馬鈴薯聯(lián)合收獲薯土分離技術(shù)與裝置研究*

李聿堯，楊紅光，王冰，吳峰，顧峰瑋，范加力

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

2015年馬鈴薯作為小麥、水稻、玉米三大主糧的補(bǔ)充，成為我國第四大糧食作物。馬鈴薯營養(yǎng)均衡，用途多樣，經(jīng)濟(jì)效益高[1-3]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球馬鈴薯的產(chǎn)量已達(dá)359 070 kt，收獲面積為1.649×107hm2，單位產(chǎn)量達(dá)217 688 kg/hm2；而我國2020年馬鈴薯的總產(chǎn)量近78 240 kt，單位面積產(chǎn)量為185 474 kg/hm2，收獲面積為4.218×106hm2[4]。近年來，我國馬鈴薯產(chǎn)量、種植面積雖均已居世界首位，但技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家相比仍有一定差距，其主要原因之一就是機(jī)械化程度仍待提高，因此馬鈴薯全程機(jī)械化的進(jìn)一步發(fā)展是極為重要的。而馬鈴薯收獲又是其中必不可少的一環(huán)，機(jī)械化水平越高，效率越高、收獲質(zhì)量越好，同時還能節(jié)約人工成本。薯土分離技術(shù)是決定收獲質(zhì)量的關(guān)鍵，薯土分離時的作業(yè)效果、產(chǎn)生的機(jī)械損傷對整體收獲質(zhì)量有很大的影響。本文將對馬鈴薯收獲中薯土分離技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，對幾種不同分離技術(shù)的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，尤其對聯(lián)合收獲中薯土分離技術(shù)的應(yīng)用做了介紹，并對馬鈴薯收獲機(jī)中薯土分離裝置的設(shè)計思路進(jìn)行分析與展望，以期對相關(guān)研究提供一定參考。

1 馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)

馬鈴薯收獲機(jī)是馬鈴薯全程機(jī)械化的重要一環(huán)，一般可分為分段收獲和聯(lián)合收獲兩類。分段收獲機(jī)一般能夠在工作過程中將馬鈴薯挖掘并進(jìn)行輸送，在進(jìn)行薯土、薯秧分離的同時進(jìn)行鎮(zhèn)壓平土，最后將處理完成的馬鈴薯鋪放在壓實(shí)的地面上再另行撿拾。而我國能夠進(jìn)行撿拾的機(jī)器很少、撿拾過程大多由人工完成[5-7]。而聯(lián)合收獲機(jī)則能夠在分段收獲的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成收集裝袋，解決了分段收獲后撿拾費(fèi)時費(fèi)力的問題，機(jī)械自動化水平更好，效率更高。

馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)一般分為自走式和牽引式兩種。自走式聯(lián)合收獲機(jī)自身就具備動力源，駕駛員直接在收獲機(jī)上操作，在田間轉(zhuǎn)彎時半徑?。粻恳铰?lián)合收獲機(jī)在進(jìn)行工作時需靠前方的拖拉機(jī)提供動力，田間作業(yè)時不太靈活，但往往結(jié)構(gòu)簡單，動力利用率更高?？偟膩砜绰?lián)合收獲機(jī)上均包含挖掘、薯土分離、薯秧分離、輸送、集裝等幾部分。作業(yè)時通過挖掘部分的限深裝置確定挖掘深度，經(jīng)切草裝置和防纏繞裝置的輔助來提升挖掘效果，由挖掘鏟將土壤中的薯塊挖出后進(jìn)行運(yùn)輸，將薯塊與土壤、秧桿、地膜等雜物運(yùn)送至分離裝置，經(jīng)過薯土、薯秧、薯雜分離后繼續(xù)運(yùn)輸，再經(jīng)過后續(xù)工序完成收集裝袋[8-10]。自走式、牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)[11]如圖1、圖2所示。

一些發(fā)達(dá)國家的工業(yè)、材料技術(shù)發(fā)展較好，發(fā)動機(jī)動力足，所研制的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)械已能很好地按指標(biāo)完成收獲作業(yè)。而我國與發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平還存在一定差距，目前國內(nèi)所進(jìn)行的研究仍以分段式收獲偏多，對于聯(lián)合收獲的研究也主要是聚焦于中小型聯(lián)合收獲機(jī)械[8, 10]，大型聯(lián)合收獲機(jī)械大多還需依賴進(jìn)口。馬鈴薯聯(lián)合收獲作業(yè)中薯土分離裝置是決定收獲質(zhì)量最為關(guān)鍵的部分，薯土分離這一關(guān)鍵技術(shù)對傷薯率、損失率、含雜率等多項收獲指標(biāo)都有很大的影響。

