丘陵山区小型马铃薯收获机设计与试验

王海翼，张兆国，*，IBRAHIM Issa，解开婷，Wael EL-KOLALY，曹钦洲

(1.昆明理工大学 农业与食品学院，云南 昆明 650500； 2.云南省高校中药材机械化工程研究中心，云南 昆明 650500； 3.昆明理工大学 省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，云南 昆明 650093； 4.埃及农业部开罗农业中心农业工程研究院，埃及 开罗 11495)

马铃薯是我国的第4大商品粮作物[1-2]。长期以来，我国的马铃薯种植面积和产量都稳居世界首位[3-4]。其中，西南地区的马铃薯种植面积和产量占全国总量的一半以上，但其马铃薯综合机械化率仅为20.77%[5]，尤其是云南省的机收率仅4.7%，远低于全国平均机收率(29.77%)[6-7]。

云南省耕地多富含稀土元素与矿物质，产出的马铃薯个头大，品质优良[8]。但由于特殊的物候条件，云南省的马铃薯种植地块多为黏重而板结的红黄壤，且马铃薯生产大多沿袭传统的人畜力播收模式，严重制约了马铃薯产业的发展[9-11]。随着马铃薯主粮化战略的推进和农业种植结构的调整，目前，我国西南4省市(云南、四川、贵州、重庆)的马铃薯种植面积稳定，并逐步朝着规模化的方向发展[12]。但受丘陵和冷凉山地的条件制约，引进的国内外使用度较广的中小型收获机械未能完全适配云南的农艺措施和土壤类型[13-14]，机械损伤大、分离效果差、漏挖埋薯严重等各种问题频发，给农民带来了极大的成本损耗[15]。国外研制的马铃薯收获机融入了仿形、光电、导航和电传感等大量的高新技术，利用计算机实时监控运行速度、作业面积、产量等数据[16-18]；但该类机具主要适宜大面积的平原露地，体积巨大，动力要求高，从经济和适应性上都无法匹配云南山地的收获作业要求[19]。国内研制的马铃薯收获机主要以牵引式联合收获机和中小型分离筛式收获机为主。其中，联合收获机适用于平原地区，可靠性一般；中型分段收获机主要为抛掷轮式和分离筛式，稳定性较高[20]；小型挖掘机主要为振动铲式挖掘机，结构简易，适用于小地块[21]。国内外现有的关于马铃薯收获机的研究中，挖掘铲大都为传统平面铲，且多采用整体单铲形式，减阻效果一般，顺土性能不好，黏附较严重。基于上述问题，结合种植农户对马铃薯收获的具体需求，考虑到云南省多地间套作的实情，本设计采用带有圆弧过渡曲面的二阶铲，基于单铲多组合二阶挖掘、升运分离的方法，设计一种适合在丘陵山区小地块作业的小型马铃薯收获机。本文在阐述机具整体结构和主要部件设计特点和具体工作原理的基础上，建立挖掘铲阻力模型、运动学模型，对薯块在输送分离过程中的碰撞运动特性进行分析，得出挖掘铲结构参数和分离筛长度范围和主动振动装置的结构参数，确定关键部件的结构参数，并利用二次正交旋转组合试验方法，开展田间试验，确定最佳工作参数组合。从最终的试验效果来看，该设计可有效改善丘陵山区小型马铃薯收获机的工作效果，提高收获明薯率，降低伤薯率和破皮率，为后续样机的改进升级提供了理论和试验基础。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

根据云南省内大多采取的大垄双行的种植农艺和丘陵山区地势地形的实用要求，确定整机采用单垄收获的方式，样机结构如图1，主要由三点悬挂装置、挖掘装置、激振式分离筛、多级振动调整装置、挖掘调整装置、变速箱、传动装置等组成。收获机牵引架通过三点悬挂方式与拖拉机连接，工作时完成土薯混合物挖掘、升运分离，以及后端铺放等作业，作业幅宽为900 mm。

