張兆國(guó) 王海翼 李彥彬 楊 曦 IBRAHIM Issa 張振東

(1.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院， 昆明 650500； 2.云南省高校中藥材機(jī)械化工程研究中心， 昆明 650500)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)馬鈴薯種植面積和產(chǎn)量均占全國(guó)總量的一半以上[1-3]。但西南地區(qū)馬鈴薯綜合機(jī)械化率僅為20.77%，其中云南省馬鈴薯機(jī)收率為4.7%，遠(yuǎn)低于全國(guó)的平均水平(29.77%)[4]。

云南省馬鈴薯大多沿襲傳統(tǒng)的人畜力收獲方式，耗工費(fèi)時(shí)。機(jī)械化收獲是實(shí)現(xiàn)馬鈴薯全程機(jī)械化重要環(huán)節(jié)[5]，可達(dá)到傷薯率低、漏收率低、作業(yè)效率高的目的。云南地區(qū)馬鈴薯種植相對(duì)集中于水資源匱乏、土質(zhì)黏重板結(jié)的丘陵和山地[6-7]，國(guó)內(nèi)外廣泛使用的中小型收獲機(jī)械不能完全符合云南地區(qū)的種植農(nóng)藝、適應(yīng)耕地土壤類型[8]，致使機(jī)械收獲損傷大、分離效果差、漏挖埋薯嚴(yán)重等。

國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲主要以中小型分離篩式收獲為主。其中，中型分段收獲機(jī)械主要為拋擲輪式和分離篩式[9-11]，二者結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較高；小型馬鈴薯挖掘機(jī)主要為振動(dòng)鏟式，與小型拖拉機(jī)配套使用，適用于小地塊、小規(guī)模收獲作業(yè)。

馬鈴薯的損傷主要產(chǎn)生于分離和鋪放環(huán)節(jié)，在機(jī)具作業(yè)過程中，不同類型土壤對(duì)挖掘、分離和輸送形式的適配度不一，且目前存在各作業(yè)參數(shù)匹配能效不高、高效分離和薯塊損傷矛盾突出等問題?，F(xiàn)有采用多段分離工藝的馬鈴薯收獲機(jī)，其分離篩末端的薯塊未減速而直接從高處跌落，從而發(fā)生多次碰撞，這是造成薯塊切線擦傷、表皮破損和內(nèi)部組織損傷的主要原因[12]。

針對(duì)上述問題，結(jié)合前期研究成果[13]及農(nóng)戶對(duì)薯塊降損減傷的需求，考慮云南省黏重板結(jié)土壤的條件，基于多級(jí)分離振動(dòng)的多重減速緩沖機(jī)制和側(cè)鏈輸出鋪放的原理，設(shè)計(jì)一種多級(jí)分離緩沖馬鈴薯收獲機(jī)。在闡述機(jī)具整體結(jié)構(gòu)和主要部件設(shè)計(jì)特點(diǎn)及工作原理的基礎(chǔ)上，得出挖掘鏟、分離篩和主動(dòng)振動(dòng)裝置等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)分離階段的薯土混合物進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析，對(duì)土壤破碎離散及篩分過程進(jìn)行理論分析，建立土塊與分離篩的碰撞模型，并通過空載試驗(yàn)和田間試驗(yàn)確定最佳工作參數(shù)組合，以有效提高多級(jí)分離緩沖馬鈴薯收獲機(jī)在丘陵山地黏重板結(jié)土壤下的作業(yè)性能。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)云南省馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)大壟雙行的種植農(nóng)藝和黏重板結(jié)土壤下降損減傷的實(shí)用要求，確定整機(jī)為單壟收獲，樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由挖掘裝置、液壓緩沖減振裝置、切土除蔓裝置、多重緩沖分離篩、多級(jí)振動(dòng)調(diào)整裝置、低位側(cè)鋪裝置等組成。收獲機(jī)通過三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)連接，工作時(shí)完成切土切蔓、被動(dòng)式破碎土垡、多重緩沖分離以及低位側(cè)鋪集條等作業(yè)，作業(yè)幅寬為900 mm。

挖掘裝置主要由挖掘鏟片、分石柵、安裝鏟架、鏟翼和液壓調(diào)整裝置、土垡破碎板、連接橫管等部件組成。挖掘鏟尾部安裝有與鏟體保持同一平面的分石柵，鏟體與彎刀狀土垡破碎裝置固定連接。切土除蔓圓盤刀由田間土壤摩擦力被動(dòng)驅(qū)動(dòng)，限定了挖掘?qū)挾?，并將收獲過程中靠近機(jī)架一側(cè)的壟邊土壤、雜草、秧蔓等切斷破碎，減少纏繞和壅堵。

多級(jí)分離緩沖裝置采用二級(jí)振動(dòng)篩式(圖2)，由鏈輪帶動(dòng)橡膠齒驅(qū)動(dòng)輪嚙合分離篩桿條完成整篩驅(qū)動(dòng)，橡膠輪和桿條材料均為定制耐磨損的高抗性聚氨酯和ZGMn13材料。針對(duì)黏重板結(jié)土壤設(shè)計(jì)了主、被動(dòng)振動(dòng)裝置，分別給分離裝置提供一定的頻率和振幅，增強(qiáng)土壤的破碎效果，提高了整體土薯分離能力。

置于機(jī)底的挖掘裝置在挖掘的同時(shí)將收后土壤平實(shí)，以便完成后續(xù)的深施肥、二季耕作等，同時(shí)方便檢查薯塊是否漏挖，盡量避免漏收和二次埋薯現(xiàn)象，提高作業(yè)指標(biāo)。機(jī)架一側(cè)設(shè)有集薯橡膠板，分離篩末端配備縱向布置的橡膠雙重緩沖簾，起到降速減傷的作用，后接低位側(cè)鋪裝置(圖3)，縮減了馬鈴薯的跌落高度，減少振動(dòng)和跌落過程中的碰撞沖擊，以最大限度降低分離輸送的傷薯率和破皮率。

一、二級(jí)分離裝置末端兩側(cè)均設(shè)有集薯聚攏橡膠板，以將薯塊聚攏集群，避免薯塊與機(jī)架發(fā)生碰撞和線性擦傷[14]，薯塊集攏后，緩慢通過緩沖簾Ⅰ，經(jīng)二級(jí)分離裝置再次分離后聚攏通過緩沖簾Ⅱ，落入側(cè)輸出輸送鏈傳送區(qū)域，最終側(cè)鋪集條于地表，便于后續(xù)的人工撿拾。

