马铃薯收获机振动分离筛的设计与分析

The design and testing of potato harvester vibratory separation screen

摘要

目的 针对当前马铃薯机械化收获环节存在的破皮率和伤薯率较高的问题。 方法 通过设置振动分离段和波浪分离段，改进了一种马铃薯收获机，并分析了振动与波浪二级分离条件下的分离筛及薯块运动特征。 结果 经计算马铃薯收获机挖掘铲入土角度25°，分离筛线速度0.8~2.2 m/s。通过正交试验表明，破皮率和伤薯率受收获速度和振动强度的影响规律基本一致；收获速度和振动强度对破皮率和伤薯率的影响较显著，振动强度和分离筛振动幅度对明薯率的影响较显著。 结论 该设计分析为马铃薯收获机的研发制造和机械化收获技术提供了技术理论和数据分析基础。

Abstract

Objective To solve the problems of high peel breakage rate and potato injury rate in the current mechanized harvesting process of potato tubers. Method The harvester was promoted by setting the vibration separation section and the wave separation section. The motion characteristics of the separation screen and potato block were analyzed under the secondary separation conditions of vibration and wave. Result When the potato harvester excavated the shovel into the soil angle at 25°, and the separation screen speed was 0.8~2.2 m/s,the peel breaking rate and the rate of damaged potatoes were basically consistent under the influence of harvesting speed and vibration intensity through orthogonal tests.The harvesting speed and vibration intensity had significantly effect on the rate of peeling and damage to tubers, and the vibration intensity and vibration amplitude of the separation screen had a significant effect on the rate of peeling and damage to tubers. Conclusion The design provides an important technical for development of potato harvester and mechanized harvesting technology.

Graphical abstract

关键词

马铃薯 / 收获机 / 薯土分离 / 振动筛

Key words

potato / harvesters / potato soil separation / vibrating screens

随着我国马铃薯产业规模和需求的不断扩大，马铃薯种植面积显著增加，2020 年全国马铃薯种植面积达到467 万hm²，鲜薯年产量达到9 000 万t，分别占世界的27%和24%，多年稳居全球第一^［1］。甘肃省地处祖国内陆，位于黄土高原和内蒙古高原交接地带，独特的地理环境和自然环境造就了甘肃省干旱少雨和日照时间长等特点，非常适宜马铃薯的生长。我省现有马铃薯种植面积67 万hm²，总产量多年位居全国前列^［2］，到2023年，预计种植面积达87 万hm²。近年来，随着我省农业产业结构调整和特色产业发展要求，依托新品种培育推广和马铃薯全程机械化技术的广泛应用，以定西市为主的马铃薯重点区域种植面积逐步增大，使得马铃薯的产量逐步升高，但机械化收获环节中薯块的损伤已成为制约马铃薯商品性的重要因素。甘肃省农机部门联合省内农机企业，研发改进了一种振动筛式马铃薯收获机。通过田间试验，针对马铃薯薯块在振动筛上振动分离段和波浪分离段的动力学分析和数据计算，确定马铃薯收获机振动频率和振幅，为我省马铃薯收获机的研发和应用提供了重要的技术保证和装备保障。

1 整机结构和工作原理

马铃薯收获机由悬挂架、齿轮箱、机架、支撑轮、振动分离筛、挖掘铲、碎土器等组成如图1所示，该机通过三点悬挂与拖拉机连接，拖拉机后置动力输出轴装置（PTO） 与齿轮箱连接，动力经齿轮箱分别传递到薯土分离装置和振动机构。机具作业时，挖掘机构深入土壤，与碎土器共同破碎土层后，将薯块和土块混合物输送至振动筛前方底端，随着机具的继续前进，在重力作用下，薯土混合物在振动筛上再次被分离，土块进一步碎裂，通过栅条间隙落回地表，薯块则通过振动筛规则运动输送至振动筛斜面上端落入地表，完成马铃薯的收获作业。

2 关键零部件及装置的设计

2.1 挖掘铲的设计

2.1.1 挖掘铲类型的选择

复合式挖掘铲最大挖掘深度为300 mm，铲的厚度为6 mm，它可以降低土壤对机器的阻力，提高土壤破碎性能，减少了进入输送分离装置的土壤量。挖掘铲挖出的马铃薯和土的混合物沿铲面上升，连续输送至振动分离装置上；由于马铃薯种植特殊农艺要求和生长特性^［3］，挖掘铲的表面呈微弧状，以达到挖掘收获过程中减少整机的土壤进入量。

