缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机研制

魏忠彩，李洪文※，苏国粱，孙传祝，刘文政，李学强



缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机研制

魏忠彩1，李洪文1※，苏国粱2,3，孙传祝2,4，刘文政1，李学强2,5

(1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 山东省马铃薯生产装备智能化工程技术研究中心，德州 253600； 3. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255091；4. 山东理工大学机械工程学院，淄博 255091； 5. 山东希成农业机械科技有限公司，德州 253600)

针对现有马铃薯收获机薯土分离效果不理想、伤薯率和破皮率较高等问题，该文采用“2级高频低幅振动分离+薯秧分离及侧输出+低位铺放”的薯土分离工艺，研制了一种缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机，该机具主要由挖掘装置、松土限深装置、切土切蔓装置、分离筛、振动调整装置、薯秧分离装置、秧蔓侧输出装置、低位铺放装置以及压实整平装置等部分组成。结合分离筛末端与缓冲筛衔接处的薯杂分离状况，分析了缓冲筛倾角变化对薯块和秧蔓的影响规律，优选出较佳的缓冲筛倾角为36°。试验结果表明，在收获速度为0.88和1.16 m/s时，生产率分别为0.41和0.54 hm2/h，伤薯率分别为1.47%和1.12%，破皮率分别为1.89%和1.07%，各项性能指标均满足相关标准的规定。随着收获速度的增加，薯块碰撞加速度峰值和碰撞次数均减小，可有效降低伤薯率和破皮率，但明薯率有所降低；反之，碰撞加速度峰值明显增大，明薯率提高的同时伤薯率和破皮率也明显增大。薯块位于分离筛上对应于薯垄边缘位置时，容易产生较大的碰撞加速度峰值（＞150）。研究结果可为进一步探讨薯土分离减损控制方法及薯土分离工艺的优化改进提供参考。

农业机械；收获；马铃薯；振动分离；收获品质

0 引 言

在国家粮食种植业结构调整和马铃薯主粮化战略的大背景下，当前中国马铃薯种植面积和总产量均居世界前列，马铃薯已成为国内第4大粮食作物[1-3]。国内北方马铃薯主产区主要集中在内蒙古、河北、黑龙江、甘肃和陕西等地，有覆膜垄作和不覆膜垄作种植形式之分[4-6]。就收获方式和收获机结构形式而言，不同的薯土分离结构形式直接影响着机具总体设计布局、生产效率、分离效果和收获品质等[7-8]。目前，马铃薯收获机普遍采用的薯土分离振动装置按其结构形式不同分为一级振动分离、两级振动分离、振动与波浪两级分离以及摆动分离等[9-11]。薯土分离振动装置结构形式的选取必须与种植农艺紧密结合，还要综合考虑收获地块的土壤类型、土壤含水率以及收获后马铃薯的不同用途等因素[12-15]。

在机械化收获作业时，伴随着薯土分散分离、土块破碎分离、薯秧分离和集薯输送等过程，使得薯杂混合物在分离筛等关键部件上的运动复杂多变，薯土分离关键部件的结构形式、布置方式以及薯块在分离筛末端的铺放形式等均是影响马铃薯收获品质的关键因素。而振动装置的振动胶轮个数、振动幅度、振动轴转速、分离筛的张紧程度以及振动装置的布置方式直接影响着施加于分离筛上振动强度的强弱，当然也影响着薯杂混合物的分散与分离[16]。综上所述，影响薯土分离效率和收获品质的因素是多方面的，现有机械化收获技术的振动碎土分离与收获品质的关系、铺放形式对收获品质的影响以及薯土分离工艺对收获效果的影响、薯块碰撞冲击损伤的精确评估等方面尚存不足[17-20]，薯土分离环节的减损防损技术仍然是当前马铃薯收获机设计和改进的关键点[21-22]，薯农迫切需要一种分离效果与减损防损相互兼顾的马铃薯收获机应用于实际生产。

本文在前期马铃薯收获试验的基础上[23]，对铺放环节进行优化改进，基于高频低幅振动分离技术和低位铺放减损技术研制了一种缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机，在阐述总体设计和工作原理的基础上，介绍了关键部件的设计计算与参数选取，分析了薯土分离阶段的薯杂混合物运动特征以及分离筛和缓冲筛衔接处的薯块运动特征，并利用碰撞检测装置获取了不同收获速度和缓冲筛倾角条件下的碰撞信息，对样机各参数条件下的破皮率、伤薯率和明薯率等指标进行了对比分析，以期提高薯土分离效率和收获品质，为马铃薯收获机薯土分离装置关键部件的改进和薯土分离工艺的优化提供技术 参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构及薯土分离工艺特点

结合国内北方马铃薯主产区的垄作种植特点及机械化收获环节减损防损的实际需求，研制的缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机（如图1所示）为双垄作业，作业幅宽为1 650 mm。总体结构包括挖掘装置、松土限深装置、切土切蔓装置、分离筛、振动调整装置、薯秧分离装置、秧蔓侧输出装置、低位铺放装置以及压实整平装置等。机具可一次完成高效切土切蔓、松土限深、挖掘输送、2级振动分离、秧蔓分离、秧蔓侧输出、缓冲清土除杂以及垄行压实整平、低位铺放等作业过程。

1. 牵引装置 2. 松土限深轮 3. 切土切蔓装置 4.挖掘部件 5. 分离筛 6. 振动调整装置 7. 地轮 8. 薯秧分离装置 9. 秧蔓侧输出装置 10. 低位铺放装置 11. 集薯板