1.2 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

收獲作業(yè)時(shí)，機(jī)具由拖拉機(jī)懸掛牽引前進(jìn)，拖拉機(jī)PTO動(dòng)力輸出后經(jīng)變速箱換向傳遞至一級(jí)主動(dòng)鏈軸、二級(jí)主動(dòng)鏈輪和主動(dòng)振動(dòng)裝置傳動(dòng)軸。呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)的切土切蔓裝置將壟溝一側(cè)的雜草、倒伏秧蔓切斷，避免了后續(xù)部件因纏繞對(duì)作業(yè)的影響；挖掘鏟完整掘起壟上連同殘余秧蔓的薯土混合物，分石柵保持與鏟體同一平面的逆時(shí)針往復(fù)運(yùn)動(dòng)將部分土壤破碎，并分離碎石子等小塊堅(jiān)硬物，保證鏟片上方薯土混合物料通過，同時(shí)有效解決鏟下壅土，防止分離裝置與鏟片間出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；土垡破碎裝置將薯土混合物中較大土垡破碎，部分碎石等從間隙內(nèi)掉落，避免了輸送至分離篩始端的薯土混合物中含有大量雜物對(duì)塊莖和分離篩帶來損傷；薯土混合物在導(dǎo)流橡膠板的引導(dǎo)下進(jìn)入振動(dòng)分離升運(yùn)裝置中，通過振動(dòng)輪帶動(dòng)分離篩振動(dòng)，將泥土與薯塊分離，其中小于桿條間隙的碎土塊和雜物透過分離篩面拋落田間，完成初步分離的薯塊經(jīng)集薯橡膠板和緩沖簾多級(jí)減速后落至側(cè)輸出裝置中，經(jīng)側(cè)輸出裝置的集條聚攏作用將薯塊聚集至未收獲薯壟的壟溝外側(cè)，完成收獲過程。

根據(jù)云南省馬鈴薯產(chǎn)區(qū)的種植農(nóng)藝要求，確定馬鈴薯收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 馬鈴薯收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of potato harvester

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 挖掘裝置

2.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

挖掘裝置是直接觸土部件，其主要功能是疏松壟上土壤、完整掘起薯土混合物并向后輸送。挖掘鏟的鏟長(zhǎng)、鏟寬、鏟刃傾角、入土深度、鏟面傾角等都會(huì)對(duì)挖掘阻力及薯塊的收獲效果等產(chǎn)生影響。其中鏟刃傾角γ主要作用是保證挖掘鏟的自潔功能[15-16]，使土壤在鏟刃的滑切作用下克服挖掘時(shí)的整體阻力，保證鏟面上的掘起物能夠從鏟面上順利離開。有

γ<90°-φ

(1)

式中φ——土壤對(duì)鋼的摩擦角，一般取30°～36°

根據(jù)摩擦定律，理論上鏟刃傾角越小，切土和劃草能力越強(qiáng)，但取值過小會(huì)降低耐磨性，增加傷薯率和漏薯率。本設(shè)計(jì)取γ1=46.8°，6塊單鏟沿軸對(duì)稱均布于安裝橫軸上，3個(gè)鏟片分別對(duì)應(yīng)單壟面，成對(duì)兩相鄰鏟片側(cè)刃夾角γ2為93.6°，有利于黏重土壤的切削、破碎和減阻。

2.1.2參數(shù)選擇

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，幅寬主要與馬鈴薯塊莖地下分布情況、行距、株距、長(zhǎng)勢(shì)和機(jī)具行走路線偏差等有關(guān)[17-18]。為確保掘起整條薯壟內(nèi)的薯土混合物，挖掘裝置作業(yè)的有效工作幅寬S應(yīng)略大于壟底寬度，薯類收獲機(jī)挖掘鏟工作幅寬計(jì)算式為

S=M+b+3ε+2c

(2)

(3)

式中M——平均行距，mm

b——馬鈴薯平均分布寬度，mm

ε——綜合標(biāo)準(zhǔn)差，mm

c——機(jī)器行駛偏差，取50～80 mm

εM——行距標(biāo)準(zhǔn)差，mm

εb——薯塊分布寬度標(biāo)準(zhǔn)差，mm

結(jié)合壟底寬900 mm的農(nóng)藝要求，取挖掘鏟組有效工作寬度S=946 mm。

挖掘裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示，挖掘裝置由鏟體和土垡破碎板兩段組成，挖掘裝置分為前段長(zhǎng)度L1和后段長(zhǎng)度L2，L1由鏟面傾角δ(取15°)及平均挖掘深度h1(取140～180 mm)決定，計(jì)算式為

(4)

挖掘裝置后段長(zhǎng)度L2由能量守恒定律求得：設(shè)掘起物沿鏟面以機(jī)具前進(jìn)速度運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)后，繼續(xù)沿著鏟面上升到末端C點(diǎn)時(shí)，處于靜止?fàn)顟B(tài)，速度為零，此時(shí)土壤開始膨脹松散、呈集堆狀向鏟的兩側(cè)散落，馬鈴薯塊莖隨著土壤的脫落逐漸顯露在鏟面上。土薯混合物的動(dòng)能(B點(diǎn))在整個(gè)過程中全部用于克服挖掘鏟AC段的摩擦功Wf及混合物上升的重力勢(shì)能WG，有

Wf=RtwgφL2=mgL2twgφcosδ

(5)

WG=mgh2=mgL2sinδ

(6)

式中R——挖掘鏟對(duì)土壤的反作用力，N

tw——掘起物在鏟面的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

m——薯土混合物質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

h2——后段挖掘深度，mm

土薯混合物通過BC段的能量守恒方程為

(7)

式中vw——掘起物在鏟面運(yùn)動(dòng)速度，m/s

化簡(jiǎn)得

(8)

總長(zhǎng)度為

(9)

為了有效減少壅土現(xiàn)象，在挖掘鏟后裝配土垡破碎板，土薯混合物在破碎板上被劈裂、剪切、彎折[19]，使土薯混合物能夠有效地輸送至分離裝置上，使分離更充分，降低振動(dòng)分離的功耗，達(dá)到更好的土薯分離效果。

2.2 多級(jí)分離緩沖裝置

2.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多級(jí)分離緩沖裝置主要由一級(jí)分離篩、主動(dòng)振動(dòng)裝置、被動(dòng)振動(dòng)裝置、一級(jí)支重膠輪、一級(jí)主動(dòng)輪、二級(jí)振動(dòng)裝置、二級(jí)支重膠輪、二級(jí)主動(dòng)輪、緩沖簾Ⅰ、緩沖簾Ⅱ等組成，輸送分離段局部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

