馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉瀟 李亮亮 戚江濤

摘要：結(jié)合當(dāng)前新疆馬鈴薯種植模式，設(shè)計(jì)出一種集挖掘裝置、振幅可調(diào)式振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)、速度可調(diào)式輸送裝置、液壓驅(qū)動(dòng)裝置及電氣控制系統(tǒng)等為一體的馬鈴薯收獲機(jī)，可通過(guò)電磁比例流量閥實(shí)現(xiàn)裝置的輸送速度、振動(dòng)轉(zhuǎn)速等參數(shù)的可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)板實(shí)現(xiàn)裝置振幅參數(shù)的可調(diào);使用ADAMS軟件對(duì)V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)在水平方向上以370 mm左右的位移進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在垂直方向上以260 mm左右的位移進(jìn)行起伏循環(huán)運(yùn)動(dòng)。最后以輸送速度、振動(dòng)轉(zhuǎn)速、振幅為因素，以明薯率和破皮率為響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行裝備田間性能試驗(yàn)，得出3個(gè)影響因素中振幅對(duì)明薯率有顯著影響，輸送速度和振動(dòng)轉(zhuǎn)速的影響不顯著，影響程度依次為振幅>輸送速度>振動(dòng)轉(zhuǎn)速;輸送速度和振動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)傷薯率有顯著影響，振幅的影響不顯著，影響程度依次為輸送速度>振動(dòng)轉(zhuǎn)速>振幅。分析各影響因素對(duì)明薯率和傷薯率的影響，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化得出，當(dāng)輸送速度為110 r/min，振動(dòng)轉(zhuǎn)速為100 r/min，振幅水平為下時(shí)，明薯率達(dá)到92.822 3%，傷薯率為2.790 5%。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯;收獲機(jī);仿真試驗(yàn);液壓系統(tǒng);明薯率;傷薯率

中圖分類號(hào)： S225.7+1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）17-0242-06

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）具有產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，我國(guó)是世界馬鈴薯種植面積最大的國(guó)家，年種植面積與產(chǎn)量分別在1 050萬(wàn)hm2和8 000萬(wàn)t左右。同時(shí)，我國(guó)馬鈴薯消費(fèi)量以平均每年8%的速度增長(zhǎng)，是世界上馬鈴薯消費(fèi)量增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家之一[2]。隨著我國(guó)馬鈴薯主糧化發(fā)展戰(zhàn)略的提出，馬鈴薯已逐步成為僅次于小麥、水稻和玉米的第四大糧食作物[3]。但現(xiàn)有的馬鈴薯收獲機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中存在挖掘阻力大、易壅堵、明薯率低、傷薯率高等問(wèn)題，導(dǎo)致目前我國(guó)馬鈴薯收獲仍以人工或畜力為主，機(jī)械化應(yīng)用水平低[4]，且不同地塊的土質(zhì)松軟程度不同，土壤與馬鈴薯力學(xué)結(jié)合程度不同，因此，機(jī)械化收獲已成為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前，國(guó)外開(kāi)展的馬鈴薯收獲技術(shù)研究主要有德國(guó)格力莫（Grimme）公司所生產(chǎn)的RL1700型馬鈴薯收獲機(jī)和SE140型馬鈴薯收獲機(jī)[5]以及挪威Kverneland Narbo AS公司生產(chǎn)的UN2600型系列牽引式兩行馬鈴薯收獲機(jī)[6]，為了提高作業(yè)效率，在機(jī)器上融入了振動(dòng)和液壓技術(shù)，通過(guò)傳感技術(shù)來(lái)控制馬鈴薯的傳運(yùn)量及土壤喂入量，利用虛擬制造技術(shù)和超塑加工技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，國(guó)外馬鈴薯收獲機(jī)的研制技術(shù)水平相對(duì)較高;國(guó)內(nèi)主要采用分段式收獲，桿條式分離篩是目前國(guó)內(nèi)外馬鈴薯收獲機(jī)具中廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式[7]。國(guó)內(nèi)開(kāi)展的相關(guān)研究主要有黑龍江省伊春市農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究所的4UX-2型馬鈴薯收獲機(jī)[8]、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院的4UFD-1400型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)[9]及學(xué)者潘志國(guó)等的研究[10-14]。本研究在以上研究基礎(chǔ)上，結(jié)合新疆馬鈴薯種植模式，設(shè)計(jì)研制一種振幅、輸送轉(zhuǎn)速可調(diào)的馬鈴薯收獲機(jī)，以完成薯-土混合物挖掘、輸送、振動(dòng)分離、集條等作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

