履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機設(shè)計與試驗

魏忠彩 王興歡 李學(xué)強 王法明 李志合 金誠謙

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255091；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014；3.山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司，德州 253600；4.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，德州 253600)

0 引言

中國作為馬鈴薯第一生產(chǎn)大國，其產(chǎn)量占據(jù)全球馬鈴薯產(chǎn)量的23%，但2021年國內(nèi)馬鈴薯機收率僅為32%左右[1-3]。馬鈴薯收獲裝備依然是國內(nèi)農(nóng)機領(lǐng)域的“短板弱項”，收獲環(huán)節(jié)的清選、除雜、分級、裝袋等工序的勞動力投入較大[4-5]，制約了馬鈴薯相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。區(qū)域間的地理特點、土壤特性和種植品種等因素使得每個地區(qū)需要匹配的收獲裝備和收獲工藝各不相同。例如，西北、西南混作區(qū)的馬鈴薯種植面積和產(chǎn)量均位于全國主產(chǎn)區(qū)前列，但其受限于地形條件和土壤特性，導(dǎo)致馬鈴薯收獲機械化水平仍然較低；南方冬作區(qū)的冬閑稻田種植馬鈴薯，由于地塊小、土壤粘重，多采用壟作或畦作，目前還主要以人工作業(yè)為主；東北土壤粘重地區(qū)，收獲后的馬鈴薯除雜和清潔等技術(shù)水平仍待提高；丘陵山區(qū)或小地塊的馬鈴薯收獲，目前尚以人工收獲為主，因此馬鈴薯顆粒歸倉和搶收生產(chǎn)迫在眉睫[6-9]。

根據(jù)技術(shù)原理和結(jié)構(gòu)不同，馬鈴薯收獲機大致可分為輕簡型挖掘式、分段收獲式和聯(lián)合收獲式[10-11]。馬鈴薯收獲機的分離裝置一般包括環(huán)形分離裝置[12]、薯秧分離裝置[13]、多級輸送分離裝置[14]、桿鏈-擺動分離篩[15-16]、擺抖激振薯土分離裝置、非等距集薯分離裝置[17]和低位鋪放緩沖分離裝置[18]等，由于依靠拖拉機提供動力，因此轉(zhuǎn)彎半徑大、作業(yè)靈活性差，難以滿足丘陵山區(qū)和小地塊的作業(yè)工況多變、地頭空間小等作業(yè)需求；分段收獲機挖掘分離后的薯塊鋪放于地表，后續(xù)由人工撿拾的勞動強度大、且占用勞動力多；而聯(lián)合收獲機的分離行程更大，且易導(dǎo)致傷薯破皮現(xiàn)象，因此更是難以適應(yīng)丘陵山區(qū)和小地塊的收獲需求。收獲期的馬鈴薯含水率高、表皮脆嫩，導(dǎo)致薯塊在收獲過程中由于碰撞產(chǎn)生彈跳、翻滾、摩擦甚至擠壓而影響收獲品質(zhì)。對于馬鈴薯機械化收獲來說，薯土分離、清土除雜和鋪放集薯過程是確保降低含雜率的關(guān)鍵，但這些環(huán)節(jié)的碰撞沖擊也是造成傷薯破皮現(xiàn)象的主要原因[17-19]。因此，如何減輕馬鈴薯受到的損傷，在保證分離效果的同時減少馬鈴薯的分離行程、拋落高度和次數(shù)等尤為關(guān)鍵[20-21]。

由于馬鈴薯種植的特殊性，收獲時薯土混合物需整壟挖掘，薯土雜分離量大，馬鈴薯在分離篩上的運動復(fù)雜多變且隨機性強，高效分離與低損收獲難以兼顧。就分揀型薯類收獲機而言，單壟單行甘薯聯(lián)合收獲機可對甘薯一次性完成挖掘、分離、除秧、升運和輸送作業(yè)[22]；黑龍江心語機械公司研發(fā)的馬鈴薯聯(lián)合收獲機，采用“多級分離+立式環(huán)形提升”的分離輸送機構(gòu)，可實現(xiàn)人工輔助分揀作業(yè)；日本生產(chǎn)的TPH-179型分揀型馬鈴薯聯(lián)合收獲機，可配備5人實施撿拾除雜作業(yè)；德國GRIMME、美國Double L以及比利時AVR和Dewulf 等公司研發(fā)的自走式馬鈴薯收獲機功能齊全，一般配備有分揀平臺，人工輔助分揀石塊、土塊和秧蔓等雜質(zhì)；韓國生產(chǎn)的SHI-1 500型分揀式馬鈴薯聯(lián)合收獲機也配備人工分揀平臺，薯群經(jīng)人工分揀后進(jìn)入料斗或進(jìn)行裝袋作業(yè)，作業(yè)效率較高。但上述裝備一般體積龐大，即便是平原地區(qū)廣泛使用的中小型收獲機械也不能很好地適應(yīng)丘陵山區(qū)及小地塊作業(yè)工況[6]。丘陵山區(qū)和小地塊適合體積較小的自走式馬鈴薯收獲機下地作業(yè)[23]，采用篩面分離與人工輔助分揀相結(jié)合的收獲方式具有實用價值和現(xiàn)實意義。