主振動(dòng)裝置高頻低幅周期性振動(dòng)，沖擊黏重板結(jié)土塊并將其擊碎后離散拋解，同時(shí)保證薯塊被“彈起”的不致于太高，運(yùn)用“微波浪”篩形緩沖降低薯塊跌落高度，減少破皮率和線性擦傷。在拖拉機(jī)動(dòng)力輸出供給下，分離后的薯土混合物在振動(dòng)裝置的作用下保持良好的整體流動(dòng)性，在土薯混合物的運(yùn)移過程中有效減少了“薯-土”、“薯-薯”、“薯-機(jī)械”之間的碰撞摩擦次數(shù)，并將薯塊膠質(zhì)層破裂和機(jī)械損傷控制在可接受范圍內(nèi)。

實(shí)測(cè)云南省馬鈴薯薯塊的三軸尺寸分布區(qū)間為30～180 mm，為保證一級(jí)分離裝置的支承和分離效果，設(shè)計(jì)桿條直徑為12 mm，兩相鄰桿條中心距取為52 mm。分離裝置采用“整帶單條篩+雙級(jí)可調(diào)振動(dòng)”的形式，分離篩總長(zhǎng)3 600 mm，有效工作行程1 600 mm，有效工作寬度860 mm，分離篩的傾角可調(diào)范圍為7°～22°，工作狀態(tài)下分離篩傾角可通過拖拉機(jī)液壓裝置改變與三點(diǎn)懸掛裝置的相對(duì)位置或者通過機(jī)架一側(cè)支重輪孔位進(jìn)行調(diào)整。一般薯土分離裝置施加于分離篩的振動(dòng)頻率為3～8 Hz[20]，結(jié)合分離篩對(duì)黏重板結(jié)土壤分離技術(shù)要求和工作速度，經(jīng)計(jì)算確定振動(dòng)頻率為10 Hz。

主動(dòng)振動(dòng)裝置為獨(dú)立安裝的成對(duì)四滾子式結(jié)構(gòu)(圖6)，利用GB/T 5783—2000六角頭螺栓將其緊固，并保證滾子能繞自身固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)?？紤]到本文馬鈴薯收獲作業(yè)條件為黏重板結(jié)土壤，顆粒粘結(jié)力大，板結(jié)程度高，為增強(qiáng)土壤破碎能力，提高分離效果，取主動(dòng)振動(dòng)裝置的振幅范圍為15～60 mm[21]，根據(jù)頻率和土壤特征確定振幅為35 mm?？紤]安裝孔位和固定振幅的要求，設(shè)定滾子直徑為50 mm，工作圓周半徑為90 mm，主動(dòng)振動(dòng)裝置有效工作圓周(外切圓)直徑為230 mm。根據(jù)杠桿原理，將被動(dòng)振動(dòng)裝置安裝在分離裝置中心，通過支反力的作用提高分離篩在振動(dòng)過程中的整體平順性與穩(wěn)定性。

二級(jí)分離篩的作用是提高黏重板結(jié)土壤的離散效果，將薯土混合物進(jìn)行二次分離與輸送。二級(jí)分離裝置僅依靠驅(qū)動(dòng)輪完成波浪式振動(dòng)，不設(shè)置主動(dòng)振動(dòng)部件，以節(jié)省能耗、減少損傷。其工作參數(shù)為：輸送寬度860 mm，工作長(zhǎng)度900 mm，設(shè)計(jì)柵條輸送桿條中心距為42 mm，輸送桿條直徑12 mm。

2.2.2薯土分離段參數(shù)確定

薯塊在分離篩上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖7所示，其運(yùn)動(dòng)方式為多次“彈起”、“跌落”，分離篩的具體參數(shù)影響到薯塊的碰撞恢復(fù)系數(shù)和損傷程度。若跌落高度太大，跌落瞬時(shí)的沖擊和碰撞易使薯塊產(chǎn)生內(nèi)部損傷和切線擦傷。

將整體分離段分為緩沖段和側(cè)鋪段。緩沖簾由多塊縱向垂布的3 mm加厚減震緩沖硅膠板排列組成，一、二級(jí)分離篩兩端連接帶彎折處均設(shè)有驅(qū)動(dòng)橡膠鏈輪，以驅(qū)動(dòng)分離篩運(yùn)行，一級(jí)分離篩橡膠傳動(dòng)輪的分度圓直徑分別為240 mm和160 mm，二級(jí)分離篩橡膠傳動(dòng)輪的分度圓直徑分別為200 mm和74 mm。作業(yè)時(shí)，薯塊發(fā)生斜拋運(yùn)動(dòng)，主振動(dòng)裝置滾子以“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”的方式往復(fù)交替擊打篩面，為便于分析，將整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)化為平面拋物線運(yùn)動(dòng)，薯塊在緩沖段的運(yùn)動(dòng)方程為

(10)

式中l(wèi)d1——薯塊二級(jí)分離緩沖段水平位移，mm

v1——一級(jí)分離裝置篩面運(yùn)行速度，m/s

t1——薯塊自一級(jí)分離篩至緩沖簾Ⅱ運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

α——一級(jí)分離篩篩面傾角，(°)

vy1——薯塊通過二級(jí)分離緩沖段的y方向分速度，m/s

vx1——薯塊通過二級(jí)分離緩沖段的x方向分速度，m/s

馬鈴薯薯塊運(yùn)動(dòng)到一級(jí)分離篩末端時(shí)，其主要?jiǎng)恿碓礊橐患?jí)主動(dòng)輪的勻速驅(qū)動(dòng)，為便于計(jì)算分析將分速度vy1近似地看為零，即v1≈vd1，代入式(10)并推理得

(11)

(12)

(13)

式中vd1——一級(jí)主傳動(dòng)輪運(yùn)行線速度，m/s

nd1——一級(jí)主傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/min

hd1——薯塊由緩沖簾Ⅰ至二級(jí)分離篩上方跌落高度，mm

φd1——一級(jí)主傳動(dòng)輪分度圓直徑，mm

同理，薯塊由二級(jí)分離篩篩面傾角β的減速提升，經(jīng)過緩沖簾Ⅱ后由分離篩跌落至側(cè)鋪段的運(yùn)動(dòng)方程為

(14)

(15)

(16)

tanβ=hd2/ld

(17)