1.2 传动系统与工作原理

机具传动原理如图2所示：机具通过三点悬挂方式与拖拉机连接，拖拉机辅助功率输出装置(PTO)与变速箱连接，变速箱将动力分别传递到升运分离装置皮带轮和主动振动装置传动链轮上，支重轮和张紧轮在升运筛的被动作用下做激振式滚动。

田间作业时，机具由拖拉机后悬挂牵引前进，拖拉机行走抬升系统液压调控机具至预定工作位置，调整合适的挖掘铲入土角，以防止薯块发生漏挖和损伤现象。主传动装置由侧置链条驱动，以简化整机结构，减少传动损失。呈对称布置的挖掘铲片切入待挖土垄，挖掘装置在牵引力的作用下将马铃薯连同残余秧蔓、土壤等完整掘起，并在惯性力和其他作用力的作用下将掘起的薯土混合物输送至分离筛始端。PTO输出动力经由变速箱传递到主传动轮后，带动分离筛保持与前进方向相反方向持续运转，被动传动轮和张紧轮组在分离筛摩擦力作用下开始运动，并使分离筛保持波浪形状态持续运转。薯土混合物导流进入升运分离装置中，并在主动振动装置的往复激振下，将土块破碎并与薯块分离，其中，小于杆条间隙的碎土块和杂物透过分离筛面向下洒落田间，完成分离的薯块经分离筛尾端落至收后地面上，平于收后的地表，完成收获过程。

1，三点悬挂装置；2，变速箱；3，支重轮；4，加强筋；5，机架；6，主传动轮；7，行走轮支腿；8，分离筛；9，行走轮调整装置；10，行走轮；11，分离筛倾角调节装置；12，传动装置；13，挖掘调整装置；14，挖掘装置。1， Three-point suspension device; 2， Gearbox; 3， Supporting wheel; 4， Stiffener; 5， Frame; 6， Main driving wheel; 7， Walking wheel leg; 8， Separation screen; 9， Adjusting device of walking wheel; 10， Walking wheel; 11， Adjusting device of slope angle of surface screen; 12， Transmission device; 13， Excavating adjusting device; 14， Excavating device.图1 马铃薯收获机结构简图Fig.1 Structure diagram of potato harvester

1，拖拉机动力输出轴；2，变速箱；3，被动传动装置；4，升运分离装置；5，张紧装置；6，主动振动装置；7，张紧离合；8，主传动装置；9，主传动轮；10，张紧轮。1， Tractor power output shaft; 2， Gearbox; 3， Passive transmission device; 4， Lifting and separating device; 5， Tensioning device; 6， Active vibration device; 7， Tension clutch; 8， Main transmission device; 9， Main driving wheel; 10， Tensioning wheel.图2 传动原理简图Fig.2 Schematic diagram of transmission principle

1.3 主要技术参数

根据云南省马铃薯大产区的种植农艺要求，丘陵山区小型马铃薯收获机的主要技术参数如表1所示。

2 关键部件设计

2.1 挖掘装置设计与参数选择

2.1.1 整体结构设计

表1 马铃薯收获机的主要技术参数

作业时，挖掘装置起到疏松垄上土壤，将薯土混合物完整掘起并向后输送的作用。挖掘装置主要由挖掘铲片、安装铲架、铲翼和调整装置、连接耳等部件组成，结构如图3所示。挖掘铲的铲长、铲宽、铲刃倾角、入土深度、铲面倾角等都会对挖掘阻力和薯块的收获效果等产生影响。其中，铲刃倾角γ的主要作用是克服挖掘阻力，保证挖掘铲的自洁功能[22-23]，使得铲面上的挖掘物能够从铲面上顺利离开，提高挖掘作业的流畅性。铲刃倾角满足式(1)的关系。

γ<90°-φ。

(1)

