馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)的研制與田間試驗(yàn)

摘要：針對現(xiàn)有的馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）收獲機(jī)并未具備殺秧功能的問題，將機(jī)械化殺秧與收獲融合，研制一款馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)，該機(jī)由殺秧、挖掘、分離輸送、傳動、提升以及收集等裝置組成，通過理論分析確定關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。使用該機(jī)開展田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，馬鈴薯收獲損失率為3.9%，傷薯率為1.9%，莖葉打碎長度合格率為90%，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足馬鈴薯機(jī)械化殺秧、收獲的農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠解決收獲成本高、勞動強(qiáng)度大、機(jī)械化作業(yè)繁瑣等問題。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）；收獲；殺秧；一體機(jī)；研制；田間試驗(yàn)

中圖分類號：TH122;S225;S233.4" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2025）03-0156-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.03.025 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Development and field experiment of potato seedling killing and

harvesting integrated machine

ZHOU Yan-jun， LIN Chuan-yao， WU Jian， LIU Xiao-tan

（Sichuan Research amp; Design Institute of Agricultural Machinery， Chengdu" 610066，China）

Abstract： In response to the problem that the existing potato （Solanum tuberosum L.） harvesting machine didn’t have seedling killing function， a potato seedling killing and harvesting integrated machine was developed by integrating mechanized seedling killing and harvesting. The machine consisted of devices for seedling killing， excavation， separation and transportation， transmission， lifting， and collection. The structural parameters of key components were determined through theoretical analysis， and field experiments were conducted using the machine. The results showed that the potato harvesting loss rate was 3.9%， the potato damage rate was 1.9%， and the qualified rate of broken stem and leaf length was 90%. All performance indicators met the agricultural standards for potato mechanized seedling killing and harvesting， and could solve problems such as high harvesting costs， high labor intensity， and tedious mechanized operations.

Key words： potato （Solanum tuberosum L.）; harvesting; seedling killing; integrated machine; development; field experiment

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）由于適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高而且含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，逐漸成為繼小麥、水稻、玉米之后的全球第四大糧食作物[1]。全球馬鈴薯產(chǎn)業(yè)主要分布在亞洲、歐洲、美洲和非洲等地，遍布130多個國家[2]，中國馬鈴薯種植面積與產(chǎn)量均居世界首位，且國內(nèi)也提倡推行馬鈴薯主糧化，但中國馬鈴薯機(jī)械化水平遠(yuǎn)低于國際水平，耐用適用機(jī)械缺乏，保有量少，區(qū)域適應(yīng)性差，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有的市場需求。馬鈴薯屬于地下塊莖類植物，其成熟后的果實(shí)比其他作物的果實(shí)重，因此馬鈴薯收獲的勞動強(qiáng)度較大。隨著中國城市建設(shè)的快速發(fā)展，農(nóng)村勞動力不斷減少，勞動成本不斷上漲，馬鈴薯種植人工成本越來越高，丘陵地區(qū)人工成本甚至超過總生產(chǎn)成本的60%。要解決種植人工成本居高不下的問題，還得依靠生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)和設(shè)備，降低人工用量，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

根據(jù)馬鈴薯種植農(nóng)藝要求，在馬鈴薯收獲前對馬鈴薯進(jìn)行殺秧處理，可使地下馬鈴薯表皮木栓化，降低馬鈴薯破皮率。利用馬鈴薯殺秧機(jī)進(jìn)行薯秧殺除，再利用馬鈴薯收獲機(jī)進(jìn)行收獲，該方案工序繁瑣、勞動強(qiáng)度大。為此，本研究將殺秧和收獲工序進(jìn)行融合，設(shè)計(jì)一款馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)，采用復(fù)合作業(yè)方式，一次性實(shí)現(xiàn)殺秧、挖掘、分離、輸送等作業(yè)。

1 馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)四川省馬鈴薯“壟作雙行，壟距1.0 m”的種植模式，確定整機(jī)采用單壟殺秧收獲方式，作業(yè)幅寬為900 mm。馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、殺秧裝置、挖掘裝置、分離輸送裝置、傳動裝置、提升裝置以及收集裝置等組成。馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)通過三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)連接，作業(yè)過程中先殺除地上薯秧，再挖掘地下馬鈴薯混合物，通過輸送、分離最后完成收集。