針對(duì)新疆地區(qū)馬鈴薯種植模式以及農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種馬鈴薯收獲機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1和圖2。該機(jī)主要由挖掘裝置、轉(zhuǎn)速可調(diào)式輸送裝置、參數(shù)可調(diào)式振動(dòng)分離裝置、液壓驅(qū)動(dòng)裝置及電氣控制系統(tǒng)等組成，其中轉(zhuǎn)速可調(diào)式輸送裝置主要由閉合回轉(zhuǎn)篩等組成;參數(shù)可調(diào)式振動(dòng)分離裝置主要由V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)板、調(diào)節(jié)絲桿及偏心輪等組成;液壓驅(qū)動(dòng)裝置主要由液壓泵、電磁比例流量閥、液壓馬達(dá)等組成，電氣控制系統(tǒng)的主控單元為可編輯邏輯控制器（PLC）。馬鈴薯收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

該馬鈴薯收獲機(jī)可同時(shí)完成馬鈴薯挖掘、薯-土輸送振動(dòng)分離及集條鋪放等作業(yè)。具體工作過(guò)程：拖拉機(jī)帶動(dòng)馬鈴薯收獲機(jī)前進(jìn)，齒輪泵在拖拉機(jī)后輸出軸的帶動(dòng)下將液壓油經(jīng)換向閥輸入到液壓比例調(diào)節(jié)閥中，液壓油經(jīng)液壓比例調(diào)節(jié)閥分流后進(jìn)入2個(gè)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)②用來(lái)驅(qū)動(dòng)V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行薯-土分離，使閉合回轉(zhuǎn)篩完成上下起伏動(dòng)作，液壓馬達(dá)①給閉合回轉(zhuǎn)篩提供回轉(zhuǎn)動(dòng)力，使閉合回轉(zhuǎn)篩完成薯-土混合物輸送，液壓比例調(diào)節(jié)閥可通過(guò)可編程控制程序?qū)σ簤河洼敵隽窟M(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)振幅和閉合回轉(zhuǎn)篩轉(zhuǎn)速。工作時(shí)，挖掘鏟首先對(duì)薯-土混合物進(jìn)行挖掘，然后將其推送到分離裝置上，閉合回轉(zhuǎn)篩對(duì)薯-土混合物進(jìn)行輸送和分離， 較小的土塊在振動(dòng)分離篩面上通過(guò)柵條間隙分離，落至地面，較大的土塊也在振動(dòng)過(guò)程中破碎后落至地面，分離后的馬鈴薯被鋪放于地面上，從而進(jìn)行薯塊收集。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在馬鈴薯機(jī)械化收獲過(guò)程中，薯-土混合物的高效輸送、有效分離是體現(xiàn)整機(jī)作業(yè)性能的重要指標(biāo)[15-17]。輸送分離裝置采用V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)（圖2），液壓馬達(dá)②帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪帶動(dòng)調(diào)節(jié)絲桿作用調(diào)節(jié)板，進(jìn)而帶動(dòng)V型抖動(dòng)桿進(jìn)行往復(fù)振動(dòng)，從而進(jìn)行薯-土混合物分離，振幅大小可通過(guò)調(diào)節(jié)板進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由油箱、液壓馬達(dá)、電磁換向閥、電磁比例流量閥等元器件組成，本設(shè)計(jì)選用美國(guó)Hydraforce公司的PV08-30型電磁比例流量閥，其具有電磁驅(qū)動(dòng)、電氣參數(shù)可變、斷電常閉、三通、帶壓力補(bǔ)償、優(yōu)良的線性和磁滯特性、結(jié)構(gòu)尺寸小、便于檢修、耐用等特點(diǎn)。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理：由拖拉機(jī)后輸出軸傳遞動(dòng)力，帶動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)液壓比例調(diào)節(jié)閥通過(guò)可編程控制程序?qū)σ簤河瓦M(jìn)行分流，當(dāng)輸入不同的控制命令后，電磁比例流量閥實(shí)現(xiàn)控制分流作用，進(jìn)而控制2個(gè)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，液壓馬達(dá)②用來(lái)驅(qū)動(dòng)V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分離，使閉合回轉(zhuǎn)篩面完成上下起伏動(dòng)作，液壓馬達(dá)①給閉合回轉(zhuǎn)篩提供轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力，工作原理如圖3所示。