本机具采用“两级高频低幅振动分离+薯秧分离及侧输出+低位铺放”的薯土分离工艺，收获作业时，拖拉机通过牵引装置牵引收获机前行。切土切蔓装置的切土圆盘无动力驱动，依靠与土壤之间的摩擦力作用运转，实现切土切蔓，利于后续挖掘和减阻防缠，可防止机具两侧秧蔓、杂草在分离装置上产生“缠绕堵塞”。切土圆盘与挖掘铲匹配作业，可以有效降低机具前行阻力，防止薯块侧漏损失，有助于减损控制及节能降耗。机具的2个地轮内侧设有长度与集薯宽度一致的镇压辊，将土壤压实整平，方便后续集薯区薯块的捡拾，提高明薯率。

分离筛在驱动滚筒和张紧滚筒的共同驱动下运行（如图2所示），其中的橡胶齿与分离筛杆条之间具有良好的啮合性，这种布置主要是为了增大分离筛在橡胶齿滚筒上的“包角”，并且有利于张紧分离筛，以有效避免“爬齿”现象的发生。对应于分离筛的两侧及中间的连接带，前后2级振动装置的振动轴上均装有3组振动轮，每组振动轮在圆周方向均布4个胶轮，且前、后2组振动装置的振动强度可调，与3个胶轮、2个胶轮及椭圆形托筛轮的振动装置相比，既可实现薯土分离过程的高频低幅振动，也可实现薯土分离过程的多种振动幅度的调整，这既有利于破皮伤薯的减损控制，还可提升机具作业工况的适应性。2级高频低幅振动装置可对输送分离筛施加激振作用力，有利于细碎土壤的分散分离以及土块的破碎与分离。

1. 换向胶轮 2. 一级振动装置 3. 一级支撑胶轮 4. 二级振动装置 5. 二级支撑胶轮 6. 张紧滚筒 7. 分离筛 8. 驱动滚筒

分离筛后端设置有呈“前高后低”倾斜布置的缓冲筛（如图3所示），缓冲筛的杆条上设有柔性橡胶指，可实现薯块低位铺放以及秧蔓的回流输送。薯块从分离筛末端跌落至缓冲筛，可有效避免跌落高度过大而导致的薯块切线擦伤甚至内部损伤等问题。

1. 分离筛 2. 柔性梳秧杆 3. 驱动滚筒 4. 浮动式抽秧轴 5. 缓冲筛驱动轴 6. 缓冲筛

秧蔓侧输出装置布置于薯秧分离装置的浮动式抽秧轴下方，一方面可以迫使秧蔓在柔性梳秧杆阻挡以及浮动式抽秧轴抽拽作用下掉落至秧蔓侧输出装置的输送带，另一方面缓冲筛将掉落至缓冲筛筛面的秧蔓输送至秧蔓侧输出装置的输送带，从而将薯秧及杂草输送至已完成收获作业的地表，可有效提高收净率和明薯率，并方便薯块的捡拾。

马铃薯收获机的动力传递路线如图4所示。拖拉机输出的动力经传动轴3传递至变速箱4，然后分别传递至振动轴II2、振动轴I1和驱动滚筒5、张紧滚筒7，最后分别传递至秧蔓侧输出装置驱动轴9和缓冲筛主动轴8。驱动滚筒5与位于其前下方的张紧滚筒7之间为链传动，以确保分离筛的运行稳定可靠。2级振动装置的振动强度调整采用杆条式分离筛与支撑胶轮相结合的形式，通过支撑胶轮控制分离筛的“支撑”与“悬垂”程度，实现控制分离筛的振动强度。

1. 振动轴I 2. 振动轴II 3. 传动轴 4. 变速箱 5. 驱动滚筒 6. 换向器 7. 张紧滚筒 8. 缓冲筛驱动轴 9. 秧蔓侧输出驱动轴

1.2　工作原理及主要技术参数

收获机田间作业时，机具通过牵引装置挂接于拖拉机后方，2组松土限深装置分别对应于薯垄位置，拖拉机牵引马铃薯收获机沿薯垄方向前进，切土圆盘对应于薯垄两侧，挖掘铲满幅入土挖掘。分离筛通过驱动滚筒驱动运行，挖掘铲挖掘起的薯杂混合物在分离筛运行作用下向后输送，并在前、后2级高频低幅振动分离作用下实现薯土分散分离。经薯秧分离装置和缓冲筛输运至秧蔓侧输出装置输送带上的秧蔓和杂草输出至已收获地表，分离干净的薯块经缓冲筛和集薯装置的“聚拢”作用平铺于已压实平整的地表。收获作业时，挖掘铲铲面与分离筛的工作段处于同一平面，沿薯杂混合物运行方向呈前低后高的“直线”状态布置。为了减小切土阻力，改善切蔓防缠效果，切土圆盘的入土深度范围为30～80 mm；根据前期试验经验，防止较小薯块二次掩埋，设置挖掘铲后端与分离筛前端的间隙≤15 mm；根据薯杂分离实现需求，柔性梳秧杆与分离筛在铅垂方向上的距离为2～3 mm，且根据实际收获工况可调。根据国内北方马铃薯垄作的主导种植模式及其农艺要求，缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机主要技术参数如表1所示。

表1 缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机主要技术参数

2　关键部件设计及参数确定

由前期马铃薯收获试验可知，分离筛上施加的振动幅度过大时，薯杂混合物的“跳跃”和“回流”易导致破皮和伤薯等。从满足薯土分散分离和土块破碎2个方面考虑，在结合薯杂混合物运动特点分析的基础上，通过增加分离筛与薯杂混合物之间低幅度的碰撞接触次数来改善碎土效果和减损控制是可行的，故采用高频低幅的振动形式有利于兼顾薯土分离效率和收获品质。