圖1 自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)

圖2 牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)

2 薯土分離技術(shù)

2.1 薯土分離技術(shù)研究概況

在馬鈴薯收獲薯土分離技術(shù)的研究中，大多數(shù)研究設(shè)計都是以裝置運(yùn)動實(shí)現(xiàn)土薯混合物運(yùn)輸?shù)耐瑫r帶動薯塊、土塊發(fā)生跳躍、碰撞及振動實(shí)現(xiàn)分離的。此過程中細(xì)碎土壤會被篩分，大塊的土壤也因此而破碎脫落，附著在薯塊上的土壤也會隨薯塊與機(jī)構(gòu)之間的作用脫落，處理后的馬鈴薯會繼續(xù)運(yùn)送至下一工序。

2.1.1 帶桿振動式分離技術(shù)

帶桿振動式分離技術(shù)是現(xiàn)在最為主流的分離技術(shù)，且無論是分段收獲還是聯(lián)合收獲都有大量的應(yīng)用。其原理主要是依靠分離裝置自身振動并傳遞至薯土混合物，讓土薯塊發(fā)生跳躍、振動，附著在薯塊上的泥土因振動而脫落，大土塊也會破碎為小土塊被分離出。起初設(shè)計的振動分離帶桿大多只有單獨(dú)的一個，即一級分離帶桿，后隨著學(xué)者的不斷研究和技術(shù)的發(fā)展，二級及多級分離的技術(shù)也愈發(fā)成熟，通過多級分離帶桿作業(yè)能夠提高作業(yè)效率，提升薯土分離的效果，也有將帶桿設(shè)計成S型(波浪形)能夠在增加土薯混合物與帶桿之間的接觸面積的同時有效減少機(jī)身的長度。

呂金慶等[12]在進(jìn)行4U2A型雙行馬鈴薯挖掘機(jī)的設(shè)計時采用了先輸送后振動分離的技術(shù)。挖掘出的薯土混合物先經(jīng)過傾斜向上的輸送帶桿，再掉落到振動帶桿上進(jìn)行薯土分離。通過張緊輪確保運(yùn)輸過程平穩(wěn)，增設(shè)可調(diào)振幅的振動輪以適應(yīng)不同收獲情況、不同土壤環(huán)境的分離作業(yè)，在保證收獲質(zhì)量的同時降低傷薯率。帶桿為彎桿與直桿交替配置，每一根彎桿和相鄰的兩根直桿都能構(gòu)成一個凹槽型空間，馬鈴薯在帶桿上時可以盡可能地保持在此凹槽位置而不是來回滾動，也能減少收獲過程中的損傷。

雖然帶桿在主動軸作用下工作時會產(chǎn)生一定的振動，但往往效果不好且不可控，所以通常需借助振動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)帶桿振動可調(diào)。振動機(jī)構(gòu)可分為主動振動機(jī)構(gòu)和固定振動機(jī)構(gòu)兩種。工作時主動振動裝置受驅(qū)動軸作用強(qiáng)化帶桿振動，如圖3(a)所示為基于偏心輪機(jī)構(gòu)的激振裝置[13]，其工作時會發(fā)生往復(fù)擺動，使得分離帶桿受到交替變化的波動作用，提高分離效果。如圖3(b)所示為旋轉(zhuǎn)式振動裝置[14]，其工作時會隨著驅(qū)動軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)使帶桿發(fā)生上下往復(fù)的變化，產(chǎn)生“波峰-波谷”的振動面。而固定振動機(jī)構(gòu)在工作時不發(fā)生運(yùn)動近似于被固定在機(jī)架上，但可在工作前調(diào)整其位置實(shí)現(xiàn)張緊以及對帶桿振動幅度等的調(diào)控。

(a) 擺動式振動機(jī)構(gòu) (b) 旋轉(zhuǎn)式振動機(jī)構(gòu)

帶桿振動式薯土分離技術(shù)發(fā)展至今已十分成熟，應(yīng)用普遍。在多級分離帶桿設(shè)計時，常在兩級帶桿之間添設(shè)薯秧分離裝置，便于土壤、莖稈、石塊等雜物的篩分，提高分離效果。但是為此往往也需增加分離帶桿的長度，或增大土薯混合物振動、碰撞的幅度，使得薯塊更易受損，傷薯率偏高。此外也會因薯塊堵塞等影響發(fā)生故障，使振動帶桿無法穩(wěn)定工作。