2.1.2 铲面水平倾角的确定

确定铲面倾角α主要指挖掘铲以一定角度入土进行挖掘^［4］，薯土混合物以一定的速度进入收获机内部，随着机具的前行，在振动分离筛的作用下，土块被粉碎落到地面，薯块由分离筛的底端向远端运行过程中，完成薯土分离，如图4所示。挖掘铲角度按式（1）受力平衡方程组计算。

\left\{\begin{array}{c}P\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -T-G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha =\mathrm{0}\\ R-G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha =\mathrm{0}\\ T=fR\end{array}\right.（1）

式中：P为挖掘机对铲的牵引力，N；R为铲面对土薯混合物的支持力，N；G为土薯混合物的重力，N；T为土薯混合物在铲面的摩擦力，N；f为土壤对挖掘铲材质的摩擦系数。

挖掘过程中，应确保挖掘深度h保持稳定，入土角度α增大，则挖掘铲长度减小，相应的挖掘阻力亦增大；入土角度α角度减小，则挖掘铲长度增大，相应的挖掘阻力亦减小^［5］。

α=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}\frac{P-f_{\mathrm{1}}G}{f_{\mathrm{1}}P+G}（2）

根据公式（2）计算，挖掘铲铲面倾角取为25°。

2.2 薯土分离筛的设计

2.2.1 薯土分离筛的结构

分离筛由振动筛、前后支撑轮、主动拨轮、张紧轮等组成，结构如图3所示，主动轴给分离筛机构提供激振，为提高机具的纵向稳定性和安全性，振动发生装置安置在机具纵向中间位置。由于收获机在作业过程中的激振作用，使得振动筛进行高低波形起伏，使得筛面薯土混合物由于密度差异发生分层，薯块在上层运输至振动筛的后方，进入收集筐，土块则受到周期性振动影响，发生裂解，通过栅条间的空隙落回地面，完成薯土分离。该装置主动轴作为振动发生源，其频率直接影响薯土分离效果，频率太高会造成马铃薯块破皮和损伤的发生，频率太低则薯土分离不彻底。因此，振动频率设定既要满足薯土分离，也要尽可能减少栅条振动对薯块产生的损伤。

2.2.2 薯土分离筛参数设计

分离装置在工作时，薯块进入栅条振动筛面时，会随着栅条的上下起伏^［6］，在筛面上由近地端向远地端进行连续弹跳，因此分离筛的参数设置直接影响薯块的输送速度和损伤程度，如果栅条振动幅度过大，使得薯块腾空后，离筛面距离较远，在跌落过程中容易造成破皮和损伤，为确定分离段参数，对分离筛后端薯块进行运动分析，如图4所示。

分离装置工作主要分为2个阶段，即震激段和缓冲段^［7］。根据升运分离装置的结构，将整体输送分离段分为振动分离段和缓冲分离段^［8］。分离筛柔性固定于两橡胶轮间，分离筛边缘配置压筛胶轮和支撑胶轮，筛网中部的主动拨轮为振动输入源，薯土混合物由筛面底端通过筛面的规则振动，运送至筛面高端，做“爬坡”运动。整个运动过程类似于抛物线运动^［9］，运动方程如下：

l_{d\mathrm{1}}=v_{\mathrm{1}}{t}_l\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha =\sqrt[]{v_{y\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}+v_{d\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}}{t}_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha（3）

h_{d\mathrm{1}}=v_{d\mathrm{1}}{t}_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha -\frac{t_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}=\frac{\pi n_{d\mathrm{1}}{\phi }_{d\mathrm{1}}{t}_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }{\mathrm{60}}-\frac{g{t}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}（4）

t_{\mathrm{1}}=\frac{\pi n_{d\mathrm{1}}{\phi }_{d\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +\sqrt[]{{\pi }^{\mathrm{2}}{n}_{d\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\alpha +\mathrm{2}g{h}_{d\mathrm{1}}}}{g}（5）

