振動(dòng)與波浪二級(jí)分離馬鈴薯收獲機(jī)改進(jìn)

魏忠彩，李洪文※，孫傳祝，李學(xué)強(qiáng)，劉文政，蘇國(guó)粱，王法明

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.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；3.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255091；4.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，德州 253600）

0 引 言

馬鈴薯種植廣泛，是典型的根莖類作物，糧蔬兼用，還具有一定的能源價(jià)值[1-3]。機(jī)械化生產(chǎn)環(huán)節(jié)中馬鈴薯70%的損傷來(lái)自收獲環(huán)節(jié)，主要是由靜載、剪切、擠壓、振動(dòng)和沖擊載荷等作用產(chǎn)生的多次碰撞、反復(fù)摩擦以及不同方向的壓力綜合作用所致[4-5]，其損傷力學(xué)特性一般需通過(guò)黏彈性進(jìn)行分析與表征[6-7]。收獲環(huán)節(jié)造成的破皮損傷嚴(yán)重影響了馬鈴薯的外觀品質(zhì)，并導(dǎo)致儲(chǔ)藏環(huán)節(jié)薯塊水分易向外遷移、易感染病菌而腐爛，給薯農(nóng)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[8-9]。因此，馬鈴薯機(jī)械化收獲應(yīng)解決的主要技術(shù)難題是破皮和傷薯率的綜合控制，即實(shí)現(xiàn)薯-土、薯-秧、薯-石（雜）高效分離，并且減少動(dòng)態(tài)損傷及切線擦傷等形式的損失[10-13]。

薯土分離裝置是馬鈴薯收獲機(jī)的核心部件，不僅要完成大量收獲物料的輸運(yùn)，還要保證土壤、秧蔓及碎石等雜質(zhì)的高效分離[14-15]。在保證分離效率和收獲品質(zhì)的前提下，要盡可能避免薯塊“跳躍”、“回流”，以減小因碰撞所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)損傷、多次摩擦導(dǎo)致的疲勞累積損傷和切線擦傷。常見收獲分離工藝有兩級(jí)振動(dòng)分離、斜置平輸送、前置振動(dòng)兩級(jí)分離、后置振動(dòng)兩級(jí)分離以及撥輥推送等形式[16-20]，選用何種分離工藝，對(duì)馬鈴薯的分離效率和收獲品質(zhì)有著一定的影響。

研究薯塊在分離篩上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討土壤、秧蔓等雜質(zhì)的動(dòng)態(tài)特性，有助于探討最優(yōu)收獲品質(zhì)、較高分離效率條件下作業(yè)參數(shù)及薯土分離參數(shù)，有利于指導(dǎo)馬鈴薯收獲機(jī)的研發(fā)改進(jìn)。本文闡述了基于振動(dòng)與波浪二級(jí)分離的馬鈴薯收獲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，探討了薯塊在分離篩篩面上的運(yùn)動(dòng)特性，并結(jié)合分離篩的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析了薯塊在振動(dòng)分離段和波浪分離段的運(yùn)動(dòng)特征，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了田間單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，得到了較佳薯土分離參數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)明晰薯土分離參數(shù)對(duì)收獲品質(zhì)的影響規(guī)律具有一定的參考價(jià)值。

1 基于振動(dòng)與波浪二級(jí)分離的馬鈴薯收獲機(jī)

1.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及薯土分離技術(shù)特點(diǎn)

1.1.1 總體結(jié)構(gòu)

基于振動(dòng)與波浪二級(jí)分離的馬鈴薯收獲機(jī)主要由松土限深裝置、切土裝置、薯土分離裝置、挖掘裝置、導(dǎo)流防護(hù)裝置、波浪可調(diào)整裝置和集薯裝置等組成（如圖1所示）。

圖1 改進(jìn)后馬鈴薯收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural diagram of improvedpotatoharvester

收獲機(jī)采用“兩級(jí)驅(qū)動(dòng)”設(shè)計(jì)方案，中間驅(qū)動(dòng)軸和位于收獲機(jī)后方的驅(qū)動(dòng)軸分別裝有3個(gè)介輪和4個(gè)梅花輪（如圖2所示）。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)變速箱將動(dòng)力分別傳至主動(dòng)軸和中間驅(qū)動(dòng)軸，中間驅(qū)動(dòng)軸的另一端與抖動(dòng)軸之間為鏈傳動(dòng)。

