李 濤，周 進(jìn)，徐文藝，李青龍，張 華，秦喜田，李 娜，李維華，郭大勇

（山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100）

0 引 言

中國是世界上最大的甘薯生產(chǎn)國，種植面積及產(chǎn)量均居世界首位，根據(jù)世界糧農(nóng)組織統(tǒng)計，常年種植面積約占世界甘薯種植面積的 56%，年總產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的 80%，在國內(nèi)是僅次于水稻、小麥和玉米的第四大糧食作物[1-3]。盡管中國是甘薯作物生產(chǎn)大國，但甘薯機(jī)械化生產(chǎn)水平與發(fā)達(dá)國家相比，還落后很多，尤其是勞動強(qiáng)度大、需要人工多的收獲作業(yè)，嚴(yán)重制約著甘薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，發(fā)達(dá)國家甘薯機(jī)械化收獲以聯(lián)合收獲為主，收獲機(jī)械運(yùn)用了大量的高新技術(shù)，如采用振動、液壓技術(shù)進(jìn)行挖掘，采用氣壓、氣流、光電技術(shù)進(jìn)行碎土和分離，采用傳感器技術(shù)控制挖掘深度、甘薯傳運(yùn)量以及分級裝載，利用微機(jī)進(jìn)行監(jiān)控操作等。

目前，國內(nèi)薯類收獲機(jī)械以小型為主，動力要求不高，收獲效率相對國外機(jī)械較低，功能單一，適合在小地塊作業(yè)，市場上很少有大中型產(chǎn)品。甘薯收獲機(jī)多采用馬鈴薯收獲機(jī)上的一些成熟技術(shù)進(jìn)行設(shè)計生產(chǎn)，沒有根據(jù)甘薯自身生長狀況，找出適合甘薯收獲的最佳方法。同時，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)與智能化裝備研究在國內(nèi)還處于起步階段。推動現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、液壓電子控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)裝備上的廣泛應(yīng)用是今后一段時間的重點[4-8]。

因此市場迫切需要研制出一種工作穩(wěn)定可靠、明薯率高、傷薯率低、生產(chǎn)效率較高的寬幅甘薯收獲機(jī)械，同時提高甘薯收獲機(jī)械的智能化水平，把液壓技術(shù)、傳感器信號采集技術(shù)和微處理器控制技術(shù)等糅合到甘薯收獲作業(yè)實踐中。

為此，本文采用掘起物減堵設(shè)計，研究設(shè)計一種適用于兩行作業(yè)的甘薯收獲機(jī)，以解決壅土堵塞和雜草纏繞問題，提高工作效率；采用兩級土薯分離裝置，以進(jìn)一步提高土薯分離效果；采用自動對行裝置，運(yùn)用電液技術(shù)使挖掘位置始終對準(zhǔn)壟的中間位置；采用自動挖深調(diào)控裝置，有效地實現(xiàn)收獲機(jī)挖掘深度的精確控制。同時進(jìn)行田間試驗，以對比設(shè)計機(jī)型和傳統(tǒng)機(jī)型在不同試驗條件下明薯率、傷薯率、破皮率、可靠性和生產(chǎn)率等各項性能指標(biāo)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

4UGS2型雙行甘薯收獲機(jī)，主要由機(jī)架及牽引和地輪裝置、切土裝置、挖掘裝置、壓草輪裝置、土薯分離輸送裝置、傳動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等部件組成。機(jī)架及牽引和地輪裝置其地輪與機(jī)架相對位置可以調(diào)整，以改變土薯分離裝置工作角度；切土裝置用于切開土壤及薯秧雜草，以防壅土和纏草；挖掘裝置可繞固定軸旋轉(zhuǎn)，以改變挖掘深度；壓草輪裝置可及時反向排出通過挖掘鏟的莖葉及雜草；土薯分離輸送裝置用于物料的分離和輸送；傳動系統(tǒng)由拖拉機(jī)提供動力，動力經(jīng)機(jī)架前傳動軸連接座、機(jī)架后變速箱總成傳遞到土薯分離輸送裝置[9-13]；電控系統(tǒng)包括自動對行裝置和自動挖深調(diào)控裝置，自動對行裝置和自動挖深調(diào)控裝置可實時準(zhǔn)確地控制挖掘機(jī)構(gòu)的挖掘位置和挖掘深度。整機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 4UGS2 型甘薯收獲機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of 4UGS2 type double-row sweet potato harvester