2.1　薯土分离装置设计与分析

基于高频低幅薯土分离指导思想，设计的薯土分离装置主要由换向胶轮、一级振动装置、一级支撑胶轮、二级振动装置、二级支撑胶轮、驱动滚筒和张紧滚筒等部件组成（如图2所示）。高频率周期性振动有利于土块的分散分离和破碎分离，低幅度振动可使得薯块被“击起”后的跌落高度相对降低。由于薯土混合物在高频低幅振动作用下的整体流动性较好，有效降低了“薯-薯”、“薯-机”之间的碰撞接触与摩擦几率，马铃薯的碰撞特征更加有利于控制在马铃薯胶质层破裂和机械损伤临界值范围内，有助于减轻薯块的切线擦伤甚至内部损伤等。根据国内马铃薯薯块三轴尺寸中最小尺寸在30～80 mm之间这一尺寸特征[24]，以较好支承和输运薯块为原则，并保证良好的薯土分离效果，设计的杆条直径为11 mm，相邻杆条间距为45 mm。从最大限度保证较佳的薯土分离效果和收获品质等方面考虑，装置采用“单条分离筛+双振动可调分离”的形式，分离筛的总长度为6 355 mm，其有效分离行程和有效输送宽度分别为2 860和1 624 mm，分离筛筛面与水平面之间的夹角（简称为“分离筛倾角”）约为19°，正常工作状态下分离筛倾角可通过改变拖拉机与悬挂装置的相对位置进行调整。

一般薯土分离装置施加于分离筛的振动频率为3～8 Hz[25]，结合分离筛的运行速度与收获速度的匹配关系，选取振动胶轮的相关参数为：振动胶轮直径φ=75 mm，振动胶轮轴线的所在圆直径φ=149 mm，由此得振动胶轮的有效工作圆周（外切圆）直径φ=224 mm。由此，在支撑胶轮的配合作用下，分离筛可实现15～30 mm相对较低的振动幅度。另外，为保证分离筛上的薯土混合物能够完成正常输送与分离，分离筛运行速度与收获速度应有适宜的匹配范围，其运动学分析如图5所示。

分离筛运行速度（为简化分析，忽略二者之间由于滑动等引起的速度差异）与收获速度之间的关系式为

=v1/v（1）

式中为速度系数，一般取0.8～2.5[16]；v1为分离筛的运行速度，m/s。

一般而言，对于分离输送装置，当薯土混合物沿1轴的分速度为1.2～2.0 m/s时，分离效率较高；超过2.0 m/s后，则分离效率降低[8,16]。驱动滚筒和张紧滚筒转速与分离筛运行速度之间的关系满足式（2）~式（4）。

v1=1π1/60 （2）

v2=2π2/60 （3）

v1=2（4）

注：x1为x轴正向（平行于离筛运动方向）；y1为y轴正向（垂直于分离筛筛面）；O1为坐标原点；α为分离筛倾角，(°)；vg1为驱动滚筒的速度，m·s–1；vg2为张紧滚筒的速度，m·s–1；vs为收获速度，m·s–1；vy为薯土混合物跃起的速度，m·s–1；ng1为驱动滚筒的转速，r·min–1；ng2为张紧滚筒的转速，r·min–1；φg1为驱动滚筒分度圆直径，m；φg2为张紧滚筒分度圆直径，m。

驱动滚筒和张紧滚筒中部及两端对应于分离筛连接带位置处分别设有橡胶链轮，以驱动分离筛运行，链轮的分度圆直径分别为205和170 mm。在前期的马铃薯收获机田间试验的基础上，按取拖拉机传动轴的转速n=540 r/min计算，经综合分析后选取变速箱的传动比为3.46，通过变速箱将拖拉机传动轴的纵向的动力转向成横向的动力。

田间作业时，薯土分离装置可实现“薯-土-杂”的输送、振动分散分离和土块碎土分离，最终将薯块抛落至缓冲筛[26]。在振动装置的作用下，薯土混合物“跳跃”离开分离筛之前，在与分离筛之间摩擦力f的综合作用下，跟随分离筛向后输送。分离筛上薯土混合物跳跃过程受力分析如图6所示。

注：fg为薯土混合物沿分离筛筛面法向向上的惯性力，N；FNh为分离筛对薯土混合物的支反力，N；fz为薯土混合物与分离筛之间的摩擦力，N；mh为分离筛上跃起的某一部分薯土混合物的质量，kg；mhg为分离筛上跃起的某一部分薯土混合物所受的重力，N。

振动胶轮从分离筛紧段下面交替击打分离筛时，使得分离筛产生“简谐运动”[27]，由此导致薯土混合物产生沿分离筛筛面法向向上的惯性力f和分离筛对薯土混合物的支反力F。薯土混合物“跳跃”时，其支反力F=0，此时沿1轴建立方程，有：

f≥mgcos（5）

振动强度的调整，是通过手柄控制支撑胶轮“顶起”分离筛的程度来实现的。由于采用前后2级振动分离形式，分离筛呈现出2级无振动、前段振动后段自由状态以及2级振动形成“微波浪”等多种薯土分离形式。不同振动强度下分离筛上物料的运行轨迹及运动特征均产生相应的变化，从而影响薯土分离效果及收获品质。分离筛的状态变化直接影响着薯土混合物的运动特征，无振动或轻微振动适合于沙质土壤条件下的马铃薯收获，2级较强振动适合于黏重土壤或者收获速度较快上土量较大、马铃薯可受到土壤的缓冲保护作用等工况。收获过程中，高效分离与低损收获如何兼顾，需要综合考虑不同的土壤类型、机具薯土分离形式、收获工况以及马铃薯品种等多种因素。2级振动调整装置综合作用产生的振动强度较小时，薯土混合物的运动较为平稳；反之，薯土混合物的运动较为“剧烈”，往往伴随着一定的“跳跃”和“回流”现象，相当于增加了分离筛的有效分离行程，导致马铃薯与分离筛杆条的瞬间摩擦和接触碰撞次数增多，碰撞加速度峰值也会增大，从而增加了马铃薯切线擦伤、疲劳累积损伤、内部损伤等形式损伤的概率。分离筛运行速度的变化会导致分离筛的波动程度也随之变化，在一定程度上也影响着振动调整装置的激振效果。

