马铃薯土薯分离机构现状及敲打辅助分离机构设计

张 涛，庞有伦，宋树民，吴 瑜，潘 良，绍伟兴，杨明金，唐兴隆，王圆明，李 想

（1.重庆市农业科学院，重庆 401329；2.西南大学，重庆 400700；3.重庆华士丹机械制造有限公司，重庆 402260）

马铃薯作为我国主要粮食作物之一，在西南地区种植面积和产量占全国50%以上，但由于作业环境限制，马铃薯生产机械化程度不到1%，主要依靠人工收获，劳动强度极大[1]。目前成熟的马铃薯机械种类众多，工作原理和作业质量差别较大，但西南马铃薯机械化程度低的主要原因为土壤过于黏重、板结，无法分离，因此，薯土分离是解决马铃薯收获的主要问题之一[2]。目前分离装置类型主要有多级栅条分离、圆形辊道分离、拔动辊道式等方式，在北方砂质土壤条件下具有低损伤、低含杂率的优点。但在黏重土壤下很难同时满足高去土效率和低损伤的目的。因此，本文设计了一款往复敲打式分离机构，主要对分离机构的结构、材料、运动参数等进行了设计与分析。

1 马铃薯土薯分离现状

1.1 土薯分离结构及工作原理

土薯分离机构是马铃薯收获机的核心部件，其机构设计直接影响马铃薯收获的品质、分离效果、作业效率等，在分离过程中需尽量避免薯块大幅度跳跃和回流现象，以减少多次摩擦造成的切线擦伤和累积碰撞损伤。为了更好地解决土薯分离和保证马铃薯品质，国内外学者对分离机构进行了深入研究[3-4]。目前分离方式主要有栅条分离筛式、抛掷轮式、振动铲式3种形式。

栅条分离筛应用较多，适应于大中型收获机，具有结构简单和稳定性高的特点。分离筛在结构上设计差异较大，有斜置平输送、两级分离前置振动、两级分离后置振动、两级分离加振动，振动结构有振动筛和摆动筛2种。主要零件包括杆式升运链、驱动辊、张紧轮、振动轮等组成，主要工作原理为土薯混合物在导流升运链作用下，进入振动位置，通过强制或被动振动方式带动杆式分离筛运动，迫使土薯混合物产生上下振动，使其破碎，小于杆条间隙的土块或杂物会通过分离筛掉落田间，经过多级缓冲振动和输送后，马铃薯分离干净后聚拢掉于地表或收集箱，升运链中的杆条直径一般为8～12 mm，根据马铃薯的三轴尺寸特征分析，杆条间距一般设置为40 mm，为了减少振动对马铃薯表皮的损伤，振幅一般设置为15～60 mm，能够更好地破碎土块、筛分碎土。

根据地区土壤及地形差异，我国科研人员在分离机构的设计及理论分析上做了大量研究[5-6]。张兆国等[7]针对云南黏土条件，设计了一种多级分离缓冲马铃薯收获机，根据土薯分离段的运动规律，确定了微波浪形分离机构的主要结构参数，并对马铃薯运动过程中的受力和碰撞过程进行了分析，揭示了马铃薯回流和顺流现象原因及破碎效果。魏忠彩等[8]针对马铃薯机械损伤率较高等问题，将振动与波浪结合与改进，并建立了振动分离段和波浪分离段的运动特征和薯块受力分析。谢胜仕等[9]为阐明摆动分离筛分离机理、结构与工作参数，应用响应面试验法，以筛面倾角、曲棍转速、机器前进速度，分析不同因素水平下马铃薯相对分离筛位移的影响和分离筛性能，得到了最优筛面倾角一般为21.1°、曲柄转速为230 r/min、机器前进速度为2.03 km/h。

振动铲式一般应用在小地块作业环境中，其主要特点是动力需求小、整机结构紧凑。主要由振动架、调节手柄、传动轴、后挂架、偏心轮、分离筛、铰接臂构成。其工作原理主要为通过空间连杆机构带动振动架沿铰接点做前后、上下往复摆动，在摆动过程中将土壤破碎并沿分离筛间隙落下，被分离后的马铃薯块茎被推向后方，最后铺放在田间。吕金庆等[10]针对丘陵山地地块小、坡度大等问题，设计了一种振动式马铃薯挖掘分离机，对分离筛的位移运动规律进行了简化，并建立了分离筛的位移、速度、加速度方程，揭示了振动分离机理。并通过田间试验得到了传动轴转速、分离筛角度、水平位置等因素对明薯率和伤署率的影响规律，得到了振动分离筛最佳工作参数为偏心轮转速为240 r/min、分离筛角为60°时，分离效果最好。戴飞等[11]通过正交试验法对振动式阶梯铲状马铃薯收获机的作业参数进行了优化，得到了前进速度、挖掘深度、曲柄偏心距分别为0.55 m/s、210 mm、6 mm，伤署率和损失率最低，明薯率最高。