式中l(wèi)d2——薯塊側(cè)鋪段跌落水平位移，mm

vd2——二級(jí)主傳動(dòng)輪運(yùn)行線速度，m/s

t2——薯塊自緩沖簾Ⅱ跌落至地表運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

nd2——二級(jí)主傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/min

hd2——薯塊由緩沖簾Ⅰ至二級(jí)分離篩上方跌落高度，mm

φd2——二級(jí)主傳動(dòng)輪分度圓直徑，mm

ld——兩分離篩主傳動(dòng)軸之間水平距離，mm

為保證良好的分離緩沖和低位鋪放效果，在式(10)～(17)理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合云南省馬鈴薯塊莖的具體三軸尺寸，根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)下分離篩運(yùn)行線速度一般在1.2～2.0 m/s之間的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[22]，選定緩沖簾原材料為3 mm厚減震緩沖膠墊，緩沖簾Ⅰ整簾由12塊長(zhǎng)度360 mm、寬度75 mm的膠墊縱向垂列，緩沖簾Ⅱ由14塊長(zhǎng)度420 mm、寬度65 mm的膠墊縱向垂列。緩沖簾旨在縮短薯塊的拋物行程，降低跌落高度，減少薯塊損傷，達(dá)到緩沖減速、降損減傷的目的。為確定適當(dāng)?shù)木彌_簾布置位置，以有效避免跌落高度過高帶來的碰撞損傷和過低帶來的桿條撞擊，在保證分離篩的運(yùn)行速度滿足末端薯塊彈起時(shí)的拋物行程的水平位移的前提下，將緩沖簾Ⅰ、Ⅱ布置在圓周末端正上方位置，通過調(diào)整板與機(jī)架最高點(diǎn)連接。確定兩緩沖簾之間的橫向間距l(xiāng)d1=700 mm。保持主傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸I中心與主傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸Ⅱ中心處于同一水平線，之間的水平距離為ld=750 mm，選取低位鋪放段分離篩傾角為25°。以保證足夠合適的薯塊斜拋行程，避免薯塊因斜拋行程不足而直接跌落至桿條上，或因薯塊斜拋行程過大，造成薯塊由緩沖簾Ⅱ跌落至側(cè)鋪段后的大沖擊和與連續(xù)拋出的薯塊發(fā)生堆積壅堵的現(xiàn)象，大大降低薯塊損傷。

在馬鈴薯收獲機(jī)田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速n=540 r/min進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，確定變速箱直齒圓錐齒輪傳動(dòng)比為i1=2.66，通過變速箱將拖拉機(jī)傳動(dòng)軸縱向動(dòng)力轉(zhuǎn)向?yàn)闄M向動(dòng)力并通過ST12A鏈條傳遞到一級(jí)分離裝置，經(jīng)計(jì)算確定一級(jí)分離篩的傳動(dòng)比為i2=1.88，為保證二級(jí)分離篩的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速與一級(jí)篩的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速一致，取二級(jí)分離篩傳動(dòng)比i3=1。

2.2.3微波浪形薯土分離技術(shù)特征

作業(yè)時(shí)，薯土混合物在分離裝置上實(shí)現(xiàn)“薯-土-雜”的提升輸送、振動(dòng)破碎、集攏分離和碎土碎石分離，經(jīng)緩沖簾Ⅰ減速緩沖除雜后，跌落至二級(jí)分離裝置后進(jìn)一步破碎分離，經(jīng)緩沖簾Ⅱ和集薯板的雙重緩沖作用后最終將薯塊拋送至后段側(cè)鋪裝置上。在主動(dòng)振動(dòng)裝置和被動(dòng)振動(dòng)裝置的多次作用下，薯土混合物在分離篩上完成多次“躍動(dòng)”，并在摩擦力作用下向后輸送。

為便于分析，忽略分離裝置運(yùn)行速度與機(jī)具前進(jìn)速度之間由于滑動(dòng)等引起的速度差異，二者滿足關(guān)系

(18)

式中λ——速度系數(shù)，取0.8～2.5

v′——分離裝置上篩面運(yùn)行速度，m/s

v0——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

主傳動(dòng)輪和支重輪1轉(zhuǎn)速與分離裝置運(yùn)行速度vp1之間的關(guān)系滿足

(19)

(20)

v′=v″

(21)

式中φp1——支重輪1分度圓直徑，mm

v″——分離裝置下張緊篩面運(yùn)行速度，m/s

np1——支重輪1轉(zhuǎn)速

為起到降損減傷的作用，薯土分離裝置工作時(shí)采取高頻低幅的振動(dòng)方式進(jìn)行分離，分離篩在主動(dòng)振動(dòng)裝置滾子的往復(fù)激勵(lì)下進(jìn)行上下方向的微波浪形抖動(dòng)，迫使土塊破碎分離，并抖落小塊土壤、秧蔓和其他雜質(zhì)[23]。薯土混合物在分離篩上的運(yùn)動(dòng)形式為正向順流或反向回流，當(dāng)篩面傾角α大于薯土混合物與分離柵條的摩擦角時(shí)，產(chǎn)生回流現(xiàn)象，進(jìn)而增加薯塊與薯塊、篩面、土壤、雜物等的相互碰撞次數(shù)，易產(chǎn)生反復(fù)多次的動(dòng)態(tài)損傷、切線擦傷和疲勞累積損傷等；反之，若分離篩傾角α過小，為了保證薯土混合物順流時(shí)達(dá)到同等的分離效果，需加長(zhǎng)分離篩，這會(huì)增加薯塊在篩面的抖動(dòng)分離時(shí)間，增加薯塊的摩擦碰撞次數(shù)，因此設(shè)計(jì)兩級(jí)緩沖分離篩，在保證分離輸送的同時(shí)達(dá)到減損的目的。

薯土混合物運(yùn)動(dòng)特征如圖8所示，分離技術(shù)特點(diǎn)為多級(jí)振動(dòng)碎土、微波浪形薯土分離。工作時(shí)，前段設(shè)置的主、被動(dòng)振動(dòng)裝置用于增加振動(dòng)強(qiáng)度，將具有一定粘附力的黏重板結(jié)土塊破碎，同時(shí)提高了運(yùn)移階段碎土和秧蔓等雜物的透篩效率。分離篩工作時(shí)，篩面的薯土分離過程主要表征為3段波浪形，在完成土塊破碎分離的同時(shí)，將薯塊不斷向后輸運(yùn)，利用“波峰波谷”之間的運(yùn)移高度差實(shí)現(xiàn)大土塊的翻滾、破碎和分離。