2.2　薯秧分离装置设计与分析

薯秧分离装置包括梳秧装置、浮动式抽秧装置和秧蔓侧输出装置（如图7所示）。团状且相互缠绕的秧蔓在梳秧杆的阻挡作用下进入驱动滚筒处分离筛与抽秧轴之间的间隙，疏秧杆与驱动滚筒处分离筛之间间隙的调整有利于适应不同的秧蔓分离需求。驱动滚筒后下方设有浮动式抽秧轴，其旋转方向与驱动滚筒的转向相反，且抽秧轴转速快于驱动滚筒转速，以利用相对线速度差实现差速“揉搓”和“抽秧”。

由图7中的受力分析可以看出，转速较快的抽秧轴施加在秧蔓团上的抽拽力方向朝向斜下方，梳秧杆和转速较慢的驱动滚筒处分离筛杆条对秧蔓团摩擦力的合力方向向上，由此产生的“揉搓”和“抽拽”可将秧蔓挤压“扁软”或剪切“碎断”，以避免拥堵，保证机具的可靠性。收获作业时，薯-秧混合体在柔性梳秧杆的阻挡作用下进入驱动滚筒与浮动式抽秧轴之间的缝隙，并利用相对线速度差产生的“刮擦”、“推挤”和“抽拽”等作用来完成薯秧分离，即薯块在二者间隙约束力和分离筛末端斜抛产生的惯性作用力的综合作用下被迫脱离薯-秧混合体。经柔性梳秧杆完成薯-秧混合体、秧蔓分离的秧蔓绝大部分落入秧蔓侧输出装置，也有一部分落入缓冲筛筛面上，经缓冲筛的斜向上的带动作用下跌落至秧蔓侧输出装置，最终由秧蔓侧输出装置输送收获机已完成收获后的一侧地轮后方的地面上。秧蔓侧输出装置的输送带靠近缓冲筛的一侧设有挂蔓齿，具有良好的挂蔓作用，以防止秧蔓在空气动力作用下再次进入缓冲筛。另外，调整臂可方便的调整柔性梳秧杆与驱动滚筒处分离筛之间的距离，以适应不同工况的收获作业。

1. 柔性梳秧杆 2. 浮动式抽秧轴 3. 缓冲筛 4. 侧输出装置 5. 刮刀 6. 分离筛

1. Flexible seedling comb bar 2. Floating seedling-pulling shaft 3. Buffer sieve 4. Side output devices 5. Scraper 6. Separation sieve

注：F为抽秧轴对秧蔓的支反力，N；f为秧蔓分别与梳秧杆和分离筛杆条之间摩擦力的合力，N；F为梳秧杆对秧蔓的支反力，N；F为分离筛杆条对秧蔓的支反力，N；F为抽秧轴对秧蔓的抽拽力，N；F为分离筛杆条对秧蔓的驱动力，N。

Note: Frepresents reaction force of pull seedlings shaft to seedlings, N;frepresents resultant frictional force between the seedlings and separation sieve bar, seedling comb bar, N;Frepresents reaction force of seedling comb bar and seedlings, N;Frepresents reaction force of separation sieve bar and seedlings, N;Frepresents pulling force of floating seedling-pulling shaft on seedling, N;Frepresents driving force of separation sieve bar on seedling, N.

图7 薯秧分离装置布局及受力分析

Fig.7 Layout of seedling separation device and force analysis

浮动式抽秧装置主要由固定板、螺杆、张紧弹簧、浮动式抽秧轴、连接臂等组成（如图8所示）。浮动式抽秧轴两端通过连接盘、螺杆和张紧弹簧实现与连接臂的浮动连接，收获作业过程中，可充分利用张紧弹簧的弹性来适应不同的抽秧工况。当杀秧时间短，秧蔓尚未来得及枯萎时，浮动式抽秧轴处的秧蔓处理量大，此时张紧弹簧被拉长，使得浮动式抽秧轴与驱动滚筒之间的缝隙增大；反之亦反。浮动式抽秧轴的下方设置有用来刮土切蔓的刮刀，以防堵防缠。综合分析，选取浮动式抽秧轴直径为82 mm，且表面包有橡胶层，既可对薯块起到缓冲减损作用，同时还起到增大摩擦力的作用，以便于顺畅抽秧。一般杀秧作业后秧蔓的残留长度仍在100～150 mm之间，故将2个相邻柔性梳秧杆之间的距离设计为148 mm。

1. 张紧滚筒 2. 固定板 3. 螺杆 4. 驱动滚筒 5. 张紧弹簧 6. 连接臂7. 浮动式抽秧轴 8. 机架侧板

2.3　缓冲筛式薯杂分离装置设计与分析

由前期的马铃薯收获机田间试验和相关薯土分离试验研究可知，跌落冲击是造成马铃薯机械化收获环节切线擦伤、内部损伤甚至破裂伤薯等现象的因素之一，故在收获机设计时必须从合理控制跌落高度方面入手来探索减损措施。为降低薯块的跌落冲击高度，研制的低位铺放马铃薯收获机在分离筛的末端下方设置了缓冲筛，既降低薯块从分离筛直接跌落至地表时的高度，又充分利用橡胶指杆条的橡胶指柔性缓冲特性来达到减损的目的，还保证秧蔓逆向向上输送而不至于滑落。基于上述分析设计的缓冲薯杂分离装置如图9所示，主要由集薯板、张紧装置、挡蔓板及缓冲筛等组成。