本文在前期馬鈴薯收獲試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合馬鈴薯種植農(nóng)藝及實際作業(yè)需求，針對丘陵地區(qū)或小地塊馬鈴薯種植，基于履帶式自走技術(shù)、自動對行挖掘技術(shù)以及篩面分離與人工輔助分揀相結(jié)合的作業(yè)方式，開發(fā)一款履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機，在闡述總體設(shè)計和工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)選取，并對履帶式底盤、自動對行挖掘裝置、分離分揀裝置以及液壓控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部分進(jìn)行設(shè)計與田間試驗，為馬鈴薯收獲機分離分揀裝袋工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由履帶式底盤、自動對行挖掘裝置、分離裝置、分揀裝置和液壓控制系統(tǒng)等部分組成，采用篩面分離與人工輔助分揀相結(jié)合的作業(yè)方式，徹底解決了薯塊先鋪放于地面后再進(jìn)行人工撿拾而導(dǎo)致的跌落損傷及切線擦傷等問題，同時也減輕了勞動強度。

圖1 履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機整機結(jié)構(gòu)圖

樣機的機架前端設(shè)置有挖掘裝置和自動對行裝置，機架立板內(nèi)側(cè)篩面下方裝有振動輪，前部下方裝有液壓缸，以便控制前部的升降和挖掘鏟鏟面的入土深度；分離篩和分揀篩分別安裝在底盤前部和中部上方。收獲機田間作業(yè)時，機架前部通過液壓缸的調(diào)節(jié)使其處于工作狀態(tài)(圖1)；轉(zhuǎn)運地塊或地頭轉(zhuǎn)彎時，機架前部則收起處于折疊狀態(tài)(圖2)。

圖2 履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機折疊狀態(tài)

1.2 工作原理

收獲作業(yè)之前，首先根據(jù)種植行距調(diào)整自動對行裝置的2個對行輪之間的距離，確保傾斜布置的2個對行輪壓在馬鈴薯薯壟兩側(cè)，以引導(dǎo)挖掘裝置及整個馬鈴薯收獲機沿著馬鈴薯薯壟前進(jìn)。收獲作業(yè)時，挖掘鏟將挖掘的薯土混合物輸送至分離篩始端，然后隨著分離篩和分揀篩朝著收獲方向的后方運行，以完成薯土分離和人工輔助分揀過程。被動式振動輪隨著分離篩的運行而轉(zhuǎn)動，迫使分離篩產(chǎn)生高頻低幅振動，以提高分離篩的分離效率[17-18]。履帶式底盤兩側(cè)設(shè)有分揀平臺，經(jīng)分離篩的薯土雜分離后的馬鈴薯被輸送至分揀篩，然后人工輔助對分揀篩篩面上的馬鈴薯進(jìn)行撿拾裝袋，分揀篩剩余的秧蔓、土塊等雜質(zhì)則被輸送至馬鈴薯收獲機末端后跌落至地表。履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 履帶自走式馬鈴薯收獲機主要技術(shù)參數(shù)

1.3 主要技術(shù)及結(jié)構(gòu)特點

履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機采用的履帶式底盤、液壓驅(qū)動模式、自動對行挖掘和人工輔助分揀模式的優(yōu)勢在于：①履帶式底盤與液壓驅(qū)動模式：節(jié)約了作業(yè)空間，轉(zhuǎn)彎半徑小，機動性、爬坡能力強，且可根據(jù)作業(yè)工況實時調(diào)整分離篩運行速度、挖掘深度、分揀篩運行速度等作業(yè)參數(shù)，以滿足不同的作業(yè)工況需求。②自動對行挖掘：利用自動對行裝置的對行輪“扶壟”行走，進(jìn)而可根據(jù)實際收獲工況對履帶自走式收獲機的前進(jìn)方向進(jìn)行微調(diào)，避免“挖深、挖偏”等現(xiàn)象的發(fā)生。③篩面分離與人工輔助分揀相結(jié)合：挖掘后薯土混合物經(jīng)過分離篩分離后輸送至分揀篩，由分揀平臺兩側(cè)的撿拾工手動分揀、分級入筐或裝袋，因此可有效避免輸送至地面所造成的二次跌落損傷，并且減小了人工彎腰撿拾的勞動強度。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)確定