1.2 工作原理

馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)的變速箱與拖拉機(jī)動力輸出裝置連接，變速箱將動力分別通過傳動裝置傳遞到殺秧裝置、分離輸送裝置等，完成殺秧、輸送、分離和裝箱等作業(yè)。田間作業(yè)時，馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)被牽引至預(yù)定工作起始位置，調(diào)節(jié)合適的殺秧位置和挖掘深度，防止薯塊發(fā)生漏挖和損傷現(xiàn)象。傳動裝置由傳動箱和側(cè)置鏈條驅(qū)動，以簡化整機(jī)結(jié)構(gòu)，減少傳動損失。動力輸出至殺秧裝置，殺秧裝置開啟殺秧作業(yè)，將壟上的薯秧盡量去除，便于馬鈴薯收獲；挖掘裝置在牽引力的作用下將地下馬鈴薯混合物完整鏟出，并在慣力和其他力的作用下將鏟出的馬鈴薯混合物輸送至分離輸送裝置上，拖拉機(jī)輸出的動力帶動分離輸送裝置保持與前進(jìn)方向相反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，剝離馬鈴薯混合物中的土塊，完成分離的同時將其輸送至提升裝置，馬鈴薯隨著提升裝置轉(zhuǎn)動至收集裝置，完成收獲分離工作。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

2.1 殺秧裝置的設(shè)計(jì)

馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)殺秧裝置主要包括殺秧軸和殺秧刀，如圖2所示，為減少在殺秧過程中對后續(xù)馬鈴薯收獲的影響，需要設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的殺秧刀，以滿足殺秧刀在殺秧軸上的排布形狀與馬鈴薯種植模式的起壟形狀保持一致，本研究設(shè)計(jì)的殺秧刀包括壟溝刀、壟溝彎刀、壟側(cè)斜刀以及壟頂?shù)?，其均采用鉸接的方式與殺秧軸連接，便于殺秧刀隨著殺秧軸轉(zhuǎn)動而適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)動[3]。

將壟頂?shù)对O(shè)計(jì)成直刀型，可減少泥土和薯秧碎片的附著，甩動起來可以直接將壟頂薯秧打掉；壟側(cè)斜刀不僅能滿足仿壟形設(shè)計(jì)，還能提高切削效率，對薯秧進(jìn)行有效滑切（圖3a）；壟溝彎刀為螺旋折彎型，即在刀具中間部位將其扭轉(zhuǎn)一定角度，使其呈螺旋狀，提高刀具與薯秧的接觸面積，達(dá)到聚斂薯秧的效果，將刀具前端折彎能提高殺秧效率和改善殺秧效果（圖3b）。刀具前端的折彎角度過小，易發(fā)生薯秧纏繞，導(dǎo)致殺秧不順；折彎角度過大，又無法聚斂薯秧。根據(jù)理論研究和優(yōu)化分析，折彎角度在 35°～40°時較合適。

將殺秧刀前端進(jìn)行開刃和淬火處理，不僅可以提高殺秧刀的使用年限，還可以提升殺秧性能。殺秧刀在殺秧軸上的排布情況會對殺秧效果起到?jīng)Q定性的作用，且排布的形式多種多樣，本研究設(shè)計(jì)的是單壟殺秧，殺秧軸上安裝34把殺秧刀，分別沿殺秧軸的周向以及軸向交錯均勻?qū)ΨQ的方式分布，從殺秧軸中心往殺秧軸兩端分別對稱安裝8把壟頂?shù)丁?把壟側(cè)斜刀、18把壟溝彎刀以及4把壟溝刀，可保證殺秧軸在旋轉(zhuǎn)過程中各殺秧刀都受力均衡，提高殺秧裝置的穩(wěn)定性。

2.2 挖掘裝置的設(shè)計(jì)

馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)挖掘裝置是將地下的馬鈴薯混合物翻挖出來，常見的挖掘鏟有三角形平鏟、多片鏟、凹面鏟、條形鏟等[4]，如表2所示。根據(jù)各挖掘鏟的優(yōu)缺點(diǎn)，本研究通過融合三角形平鏟的入土阻力小以及條形鏟的傷薯率和漏薯率低等優(yōu)點(diǎn)，將其組合設(shè)計(jì)為三角條形鏟，以實(shí)現(xiàn)作業(yè)效率與采收質(zhì)量的協(xié)同優(yōu)化。