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

4UGS2型甘薯收獲機(jī)與拖拉機(jī)的連接方式為牽引式，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 4UGS2 型甘薯收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of 4UGS2 sweet potato harvester

2 主要部件設(shè)計

2.1 挖掘機(jī)構(gòu)及自動挖深調(diào)控裝置

2.1.1 挖掘機(jī)構(gòu)設(shè)計

甘薯收獲機(jī)挖掘部件的主要性能指標(biāo)是能否以最少的鏟土量挖掘薯壟、撿拾薯塊、松碎土壤，在克服阻力的基礎(chǔ)上消耗最少的能量，并將鏟起物傳送到分離機(jī)構(gòu)上[14-16]。甘薯體形大、質(zhì)量大、生長深、結(jié)薯范圍寬的自身生理性狀決定了其機(jī)械化收獲的難度。與馬鈴薯相比，甘薯平均質(zhì)量超過250 g，生長深度約20～28 cm，這就要求甘薯收獲機(jī)挖掘深度要大于30 cm，并能根據(jù)結(jié)薯深度和地面狀況進(jìn)行挖掘深度的調(diào)整，同時整機(jī)功率消耗要增大，挖掘部件強(qiáng)度要增大。挖掘機(jī)構(gòu)及自動挖深調(diào)控裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 挖掘機(jī)構(gòu)及自動挖深調(diào)控裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of digging mechanism and automatic digging control mechanism

多鏟片組合式挖掘部件因制造互換性和作業(yè)性能上的優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用，但組合式挖掘鏟片大多以整體橫梁為支撐，鏟片間隙處橫梁所造成的迎土面，會阻斷土壤順暢流動，并造成秧莖或雜草搭纏，從而導(dǎo)致作業(yè)阻力增大，引起掘起物擁堵[17]。4UGS2型甘薯收獲機(jī)挖掘機(jī)構(gòu)采用彎管下支撐式組合挖掘鏟，即彎管前端連接挖掘鏟，后端焊接在軸套上，軸套空套在機(jī)架下部固定軸上，可有效避免鏟片間隙處的迎土面，并消除了挖掘鏟或其支撐橫梁與機(jī)架側(cè)板的連接，減少了觸土部件及迎土面，減輕了掘起物的擁堵問題。同時，挖掘鏟采用前伸結(jié)構(gòu)，機(jī)架側(cè)板工作時有一定的離地高度，減輕了其迎土面與土壤存在的正面推壓，同時配合有切土裝置和壓草輪裝置，可及時切開土壤和防止莖桿回纏，有效降低工作阻力，防止挖掘鏟堵塞。

挖掘鏟采用平面鏟結(jié)構(gòu)，單壟配三把鏟刀，其受力圖如圖3所示。挖掘鏟的水平傾角α的理論值可由圖中對掘起物作用力的平衡方程式（1）～（2）確定。

式中T為鏟面對掘起物的摩擦力，N，T=f R，f為土壤對鏟的摩擦系數(shù)。由式（1）、（2）得式（3）。

α 增大有利于破碎土塊，但鏟的工作阻力將增加，由于挖掘機(jī)構(gòu)有挖深調(diào)控功能，即挖掘鏟根據(jù)地面狀況可繞固定值旋轉(zhuǎn)，挖深可變范圍為220～380 mm，相應(yīng)的α角變化范圍為21°～30°，挖掘鏟的防堵設(shè)計可保證挖掘角度在數(shù)值變化較大時挖掘效果變化不大，同時大挖掘角度可以使土塊進(jìn)一步被壓碎。挖掘鏟的總長度可由式（4）確定。

式中l(wèi)為挖掘鏟的總長度，mm；取h1=200 mm；V為機(jī)器前進(jìn)速度，m/s，取V=1.4 m/s；φ為土壤對鋼的摩擦角，一般φ取30°～36°。根據(jù)對平面鏟的研究，當(dāng)α取值范圍為21°～30°時，挖掘鏟的最佳長度為350～400 mm。根據(jù)甘薯收獲條件與機(jī)具結(jié)構(gòu)特點，最終取l=375 mm。