式(1)中：φ为土壤对钢的摩擦角，(°)，一般取30°～36°。

根据摩擦定律，理论上γ值越小，切土能力越强，但取值过小会增加伤薯率和漏薯率。本设计内铲刃倾角(图3中γ1)取46.8°，8块铲面沿轴均布安装，分别由4片铲片对应单垄面，成对两相邻铲片的外铲刃夹角(图3中γ2)取93.6°，以利于黏重土壤的切削、破碎和减阻。

2.1.2 挖掘装置参数选择

a，主视图；b，轴测图。a， Main view; b， Axonometric drawing.图3 挖掘装置结构简图Fig.3 Structure diagram of excavating device

根据经验，幅宽主要与马铃薯块茎地下分布情况、行距、株距、长势和收获机行走路线偏差等有关[24]。为确保整体薯垄内混合物都被掘起，挖掘装置作业的有效工作幅宽(图3中Sk)要略大于垄底宽度，计算式为

Sk=M+b+3σ+2c。

(2)

结合垄底宽为900 mm的农艺要求，取挖掘铲组有效工作宽度Sk=946 mm。

挖掘装置由铲体和土垡破碎板2段组成，前段长(图1中L1)根据确定后的铲面倾角δ，及稍大于平均挖掘深度h1(14～18 mm)的要求，由(3)式计算。

(3)

挖掘装置后段土垡破碎板长度由能量守恒定律求得。设挖掘铲上的土薯混合物以初速度vc沿着铲面上升到末端B点时，处于静止状态，速度为0，此时土壤开始膨胀松散，呈颗粒状向铲的两侧散落，马铃薯块茎随着土壤的脱落逐渐显露在铲面上。土薯混合物的动能(A点)在整个过程中全部用于克服挖掘铲AB段(即L2)的摩擦功Wf和混合物上升的重力势能WG。

Wf=RwtanφL2=mgL2tanφcosδ；

(4)

WG=mgh2=mgL2sinδ。

(5)

式(4)、(5)中：Rw为挖掘铲对土壤的反作用力，N；tw为掘起物在铲面的运动时间，s；m为薯土混合物质量，kg；g为重力加速度，m·s-2；h2为后段挖掘深度，mm。

土薯混合物通过AB段的能量守恒方程为

(6)

化简得

(7)

计算总长度L：

(8)

为了有效减少壅土现象，在挖掘铲后延伸一段土垡破碎板，土壤在惯性力和摩擦力的作用下劈裂，剪切，弯折[25]，可使分离更充分，降低振动分离的功耗，实现更好的土薯分离效果。

2.2 升运分离装置

2.2.1 结构设计

升运分离装置主要由分离筛、主动振动装置、前支重轮、后支重轮、主传动轮、张紧轮等组成，升运分离装置局部结构如图4所示。

主动振动装置是分离装置的激振来源，可显著提高土薯分离效果，其简要结构如图5所示。主动振动装置高频低幅的周期性振动冲击土块并将其击碎后分散分离，同时确保薯块被“弹起”的高度不至于太高，以相对降低薯块跌落高度，减少破皮率和线性擦伤。根据分离作业要求，设计分离筛杆条参数：分离筛总长3 200 mm，分离筛倾角的可调范围为7°～22°。分离筛倾角通过拖拉机液压装置改变与三点悬挂装置的相对位置或者通过机架一侧支重轮孔位进行调整。结合黏重板结土壤分离技术要求和工作速度，经计算，确定振动频率为6 Hz[26]。

1，前支重轮；2，张紧轮；3，主动振动装置；4，张紧离合；5，后支重轮；6，后张紧轮；7，分离栅条；8，主传动轮。1， Front support wheel; 2， Tension wheel; 3， Active vibration device; 4， Tension clutch; 5， Rear support wheel; 6， Rear tensioning wheel; 7. Separation grid; 8. Main driving wheel.图4 升运分离装置局部结构图Fig.4 Partial structure diagram of lifting separation device

a，主视图；b，左视图。a， Main view; b， Left view.图5 主动振动装置结构简图Fig.5 Structure diagram of active vibration device