1. 集薯板 2. 侧立板 3. 张紧装置 4. 挡蔓板 5. 缓冲筛 6. 从动轴 7. 支撑架 8. 齿形轮

集薯板通过支撑架固定在缓冲筛上方，呈现“入口大、出口小”状布置，以便于薯块归拢于收获后的地表。经过分离筛和薯秧分离装置运送过来的马铃薯落到缓冲筛上，缓冲筛上段的运行方向与马铃薯滚落方向相反，比重轻的杂草被逆向输送至缓冲筛的主动端跌落至秧蔓侧输出装置输送带上，密度大的马铃薯则在集薯板的阻挡作用下铺放到地面上。设计的缓冲筛橡胶指杆条如图9b所示，其直径φ2=15 mm，相邻橡胶指杆条之间的间距2=45 mm，同1根橡胶指杆条上径向交错布置有2排橡胶指，橡胶指长度为25 mm，同排相邻橡胶指间距为11.5 mm。

田间作业时，马铃薯从分离筛至收集至地表伴随着2次跌落过程，即1次是薯块由分离筛跌落至缓冲筛，1次是由缓冲筛跌落至地表。薯块由分离筛末端朝着缓冲筛跌落时，可以看作是具有初速度为v1的斜抛运动（如图10所示）。设计的样机可通过调整缓冲筛与驱动滚筒之间的相对位置来改变薯块抛起点与缓冲筛最高点之间的距离h。同时，缓冲筛倾角的调整影响着薯块在水平方向上的位移l和薯块由分离筛至缓冲筛的跌落高度h。当缓冲筛的倾角一定时，薯块由分离筛跌落至缓冲筛过程的相关运动分析如下：

l=v1tcos=n1πφ1tcos/60 （6）

h=v1tsin–0.52=n1πφ1tsin/60–0.52（7）

tan=(h-h)/(l-l1) （9）

式中l为薯块在水平方向上的位移，m；t为薯块由分离筛至缓冲筛的跌落时间，s；h为薯块由分离筛至缓冲筛的跌落高度，m；h为将要抛起的薯块中心与至缓冲筛最高点之间的距离，m；l1为将要抛起的薯块中心与缓冲筛主动轴中心在水平方向上的距离，m。

注：vy1为薯块在垂直于分离筛筛面方向跃起的初始速度，m·s–1；vh1为薯块沿缓冲筛下落的运行速度，m·s–1；vy2为薯块垂直于缓冲筛筛面的运行速度，m·s–1；β为缓冲筛倾角，(°)；lsd为薯块在水平方向上的位移，m；hsd为薯块由分离筛至缓冲筛的跌落高度，m；hsh为将要抛起的薯块中心与至缓冲筛最高点之间的距离，m；ld1为将要抛起的薯块中心与缓冲筛主动轴中心水平方向上的距离，m。

综上所述，影响薯块斜抛运动的参数有：分离筛的运行速度、分离筛倾角、缓冲筛倾角以及薯块抛起点与缓冲筛最高点之间的距离h等。若分离筛的运行速度过慢，薯块的在水平方向上的斜抛行程过小，则薯块有可能会跌落至浮动式抽秧轴上，这会在一定程度上增加切线擦伤和挤压伤薯的概率[28-29]。如果分离筛的运行速度过快，薯块的在水平方向上的斜抛行程过大，则薯块由分离筛跌落至缓冲筛的高度增加，这会在一定程度上增加薯块冲击损伤的概率。为保证实现有效秧蔓回流输送效果和减损效果，选取的驱动滚筒中心与缓冲筛主动轴中心之间的垂直距离为384 mm。

在分离筛末端的后方设有防护板，防护板距离分离筛末端的距离为240 mm，防护板上固定有柔性胶皮，以避免分离筛末端抛出的马铃薯纵向位移过大、跌落至缓冲筛的铅锤高度过大而造成薯块切线擦伤和机械损伤等。在缓冲筛靠近秧蔓侧输出一侧的下方设有挡蔓板，以避免侧输出的秧蔓在空气动力的作用下漂浮至缓冲筛而影响秧蔓分离效果。同时，为增强机具对作业工况的适应能力，设计的缓冲筛筛面与水平面之间的夹角（简称为“缓冲筛倾角”）可调（如图11所示），其结构由液压缸、调整臂、调整轴、牵引臂和牵引链等组成。2条牵引链与缓冲筛靠近从动轴的一端连接，以便通过液压缸控制2条牵引链的高低来调整缓冲筛的倾角。

1. 调整臂 2. 液压缸 3. 牵引臂 4. 调整轴 5. 牵引链 6. 缓冲筛 7. 集薯板

3　田间试验与结果分析

3.1　试验条件

试验地位于河北省张家口市沽源县高山堡乡二龙山村，属温带大陆性草原气候，年平均气温1.4 ℃，年平均降水量426 mm，年平均无霜期天数为117 d，海拔1 396 m。马铃薯种植模式：上一年翻耕，于2018年5月上旬机械化种植，垄间距90 cm，垄宽50 cm，垄高25 cm，株距25 cm，单垄单行。试验时间为2018年9月18日－2018年9月21日，试验地种植品种为布尔班克，试验前1周机械化杀秧，人工去除滴灌带。土层≥0～15 cm和土层＞15～30 cm的平均土壤紧实度分别为181.08 kPa和526 kPa；土壤平均含水率10.84%。其他试验设备有功率为88.2 kW的约翰迪尔1204拖拉机、精度为0.01 g的NP-501型电子天平秤、美国Teachmark公司生产的碰撞检测装置（IRD）、8203型钢卷尺、米尺和PS-930型秒表。田间试验现场如图12。