圖2 改進(jìn)后收獲機(jī)局部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Partial structural diagram of improvedharvester

松土限深裝置用于對(duì)收獲前長(zhǎng)時(shí)間未擾動(dòng)的薯壟土壤施加一定的作用力以松離薯土，避免土壤結(jié)塊而增加后續(xù)分離負(fù)擔(dān)；限制挖掘深度，確保收獲環(huán)節(jié)挖掘深度適宜，以減少挖掘阻力，避免挖掘鏟傷及薯塊。切土裝置用于在薯壟兩側(cè)各切出一道“溝”，將薯壟和壟溝底面斷開，以控制收獲作業(yè)寬度，易于挖掘上土，減小上土壓力；另外，還可輔助切斷秧蔓，減輕薯秧分離負(fù)擔(dān)。導(dǎo)流防護(hù)裝置的主要功用是避免薯土分離裝置上的土壤和秧蔓等混合物進(jìn)入位于分離篩上方的膠輪與分離篩之間的區(qū)域，同時(shí)也為了避免薯塊進(jìn)入該位置而造成損傷。

1.1.2 基于振動(dòng)與波浪二級(jí)分離的薯土分離技術(shù)特點(diǎn)

薯土分離裝置整體分為振動(dòng)分離段和波浪形分離段，采用振動(dòng)分離與波浪兩級(jí)分離的薯土分離形式，其波浪分離段如圖2所示，且峰谷高差可調(diào)。該薯土分離技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：1）振動(dòng)碎土。由于收獲機(jī)前端斜置薯土分離階段上土量大，設(shè)置振動(dòng)調(diào)節(jié)裝置有助于自身具有一定粘附力土塊的破碎，同時(shí)可提高土壤和秧蔓等雜質(zhì)的透篩效率；選擇不同的振動(dòng)強(qiáng)度影響著物料的分離效果，因此分離篩的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)通常是根據(jù)收獲的薯土混合物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)確定[21-22]。2）2段波浪薯土分離。各段波浪形薯土分離均可把“波谷-波峰”段視作輸送分離段，完成薯土混合物輸運(yùn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)薯土及時(shí)分離，“波峰-波谷”段視作碎土分離段，利用峰谷高差變化實(shí)現(xiàn)土塊翻滾、破碎與分離；波浪分離段可減輕振動(dòng)裝置參數(shù)調(diào)整不當(dāng)造成的傷薯現(xiàn)象，同時(shí)收獲機(jī)后端不再設(shè)置振動(dòng)裝置，節(jié)約能耗。

薯土分離的實(shí)質(zhì)是利用桿條式結(jié)構(gòu)形式的分離篩之間的桿條間隙，以及馬鈴薯和土壤等雜質(zhì)顆粒之間的滾動(dòng)、接觸、摩擦、滑移和碰撞來(lái)傳遞能量，土塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于外界施加的激振力以及自身的翻滾而破碎，薯土混合物主要依靠振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整裝置產(chǎn)生的振動(dòng)和波浪分離段的前后、上下移動(dòng)量迫使物料產(chǎn)生多次翻滾，迫使馬鈴薯和土壤、雜質(zhì)等混合物相互運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)彼此分離[23-24]。1）在其他輔助條件不變的前提下，隨著薯土分離裝置的分離篩振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率的增加，桿條振動(dòng)強(qiáng)度加大，同時(shí)土壤等散狀物料的拋擲指數(shù)增加，馬鈴薯沿分離篩篩面向后移動(dòng)的速度加快，薯土分離效率明顯增大。但是，分離篩振動(dòng)強(qiáng)度的增加往往會(huì)造成破皮率的升高，所以在提高薯土分離效率的同時(shí)要綜合考慮收獲品質(zhì)。振動(dòng)分離段的分離篩篩面既可呈一定傾斜角度的“直線”輸送分離，也可呈“直線-折線”交替變換的形式輸送分離，且振動(dòng)強(qiáng)度可調(diào)。2）波浪分離段的分離篩桿條形成的篩面運(yùn)動(dòng)既有上下移動(dòng)量，也有前后運(yùn)移量，其運(yùn)動(dòng)軌跡呈“波浪形”曲線，在同等篩分效率下可有效降低薯塊的最大碰撞力。在整個(gè)薯土分離環(huán)節(jié)，分離篩各處的傾角由于振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整裝置所處的不同調(diào)節(jié)位置以及位于分離篩之上混合物重量的變化而改變，因此分離篩各處的受力狀態(tài)也復(fù)雜多變。另外，由于分離篩所采用的彈性桿件在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的橫向或縱向振動(dòng)，有利于加強(qiáng)薯土分離效果[25]。