2.1 自動對行挖掘裝置設(shè)計

在實際收獲過程中，丘陵山區(qū)地形平坦不一、壟體與壟溝高低不平、薯壟“歪、扭”程度不一，易出現(xiàn)“挖淺、挖偏”現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致傷薯、漏薯等。自動對行挖掘裝置是引導(dǎo)履帶自走式馬鈴薯收獲機挖掘與分離裝置乃至整個收獲機正確地沿著薯壟前進(jìn)的關(guān)鍵部件，主要由對行輪、對行支撐架、挖掘鏟、手動可調(diào)式伸縮缸和調(diào)整支撐架等構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 自動對行挖掘裝置結(jié)構(gòu)圖

兩對行輪呈一定夾角對稱安裝在對行支撐架兩側(cè)，并且對行輪可自由旋轉(zhuǎn)。在收獲作業(yè)過程中，對行輪在履帶驅(qū)動作用下向前滾動，為了避免出現(xiàn)滑移現(xiàn)象而影響對行的準(zhǔn)確性，兩對行輪始終“騎行”在薯壟兩側(cè)，且對行輪的滾動前進(jìn)方向平行于馬鈴薯收獲機的前進(jìn)方向(圖4)。

圖4 對行輪工作示意圖

由于兩對行輪之間存在一定角度，則滿足

(1)

式中Fti——薯壟作用于對行輪上的水平分力，N

Fdi——薯壟作用于對行輪上的垂直分力，N

Fli——對行輪對薯壟的正壓力，N

ΔFt——對行輪作用在薯壟兩側(cè)的水平分力差值，N

θ——兩對行輪對薯壟正壓力的夾角，(°)

其中i=1、2，分別對應(yīng)于薯壟兩側(cè)的對行輪。作業(yè)過程中，挖掘鏟受到薯壟土壤的作用力往往會產(chǎn)生挖掘深度調(diào)控不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，設(shè)置的液壓缸可處于實時浮動狀態(tài)，壟側(cè)土壤反作用于對行輪在鉛錘方向的分力可有效防止挖掘鏟越挖越深、收獲機能耗較高和分離篩分離負(fù)擔(dān)重等；對行輪在左右兩壟側(cè)的水平分力差值ΔFt超出一定范圍后，土壤反作用于對行輪在水平方向上的分力通過對行輪寬度支撐架傳遞給馬鈴薯收獲機機架，驅(qū)動履帶行走的液壓馬達(dá)可對收獲速度進(jìn)行微調(diào)，使馬鈴薯收獲機沿著薯壟正確前進(jìn)。

因此，自動對行挖掘裝置可有效避免挖掘鏟挖掘深度過深導(dǎo)致的薯土擁堵現(xiàn)象和挖掘鏟位置不當(dāng)導(dǎo)致的馬鈴薯切傷現(xiàn)象。根據(jù)馬鈴薯壟作種植特點，對行輪直徑過大將影響機具的質(zhì)量和體積，反之則薯壟的凹凸不平或個別土塊將會影響對行輪的對行作業(yè)，因此取對行輪直徑為330 mm；對行輪寬度決定了對行輪與薯壟側(cè)面之間的單位面積壓力，過小易導(dǎo)致對行輪陷入薯壟土壤內(nèi)，從而影響對行效果，因此取對行輪寬度為100 mm；θ過大或過小時，影響自動對行挖掘效果，也會降低對行輪上的軸承壽命。根據(jù)馬鈴薯壟作種植特點，為合理分配對行輪在水平方向與垂直方向的作用力，為使單行收獲方式具有良好的自動對行挖掘和后續(xù)穩(wěn)定的分離分揀效果，設(shè)計的對行輪直徑為330 mm，寬度為100 mm，兩對行輪之間的夾角θ為50°。

2.2 分離裝置和分揀裝置設(shè)計

2.2.1分離篩設(shè)計與參數(shù)確定

分離篩的斜置角度和運行速度是影響分離效果的重要參數(shù)。分離篩由桿條、連接帶和擋桿等構(gòu)成，呈4桿條-1擋桿交替布置的結(jié)構(gòu)形式排列，如圖5所示。在分離篩運行的過程中完成薯土雜分離和輸送，由于分離篩呈靠近挖掘裝置一端低、靠近分揀篩一端高的斜置狀態(tài)，安裝在每組桿條之間的擋桿在滿足薯土雜分離效率的前提下可有效限制薯塊的回流現(xiàn)象，確保馬鈴薯能夠順利輸送到分揀篩中。