一級(jí)分離篩空載狀態(tài)運(yùn)動(dòng)截圖如圖9所示。篩面整體在張緊輪和支重輪的限制下維持微波浪形結(jié)構(gòu)并持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，分離篩運(yùn)動(dòng)時(shí)可分為無振動(dòng)、振動(dòng)頂起、振動(dòng)凹沉3個(gè)階段。分離篩剛運(yùn)轉(zhuǎn)的瞬間，被動(dòng)振動(dòng)裝置的滾子與分離篩接觸，主動(dòng)振動(dòng)裝置滾子與分離篩面未接觸處于懸停狀態(tài)，分離篩表面呈斜線狀；運(yùn)動(dòng)后，分離篩面與主振動(dòng)裝置滾子高點(diǎn)接觸呈頂起狀態(tài)，此時(shí)由斜線狀過渡為折線波浪狀進(jìn)行輸送分離，并在主傳動(dòng)輪的帶動(dòng)下完成斜線向折線的連續(xù)交替分離過程轉(zhuǎn)換。

相對(duì)于僅依靠主動(dòng)振動(dòng)裝置進(jìn)行周期性驟變激勵(lì)的分離篩而言，微波浪形分離配合多重緩沖可有效避免單純激振帶來的薯塊瞬態(tài)損傷，充分減少桿條的碰撞沖擊，有效減少?zèng)_擊力對(duì)薯塊皮下組織傳遞的能量，故有利于降損減傷。進(jìn)一步分析可見，由于云南省土質(zhì)較為黏重板結(jié)，相比平原沙質(zhì)土壤需更長(zhǎng)的分離長(zhǎng)度，在機(jī)架長(zhǎng)度固定的前提下，微波浪形分離篩有效加長(zhǎng)了分離工作長(zhǎng)度。另外，通過機(jī)架安裝孔位的調(diào)整來調(diào)整峰谷高差，并結(jié)合具體的工況要求調(diào)整分離篩的張緊位置和有效分離長(zhǎng)度，從而可調(diào)整振動(dòng)等級(jí)。

2.3 低位側(cè)鋪裝置

為解決傳統(tǒng)馬鈴薯收獲機(jī)分離篩后端直接集薯?xiàng)l鋪的二次埋薯和薯面粘附物分離不徹底的問題，設(shè)計(jì)了低位側(cè)鋪裝置，將馬鈴薯塊與殘留物進(jìn)行三級(jí)分離，并將緩沖后的薯塊側(cè)向集條鋪放于未收獲的壟溝一側(cè)，有效避免了鋪放過程二次埋薯現(xiàn)象，提高了后續(xù)人工撿拾的效率，減少漏撿和踩踏。裝置主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，裝置整體與主機(jī)架相連，在機(jī)械伸縮限位桿保證水平度的前提下，由左右橫移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，滿足不同壟溝間距條件下薯塊平穩(wěn)鋪放于壟溝一側(cè)。側(cè)鋪裝置選用MBRS160型低轉(zhuǎn)速高扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，額定扭矩為320 N·m，工作油壓12.5 MPa，在流量30 L/min下轉(zhuǎn)速為120 r/min，額定功率為12.5 kW。

低位側(cè)鋪裝置主要由張緊支重輪限定輸送篩形成水平輸送分離段和傾斜下鋪段。側(cè)鋪分離篩在液壓驅(qū)動(dòng)下，使得薯塊表面的附著物被相鄰桿條緩慢搓擦，并將受到搓擦的土塊和殘留雜物從空隙中抽離，同時(shí)壓碎稍大的土塊，完成土塊和其余雜物的清理分離。

為增加機(jī)具對(duì)作業(yè)工況的適應(yīng)能力，在共用液壓調(diào)速閥的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了挖掘裝置調(diào)整機(jī)構(gòu)(圖10)，該機(jī)構(gòu)主要包括液壓缸、調(diào)速閥、安裝機(jī)架、挖掘裝置調(diào)整臂、換向閥等，作業(yè)需要時(shí)，由液壓缸控制調(diào)整臂來調(diào)整挖掘裝置的入土深度和角度。同時(shí)液壓調(diào)整機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)后段低位側(cè)鋪裝置多級(jí)轉(zhuǎn)速調(diào)整和換向傳動(dòng)。

3 運(yùn)動(dòng)特性分析

馬鈴薯薯塊在分離篩上的運(yùn)動(dòng)形式分為正向順流和反向回流，分離裝置工作過程中薯塊存在相互擠壓、碰撞以及翻滾跳躍等隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。為分析方便，忽略馬鈴薯的彈性、殘余根系的牽連及空氣阻力的影響；忽略馬鈴薯之間的相互擠壓、碰撞及自身的翻滾，將薯塊個(gè)體視為質(zhì)點(diǎn)[24]。采用不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)會(huì)有相應(yīng)的不同分離效果，因此從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度分析分離裝置薯土分離的相關(guān)特性，對(duì)于提高分離裝置性能非常關(guān)鍵。

3.1 馬鈴薯篩面滑動(dòng)分析

一級(jí)分離裝置上配備了主、被動(dòng)振動(dòng)裝置，在振動(dòng)裝置的作用下，對(duì)篩面上的薯土混合物進(jìn)行拋散，在振動(dòng)裝置滾子的雙重激振作用下，篩面保持微波浪形狀態(tài)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，為達(dá)到向后運(yùn)輸物料的目的，以薯塊質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)、分離篩運(yùn)轉(zhuǎn)方向?yàn)閤軸正方向、篩面法線方向?yàn)閥軸正方向建立坐標(biāo)系，對(duì)一級(jí)分離篩上薯塊進(jìn)行受力情況分析，如圖11所示。

得出馬鈴薯薯塊在正方向順流的動(dòng)力學(xué)方程為

m(ax1,2+ax)=mgsinα?Ff

(22)

may=FN-mgcosα

(23)

Ff=μFN

(24)

式中ax1,2——馬鈴薯薯塊相對(duì)一級(jí)分離篩順、回流時(shí)的加速度，m/s2

ax——一級(jí)分離篩x軸上的加速度分量，m/s2

ay——一級(jí)分離篩y軸上的加速度分量，m/s2

μ——馬鈴薯塊與篩面滑動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.35

Ff——馬鈴薯與篩面摩擦力，N

FN——篩面對(duì)馬鈴薯的支持力，N

v=rωcos(ωt)

(25)

a=-rω2sin(ωt)

(26)

式中v——一級(jí)分離篩線速度，m/s

a——一級(jí)分離篩加速度，m/s2

r——主振動(dòng)裝置分度圓半徑，mm

ω——主振動(dòng)裝置角速度，rad/s

t——薯塊運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

加速度在x、y軸上的分量分別為

ax=-rω2sin(ωt)cos(α+σ)