主动振动装置为对称二滚子式结构，独立的滚子成对安装于支座上。考虑到作业条件为黏性土壤，将主动振动装置的振幅范围设置为15～60 mm[27]。根据频率和土壤特征，确定振幅为35 mm。根据杠杆原理，将被动振动装置配置于分离装置的中心位置，通过支反力的作用提高分离筛在振动过程中的整体平顺性与稳定性。

2.2.2 薯土分离段参数确定

马铃薯薯块在分离阶段的运动方式为多次“弹起”“跌落”，分离筛的具体参数会影响到薯块的碰撞恢复系数和损伤程度。若跌落高度太大，跌落瞬时的冲击和碰撞易使薯块产生内部损伤和切线擦伤。为确定分离段参数，对分离筛后端薯块进行运动分析(图6)。

根据升运分离装置的结构，将整体输送分离段分为震激段和缓冲段。升运分离筛两端连接带弯折处均设有驱动橡胶链轮，以驱动分离筛运行。作业时，薯块发生斜抛运动，主动振动装置滚子以“简谐运动”的方式往复交替击打筛面。为便于分析，将整个运动过程简化为平面抛物线运动，薯块在缓冲段的运动方程为

(9)

(10)

(11)

式(9)～(11)中：ld1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-1；t1为薯块在筛面上的运动时间，s；vy1为薯块在分离筛面y向分速度，m·s-1；vd1为主动振动装置运行线速度，m·s-1；α为分离筛倾角，(°)；nd1为主动振动装置转速，r·min-1；hd1为薯块振动抛起后的跌落高度，mm；φd1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

(12)

(13)

图6 薯土分离段运动分析Fig.6 Movement analysis of potato soil separation section

(14)

tanα=hd2/ld1。

(15)

式(12)～(15)中：ld2为薯块由筛面末端跌落的水平位移，m；vd2为主传动轮运行线速度，m·s-1；t2为薯块跌落至地表的运动用时，s；nd2为主传动轮转速，r·min-1；hd2为薯块由抛起始点到地面的跌落高度，mm；φd2为主传动轮分度圆直径，mm。

在上述理论计算的基础上，结合云南省马铃薯块茎的具体三轴尺寸(30～180 mm)，参照分离筛运行线速度一般在1.2～2.0 m·s-1的行业标准[28-29]，确定铲面倾角δ为25°。取拖拉机转速n=540 r·min-1进行后续计算，确定变速箱直齿圆锥齿轮组传动比i1=2.66，分离筛的传动比i2=1.88，皮带轮基准直径分别为200、90 mm，链轮分度圆直径分别为194.35、103.67 mm。

3 挖掘过程分析

3.1 挖掘装置阻力分析

挖掘铲总阻力主要受土壤类型、内摩擦因数、附着力因数、内聚力和挖掘铲对土壤作用的纯切削阻力等因素的影响。分别以土壤和挖掘铲面为对象进行受力分析(图7)。

铲面上水平方向作用力的平衡方程式为

W=N0sinδ+μ1N0cosδ+kSkcosδ。

(16)

式(16)中：W为考虑土壤纯切削阻力时机具牵引力，N；N0为法向载荷，N；k为纯切削阻力，N；μ1为土壤与金属摩擦因数。

a，土壤受力分析；b，挖掘铲受力分析。a， Force analysis of soil; b， Force analysis of excavating shovel.图7 土壤和挖掘铲受力分析图Fig.7 Stress analysis chart of soil and digging shove

建模之前忽略马铃薯块茎、碎石子等对挖掘铲的影响，以及挖掘铲作用于土壤的纯切削力[30]。根据土壤和挖掘铲受力分析，铲面上垂直方向土壤作用力W1的平衡方程式为

W1=N0sinδ+μ1N0cosδ。

(17)

