马铃薯收获机工作原理与伤薯问题产生机理研究

侯国强，韩休海，陈维刚

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

马铃薯是我国的重要粮食作物，我国的马铃薯年产量位居世界第一，但与此同时，马铃薯的生产现代化程度却与发达国家相差较大。近年来随着马铃薯种植面积的进一步增加，生产过程对于机械装备的需求量不断提升[1]。为进一步提高我国马铃薯产业的市场竞争力，减轻农民生产过程的劳动负担，加强对马铃薯生产相关机械技术的研究十分必要。马铃薯收获机的应用有效解决了传统生产过程马铃薯收获耗时费力的问题，有效提升了马铃薯生产的机械化水平。马铃薯收获机属于新技术产品，不同产品现阶段的机械结构和技术原理存在一定的差异，从马铃薯收获的基本原理出发展开相关研究，有利于马铃薯收获机技术的进一步提升。

1 我国马铃薯收获机技术发展现状

我国对马铃薯收获机的研究相对较晚，相关研究起步于20世纪 60 年代，到20 世纪 70 年代中期马铃薯收获机产品才逐渐应用于我国的农业生产，当时的马铃薯收获机主要与手扶拖拉机配套使用，且很多产品为引进机型，自主产品的工作能力相对不足，由于进口机型售价较高，导致机具普及困难，应用较少[2]。到20世纪90年代，马铃薯的种植面积和生产效益都得到明显提升，因此农机厂家也加强了相关产品的研究力度，经过近20年的努力，目前，我国马铃薯收获机厂家和相关科研单位已达到60余家，且收获技术逐渐向大型联合收获方向发展。现阶段应用效果较好的自主产品包括中国农业机械研究院研发，由现代农装北方农机有限公司生产的美诺系列、亚地4U系列、4SW系列等；由黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的4U-Ⅰ、4U-Ⅱ系列；由内蒙古都牧机厂生产的4U系列产品等。尽管以上产品各具特点，但都能实现马铃薯的可靠收获，能满足现代化生产的需求。总体上看，我国的马铃薯机械化收获仍有较大的发展空间，相关的技术研究还有很多的工作要做，且农机装备的普及与技术推广仍需提升。

2 马铃薯收获机工作原理

市场上销售的马铃薯收获机主要包括挖掘铲、输送装置、分离装置等几大部分组成，机具还配备了悬挂装置、变速箱等辅助结构，如图1所示。工作时，马铃薯收获机通过三点式悬挂结构与拖拉机实现连接，由拖拉机的后动力输出轴将动力传递给马铃薯收获机的动力输入端，从而带动变速箱转动，为马铃薯收获机的运转提供动力支持。在机具前进过程中，挖掘铲逐渐深入到耕地指定深度，将土壤中的马铃薯与土垡一同铲起，然后通过输送装置运送到后方的分离机构。通常情况下，分离机构通过滚动、振动等形式将马铃薯与土块、杂物等分离，先进的收获机能实现对马铃薯的多级分离，从而获得更加干净的马铃薯个体。小型马铃薯收获机在完成分离工作后一般直接将马铃薯散落放置于地表，中大型机型能够在分离后进行一定量的马铃薯储存，并在田间适当位置集中放置，以便于收集和运输。部分先进的大型收获机还具备清选功能，能够对收获的马铃薯进行自动分级，进一步提升了马铃薯收获的自动化水平，有效减轻了农民在收获后期的劳动量。

1.挖掘铲；2.万向节轴；3.分离机构；4.三点连接；5.变速箱；6.放种口

3 机械化收获中的伤薯因素分析

3.1 挖掘过程产生的损伤

由于马铃薯的地下生长特点，在利用挖掘铲进行挖掘的过程中必须深入土层之下，将土块和马铃薯一同挖掘上来，挖掘过程中存在复杂的因素影响，可能造成马铃薯的损伤。现阶段使用的挖掘铲按照结构划分可分为三角铲、凹面铲、槽形铲等很多种类，而且挖掘形式多种多样，有固定式、回转式、振动式、往复式等众多方式将马铃薯挖掘出土。