a. 收获机背面 a. Rear of harvesterb. 收获机侧面 b. Side of harvester

3.2　试验方法

样机田间试验的伤薯率、破皮率、明薯率及纯作业时间（纯作业时间指正常作业的时间）等指标参考《NY/T648－2015马铃薯收获机质量评价技术规范》[30]规定的检测方法进行，其中纯作业时间指正常作业的时间，不包括地头转向、停机等时间，其中稳定区作业长度为10 m，数据采集区作业长度为30 m，伤及薯肉的薯块视为伤薯，擦伤面积大于0.2 cm2的薯块视为破皮[11]。另外，检验振动分离装置、薯秧分离及侧输出装置、缓冲薯杂分离及压实整平装置的稳定性、可靠性及各装置的协调配合性能。试验过程中，在测定上述指标的同时，在设定的试验参数条件下，待收获机按照设定的收获速度匀速行驶后，以马铃薯碰撞检测装置（如图13所示）获取马铃薯在整个收获环节各个流程的碰撞信息，首先将碰撞检测球置于田间作业收获机前端挖掘装置正上方的薯杂混合物中，使其混流于待分离的薯杂混合物中，来记录薯块在收获机中到达各关键位置处的碰撞加速度、速度变化值等碰撞特征信息；待碰撞检测球从收获机末端落下时取出，并将反映碰撞特征的数据传输至计算机；最后，分析薯块在收获过程中所产生的机械冲击特征，探索样机易产生破皮损伤的关键位置，以准确评估样机的收获品质。

图13 马铃薯碰撞检测

3.3　结果与分析

3.3.1缓冲筛倾角选取

兼顾秧蔓分离效果和薯块的收获品质是缓冲筛倾角选取考虑的关键。在前期收获试验和试验地预试验基础上，收获速度为0.88 m/s时分别设置缓冲筛倾角为27°、36°和45°，观察分离筛末端与缓冲筛衔接处的薯杂分离情况，分析缓冲筛倾角变化对薯块和秧蔓运动规律的影响，优选不同出试验地较佳的缓冲筛倾角。采集的不同缓冲筛倾角条件下薯块在缓冲筛上的碰撞特征信息如表2所示。分析可知，缓冲筛倾角为27°、36°和45°时，薯块在缓冲筛上的碰撞次数在10～14次之间，当缓冲筛倾角为27°时，采集到的碰撞加速度峰值为125.66，与缓冲筛倾角为36°和45°时相比，碰撞加速度峰值分别增大0.58倍、1.19倍。这是由于缓冲筛倾角较小时，薯块由分离筛至缓冲筛的跌落高度h相对增加，由缓冲筛跌落至地表时的高度也较大，薯块在缓冲筛上的滚落时间也相对较长，从而导致碰撞加速度峰值较大。

另外，此时缓冲筛上的混合物易产生拥堵现象，部分薯块下落不够流畅。缓冲筛倾角为45°时，采集到的碰撞加速度峰值只有57.42，这是由于薯块由分离筛至缓冲筛的跌落高度h和薯块从缓冲筛跌落至地表时的高度均较小，薯块在缓冲筛上的滚落时间相对较短所致。但是，试验中发现此时缓冲筛上的秧蔓逆向输送至侧输出装置输送带的效果较差，导致秧蔓分离不彻底而影响后续捡拾工作。兼顾缓冲减损和薯杂分离2方面的实际需求，选取较优的缓冲筛倾角为36°。

表2 不同缓冲筛倾角条件下的碰撞特征

3.3.2不同收获速度对薯土分离效果的影响

为探索不同收获速度条件下分离筛不同关键区域及整个薯-土-杂分离过程中的碰撞损伤规律，以前期收获试验为基础，选取机具收获速度分别为1=0.88 m/s和2=1.16 m/s，设置缓冲筛倾角为36°。不同收获速度条件下的测试结果如表3所示。由表3可见，样机的各项测试结果均能满足《NY/T648－2015马铃薯收获机质量评价技术规范》的要求。

表3 不同收获速度条件下的测试结果

由表3可见，收获速度对薯块在分离筛上的运动规律有着显著影响。收获速度较大时，一定时间内大量的薯杂混合物被挖掘输送至分离筛，仅依靠分离筛杆条缝隙和振动装置的激振作用无法进行较好的分散分离和土块破碎分离，甚至仍有一部分土块跌落至缓冲筛，从而导致收获速度v2=1.16 m/s时的明薯率比v1=0.88 m/s时下降2.3%。对比可知，v1=0.88 m/s时的伤薯率和破皮率分别比评价指标[30]降低0.03个百分点和0.11个百分点，v2=1.16 m/s时的伤薯率和破皮率分别比评价指标降低0.38个百分点和0.93个百分点。另外，由于土壤的缓冲保护作用，收获速度v2=1.16 m/s比v1=0.88 m/s时的伤薯率和破皮率分别降低0.35个百分点和0.82个百分点，这是因为随着收获速度的提高，单位时间内分离筛上的薯杂混合物总量也随之增加，土壤的缓冲作用有利于减小薯块与杆条的直接接触碰撞次数，有助于降低薯块的最大碰撞加速度峰值，因此可有效降低伤薯率和破皮率，但也同时导致明薯率的降低。反之，伴随着细碎土壤的分散分离和土块的破碎分离，薯杂混合物尚未到达分离筛末端已基本完成薯土分离，导致薯块在分离筛上直接与杆条接触，虽然明薯率得到提高，但同时伤薯率和破皮率也明显增大。