圖5 分離篩篩面局部結(jié)構(gòu)圖

在薯土雜分離過程中，薯塊和秧蔓、土壤等雜質(zhì)混合物經(jīng)挖掘鏟挖掘輸送至分離篩后，由于分離篩篩面的透篩作用[17]，篩面上方的物料分布逐漸由“薯塊-土壤-桿條”接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆韷K-桿條”直接接觸狀態(tài)。由于馬鈴薯逐漸失去土壤的緩沖保護(hù)作用，薯塊易產(chǎn)生較大的碰撞加速度，從而產(chǎn)生“碰撞彈跳”甚至“回流翻滾”現(xiàn)象[24]。分離篩篩面具有一定的斜置角度，薯塊“碰撞彈跳”或者“回流翻滾”作用迫使部分動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，從而導(dǎo)致原來與分離篩運行速度相等的薯塊與分離篩篩面再次接觸時，其速度小于分離篩的運行速度。篩面物料轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆韷K-桿條”直接接觸狀態(tài)時以及薯塊產(chǎn)生彈跳后再次接觸桿條時，將分離篩篩面前端桿條、后端桿條對薯塊的作用力分解為前端桿條、后端桿條對薯塊的支持力和前端桿條、后端桿條對薯塊表面的摩擦力，如圖6所示。

圖6 馬鈴薯在分離篩篩面上的受力分析

對薯塊在分離篩篩面上的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，有

(2)

式中Fs——薯塊受到沿分離篩斜面向上的分力，N

Fx——薯塊受到沿分離篩斜面向下的分力，N

Gs——薯塊受到的重力，N

Fq、Fh——前端桿條、后端桿條對薯塊的支持力，N

fq、fh——前端桿條、后端桿條對薯塊的摩擦力，N

α——分離篩篩面傾角，(°)

αq、αh——前端桿條、后端桿條對薯塊的摩擦力與分離篩篩面夾角，(°)

對于分離篩篩面上前后相鄰2根桿條對薯塊的摩擦力，主要與薯塊對桿條的正壓力以及薯塊-桿條的摩擦因數(shù)有關(guān)。當(dāng)Fs=Fx時，薯塊被穩(wěn)定向上輸送，當(dāng)Fs

(3)

式中Ms——薯塊受到的順時針力矩，N·m

Mn——薯塊受到的逆時針力矩，N·m

lq、lh——前端桿條、后端桿條與薯塊接觸點到薯塊質(zhì)心的距離，m

βq、βh——前端桿條、后端桿條對薯塊的支持力與薯塊質(zhì)心到桿條和薯塊接觸點連線的夾角，(°)

當(dāng)Ms≠Mn時，薯塊發(fā)生轉(zhuǎn)動，由于薯塊自身粘彈性特性，且與桿條接觸為面接觸，薯塊在接觸面區(qū)域易產(chǎn)生形變并產(chǎn)生阻力偶，阻力偶方向與薯塊轉(zhuǎn)動方向相反，從而阻礙薯塊的轉(zhuǎn)動。當(dāng)薯塊在分離篩篩面發(fā)生翻滾或滑動時，與桿條或擋桿發(fā)生碰撞，當(dāng)薯塊與擋桿發(fā)生碰撞時，對薯塊進(jìn)行受力分析如圖7所示，F(xiàn)zp為擋桿對薯塊的作用力，N；Fl為桿條對薯塊的作用力，N；lgg為相鄰兩桿條之間的距離，m；lpg為桿條與擋桿之間的水平距離，m；hpl為擋桿的高度，m。薯塊滑移至桿條與擋桿交接位置的過程中，由于薯塊與桿條發(fā)生非完全彈性碰撞[26-27]，使自身形變消耗一定能量，在擋桿的阻擋作用下，薯塊在桿條和擋桿的雙重支撐作用力下處于穩(wěn)定狀態(tài)。假設(shè)薯塊滾動和滑動的距離為分離篩兩擋桿之間的距離，在翻滾過程中滿足能量守恒

圖7 馬鈴薯與擋桿碰撞時的受力分析

msglpsinα=Ek+Ef+Ec

(4)

式中ms——薯塊質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

lp——分離篩兩相鄰擋桿之間的長度，m

Ek——在與擋桿碰撞前薯塊的動能，J

Ef——摩擦力在薯塊翻滾和滑動時所做的功，J

Ec——薯塊翻滾和滑動非彈性形變所消耗的功，J

分析可知，馬鈴薯的重力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芎推渌臒o用功。在薯塊和擋桿發(fā)生碰撞時，碰撞符合動量守恒[25]，且短暫的碰撞過程外界的作用力可忽略[28-29]，假設(shè)薯塊碰撞后沿與篩面垂直方向產(chǎn)生“彈跳”[26,30]，根據(jù)能量守恒定律可得

Ek=msghpt

(5)

式中hpt——薯塊碰撞彈跳高度，m

為了防止薯塊的碰撞彈跳高度大于所設(shè)置的擋桿高度，導(dǎo)致薯塊跌落至下一個擋桿區(qū)間，而造成馬鈴薯損傷，則需滿足

hplcosα≥hpt

(6)

聯(lián)立式(4)～(6)得

(7)

