘薯造成損傷；桿條輸送式既可有效去除土壤，又不會對甘薯造成明顯損傷。呂金慶等[2]設計一種桿條式升運鏈，通過對升運鏈及薯土混合物的理論分析，得到了影響薯土分離效果的升運鏈長度范圍和抖動器等參數，可在黏重土壤下進行薯類收獲作業。魏忠彩等[13設計一種低位鋪放雙重緩沖分離裝置，在桿條式輸送分離裝置下方安裝兩級振動調整裝置增強薯土分離能力，并在其末端安裝2個緩沖簾減少傷薯率和破皮率。農業農村部南京農業機械化研究所研制的4UZL-1型甘薯聯合收獲機采用多級輸送分離裝置：一級輸送分離裝置為桿條輸送式用于薯土分離，二級輸送分離裝置為刮板鏈式用于甘薯提升，三級輸送分離裝置為水平式用于供人工撿拾，該裝置整體工作效率高，但因各級之間存在高度差，易造成甘薯破皮[14-15]。李彥彬等設計了一種\"兩級輸送分離 + 高頻低幅 + 低位側鋪”的桿條式輸送分離裝置，可提高薯土破碎能力和明薯率，適應于黏重板結土壤。上述輸送分離裝置多適用于黏性土壤，或者破皮率較高，難以應用于沙地鮮食甘薯收獲。

針對上述問題，本文設計了一種橡膠包裹的一體式輸送分離裝置，在桿條上包裹橡膠，減少了碰撞力；采用低位安裝抖動裝置的方式，達到甘薯低位快速去土、高位緩慢去土的目的，減少機具功率消耗而不增加破皮率；一體式的設計避免了甘薯從升運階段進入水平輸送階段時因存在高度差造成破皮。確定了其關鍵部件結構與參數，并以破皮率和損失率為評價指標，通過二次回歸正交旋轉組合試驗進行性能測試，并對試驗結果進行方差分析、響應面繪制和參數優化分析，確定了最優工作參數組合，滿足沙地鮮食甘薯收獲要求。

1材料與方法

1.1 整機結構和工作原理

沙地鮮食甘薯收獲機主要由限深裝置、挖掘裝置、萬向傳動軸、液壓缸、機架、履帶底盤、變速箱、發動機、撿拾平臺、控制柜、輸送分離裝置、收膜裝置等組成，如圖1所示。該機可一次完成單壟甘薯的挖掘、薯土分離和輸送等作業。

注：1—限深裝置；2—挖掘裝置；3—萬向傳動軸；4—液壓缸；5— 機架；6—履帶底盤；7—變速箱；8—發動機;9—撿拾平臺；10—控 制柜；11—輸送分離裝置；12—收膜裝置。

Note：1—Depthlimitingdevice；2—Diggingdevice；3—Universal transmissionshaft；4—Hydrauliccylinder；5—Frame;6—Crawler chassis；7—Gearbox；8—Engine；9—Pickup platform；10—— Control cabinet；11—Conveying and separatingdevice；12—Film collecting device.

沙地鮮食甘薯收獲機收獲時，通過調整限深裝置和液壓缸調節至合適的挖掘深度，機器沿著甘薯壟前進。挖掘裝置鏟起薯土混合物送入輸送分離裝置，在升運過程中通過抖動裝置實現薯土分離，在水平輸送過程中由隨行收獲人員在撿拾平臺將甘薯分揀入筐，其余殘留土壤輸送至收獲機末端自然掉落。

1.2 關鍵部件設計

輸送分離裝置位于挖掘鏟后方，其作用是接收挖掘出來的薯土混合物。該裝置將升運鏈和水平輸送鏈連接起來，主要由從動輪、抖動裝置、彎桿條、直桿條、驅動輪、托輥等組成，如圖2所示。

在驅動輪的帶動下，該裝置配合從動輪和托輥完成升運和水平輸送過程。在升運階段依靠直-彎桿條的組合結構和抖動裝置完成薯土分離和輸送，在水平輸送階段，供隨行收獲人員進行分揀。

注：1—從動輪;2—抖動裝置;3—彎桿條;4—直桿條；5—驅動輪； 6—托輥。

Note：1—Driven wheel；2—Jitterdevice；3—Curved bar；4— Straightbar;5—Drivingwheel;6—Roller.

