沈公威，王公仆，胡良龍※，袁建寧，王葉萌，吳 騰，陳小冬

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京210014；2.南京工程學(xué)院，南京211167）

0 引 言

甘薯屬旋花科甘薯屬，一年生或多年生蔓生草本，又名山芋、紅薯等，因地區(qū)不同而稱謂各異。甘薯除了塊根，其葉柄和莖尖都具有很高的營養(yǎng)和利用價值。中、日、韓等國家莖尖會作為蔬菜食用，俗稱“苕葉尖”。通常將以莖尖為食用原料的甘薯稱為菜用甘薯，其莖尖稱作菜用莖尖[1-5]。

近年來，隨著中國菜用甘薯市場需求的增長，其種植面積逐年擴大。菜用甘薯莖尖產(chǎn)量可達34 500 kg/hm2[6]，且可周年可產(chǎn)，按市場均價6 元/kg 計，全國菜用甘薯市場總值預(yù)估可達數(shù)百億元，市場前景廣闊。

菜用甘薯莖尖采收頻率高，在收獲期每8 到10 天就要采收一次。為保證莖尖品質(zhì)，其采收長度及切口均有要求[7-8]。目前菜用甘薯莖尖大多為人工采收，單人每小時能夠完成采摘的面積僅為10 m2左右，用工多、勞動強度大、收獲成本高、綜合效益偏低問題十分突出，嚴重影響了農(nóng)民種植積極性，因此市場對于菜用甘薯莖尖機械收獲技術(shù)需求非常迫切[9]。

國外對于菜用甘薯莖尖收獲裝備研究呈現(xiàn)兩極化，日本對于相關(guān)裝備的研究較積極，技術(shù)相對成熟[10]。日本的機具大都是運用現(xiàn)有莖葉類作物收獲機具進行部分改裝，如日本OHIAI 公司生產(chǎn)的V8 NEWZA 1210 型雙人采摘機、日本第二產(chǎn)業(yè)株式會社生產(chǎn)的TC110E型自走式葉類收獲機，但是國外的機具不僅對農(nóng)藝要求高，機具綜合成本也很高，在中國的適用性不強，無法推廣使用。中國大陸地區(qū)對菜用甘薯種植研究始于20世紀末，近幾年已在湖北、福建、江蘇等省推廣種植，伴隨種植面積快速增長，與其配套的菜用甘薯莖尖收獲設(shè)備的研發(fā)卻剛剛起步[11]。

本文針對中國菜用甘薯莖尖需求量不斷增長而人工收獲效率低下的現(xiàn)狀，結(jié)合菜用甘薯生物學(xué)特性以及莖尖采收農(nóng)藝要求，研制出一種菜用甘薯莖尖收獲機具，并開展相關(guān)試驗研究，以期為今后中國菜用甘薯莖尖收獲裝備發(fā)展提供技術(shù)支撐[12]。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的菜用甘薯莖尖收獲機為一次性無序收獲方式，配有輪式電動自走底盤，收獲臺由撥禾裝置、切割裝置、輸送裝置、收集裝置、電控系統(tǒng)等關(guān)鍵部件組成，可一次完成菜用甘薯莖尖的撥禾、切割、輸送、收集等作業(yè)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 菜用甘薯莖尖收獲機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of harvesting mechanism for stem tips of vegetable sweet potatoes

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

菜用甘薯莖尖收獲機在工作前應(yīng)根據(jù)甘薯種植畦高和莖尖生長情況調(diào)整割臺高度，留茬高度調(diào)節(jié)為2 個枝節(jié)高度為宜。割臺過高會使切割裝置無法切割合適高度的鮮嫩莖尖，影響產(chǎn)量，過低則不能保留足夠長度的分枝，影響新葉生長。行走輪在作業(yè)時行走在畦溝內(nèi)，畦寬約為1 200 mm，作業(yè)幅寬與之匹配。工作時，行走輪、切割裝置分別由2 個電機提供動力，此外還有一個電機直接驅(qū)動撥禾裝置，同時經(jīng)鏈傳動將動力傳遞給輸送裝置，使輸送帶運動。作業(yè)時，操作者雙手握操縱桿，通過控制桿上的剎車分別控制2 個行走輪的速度，以達到操縱的方向目的，前進過程中，撥禾輪將作物撥向切割臺進行切割作業(yè)，莖尖被割下后，在撥禾輪的作用下被撥倒在輸送帶上，并由輸送帶輸送至收集裝置中，因莖尖含水率較高，整體較重，且為了保證鮮嫩，收集后需要及時轉(zhuǎn)運，從而完成莖尖收獲作業(yè)。該機主要參數(shù)如表1所示。

