马铃薯收获机的设计与试验

刘潇 李亮亮 戚江涛

摘要：结合当前新疆马铃薯种植模式，设计出一种集挖掘装置、振幅可调式振动分离机构、速度可调式输送装置、液压驱动装置及电气控制系统等为一体的马铃薯收獲机，可通过电磁比例流量阀实现装置的输送速度、振动转速等参数的可调，通过调节板实现装置振幅参数的可调;使用ADAMS软件对V型振动分离机构进行仿真，得到V型振动分离机构在水平方向上以370 mm左右的位移进行往复运动，在垂直方向上以260 mm左右的位移进行起伏循环运动。最后以输送速度、振动转速、振幅为因素，以明薯率和破皮率为响应指标进行装备田间性能试验，得出3个影响因素中振幅对明薯率有显著影响，输送速度和振动转速的影响不显著，影响程度依次为振幅>输送速度>振动转速;输送速度和振动转速对伤薯率有显著影响，振幅的影响不显著，影响程度依次为输送速度>振动转速>振幅。分析各影响因素对明薯率和伤薯率的影响，并对其进行优化得出，当输送速度为110 r/min，振动转速为100 r/min，振幅水平为下时，明薯率达到92.822 3%，伤薯率为2.790 5%。

关键词：马铃薯;收获机;仿真试验;液压系统;明薯率;伤薯率

中图分类号： S225.7+1  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）17-0242-06

马铃薯（Solanum tuberosum L.）具有产量高、经济效益好、环境适应能力强等优点[1]，我国是世界马铃薯种植面积最大的国家，年种植面积与产量分别在1 050万hm2和8 000万t左右。同时，我国马铃薯消费量以平均每年8%的速度增长，是世界上马铃薯消费量增长速度最快的国家之一[2]。随着我国马铃薯主粮化发展战略的提出，马铃薯已逐步成为仅次于小麦、水稻和玉米的第四大粮食作物[3]。但现有的马铃薯收获机在应用过程中存在挖掘阻力大、易壅堵、明薯率低、伤薯率高等问题，导致目前我国马铃薯收获仍以人工或畜力为主，机械化应用水平低[4]，且不同地块的土质松软程度不同，土壤与马铃薯力学结合程度不同，因此，机械化收获已成为马铃薯产业快速发展的必然趋势。

目前，国外开展的马铃薯收获技术研究主要有德国格力莫（Grimme）公司所生产的RL1700型马铃薯收获机和SE140型马铃薯收获机[5]以及挪威Kverneland Narbo AS公司生产的UN2600型系列牵引式两行马铃薯收获机[6]，为了提高作业效率，在机器上融入了振动和液压技术，通过传感技术来控制马铃薯的传运量及土壤喂入量，利用虚拟制造技术和超塑加工技术等先进技术，国外马铃薯收获机的研制技术水平相对较高;国内主要采用分段式收获，杆条式分离筛是目前国内外马铃薯收获机具中广泛采用的结构形式[7]。国内开展的相关研究主要有黑龙江省伊春市农业机械科学研究所的4UX-2型马铃薯收获机[8]、甘肃农业大学工学院的4UFD-1400型马铃薯联合收获机[9]及学者潘志国等的研究[10-14]。本研究在以上研究基础上，结合新疆马铃薯种植模式，设计研制一种振幅、输送转速可调的马铃薯收获机，以完成薯-土混合物挖掘、输送、振动分离、集条等作业。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

针对新疆地区马铃薯种植模式以及农艺要求，设计一种马铃薯收获机，其结构示意见图1和图2。该机主要由挖掘装置、转速可调式输送装置、参数可调式振动分离装置、液压驱动装置及电气控制系统等组成，其中转速可调式输送装置主要由闭合回转筛等组成;参数可调式振动分离装置主要由V型振动分离机构、调节板、调节丝杆及偏心轮等组成;液压驱动装置主要由液压泵、电磁比例流量阀、液压马达等组成，电气控制系统的主控单元为可编辑逻辑控制器（PLC）。马铃薯收获机主要技术参数如表1所示。

1.2 工作原理

该马铃薯收获机可同时完成马铃薯挖掘、薯-土输送振动分离及集条铺放等作业。具体工作过程：拖拉机带动马铃薯收获机前进，齿轮泵在拖拉机后输出轴的带动下将液压油经换向阀输入到液压比例调节阀中，液压油经液压比例调节阀分流后进入2个液压马达，液压马达②用来驱动V型振动分离机构进行薯-土分离，使闭合回转筛完成上下起伏动作，液压马达①给闭合回转筛提供回转动力，使闭合回转筛完成薯-土混合物输送，液压比例调节阀可通过可编程控制程序对液压油输出量进行调节，进而调节V型振动分离机构振幅和闭合回转筛转速。工作时，挖掘铲首先对薯-土混合物进行挖掘，然后将其推送到分离装置上，闭合回转筛对薯-土混合物进行输送和分离， 较小的土块在振动分离筛面上通过栅条间隙分离，落至地面，较大的土块也在振动过程中破碎后落至地面，分离后的马铃薯被铺放于地面上，从而进行薯块收集。