圖3 挖掘鏟受力示意圖Fig.3 Force analysis of digging shovel

防石柵鉸接在挖掘鏟上，單片挖掘鏟配兩片防石柵。防石柵在挖掘鏟工作時與其在一個平面上，可有效增大挖掘深度；當(dāng)收獲機(jī)下部有石塊通過挖掘鏟與升運(yùn)鏈間隙或者升運(yùn)鏈有石塊回帶時，防石柵可繞其連接銷向上翻轉(zhuǎn)，從而使挖掘鏟與升運(yùn)鏈之間間隙增大，以防止石塊堵塞損壞挖掘鏟和升運(yùn)鏈。

鏟刃張角γ 的大小必須使莖稈和雜草能沿刃口滑切。其取值必須適中，如果過大，莖稈和雜草便不能被切斷，引起挖掘鏟堵塞；過小時，鏟的強(qiáng)度和剛度都要降低，則必須增加鏟的長度，這樣工作阻力將增大。鏟刃張角γ 一般為 80°～100°?？紤]到甘薯收獲挖掘深度較大，對鏟齒強(qiáng)度要求較高，同時單壟配 3把鏟刀的結(jié)構(gòu)可以取較大的鏟刃張角，取鏟刃張角γ =100°。

2.1.2 自動挖深調(diào)控裝置設(shè)計

國內(nèi)大多數(shù)中小型薯類收獲機(jī)都采用了固定式的挖掘部件，挖掘深度調(diào)整不方便，不能根據(jù)地面狀況實時調(diào)整挖掘深度，傳統(tǒng)仿形方法不能較好的適應(yīng)薯類收獲機(jī)的仿形要求，存在壓實土壤、破壞仿形地表的“偽仿形”現(xiàn)象，造成挖土量增加，分離部件的負(fù)荷加重的情況，嚴(yán)重影響了土薯分離效率，并使?fàn)恳侠瓩C(jī)功率消耗增加[18-20]。在實踐生產(chǎn)中薯類收獲機(jī)對挖掘鏟深度控制的仿形裝置主要有 2種：一種采用壟頂上的滾輪，即限深輪來控制；一種是通過改變挖掘機(jī)具的懸掛角度來改變挖掘鏟的入土深度。前一種方法存在壓實土壤、破壞仿形地表的“偽仿形”現(xiàn)象，造成挖土量增加，分離部件的負(fù)荷加重的情況。后一種方法屬于機(jī)械仿形中的半自動仿形，這種方法能較大范圍的對挖掘深度進(jìn)行調(diào)整，但是其調(diào)整過程不方便，不能進(jìn)行實時仿形。

本機(jī)型對薯類收獲機(jī)挖掘深度控制的仿形裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行深入地研究，研制出一種收獲機(jī)挖掘深度仿形自動控制系統(tǒng)，仿形輪在壟溝內(nèi)工作，不壓實壟上土壤，挖掘深度可根據(jù)地面狀況自動調(diào)整，解決收獲機(jī)在作業(yè)過程中“偽仿形”和實時仿形問題。

如圖2所示，4UGS2收獲機(jī)自動挖深調(diào)控裝置，包括地面仿形控制機(jī)構(gòu)、挖掘機(jī)構(gòu)和液壓控制機(jī)構(gòu)組成，其中地面仿形控制機(jī)構(gòu)包括機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)和電子控制機(jī)構(gòu)。啟動自動挖深調(diào)控裝置開始收獲時，機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)前仿形輪5可以繞支撐橫軸7旋轉(zhuǎn)，在回位彈簧3作用下，貼緊地面，以實現(xiàn)地面高低狀況自動仿形，支撐橫軸7軸端安裝有角位移傳感器6，根據(jù)支撐橫軸7角度的變化可探測收獲機(jī)的行進(jìn)路線的高低變化和和變化量的大小，控制器根據(jù)自動檢測控制機(jī)構(gòu)輸出的支撐橫軸 7偏移量角度參數(shù)，輸出液壓電磁閥控制信號，驅(qū)動液壓油缸6的動作，液壓油缸6帶動挖掘機(jī)構(gòu)固定軸1旋轉(zhuǎn)，改變挖掘鏟齒 8的離地高度，保證快速準(zhǔn)確地調(diào)整挖掘作業(yè)的深度，有效地實現(xiàn)收獲機(jī)挖掘深度的精確控制。