表1 菜用甘薯莖尖收獲機主要技術(shù)參數(shù)Table1 Main technical parameters of harvesting mechanism for stem tips of vegetable sweet potatoes

2 關(guān)鍵部件和參數(shù)設(shè)計

2.1 切割速度與前進速度比確定

切割裝置是本機的關(guān)鍵部件之一，其作用是切割甘薯莖尖，應(yīng)滿足工作效率高、作業(yè)質(zhì)量好等要求，因雙動刀往復(fù)式切割裝置作業(yè)中易實現(xiàn)高速運行，并可使動刀的每個工作行程都參與切割作業(yè)，且切割時莖桿兩切割邊幾乎同時受力，保證了切割作業(yè)效率及作業(yè)質(zhì)量，故選用雙動刀往復(fù)式切割裝置。切割裝置主要由直流無刷電機、減速器、雙偏心輪式往復(fù)機構(gòu)、上下割刀片等工作部件組成[13]。切割裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 切割裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of cutting device

為利于莖尖保鮮以及留茬的后續(xù)生長需要，切割后切口應(yīng)整齊，因此要求割刀片具有切割阻力小、割茬整齊的特點[14]。為達到此要求，割刀選擇光刃梯形割刀片。

試驗表明，菜用甘薯莖桿的摩擦角約為10°，根據(jù)夾持關(guān)系可知切割角α 為10°，符合相關(guān)要求，選定割刀片頂部寬度d 為4 mm，寬度c 為14.5 mm，根據(jù)式1 可知高度h 為30 mm。根據(jù)莖桿夾持關(guān)系及切割需要，動刀片行程S設(shè)置為17.5 mm。

收獲作業(yè)時，割刀的絕對運動可看作是割刀往復(fù)橫向運動和機器前進的縱向運動合成，所以切割速度及前進速度是影響切割質(zhì)量的重要因素。對此類問題，通常研究機器前進時，割刀完成一次往復(fù)切割的過程中，割刀的絕對運動軌跡，并對切割速度Vg與前進速度Vm的關(guān)系，即切割速比K 加以分析。因割刀由偏心輪往復(fù)機構(gòu)帶動，往復(fù)割刀線速度會隨偏心輪轉(zhuǎn)動角度作周期變化，為便于分析，一般將割刀平均移動速度定義為切割速度Vg[15]。機器以勻速Vm前進時，在割刀運動一個行程的時間內(nèi)，機器前進距離稱作進距H。故切割速比K記為：

式中n為偏心輪轉(zhuǎn)速，r/min。

為了明確切割速比對切割效果的影響。參考文獻[16]繪制切割圖分析不同切割速比時的切割情況，根據(jù)類似莖桿作物收獲機的設(shè)計經(jīng)驗，取切割速比K 為0.6、0.9、1.2、1.4作圖分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖4 可知，在切割過程中，主要有3 種不同切割屬性的區(qū)域，分別為切割區(qū)、重割區(qū)以及漏割區(qū)，切割區(qū)是割刀片刃口單次切割的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的切割茬口比較平整，收獲質(zhì)量高，所以在同樣條件下應(yīng)該盡可能擴大這類區(qū)域占比。重割區(qū)是指被2 個行程切割到的區(qū)域，影響切割茬口質(zhì)量，漏割區(qū)是指所有行程中割刀刃口都沒有覆蓋的區(qū)域，理論上無法被切割，需人力補切，所以這2類區(qū)域占比都應(yīng)愈小愈好[17]。

對比圖中不同切割速比下的切割軌跡，當K=0.6 時，割刀進距較大，由于整體切割軌跡較長，所以幾乎沒有出現(xiàn)重割區(qū)，但是相較于K=0.9、K=1.2和K=1.4，漏割區(qū)面積較大，這種情況應(yīng)避免出現(xiàn)；K=0.9、K=1.2以及K=1.4時的切割過程作對比，可知，切割速比K增大時，漏割區(qū)面積明顯變小，但重割區(qū)面積有所增大，所以應(yīng)選擇合適的切割速比以提高機器切割作業(yè)性能。通過分析，若切割速比K≥1.4就可以滿足割茬整齊且損失(動力損失、作物破損)低的要求[18]，故確定菜用甘薯莖尖收獲機的切割速比K=1.4。