(27)

ay=-rω2sin(ωt)sin(α+σ)

(28)

式中σ——分離篩振動(dòng)方向角，(°)

在式(22)～(28)中代入一級(jí)分離篩的結(jié)構(gòu)參數(shù)：r=120 mm，ω=21.4 rad/s，α=15°，σ=22°。通過計(jì)算分析，馬鈴薯相對(duì)分離篩開始正向順流的瞬間ax=gsinα+Ff/m，反向回流的瞬間ax=gsinα-Ff/m，由此可得薯塊正向順流的理論時(shí)間段為(t1，t2)，薯塊反向回流的理論時(shí)間段為(t3，t4)。理論上薯塊在篩面上的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)性的或間斷性的：若順流起始時(shí)刻t1小于回流起始時(shí)刻t3，即篩面上順流時(shí)段(t1，t2)內(nèi)薯塊不發(fā)生回流現(xiàn)象，則篩面上薯塊運(yùn)動(dòng)是間斷的，薯塊相對(duì)分離篩靜止相當(dāng)時(shí)間段后在t3時(shí)刻開始回流；若實(shí)際順流時(shí)間區(qū)(t1，t2)與回流時(shí)間區(qū)(t3，t4)存在交叉，則薯塊回流開始瞬間為順流結(jié)束瞬間，篩面上薯塊運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的；反之，若回流起始時(shí)刻t3小于理論順流起始時(shí)刻t1，則回流優(yōu)先于順流，回流時(shí)間區(qū)(t3，t4)內(nèi)不發(fā)生順流，即薯塊相對(duì)分離篩靜止一段時(shí)間后在t1時(shí)刻開始順流，薯塊流動(dòng)是間斷的；若實(shí)際順流時(shí)間區(qū)(t1，t2)與回流時(shí)間區(qū)(t3，t4)存在交叉，則薯塊結(jié)束回流瞬間即開始順流，篩面上薯塊運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的。

經(jīng)計(jì)算，馬鈴薯塊在分離篩面上順流優(yōu)先于回流，根據(jù)式(22)～(28)計(jì)算，并對(duì)時(shí)間積分可求得順流和回流的速度表達(dá)式分別為

vxs=-rω(cos(α+σ)+μsin(α+σ))(cos(ωt)-
cos(ωt1))-g(μcosα-sinα)(t-t1)

(29)

vxh=-rω(cos(α+σ)-μsin(α+σ))(cos(ωt)-
cos(ωt′3))-g(μcosα+sinα)(t-t′3)

(30)

式中vxs——薯塊相對(duì)篩面順流速度，m/s

vxh——薯塊相對(duì)篩面回流速度，m/s

t′3——薯塊開始回流的實(shí)際時(shí)間，s

代入分離篩結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，對(duì)應(yīng)的薯塊開始順流時(shí)刻t1時(shí)ax=gsinα+Ff/m，薯塊相對(duì)篩面做加速順流，由于axgsinα+Ff/m做減速運(yùn)動(dòng)，直至停止；反向回流的瞬間ax=gsinα-Ff/m，此時(shí)實(shí)際為t′3時(shí)刻，該點(diǎn)薯塊回流速度最大，之后做ax

3.2 土塊與分離篩碰撞過程分析

分離篩對(duì)薯土混合物的分離主要包括2個(gè)階段：薯土混合物從挖掘裝置過渡到一級(jí)分離篩面上隨篩面升運(yùn)和拋離篩面的運(yùn)動(dòng)，土垡受到柵條剪切、離散等作用而破碎落篩；薯土混合物由一級(jí)分離篩跌落至二級(jí)分離篩瞬間，土塊沖擊柵條并碰撞篩面拋離篩面，實(shí)現(xiàn)二次破碎分離。

以土塊質(zhì)心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，土塊與分離篩碰撞過程如圖12所示。

土塊運(yùn)動(dòng)至一級(jí)分離篩頂端時(shí)刻開始做初速度為v0的拋物運(yùn)動(dòng)，忽略空氣阻力的影響，土塊在x方向運(yùn)動(dòng)速度不變，在y方向做初速度為v0y的加速運(yùn)動(dòng)，t時(shí)間后與分離篩面產(chǎn)生碰撞沖擊，則其與分離篩面的碰撞速度為

(31)

其中

v1x=v0x=v0cosθv0y=v0sinθ

式中v1——薯土混合物與二級(jí)分離裝置碰撞速度，m/s

v1x——碰撞速度在x方向分量，m/s

v0y——初速度在y方向分量，m/s

t′——土薯混合物拋物運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

據(jù)此可求得碰撞速度v1與分速度v1y的夾角

(32)

土塊的位移方程為

(33)

式中h——土塊起拋點(diǎn)與二級(jí)分離篩前端之間的垂直距離，mm

l——土塊落篩點(diǎn)與分離篩的距離，mm

t′0——土薯混合物總運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

b——主動(dòng)鏈輪中心與二級(jí)分離篩前端的水平距離，mm

土塊碰撞速度v1在y方向的分量為

v1y=-v1cos(α+θ)

(34)

式中v1y——土塊碰撞速度v1在y方向分量，m/s

假設(shè)土塊與分離篩發(fā)生完全非彈性碰撞，碰撞瞬間分離篩在y軸正方向的分量最大，則土塊與分離篩在y軸方向的碰撞沖量I為

I=mt(vymax-v1y)

(35)

其中

vymax=k2rωsin(β+α)

式中mt——土塊質(zhì)量，kg

vymax——最大篩面速度在y方向分量，m/s

k2——二級(jí)分離篩y方向加速度修正系數(shù)，取3

土塊與分離篩的碰撞沖量越大，土塊破碎程度越高，土薯分離效果越明顯，土塊與分離篩間的碰撞沖量與篩面傾角呈二次函數(shù)的關(guān)系，薯土混合物由一級(jí)分離篩末端跌落二級(jí)分離篩面瞬間，較大的篩面傾角更有利于土塊的破碎分離。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