2.1.2 振擺結(jié)合式分離技術(shù)

振擺結(jié)合式分離技術(shù)常見于分段收獲中，主要由前方的振動帶桿與后方的分離篩組成。前方振動帶桿形式及工作情況與上節(jié)所述一致，而其后方的擺動部分常采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)或是偏心輪配合連桿機(jī)構(gòu)通過往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。工作時在前方振動帶桿完成一次分離后，前后擺動的分離篩帶動土薯混合物發(fā)生往復(fù)運(yùn)動，黏結(jié)在薯塊上的土壤和大土塊在此過程中破碎并從篩桿間的空隙掉落，土薯塊也因質(zhì)量減少而被拋落完成分離。

振擺結(jié)合式分離技術(shù)前方的振動多采用振動帶桿的形式，所以大多數(shù)的研究都是針對后部分離篩的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的。近年來有不少學(xué)者運(yùn)用虛擬樣機(jī)、高速攝影等技術(shù)進(jìn)行了研究分析。楊莉[15]通過ADAMS軟件對4SW-130型馬鈴薯收獲機(jī)的振動分離篩進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，分析了擺動分離過程的運(yùn)動狀態(tài)及薯塊運(yùn)動、受力情況，通過仿真對速度、加速度、運(yùn)動軌跡等結(jié)果分析，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。謝勝仕等[16]通過高速攝影技術(shù)對擺動分離篩的影響因素進(jìn)行研究并分析了薯土混合物在擺動分離篩上的運(yùn)動，探明了分離作業(yè)時曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄長度、轉(zhuǎn)速以及收獲機(jī)的前進(jìn)速度對分離效果和傷薯率的影響。

振擺結(jié)合式分離的優(yōu)點(diǎn)在于振動與擺動相結(jié)合，分離效果更好，且結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，只需更換不同參數(shù)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境情況的收獲作業(yè)，但是同帶桿振動式一樣振動幅度較大，機(jī)械損傷較明顯，傷薯率偏高，且多應(yīng)用于分段式收獲。

2.1.3 撥動式分離技術(shù)

撥動式薯土分離技術(shù)作業(yè)時一般依靠一組或多組撥動式輥軸組轉(zhuǎn)動撥動馬鈴薯，使得薯土混合物發(fā)生碰撞和振動。土塊會因?yàn)檩佪S旋轉(zhuǎn)撥動被擊碎，也會因?yàn)閾軇虞佪S組的作用，相互之間發(fā)生碰撞而破碎，薯土分離效果較好。

吳建民等[17]設(shè)計的撥指輪式馬鈴薯挖掘機(jī)如圖4所示，工作時挖出的薯土混合物運(yùn)送至分離裝置，撥指輪輥軸旋轉(zhuǎn)，由包裹了彈性橡膠套的撥指撥動薯塊，能夠有效減少碰撞損傷，降低傷薯率，土塊受擊破碎，完成薯土分離作業(yè)。為了減少機(jī)械損傷的同時保證分離質(zhì)量，會通過增加輥軸組數(shù)，減少撥動力臂長度的設(shè)計，以小損傷、多次撥動的方式來進(jìn)行分離作業(yè)。楊然兵等[18]設(shè)計了一種撥動式輥軸組推送土薯混合物實(shí)現(xiàn)薯土分離的裝置如圖5。工作時撥動輥軸組旋轉(zhuǎn)撥動，土薯混合物被推送、拋擲、不斷與自身和分離裝置間產(chǎn)生碰撞，土塊破碎掉落完成分離。其中每個撥輪的齒數(shù)、撥動輥軸的組數(shù)、組與組之間的距離都會對作業(yè)過程的分離效率、傷薯率有較大的影響。

撥動式分離技術(shù)其優(yōu)點(diǎn)就是減小了振動式、擺動式分離裝置收獲時機(jī)身所產(chǎn)生的振動，能有效地減少分離長度，薯土分離效果較好，薯塊所受機(jī)械損傷較小，但是對于整體設(shè)計要求更高，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，出現(xiàn)故障時不易維修。

圖4 撥指輪式輥軸

圖5 撥動式輥軸組

2.1.4 旋轉(zhuǎn)式分離技術(shù)