圖3 雙動刀不同切割速比切割圖Fig.3 Cutting diagram of moveable blade at different speed ratio

2.2 撥禾裝置的設(shè)計

撥禾裝置的作用主要有2 點：一是把待切割的菜用甘薯莖桿扶起并撥向切割裝置，二是將切割完成的莖尖撥向輸送裝置[19]?？紤]到菜用甘薯莖尖的生長特性以及收獲要求，本機撥禾輪采用偏心式撥禾輪。

2.2.1 撥禾裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

撥禾裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括撥禾輪直徑、撥禾輪安裝高度、撥禾節(jié)距。撥禾輪運動軌跡如圖4 所示，圖中余擺線是撥禾板安裝軸的運動軌跡[20]。在圖5 中建立以O(shè)2點在地面的投影點O 為坐標原點，前進方向為X 方向，向上方向為Y方向的坐標軸，故撥禾板的運動軌跡方程為：

分別對時間t求導(dǎo)可得：

式中Vx為撥禾板水平分速度，m/s；Vy為撥禾板豎直分速度，m/s；R 為撥禾輪半徑，m；ω 為撥禾輪角速度，rad/s；Hg為撥禾輪安裝高度，m；h為切割面高度，m。1）撥禾輪直徑

參照稻麥聯(lián)合收獲機撥禾輪的設(shè)計，菜用甘薯莖尖收獲時撥禾作業(yè)，應(yīng)滿足撥禾板進入時水平分速度為零以及撥禾位置處于作物的重心稍向上位置[21]。

根據(jù)類似莖桿類蔬菜收獲機設(shè)計經(jīng)驗以及前期試驗，菜用甘薯莖蔓的重心g 約在割取高度的三分之二處，可知作物重心g 距作物頂部長度e 約為作物割取長度的三分之一，從圖4中幾何關(guān)系可得撥禾輪半徑R為：

式中L為莖尖距地面高度，mm。

由于撥禾板水平分速度Vx為零，根據(jù)式（4）可得：

式中λ為作業(yè)中撥禾速比；D為撥禾輪直徑，mm。

圖4 撥禾輪撥禾運動軌跡Fig.4 Movement track of reel

2）撥禾輪軸安裝高度

為了保證撥禾板在工作位置時，撥禾板作業(yè)方向豎直向下，并滿足撥禾位置在莖桿的質(zhì)心略靠上部位，由圖4可知，當撥禾板水平分速度為零，撥禾板的Y 軸坐標值就是莖尖距地面高度L，所以撥禾輪安裝高度Hg為：

2.2.2 撥禾裝置運動參數(shù)

1)撥禾速比的確定

撥禾裝置在正常作業(yè)過程中，必須使撥禾輪上撥禾板的圓周速度VB大于機器的前進速度Vm[22]，故根據(jù)定義，撥禾速比λ表達式如下：

研究表明，增大λ 值可以使撥禾能力增強，但λ 值不宜過大，過大會導(dǎo)致?lián)芎贪鍖ηo尖的打擊力過大，造成損傷。前期試驗證明，進行菜用甘薯莖尖收獲作業(yè)時，撥禾板圓周速度VB超過0.56 m/s 就會造成莖尖收獲損失，所以參照稻麥聯(lián)合收割機的撥禾速比為1.7～2.0[23～24]，結(jié)合本機行走速度Vm，撥禾速比λ取為1.3～1.7。

2)撥禾輪轉(zhuǎn)速

本機撥禾輪由無刷電機帶動，可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)無極調(diào)速，因撥禾輪圓周速度不宜超過0.56 m/s，根據(jù)撥禾輪轉(zhuǎn)速n與撥禾板圓周速度VB之間關(guān)系可知撥禾輪轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)實際測量，莖尖距地面高度L=32 mm，切割高度h=120 mm，根據(jù)類似收獲機設(shè)計經(jīng)驗，λ取為1.6，代入公式（8）可得撥禾輪直徑D=360 mm；將數(shù)據(jù)代入公式（9），可得撥禾輪安裝高度H=320 mm；根據(jù)作業(yè)時莖尖受撥禾板擊打而損傷的情況，工作時撥禾板最大圓周速度VB=0.56 m/s，將數(shù)據(jù)代入公式（11），可得工作時撥禾輪轉(zhuǎn)速不應(yīng)大于29.7 r/min。

