孫傳祝，魏忠彩，蘇國粱，楊 平，李學強，王法明，王相友

(1.山東理工大學 a.機械工程學院；b.農業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255091；2.山東省馬鈴薯生產裝備智能化工程技術研究中心，山東 德州 253600；3.中國農業(yè)大學 工學院，北京 100083；4.山東希成農業(yè)機械科技有限公司，山東 德州 253600；5.淄博市農業(yè)科學研究院，山東 淄博 255033)

0 引言

馬鈴薯糧菜兼用，營養(yǎng)豐富，產品附加值高，國內種植面積居世界首位[1-2]。但是，目前馬鈴薯收獲裝備無法滿足產業(yè)化需求，其機械化收獲水平遠低于小麥、玉米和水稻等主要糧食作物。農業(yè)部啟動“馬鈴薯主糧化”戰(zhàn)略之后，對馬鈴薯收獲裝備提出了更高要求。

但是，現(xiàn)有設備的收獲效率低、傷薯率和破皮率高，較差的薯土分離效果和較高的傷薯率是制約馬鈴薯收獲機高效、可靠工作的技術瓶頸[3-4]。據統(tǒng)計，馬鈴薯總損傷量的70%來自于收獲環(huán)節(jié)，收獲過程中機具的前進速度和土壤的含水率均影響著馬鈴薯塊莖的損傷。國內對馬鈴薯收獲機械的技術要求是：明薯率≥95%，傷薯率≤5%，損失率≤5%[5-6]。

目前，國內主要采用分段式收獲，桿條式分離篩是目前國內外馬鈴薯收獲機具中廣泛采用的結構形式[7]。收獲作業(yè)后馬鈴薯被散置于地面，然后再進行人工撿拾，作業(yè)效率較低，勞動強度大[8-9]。馬鈴薯收獲機從挖掘、薯土分離到薯秧分離各個環(huán)節(jié)輸送距離較長，薯塊翻滾次數(shù)較多，碰撞、摩擦甚至擠壓導致傷薯率較高。桿條式分離裝置一般通過設置抖動輪的方式來抖落泥土，加大振動幅度可提高分離效率，但傷薯率則隨著振動幅度的加大而趨于嚴重。因此，薯土分離效果與抖動裝置對馬鈴薯的損傷相互矛盾、難以兼顧[10]。另外，桿條式分離裝置收獲作業(yè)一段時間后，桿條上會附著一定厚度的泥土，有學者專門設計了橡膠圓輥式清土裝置，泥土清理效果較好[11]。

在馬鈴薯收獲與撿拾裝備研究方面，一些學者做了相關研究[5,12-13]。目前，如何合理調控壟上壓力，提高薯土分離效果，合理控制薯土挖掘量，進一步提高收凈率和明薯率，最大限度地降低傷薯率和破皮率，是設計和改進馬鈴薯收獲機械的關鍵所在[14]。本文針對現(xiàn)有馬鈴薯收獲機存在的問題，從壟上壓力調整、切土調整、挖掘調整和薯土分離調整等高效低損關鍵技術入手進行改進，以期保證良好的薯土分離效果，且損失率低、破皮率低、含雜少。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

馬鈴薯收獲機主要由機架、壟上壓力調整裝置、切土調整裝置、挖掘調整裝置及薯土分離裝置等組成，如圖1所示。沿著馬鈴薯收獲機的前進方向，機架從前到后設有前、中、后3條橫梁。壟上壓土調整裝置安裝于機架的前橫梁與中橫梁之間的下方，其圓柱形壓土輪對應壓在凸起的馬鈴薯薯壟上，兩側中橫梁下方對稱安裝有切土調整裝置；壓土輪背向馬鈴薯收獲機前進方向的后下方安裝有挖掘鏟，自挖掘鏟鏟面至收獲機前進方向的最后端設有薯土分離裝置。