3.3.3薯垄不同位置对薯土分离效果的影响

在薯土分离过程中，由于振动装置的激振作用以及在薯杂混合物中分布状况的差异，一部分薯块会产生“回流”或“侧流”。为此，同一收获速度条件下的试验分2组进行，即第1组试验将碰撞试验球掩埋于分离筛前端对应于“薯垄”中间位置，第2组试验对应于“薯垄”边缘位置。试验还测得了2种收获速度条件下不同位置的碰撞力G和速度变化值D等关键参数，本试验采集的最小临界碰撞加速度为10，存储于碰撞检测球后导出至计算机进行分析。设定每次试验初次碰撞时间t记作0，自初次碰撞后的碰撞时间t为此次碰撞与初次碰撞的时间间隔，由此得不同收获速度条件下的碰撞信息如图14和图15所示。

图14 不同收获速度条件下薯垄中间位置的碰撞信息

由图14可以看出，试验球置于分离筛上对应于薯垄中间位置时，收获速度为0.88 m/s时的碰撞加速度峰值为149.02，试验球在机具中历时约为2.88 s，收获过程中碰撞30次。收获速度为1.16 m/s时的碰撞加速度峰值只有61.54，试验球在机具中历时约为2.44 s，碰撞次数为24次。

分析可知，随着收获速度的增加，薯块碰撞加速度和碰撞次数均减小，这主要是因为随着收获速度的增加，单位时间“涌入”分离筛的薯杂混合物相应增加，土壤在薯土分离过程中起到了一定的缓冲作用导致的。

由图15可以看出，试验球置于分离筛上对应于薯垄边缘位置时，收获速度为0.88 m/s时的碰撞加速度峰值为180.16，试验球在机具中历时约为4.42 s，碰撞次数为39次。而收获速度为1.16 m/s时的碰撞加速度峰值达184.62，试验球在机具中历时只有3.75 s，碰撞次数为43次。分析可知，薯块的碰撞加速度峰值和碰撞次数受到收获速度的影响不大，这主要是因为对应于薯垄边缘位置薯杂混合物的数量相对较小、土壤的摩擦带动和缓冲减损作用不够明显导致的。

图15 不同收获速度条件下薯垄边缘位置的碰撞信息

比较图14a与图15a、图14b与图15b可以看出，同一收获速度条件下，薯块对应于薯垄边缘位置时的碰撞加速度峰值和碰撞次数比中间位置时明显增大，试验球在机具中的历时也较长，这主要是由于薯块在薯垄边缘位置时的薯杂混合物厚度相对较小，土壤的摩擦带动效果差、薯块多次翻滚“回流”现象相对加剧、土壤的缓冲“包裹”减损效果较弱所致。薯块在分离筛上对应于薯垄中间位置时，前半段基本处于土壤的“包裹”中，即在分离筛的前半段基本不产生碰撞，直至后半段伴随着土壤的透筛减少才逐渐产生碰撞，尤其当收获速度较大时土壤的保护作用越发明显，这进一步说明了收获速度对薯土分离效果影响的重要程度。

另外，薯块位于分离筛上对应于薯垄边缘位置时，容易产生较大的碰撞加速度峰值（＞150），这主要是由于薯块在该位置处受到土壤的缓冲保护作用相对较弱、薯块与杆条直接接触的概率较大所导致的。所以，薯块在分离筛上对应于薯垄边缘位置时产生疲劳累计破皮损伤和伤薯的概率较大。

3.4　讨 论

由图14和图15可以看出，与输送分离段相比，薯块在缓冲筛上产生的碰撞加速度峰值较小且变化幅度不大，即在输送分离段薯块易产生幅值较大的碰撞加速度，相对较强的机械冲击是产生伤薯和破皮的主要原因，这也充分说明低位铺放薯杂分离装置具有较强减轻跌落过程机械冲击的作用。另外，跌落在缓冲筛上的薯块伴随着橡胶指杆条的弹性变形作用实现减损控制，使得缓冲除杂段所对应的碰撞加速度峰值基本上不高于分离筛上所产生的碰撞加速度，这充分说明缓冲筛的橡胶指杆条具有良好的降低机械冲击作用。

薯块在缓冲筛上的碰撞加速度峰值变化不明显，即缓冲效果不佳，观察发现这是由于收获速度的增加导致单位时间内跌落至缓冲筛的薯块数量增多，薯-薯之间在“聚拢”时的“剧烈”碰撞产生了相对较大的碰撞加速度，这进一步说明收获速度对缓冲效果具有较大影响。另外，有研究表明，收获前对较干地块进行适当灌溉，可减少土块数量，使得收获后的薯块与分离筛有关零 部件之间增加一层湿润土壤，有利于减轻薯块的碰撞损伤[31]。

碰撞加速度峰值和速度变化值是产生损伤的主要原因，在一定的碰撞加速度峰值条件下，速度变化值越小，其损伤区域面积越大[32]。薯块与分离筛杆条直接接触时，易产生较大的碰撞加速度峰值和较小的速度变化值，尤其在振动激励迫使薯块“跳跃”的情况下。当试验球与缓冲筛接触碰撞时，其大部分碰撞所对应的速度变化值相对较为分散，且薯块与缓冲筛的接触碰撞产生的速度变化值趋势比与分离筛振动分离段碰撞时大，这充分说明本文设计的低位铺放形式具有良好的减损控制效果，这与前人研究结论是一致的，即相对较硬材料的接触碰撞与较软的材料相比，易产生较大的碰撞加速度峰值和较小的速度变化值[33]。因此，在后续样机优化改进中，可采取措施使得薯杂混合物尽可能均匀铺放至分离筛上，以有效避免部分薯块与分离筛杆条之间的直接接触碰撞而导致的伤薯现象。