2.2.3 撥禾板

撥禾輪上撥禾板的作用主要有2 個，一是挑起匍匐于地面的甘薯莖蔓，使更多莖尖能被切割；二是增大撥禾輪與莖尖的接觸面積，以防作業(yè)時撥禾桿直接撞擊莖尖，造成莖尖損傷。

菜用甘薯莖尖收獲時較為柔嫩，故撥禾板材料選用橡膠材質(zhì)，使撥禾板與莖尖之間為柔性接觸。為保證良好的撥禾性能，滿足種植畦寬，撥禾板長度設(shè)計為略短于撥禾輪橫桿，為1 170 mm，撥禾板寬度的設(shè)計，依照撥禾板作用位置處于整根莖蔓的重心稍向上位置，為40 mm。

2.3 輸送裝置

輸送裝置主要作用是將割下的莖尖輸送至后部收集裝置中。

2.3.1 輸送方式確定

本機采用帶式輸送，該裝置由12 條獨立的柔性輸送帶和傳動系統(tǒng)組成。為使輸送帶受力均勻，輸送帶采用多帶平行分布，為了降低輸送帶在運輸過程中跳動，在上層輸送帶下部設(shè)有一塊托板。本機輸送裝置與切割裝置寬度相同，為1 200 mm。

2.3.2 輸送速度、傾角確定

為確保切割后的莖尖可以快速運往收集裝置，防止輸送與切割連接處擁堵，需保證輸送帶線速度VS大于機器前進速度Vm，故輸送帶速度根據(jù)作業(yè)情況在0.2～0.48 m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

由于輸送帶與莖尖之間存在靜摩擦，輸送傾角與輸送阻力成正比，考慮機器高度限制，為保障輸送效果，通常輸送傾角取20°～40°，本機輸送傾角折中取30°，并選用表面帶有草坪紋的輸送帶，以增大摩擦力提高莖尖輸送能力。

2.4 收集裝置

收集裝置的主要作用是收集所有收獲的甘薯莖尖。

因本機收獲效率高，正常工作效率可達0.1 hm2/h，為使收集轉(zhuǎn)運盡可能少的影響機器作業(yè)效率，收集裝置須滿足容量大、轉(zhuǎn)運方便、安裝簡單等特點。

收集裝置采用帶有外伸安裝架的擴口大布袋，因機器試驗中最快30秒就可以切割下約0.11 m3莖尖，且莖尖含水率較高，單次收集過多不利于轉(zhuǎn)運，故收集裝置容積為設(shè)計0.52 m3，布袋展開深度h 為400 mm，前后寬度b為350 mm，長度l 為1 200 mm。收集裝置安裝在機器后部，安放在輸送帶下方，接取輸送帶送來的莖尖。機架兩側(cè)設(shè)置有安放布袋安裝架的開口掛鉤，使布袋放置可靠、拿取迅速。布袋材料為尼龍布，結(jié)實耐磨，轉(zhuǎn)運方便。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 試驗條件

田間試驗圖5 開展于2019 年4 月26 日，試驗地點位于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所試驗基地的溫室大棚內(nèi)，試驗品種為蘇薯16，平均生長高度為240 mm，甘薯莖蔓節(jié)間距約為30 mm，其種植方法為畦作栽插，畦高130 mm，畦寬（帶溝）1 200 mm，土地平整，種植土壤為黏土且潮濕。試驗所用的儀器設(shè)備主要有菜用甘薯莖尖收獲機、轉(zhuǎn)速儀、電子秤、卷尺、游標卡尺、皮尺、工具箱。

圖5 菜用甘薯莖尖收獲機樣機試驗Fig.5 Field experiment of vegetable sweet potato shoot tip sample harvester