2.2.1 V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速 在振動(dòng)分離過(guò)程分析中，將馬鈴薯薯塊視為質(zhì)點(diǎn)，則馬鈴薯離開(kāi)分離篩的運(yùn)動(dòng)類似于以弧線AB為軌跡，以不同曲率做的圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)P位于V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角θ處時(shí)，受力情況如圖4所示，對(duì)其進(jìn)行受力分析。

3 振動(dòng)分離裝置仿真

3.1 幾何建模

ADAMS軟件是由美國(guó)MSC公司開(kāi)發(fā)研制的集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件，主要針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析[18]。偏心輪機(jī)構(gòu)參數(shù)決定V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此須要建立V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)及其偏心輪機(jī)構(gòu)的仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果確定其運(yùn)動(dòng)參數(shù)。將Solidworks實(shí)體模型的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為Parasolid（*.x_t）格式，通過(guò)ADAMS/Import模塊導(dǎo)入ADAMS中，建立幾何實(shí)體模型。

3.2 添加約束

通過(guò)添加不同的約束，將偏心輪跟V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)聯(lián)系在一起，動(dòng)力MOTION_1由偏心輪軸輸入，轉(zhuǎn)速選擇50 degree×time帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)絲桿，使V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，各部件添加約束均為轉(zhuǎn)動(dòng)副（圖5）。

3.3 仿真分析

在開(kāi)始仿真分析前，利用模型自檢工具對(duì)樣機(jī)模型進(jìn)行最后檢驗(yàn)，排除建模過(guò)程中的隱含錯(cuò)誤，以保證仿真分析過(guò)程順利進(jìn)行，點(diǎn)擊Simulation進(jìn)行仿真，終止時(shí)間為80 s，仿真步驟為50，點(diǎn)擊開(kāi)始仿真按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行仿真，觀察模型的運(yùn)行情況，仿真結(jié)果如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

由圖6可知，當(dāng)t=0時(shí)，V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)沿x軸正半軸方向增大，當(dāng)增大到約220 mm時(shí)，開(kāi)始沿反方向運(yùn)動(dòng);當(dāng)t=10 s時(shí)，達(dá)到反向最大值（-150 mm），然后繼續(xù)向正向運(yùn)動(dòng)，回到起始點(diǎn)，由此可得V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)在水平方向上以約370 mm的位移進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 由圖7可知， V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)在垂直方向上以260 mm左右的位移進(jìn)行上下起伏循環(huán)運(yùn)動(dòng)，軌跡運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)間斷點(diǎn)和突變現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)要求。由圖8和圖9可知，在x軸和y軸方向上，V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)仿真速度都在進(jìn)行周期性變化，V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)速度應(yīng)大于分離篩的輸送速度，這樣可降低薯塊壅堵，加快薯-土混合物分離。圖8中x軸最大速度為0-11 m/s，y軸最大速度為0.07 m/s。該輸送速度值大于0，可實(shí)現(xiàn)薯土分離，且速度不太大，不至于傷薯，故該設(shè)計(jì)速度可作為馬鈴薯收獲機(jī)的實(shí)際速度，在進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)可保證收獲機(jī)正常工作。