自動挖深調(diào)控裝置與自動對行裝置的電子控制機(jī)構(gòu)共用控制器與顯示屏。控制器為自主設(shè)計開發(fā)，供電電壓10～36 V，采用TMS320F28335芯片，支持32位高精度浮點運(yùn)算，運(yùn)算頻率150 MHz，包括DSP控制、RS232通信、I/O輸入與輸出、模擬量輸入與輸出等模塊，可直接驅(qū)動電磁換向閥；顯示控制部分采用搭載迪文 DGUS系統(tǒng)的 7.0英寸高亮觸控屏，分辨率 800×480，友好的圖形交互界面可實時設(shè)置控制參數(shù)和顯示工作狀態(tài)；檢測傳感器均選用RTY090LVEAX角位移傳感器，防護(hù)等級IP67，12位分辨率，可測量–45°～45°范圍，將角度變化轉(zhuǎn)換為 0.5～4.5 V線性電壓信號輸出，防護(hù)性能好檢測精度高。

2.2 土薯分離輸送裝置

土薯分離輸送裝置分為兩級，安裝在機(jī)架左右兩側(cè)板之間，兩級土薯分離輸送裝置都配備有張緊機(jī)構(gòu)，一級土薯分離輸送裝置前導(dǎo)向輪上安裝有刮泥板裝置，二級土薯分離輸送裝置安裝有三頭抖動輪裝置[21-24]。土薯分離輸送裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 土薯分離輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of soil-potato separating mechanism

由拖拉機(jī)動力輸出軸提供動力，動力經(jīng)傳動軸總成、變速箱總成傳遞到土薯分離輸送裝置驅(qū)動輪和三頭抖動輪上，甘薯在第一級土薯分離裝置上受摩擦力作用進(jìn)行去土作業(yè)，在第二級土薯分離裝置上由于抖動輪的作用，土垡被進(jìn)一步的疏松、破碎，去土后的甘薯隨第二級土薯分離裝置輸送到集攏裝置，繼而掉落在地面上。

2.2.1 土薯分離輸送裝置線速度

土薯分離輸送裝置在工作時，為減小對薯塊的損傷，同時避免壅土，其線速度與機(jī)器前進(jìn)速度要有正確的配比關(guān)系[25]。國外田間和實驗室試驗表明：分離輸送裝置的線速度為1.2～2.0 m/s時，分離效率高；超過2.0 m/s后，分離效率降低。若機(jī)器前進(jìn)速度為 VP，一級分離輸送裝置線速度為Vr1，則有式（5）。

式中λ為速度系數(shù)，其取值一般為0.8～2.5。甘薯收獲機(jī)為了獲得較高的生產(chǎn)率較好的收獲質(zhì)量，其速度一般為3～7 km/h，即0.83～1.94 m/s，由于甘薯收獲機(jī)挖掘深度較大，為了保證掘起物順暢通過，設(shè)計一級分離輸送裝置線速度為1.79 m/s。掘起物經(jīng)由第一級輸送分離裝置薯土分離后，進(jìn)入第二級輸送分離裝置時，含土率相對較低，其線速度可相應(yīng)降低，但由于甘薯皮比較薄，速度降低會造成甘薯在分離機(jī)構(gòu)上停留時間加長，增加破皮率，所以第二級分離機(jī)構(gòu)速度也不能過低，設(shè)計第二級輸送分離裝置線速度為1.77 m/s。

2.2.2 三頭抖動輪裝置參數(shù)分析

三頭抖動輪裝置為主動型，可以根據(jù)不同的土壤狀況調(diào)整抖動輪轉(zhuǎn)速，改變升運(yùn)鏈抖動頻率，提高土薯分離效果和降低甘薯的破損率。抖動輪裝置結(jié)構(gòu)形式主要有圓形、雙頭形和三頭形3種[26]。3種抖動輪分別適用于不同黏度及含水率的土壤，圓形抖動輪可在干松的沙質(zhì)土壤環(huán)境中使用，在潮濕或黏重土壤中收獲時可采用雙頭、三頭輪增加升運(yùn)鏈的抖動頻率，提高土薯分離效果。