旋轉(zhuǎn)式分離技術(shù)主要是由可轉(zhuǎn)動的圓形分離裝置自身旋轉(zhuǎn)使土薯混合物受到相應(yīng)的作用，土塊碎裂脫落完成了分離。其旋轉(zhuǎn)軸大多是與地面近似平行的，此時依靠分離裝置旋轉(zhuǎn)使土薯塊受到重力和支持力的綜合作用發(fā)生碰撞。也有旋轉(zhuǎn)軸與地面存在一定角度，讓薯塊受離心力和重力的綜合作用完成分離。

旋轉(zhuǎn)分離技術(shù)較為典型的是旋轉(zhuǎn)軸與地面近似平行的滾筒式薯土分離[19]。工作時挖掘出的薯土混合物在轉(zhuǎn)動的滾筒式分離裝置內(nèi)部的發(fā)生碰撞和振動，使得土塊發(fā)生破碎并從間隙中脫落。石林榕等[20]研制的圓盤柵式馬鈴薯挖掘機(jī)的圓盤柵與水平面之間存在一定夾角并不斷地旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入分離裝置的薯土混合物受到離心力和重力的綜合作用，體積大的土薯塊會在圓盤柵外周運(yùn)動并發(fā)生碰撞，土塊會碎裂、脫落，薯塊會因自身泥土減少使得質(zhì)量變小，受綜合作用力影響沿圓周向?qū)項l移動完成分離。楊然兵等[10]設(shè)計的一種立式環(huán)形分離輸送裝置能在將薯塊向上層運(yùn)輸?shù)耐瑫r完成薯土分離。薯土混合物被運(yùn)至立式環(huán)形分離裝置中，薯土混合物在環(huán)形裝置與隔板所構(gòu)成的相對密閉空間中隨環(huán)形裝置的旋轉(zhuǎn)而上升，并受重力和離心力的作用發(fā)生碰撞，土塊破碎脫落完成分離，薯塊被運(yùn)送至最高點(diǎn)后進(jìn)入下道工序完成向上的運(yùn)輸。幾種不同原理的旋轉(zhuǎn)式分離技術(shù)如圖6所示。

(a) 滾筒式薯土分離裝置 (b) 圓盤柵式分離裝置

(c) 立式環(huán)形分離裝置

旋轉(zhuǎn)式分離設(shè)備作業(yè)時主要通過圓形裝置自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力完成分離作業(yè)，在工作時振動較小，工作更加平穩(wěn)，機(jī)身整體不會過長，但是圓形結(jié)構(gòu)會造成機(jī)器寬度較大，相對而言結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且旋轉(zhuǎn)時薯秧、地膜等雜物不易被分離出。

四種不同類型薯土分離技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)及其相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 不同薯土分離技術(shù)的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)Tab. 1 Working principles， advantages and disadvantages of different tuber and soil separation technologies

2.2 聯(lián)合收獲與分段收獲中的薯土分離技術(shù)

無論是聯(lián)合還是分段收獲，挖掘鏟剛挖出的大量薯土混合物含土率極高并混有大量土塊，故在挖掘后的首次薯土分離任務(wù)極重。目前國內(nèi)外所設(shè)計的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)大多采用振動帶桿來完成首次薯土分離，帶桿振動式分離能夠通過設(shè)計調(diào)整桿條的間距快速分離大量的細(xì)碎土壤，有效減少后續(xù)的工作壓力。對于分段收獲來說，擺動式分離篩往往設(shè)計在機(jī)器末端，而旋轉(zhuǎn)式與撥動式分離結(jié)構(gòu)特殊，應(yīng)用最多的仍是帶桿振動式分離技術(shù)。即無論是聯(lián)合還是分段收獲，挖掘后進(jìn)行的首次薯土分離大多都采用振動帶桿。