4 生產(chǎn)試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

2017年8月在新疆石河子市五宮村進(jìn)行馬鈴薯收獲機(jī)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)田種植的馬鈴薯品種為早熟品種荷蘭7號(hào)，適應(yīng)性廣，表皮極易破損，種植模式為寬壟雙行。試驗(yàn)地面積為 5 hm2，土壤板結(jié)較嚴(yán)重，灌溉方式為滴灌，試驗(yàn)前10 d停止滴灌作業(yè)并完成殺秧作業(yè)。配套動(dòng)力由約翰迪爾454拖拉機(jī)提供，慢3檔作業(yè)（圖10）。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在薯-土混合物輸送分離過(guò)程中，作業(yè)效果好壞主要體現(xiàn)在明薯率、破皮率等指標(biāo)上[19-20]，而影響各指標(biāo)的主要因素有輸送速度、振動(dòng)速度及振幅等，為此對(duì)以上3種影響因素進(jìn)行分析。本試驗(yàn)采用3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，輸送速度水平為70、90、110 r/min，振動(dòng)轉(zhuǎn)速水平為80、100、120 r/min，振幅水平為上、中、下，以明薯率和破皮率為響應(yīng)指標(biāo)，按照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)方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所取因素和水平如表2所示。依據(jù)L17（33）表進(jìn)行17組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果（表3）。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 回歸方程 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，明薯率和破皮率的回歸方程如下：

Y1=93.68+4.04A-3.96B+4.35C-3.13AB-1.90AC+7.10BC-4.58A2-7.68B2-8.65C2;

Y2=6.28-2.73A+2.25B-1.25C+0.25AB+3.6AC-7.8BC+0.26A2+2.46B2+4.76C2。

4.4 各因素對(duì)明薯率的影響分析

由表4可知，模型的明薯率P值為0.016，小于0.05，表明該模型較顯著，其中輸送速度P值為0.064 1，振動(dòng)轉(zhuǎn)速P值為0.068 0，振幅P值為0.049 9，由此可知，3個(gè)因素中振幅對(duì)明薯率具有顯著影響，輸送速度和振動(dòng)轉(zhuǎn)速的影響不顯著，三者影響程度依次為振幅>輸送速度>振動(dòng)轉(zhuǎn)速。由圖 11-a 可知，當(dāng)振幅為中時(shí)，隨著輸送速度和振動(dòng)轉(zhuǎn)速的增加，分離篩輸送速度增加，減少了壅堵，增加了薯-土分離，明薯率開(kāi)始增大，但當(dāng)輸送速度增加到110 r/min時(shí)，明薯率將不再增加，開(kāi)始下降，振動(dòng)轉(zhuǎn)速也有著同樣的趨勢(shì)，因?yàn)樵谡駝?dòng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，可以在一定的時(shí)間內(nèi)增加薯-土混合物的分離，增大明薯率，但是振動(dòng)轉(zhuǎn)速不宜過(guò)大，過(guò)大將會(huì)對(duì)馬鈴薯造成一定的損傷，由圖11-b可知，當(dāng)振動(dòng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，隨著振幅和輸送速度的增加，明薯率先增大后減小，;由圖11-c可知，當(dāng)輸送速度為 90 r/min 時(shí)，隨著振幅和振動(dòng)轉(zhuǎn)速的增加，明薯率也呈先增大后減小的趨勢(shì);當(dāng)振動(dòng)轉(zhuǎn)速超過(guò)104 r/min時(shí)，對(duì)明薯率影響明顯增大。