在實際工作過程中，由于薯塊翻滾位移小于兩擋桿之間長度，所需要的擋桿高度小于計算值。為了防止馬鈴薯在篩面上碰撞彈跳、翻滾回流和保證良好的分離效果，結(jié)合文獻(xiàn)，取桿條和擋桿直徑均為11 mm，分離篩相鄰桿條之間的距離lgg=45 mm；根據(jù)設(shè)計的機具高度，分離篩斜置角度過大時，薯塊在分離過程中易翻越擋桿至下一擋桿區(qū)間，產(chǎn)生薯塊回流現(xiàn)象[31-32]；分離篩斜置角度過小時，分離篩輸送馬鈴薯到所設(shè)定的分揀篩高度所需的分離篩行程過長，導(dǎo)致整機長度過長，因此取分離篩斜置角度為30°；由式(7)可知，兩擋桿間距與擋桿高度成正比例關(guān)系，查得馬鈴薯與65Mn桿條碰撞產(chǎn)生損傷臨界速度為2.506 m/s[33]，為降低薯塊因回流而產(chǎn)生疲勞累計損傷，并確保一定的薯土分離效果，相鄰兩擋桿之間的距離lp取210 mm，即桿條與擋桿之間的水平距離lpg取37.5 mm；為避免薯塊翻越擋桿掉落到下一個擋桿區(qū)間，擋桿高度hpl取25 mm。

2.2.2振動輪設(shè)計與參數(shù)確定

振動輪采用圓角四邊形結(jié)構(gòu)，如圖8所示，Rz為振動輪邊圓半徑，m；dz為振動輪中心與邊長之間距離，m。左右對稱安裝在機架的內(nèi)側(cè)，隨著分離篩的運動而被動轉(zhuǎn)動，給分離篩施加高頻低幅振動，迫使篩面呈現(xiàn)“微波浪形”向后運行，從而加速薯土分離進(jìn)程，提高作業(yè)效率。振動輪無驅(qū)動裝置，當(dāng)分離篩運轉(zhuǎn)時帶動振動輪被動轉(zhuǎn)動，分離篩產(chǎn)生高頻低幅的振動效果[34]。

圖8 振動輪

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》[35]，當(dāng)dz/Rz為0.6～0.7時，分離效果較好，結(jié)合丘陵山區(qū)特點，為起到良好的高頻低幅碎土分離和細(xì)碎土壤透篩分離效果，振動輪邊圓半徑取65 mm，振動輪中心與邊長之間距離取44 mm。

2.2.3分離篩和分揀篩相對位置設(shè)計與參數(shù)確定

分揀篩主要由桿條和連接帶構(gòu)成，相鄰兩桿條間的距離與分離篩相鄰桿條之間的距離相同，分揀篩的篩面桿條覆有柔性的橡膠材料，將分離篩輸送的物料繼續(xù)向后輸送，由分揀平臺兩側(cè)的撿拾工分揀入筐或裝袋。馬鈴薯在收獲過程中的損傷主要來自馬鈴薯受到的擠壓、碰撞和沖擊作用[33,36]。分離篩末端與分揀篩始端有一定的跌落高度，故薯塊在分離篩的末端產(chǎn)生斜拋運動，運動模型可簡化為平面拋物線運動，如圖9所示。

圖9 分離篩與分揀篩銜接處的馬鈴薯運動學(xué)分析

在分離篩末端薯塊的運動方程為

(8)

式中vg——薯塊被拋出的瞬時速度，m/s

td——薯塊自分離篩至分揀篩跌落用時，s

ld——薯塊自分離篩拋出的水平方向位移，m

hd——薯塊自分離篩至分揀篩跌落高度，m

薯塊在桿條和擋桿的承托作用下運移至分離篩末端時，薯塊的運動主要受分離篩運行的影響，將薯塊被拋起時的瞬時速度近似為分離篩線速度，即

(9)

式中vs——分離篩運行速度，m/s

ns——分離篩驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，r/min

dq——分離篩驅(qū)動輪分度圓直徑，m

dh——連接帶厚度，m

(10)

式中vx——薯塊拋落至分揀篩在水平方向瞬時速度，m/s

vy——薯塊拋落至分揀篩在垂直方向瞬時速度，m/s

vgj——薯塊與分揀篩剛接觸時相對于分揀篩的瞬時速度，m/s

vj——分揀篩運行速度，m/s

聯(lián)立式(8)～(10)并整理得

(11)