挖掘裝置主要由挖掘鏟、連接板和連接臂組成（圖4），挖掘鏟（圖5）通過連接板、連接臂與輸送裝置連接，挖掘鏟將土壤中的馬鈴薯鏟出后，由連接板過渡到輸送裝置上。

挖掘鏟是馬鈴薯收獲的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)應(yīng)遵循提高切土能力、減少挖掘阻力、降低能耗等原則。挖掘鏟由刀刃和鏟體組成，刀刃傾角[γ]、挖掘傾角[α]、鏟寬L等都對挖掘效果產(chǎn)生影響。其中，刀刃傾角[γ]的主要作用是克服泥土挖掘阻力，保證刀刃的自潔功能，傾角大小直接關(guān)系到挖掘鏟的切土效果和入土能力，刀刃傾角滿足式（1）的關(guān)系[5]。

[γlt;90°-δ]" " " " " " " " " " （1）

式中，[δ]為土壤對鋼的摩擦角，一般取30°～36°[6]。根據(jù)摩擦定律，[γ]越小，入土能力越強(qiáng)，但是[γ]過小時在挖掘過程中易升高傷薯率，[γ]過大又會導(dǎo)致阻力增加，造成功率浪費(fèi)，所以[γ]取55°。

挖掘傾角[α]是挖掘鏟入土作業(yè)時與地面之間的夾角，為確保挖掘鏟順利作業(yè)且馬鈴薯混合物沿著鏟面上升，不能發(fā)生回落和壅土，挖掘鏟的挖掘傾角[α]通過分析挖掘過程中馬鈴薯混合物受力情況來確定。馬鈴薯混合物受力分析如圖6所示。

通過靜力學(xué)分析，挖掘鏟入土角度需滿足式（2）至式（5）的關(guān)系。

[FN-Fsinα-Gcosα=0]" " " " " " " " " " （2）

[Fcosα-Gsinα-Fu=0] " " " " " " " " "（3）

[Fu=μFN]" " " " " " " " " "（4）

[α=arctanF-μGμF+G]" " " " " " " " （5）

式中，F(xiàn)為挖掘鏟對馬鈴薯產(chǎn)生的挖掘力；FN為挖掘鏟對馬鈴薯產(chǎn)生的支撐力；[Fu]為馬鈴薯與挖掘鏟之間的摩擦力；G為馬鈴薯自身產(chǎn)生的重力；[μ]為摩擦系數(shù)，一般取0.56～0.72。挖掘傾角和挖掘阻力呈負(fù)相關(guān)，挖掘傾角[α]越大，挖掘能力會相應(yīng)提高，但工作阻力也越大，機(jī)器能耗變大；挖掘傾角[α]越小，工作阻力越小，但挖掘鏟入土能力會變差，同時出現(xiàn)壅土現(xiàn)象，不利于薯土分離。綜上，挖掘傾角[α]調(diào)整為20°～25°。

為了保證收獲過程中的挖凈率，通過資料查詢以及詢問有關(guān)農(nóng)藝專家，得知馬鈴薯的根系生長深度一般為50～200 mm[7]，本設(shè)計(jì)挖掘深度為250 mm，挖掘鏟鏟寬L的計(jì)算式如下。

[L=hsinα]" " " " " " " " "（6）

式中，h為挖掘深度；挖掘鏟鏟寬L理論長度為592 mm，本研究挖掘鏟鏟寬取600 mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，作業(yè)幅寬主要與馬鈴薯塊莖地下分布情況、株距、長勢和收獲機(jī)行走路線偏差等有關(guān)[8]。為確保壟內(nèi)馬鈴薯混合物整體被鏟出，挖掘鏟作業(yè)的有效工作幅寬要略大于壟底寬度，滿足式（7）的關(guān)系。

[S=M+b+3σ+2c]" " " " " " " " " " （7）

式中，[M]為行距的平均值，一般為300～500 mm，根據(jù)四川省種植模式M取500 mm；b為馬鈴薯株距的平均值，一般為250～300 mm，本研究取250 mm；[σ]為綜合標(biāo)準(zhǔn)差，[σ=σ21+σ22]，[σ]1為馬鈴薯行距標(biāo)準(zhǔn)差，[σ]2為馬鈴薯株距標(biāo)準(zhǔn)差；c為拖拉機(jī)行駛過程中產(chǎn)生的方向偏差，一般為40～70 mm[9]。結(jié)合壟底幅寬為760～800 mm 的要求，挖掘鏟有效工作幅寬S為900 mm。

連接板可選擇4 mm厚的鋼板，相鄰兩個連接板按34 mm的間距固定在挖掘鏟鏟體上，以保證馬鈴薯能順利進(jìn)入分離輸送裝置。

2.3 分離輸送裝置的設(shè)計(jì)