3.2 試驗內(nèi)容與方法

由于國內(nèi)目前還沒有菜用甘薯莖尖收獲機試驗標準以及評價作業(yè)效果的相關(guān)量化指標，本文參考JB/T 6281-2007《采茶機》和DB32/T 3271-2017《菜用甘薯-寧菜薯1 號生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》，以莖尖完整率、漏收率、留茬高度等參數(shù)作為菜用甘薯莖尖收獲機的評價指標[25-26]。試驗時，使用不同的作業(yè)參數(shù)組合開展試驗，每組試驗作業(yè)長度為5 m，每1 組試驗重復(fù)3 次，而后分別測定相關(guān)試驗數(shù)值。

莖尖完整率測定：作業(yè)完成后，在存放采收莖尖的收集袋內(nèi)上中下3 層各取500 g 莖尖作為大樣，然后按照對角線四分法分為4 份，隨機選取一份作為分析樣并稱質(zhì)量，測得總質(zhì)量M1，再將其中完整無損的莖尖分理出稱質(zhì)量，得到質(zhì)量為M2，計算莖尖完整率Y1為：

式中Y1為莖尖完整率，%；M1為試樣莖尖總質(zhì)量，g；M2為試樣中完整莖尖總質(zhì)量，g。

漏收率：每組試驗完成后，在試驗地內(nèi)，將散落在田間的莖尖收集稱質(zhì)量，測得質(zhì)量為M3，將試驗地內(nèi)未收獲的莖尖進行人工采摘并稱質(zhì)量，采摘時留茬高度為2個枝節(jié)，人工采摘時也應(yīng)參考當次機械作業(yè)試驗的留茬高度進行作業(yè)，測得質(zhì)量M4，最后稱量該次試驗機采莖尖總質(zhì)量M5，雖然人工采摘與機器試驗時在留茬高度上略有不同，但是該類差值在分數(shù)計算時，和與之共同求和的數(shù)值項相比，都顯得權(quán)重較小，故計算時差值的影響可以忽略不計，計算漏收率Y2公式：

式中Y2為漏收率，%；M3為拋灑在田間的莖尖質(zhì)量，g；M4為人工采收的莖尖質(zhì)量，g；M5為機采莖尖的質(zhì)量，g。

留茬高度：在每次作業(yè)后，在試驗地內(nèi)隨機選10 株留茬并測量高度L，取其平均值為留茬高度，留茬高度的計算公式：

式中Y3為平均留茬高度，mm；Li為選測的留茬高度，mm。

影響菜用甘薯莖尖收獲機作業(yè)指標因素有很多，如土質(zhì)狀況、離地間隙、機器前進速度、撥禾輪轉(zhuǎn)速、撥禾板傾角、往復(fù)割刀切割速度等。前期單因素試驗及交互性試驗表明機器前進速度、撥禾輪轉(zhuǎn)速、往復(fù)割刀線速度對莖尖收獲作業(yè)質(zhì)量影響較大，故選取這3個因素開展正交試驗，測定其對莖尖收獲指標莖尖完整率、漏收率、留茬高度的影響。

綜合前文所述，前進速度應(yīng)控制在0.34～0.5 m/s；撥禾輪轉(zhuǎn)速控制在26～30 r/min；往復(fù)割刀線速度應(yīng)控制在0.5～0.7 m/s。運用三因素三水平二次回歸正交試驗設(shè)計方案，對前進速度X1、撥禾輪轉(zhuǎn)速X2、往復(fù)割刀線速度X3開展響應(yīng)面試驗。試驗因素和試驗水平如表2。

表2 試驗因素和試驗水平Table 2 Factors and levels of test

3.3 試驗方案與結(jié)果

3.3.1 數(shù)據(jù)分析與處理

本試驗按照Box-Behnken 方法設(shè)計三因素三水平試驗方案，共包含17 個方案，分別為12 個分析因子以及5個零點估算誤差[27]。試驗方案及測得的相關(guān)響應(yīng)值結(jié)果如表3所示。

表3 試驗設(shè)計方案及響應(yīng)值Table 3 Experiment design and response values

3.3.2 建立回歸模型及顯著性檢驗

運用Desgin-Expert8.0.6.1 軟件開展了關(guān)于莖尖完整率、漏收率以及留茬高度的多元線性回歸擬合分析，以尋求最優(yōu)的工作參數(shù)[28]。建立了莖尖完整率Y1、漏收率Y2、留茬高度Y3對前進速度X1、撥禾輪轉(zhuǎn)速X2、往復(fù)割刀線速度X3的二次多項式響應(yīng)面回歸模型，如式（14）～式（16）所示，回歸方程作方差分析結(jié)果如表4所示。