1.2 工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)

收獲作業(yè)時(shí)，收獲機(jī)懸掛于拖拉機(jī)后方，兩組松土限深裝置分別對(duì)應(yīng)于薯壟位置，經(jīng)挖掘裝置挖掘并輸運(yùn)至薯土分離裝置上面的薯塊和土壤等混合物依次經(jīng)過(guò)振動(dòng)分離段和波浪分離段。通過(guò)手柄Ⅰ長(zhǎng)條孔相對(duì)于限位架Ⅰ（如圖1所示）上間隔布置的卡槽的位置，可對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)有級(jí)地調(diào)整。

分別通過(guò)調(diào)整手柄Ⅱ和手柄Ⅲ相對(duì)于所對(duì)應(yīng)的限位架Ⅱ和限位架Ⅲ（如圖1所示）的位置關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)前后2個(gè)波浪形的峰谷高差調(diào)整。當(dāng)手柄Ⅱ和手柄Ⅲ相對(duì)于所對(duì)應(yīng)的限位架Ⅱ和限位架Ⅲ在現(xiàn)有位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，峰谷高差變大，各波浪形所對(duì)應(yīng)的碎土分離段和輸運(yùn)分離段的有效位移增加，即薯土混合物與分離篩篩面的有效接觸面積加大，相當(dāng)于增加了薯土混合物在分離篩上的有效行程，有利于提高薯土分離效率，反之亦反。

田間收獲作業(yè)時(shí)，經(jīng)松土限深裝置松離薯土后的薯壟被挖掘鏟挖掘，挖掘后的“薯-土-秧”混合物輸運(yùn)至分離篩上，絕大部分土壤和秧蔓逐漸經(jīng)過(guò)設(shè)置振動(dòng)的斜置平輸送薯土分離階段和2段波浪分離階段時(shí)，從分離篩桿條之間的間隙落下，少量土壤和薯塊經(jīng)多次翻滾后，最終經(jīng)集薯裝置被聚攏平鋪于收獲機(jī)后方?；谡駝?dòng)與波浪兩級(jí)分離的馬鈴薯收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 改進(jìn)后馬鈴薯收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of improvedpotato harvester

2 振動(dòng)與波浪二級(jí)分離運(yùn)動(dòng)特征分析

復(fù)雜多變的田間收獲環(huán)境、不同薯土分離形式以及參數(shù)變化條件下的實(shí)際作業(yè)情況，決定了收獲環(huán)節(jié)的薯塊運(yùn)動(dòng)不可能是從頭至尾完全按照一種形式來(lái)運(yùn)動(dòng)。本文改進(jìn)的基于振動(dòng)與波浪兩級(jí)分離的馬鈴薯收獲機(jī)，其振動(dòng)分離段和波浪形分離段均會(huì)呈現(xiàn)不同的物料運(yùn)動(dòng)特征，該特征的變化對(duì)各分離階段薯土分離效果和收獲品質(zhì)均有著較為直接的影響。

2.1 振動(dòng)分離段運(yùn)動(dòng)特征分析

由薯土分離裝置的 “兩級(jí)驅(qū)動(dòng)”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)具總體布置特點(diǎn)可知，分離篩的長(zhǎng)度、相鄰桿條之間的間隙大小、驅(qū)動(dòng)梅花輪的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整裝置在收獲機(jī)前進(jìn)方向上的布置位置以及分離篩的傾斜角度、波浪分離段的峰谷高差大小和收獲地塊的土壤含水率等均影響著薯土分離效率和馬鈴薯的收獲品質(zhì)。