根据受力分析，挖掘铲面垂直方向上作用力的平衡表达式为

G-N0(cosδ-μ1cosδ)-N1(cosβ-μ1sinβ)+sinβ(CS+F)=0。

(18)

式(18)中：G为土壤重力，N；N1为前失效面法向载荷，N；C为土壤的内聚力，N·cm-2；S为土壤剪切面积，cm2；F为土壤沿铲面运动加速力，N；β为前失效面倾角，(°)。

土壤水平方向作用力的平衡方程为

N0(sinδ+μ1cosδ)-N1(sinβ-μcosβ)-cosβ(CS+F)=0。

(19)

式(19)中：μ为土壤内摩擦因数，由文献可查得，重黏土、黏土与钢的摩擦系数为0.4～0.9。

由式(18)联解得：

(20)

(21)

设定l1为土壤沿铲尖伸出的距离，mm；l2为土壤沿铲尾伸出的距离，mm；l0为土壤从铲尖到铲尾的距离，mm；d1为土壤的厚度，mm；vw为挖掘铲工作速度，m·s-1；λ为土壤容积密度，kg·m-3；e为挖掘铲的宽度，mm；d为挖掘铲的挖掘深度，mm。

根据几何关系可得

(22)

根据牛顿第二定律，土壤在铲面上运动的加速度a为

(23)

附着力产生附加的法向载荷，导致摩擦力增加，影响土壤和铲面间的摩擦，造成阻力增大。在式(23)中代入附着力，则挖掘铲移动所需要牵引力的数学模型为

(24)

式(24)中：A0为铲面倾斜面工作面积(完全附着被土壤覆盖的面积)。

综上可知，单铲所需牵引阻力主要与铲面土壤质量、土壤剪切面积、铲面倾斜面工作面积正相关，与临界移动面的工作夹角负相关。为降低牵引阻力，所设计挖掘铲为二阶铲，并设有圆弧过渡曲面，一定程度上减小了土壤的剪切面积。同时，铲面倾角和铲刃倾角的合理布置也减小了倾斜面工作面积，可以降低挖掘装置所需牵引阻力。将所有参数带入式(24)，计算得挖掘铲移动所需的牵引力为1 621～2 518 N，大于挖掘铲所受阻力(1 560～1 980 N)，符合设计要求。

3.2 挖掘铲运动学分析

以挖掘铲重心为原点，前进方向为X轴正方向，平行于水平面并指向未耕地的方向为Y轴负方向，建立空间右手坐标系，并根据挖掘铲连接轴的空间位置和结构特点，绕Y轴逆时针旋转XOZ平面至i角，然后再绕旋转后的X轴顺时针旋转η角，此时原点O和O′重合，建立运动学模型(图8)。在空间直角坐标系O′-X′Y′Z′中，有仿生铲面上任意一点P，其在切平面上的投影为P′；其矢径在切平面上的投影长度为r，在铲面中心分流线上的投影长度为d′，坐标变换后，两坐标原点距离为l′，即|O′P′|=r，|P′P|=d′，|OO′|=l′。各个参数满足以下关系：

(25)

(26)

式(25)、(26)中：Lz为运行距离，mm；ρ为挖掘铲弯曲段的曲率半径，mm；R为投影平面的半径，mm；Sh为铲面的滑移率(Sh>0)；nl为轮子转动圈数。

在空间坐标系O-XYZ中，点O′的坐标为(-lsinηsini，lcosη，-lsinηcosi)，经向量变换后，空间直角坐标系O-XYZ中，铲面上任意点P的相对运动轨迹方程为

(27)

(28)

Cmax≤Sj-2Δb-Δs。

(29)