4　结 论

1）研制的缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机采用“2级高频低幅振动分离+薯秧分离及侧输出+低位铺放”的薯土分离工艺，可一次性完成高效切土切蔓、松土限深、挖掘输送、2级振动分离、秧蔓分离及侧输出、低位铺放薯杂分离等作业。在收获速度为0.88和1.16 m/s时，生产率分别为0.41和0.54 hm2/h，伤薯率分别为1.47%和1.12%，破皮率分别为1.89%和1.07%，各项性能指标均满足相关标准的规定。

2）收获速度为0.88 m/s时，在缓冲筛倾角为27°、36°和45°条件下，分析了缓冲筛倾角变化对薯块和秧蔓的影响规律，优选出较佳的缓冲筛倾角为36°。试验结果表明，薯块在缓冲筛上产生的碰撞加速度峰值相对较小，其碰撞加速度峰值主要来源于薯块与分离筛的碰撞接触，这充分说明低位铺放薯杂分离装置具有良好的减轻跌落冲击效果。

3）随着收获速度的增大，薯块碰撞加速度峰值和碰撞次数均减小，可有效降低伤薯率和破皮率，但明薯率有所降低；反之，碰撞加速度峰值明显增大，明薯率升高的同时伤薯率和破皮率也明显增大。薯块位于分离筛上对应于薯垄边缘位置时，容易产生较大的碰撞加速度峰值（＞150）。

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Development of potato harvester with buffer type potato-impurity separation sieve

Wei Zhongcai1, Li Hongwen1※, Su Guoliang2,3, Sun Chuanzhu2,4, Liu Wenzheng1, Li Xueqiang2,5

(1.100083,; 2.253600,; 3.255091,; 4.255091,; 5.253600,)

Harvesting is the most crucial step of the whole potato production mechanization process, and the most challenging issue is to separate potato, soil and impurity thoroughly and meanwhile control the damage rate and bruising rate of potato. It is widely recognized that there exists some unsatisfactory separation effect problems like higher bruising rate and damage rate and lower exposed rate during the process of mechanical potato harvest. To solve these problems, based on the technology of potato-impurity separation with 2 segment of high frequency and low amplitude vibration separation, potato seedling separation and side conveying and low position laying, a new potato harvester was improved through setting low position laying segment and potato-impurity separation device with buffer sieve. The potato harvester was consisted of digging parts, soil loosening and depth control wheel, cutting device of soil and seedling, separation sieve, vibration adjustment device, device of potato and seedling separation, device of side conveying of seedling, low position laying device and compaction leveling device. In that way, it can reduce the drop height effectively and benefit for potato-impurity separating and potato-seeding separating during the process of mechanical potato harvest. As such, the field harvesting experiments were carried out, when the harvesting speed was 0.88 m/s, the effects of the inclination angle of buffer sieve on the kinematic characteristics of potato and seedling were analyzed when the inclination angle of buffer sieve was 27°, 36° and 45°, and the better inclination angle of buffer sieve 36° was selected. At the meantime, the results showed that peak impact acceleration produced by potatoes on the buffer sieve was relatively small, and the peak impact acceleration mainly came from the impact contact between potatoes and the separation sieve. Therefore, it is demonstrated that the low position laying device had a good performance to reduce drop impact, and to reduce the damage rate and bruising rate. The field harvesting experiments results showed that, the productivity was 0.41 and 0.54 hm2/h, the damage rate was 1.47% and 1.12%, and the bruising rate was 1.89% and 1.07%, respectively when the harvest speed was 0.88 and 1.16 m/s, the field harvesting experiment results and evaluation indeices met the requirements of relevant standards. The results also indicated the peak impact acceleration and impact number of potatoes were decreased with the increase of harvesting speed, which could effectively reduce the damage rate and bruising rate. However, the exposed rate decreased with the increase of harvesting speed, the main reason was the mixture of potato-impurity influxing into the separation sieve in unit time increased correspondingly, and soil worked as buffer in the process of potato-impurity separation with the increase of harvesting speed. On the contrary, the peak impact acceleration and impact time of potatoes were increased significantlyCompared with the potatoes located in the middle of the ridge on the separation sieve, it was easy to produce the larger peak impact acceleration when potatoes located on the separation sieve corresponding to the edge position of potato ridge, it was mainly due to the relatively weak soil buffering and protection for potatoes at this location, so the probability of direct contact between potatoes and rods was greater. This research may provide a technical reference for further study on the loss reduction control method of potato-impurity separation and the optimization and improvement of potato-impurity separation process.

agricultural machinery; harvesting; potato; vibrating separation; harvest quality

2018-11-09

2018-12-08

山东省重大科技创新工程项目（2017CXGC0219）；山东省泰山产业领军人才工程高效生态农业创新类项目（LJNY201615）；“十三五”国家重点研发计划专项（2016YFD0701603-02）；山东省农机化装备研发创新项目（2016YF034）

魏忠彩，博士生，主要从事现代农业装备与计算机测控技术研究。Email：weizc2011sdut@163.com

李洪文，教授，主要从事现代农业装备与计算机测控技术研究。Email：lhwen@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.001

S223.2

A

1002-6819(2019)-08-0001-11

魏忠彩，李洪文，苏国粱，孙传祝，刘文政，李学强.缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机研制[J]. 农业工程学报，2019，35(8)：1－11. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.001 http://www.tcsae.org

Wei Zhongcai, Li Hongwen, Su Guoliang, Sun Chuanzhu, Liu Wenzheng, Li Xueqiang.Development of potato harvester with buffer type potato-impurity separation sieve[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 1－11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.001 http://www.tcsae.org