2.1.1 分離篩運(yùn)動(dòng)特征分析

薯土分離裝置的振動(dòng)分離段主要由振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整裝置和抖動(dòng)裝置組成，在抖動(dòng)裝置的配合作用下，使得分離篩在運(yùn)行過(guò)程中還伴隨著上下方向的抖動(dòng)，以迫使土塊破碎，并抖落土壤顆粒、秧蔓和雜質(zhì)[26]。振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整裝置用于調(diào)整頂起分離篩緊段（即上面的輸送分離段）的程度，分離篩的振動(dòng)強(qiáng)度與薯土分離效率、收獲品質(zhì)和集薯輸運(yùn)效果緊密相關(guān)。馬鈴薯在薯土分離裝置上面的運(yùn)動(dòng)特征不僅取決于薯塊自身特性，而且與薯土分離參數(shù)有關(guān)。研究土壤顆粒的透篩機(jī)理和薯塊運(yùn)動(dòng)特征與收獲品質(zhì)的交互關(guān)系，并確定薯塊在振動(dòng)條件下產(chǎn)生的跳躍現(xiàn)象與破皮損傷的臨界條件，有助于科學(xué)合理控制薯土分離的振動(dòng)強(qiáng)度。

從提高薯土分離效率考慮，振動(dòng)頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)抖動(dòng)裝置振動(dòng)擊打分離篩的次數(shù)越多，透篩性能越好；振動(dòng)幅度越大，土塊越易被擊碎。而從保證收獲品質(zhì)和集薯輸運(yùn)效果考慮，振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率越大，傷薯率和破皮率越高，故不宜過(guò)大。振動(dòng)強(qiáng)度的調(diào)整往往與分離篩的運(yùn)行速度、傾斜角度和振動(dòng)位置等因素共同影響著整個(gè)薯土分離過(guò)程[27]，因此需權(quán)衡高效分離與低損收獲的關(guān)系，振動(dòng)強(qiáng)度的調(diào)整如圖3所示。當(dāng)分離篩與馬鈴薯收獲機(jī)前進(jìn)方向的夾角大于薯塊、土塊和秧蔓等混合物的內(nèi)摩擦角時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生回流現(xiàn)象，而薯塊的回流會(huì)增加碰撞次數(shù)，易導(dǎo)致薯塊在反復(fù)碰撞和摩擦作用下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)損傷、切線擦傷和疲勞累積損傷等；相反，分離篩的傾斜角度過(guò)小，為了保證同樣的分離效果，則需加大分離篩的長(zhǎng)度，這同樣會(huì)增加薯塊的碰撞與摩擦程度[22]。

圖3 振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整示意圖Fig.3 Schematic diagram of vibration intensity adjustment

圖3a為振動(dòng)分離階段分離篩在無(wú)振動(dòng)狀態(tài)時(shí)的示意圖，分離篩被振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整裝置的膠輪“頂起”，使得抖動(dòng)裝置未能接觸到分離篩，因此抖動(dòng)裝置對(duì)分離篩無(wú)影響，此狀態(tài)屬于真正意義的斜置平輸送薯土分離形式。圖3b為振動(dòng)分離階段分離篩有振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，抖動(dòng)裝置剛剛接觸分離篩時(shí)的示意圖，此時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整裝置的膠輪未接觸分離篩，分離篩在與抖動(dòng)裝置未接觸時(shí)處于“懸垂”狀態(tài)；圖3c為振動(dòng)分離階段分離篩有振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，抖動(dòng)裝置的最高點(diǎn)接觸分離篩時(shí)的示意圖，分離篩的篩面在抖動(dòng)裝置的膠輪作用下“凸起”，此時(shí)的斜置直線輸送變成斜置“折線狀”輸送，改變了收獲物料原來(lái)的輸送角度，因此混合物在抖動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，構(gòu)成了斜置平輸送與斜置折線狀輸送交替進(jìn)行的薯土分離過(guò)程（如圖4a所示）。