樣機(jī)由云南省玉溪市新天力農(nóng)業(yè)裝置制造公司制造，于2020年1月在云南省文山州硯山縣平遠(yuǎn)鎮(zhèn)蒲草村進(jìn)行空載試驗(yàn)研究，2020年5月開展田間收獲試驗(yàn)。試驗(yàn)地海拔為1 473 m，屬中亞熱帶氣候，年平均日照時(shí)數(shù)為1 937.8 h，年平均降水量937.7 mm，年平均氣溫21.7℃，年均無霜期340～362 d，光照充足，地勢(shì)平坦，適宜于馬鈴薯生長(zhǎng)及種植，耕作層深度為12～18 cm，種植模式為大壟雙行式壟作，壟形參數(shù)為：壟高200～240 mm、壟頂寬800 mm、壟底寬900 mm、壟間距1 200 mm、壟上行間距為300～400 mm，株距280～350 mm。為驗(yàn)證黏重板結(jié)土壤下馬鈴薯的收獲效果和損傷效果，不對(duì)薯壟進(jìn)行殺秧處理，不清理田間的滴灌帶和薄膜等雜物。測(cè)得0～200 mm薯壟土壤含水率為11.54%～13.25%，0～15 cm土壤堅(jiān)實(shí)度為0.56 MPa，15～30 cm土壤堅(jiān)實(shí)度為0.78 MPa。其他試驗(yàn)設(shè)備有：東方紅-704型輪式拖拉機(jī)、合肥富煌君達(dá)高科信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的千眼狼5F01M型高速攝像機(jī)、維特BWT901CL型智能姿態(tài)傳感器、XCC-988型電子秤、奇克QC型高級(jí)鋼卷尺、米尺、浙江托普公司生產(chǎn)的土壤堅(jiān)實(shí)度儀和土壤含水率儀。

4.2 空載試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)方法

由理論分析可知，分離篩運(yùn)行速度對(duì)薯土混合物在篩面上的滑動(dòng)形式、分離效果以及篩面有效覆蓋面積均有影響，為判斷追蹤薯塊(土塊)與篩面的滑動(dòng)方式和篩面物料分布情況，確定三級(jí)分離篩運(yùn)行速度的最佳工作組合參數(shù)，并以最佳速度組合參數(shù)作為田間作業(yè)參數(shù)，采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)，以一級(jí)分離篩線速度(0.44～2.4 m/s)、二級(jí)分離篩線速度(0.6～2.2 m/s)、側(cè)輸出線速度(0.4～1.6 m/s)為試驗(yàn)因素；以含雜率和土壤覆蓋度為試驗(yàn)指標(biāo)。采集各因素下分離篩位姿變化參數(shù)及對(duì)應(yīng)的土塊相對(duì)分離篩運(yùn)動(dòng)的高速影像數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中選取的機(jī)器前進(jìn)速度較正常工作時(shí)低，主要因?yàn)檩^低的機(jī)器前進(jìn)速度可使落至分離篩的物料量較少，為有效捕捉馬鈴薯相對(duì)分離篩的運(yùn)動(dòng)影像提供便利。通過控制拖拉機(jī)油門調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速，結(jié)合變速箱能夠調(diào)節(jié)分離篩線速度；通過調(diào)節(jié)液壓調(diào)整裝置調(diào)節(jié)側(cè)輸出裝置線速度。用支架將攝像機(jī)固連于收獲機(jī)機(jī)架上，斜向并調(diào)整攝像機(jī)高度使之能夠以一定角度捕捉到整個(gè)分離篩上土塊分布的畫面。試驗(yàn)時(shí)，使高速攝像機(jī)處于待記錄狀態(tài)，啟動(dòng)拖拉機(jī)至平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后，啟動(dòng)高速攝像機(jī)開始記錄分離篩上土塊的分布狀況，結(jié)合馬鈴薯相對(duì)分離篩運(yùn)動(dòng)特性和薯土混合物覆蓋度的變化規(guī)律，剖析分離篩參數(shù)對(duì)分離篩性能產(chǎn)生影響的機(jī)理。隨機(jī)采集10 m穩(wěn)定測(cè)試區(qū)內(nèi)土壤進(jìn)行試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)后完成一次測(cè)試。通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)影響試驗(yàn)指標(biāo)的因素進(jìn)行顯著性分析，根據(jù)實(shí)際需求及前文中確定的參數(shù)范圍，最終獲得較合適的各因素組合。

試驗(yàn)因素編碼如表2所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Experimental factors and codes

4.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

除上述3個(gè)因素外，設(shè)定其他因素保持不變，按照試驗(yàn)要求完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，其試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。含雜率指一次試驗(yàn)完成后由低位側(cè)鋪裝置輸出的包括碎土在內(nèi)的雜質(zhì)質(zhì)量百分比；借鑒生態(tài)學(xué)中植被覆蓋度的概念[25]，定義分離篩上土壤覆蓋度為：土壤在分離篩面的垂直投影面積占分離篩總面積的百分比。利用高速攝影連續(xù)垂向拍攝篩面上土壤的分布狀態(tài)圖像。試驗(yàn)完成后利用Matlab解譯所選圖像范圍的像素?cái)?shù)量，讀取計(jì)算直方圖的像素?cái)?shù)量w，分離篩上土壤覆蓋度計(jì)算式為

(36)

式中η——分離篩上土壤覆蓋度，%

wi——第i塊土壤的像素?cái)?shù)量

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到含雜率Y1和土壤覆蓋度Y2的回歸方程，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)比不同因素水平下含雜率和土壤覆蓋度。分別進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。x1、x2對(duì)含雜率Y1的影響極顯著(P<0.01)；x1與x3之間的交互、x2與x3之間的交互對(duì)含雜率Y1的影響顯著(0.010.1)。x1、x1的二次項(xiàng)對(duì)土壤覆蓋度Y2的影響極顯著(P<0.01)；x2的二次項(xiàng)對(duì)土壤覆蓋度Y2的影響顯著(0.010.1)。將不顯著的影響因素剔除，得到各因素對(duì)Y1、Y2的回歸方程為

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

(37)

(38)

4.2.3響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件得出一級(jí)分離篩線速度x1、二級(jí)分離篩線速度x2影響含雜率Y1的響應(yīng)曲面，如圖13所示。

如圖13所示，當(dāng)二級(jí)分離篩線速度一定時(shí)，含雜率Y1整體隨著一級(jí)分離篩線速度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，一級(jí)分離篩線速度較優(yōu)范圍為1.42～2.40 m/s；當(dāng)一級(jí)分離篩線速度一定時(shí)，含雜率Y1整體上與二級(jí)分離篩線速度呈正相關(guān)，二級(jí)分離篩線速度較優(yōu)范圍為1.4～2.2 m/s，其中一級(jí)分離篩線速度是影響含雜率的主要因素。確定一級(jí)分離篩線速度1.42 m/s、二級(jí)分離篩線速度2.2 m/s、側(cè)輸出線速度1 m/s為分離篩最佳工作參數(shù)，此工作參數(shù)下含雜率2.56%，篩面土壤覆蓋度為69.11%?？蛰d條件下，將土壤覆蓋度近似當(dāng)作田間作業(yè)時(shí)物料篩面覆蓋分布情況。位姿變化和高速攝影拍攝效果如圖14、15所示。