決定抖動強(qiáng)度的主要因素是抖動輪頭數(shù)、振幅、轉(zhuǎn)速和升運(yùn)鏈的松緊程度。振幅和升運(yùn)鏈的松緊程度可由固定在機(jī)架上的把手調(diào)節(jié)，振幅調(diào)整范圍 10～40 mm，振動幅度直接影響土薯分離效果及薯塊的破損程度，振幅越大，分離效果越好，但薯塊的破損率隨之增高。

抖動輪工作時，應(yīng)能保證物料拋起為基本條件，以達(dá)到更好的土薯分離效果。把物料看作是具有一定質(zhì)量的質(zhì)點，質(zhì)點是沿圓弧AB做圓周運(yùn)動，質(zhì)點受到的作用力為重力mg、離心力P1、法向反力R1和摩擦力T1，受力如圖5所示。

當(dāng)物體離開升運(yùn)器的一瞬間，R1=0，T1=0，即離心力P1的垂直分力 P2大于物料的重力 mg，為此，應(yīng)滿足式（6）。

式中P1為離心力，N；P2為離心力P1的垂直分力，N；β為二級土薯分離升運(yùn)角；ω為角速度，rad/s；r為抖動輪作用半徑，m；m為質(zhì)點質(zhì)量，kg；g為重力加速度，9.8 m/s2。

式中 n1為抖動輪轉(zhuǎn)速一，r/min；式（7）為拋起物塊時抖動輪的最低轉(zhuǎn)速，帶入原始數(shù)據(jù)計算得 n1＞100.75 r/min。

圖5 三頭抖動輪上物料受力示意圖Fig.5 Force analysis of material on three head shaking wheel

在振幅一定的情況下，抖動輪頻率是一個影響土薯分離效果的重要參數(shù)，頻率增加時，甘薯塊莖碰撞力增大，同時其碰撞次數(shù)減少但更均勻，塊莖脫泥效果好；但頻率過大會造成塊莖碰撞力超過碰撞損傷力，引起傷薯率增加。參考國內(nèi)外薯類收獲機(jī)抖動輪頻率設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)，考慮到試驗基地土壤狀況，設(shè)計采用三頭抖動輪裝置，其頻率取值范圍為 9～11 Hz。抖動輪轉(zhuǎn)速可由式（8）確定。

式中n2為抖動輪轉(zhuǎn)速二，r/min；Z為抖動輪的頭數(shù)，可得抖動輪轉(zhuǎn)速為n2= 180～220 r/min＞n1，抖動輪轉(zhuǎn)速滿足設(shè)計要求。

2.3 自動對行裝置

目前甘薯作物主產(chǎn)區(qū)大量采用壟作方式，收獲機(jī)械需要對行收獲，尤其在挖掘作業(yè)時，對設(shè)備自動對行的作業(yè)要求較高。挖掘作業(yè)時若挖掘鏟前進(jìn)方向出現(xiàn)偏差，就會漏挖、少挖，還需要人工再次挖掘，損失大、作業(yè)效率低。收獲機(jī)駕駛員為了對行行走，需不時調(diào)整前進(jìn)方向，不僅駕乘操作人員勞動強(qiáng)度高，且對行作業(yè)準(zhǔn)確性易受人為因素影響，難以保證收獲作業(yè)效果和效率[27-30]。因此，自動對行挖掘收獲技術(shù)是提高甘薯作物收獲機(jī)械自動化水平和作業(yè)性能的關(guān)鍵所在。

近幾年，國內(nèi)對薯類等根莖類作物收獲機(jī)自動對行裝置也有一定的研究，大都是通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與作物的輪廓接觸獲得偏轉(zhuǎn)信息，受作物的生長狀況影響較大，適應(yīng)性和可靠性還需要進(jìn)一步的驗證。對行裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價成本較高，僅僅停留在研究探索階段，也是影響其推廣的重要原因。薯類自動對行裝置的技術(shù)難點在于導(dǎo)向方式的設(shè)計以及控制系統(tǒng)的設(shè)計。