2 关键零部件设计

2.1 V型振动分离机构设计

在马铃薯机械化收获过程中，薯-土混合物的高效输送、有效分离是体现整机作业性能的重要指标[15-17]。输送分离装置采用V型振动分离机构（图2），液压马达②带动偏心轮旋转，偏心轮带动调节丝杆作用调节板，进而带动V型抖动杆进行往复振动，从而进行薯-土混合物分离，振幅大小可通过调节板进行调节。

2.2 液压系统设计

液压驱动系统主要由油箱、液压马达、电磁换向阀、电磁比例流量阀等元器件组成，本设计选用美国Hydraforce公司的PV08-30型电磁比例流量阀，其具有电磁驱动、电气参数可变、断电常闭、三通、带压力补偿、优良的线性和磁滞特性、结构尺寸小、便于检修、耐用等特点。液压驱动系统工作原理：由拖拉机后输出轴传递动力，带动液压泵旋转，再经液压比例调节阀通过可编程控制程序对液压油进行分流，当输入不同的控制命令后，电磁比例流量阀实现控制分流作用，进而控制2个液压马达转速，液压马达②用来驱动V型振动分离机构进行振动分离，使闭合回转筛面完成上下起伏动作，液压马达①给闭合回转筛提供转动动力，工作原理如图3所示。

2.2.1 V型振动分离机构的转速 在振动分离过程分析中，将马铃薯薯块视为质点，则马铃薯离开分离筛的运动类似于以弧线AB为轨迹，以不同曲率做的圆周运动，当质点P位于V型振動分离机构转角θ处时，受力情况如图4所示，对其进行受力分析。

3 振动分离装置仿真

3.1 几何建模

ADAMS软件是由美国MSC公司开发研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，主要针对机械系统进行仿真分析[18]。偏心轮机构参数决定V型振动分离机构的运动规律，因此须要建立V型振动分离机构及其偏心轮机构的仿真模型，根据仿真结果确定其运动参数。将Solidworks实体模型的数据格式转换为Parasolid（*.x_t）格式，通过ADAMS/Import模块导入ADAMS中，建立几何实体模型。

3.2 添加约束

通过添加不同的约束，将偏心轮跟V型振动分离机构联系在一起，动力MOTION_1由偏心轮轴输入，转速选择50 degree×time带动偏心轮旋转，通过调节丝杆，使V型振动分离机构摆动，各部件添加约束均为转动副（图5）。

3.3 仿真分析

在开始仿真分析前，利用模型自检工具对样机模型进行最后检验，排除建模过程中的隐含错误，以保证仿真分析过程顺利进行，点击Simulation进行仿真，终止时间为80 s，仿真步骤为50，点击开始仿真按钮，系统进行仿真，观察模型的运行情况，仿真结果如图6、图7、图8、图9所示。

由图6可知，当t=0时，V型振动分离机构沿x轴正半轴方向增大，当增大到约220 mm时，开始沿反方向运动;当t=10 s时，达到反向最大值（-150 mm），然后继续向正向运动，回到起始点，由此可得V型振动分离机构在水平方向上以约370 mm的位移进行往复运动。 由图7可知， V型振动分离机构在垂直方向上以260 mm左右的位移进行上下起伏循环运动，轨迹运行平稳，无间断点和突变现象，符合设计要求。由图8和图9可知，在x轴和y轴方向上，V型振动分离机构仿真速度都在进行周期性变化，V型振动分离机构的抖动速度应大于分离筛的输送速度，这样可降低薯块壅堵，加快薯-土混合物分离。图8中x轴最大速度为0-11 m/s，y轴最大速度为0.07 m/s。该输送速度值大于0，可实现薯土分离，且速度不太大，不至于伤薯，故该设计速度可作为马铃薯收获机的实际速度，在进行收获作业时可保证收获机正常工作。

4 生产试验与结果分析

4.1 试验条件

2017年8月在新疆石河子市五宫村进行马铃薯收获机性能试验，试验田种植的马铃薯品种为早熟品种荷兰7号，适应性广，表皮极易破损，种植模式为宽垄双行。试验地面积为 5 hm2，土壤板结较严重，灌溉方式为滴灌，试验前10 d停止滴灌作业并完成杀秧作业。配套动力由约翰迪尔454拖拉机提供，慢3档作业（图10）。