下面結(jié)合前人已有研究對比分析振動式帶桿薯土分離在聯(lián)合與分段收獲中的應(yīng)用。首先從整體上來看聯(lián)合與分段收獲時的整機(jī)前進(jìn)速度都在0.56～1.67 m/s之間，其中以0.88 m/s和1.16 m/s進(jìn)行試驗(yàn)較多[13-14, 21]。其次，分段式帶桿的線速度范圍在1.2～2.0 m/s，大多為1.52 m/s，而為了提高明薯率也會將分離速度提高至2.16 m/s[21]，而聯(lián)合收獲的一級振動帶桿線速度范圍在1.15～1.85 m/s，為綜合提高分離效果將一級帶桿的線速度設(shè)為1.35 m/s，后續(xù)分離帶桿設(shè)為速度0.8～1.2 m/s[8]。分段和聯(lián)合收獲振動帶桿的帶桿間隙大多為45 mm，保證首次薯土分離能夠分離出大量的細(xì)碎土壤，而聯(lián)合收獲后續(xù)的帶桿間隙會相應(yīng)減少至40 mm、35 mm[13]。雖然具體機(jī)型的要求會因土壤、薯種、收獲環(huán)境等因素不同而有所差異，但綜合來看，聯(lián)合收獲分離帶桿的線速度要小于分段式，帶桿的間隙也有所差異，這些對分離效果都有很大的影響，聯(lián)合收獲對挖掘后的首次薯土分離的效果要求更低，其原因主要是聯(lián)合收獲整體分離面積較長，首次薯土分離時適當(dāng)保留一定土壤有助于減少后續(xù)作業(yè)中薯塊受到的損傷，且在經(jīng)歷多次分離后仍能夠達(dá)到收獲標(biāo)準(zhǔn)。而分段式收獲大多只有一次薯土分離過程且分離后多被拋至土面，為保證收獲質(zhì)量要盡可能地篩分出更多的土壤，故對薯土分離要求更高。

2.3 聯(lián)合收獲中的二次薯土分離技術(shù)

馬鈴薯聯(lián)合收獲是集挖掘、除雜、裝袋等功能于一體的，要降低裝袋時袋內(nèi)的土壤含量，應(yīng)提高整機(jī)的薯土分離能力。為保證薯土分離效果并減少薯塊所受機(jī)械損傷可通過減少振動幅度的同時增加分離機(jī)構(gòu)的長度，進(jìn)行多次的輸送分離來實(shí)現(xiàn)，這同時也滿足了聯(lián)合收獲中多工序的需求。而要提高聯(lián)合收獲作業(yè)質(zhì)量，綜合提高分離效果，降低含雜率，對后續(xù)作業(yè)過程中的部分分離機(jī)構(gòu)或是裝置進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)，進(jìn)行薯土分離的同時實(shí)現(xiàn)薯秧分離、薯塊分級等功能。后續(xù)工序中完成其他功能時兼顧實(shí)現(xiàn)的薯土分離稱為二次薯土分離。

目前聯(lián)合收獲中的二次薯土分離主要存在于以下幾部分：薯秧地膜的分離清除、薯塊的輸送升運(yùn)、薯塊分級(小薯石塊的篩分清除)等。

薯秧分離有升運(yùn)式、摘輥式等形式、其中摘秧輥即可視為基于撥動式薯土分離技術(shù)改進(jìn)而來的。在胡良龍等[23]設(shè)計的薯類聯(lián)合收獲機(jī)以及Wu等[24]設(shè)計的薯土分離裝置中均進(jìn)行了徑向摘秧輥的設(shè)計，如圖7所示。粗螺旋輥與細(xì)圓輥交替布置、反向轉(zhuǎn)動，保證薯塊正常運(yùn)輸?shù)耐瑫r將秧桿拖拽除去，在進(jìn)行薯秧分離的同時進(jìn)一步減少了土壤的含量。除了徑向設(shè)置輥軸組還有軸向輥軸組的設(shè)計如圖8所示，同樣能夠兼顧薯土、薯秧分離，綜合減少聯(lián)合收獲的含雜率。美國、德國等國外機(jī)型都有將撥動式輥軸組的輥輪設(shè)計為星型輪的樣式[25]如圖9所示，輥輪間設(shè)有一定的角度差，在降低薯塊損傷的同時能夠?qū)崿F(xiàn)薯土與薯秧的分離。

圖7 徑向摘秧輥

圖8 軸向摘秧輥

圖9 星型輥輪圖

不少馬鈴薯聯(lián)合收獲設(shè)備為了合理利用空間，盡可能減少整機(jī)的長度，通常會采用上下兩層的分離運(yùn)輸，這就需要采用升運(yùn)機(jī)構(gòu)將下層的薯土混合物運(yùn)送至上層，有學(xué)者針對此類升運(yùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)向上升運(yùn)的同時實(shí)現(xiàn)了薯土分離。日本東洋農(nóng)機(jī)[26]以及楊然兵等[10]都以旋轉(zhuǎn)式薯土分離為基礎(chǔ)設(shè)計了立式旋轉(zhuǎn)升運(yùn)裝置[10]如圖10所示，能夠?qū)⑹韷K向上運(yùn)輸?shù)耐瑫r借由重力和離心力的綜合作用完成薯土分離。