4UGS2型雙行甘薯收獲機(jī)自動對行裝置，以壟行截面走向為研究對象，包括自動檢測控制機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和液壓控制機(jī)構(gòu)組成，其中自動檢測控制機(jī)構(gòu)包括機(jī)械對行探測機(jī)構(gòu)和電子控制機(jī)構(gòu)。在機(jī)械對行探測機(jī)構(gòu)左右連接架上各安裝一個角位移傳感器6，傳感器觸桿5前端安裝有弧形探測板7。啟動自動對行控制系統(tǒng)開始收獲時，弧形探測板 7與壟側(cè)面接觸，控制器根據(jù)自動檢測控制機(jī)構(gòu)輸出的壟側(cè)面偏移量角度參數(shù)，輸出液壓電磁閥控制信號，驅(qū)動液壓油缸3的動作。液壓缸3帶動牽引座2的左右移動，使挖掘位置始終對準(zhǔn)壟的中間位置，實現(xiàn)薯類收獲機(jī)的自動對行功能。自動對行裝置結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 自動對行裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of auto-follow row device

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2017年10月在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院章丘市棗園鎮(zhèn)甘薯試驗基地進(jìn)行了田間收獲試驗，試驗基地土壤類型為褐土，其生產(chǎn)性能較好，適應(yīng)性寬，保水保肥，是山東省較好的一種土壤類型。單壟壟距為800 mm、收獲時壟高200 mm，壟長長度大于100 m，品種為濟(jì)薯26和北京553，壟播株距約為300 mm，結(jié)薯深度為200～300 mm，薯蔓平均長度為2 600 mm。試驗前采用人工割除方法進(jìn)行藤蔓收獲作業(yè)，保證試驗順利進(jìn)行。4UGS2型雙行甘薯收獲機(jī)配套動力為雷沃1504拖拉機(jī)，功率為110 kW。樣機(jī)和田間試驗情況如圖7。

圖7 樣機(jī)和田間試驗Fig.7 Prototype and field experiment

3.2 試驗方法

參照國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T1130-2006馬鈴薯收獲機(jī)械》規(guī)定和有關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗方法，在甘薯壟播旱地進(jìn)行收獲試驗。由于今年是第一輪樣機(jī)試制試驗，所以沒有安裝電控系統(tǒng)，即自動對行裝置和自動挖深調(diào)控裝置不進(jìn)行性能驗證，試驗按拖拉機(jī)前進(jìn)速度7.02 km/h (即1.95 m/s)、5.02 km/h (即 1.40 m/s)和 3.27 km/h (0.91 m/s)等 3種狀態(tài)進(jìn)行，其輸送分離裝置一級分離輸送裝置線速度為1.79 m/s，第二級輸送分離裝置線速度為1.77 m/s。測定甘薯收獲機(jī)純工作小時生產(chǎn)率、明薯率、傷薯率、破皮率、可靠性等 5個指標(biāo)，考查機(jī)架及牽引和地輪裝置、切土裝置、挖掘裝置、壓草輪裝置、土薯分離輸送裝置和傳動系統(tǒng)等各部件及整機(jī)的性能[31-33]。

3.3 試驗結(jié)果與分析

4UGS2甘薯收獲機(jī)在不同試驗條件下，取得的試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同試驗條件下4UGS2型甘薯收獲機(jī)的主要性能指標(biāo)Table 2 Main performance index of 4UGS2 sweet potato harvester under different test conditions

試驗結(jié)果表明：該機(jī)型對土質(zhì)濕潤、板結(jié)較少的壟作旱地適應(yīng)性較好，其切土裝置、挖掘裝置、壓草輪裝置、土薯分離輸送裝置和傳動系統(tǒng)等部件工作性能良好，明薯率、傷薯率、破皮率、可靠性和生產(chǎn)率等各項指標(biāo)均接近或達(dá)到了合格要求，同時拖拉機(jī)前進(jìn)速度是影響收獲質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。拖拉機(jī)前進(jìn)速度提高時，其明薯率降低，傷薯率升高，破皮率降低，生產(chǎn)率提高，可靠性變化不大。拖拉機(jī)行駛速度較高時，雖然生產(chǎn)率提高了，但由于單位時間內(nèi)進(jìn)入土薯分離輸送裝置的物料增加，土薯分離不徹底，造成了明薯率降低和傷薯率升高；由于進(jìn)入第二級分離裝置的物料較多，減輕了甘薯與分離鏈的摩擦，因而破皮率降低。拖拉機(jī)行駛速度較低時，雖然明薯率升高和傷薯率降低，但由于單位時間內(nèi)進(jìn)入土薯分離輸送裝置的物料減少，在二級分離機(jī)構(gòu)的末端會造成甘薯與分離輸送鏈的加劇磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致破皮率急劇增加。拖拉機(jī)前進(jìn)速度為5.02 km/h（1.40 m/s）時，一級分離輸送裝置線速度為1.79 m/s，第二級輸送分離裝置線速度為1.77 m/s時，其明薯率、傷薯率、破皮率、可靠性和生產(chǎn)率分別達(dá)到了97.40%、1.85%、1.83%、95%和0.80 hm2/h，其性能指標(biāo)符合要求，拖拉機(jī)前進(jìn)速度與土薯分離裝置速度配比關(guān)系較好。