式(27)～(29)中：ε为挖掘铲作业时的滑移角，(°)；i为XOZ平面绕Y轴逆时针旋转的角度，(°)；η为XOZ平面绕Y轴逆时针旋转后绕X轴旋转的角度，(°)；Cmax由收获的行距决定，Cmin由薯块的大小和收获要求确定；Sj为行距，mm；Δb为铲面厚度，mm；Δs为两相邻铲面之间的安装间隙，mm。

图8 挖掘铲运动学模型Fig.8 Kinematic model of excavating shovel

铲面上任意点P的相对速度方程为

(30)

铲面上任意点P的绝对速度方程为

(31)

式(30)～(31)中：vd为挖掘铲前进速度，m·s-1；vt为挖掘铲滑移速度，m·s-1。

3.3 挖掘装置有限元分析

根据挖掘铲表面应力分布情况，将模型导入ANSYS-workbench中进行网格划分，划分后的单元和节点数分别为15 462、34 321。在挖掘装置两侧施加固定约束，并将铲子的所有铲面作为应力面，分别给单铲施加应力，根据单铲的实际安装情况，将固定约束条件添加到单铲末端的2个螺栓孔中，网格划分结果如照片9所示。

仿真结果显示：挖掘装置的最大应变为5.05×10-8m·m-1，应变值较小；最大应力为9 327.7 Pa，小于钢的屈服强度，满足使用条件；最大变形为2.98×10-4mm，变形量要求满足使用条件。由应变和应力照片(图10)，最大应力和最大应变位置位于铲面端部附近安装孔位置，最大变形位置位于铲尖位置。

a，应力分布云图；b，变形量云图。a， Nephogram of stress distribution; b， Nephogram of deformation.图10 挖掘装置仿真结果照片Fig.10 Photos of simulation results of digging device

4 升运分离过程分析

薯土混合物经挖掘铲掘出，在惯性力的作用下，由升运分离装置在振动装置的往复激励下离散薯土混合物。同时，在主动振动装置的作用下，薯块不断地被抛起落下，最后从分离筛末端抛送至地面。薯块升运分离过程中发生碰撞的时刻主要包括：薯块于主动振动装置处被顶起抛出与升运链分离栅条发生碰撞；薯块于升运分离筛末端被抛出与地面发生碰撞。因此，薯块产生损伤的过程可归结为薯块与分离栅条发生碰撞和薯块与平面发生碰撞。

4.1 抖动时薯块抛落的运动学分析

在马铃薯升运分离过程中，将马铃薯块茎视为质点，忽略薯块在这一过程中发生的滚动和受到的空气阻力。设抛起至回落过程的运动与被抛起前处于同一平面，此过程薯块的运动轨迹示意图如图11所示。

图11 升运分离筛面上薯块运动轨迹Fig.11 Movement track of potato block on the surface of lifting separation screen

以机架为参考系，以薯块刚与分离筛面脱离瞬间薯块质心点为坐标系原点O1建立坐标系x1O1y1，以机器前进方向为x1轴负向，竖直向上方向为y1轴正方向建立直角坐标系。薯块斜抛运动速度表达为

(32)

水平和竖直方向的位移表达式为

(33)

薯块到达最大抛起高度时vy=0，其被抛起的最大高度为

(34)

此后，薯块在竖直方向上做匀加速运动，直至落到升运链平面上。因升运链平面与水平面呈一定角度，其落点位置如图12所示。

当竖直位移fy=0时，薯块最大水平位移为

(35)

为了方便计算，近似将∠O1EF视为直角，则O1E的竖直位移表示为

(36)

在接触时刻，碰撞速度表达式为

(37)

由式(37)可知，当薯块受主动振动装置作用垂向分速度v1′一定时，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输送顺畅，不发生堵塞情况，分离筛线速度v2应略大于机器前进速度vp，即

vp=ξv2。

(38)