圖10 立式環(huán)形分離裝置

為了提高收獲薯塊的品質(zhì)，有的聯(lián)合收獲機(jī)在進(jìn)行收集裝袋前會進(jìn)行薯塊的分級以及小薯、石礫土塊的篩分，也能實(shí)現(xiàn)二次薯土分離，進(jìn)一步減少土壤的含量。連文香[27]研究設(shè)計的分級裝袋裝置，隨著薯塊向后輸送，輥軸的間隙會發(fā)生變化，小薯塊和石塊、土壤會因此而被篩分，兼顧了分級運(yùn)輸與土壤分離。日本東洋農(nóng)機(jī)[26]也通過在輥軸中間設(shè)置出多組凸起的圓盤來實(shí)現(xiàn)分級如圖11所示，伴隨著碰撞與振動，薯塊被繼續(xù)運(yùn)送，小薯和土石落入縫隙中，完成薯塊分級運(yùn)輸?shù)耐瑫r實(shí)現(xiàn)了二次薯土分離。

圖11 分級篩分裝置

3 薯土分離技術(shù)在國內(nèi)外聯(lián)合收獲機(jī)械中的應(yīng)用

相比于國內(nèi)，國外工業(yè)水平整體較高，技術(shù)更為先進(jìn)，對于薯土分離裝置的研究開展更早，使得馬鈴薯機(jī)械化收獲更為成熟，如美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家。他們的馬鈴薯收獲技術(shù)、體系都更先進(jìn)，對收獲機(jī)的整體設(shè)計也更優(yōu)秀，對薯土分離技術(shù)的應(yīng)用也更好。

美國973型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)[28]如圖12所示。該機(jī)型的二次薯土分離裝置是由撥動式輥軸組來實(shí)現(xiàn)的，在輥軸組之間設(shè)計反向旋轉(zhuǎn)軸，能拖拽分離出存在的秧苗等雜物、異物，因此可以實(shí)現(xiàn)不提前殺秧直接進(jìn)行收獲。輥軸組設(shè)計為星型六齒式如圖13所示，在進(jìn)行分離時薯土混合物的碰撞頻率更高，分離效果更好。同時撥動輥軸選用聚氨酯材料在保證硬度的同時不易對馬鈴薯造成損傷，而且土壤較難附著在此材料上?？梢愿鶕?jù)不同工況調(diào)節(jié)分離速度，提高了土薯的分離效果，減少堵塞，能有效降低傷薯率、破皮率。

圖12 美國Double L 973型馬鈴薯收獲機(jī)

圖13 Double L 973型收獲機(jī)土二次薯分離裝置

德國AR-4BX型聯(lián)合收獲機(jī)[29]采用三級振動式分離，采用了帶有頂端保護(hù)的雙齒帶，第一級振動分離帶可以根據(jù)收獲挖掘速度進(jìn)行調(diào)整，第二級振動由液壓系統(tǒng)控制，保證整機(jī)工作時更加的穩(wěn)定。并且在第二、三級分離裝置后設(shè)計了一組帶橡膠層的軸向輥軸組系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二次薯土分離。在面對不同土壤類型時能夠通過更換配件實(shí)現(xiàn)更好的效果，因地制宜。德國SE150-60型馬鈴薯收獲機(jī)[25]分離裝置的原理為二級振動分離，能根據(jù)不同石塊含量、土塊大小、含雜量的土壤情況對一級振動分離機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)的調(diào)整，在二級薯土分離時也可以通過更換篩分器的形式，提高薯土分離效果，減少堵塞。整機(jī)可以根據(jù)不同的土壤、環(huán)境情況進(jìn)行組合選擇，保證不同條件下的收獲質(zhì)量。

日本TPH7系列型號的馬鈴薯收獲機(jī)[26]對帶桿振動分離技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。在振動輸送分離帶中的桿條采用粗細(xì)交替的布置，提高了激振裝置的振動能力，更易將附著的土塊打碎分離；在分離器上用橡膠包裹，減少作業(yè)期間造成的損傷；同時可以通過調(diào)節(jié)閥調(diào)整分離裝置的工作速度，滿足不同情況的需求。整機(jī)通過環(huán)式升運(yùn)裝置實(shí)現(xiàn)上下兩層分離作業(yè)，減少了整機(jī)長度并提高了作業(yè)效率，有效地降低了傷薯率。

