振动挤压式荸荠收获机的设计与试验

摘要 针对旱收荸荠（Eleocharis dulcis）时人工劳动强度大、作业效率低和果土分离困难的问题，设计了一种振动挤压式荸荠收获机。通过对作业过程中荸荠土块的受力分析，确定了影响分离性能的关键参数为振动板振幅、振动板振频和钉齿辊转速，并根据已有经验初步确定关键参数取值范围。以振动板振幅、振动板振频和钉齿辊转速为影响因素，以土层破碎率为评价指标，利用Design-Expert 10.0 设计CCD 中心组合试验，通过Recur‐Dyn-EDEM 耦合进行仿真，确定当振动板振幅为33.04 mm、振动板振频6.63 Hz、钉齿辊转速336.72 r/min 时，存在较优破碎效果，土层破碎率为93.58%。以振动板实际振幅32.41 mm、振频6.5 Hz，钉齿滚转速330 r/min进行田间验证试验，结果显示，实际土层破碎率93.54%、明荠率80.33%、损伤率28.08%，碎土效果好，与仿真结果拟合度高。试验结果表明，通过增强土层破碎效果进而提高果土分离程度，使得分离后的荸荠抛撒在表层，便于人工捡拾。

关键词 荸荠； 收获机械； 振动挤压破碎； RecurDyn-EDEM 耦合仿真

中图分类号 S225.7 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2024）02-0205-10

荸荠（Eleocharis dulcis）又名马蹄，营养价值丰富，广泛种植于我国南方及东南亚，我国种植面积约5 万hm2，年产量超80 万t，主要种植于广西、安徽及湖北等地［1-2］。当前荸荠收获主要有水收和旱收2 种形式，其中，人工手持高压水枪采挖属于现阶段主流收获方式，旱收多为人工利用专用齿锹挖掘作业［3］，2种方式均存在劳动强度大、作业效率低的问题，且利用高压水枪采收的荸荠存在难保存、口感变差的问题［4］。研制高效可靠的旱收荸荠收获机显得尤为重要。

国外荸荠总种植面积较小，美国夏威夷的SteveHopkins 研究了一套在种植池底铺设衬网的荸荠栽培技术，主要依靠高压水枪冲刷配合人工拽拉栽培衬网进行收获［5］。国内华中农业大学、东北大学秦皇岛分校、陕西科技大学和安徽农业科学院等科研院校关于荸荠收获机的研究主要分为3 类：一种为利用高压水枪冲刷，配合捞取装置进行采收作业的水收荸荠收获机［6］，此种方式作业效率高、损伤率低，但明荠率低且荸荠果实不易保存，适合小区块荸荠收获作业；第二种为利用土壤液化原理进行泥果分离［7］，再通过打捞装置对荸荠进行打捞，该机对田间土壤含水率要求严格，更适用于提前灌田的田块；第三种为利用挖掘铲先挖掘，后运用输送筛分离的旱收荸荠收获机［8］，此种方式作业效率高，但果土分离效果不佳，明荠率低，适合规模化种植收获作业。

本研究主要针对现有的旱收荸荠收获机果土分离差的问题，设计了一款振动挤压分离式荸荠收获机，以有效解决黏重土壤破碎问题为导向，以提高果实挖净率及降低损伤率为目标［9］，对关键部件进行优化设计，并通过田间试验考察振动板振频、钉齿辊转速和振动板振幅对机具的土壤破碎性能的影响，为旱收荸荠收获机优化设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 机具结构与工作原理

振动挤压分离式荸荠收获机主要由振动式挖掘铲、一级振动输送筛、振动挤压分离装置、二级输送筛等装置组成，其中振动挤压分离装置由振动板和钉齿辊等组成（图1）。其外形尺寸为2 400mm×1 000 mm ×1 000 mm（长×宽×高），整机质量约为463 kg，配套动力为51.5～66.2 kW 拖拉机，配套形式为三点悬挂，作业幅宽为900 mm。