當(dāng)分離篩處于斜置平輸送狀態(tài)時(shí)，將抖動(dòng)裝置的其中1個(gè)膠輪上母線恰好與分離篩桿條下母線的接觸點(diǎn)定義為坐標(biāo)原點(diǎn)O，坐標(biāo)軸設(shè)定為：沿著分離篩的傾斜篩面方向設(shè)為x軸，垂直于分離篩的傾斜篩面方向?yàn)閥軸。其中1個(gè)抖動(dòng)膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)至最高點(diǎn)、即將分離篩頂起后，使得分離篩“凸起”到最高位置時(shí)，原點(diǎn)O、抖動(dòng)膠輪上母線與分離篩緊段底面的交點(diǎn)A、抖動(dòng)裝置回轉(zhuǎn)中心和A點(diǎn)之間的連線與x坐標(biāo)軸的交點(diǎn)形成了一個(gè)直角三角形；垂直于分離篩篩面的直角邊長(zhǎng)度設(shè)為δ，其值大小決定了薯塊的動(dòng)力學(xué)特征。分離篩上的某一點(diǎn)自坐標(biāo)原點(diǎn)O移動(dòng)到A點(diǎn)時(shí)，其位移即為與x軸的夾角設(shè)為α；B點(diǎn)為順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的抖動(dòng)膠輪越過(guò)A點(diǎn)而離開分離篩時(shí)的臨界點(diǎn)，即該抖動(dòng)膠輪自A位置轉(zhuǎn)動(dòng)至B位置時(shí)，分離篩由“凸起”的斜置“折線狀”輸送轉(zhuǎn)變?yōu)樾敝弥本€輸送。在抖動(dòng)裝置膠輪的交替作用下，混合物便構(gòu)成了沿著分離篩篩面的向后移動(dòng)與垂直于分離篩篩面的上下往復(fù)振動(dòng)這樣一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)形式。分離篩的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是在抖動(dòng)裝置的 “旋轉(zhuǎn)”作用下“接觸”、“頂起”和“落下”的循環(huán)過(guò)程。抖動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)速度決定著振動(dòng)頻率，振動(dòng)調(diào)整裝置對(duì)分離篩“頂起”與“懸垂”的程度決定著振動(dòng)幅度，振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度的大小對(duì)薯土混合物的復(fù)合運(yùn)動(dòng)形式有著直接的影響。

圖4 振動(dòng)分離段運(yùn)動(dòng)特征分析示意圖Fig.4 Schematic diagram of change process of vibration state on vibration separation section

2.1.2 薯塊運(yùn)動(dòng)特征分析

分離篩在梅花輪和介輪的共同作用下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，薯塊沿著設(shè)定的x軸正方向的運(yùn)動(dòng)速度大于等于分離篩的運(yùn)行速度時(shí)，薯塊將朝著與分離篩相同的運(yùn)行方向運(yùn)行；反之，薯塊會(huì)產(chǎn)生回流現(xiàn)象。當(dāng)薯塊在y軸方向上的運(yùn)行速度大于分離篩桿條在抖動(dòng)裝置“O—A”段作用下沿y軸方向上的振動(dòng)速度時(shí)，薯塊將會(huì)脫離桿條的支承作用，產(chǎn)生向上的“跳躍”現(xiàn)象；反之，薯塊則會(huì)在桿條的承托下朝著收獲機(jī)后端集薯輸送。振動(dòng)分離段薯塊在分離篩上的受力分析如圖4b所示。

將薯塊在分離篩上的受力狀態(tài)近似視為剛體，其受力包括薯塊的自身重力和分離篩的支反力。另外，薯塊之所以沿著分離篩朝著收獲機(jī)后端運(yùn)行，是由于由于還受到桿條對(duì)薯塊的摩擦力Fs，其方向沿分離篩傾斜向上。忽略秧蔓與薯塊之間的作用力，則得薯塊沿著分離篩篩面向上運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)方程為

式中Fs為桿條與薯塊之間的摩擦力，N；α0為分離篩篩面與水平面的夾角，(°)；as為薯塊沿分離篩篩面向上的加速度，m/s2；m為薯塊質(zhì)量，kg；Fg為薯塊自身的慣性力，N；g為重力加速度，m/s2。

在振動(dòng)分離段，只有當(dāng)薯塊斜向上運(yùn)動(dòng)的加速度as大于抖動(dòng)裝置與分離篩接觸點(diǎn)處平行于分離篩篩面向上的加速度ax時(shí)，薯塊才能沿著分離篩的篩面朝著斜上方運(yùn)動(dòng)，即應(yīng)滿足如下方程

薯塊在沿著分離篩篩面向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，由于抖動(dòng)裝置的作用還會(huì)在分離篩篩面上作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度方向與重力方向相同，此時(shí)受到分離篩的支反力數(shù)值也最大。由此得

式中FN為分離篩對(duì)薯塊的支反力，N；fs為桿條與薯塊之間的摩擦系數(shù)；ay為薯塊垂直于分離篩篩面方向的加速度，m/s2；φ為薯塊與桿條之間的摩擦角，(°)。