式（3）~（5）中：l_d1 为薯块在分离筛上的水平位移，mm；v₁ 为分离筛运行速度，m/s；t₁ 为 薯块在筛面上的运动时间，s； v_y1 为薯块在分离筛面 y 向分速度，m/s； v_d1 为主动振动装置运行线速度，m/s；α为分离筛倾角，（ °） ；n_d1 为主动振动装置转速，r/min；h_d1 为薯块振动抛起后的跌落高度，mm；d₁ 为主动振动装置分度圆直径，mm。

薯块经分离筛倾角α的减速提升跌落至地面的运动方程为^［10］：

l_{d\mathrm{2}}=v_{d\mathrm{2}}{t}_{d\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha =\frac{\pi n_{d\mathrm{2}}{\phi }_{d\mathrm{2}}{t}_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }{\mathrm{60}}（6）

h_{d\mathrm{2}}=v_{d\mathrm{2}}{t}_{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}g{t}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}=\frac{\pi n_{d\mathrm{2}}{\phi }_{d\mathrm{2}}{t}_{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha }{\mathrm{60}}-\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}g{t}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}（7）

t_{\mathrm{2}}=\frac{\pi n_{d\mathrm{2}}{\phi }_{d\mathrm{2}}{t}_{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +\sqrt[]{{\pi }^{\mathrm{2}}{n}_{d\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}{\phi }_{d\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\alpha +\mathrm{2}g{h}_{d\mathrm{2}}}}{g}（8）

\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha =\frac{{\mathrm{h}}_{d\mathrm{2}}}{l_{d\mathrm{1}}}（9）

式（6）~（9）中：l_d2 为薯块由筛面末端跌落的水平位移，mm；v_d2 为主传动轮运行线速度，m/s；t₂ 为薯块跌落至地表的运动用时，s；n_d2 为主传动轮转速，r/min；h_d2 为薯块由抛起始点到地面的跌落高度，mm；d₂ 为主传动轮分度圆直径，mm。

经过计算，分离筛与地面的倾角由拖拉机后悬挂2个拉杆控制，一般设置为7°~25°，确定铲面倾角25°，分离筛线速度0.8~2.2 m/s，取动力机械输出轴转速为540 r/min，确定变速箱传动比i₁ 为2.6，分离筛传动比i₂ 为1.8。

2.3 薯土分离装置运动分析

单考虑薯土分离效率，振动筛线速度和振动频率越高，则薯土分离越彻底，振动幅度越大，碎土效果越理想，但在实际应用中，振动频率和振幅的提高对于薯块的损伤也就越大，直接导致破皮率和伤薯率的大幅提高，不利于马铃薯机械化收获的薯块品质控制^［12］。马铃薯收获机性能是一个综合指标，由机具行进速度、分离筛的线速度、挖掘角度、振动强度、振动位置等多重因素共同作用。分离筛与机具行进角度过大，会形成薯土混合物在分离筛前端堵塞问题，薯块堆集导致损伤率的提高，分离效果降低^［11］。分离筛与机具行进角度过小，为了分离效果，则会加长分离筛纵向尺寸，延长了薯块在筛面的停留时间，导致更高的损伤率，因此，薯土分离筛（图5）的动力学分析必须考虑马铃薯收获机的薯土分离效果和薯块伤损控制。

薯块的抛落轨迹类似于平抛运动，将薯块作为一个质点考虑^［13］，其运动轨迹如图6所示。

以水平方向作为x₁轴，垂直于方向作为y₁轴，建立坐标系^［14］，计算薯块在分离振动筛表面即将离开状态做薯块受力正交分解，薯块斜抛在水平速度和垂直速度可通过式（10）计算：

\left\{\begin{array}{c}{v}_x=v_{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -v{\text{'}}_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \\ v_y=v_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +v{\text{'}}_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -gt\end{array}\right.（10）

式（10）中：v_x为薯块斜抛运动水平方向速度，m/s；v_y为薯块斜抛运动垂直方向速度，m/s；v{\text{'}}_{\mathrm{1}}为薯块受主动振动装置作用垂向分速度，m/s；v_{\mathrm{2}}为分离筛线速度：m/s；t为薯块斜抛运动时间，s。

薯块在分离筛上斜抛运动的水平和垂直方向的位移按式（11）计算：

\left\{\begin{array}{c}{f}_x=v_{x}t\\ f_y=(v_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +v{\text{'}}_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha )t-\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}g{t}^{\mathrm{2}}\end{array}\right.（11）