通過撿拾工對輸送帶上的馬鈴薯進(jìn)行撿拾試驗可知，分揀篩速度過大時，易因撿拾不及時而出現(xiàn)漏檢，分揀篩的運行最大線速度取0.65 m/s；為保證分離效果，避免斜拋行程過大而產(chǎn)生馬鈴薯損傷，防止分離篩運行速度過快而導(dǎo)致的分離篩末端拋落的薯塊與分揀篩的薯塊產(chǎn)生碰撞沖擊，結(jié)合馬鈴薯的損傷臨界速度[33]和式(11)進(jìn)行分析，分離篩的最大運行線速度取0.9 m/s，計算得分離篩驅(qū)動輪最大轉(zhuǎn)速為119.8 r/min，圓整取為120 r/min，即分離篩驅(qū)動輪的分度圓直徑取0.125 m，連接帶厚度取10 mm；分離篩末端與分揀篩始端之間的跌落高度取120 mm，分離篩與分揀篩運行速度可通過調(diào)速閥調(diào)節(jié)。在馬鈴薯收獲機兩側(cè)設(shè)置分揀平臺，兩側(cè)的分揀平臺上設(shè)有可調(diào)高度座椅、一側(cè)相鄰的座椅間距設(shè)為1 m，撿拾工可以在分揀平臺上對分揀篩輸送的馬鈴薯進(jìn)行撿拾裝袋。

2.3 履帶驅(qū)動式底盤與液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1履帶驅(qū)動式底盤設(shè)計

履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機的底盤主要由驅(qū)動架、行走液壓馬達(dá)、驅(qū)動輪、從動輪和行走履帶等組成，能夠確保整機的穩(wěn)定行走和部件連接。左右兩側(cè)履帶的運行速度和運行方向，可通過手柄操縱控制，來實現(xiàn)馬鈴薯收獲機的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和無級調(diào)速，如圖10所示。對馬鈴薯收獲機通過性進(jìn)行分析可知，在保證正常工作條件的情況下，增加兩履帶之間中心距、接地長度和降低質(zhì)心高度，都可增加收獲機行走時的穩(wěn)定性[37-39]，根據(jù)整機質(zhì)量并結(jié)合丘陵山區(qū)和小地塊特點、行距以及整機結(jié)構(gòu)，確定履帶寬度為230 mm，履帶接地長度取1 450 mm，兩履帶中心距取900 mm。

圖10 底盤結(jié)構(gòu)圖

2.3.2液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計原理

液壓驅(qū)動系統(tǒng)是履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機正常運行的核心，通過發(fā)動機驅(qū)動液壓泵，進(jìn)而帶動其他作業(yè)部件運行。考慮在凹凸不平的地面工況下作業(yè)，采用液壓傳動對不同的路面工況的適應(yīng)性更好，可以適應(yīng)不同作業(yè)負(fù)荷和行駛阻力的變化，而且可以實現(xiàn)無級變速，能夠獲取較為穩(wěn)定的收獲速度。

2.3.3自走式行走液壓馬達(dá)參數(shù)確定

收獲機兩側(cè)的行走履帶由2個液壓馬達(dá)分別驅(qū)動，安裝位置如圖11所示。在前期初步試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)收獲機作業(yè)速度和田間作業(yè)需求，為避免動力不足現(xiàn)象，確定液壓馬達(dá)的排量為195 mL/r，連續(xù)扭矩為455 N·m，轉(zhuǎn)速為385 r/min，且在手動換向閥進(jìn)油口處安裝減壓閥和單向閥。

圖11 履帶行走液壓馬達(dá)安裝位置實物圖

2.3.4液壓缸參數(shù)確定

收獲過程的挖掘深度主要通過液壓缸缸桿的伸縮來調(diào)整控制，2個液壓缸左右對稱布置在底盤連接架與機架之間，在液壓缸兩油路上設(shè)有節(jié)流閥，調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮速度；在兩油路間安裝換向閥、溢流閥和單向閥，保證液壓缸在工作時產(chǎn)生“浮動”效果，非工作時可切換“鎖定”和“自由”兩種狀態(tài)，以提高液壓缸內(nèi)密封圈壽命和降低收獲機工作負(fù)載，根據(jù)實際需求，結(jié)合自動對行挖掘裝置的自身質(zhì)量、工作壓力和處于折疊狀態(tài)時的提升高度，采用缸徑為40 mm、桿徑為25 mm和行程為450 mm的雙作用液壓缸。

2.3.5分離篩和分揀篩驅(qū)動參數(shù)確定

分離篩和分揀篩主要通過鏈傳動由2個液壓馬達(dá)分別驅(qū)動，由于分離篩的篩面寬度為985 mm、篩面長度為2 428 mm，分揀篩的篩面寬度為985 mm、篩面長度為1 589 mm，按照挖掘深度為200 mm的整壟挖掘收獲對應(yīng)的分離篩和分揀篩的物料輸送量進(jìn)行分析，確定選用排量為200.9 mL/r、最大扭矩為369 N·m、最大功率為8 kW的液壓馬達(dá)，能夠滿足分離篩和分揀篩在較大物料輸送量工況下的驅(qū)動，分離篩和分揀篩驅(qū)動裝置如圖12所示。在電磁換向閥體進(jìn)油口處設(shè)有流量控制閥，分離篩和分揀篩的運行速度可實現(xiàn)無級變速。馬鈴薯收獲機液壓控制閥如圖13所示。