將式（4）代入式（3），并消去m得

當(dāng)分離篩篩面對(duì)薯塊的支反力FN≥0時(shí)，薯塊沿著分離篩篩面向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，即不會(huì)產(chǎn)生跳躍現(xiàn)象。

進(jìn)一步分析可知，當(dāng)分離篩在抖動(dòng)裝置作用下“凸起”高度較大時(shí)，薯塊在較小的抖動(dòng)裝置臨界轉(zhuǎn)速下就會(huì)產(chǎn)生跳躍，使得碰撞次數(shù)增加；當(dāng)“凸起”高度較小時(shí)，在盡可能不至于導(dǎo)致薯塊產(chǎn)生跳躍的前提下，可適當(dāng)提高抖動(dòng)裝置的臨界轉(zhuǎn)速，特別是對(duì)于具有一定粘著力的土塊來(lái)說(shuō)，可通過(guò)提高振動(dòng)頻率來(lái)增大碎土能力。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，一般在粘質(zhì)土壤條件下收獲時(shí)，宜選用“高幅低頻”振動(dòng)形式，在保證分離效率和收獲品質(zhì)的前提下，應(yīng)盡量減小抖動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速，同時(shí)還有利于提高整機(jī)的穩(wěn)定性[28]。在沙質(zhì)土壤、含水率較低條件下收獲時(shí)，宜選用“高頻低幅”振動(dòng)形式。

2.2 波浪分離段運(yùn)動(dòng)特征分析

2.2.1 分離篩運(yùn)動(dòng)特征分析

波浪分離段（如圖5所示）是在現(xiàn)有桿條式分離篩柔性結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，利用分離篩在壓篩膠輪作用下形成的“波浪形”曲線，迫使薯土混合物的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)“波浪形”曲線，在滿足縱向前后運(yùn)移的同時(shí)實(shí)現(xiàn)多次上下翻滾，以增強(qiáng)碎土能力，且有助于清除粘附在薯皮表面的土屑，提高薯土分離效率。

相對(duì)于振動(dòng)分離段依靠抖動(dòng)裝置所實(shí)現(xiàn)的不同振動(dòng)強(qiáng)度的周期性驟變激勵(lì)而言，振動(dòng)分離易導(dǎo)致薯塊瞬態(tài)粘彈性損傷。而波浪分離段的“波浪形”曲線運(yùn)動(dòng)過(guò)程較為緩變，不僅可有效避免外界所施加的振動(dòng)對(duì)馬鈴薯的損傷，而且可充分利用相鄰桿條對(duì)薯土混合物的支承帶動(dòng)作用，使得薯塊在“波浪形”曲線運(yùn)動(dòng)軌跡下所受到的碰撞沖擊力較小，且可有效減小碰撞沖擊力向薯塊皮下組織傳遞較大能量的可能性，故有利于減損控制。

進(jìn)一步分析可見，由于在收獲機(jī)前后方向的長(zhǎng)度是確定的，即在不改變分離篩篩面形狀的前提下，分離篩的有效分離行程是恒定不變的。而分離篩利用柔性特點(diǎn)形成的波浪形結(jié)構(gòu)，可在收獲機(jī)總長(zhǎng)度不變的前提下加長(zhǎng)分離篩的有效分離長(zhǎng)度，因此可大大提升其分離效率。另外，由于波浪形峰谷高差可調(diào)，可根據(jù)不同的薯土分離需求任意調(diào)整分離篩緊段的有效分離長(zhǎng)度，保證薯土混合物與分離篩之間具有合理的接觸面積，以提高分離效率，確保收獲品質(zhì)。

圖5 改進(jìn)后收獲機(jī)波浪分離段實(shí)物圖Fig.5 Physical drawing of wave separation section of improved potato harvester

2.2.2 薯塊運(yùn)動(dòng)特征分析

馬鈴薯混流于挖掘后的土壤、秧蔓等之間，在波浪分離段也呈現(xiàn)出“波浪形” 的運(yùn)動(dòng)軌跡，其運(yùn)動(dòng)形式主要有相對(duì)于波浪形輸運(yùn)分離段的滑動(dòng)或滾動(dòng)導(dǎo)致的“回流”、相對(duì)于波浪形碎土分離段的背離收獲機(jī)前進(jìn)方向的滑動(dòng)或滾動(dòng)以及離開波浪形薯土分離裝置后而產(chǎn)生的拋擲或“跳躍”現(xiàn)象。波浪分離段薯塊的受力分析如圖6所示。