当薯块在斜抛运动最高位置时，垂直方向速度为零，斜抛运动垂直方向最高位移按式（12）计算：

h_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{(v_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +v{\text{'}}_{\mathrm{1}}{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha )}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}g}（12）

经过最高位置后，薯块在垂直方向上受重力加速度影响，做初速度为零的匀加速运动，直至再次落到分离筛面^［15］，如图6所示。

当薯块在分离筛面的垂直位移等于零时^［16］，薯块最大水平位移按式（13）计算：

L_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{\mathrm{2}{v}_x(v_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +v{\text{'}}_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha )}{g}（13）

薯块在离开筛面到再次接触筛面的垂直位移按式（14）计算：

h_{\mathrm{01}E}=\frac{\mathrm{2}{v}_x\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha (v_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +v{\text{'}}_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha )}{g}（14）

在接触时刻，碰撞速度表达式为：

v_t=\sqrt[]{\mathrm{2}g(h_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-h_{o\mathrm{1}E})+(v_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +v{\text{'}}_{\mathrm{1}}{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha )}^{\mathrm{2}}}（15）

由式（15）可知，当薯块受主动振动装置作用垂直于分离筛面方向分速度v'₁ 一定时^［17］，马铃薯与杆条碰撞速度主要与分离筛线速度、分离筛倾角有关。为了保证薯土混合物分离顺畅，不回落^［18］，分离筛线速度v₂应大于机器前进速度v_p。即：

v_p =nv₂（16）

式（16）中：n为速比，一般取0.8~2.2，本机取0.8。考虑到作业条件和风向的因素影响，确定分离筛线速度为0.8~2.2 m/s。

3 试验分析

3.1 田间试验

2020年9月在定西市香泉镇陈家洼村对马铃薯收获机的主要性能指标进行考核（图7），按照《NY/T 2464-2013马铃薯收获机作业质量》标准相关规定，通过收获机的不同的工况下，对马铃薯收获的破皮率、伤薯率和明薯率进行量化分析^［19］，试验设计为4因素5水平正交试验，A、B、C、D分别表示收获速度、分离筛线速度、振动强度和分离筛振幅，试验方案如表2所示。

3.2 试验结果分析

通过田间试验，得到以下试验数据，如表 3所示。分析表3数据得表4。

由上表得知，影响破皮率的因素次序A>C>D>B；影响伤薯率的因素次序为A>C>B>D；影响明薯率的因素次序为D>C>A>B。若要提高马铃薯收获机的各项指标性能测定值，应选择各因素最佳水平。经试验验证，马铃薯收获机的破皮率和伤薯率与作业速度相关性更显著；破皮率和明薯率与分离筛线速度相关性显著性较弱。实际生产中，在兼顾马铃薯的明薯率的前提下，尽可能降低破皮率和伤薯率，从而提高马铃薯的商品性，取得更大的经济效益^［20］。

4 结论

1） 本文研究的马铃薯收获机薯土分离机构分为2个阶段：振动分离段和波浪分离段，振动分离段通过栅条的振动，实现土块和薯块的初步分离，波浪分离段利用栅条的高低起伏形成的波浪形抖动，达到土块的进一步碎裂和分离，提高了薯土分离效果。该种薯土分离装置的设置，将提高薯土分离效果，降低收获中薯块损伤率，为马铃薯机械化收获机的研制和机械化收获技术提供重要的技术理论和数据分析基础。

2） 通过正交试验可知，总破皮率降低的最优组合为A₃B₅C₅D₅，得出A=0.944 m/s、B=2.76 m/s，C为3级，D=200 mm；总伤薯率降低的最优组合为：A₃B₄C₅D₅，得出A=0.944 m/S，B=2.26 m/s，振动强度为5级，D=200 mm；总明薯率提升的最优组合为A₂B₃C₅D₅，得出A=0.833 m/s，B= 1.98 m/s，振动强度为5级，D=200 mm。经验证，马铃薯收获机的破皮率和伤薯率与作业速度相关性更显著；破皮率和明薯率与分离筛线速度相关性显著性较弱，振动强度和分离筛振幅对破皮率、伤薯率和明薯率影响显著性略低。实际生产中，在兼顾马铃薯的明薯率的前提下，尽可能降低破皮率和伤薯率，从而提高马铃薯的商品性，取得更大的经济效益。

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基金资助

甘肃省农业农村厅省级项目(2020KJ018)