通過表4 可知，莖尖完整率Y1、漏收率Y2、留茬高度Y3的P 值都小于0.01，說明該回歸模型高度顯著；3 個響應(yīng)值對應(yīng)的失擬項分別是0.0644、0.0929 和0.0740，大于0.05，說明回歸方程高擬合；通過Desgin-Expert輸出數(shù)據(jù)可知，其擬合優(yōu)度R2分別是0.9782、0.9741和0.9780，表明這3 個模型可以解釋97%以上的評價指標。因此，模型能夠被用來優(yōu)化分析菜用甘薯莖尖收獲機的作業(yè)參數(shù)。

表4 回歸方程方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

莖尖完整率Y1模型中，對模型存在極顯著影響，對模型存在顯著影響；漏收率Y2模型中，對模型存在極顯著影響，對模型存在顯著影響；留茬高度Y3模型中，對模型存在極顯著影響，X2、X3對模型存在顯著影響。在確保模型以及模型失擬項的P值均符合要求的前提下，剔除模型中不顯著項，對Y1、Y2、Y3進行優(yōu)化，結(jié)果如式（17）～式（19）所示。

3.3.3 各因素對響應(yīng)值影響效應(yīng)分析

各個單因素對于模型的影響程度，可以通過貢獻率K 值的大小來體現(xiàn)，貢獻率K 值的大小與影響程度的大小成正比關(guān)系[29]。其計算方法見式（20）～式（21），計算結(jié)果見表5。由表5可知，各個因素對莖尖完整率的貢獻率依次為：撥禾輪轉(zhuǎn)速＞往復(fù)割刀線速度＞前進速度；各個因素對漏收率的貢獻率依次為：前進速度＞往復(fù)割刀線速度＞撥禾輪轉(zhuǎn)速；各個因素對留茬高度的貢獻率依次為：撥禾輪轉(zhuǎn)速＞前進速度＞往復(fù)割刀線速度。

表5 各因素貢獻率分析Table 5 Analysis on contribution rate of each factor

式中δ為F值的考核值；KXi為各因素的貢獻率。

3.3.4 交互因素對響應(yīng)值影響規(guī)律分析

運用Design-Expert8.0.6.1 生成響應(yīng)面圖，考察前進速度、撥禾輪轉(zhuǎn)速、往復(fù)割刀線速度的交互作用對Y1、Y2、Y3的影響。

1）交互因素對莖尖完整率的影響

前進速度、撥禾輪轉(zhuǎn)速、往復(fù)割刀線速度對莖尖完整率Y1交互作用影響見圖6a～6c。從圖中可看出，前進速度相同時，莖尖完整率隨撥禾輪轉(zhuǎn)速的增加先提高后降低；撥禾輪轉(zhuǎn)速相同時，莖尖完整率隨前進速度的增加，先提高后降低。前進速度相同時，莖尖完整率隨往復(fù)割刀線速度的提高而降低；往復(fù)割刀線速度相同時，莖尖完整率隨前進速度的增加先提高后降低。撥禾輪轉(zhuǎn)速相同時，莖尖完整率隨往復(fù)割刀線速度的提高而降低，往復(fù)割刀線速度相同時，莖尖完整率隨撥禾輪轉(zhuǎn)速的增加先提高后降低。

由各因素對莖尖完整率Y1的響應(yīng)圖可知，響應(yīng)面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果(表4)及公式(17)相符合，撥禾輪轉(zhuǎn)速適中、前進速度適中、往復(fù)割刀線速度越小，則莖尖完整率越高，反之則莖尖完整率降低。其主要原因為：撥禾輪轉(zhuǎn)速適中，太大會使撥禾板打擊力過重損傷莖尖，太小容易因單次撥禾量過大，造成莖尖在割臺上壅堵壓傷；前進速度適中，太大容易發(fā)生莖尖撞擊割刀現(xiàn)象，太小容易造成莖桿在倒伏瞬間被二次切割；往復(fù)割刀線速度降低，重割現(xiàn)象降低，莖尖完整率提高。