圖12 分離篩和分揀篩驅(qū)動裝置

圖13 馬鈴薯收獲機液壓控制閥

2.3.6液壓油泵確定及操縱裝置設(shè)計

收獲機在工作時，驅(qū)動履帶行走的液壓馬達(dá)工作負(fù)荷較大，故液壓油流量需求較大；用于分離篩和分揀篩驅(qū)動的液壓馬達(dá)工作負(fù)荷較小，流量需求相對較小。經(jīng)計算分析，確定采用CBTL-F420-F416-AFPR型雙聯(lián)齒輪油泵，泵量分別為20、16 mL/r，其中大流量齒輪泵用于2個驅(qū)動履帶行走的液壓馬達(dá)的運轉(zhuǎn)，小流量齒輪泵用于2個分離篩和分揀篩驅(qū)動的液壓馬達(dá)和2個液壓缸工作，雙聯(lián)齒輪油泵通過法蘭聯(lián)軸器與發(fā)動機連接，將發(fā)動機輸出動力傳遞到雙聯(lián)齒輪油泵中。馬鈴薯收獲機操縱裝置如圖14所示，馬鈴薯收獲機作業(yè)時，啟動開關(guān)，閉合挖掘鏟安全開關(guān)，分離篩、分揀篩輸送開關(guān)作用失效，撥動挖掘鏟升降開關(guān)，挖掘鏟升降到合適位置后，操縱左履帶操縱桿和右履帶操縱桿，使挖掘鏟對準(zhǔn)馬鈴薯薯壟底部，斷開挖掘鏟安全開關(guān)，挖掘鏟升降開關(guān)作用失效，接通分離篩、分揀篩輸送開關(guān)，馬鈴薯收獲機分離篩、分揀篩運轉(zhuǎn)，操縱行走速度調(diào)節(jié)手柄和油門，可根據(jù)收獲條件實時調(diào)節(jié)馬鈴薯收獲機的行走速度和分離篩、分揀篩的運行速度。馬鈴薯收獲機液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理如圖15所示。

圖14 馬鈴薯收獲機操縱裝置

圖15 液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

3 性能試驗

3.1 試驗條件與過程

2022年6月，在山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司河南省開封市試驗基地進(jìn)行樣機性能試驗，試驗前未進(jìn)行殺秧作業(yè)，試驗區(qū)馬鈴薯種植為單壟雙行，覆膜種植，土壤類型為沙壤土，土質(zhì)細(xì)軟，壟距1 100 mm，壟高200 mm。試驗過程中，每次收獲壟長120 m，共收8行，配有6個撿拾工在機具兩側(cè)撿拾篩面上的馬鈴薯。種植品種為希森4號和希森6號，樣機田間測試的挖掘深度取220 mm，在前期初步試驗的基礎(chǔ)上，作業(yè)速度設(shè)定為1.0、1.2 km/h，對應(yīng)的分離篩運行速度分別調(diào)整為0.61、0.72 m/s，分揀篩運行速度分別調(diào)整為0.42、0.50 m/s。利用電子馬鈴薯碰撞檢測技術(shù)，獲取不同的馬鈴薯收獲機作業(yè)速度、分離篩和分揀篩運行線速度條件下的馬鈴薯碰撞特征，每組試驗分別測試3次。

試驗儀器包括：三軸尺寸80 mm×90 mm×60 mm的電子馬鈴薯，如圖16所示，采樣頻率0.488～5 kHz，內(nèi)存為32 KB，質(zhì)量270 g，工作環(huán)境溫度-29～60℃，頻率響應(yīng)范圍0.005～3 kHz，所能承受最大碰撞力為450g，配套有PCIRD軟件(美國Techmark公司)和DT-2236B型測速儀(深圳市源恒通科技有限公司)。

樣機測試結(jié)果如表2所示。田間作業(yè)情況如圖16所示。履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機樣機運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)設(shè)備動力不足等問題導(dǎo)致的作業(yè)停滯或中斷等情況，自動對行挖掘效果、分離篩的薯土分離效果以及分離篩和分揀篩的銜接效果均較好。