式(38)中ξ为速比，一般取0.8～2.5，本文取0.8。考虑到作业条件与气候环境，确定升运分离筛线速度为0.8～2.2 m·s-1。

4.2 薯块末端抛落运动学分析

薯块由分离筛末端跌落的高度大于筛面抛起高度，但跌落地面为收后的较疏松地表，薯块与地面的碰撞损伤小于薯块与分离栅条之间的碰撞损伤。对薯块与分离筛面的碰撞过程做分析，运动过程如图13所示。

图12 抖动时薯块抛落运动轨迹Fig.12 Trajectory of potato block dropping in vibration

图13 薯块末端抛落运动轨迹Fig.13 Trajectory of end throwing of potato

(39)

式(40)中：h0为薯块上升高度，mm；v0为薯块由分离筛末端抛出速度，m·s-1。

马铃薯收获机分离筛倾角一般为10°～34°，本文取22°；分离筛线速度一般为1.6～2.0 m·s-1，本文取1.8 m·s-1。将上述取值代人式(1)，算得马铃薯被抛出后的上升高度为2 mm。薯块上升至最大高度后在重力作用下跌落，薯块与地面发生碰撞竖直方向速度为

(40)

vmx=v0cosα。

(41)

薯块最终与地面的碰撞速度为

(42)

式(40)～(42)中：vmy为薯块与地面碰撞时竖直方向分速度，m·s-1；vmx为薯块与地面碰撞时水平方向分速度，m·s-1；h1为薯块从筛面到地面的跌落高度，mm；vm为薯块与地面的碰撞速度，m·s-1。

由式(42)可知，薯块跌落后的碰撞速度主要与分离筛运行速度和筛面尾端跌落高度有关。薯块在分离筛末端抛弃的高度仅为2 mm，可忽略不计。经计算，薯块与地表的碰撞速度约为1.78 m·s-1。也就是说，本设计起到了升运后减速的效果，达到了升运分离并平铺的目的。

5 样机试验与结果分析

5.1 试验条件

样机在昆明理工大学农业与食品学院制造完成后，于2018年12月在云南省曲靖市东山镇进行试验研究。该地光照充足，地势平坦，适宜于马铃薯生长种植，耕作层深度为12～18 cm，种植模式为大垄双行式垄作。为验证样机在丘陵小地块上的收获效果和损伤效果，不对薯垄进行杀秧处理。测得0～200 mm薯垄土壤含水率为21.25%～23.85%，0～15 cm土层的土壤坚实度为0.56 MPa，15～30 cm土层的土壤坚实度为0.75 MPa。

其他试验设备包括：雷沃-404轮式拖拉机，XCC-988型电子秤，奇克QC型高级钢卷尺、米尺，托普土壤坚实度和土壤含水率检测仪。

5.2 试验方法

田间试验参考NY/T 648—2015《马铃薯收获机质量评价技术规范》规定的方法进行。在种植模式确定、挖掘深度和分离筛运行速度基本保持不变的条件下，影响马铃薯收获机分离效率和收获品质的关键技术参数有作业速度、入土角度和分离筛倾角等。在前期试验的基础上，为测定各参数对马铃薯收获品质的影响，采用二次正交旋转组合试验设计方法安排试验(表2)。根据收获过程中挖掘装置的力学分析、分离过程运动学分析，以及文献[27]，得到各参数范围：作业速度(xA)0.34～1.76 m·s-1，入土角(xB)3～17°，分离筛倾角(xC)8°～22°。以明薯率(YA)、伤薯率(YB)和破皮率(YC)为试验指标。通过控制拖拉机油门调节动力输出轴转速，通过调节入土角度装置调整入土角，通过调节分离筛角度调节装置调整分离筛倾角。随机采集10 m稳定测试区内土壤进行试验，记录数据后完成一次测试。

5.3 结果分析

除设定的3个因素外，其他因素保持不变，按照试验要求完成试验数据统计与分析(表3)。

表2 试验因素编码

表3 试验方案与结果

利用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行二次回归分析，对比不同因素水平下的明薯率、伤薯率和破皮率，分别进行方差分析。剔除不显著(P>0.1)的影响因素，得到如下回归方程：