抛掷轮式分离机构结构简单、质量轻，不易壅堵，适合在黏重土壤、杂草较多条件下作业，确定是埋薯率较多，伤薯严重，需及时人工捡拾。主要结构为旋转轮，并布有若干弧形指杆，作业时，旋转轮在拖拉机前进方向的垂直平面内作圆周运动，其转速一般为3～4 m/s。当运动至一定位置时掉落沿导向槽落到地表，完成收获过程。在圆周轮上的拨齿一般有刚性和铰接两种连接形式，拨齿的结构有圆柱和圆锥两种[12]。

1.2 作业存在的问题

土薯分离不彻底、伤薯率较高，严重影响马铃薯品质和经济价值。秧薯分离研究较少，易出现杂草、秧蔓缠绕堵塞等现象。分离机构主要部件系列化、标准化不够，开发成本较高，垄距调节性差，整机结构庞大、质量高，可靠性差，新材料及工艺研究较少。马铃薯联合收获机由于体积、质量、功率大，且购买、维修成本高，配件供应较少，不适应我国丘陵山地作业。

2 结构与工作原理

该机主要有挖掘铲、敲打杆、转动轴、拉杆I、拉杆II、栅条、驱动辊、激振轮、拉杆III、链轮等组成，具体结构见图1。

图1 分离机构示意图Fig.1 The schematic diagram of separation mechanism

首先挖掘铲将土薯一起铲起，沿着铲面提升至栅条上方，通过四杆机构带动敲打杆进行往复运动，将土薯进行第一次破碎，之后随着栅条运动将土薯进行分离和提升，提升至中间部位时激振轮转动的过程中，会迫使输送栅条链产生上下周期性波动，在跌落过程中产生冲击碰撞，使土薯块进行二次破碎，之后土块通过间隙掉落，薯块则通过提升和间隙土块掉落归框或掉落地面。本结构中所有栅条和敲打杆采用橡胶材料制作，可有效降低马铃薯的碰撞损伤，同时提高了薯土分离效果。

3 主要参数确定

栅条间距对漏薯率和含杂率有重要影响，主要受马铃薯的品种和块茎大小决定。亚洲和欧洲的栅条间距一般分别为30～40 mm、40～48 mm。我国西南地区马铃薯品种多为扁圆形紫薯，为了能够有效分离土壤、保证薯块不掉落，需对当地主流马铃薯品种的外形尺寸进行测量和统计分析，使栅条间距小于薯块平均厚度。经统计分析得到紫薯的厚度一般在25～90 mm，平均厚度为55 mm，因此，本文中设计栅条间距为35 mm，栅条为直径6 mm，材料为内芯圆钢外圈橡胶，能够有效减小栅条对马铃薯造成机械损伤。

4 运动分析

马铃薯在收获时水分极高，含水率一般都＞60%，极易受外力产生表皮或内部损伤，严重影响品质和贮存时间[13]。栅条链在升运过程中土薯分离效率与其速率有很大关系，其速率过高，去土效果明显，但易造成表皮损伤，而速率过低，则会去土效果减弱，分离不彻底。马铃薯在栅条分离链上的运动受力见图2。对其进行分析，假设薯块作匀速运动，则平衡方程如式（1）所示。

式中：P——马铃薯的提升力，N；F——栅条链的支撑力，N；G——马铃薯的重力，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——分离装置的倾角，°；μ——土薯在栅条链上的摩擦系数。

由上式分析得到式（2），由此发现分离装置的倾角与材料的摩擦系数有一定关系，如果倾角过大，会造成土薯升运不上去，产生壅堵，如果倾角过小，土薯与栅条链之间的摩擦不够，不能产生有效的碰撞，去土效果不佳。一般倾角≤30°。

5 总结

（1）分离清选装置是马铃薯收获机的重要组成部分，本文针对西南黏重土壤特性，设计了一款土薯分离机构，通过往复圆弧敲打，对土壤进行第一次破碎，之后通过栅条链将薯块提升和去土，并通过激振器，迫使栅条链上下周期振动，对土薯进行二次破碎。

（2）利用SolidWorks对分离机构进行三维建模，并确定了主要零件的结构参数，分析了土薯的运动规律。