表2 樣機測試結(jié)果

圖16 收獲試驗

3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗過程中，將電子馬鈴薯分別掩埋于薯壟的左側(cè)、中部和右側(cè)，電子馬鈴薯和薯土混合物經(jīng)挖掘裝置后依次進(jìn)入分離篩和分揀篩；電子馬鈴薯的碰撞特征與運行軌跡等同于實際馬鈴薯，因此電子馬鈴薯可獲取相關(guān)的碰撞加速度及碰撞產(chǎn)生的時間；單個試驗過程完成后，可從分揀篩的末端取出電子馬鈴薯，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)傳送至計算機。田間試驗表明：當(dāng)履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機的作業(yè)速度為1.0、1.2 km/h時，分離篩運行速度分別為0.61、0.72 m/s，分揀篩運行速度分別為0.42、0.50 m/s時，采集的3次碰撞加速度峰值的平均值為51.02g、51.85g，碰撞加速度峰值均小于薯塊碰撞損傷的加速度峰值[33]，如圖17所示，對應(yīng)的作業(yè)生產(chǎn)率分別為0.10、0.12 hm2/h，試驗過程中未出現(xiàn)薯塊漏撿和傷薯破皮現(xiàn)象，收獲效果較好。

圖17 電子馬鈴薯碰撞檢測裝置及數(shù)據(jù)采集過程

試驗過程中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分離篩和分揀篩的運行速度增大時，薯塊在分離篩末端拋起的瞬時速度隨之增大，迫使薯塊跌落至分揀篩篩面的瞬時碰撞沖擊作用力較大，馬鈴薯的碰撞加速度峰值也變大。收獲速度大于1.2 km/h時，單位時間內(nèi)進(jìn)入分離篩和分揀篩的薯土混合物量較多，分揀篩上的薯塊相對較多，部分薯塊被覆蓋于秧蔓下，出現(xiàn)在視野盲區(qū)，存在撿拾工來不及撿拾而導(dǎo)致馬鈴薯混同于土塊和秧蔓從分揀篩跌落至地表的現(xiàn)象，影響收獲品質(zhì)和作業(yè)效率；收獲速度小于1.2 km/h時，單位時間內(nèi)進(jìn)入分離篩和分揀篩的薯土混合物量較少，分揀篩上的薯塊相對較少，存在撿拾工“無薯可撿”而停歇的現(xiàn)象，影響收獲效率。因此，可根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境和種植情況，合理的調(diào)整收獲機的收獲速度，提高收獲效率。

分析可知，由于在機械化收獲前未進(jìn)行殺秧作業(yè)，部分馬鈴薯秧蔓較粗長，且秧蔓的韌性較強，薯-秧之間的連接作用力較大，不易拉斷，增加了人工撿拾過程中的薯-秧分離過程，從而在一定程度上影響收獲效果。然而，對于韌性較弱的秧蔓，薯-秧之間的連接作用力較小，易拉斷，人工撿拾過程中的薯-秧分離效果較好。由于樣機未設(shè)置秧蔓分離機構(gòu)，自分離篩向分揀篩跌落過程中，薯塊跌落在布有柔性秧蔓的分揀篩篩面上，相比于跌落在裸露的分揀篩桿條上，增大了薯塊跌落在分揀篩篩面上的碰撞接觸面積，可有效減少薯塊與薯塊、薯塊與篩面之間的碰撞摩擦，因此可最大限度減輕機械損傷與切線擦傷[34]。在薯土雜分離階段，振動輪迫使篩面產(chǎn)生高頻低幅的振動，有利于細(xì)碎土壤的透篩分離和土塊的破碎分離[40-41]。同時，分揀篩的篩面桿條覆有柔性的橡膠材料，也可以起到減損防損的效果。履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機的分離篩和分揀篩的運行速度可根據(jù)收獲過程中的薯土比例和人工撿拾效率等實際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)分離篩和分揀篩的速度過大時，由于土壤來不及透篩而導(dǎo)致分揀篩篩面上的部分馬鈴薯掩埋于土層中而影響撿拾，分揀篩的運行速度過快也會導(dǎo)致?lián)焓肮聿患皳焓皩?dǎo)致薯塊跌落至地表。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一款履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機，由履帶驅(qū)動式底盤、自動對行挖掘裝置和分揀平臺等關(guān)鍵部件組成，具有履帶驅(qū)動行走、高頻低幅振動碎土、自動對行挖掘、人工輔助分揀和液壓驅(qū)動模式等技術(shù)優(yōu)勢，可實現(xiàn)馬鈴薯收獲的減損防損。

(2)田間試驗表明，樣機作業(yè)速度為1.0、1.2 km/h，分離篩運行速度分別為0.61、0.72 m/s，分揀篩運行速度分別為0.42、0.50 m/s時，生產(chǎn)率分別為0.10、0.12 hm2/h；電子馬鈴薯采集的3次碰撞加速度峰值的平均值為51.02g、51.85g，碰撞加速度峰值均小于馬鈴薯臨界損傷閾值。

(3)履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機采用液壓驅(qū)動模式，具有較好的通過行能，可實現(xiàn)分離篩和分揀篩無級調(diào)速，滿足丘陵山區(qū)作業(yè)或小地塊的馬鈴薯收獲作業(yè)需求。