薯塊自波浪形A—E為一個(gè)波浪形周期，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，薯塊質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡基本上呈現(xiàn)出與分離篩形成的波浪形曲線走勢(shì)一致的“波浪形”。 A—C階段的“峰-谷”段，由于薯土混合物的“滾落”，可有效提高碎土和分離效果，因此可根據(jù)碎土作業(yè)需求調(diào)整峰谷高差；C—E階段的“谷-峰”具有良好的輸送分離作用。薯塊是由分離篩帶動(dòng)而向前運(yùn)動(dòng)的，因此分離篩給薯塊摩擦力Fs的方向和分離篩的運(yùn)行方向一致。當(dāng)分離篩的運(yùn)行速度較快時(shí)，薯塊在A位置處與分離篩桿條之間的摩擦力Fs、慣性力Fg與FN的合力大于Fs與mg的合力時(shí)，薯塊會(huì)產(chǎn)生“跳躍”現(xiàn)象；當(dāng)分離篩的運(yùn)行速度較慢時(shí)，薯塊在D位置處mg沿著分離篩篩面的分力大于薯土與分離篩桿條之間的摩擦力Fs和慣性力Fg的合力時(shí)，薯塊便會(huì)產(chǎn)生“回流”現(xiàn)象。實(shí)際收獲過(guò)程中，在保證薯土分離效率的前提下，應(yīng)盡可能避免薯塊的“跳躍”與“回流”，以盡可能減少碰撞次數(shù)，減小最大碰撞沖擊力，最大限度降低破皮率和傷薯率。

3 樣機(jī)田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)田概況

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟太仆寺旗三級(jí)地村的希森集團(tuán)馬鈴薯種植基地進(jìn)行，如圖7所示。試驗(yàn)日期是2017年9月6日～9月20日。試驗(yàn)田地處中溫亞干旱大陸性氣候區(qū)（41°47′N，115°32′E，海拔 1 400 m左右），年平均氣溫1.4℃，年降水量350 mm，無(wú)霜期100 d左右。種植模式為壟作，壟形參數(shù)為：壟高240 mm、壟寬400 mm、壟周長(zhǎng)900 mm、壟底寬700 mm、壟間距900 mm。播種日期為2017年4月25日至2017年5月2日，試驗(yàn)田種植品種為內(nèi)蒙古自治區(qū)薯農(nóng)廣泛種植的希森3號(hào)，生長(zhǎng)期經(jīng)歷2次中耕覆土作業(yè)。試驗(yàn)期間，測(cè)得薯壟土壤含水率為11.8%～13.6%不等，0～15 cm土壤堅(jiān)實(shí)度為430 kPa，15～30 cm土壤堅(jiān)實(shí)度為600 kPa。收獲前的殺秧時(shí)間對(duì)收獲品質(zhì)有一定的影響[29]，試驗(yàn)地塊均在收獲前1周進(jìn)行機(jī)械化殺秧。

圖7 田間收獲試驗(yàn)Fig.7 Field harvest test

3.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備及試驗(yàn)方法

型號(hào)為SPECTRUM SC-900的數(shù)字式土壤緊實(shí)度測(cè)量?jī)x（量程為0～7 000 kPa）、上虞市滬越儀器設(shè)備廠生產(chǎn)的型號(hào)為DHG101-2的電熱恒溫干燥箱、型號(hào)為6B-1404的John DEERE拖拉機(jī)，另外還有彈簧秤、轉(zhuǎn)速儀、卷尺以及測(cè)量土壤容重的取土環(huán)。