2）交互因素對漏收率的影響

前進速度、撥禾輪轉(zhuǎn)速、往復(fù)割刀線速度交互作用對漏收率Y2的影響見圖6d～6f。從圖中可看出，往復(fù)割刀線速一定時，提高撥禾輪轉(zhuǎn)速和降低前進速度有助于降低漏收率；撥禾輪轉(zhuǎn)速一定時，提高往復(fù)割刀線速度和降低前進速度有助于降低漏收率；前進速度一定時，提高撥禾輪轉(zhuǎn)速和往復(fù)割刀線速度有助于降低漏收率。

圖6 各因素交互作用對莖尖完整率、漏收率和留茬高度的影響Fig.6 Effect of interaction between factors on loss rate，stem tip integrity rate and stubble height

由各因素對漏收率Y2的響應(yīng)圖可知，響應(yīng)面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果(表4)及公式(18)符合，撥禾輪轉(zhuǎn)速越大、前進速度越小、往復(fù)割刀線速度越大，漏收率越低，反之則漏收率高。其主要原因為：當撥禾輪轉(zhuǎn)速提高，撥禾次數(shù)就會增加，從而減輕了漏收現(xiàn)象；當前進速度降低，機器運行更平穩(wěn)，降低了莖尖掉落概率，故降低了漏收率；當往復(fù)割刀線速度提高，就能提高切割次數(shù)，降低漏收率。

3）交互因素對留茬高度的影響規(guī)律分析

前進速度、撥禾輪轉(zhuǎn)速、往復(fù)割刀線速度交互作用對留茬高度Y3的影響見圖7g～7i。從圖中可以看出，前進速度相同時，留茬高度隨撥禾輪轉(zhuǎn)速的提升先降低后提高；撥禾輪轉(zhuǎn)速相同時，留茬高度隨著前進速度降低而降低；撥禾輪轉(zhuǎn)速一定時，提高往復(fù)割刀線速度和降低前進速度有助于降低留茬高度；前進速度相同時，留茬高度隨撥禾輪轉(zhuǎn)速的提高，先降低后提高，撥禾輪轉(zhuǎn)速相同時，留茬高度隨前進速度降低而降低。

由各因素對留茬高度Y3的響應(yīng)圖可知，響應(yīng)面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果(表4)及公式(19)相符合，撥禾輪轉(zhuǎn)速適中、前進速度越小、往復(fù)割刀線速度越大，則留茬高度越低，反之則留茬高度高。其主要原因為：撥禾輪轉(zhuǎn)速過高時，易將作物打彎，從而切割位置上移，造成作物留茬過高，而撥禾輪轉(zhuǎn)速過低時，會使撥向切割裝置的作物遠近不一，切割位置也就不同，從而無法保證合適的留茬高度；當前進速度降低，機器進距變小，所以能以正常切割高度切割更多作物，從而保證合適的留茬高度；當往復(fù)割刀線速度提高后，切割次數(shù)增加，從而可以保證合適的留茬高度。

4 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為了使菜用甘薯莖尖收獲機達到最佳作業(yè)性能，必須要求莖尖完整率高、漏收率低、留茬高度合適，依照交互因素對莖尖完整率、漏收率以及留茬高度影響效應(yīng)分析可知：達到較高莖尖完整率的必要條件是前進速度適中、撥禾輪轉(zhuǎn)速適中、往復(fù)割刀線速度??；達到較低漏收率的必要條件是前進速度低、撥禾輪轉(zhuǎn)速高、往復(fù)割刀線速度高；達到留茬高度合適的必要條件是前進速度低、撥禾輪轉(zhuǎn)速適中、往復(fù)割刀線速度高。為了得到符合莖尖完整率、漏收率以及留茬高度的最佳作業(yè)參數(shù)組合，考慮到響應(yīng)值受各因素影響不盡相同，進行多目標優(yōu)化[30]。其目標函數(shù)如式(22)所示。

運用Desgin-Expert8.0.6.1 軟件對各參數(shù)進行優(yōu)化求解。當前進速度為0.38 m/s、撥禾輪轉(zhuǎn)速為26.02 r/min、往復(fù)割刀線速度為0.59 m/s時，莖尖完整率為95.73%、漏收率為12.66%、留茬高度為59.99 mm。