1.壟上壓力調整裝置 2.傳動裝置 3.挖掘調整裝置 4.地輪 5.薯土分離裝置 6.機架 7.切土調整裝置

1.2 工作原理

收獲過程中，馬鈴薯收獲機在拖拉機的牽引下向前運行。壓土輪對應壓在薯壟上，既限制挖掘深度，又達到松離薯土之目的。切土裝置可將薯壟與地面切斷，不僅便于上土、減小上土阻力，同時還可切斷秧蔓，便于挖掘和薯秧分離。

隨著收獲機的前行，挖掘調整裝置將對應位于薯壟兩側的一對切土盤切開后的薯壟整個挖取起來，并輸送到薯土分離裝置的分離篩上面。薯、土、秧的混合物隨著桿條式分離篩的工作段由前向后運動，土壤穿過分離篩的桿條間隙不斷落下，秧蔓則被抽秧裝置分離出去，分離干凈的馬鈴薯擺放在地面上。

2 關鍵零部件改進設計

2.1 壟上壓力調整裝置

壟上壓力自動調整裝置主要由U形架、擺動架、擺臂、壓土輪、懸掛架和液壓缸等組成，如圖2所示。兩個U形架分別相對于兩組切土調整裝置對稱固定在前橫梁下方，擺動架前端兩側各向下伸出一凸耳，并分別鉸接在U形架兩側面前端；兩個擺臂的一端分別固定在擺架兩側的下邊緣處，向后伸出的另一端裝在壓土輪軸的兩端。槽形懸掛架一端固定在中橫梁前側，且設有鉛垂方向的長槽；兩個液壓缸的缸體分別鉸接在懸掛架的長槽內，液壓缸的缸桿末端鉸接在擺動架上。

當遇到薯壟凹凸不平、土壤疏松程度不一時，通過液壓缸缸桿的伸縮帶動擺動架和擺臂上下擺動，使得壓土輪處于浮動狀態(tài)下工作，以自動調整收獲機對薯壟的壓力，既達到薯土松離的效果，又可避免壓潰薯壟而導致傷薯；通過調整液壓缸缸體在長槽內的不同位置來控制壓土輪施加于薯壟上的作用力，解決了因收獲機自身質量過大易壓潰薯壟而造成傷薯的問題；改變銷軸的不同位置，也可輔助調整壓土輪施加于薯壟上的作用力。另外，對于收獲期降雨量大、含水率較高的地塊，壟上壓力調整裝置可有效避免薯壟過度“下陷”。因此，該設計提高了馬鈴薯收獲機對不同地塊、不同馬鈴薯品種的適應能力。

1.壓土輪 2.中橫梁 3.懸掛架 4.連接臂 5.擺臂 6.液壓缸 7.U形架 8.擺動架 9.前橫梁

2.2 切土驅動裝置及調整原理

2.2.1 切土驅動裝置

切土裝置由立柱、切土盤、擺動桿、調整桿和切土驅動裝置等組成。其中，切土驅動裝置包括驅動盤和抓地爪，如圖3所示。

1.彈簧 2.調整桿 3.中橫梁 4.切土盤 5.立柱 6.抓地爪 7.壟上壓力調整裝置 8.擺動桿 9.銷軸 10.驅動盤

安裝于中橫梁下方的立柱朝著前進方向傾斜的下端設有扇形槽，扇形開口的最低點處設有限位釘；擺動桿的一端安裝在扇形槽的孔內，另一端與安裝有切土盤的銷軸中部鉸接；調整桿的下端與銷軸鉸接，外圓套有彈簧后，向上的伸出端穿過立柱上端的連接板后裝有螺母。同一組切土裝置的兩片切土盤之間靠近切土盤處對稱裝有兩組切土驅動裝置，其驅動盤外圓柱面上沿徑向均勻設有多個沉孔，且各沉孔內裝有抓地爪。

2.2.2 切土調整原理

更換地塊或收獲不同品種的馬鈴薯時，改變圖2中液壓缸的供油壓力大小即可改變壓土輪相對于橫梁(即相對于馬鈴薯收獲機機架)的高低位置，從而改變了切土盤相對于橫梁的高低位置，最終改變了切土盤的切土深度。