馬鈴薯混合物通?？繖C(jī)械振動實(shí)現(xiàn)薯土分離，要提高分離效果，則需增強(qiáng)機(jī)械振動強(qiáng)度，但傷薯率會增高，也會增加機(jī)械能耗。為降低分離過程中的傷薯率，取消抖動輪，將柵條式閉合回轉(zhuǎn)篩設(shè)計(jì)成凹凸型，如圖7所示。利用三凹桿一凸桿組合式回轉(zhuǎn)篩，凸桿和凹桿之間形成高差，馬鈴薯混合物靠自重落下，實(shí)現(xiàn)薯土分離，同時凸桿和凹桿組合排列，增加篩分面積。

線速度是回轉(zhuǎn)篩設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，當(dāng)線速度較小時會出現(xiàn)馬鈴薯混合物輸送不順暢的現(xiàn)象，當(dāng)線速度較大時，不僅會對馬鈴薯造成損傷，而且還影響分離效果[9]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最佳的回轉(zhuǎn)篩線速度與機(jī)器行進(jìn)速度有關(guān)，計(jì)算式如下。

[λ=vpvm]" " " " " " " " " " " " "（8）

式中，[vp]為回轉(zhuǎn)篩線速度（m/s）；[vm]為機(jī)器作業(yè)行進(jìn)速度（m/s）；[λ]為速度系數(shù)。一般[λ]大于等于1，即當(dāng)回轉(zhuǎn)篩線速度大于等于機(jī)器行進(jìn)速度時，不僅能保證馬鈴薯混合物輸送順暢，而且能得到較好的分離效果。本研究中理論行進(jìn)速度為0.5 m/s，回轉(zhuǎn)篩線速度為0.6 m/s。

為提高篩分效果，避免馬鈴薯混合物倒落和打滑等現(xiàn)象，需要將回轉(zhuǎn)篩工作面與地面傾斜設(shè)置，根據(jù)回轉(zhuǎn)篩上馬鈴薯混合物的受力情況（圖8）確定回轉(zhuǎn)篩的傾角。

[fN=Gy=G cos β]" " " " " " " " " "（9）

[Gx=G sin β]" " " " " " " " " "（10）

[fV=φfN=φG cos β]" " " " " " " " （11）

[f?=fV-Gx=ma]" " " " " " " " "（12）

[agt;0]" " " " " " " " " " "（13）

[tan βlt;φ]" " " " " " " " " " "（14）

式中，[fN]為馬鈴薯所受支撐力；G為馬鈴薯自身產(chǎn)生的重力；Gy為馬鈴薯自身產(chǎn)生的重力在y方向的分力；Gx為馬鈴薯自身產(chǎn)生的重力在x方向的分力；[β]為回轉(zhuǎn)篩的輸送傾角；[fV]為馬鈴薯所受線速度方向合力；[φ]為摩擦系數(shù);m為馬鈴薯質(zhì)量；[a]為馬鈴薯加速度;[f?]為馬鈴薯所受摩擦力。根據(jù)上述分析與計(jì)算，本研究中輸送傾角[β]為20°，同時在回轉(zhuǎn)篩上包裹橡膠保護(hù)套，減少其對馬鈴薯的沖擊，減少破皮現(xiàn)象。

2.4 提升裝置的設(shè)計(jì)

由圖9可知，馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)提升裝置主要由環(huán)腹板、環(huán)面板和隔板鋼筋組成，環(huán)腹板和環(huán)面板相對平行設(shè)置并通過直徑6 mm的圓型鋼材連接，在環(huán)腹板和環(huán)面板之間設(shè)置多條隔板鋼筋；分離輸送裝置將馬鈴薯輸送至提升裝置，進(jìn)入環(huán)腹板和環(huán)面板之間，提升裝置轉(zhuǎn)動，利用隔板鋼筋帶動馬鈴薯向上運(yùn)動，一直運(yùn)動至收集裝置的側(cè)板最高處，馬鈴薯隨著提升裝置繼續(xù)轉(zhuǎn)動并落入收集裝置中。

3 馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)的田間性能試驗(yàn)

根據(jù)前期設(shè)計(jì)完成馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)樣機(jī)的制作，為檢驗(yàn)樣機(jī)的作業(yè)性能是否滿足馬鈴薯殺秧、收獲的農(nóng)藝要求，選擇成都市雙流區(qū)黃水鎮(zhèn)馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)示范基地進(jìn)行性能試驗(yàn)，如圖10所示。按照NY/T 2706—2015《馬鈴薯打秧機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》和NY/T 2464—2013《馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》相關(guān)規(guī)定，對馬鈴薯殺秧收獲過程中的收獲損失率、傷薯率和莖葉打碎長度合格率進(jìn)行量化分析。