4.2 試驗驗證

為驗證優(yōu)化結(jié)果的準確性，使用上述優(yōu)化參數(shù)在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所試驗基地的溫室大棚內(nèi)開展3 次重復(fù)試驗?？紤]到機器工作精度和測量的便利性，將理論優(yōu)化值作圓整處理，前進速度設(shè)置為0.38 m/s，撥禾輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為26 r/min，往復(fù)割刀線速度設(shè)置為0.60 m/s，在此方案下開展試驗，結(jié)果見表6。

由表6 可知，各響應(yīng)值的試驗實測值與理論優(yōu)化值較為吻合，相對誤差在5%以內(nèi)，所以參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可靠。在菜用甘薯莖尖收獲作業(yè)時，采用該優(yōu)化參數(shù)組合，即前進速度為0.38 m/s，撥禾輪轉(zhuǎn)速為26 r/min，往復(fù)割刀線速度為0.60 m/s，此時莖尖完整率為97.10%，漏收率為12.11%，平均留茬高度為62.09 mm。

表6 優(yōu)化條件下各評價指標實測值Table 6 Measured value of evaluation indices at optimal condition

5 討論

1）該試驗對菜用甘薯莖尖收獲機工作參數(shù)進行了多因素分析，研究莖尖完整率、漏收率和留茬高度受各因素的影響，對作業(yè)品種、輸送帶速度、作業(yè)環(huán)境溫度等參數(shù)沒有開展全面試驗，所以在后續(xù)展開對菜用甘薯莖尖收獲機的研究過程中需要綜合考慮以上因素。

2）甘薯莖尖收獲機，作業(yè)后莖尖完整率、漏收率和留茬高度等指標比較理想，但是作業(yè)效率和操縱便利性等指標有待優(yōu)化，在后續(xù)機具優(yōu)化中建議提高操縱便利性。

3）由于菜用甘薯市場正在培育成長中，生產(chǎn)中不少品種收獲期的直立性還不是十分理想，如收獲時，畦面兩側(cè)的莖蔓有少量開始匍匐，采收機收獲時莖尖雖被采收，但未采到的莖稈較長，增加了機械漏收率，影響作業(yè)效果，故還需加強適宜機械化采收的直立性品種選育和水肥管理技術(shù)、適宜采收期等研究。此外，因是首輪樣機，設(shè)計上仍不足，在輸送裝置與收集裝置的連接處存在明顯間隙，導(dǎo)致莖尖易在輸送過程中掉落，從而增加漏收率，將在后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中進一步調(diào)整。

6 結(jié)論

1）本文設(shè)計的菜用甘薯莖尖收獲機為一次性無序收獲方式，主要由撥禾裝置、切割裝置、輸送裝置、收集裝置等關(guān)鍵部件組成，可一次完成菜用甘薯莖尖的撥禾、切割、輸送、收集等作業(yè)，相較于單個人工采摘效率(0.001 hm2/h)，本機(0.1 hm2/h)，作業(yè)效果較人工有明顯提升，較好地滿足菜用甘薯機械化收獲要求。

2）選擇前進速度、撥禾輪轉(zhuǎn)速和往復(fù)割刀線速度3個工作參數(shù)，采用Box-Benhnken中心組合試驗方法對莖尖完整率、漏收率和留茬高度影響趨勢進行分析并建立了響應(yīng)面優(yōu)化模型，通過試驗驗證了模型和優(yōu)化結(jié)果的準確性，試驗實測值與理論優(yōu)化值相對誤差均在5%范圍內(nèi)，表明模型有較高的可靠性。

3）各因素對莖尖完整率影響顯著順序為：撥禾輪轉(zhuǎn)速＞往復(fù)割刀線速度＞前進速度；各因素對漏收率影響顯著順序為：前進速度＞往復(fù)割刀線速度＞撥禾輪轉(zhuǎn)速；各因素對留茬高度影響顯著順序為：撥禾輪轉(zhuǎn)速＞前進速度＞往復(fù)割刀線速度。

4）菜用甘薯莖尖收獲機最優(yōu)工作參數(shù)組合為前進速度為0.38 m/s，撥禾輪轉(zhuǎn)速為26 r/min，往復(fù)割刀線速度為0.60 m/s，此時平均莖尖完整率為97.10%，平均漏收率為12.11%，平均留茬高度為62.09 mm。