4.2 试验设计

在薯-土混合物输送分离过程中，作业效果好坏主要体现在明薯率、破皮率等指标上[19-20]，而影响各指标的主要因素有输送速度、振动速度及振幅等，为此对以上3种影响因素进行分析。本试验采用3因素3水平正交试验设计进行分析，输送速度水平为70、90、110 r/min，振动转速水平为80、100、120 r/min，振幅水平为上、中、下，以明薯率和破皮率为响应指标，按照NY/T 648—2015《马铃薯收获机质量评价技术规范》规定的试验方法进行试验，试验所取因素和水平如表2所示。依据L17（33）表进行17组试验，每组试验重复5次取平均值作为试验结果（表3）。

4.3 试验结果分析

4.3.1 回归方程 根据试验结果，明薯率和破皮率的回归方程如下：

Y1=93.68+4.04A-3.96B+4.35C-3.13AB-1.90AC+7.10BC-4.58A2-7.68B2-8.65C2;

Y2=6.28-2.73A+2.25B-1.25C+0.25AB+3.6AC-7.8BC+0.26A2+2.46B2+4.76C2。

4.4 各因素对明薯率的影响分析

由表4可知，模型的明薯率P值为0.016，小于0.05，表明该模型较显著，其中输送速度P值为0.064 1，振动转速P值为0.068 0，振幅P值为0.049 9，由此可知，3个因素中振幅对明薯率具有显著影响，输送速度和振动转速的影响不显著，三者影响程度依次为振幅>输送速度>振动转速。由图 11-a 可知，当振幅为中时，随着输送速度和振动转速的增加，分离筛输送速度增加，减少了壅堵，增加了薯-土分离，明薯率开始增大，但当输送速度增加到110 r/min时，明薯率将不再增加，开始下降，振动转速也有着同样的趋势，因为在振动转速上升时，可以在一定的时间内增加薯-土混合物的分离，增大明薯率，但是振动转速不宜过大，过大将会对马铃薯造成一定的损伤，由图11-b可知，当振动转速为100 r/min时，随着振幅和输送速度的增加，明薯率先增大后减小，;由图11-c可知，当输送速度为 90 r/min 时，随着振幅和振动转速的增加，明薯率也呈先增大后减小的趋势;当振动转速超过104 r/min时，对明薯率影响明显增大。

4.5 各因素对伤薯率的影响分析

由表4可知， 模型的伤薯率P值为0.000 5， 小于0.05，说明该模型也显著，其中输送速度P值为0.003 8， 振动转速P值为0.009 9，振幅P值为0.092 4，由此可知，输送速度和振动转速对伤薯率具有显著影响，振幅的影响不显著，三者影响程度依次为输送速度>振动转速>振幅。由图12-a可知，当振幅为中时，随着输送速度的增大和振动转速的减小，伤薯率开始减小，这是由于振动转速的增大，加快了薯-土混合物的分离，使大量的土块破碎，然后通过筛条落向地面;由图12-b可知，当振动转速为100 r/min时，随着振幅的增大，伤薯率先减小后增大，这是由于振幅的增大，直接对马铃薯造成了一定的表皮损伤，随着输送速度的增加，伤薯率反而减小，这是由于输送速度的增加，使马铃薯薯块可以尽快向后方输送，减少了在分离筛上的停留时间，因此降低了伤薯率;由图12-c可知，当输送速度为90 r/min时，随着振幅和转动速度的增加，伤薯率呈上升趋势，振幅越大，伤薯率越明显，振动转速对伤薯率的影响大于振幅，如图12-c所示。

4.6 试验优化

以输送速度、振动转速、振幅为试验因素，明薯率期望值最大，伤薯率期望值最小，得出的优化结果如表5所示。

由表5可知，当输送速度为110 r/min，振动转速 100 r/min，振幅为下时，明薯达到92.822 3%，伤薯率为 2.790 5%，符合马铃薯收获机设计要求。

5 结论

设计完成了一种集挖掘装置、振幅可调式振动分离机构、转速可调式输送装置、液压驱动装置及电气控制系统等为一体的马铃薯收获机，可通过电磁比例流量阀调节油量驱动液压马达①、液压马达②，从而实现装备输送速度、振动转速等工作参数的可调，通过调节板实现装置振幅的可调。

使用ADAMS对V型振动分离机构进行仿真得出，V型振动分离机构在水平方向上以370 mm左右的位移进行往复运动，垂直方向上以260 mm左右的位移进行起伏循环运动，X轴最大速度为1.1 m/s，该值大于输送速度值，说明该设计速度可作为马铃薯收获机的实际工作速度，在进行收获作业时可保证收获机正常工作。

通过田间试验得出，3个影响因素中输送速度和振动转速对伤薯率具有显著影响，且三者的影响次序为输送速度>振动转速>振幅;只有振幅对明薯率具有显著影响，影响次序为振幅>输送速度>振动转速。分析各影响因素对明薯率和伤薯率的影响，并对其进行优化得出，当输送速度为 110 r/min，振动转速100 r/min，振幅为下时，明薯率达到92-822 3%，伤薯率为 2.790 5%。

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