以機(jī)器前進(jìn)方向?yàn)閤軸負(fù)方向，由三軸姿態(tài)變化可得，在分離篩最優(yōu)工作參數(shù)下，分離篩y、z軸方向的作業(yè)姿態(tài)受機(jī)器作業(yè)時(shí)的激勵(lì)影響較大，而x軸向受到激勵(lì)較小，x軸向加速度幅值起伏變化較之y、z軸向變化可忽略不計(jì)，總體驗(yàn)證了主振動(dòng)裝置高頻低幅的周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使篩面總體運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同時(shí)由高速攝影姿態(tài)追蹤軌跡可見，土壤在篩面的運(yùn)動(dòng)軌跡波動(dòng)較小，呈現(xiàn)為微波浪形，且相鄰?fù)翂K之間干擾較小，土塊在篩面上基本保持順流姿態(tài)，順流距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回流距離，符合理論分析結(jié)果。在此工作參數(shù)下，篩面上的土壤之間的碰撞較少，可有效減低薯塊與薯塊、薯塊與土壤之間的碰撞摩擦，減低破皮率、減少線性擦傷。因此空載試驗(yàn)確定的三級(jí)分離篩最佳速度組合參數(shù)可用于田間試驗(yàn)。

4.3 田間試驗(yàn)

4.3.1試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的試驗(yàn)方法，為測(cè)定該馬鈴薯收獲機(jī)在黏重土壤條件下的收獲性能，考慮影響其收獲效果的主要因素[26]，由理論分析計(jì)算可知，分離篩振動(dòng)強(qiáng)度和篩面傾角是影響分離破碎效果的主要因素，因此在空載試驗(yàn)確定分離篩最佳速度的條件下，為驗(yàn)證挖掘鏟性能以及分離篩分離效果，采用正交試驗(yàn)方法，以工作速度0.75～1.16 m/s、挖掘深度120～200 mm、振動(dòng)強(qiáng)度Ⅰ～Ⅴ級(jí)、篩面傾角7°～22°為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)四因素五水平正交試驗(yàn)，以明薯率、破皮率和傷薯率為試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)因素水平如表5所示，試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表6所示(z1、z2、z3、z4為因素水平值)。

表5 試驗(yàn)因素水平Tab.5 Test factors and levels

4.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

除上述4個(gè)因素外，設(shè)定其他因素保持不變，按照試驗(yàn)要求完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，其試驗(yàn)效果如圖16所示。

田間試驗(yàn)選用東方紅-704型輪式拖拉機(jī)，保持一級(jí)分離篩線速度為1.42 m/s、二級(jí)分離篩線速度為2.2 m/s、側(cè)輸出線速度為1 m/s。

由表6可知，4個(gè)因素對(duì)明薯率的影響由大到小為z4、z3、z1、z2。若要求盡可能地提高明薯率，則應(yīng)選擇各因素所對(duì)應(yīng)的K1m、K2m、K3m、K4m和K5m中的最大值作為收獲作業(yè)參數(shù)的最優(yōu)水平，即：工作速度為0.83 m/s、挖掘深度為140 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅴ級(jí)、篩面傾角為22°；4個(gè)因素對(duì)破皮率的影響由大到小為z3、z4、z2、z1，若要求盡可能地降低破皮率，則應(yīng)選擇各因素所對(duì)應(yīng)的K1p、K2p、K3p、K4p和K5p中的最小值作為收獲作業(yè)參數(shù)的最優(yōu)水平，即：工作速度為1.16 m/s、挖掘深度為120 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅲ級(jí)、篩面傾角為15°；同理，4個(gè)因素對(duì)傷薯率的影響由大到小為z1、z3、z4、z2，收獲作業(yè)參數(shù)的最優(yōu)水平：工作速度為1.16 m/s、挖掘深度為120 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅰ級(jí)、篩面傾角為15°。各試驗(yàn)因素在合理區(qū)間內(nèi)的取值與其他因素共同影響著馬鈴薯的收獲效果。實(shí)際作業(yè)過程中，在保證明薯率的同時(shí)，必須嚴(yán)格滿足破皮率和傷薯率的標(biāo)準(zhǔn)要求?？紤]云南省黏重板結(jié)土壤的具體條件，綜合選取作業(yè)參數(shù)工作速度為1.05 m/s、挖掘深度為180 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅱ級(jí)、篩面傾角為22°；作業(yè)結(jié)果為明薯99.1%、破皮率1.41%、傷薯率1.32%，符合國(guó)家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.6 Results of orthogonal test

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的基于多級(jí)分離篩振動(dòng)拋撒、破碎分離多重減速緩沖機(jī)制和側(cè)鏈輸出鋪放的多級(jí)分離緩沖馬鈴薯收獲機(jī)，能一次完成挖掘、升運(yùn)分離、清土除雜、薯秧分離、緩沖減損、低位集條集薯等作業(yè)。微波浪形薯土分離和振動(dòng)碎土方式有效改善了對(duì)薯土混合物的拋撒、破碎和分離效果，提高了馬鈴薯收獲機(jī)在黏重板結(jié)土壤下的作業(yè)效率。

(2)進(jìn)行了空載試驗(yàn)，并借助高速攝影和三軸姿態(tài)傳感器對(duì)分離篩上土塊運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕捉和分析，建立了影響因素與試驗(yàn)指標(biāo)之間的回歸模型。結(jié)果表明，當(dāng)一級(jí)分離篩線速度為1.42 m/s、二級(jí)分離篩線速度為2.2 m/s、側(cè)輸出線速度為1 m/s時(shí)，相應(yīng)的土壤覆蓋度為69.11%、含雜率為2.56%。

(3)田間正交試驗(yàn)表明，提高明薯率的最佳工作參數(shù)為：工作速度為0.83 m/s、挖掘深度為140 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅴ級(jí)、篩面傾角為22°；降低破皮率的最佳工作參數(shù)為：工作速度為1.16 m/s、挖掘深度為120 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅲ級(jí)、篩面傾角為15°；降低傷薯率的最佳工作參數(shù)為：工作速度為1.16 m/s、挖掘深度為120 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅰ級(jí)、篩面傾角為15°?？紤]云南省黏重板結(jié)土壤的具體情況，綜合選取工作速度為1.05 m/s、挖掘深度為180 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅱ級(jí)、篩面傾角為22°，此時(shí)明薯率99.1%、破皮率 1.41%、傷薯率1.32%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。