拖拉機(jī)前進(jìn)速度和土薯分離裝置速度是影響收獲質(zhì)量的重要因素，其線速度的大小和配比關(guān)系值得深入研究。同時兩級土薯分離裝置速度配比關(guān)系也尤為重要，

本輪試驗兩級分離裝置采用了近似相等的線速度，在下一輪試驗時，可以通過進(jìn)一步優(yōu)化兩級土薯分離裝置速度配比，提高作業(yè)質(zhì)量。

3.4 4UGS2型甘薯收獲機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)型主要性能指標(biāo)對比

傳統(tǒng)機(jī)型是市場上銷售的兩行甘薯收獲機(jī)，其挖掘鏟齒采用整體式結(jié)構(gòu)，無壓草輪裝置，土薯分離輸送裝置采用一級輸送結(jié)構(gòu)，抖動輪采用被動式結(jié)構(gòu)，無自動對行裝置和自動挖深調(diào)控裝置。在上述相同的試驗條件下，選取 2臺機(jī)型的最佳工況，對比傳統(tǒng)機(jī)型和設(shè)計機(jī)型的主要性能指標(biāo)，驗證其各部件及整機(jī)的可靠性能。表3為其主要性能指標(biāo)對比試驗數(shù)據(jù)。性能對比試驗表明，由于4UGS2型雙行甘薯收獲機(jī)的挖掘機(jī)構(gòu)和土薯分離輸送裝置采用了優(yōu)化設(shè)計，其各項性能指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)型，設(shè)計機(jī)型的明薯率比傳統(tǒng)機(jī)型的明薯率提高了6.23個百分點，傷薯率降低4.11個百分點，破皮率降低3.11個百分點，生產(chǎn)率比傳統(tǒng)機(jī)型高

表3 4UGS2型與傳統(tǒng)機(jī)型主要性能指標(biāo)比較Table 3 Comparison of performances of 4UGS2 type and traditional model

0.19 hm2/h。從對比試驗的結(jié)果可以認(rèn)為4UGS2型雙行甘薯收獲機(jī)的各項性能指標(biāo)能夠達(dá)到甘薯收獲的要求，并且比傳統(tǒng)機(jī)具更適合北方土質(zhì)松軟、板結(jié)較少的壟作旱地甘薯收獲。

4 結(jié) 論

1）挖掘機(jī)構(gòu)的防堵設(shè)計可有效保證土壤順暢流動，減輕秧莖或雜草搭纏，從而降低作業(yè)阻力；兩級土薯分離裝置和主動型抖動裝置設(shè)計可以保證更有效的土薯分離效果。當(dāng)土薯分離裝置速度稍大于拖拉機(jī)前進(jìn)速度且兩級土薯分離裝置速度大小相近時，其明薯率、傷薯率和破皮率分別達(dá)到了97.40%、1.85%和1.83%，性能指標(biāo)符合收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范要求。

2）4UGS2型甘薯收獲機(jī)幅寬 1 640 mm，純工作時間生產(chǎn)率為0.50～1.10 hm2/h，可一次完成甘薯的挖掘、土薯輸送分離、薯塊后鋪放等工作，降低了勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。

3）田間試驗表明：其整機(jī)及各部件工作性能良好，拖拉機(jī)前進(jìn)速度和土薯分離裝置速度配比關(guān)系的優(yōu)化可以進(jìn)一步提高收獲質(zhì)量，設(shè)計機(jī)型的明薯率比傳統(tǒng)機(jī)型的明薯率提高了6.23個百分點，傷薯率降低4.11個百分點，破皮率降低3.11個百分點，生產(chǎn)率提高0.19 hm2/h，其整機(jī)性能和可靠性指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

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