YA=97.87-5.15xA-0.11xB-0.02xC+0.07xAxB+0.24xAxC；

(43)

(44)

(45)

通过Design-Expert 8.0.6软件对数据进行处理，制作双因素响应曲面。得出各因素与试验指标的响应曲面。

当分离筛倾角一定时，明薯率整体随着入土角的增加呈现逐渐减小的趋势，随作业速度增加先逐渐减小后趋缓，最优的入土角范围为9°～17°，最优的作业速度为1.05～1.76 m·s-1(图14)；当入土角一定时，明薯率整体上随作业速度的增加呈增大的趋势，随分离筛倾角增加呈减小的趋势，最优的作业速度为0.75～1.76 m·s-1，最优的分离筛倾角为8°～15°。影响明薯率的主要因素为作业速度和分离筛倾角。

图14 明薯率的双因素响应曲面Fig.14 Response surface of two factors for exposure rate

当分离筛倾角一定时，伤薯率整体随着入土角的增加呈现逐渐增大的趋势，随作业速度增加呈逐渐增大的趋势，最优的入土角范围为5°～11°，最优的作业速度为0.54～1.05 m·s-1(图15)；当入土角一定时，伤薯率整体上随作业速度增加呈减小的趋势，随分离筛倾角增加呈先减小后增加的趋势，最优的作业速度为1.05～1.76 m·s-1，最优的分离筛倾角为14°～22°。影响伤薯率的主要因素为作业速度和分离筛倾角。

当作业速度一定时，破皮率整体随着入土角的增加呈现逐渐减小的趋势，随分离筛倾角的增加呈逐渐增大的趋势，最优的入土角范围为9°～17°，最优的分离筛倾角为8°～15°(图16)；入土角一定时，破皮率整体上随作业速度增加呈减小的趋势，随分离筛倾角增加呈减小的趋势，最优的作业速度为1.05～1.76 m·s-1，最优的分离筛倾角为14°～22°。影响破皮率的主要因素为入土角和分离筛倾角。

图15 伤薯率的双因素响应曲面Fig.15 Response surface of two factors for damaged potato rate

图16 破皮率的双因素响应曲面Fig.16 Response surface of two factors for skin breakage rate

综合考虑，选取参数如下：作业速度1.05 m·s-1，入土角17°，分离筛倾角15°。试验结果显示：明薯率为96.7%，伤薯率为1.3%，破皮率为1.5%，符合马铃薯收获作业要求。

6 结论

本文设计的丘陵山区马铃薯收获机，能一次完成挖掘、升运分离、清土除杂、收后铺放等作业。二阶挖掘装置和主动振动装置振动碎土的方式有效提高了对薯土混合物的抛撒、破碎和分离效果，提升了马铃薯收获机在间套作田间多杂物土壤下的作业效率。通过对挖掘装置进行挖掘过程受力分析、建立运动学模型，得出了挖掘装置的运动规律。基于对挖掘装置的有限元分析，得出挖掘装置最大应变为5.05×10-8m·m-1，应变值较小，最大应力为9 327.7 Pa，最大变形为2.98×10-4mm。建立了马铃薯升运过程的运动学分析模型，得出了影响升运过程中马铃薯机械损伤的主要因素为分离筛倾角。结合收获要求设计了二次正交旋转组合试验。通过田间试验，建立了各影响因素与试验指标之间的数学回归模型，并进行响应曲面分析。试验结果表明：影响明薯率的主要因素为作业速度和分离筛倾角；影响伤薯率的主要因素为作业速度和分离筛倾角；影响破皮率的主要因素为入土角和分离筛倾角。当作业速度为1.05 m·s-1，入土角为17°，分离筛倾角为15°时，明薯率为96.7%，伤薯率为1.3%，破皮率为1.5%，该指标优于国家标准，符合马铃薯收获作业要求。