擰動調整桿上端的螺母，也可改變切土盤相對于馬鈴薯收獲機機架的高低位置，即達到單獨調整切土深度之目的。但由于擰動螺母的同時，還改變了彈簧的壓縮程度，因此單獨調整切土深度的幅度相對較小。收獲過程中，若切土盤遇到石塊等堅硬雜物時，切土盤將通過調整桿壓縮彈簧向上抬起，以避免損壞切土盤。

由于切土盤同軸安裝有切土驅動裝置，且其抓地爪端部呈圓錐形，增大了與地面之間的附著力，收獲過程中可驅動切土盤始終處于正常轉動狀態(tài)，徹底解決了現(xiàn)有馬鈴薯收獲機作業(yè)過程中切土盤的時斷時續(xù)轉動問題，確保秧蔓和雜草切割順暢，提高了切土效率和馬鈴薯收獲機的工作可靠性。

2.3 挖掘調整裝置

挖掘調整裝置由機架Ⅰ、機架Ⅱ、挖掘裝置和深度自動調整裝置等組成，如圖4所示。

1.吊架 2.連接臂 3.機架Ⅱ 4.立板 5.側挖掘鏟 6.后橫梁 7.中挖掘鏟 8.液壓缸 9.中橫梁 10.前橫梁 11.連接橋 12.銷軸

其中，機架Ⅰ包括橫梁、連接臂和立板等；挖掘裝置包括側挖掘裝置和中挖掘裝置；深度自動調整裝置包括液壓缸、吊架、連接橋和銷軸等。連接橋的兩U形側邊分別與固定在前橫梁兩端的連接件鉸連，一端固定在牽引架下方的吊架鉸接在連接橋U形底邊中點處，機架Ⅰ的后橫梁與機架Ⅱ的后橫梁Ⅳ的中點處鉸接。兩個液壓缸一端分別鉸接在機架Ⅰ上，另一端分別鉸接在機架Ⅱ上。側挖掘裝置對應于薯壟，以完成正常挖掘作業(yè)；中挖掘裝置對應于兩薯壟之間的“壟溝”位置，以便將與該收獲機配套使用的側輸出收獲機收獲、擺放于“壟溝”的薯塊收集、輸運至薯土分離裝置。機架Ⅰ通過鉸接在連接橋U形底邊的回轉軸和穿過后橫梁的回轉軸鉸接在機架Ⅱ上。

在收獲地表具有一定側向傾斜角度的地塊時，兩側由拖拉機的液壓系統(tǒng)供給液壓油的液壓缸可自動調整機架Ⅰ與機架Ⅱ的相對位置，即始終保持與地表的傾斜程度一致，保證安裝在橫梁Ⅰ上的壓土調整裝置、切土調整裝置及挖掘裝置也實現(xiàn)同步實時調整，且兩側的挖掘深度始終一致，從而可有效解決因地表傾斜而導致的傷薯以及整機自平衡等問題。

2.4 薯土分離裝置

2.4.1 振動強度可調式薯土分離裝置

振動強度可調式薯土分離裝置由機架、分離篩和振動調節(jié)裝置組成。其中，振動調節(jié)裝置包括液壓馬達、偏心輪、連桿、搖臂、擺動軸、擺動架和膠輪，如圖5所示。

1.搖臂 2.擺動軸 3.連桿 4.偏心輪 5.液壓馬達 6.支座 7.機架 8.分離篩 9.擺動架 10.膠輪

支座固定在機架一側的立板上，液壓馬達安裝在支座靠近機架的一側，其輸出軸穿過支座后的伸出端裝有偏心輪；擺動軸兩端安裝在機架兩側的立板上，搖臂的一端固定在擺動軸穿過機架立板后的伸出端上，另一端與連桿的一端鉸接，連接的另一端套裝在偏心輪上；3個V形擺動架的V形頂點均勻固定在擺動軸上，V形末端各裝有膠輪。

當遇到不同土壤類型、不同馬鈴薯品種對分離篩的振動強度需求有所差異時，通過調整液壓馬達的供油壓力即可調整振動調節(jié)裝置的振動頻率；通過改變銷軸在搖臂的不同孔的鉸接位置，即可實現(xiàn)振幅的調節(jié)。因此，解決了傳統(tǒng)馬鈴薯收獲機薯土分離裝置的振幅、頻率調節(jié)受限的問題，進一步提高了馬鈴薯收獲機對不同地塊、不同馬鈴薯品種的適應能力。