雖然我國馬鈴薯機(jī)械化自動化起步較晚，但目前國內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)的研究成果也越來越多。青島洪珠研制的洪珠4U-90LH馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)采用振動分離裝置完成薯土分離，在挖掘過程中能夠壓碎壟床土表的硬物，振動分離帶桿角度可控，分離效果好，破皮率低，對不同土壤環(huán)境的收獲條件都能有較好的適應(yīng)性[11]。中機(jī)美諾[30]研制的1710A型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)能夠一次性完成挖掘、薯土薯秧分離、輸送至裝運(yùn)車等作業(yè)，采用二級振動分離裝置，保證振動強(qiáng)度，薯土分離效果好，使用壽命長，且通過輸送臂完成升運(yùn)裝車，極大地減少了時間、人力成本，經(jīng)濟(jì)效益高。

對比國內(nèi)外馬鈴薯收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀可發(fā)現(xiàn)我國與發(fā)達(dá)國家仍然存有一定的差距，發(fā)達(dá)國家的馬鈴薯收獲技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，機(jī)械化水平較高，能夠滿足其目前收獲情況所需，且不同工作原理的薯土分離技術(shù)都較為成熟，幾乎每種類型的薯土分離裝置都能順利地完成收獲作業(yè)的要求，創(chuàng)新能力強(qiáng)。而我國馬鈴薯收獲技術(shù)仍然需要進(jìn)一步提高，應(yīng)結(jié)合我國馬鈴薯實(shí)際種植模式、收獲土壤情況，提升薯土分離效果，延長使用壽命，提高創(chuàng)新性、適用性、可替換性等，并逐漸向提高收獲穩(wěn)定性，更加自動化、智能化，更偏向人機(jī)交互，更便于操作機(jī)具作業(yè)的方向發(fā)展。

4 薯土分離裝置設(shè)計思路分析與展望

我國馬鈴薯種植區(qū)域廣，不同地區(qū)有不同的土壤類型、氣候環(huán)境、地形條件、種植模式，同種機(jī)型無法滿足各地不同的要求，要因地制宜，對不同的田間收獲條件應(yīng)有不同的設(shè)計思路。目前我國分段收獲已較成熟，機(jī)身長度小，拖拉機(jī)牽引提供動力，可進(jìn)行小田塊多批次的收獲，但極其損耗人力、時間，且收獲大田塊時效率極低。所以進(jìn)一步發(fā)展馬鈴薯聯(lián)合收獲迫在眉睫，其中薯土分離裝置的設(shè)計更是極為關(guān)鍵。聯(lián)合收獲因有完成裝袋的需求，減少袋中土壤以及雜質(zhì)的含量，故對分離效果的要求更高。而提高分離效果往往需要增大薯塊碰撞、振動的頻率，使得薯塊更易受損。所以根據(jù)田間收獲條件進(jìn)行設(shè)計，處理好分離效果與薯塊損傷率之間的矛盾關(guān)系，即在保證分離效果的同時盡可能減少薯塊所受的損傷，綜合提高收獲質(zhì)量是十分重要的。綜上將從土壤類型、種植區(qū)域角度來分析薯土分離裝置的設(shè)計思路，并對未來的發(fā)展進(jìn)行一定的展望。

4.1 不同土壤類型的薯土分離裝置設(shè)計

一般來說土壤可分為沙土、黏土和壤土三種。沙土透水透氣，土質(zhì)疏松，黏性較低，針對此類土壤大部分薯土分離裝置都能較好地完成分離作業(yè)，分離時土壤更加容易破碎脫落，而且不容易附著在分離裝置上，減輕了分離負(fù)擔(dān)，不過一般沙土上的馬鈴薯種植較少。黏土含沙量很少，不易透水、黏性較強(qiáng)，土塊相對不易破碎，需要較高的分離強(qiáng)度，這就需要提高工作時的強(qiáng)度，提高振動頻率和碰撞發(fā)生的次數(shù)。而且在進(jìn)行分離作業(yè)時黏土比較容易附著在裝置上，導(dǎo)致分離效果變差。無論是振動式帶桿還是撥動輥軸組都很難不被附著，所以在進(jìn)行設(shè)計時可以考慮添設(shè)刮泥器，將附著的黏土刮落。壤土是介于沙土和黏土之間的，保水保肥，是最適合種植的土地，針對此設(shè)計分離裝置時要兼顧考慮分離效率與傷薯率之間的關(guān)系，得出最優(yōu)的薯土分離方案。

4.2 不同種植區(qū)域的薯土分離裝置設(shè)計

我國馬鈴薯種植區(qū)域較廣，大體上可以分為北方、中原、西南和南方四個主要產(chǎn)區(qū)。其中尤其以北方產(chǎn)區(qū)和西南產(chǎn)區(qū)為主，兩者的產(chǎn)量能達(dá)全國總產(chǎn)量的近90%，中原和南方產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量較低[3]。