1.2.1桿條設計輸送分離裝置的桿條由直桿條和彎桿條組成，2根彎桿條中間均勻分布8根直桿條。直桿條上包裹橡膠，用于減少甘薯與桿條之間的碰撞力；考慮到加工方便，彎桿條沒有包裹橡膠，用于防止甘薯在升運過程中向下連續滾動。桿條間隙是影響甘薯收獲質量的關鍵因素。間隙過小導致清土效果差、功率消耗大；間隙過大導致部分甘薯直接掉落地表，增加甘薯損失率。

為設計合理的桿條間隙，在海南省儋州市海頭鎮紅坎村的甘薯種植地按照五點取樣法隨機選取5個地塊挖掘甘薯，每塊地20個，共100個甘薯。為計算方便，本文將甘薯長、寬、厚作為其幾何尺寸。統計結果表明：甘薯最小長度為 42.32mm ，最小寬度為 20.11mm ，最小厚度為 19.40mm 。為便于加工，桿條間隙設計為 20mm 。桿條直徑一般為 9～11mm^[18] ，本文設計彎桿條直徑為 10mm ，直桿條上包裹 6mm 厚橡膠，設計其直徑為 22mm 。

因為直桿條和彎桿條直徑不同，本文桿條間隙是指直桿條與彎桿條間隙。桿條間距和直桿條與直桿條間隙分別由公式（1）和公式（2）求得，結果分別為36和 14mm 。

l₂=l-d₂

式中，l為桿條間距， mm;l₁ 為桿條間隙， mm d₁ 為彎桿條直徑， mm;d₂ 為直桿條直徑， mm;l₂ 為直桿條與直桿條間隙。

1.2.2升運鏈傾角設計為確保升運過程中薯土混合物平穩輸送分離，需要對升運鏈傾角進行設

計。薯土混合物在升運鏈上的受力如圖3所示。將升運鏈簡化為平面，將薯土混合物簡化為質量均勻的橢球體，忽略空氣阻力的影響[19]。

薯土混合物主要受自身重力、支持力和摩擦力的作用，建立平衡方程如下。

式中， F_N1 為升運鏈對薯土混合物的支持力，N;m₁ 為薯土混合物質量， kg;g 為重力加速度，取9.8m?s^-2;α 為升運鏈傾角， Φ（Λ^°）Φ_;Fs1 為薯土混合物與升運鏈的摩擦力，N。

為達到公式（3）的平衡狀態，需要滿足下式。

μ?tanα

式中 _，μ 為沙質土壤與橡膠之間的摩擦系數。

沙質土壤與橡膠之間的摩擦系數 為 0.605～ 0.621^[20] 。將 μ 值代入到公式（4）中，得 α?31.17^° }31.84^° 。升運鏈傾角過大，薯土混合物會回流，過小導致整機結構過長，因此，本文設計的升運鏈傾角 α 為 30^° ○

1.2.3抖動裝置設計抖動裝置主要起到增加升運鏈中移動土壤的破碎率，加快薯土混合物分離的作用21]。根據鮮食甘薯易破皮和沙質土壤易破碎的特點，設計抖動裝置的凸輪頭數為2個，如圖4所示。抖動裝置作用效果如圖5所示。其頻率和振幅計算公式如下。

式中 ，f 為抖動裝置頻率， Hz;Z 為抖動裝置凸輪頭數； n 為抖動裝置轉速， r?min^-1;A 為抖動裝置振幅， mm;R 為抖動裝置驅動軸圓心到抖動器圓心的距離， mm;β 為抖動輪剛接觸到升運鏈時，抖動輪圓心與驅動軸圓心連線和 X 軸所夾銳角，rad。

圖4抖動裝置Fig.4Jitter device

注：1—抖動輪；2一抖動輪軸；3一抖動輪固定板。

Note：1—Jitter wheel；2—Jitter wheel axle；3—Jitter wheel fixing plate.