挖掘过程对马铃薯产生损伤原因包括以下三点：一是多数挖掘铲前部配备有切土装置，用以将土壤、杂草等预先切开，达到减小挖掘阻力的作用，但若切土装置调整不当，会造成切土间隙过大或过小，导致土盘不能够实现按照预先设计的收获幅宽位置完成切土作业，导致切土结构进入马铃薯生长区域，造成马铃薯破损、切断、挤伤等机械式损伤；二是挖掘铲的入土深度不足，导致挖掘过程出现部分生长较深的马铃薯与挖掘铲接触，从而造成严重的马铃薯损伤；三是为保证马铃薯和土壤有效分离，在进入土薯分离结构前应先通过压土轮将较大的土块压碎，有效提高土薯分离的效率，当压土轮调整不当时，压土轮产生的过大压力会压伤马铃薯，影响收获后的马铃薯品质。

3.2 土薯分离过程造成的损伤

土薯分离是马铃薯收获机的重要功能，土薯分离装置根据机械结构不同分为摆动筛式、杆条输送式、拨辊推送式等几类，工作时输送装置将马铃薯和挖掘出的土壤、杂草等一同送入分离机构，在分离机构的运转、振动下实现马铃薯与土壤和杂物的分离，但在机械运转的过程中会不可避免地出现碰撞、挤压、摩擦等问题，造成马铃薯破皮、磕伤等。且土薯分离的能力与伤薯问题直接相关，土薯分离能力越强，对马铃薯的损伤越严重。此外，在土薯分离完成后，很多机型通过尾筛将马铃薯输送到收集箱体位置，尾筛能有效控制马铃薯的下落高度，尾筛的调整不当也会导致马铃薯在下落过程中产生损伤。

3.3 清选分级装置产生的损伤

清选分级工作是现代化收获的必要工序，很多先进的大型马铃薯收获机集成了清选分级的功能，而小型机具尽管不具备清选分级的功能，但也能通过专用的分级机械实现收获后的分级工作。清选工作的主要任务是利用清选爪对马铃薯进行搅动，使残留的泥土、杂物掉落，并使清选后的马铃薯向分级装置的位置运动，若清选爪的运转速度和工作角度调整不当，不仅会影响马铃薯的运行速度，还会造成大量马铃薯的破皮和损伤。当马铃薯进入分级装置后，马铃薯在分级辊上转动，受到分级速度和分级装置的斜置角度等因素的影响，也可能造成马铃薯表面的摩擦破皮，甚至造成更严重损伤[3]。此外，在清选分级结束后，运输过程中，因多级输送带存在高度差，也可能在多次下落过程产生损伤，影响后期储存效果。

4 预防伤薯问题的优化建议

优化挖掘装置的工作状态，尝试将振动、液压和气压传动技术与传感器技术相结合，综合应用到挖掘装置的功能之中，从而通过自动控制技术智能控制挖掘深度和挖掘铲的入土角度，提升挖掘过程的合理性，避免挖掘深度不足造成的伤薯问题。

改良现有压土轮的结构形式，使其在具有一定压力的情况下能够自行调解，避免出现过大压力。例如采用浮动的压土轮形式，使其在与体积较大马铃薯接触时能够自动收缩，减小压力，或改为橡胶压土轮以减小对马铃薯产生的损伤。

对于土薯分离结构的运转速度和振动频率应能通过便捷的方式进行调整，并通过试验验证马铃薯与土壤分离的最佳转速和振动频率，以达到最佳分离效果和最低伤薯率的良好配合关系。同时对于马铃薯的多级输送结构，可采用缓冲坡设计或橡胶缓冲垫减小下落过程的冲击力，以达到降低伤薯率的效果。