北方產(chǎn)區(qū)主要以春播秋收為主，且大多數(shù)為平原地區(qū)，單塊種植面積都較大，因此大型的聯(lián)合收獲機(jī)械更加高效。在設(shè)計分離裝置時應(yīng)當(dāng)將高效、快速完成大量薯土混合物的分離放在首位，可以采用以振動式分離帶桿為主的分離技術(shù)。為了保證分離效果可以加長分離帶桿的長度、寬度，并采用多級振動分離帶桿或是振動帶桿與波浪形帶桿相結(jié)合的設(shè)計，也可以選用撥動式輥軸組來完成分離作業(yè)，設(shè)計時選用組數(shù)較多，寬度較大的分離裝置，在保證分離效果的同時，降低機(jī)械損傷。但是北方產(chǎn)區(qū)較為干旱、馬鈴薯種植時要進(jìn)行地膜覆蓋，所以在設(shè)計薯土分離裝置時要兼顧考慮殘膜等雜物的影響及回收，在北方平原地區(qū)大面積種植，可以不用考慮收獲機(jī)機(jī)身的長度。中原產(chǎn)區(qū)情況與北方產(chǎn)區(qū)大致相同，以平原為主，但生長環(huán)境良好，進(jìn)行分離裝置設(shè)計時可以北方產(chǎn)區(qū)作為參考。

西南產(chǎn)區(qū)以混作為主，且多丘陵山地，單塊種植面積較小，因此要以中小型聯(lián)合收獲為主。在設(shè)計分離裝置時應(yīng)避免過長，保證能夠在小田塊內(nèi)正常的進(jìn)行收獲工作及掉頭?？梢圆捎幂^短的振動式分離帶桿來完成分離作業(yè)，因?yàn)榉N植面積小，所需進(jìn)行的分離任務(wù)也較輕，較短的振動帶桿也能滿足收獲指標(biāo)的要求，也可以采用波浪形帶桿，能夠提升分離效果。此外也可以采用旋轉(zhuǎn)式的分離裝置如鼠籠式，其長度相對較短，能有效地減少機(jī)身長度，便于在較小的地塊中完成掉頭、收獲，且能夠保證收獲質(zhì)量。此外西南產(chǎn)區(qū)的雨水較多，在設(shè)計時應(yīng)考慮耐腐蝕性，保證機(jī)器在工作時的可靠性以及整機(jī)的使用壽命等。

4.3 薯土分離裝置設(shè)計思路的展望

隨著信息技術(shù)及傳感器等的發(fā)展，除了上文所述的設(shè)計思路外，在未來進(jìn)行薯土分離設(shè)計時或應(yīng)更多向智能化、復(fù)合型、綠色化的方向考慮。

智能化，即在設(shè)計時考慮減少人工操作，強(qiáng)調(diào)機(jī)器的自動控制。在進(jìn)行分離作業(yè)時可以根據(jù)喂入量以及分離裝置上土雜含量的不同進(jìn)行振動頻率、幅度自動調(diào)控，有效減少薯塊的損傷；在多級薯土分離機(jī)構(gòu)之間能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速、振幅等最優(yōu)配比的自動調(diào)控；對工作時的狀態(tài)能夠?qū)崟r監(jiān)測，對可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)警。智能化地實(shí)現(xiàn)既能減少人工操控步驟、便于駕駛，又能保證收獲質(zhì)量、減少損傷。

復(fù)合型，即在設(shè)計時考慮可替換性以及一機(jī)多用的可能。在進(jìn)行不同收獲條件的薯土分離裝置設(shè)計時可以將分離裝置的大小尺寸、動力傳輸?shù)冗M(jìn)行規(guī)范統(tǒng)一，使得同一收獲機(jī)在面對不同情況時只需更換分離裝置即可完成作業(yè)，加強(qiáng)通用性、適用性。實(shí)現(xiàn)在混作區(qū)可以對其他土下果實(shí)進(jìn)行收獲的可替換性，也考慮進(jìn)行其他作物收獲的可能性，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

綠色化，即在設(shè)計時考慮綠色發(fā)展，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。在材料科學(xué)以及制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計時應(yīng)選擇新型材料，在保證可靠性及收獲質(zhì)量的前提下降低綜合成本，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用；合理計劃充分利用能源，降低功耗，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)化發(fā)展。