1.2.4線速度設計為保證薯土混合物的平穩輸送，防止土壤堵塞和減少薯塊損傷。輸送分離裝置線速度與機具速度應滿足下式。

v₁=λv₂

式中， v₁ 為輸送分離裝置線速度， m?s^-1;λ 為速度系數，取值范圍為 0.8～2.5^[22] v₂ 為機具速度，m?s^-1 。

甘薯種植模式為一壟兩行，為避免單位面積甘薯數量過多相互碰撞而增加破皮率，因此取 λ= 1.5。機具速度可由下式求得。

式中，4為隨行收獲人員數量； η 為人工撿拾速度，個 ?s^-1;d 為甘薯間距， m;n 為每株結薯個數。

研究表明，甘薯撿拾個數應小于3.5個·s^-1[23] ，經過實地調查統計，甘薯株距為 0.2m ，結薯個數集中在5＼～8個。計算得到機具速度為0.175＼～0.280m^?s^-1 ，對應輸送分離裝置速度為 0.263～ 0.420m?s^-1 。考慮筐滿換筐耽誤一定時間，本文設計的輸送分離裝置線速度為 0.24～0.40m?s^-1 。

1.3性能試驗

1.3.1試驗條件試驗場地在儋州市海頭鎮紅坎村甘薯種植地，土壤類型為沙質土壤，土壤含水率為 5.66% ，甘薯品種為小香薯。在試驗前，使用殺秧機對甘薯秧蔓進行清除，再使用沙地鮮食甘薯收獲機進行收獲。

1.3.2評價指標試驗過程中，根據《農業機械推廣鑒定大綱》中薯類收獲機規定24，選擇甘薯破皮率、損失率作為評價指標，計算公式如下。

式中， B_R 為破皮率； L_R 為損失率； m₂ 為2個行程內收獲甘薯總質量， kg;m₃ 為2個行程內漏拾甘薯總質量， kg;m₄ 為2個行程內漏挖甘薯總質量，kg;m₅ 為破皮甘薯質量， kg

1.3.3試驗設計前文中已給出線速度取值范圍為 0.24～0.40m?s^-1 。由于采用鏈傳動，抖動裝置頻率不易調節，為了保證在線速度不同條件下抖動次數相同，故將頻率設置為與線速度成固定比例關系，其范圍為 2.4～4.0Hz ，結合實際情況將振幅設置 10～30mm 。根據農藝調查情況等將挖掘深度設置 200～260mm ，采用二次回歸正交旋轉組合試驗研究各因素對破皮率和損失率影響，利用DesignExpert軟件進行方差分析、響應面圖像繪制以及參數優化。試驗因素編碼如表1所示。

2 結果與分析

2.1正交試驗結果分析

正交試驗方案及結果如表2所示，在不同試驗因素水平條件下，試驗指標中破皮率范圍為0.89%～1.96% ，損失率范圍為 0.51%～1.92% 。

2.2 方差分析

2.2.1破皮率 B_R 的顯著性分析由表3可知，破皮率模型中， ，A，B，BC，A²，B²，C² 對模型影響極顯著， C 對模型影響顯著，其他各因素對模型影響不顯著。將不顯著交互作用項的回歸平方及自由度并入殘差項，由此得到各試驗因素對破皮率影響的回歸方程如下。