3.1 試驗(yàn)條件

黃水鎮(zhèn)馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)示范基地地勢平坦，適宜于馬鈴薯生長種植，壟高200 mm，種植模式“壟作雙行，壟距1.0 m”，采用29.4 kW拖拉機(jī)帶動馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)進(jìn)行作業(yè)，每個試驗(yàn)區(qū)面積為" " 2 m×50 m，記錄、計(jì)算數(shù)據(jù)，分別在10個區(qū)域試驗(yàn)，作業(yè)面積合計(jì)0.1 hm2。試驗(yàn)條件如表3所示。

3.2 試驗(yàn)測算方法

馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)作業(yè)后，拾取試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)所有馬鈴薯，收集區(qū)域內(nèi)漏拾薯，用人工方法挖出漏挖薯和埋薯，分別稱重。從以上各類薯中挑出損傷的馬鈴薯，同時收集所有打碎的莖葉并稱重，將長度大于200 mm的莖葉挑選出來進(jìn)行稱重。分別按式（15）、式（16）、式（17）計(jì)算出損失率、傷薯率和莖葉打碎長度合格率。

[Ll=mlmz×100%]" " " " " " " "（15）

[Ls=msmz×100%]" " " " " " " " " " （16）

[Dh=my-mbmy×100%]" " " " " " " " " "（17）

式中，[Ll]為損失率（%）；[Ls]為傷薯率（%）；[Dh]為莖葉打碎長度合格率（%）；[ml]為試驗(yàn)區(qū)內(nèi)漏拾薯、漏挖薯和埋薯質(zhì)量之和（kg）；[ms]為試驗(yàn)區(qū)內(nèi)損傷馬鈴薯質(zhì)量（kg）；[mz]為試驗(yàn)區(qū)內(nèi)馬鈴薯總質(zhì)量（kg）；[mb]為試驗(yàn)區(qū)內(nèi)打碎長度大于200 mm的莖葉質(zhì)量（kg）；[my]為試驗(yàn)區(qū)內(nèi)打碎莖葉質(zhì)量（kg）。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

根據(jù)田間試驗(yàn)對馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)的主要性能指標(biāo)和作業(yè)參數(shù)進(jìn)行測定，選取10處試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行田間試驗(yàn)，得到馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)的損失率、傷薯率和莖葉打碎長度合格率，如表4所示。田間試驗(yàn)的效果較好，馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)基本打破了傳統(tǒng)殺秧、收獲2個機(jī)具下地的收獲方式，能夠減少馬鈴薯機(jī)械化收獲工序，提高馬鈴薯的收獲效率。

4 小結(jié)

針對馬鈴薯機(jī)械化收獲過程中需要?dú)⒀?、挖掘等分次作業(yè)，機(jī)械化過程較繁瑣等問題，制定馬鈴薯“殺秧+收獲”一體作業(yè)方案，研制一款集殺秧、收獲、緩震分離等于一體的馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)，并對其開展田間試驗(yàn)。

1）本研究提出一套針對馬鈴薯殺秧和收獲環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)公式和設(shè)計(jì)依據(jù)，成功研制出馬鈴薯殺秧收獲一體機(jī)，通過田間試驗(yàn)表明，該機(jī)馬鈴薯損失率為3.9%，傷薯率為1.9%，莖葉打碎長度合格率為90%，均符合馬鈴薯殺秧、收獲技術(shù)要求，該機(jī)設(shè)計(jì)思路具有一定的參考和借鑒價值。

2）田間試驗(yàn)過程中，每個試驗(yàn)區(qū)的傷薯率均控制在2.0%及以下，達(dá)到機(jī)械化收獲要求，但在田間試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)橡膠保護(hù)套破損嚴(yán)重，且不易修復(fù)更換，說明采用該方式雖可減少馬鈴薯破皮現(xiàn)象，但實(shí)用性不大，還需從其他方面著手，進(jìn)一步降低傷薯率。

3）通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每個試驗(yàn)區(qū)的莖葉打碎長度合格率控制在85%以上，滿足殺秧標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，證明該機(jī)殺秧效果良好；馬鈴薯損失率為3.9%，且有部分試驗(yàn)區(qū)的損失率超過4.0%，說明該機(jī)雖能基本滿足馬鈴薯機(jī)械化收獲的要求，但需進(jìn)一步改進(jìn)以減少馬鈴薯的損失率。

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