2.4.2 波浪式薯土分離裝置

波浪式薯土分離裝置由機架、分離篩、主動輥、從動軸、支承膠輪、壓篩輪和自動調整機構等組成。其中，自動調整機構包括液壓缸、液壓鎖、連桿和擺動桿，如圖6所示。

1.支承膠輪 2.機架 3.液壓缸 4.主動輥 5.分離篩 6.壓篩輪 7.連桿 8.擺動桿 9.液壓鎖 10.從動軸

從動軸和主動輥兩端均支承在機架兩側壁上，并分別位于收獲機前進方向的前端和后端，機架兩內側壁位于主動輥和從動軸之間分別均勻裝有多個支承膠輪。4個擺動桿一端分別對稱鉸接在機架兩外側壁上，另一端分別鉸接在兩個連桿兩端，連桿的另一端分別與液壓缸的缸桿端部鉸接，液壓缸缸體分別鉸接在機架兩外側壁上，液壓缸與液壓鎖連通；升降架的U形底面朝上對稱套裝在鉸接于機架兩側的擺動桿上部，且升降架的U形內側底面均與安裝在擺動桿中部的滾輪貼合，壓篩輪分別安裝在升降架的U形側壁上。連接成環(huán)狀的分離篩掛在主動輥和從動軸上，位于主動輥和從動軸之間的上段分離篩分別承托在支承膠輪上方，且被壓在壓篩輪下方。

由于將薯土分離裝置設計成波浪形，挖掘后粘性較強的土壤時，馬鈴薯及土塊、秧蔓混合物經過波峰與波谷之間的“翻滾”過程而實現(xiàn)碎土，同時有助于秧蔓在上下、前后運動過程中下落，提高了土壤、秧蔓的篩分效率；由于液壓缸和液壓鎖配合使用，使得波浪幅度大小可調，既能收獲粘性土壤，又可收獲中性土壤地塊的馬鈴薯。因此，可有效解決目前馬鈴薯收獲過程中篩分效率不高、破皮率較高的難題，進一步提高了馬鈴薯收獲機對不同土壤地塊、不同馬鈴薯品種的適應能力。

3 結論

1)當遇到薯壟凹凸不平、土壤疏松程度不一時，由于液壓缸缸桿的伸縮帶動擺動架和擺臂上下擺動，使得壓土輪處于浮動狀態(tài)工作，既松離薯土，又可避免壓潰薯壟而導致傷薯。

2)增設的切土驅動裝置可有效保證收獲過程中切土盤始終處于正常轉動狀態(tài)，徹底解決了現(xiàn)有馬鈴薯收獲機作業(yè)過程中切土盤的時斷時續(xù)轉動問題，確保秧蔓和雜草切割順暢，提高了切土效率和馬鈴薯收獲機的工作可靠性。

3)當收獲地表具有一定側向傾斜角度的地塊時，兩側液壓缸可以自動調整機架Ⅰ與機架Ⅱ的相對位置，保證壓土調整裝置、切土調整裝置及挖掘裝置實現(xiàn)同步實時調整，從而始終保證兩側的挖掘深度的一致性，有效解決了因地表傾斜而導致的傷薯、整機自平衡及能耗較高等問題。

4)當收獲不同土壤類型、不同馬鈴薯品種時，可自動調整振動調節(jié)裝置的振動頻率和振動幅度。挖掘后粘性較強的土壤時，由于采用可調節(jié)的波浪形薯土分離裝置，馬鈴薯及土塊、秧蔓混合物經過波峰與波谷之間的“翻滾”過程而實現(xiàn)碎土，提高了土壤、秧蔓的篩分效率。因此，本設計可有效解決目前馬鈴薯收獲過程中篩分效率不高、破皮率較高的難題，進一步提高了馬鈴薯收獲機對不同土壤地塊、不同馬鈴薯品種的適應能力。