4.5 各因素對(duì)傷薯率的影響分析

由表4可知， 模型的傷薯率P值為0.000 5， 小于0.05，說(shuō)明該模型也顯著，其中輸送速度P值為0.003 8， 振動(dòng)轉(zhuǎn)速P值為0.009 9，振幅P值為0.092 4，由此可知，輸送速度和振動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)傷薯率具有顯著影響，振幅的影響不顯著，三者影響程度依次為輸送速度>振動(dòng)轉(zhuǎn)速>振幅。由圖12-a可知，當(dāng)振幅為中時(shí)，隨著輸送速度的增大和振動(dòng)轉(zhuǎn)速的減小，傷薯率開(kāi)始減小，這是由于振動(dòng)轉(zhuǎn)速的增大，加快了薯-土混合物的分離，使大量的土塊破碎，然后通過(guò)篩條落向地面;由圖12-b可知，當(dāng)振動(dòng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，隨著振幅的增大，傷薯率先減小后增大，這是由于振幅的增大，直接對(duì)馬鈴薯造成了一定的表皮損傷，隨著輸送速度的增加，傷薯率反而減小，這是由于輸送速度的增加，使馬鈴薯薯塊可以盡快向后方輸送，減少了在分離篩上的停留時(shí)間，因此降低了傷薯率;由圖12-c可知，當(dāng)輸送速度為90 r/min時(shí)，隨著振幅和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增加，傷薯率呈上升趨勢(shì)，振幅越大，傷薯率越明顯，振動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)傷薯率的影響大于振幅，如圖12-c所示。

4.6 試驗(yàn)優(yōu)化

以輸送速度、振動(dòng)轉(zhuǎn)速、振幅為試驗(yàn)因素，明薯率期望值最大，傷薯率期望值最小，得出的優(yōu)化結(jié)果如表5所示。

由表5可知，當(dāng)輸送速度為110 r/min，振動(dòng)轉(zhuǎn)速 100 r/min，振幅為下時(shí)，明薯達(dá)到92.822 3%，傷薯率為 2.790 5%，符合馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)完成了一種集挖掘裝置、振幅可調(diào)式振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)速可調(diào)式輸送裝置、液壓驅(qū)動(dòng)裝置及電氣控制系統(tǒng)等為一體的馬鈴薯收獲機(jī)，可通過(guò)電磁比例流量閥調(diào)節(jié)油量驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)①、液壓馬達(dá)②，從而實(shí)現(xiàn)裝備輸送速度、振動(dòng)轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)的可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)板實(shí)現(xiàn)裝置振幅的可調(diào)。

使用ADAMS對(duì)V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真得出，V型振動(dòng)分離機(jī)構(gòu)在水平方向上以370 mm左右的位移進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，垂直方向上以260 mm左右的位移進(jìn)行起伏循環(huán)運(yùn)動(dòng)，X軸最大速度為1.1 m/s，該值大于輸送速度值，說(shuō)明該設(shè)計(jì)速度可作為馬鈴薯收獲機(jī)的實(shí)際工作速度，在進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)可保證收獲機(jī)正常工作。

通過(guò)田間試驗(yàn)得出，3個(gè)影響因素中輸送速度和振動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)傷薯率具有顯著影響，且三者的影響次序?yàn)檩斔退俣?振動(dòng)轉(zhuǎn)速>振幅;只有振幅對(duì)明薯率具有顯著影響，影響次序?yàn)檎穹?輸送速度>振動(dòng)轉(zhuǎn)速。分析各影響因素對(duì)明薯率和傷薯率的影響，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化得出，當(dāng)輸送速度為 110 r/min，振動(dòng)轉(zhuǎn)速100 r/min，振幅為下時(shí)，明薯率達(dá)到92-822 3%，傷薯率為 2.790 5%。

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