B_?R=42.26943-15.53946A-0.173394B- 0.327657C+0.000463BC+29.65388A²+ 0.00269B²+0.000688C²

2.2.2損失率 L_R 的顯著性分析由表4可知，損失率模型中， A、B、C、A²、C² 對模型影響極顯著，AC對模型影響顯著，其他各因素對模型影響不顯著。

將不顯著交互作用項的回歸平方及自由度并入殘差項，由此得到各試驗因素對損失率影響的回歸方程如下。

LR=14.87858-29.777 26A-0.010287B-0.096786C+0.052778AC+42.17505A²+ （204號 0.000186C²

2.3 響應面分析

輸送分離裝置線速度、抖動裝置振幅、挖掘深度交互作用對破皮率和損失率2個試驗指標的響應曲面如圖6所示。

由表3可知，抖動裝置振幅和挖掘深度對甘薯破皮率影響極顯著。結合圖6可以看出，在線速度一定的條件下，挖掘深度的增大在振幅不同水平下對破皮率的影響都是先減少后增加。產生該現象的原因是當挖掘深度在低水平時，甘薯容易與挖掘裝置直接接觸，同時在升運過程中，由于土壤太少，甘薯與桿條也直接接觸，這些原因導致破皮率增加；隨著挖掘深度增加，甘薯與挖掘裝置和桿條不再直接接觸，甘薯破皮率減少，當挖掘深度在高水平時，雖然甘薯不再與挖掘裝置和桿條接觸，但輸送分離裝置上土壤過多，在輸送分離時，部分在土壤表面的甘薯隨土壤流動而滾動，破皮率增加。

表2正交試驗方案及結果

表3破皮率方差分析

由表4可知，輸送分離裝置線速度和挖掘深度對甘薯損失率影響顯著。結合圖6可以看出，在振幅一定的條件下，挖掘深度的增大在輸送分離裝置線速度低水平時對損失率影響不明顯，產生該現象的原因是線速度在低水平時，雖然挖掘深度增大，輸送分離裝置上含土量增加，但不影響隨行收獲人員的撿拾速度，直接掉落在地表的甘薯數量沒有增加；挖掘深度的增大在輸送分離裝置線速度高水平時對損失率影響較明顯，產生該現象的原因是在線速度高水平時，人工撿拾比較吃力，加上挖掘深度增大后土量增加，部分甘薯被土壤包裹，隨行收獲人員來不及撿拾，部分甘薯從水平輸送鏈尾部掉落地表，從而增加損失率。

2.4參數優化與驗證結果分析

基于響應面分析結果，考慮輸送分離裝置線速度對工作效率的影響，輸送分離裝置線速度取值為 0.28m?s^-1 ，抖動裝置振幅和挖掘深度范圍與前文一致進行參數優化。優化后考慮到便于參數測量，設置輸送分離裝置線速度為 0.28m^?s^-1 抖動裝置振幅為 14mm 和挖掘深度為 232mm ，對輸送分離裝置的性能進行驗證。預測甘薯破皮率為0.851% ，甘薯損失率為 0.678% ，驗證結果（表5）表明，沙地鮮食甘薯收獲機輸送分離裝置的破皮率為 0.866% ，損失率為 0.694% ，符合設計要求。

3討論

以往的研究大多數是為了解決黏性土壤條件下薯土分離難的問題，對沙地鮮食甘薯收獲的研究較少。本文根據沙質土壤易于分離，但在輸送分離時易隨土壤流動而滾動造成破皮率高的特點，設計了一種橡膠包裹的一體式輸送分離裝置，該裝置有如下特點：在直桿條上包裹橡膠，減少了碰撞力，甘薯不易破皮；采用在低位布置抖動裝置的方式實現甘薯在低位置時快速去土，高位置時減少去土的功能，達到減少功率而不增加破皮率的效果；一體式的設計避免了甘薯從升運階段進入水平輸送階段時因存在高度差造成破皮。通過二次回歸正交旋轉組合試驗進行參數優化。

輸送分離裝置抖動效果越明顯，清土效果越好，但是會增大甘薯破皮率。適當的薯土比例有利于降低甘薯破皮率和損失率。機具速度太慢影響作業效率，速度過快易導致單位時間內掉落在輸送分離裝置上甘薯數量過多，人工撿拾難以適應，增加甘薯損失率。本研究對田間試驗結果分析并利用DesignExpert軟件得出最佳工作參數組合：輸送分離裝置線速度為 0.28m^*s^-1， 抖動裝置振幅為 14mm 、挖掘深度為 232mm ，此時，破皮率為 0.866% ，損失率為 0.694% ，滿足沙地鮮食甘薯收獲要求。但該機作業時需配合人工撿拾，后續可將在保持低破皮率和低損失率的同時，應盡量減少人工參與。

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