試驗(yàn)前，首先將試驗(yàn)區(qū)劃分為穩(wěn)定區(qū)、數(shù)據(jù)采集區(qū)和停車區(qū)3個(gè)部分。拖拉機(jī)以試驗(yàn)設(shè)定的收獲速度vs（即拖拉機(jī)的行駛速度）進(jìn)行收獲作業(yè)，其中穩(wěn)定區(qū)作業(yè)長(zhǎng)度為10 m，數(shù)據(jù)采集區(qū)作業(yè)長(zhǎng)度為30 m，在數(shù)據(jù)采集區(qū)靠近馬鈴薯收獲機(jī)集薯裝置一端設(shè)有停車區(qū)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)均來(lái)自于數(shù)據(jù)采集區(qū)，其中破皮率、傷薯率和明薯率的測(cè)定均在數(shù)據(jù)采集區(qū)隨機(jī)取互不重疊的5段，每段長(zhǎng)度為3 m。依據(jù)市場(chǎng)、商戶以及種植戶的認(rèn)可程度，擦傷面積大于0.2 cm2的薯塊視為破皮，傷及薯肉的薯塊視為傷薯，被挖掘后二次掩埋于土壤中或薯塊表面的3/4以上面積被覆蓋的視為埋薯。另外，收獲試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)田的種植農(nóng)藝設(shè)置的挖掘深度為220 mm（馬鈴薯為匍匐式生長(zhǎng)，馬鈴薯薯塊的生長(zhǎng)空間尚不能達(dá)到薯壟壟底最低位置），薯塊樣本按大薯（＞500 g）、中薯（＞150～500 g）、小薯（≤150 g）進(jìn)行分級(jí)。

3.3 試驗(yàn)方案及指標(biāo)

在種植模式確定、挖掘深度基本不變的條件下，影響馬鈴薯收獲機(jī)分離效率和收獲品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)有收獲速度、分離篩運(yùn)行速度、振動(dòng)分離階段的振動(dòng)強(qiáng)度和波浪分離階段的峰谷高差等。在前期初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探討了各參數(shù)對(duì)馬鈴薯收獲品質(zhì)的影響規(guī)律。試驗(yàn)指標(biāo)包括破皮率、傷薯率和明薯率等。

在30 m數(shù)據(jù)采集區(qū)內(nèi)取5個(gè)測(cè)試段，收獲作業(yè)后按大薯、中薯和小薯分別收集各測(cè)試段1 m幅寬內(nèi)的破皮薯及其他各類薯塊，并分別稱質(zhì)量，計(jì)算破皮率。

式中ξpi（i=1時(shí)為大薯，i=2時(shí)為中薯，i=3時(shí)為小薯）和ξpz分別為大薯、中薯、小薯破皮率和總破皮率，%；mpi和mpz分別為大、中、小破皮薯和所有破皮薯質(zhì)量，kg；mli和mlz分別為大、中、小漏挖薯和所有漏挖薯質(zhì)量，kg；myi和myz為分別大、中、小掩埋薯和所有掩埋薯質(zhì)量，kg；mm為明薯質(zhì)量，kg；mmi為大、中、小薯明薯質(zhì)量，kg。

按式（8）計(jì)算馬鈴薯收獲機(jī)的收獲速度。

式中vs為收獲機(jī)的收獲速度，km/h；l為數(shù)據(jù)采集區(qū)長(zhǎng)度，m；t為收獲機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集區(qū)所用時(shí)間，s。

傷薯率和明薯率參照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T648－2015馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行[30]。

3.4 試驗(yàn)分析及討論

3.4.1 不同收獲速度對(duì)收獲效果的影響規(guī)律

當(dāng)挖掘深度保持不變時(shí)，收獲速度大小決定著挖掘后待薯土分離裝置分離的薯土混合物量的大小，而待分離薯土混合物的量與分離效率和收獲品質(zhì)關(guān)系密切。試驗(yàn)之前，設(shè)定挖掘深度為220 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅲ級(jí)、分離篩的運(yùn)行速度為2.16 m/s，波浪分離段暫不設(shè)置波浪。一般在薯土分離環(huán)節(jié)需將90%以上的土壤完成篩分，結(jié)合本機(jī)具分離篩的有效分離長(zhǎng)度，在初步試驗(yàn)及結(jié)合實(shí)際收獲工況的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)選擇不同的拖拉機(jī)檔位和不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制收獲速度，試驗(yàn)選取的收獲速度分別為0.726、0.833、0.944、1.055和1.167 m/s，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可見，收獲速度自0.726增加至1.167 m/s時(shí)，大薯破皮率下降0.73%，傷薯率下降0.97%，明薯率下降3.2%。收獲速度較小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)挖掘的薯土混合物總量較少，薯土混合物尚未完全經(jīng)歷分離篩的有效分離行程，即完成薯、土和雜質(zhì)的分離，導(dǎo)致薯塊在收獲機(jī)后端分離階段失去土壤的保護(hù)作用，薯塊之間、薯塊與桿條之間的碰撞次數(shù)增加，從而導(dǎo)致薯塊容易產(chǎn)生疲勞累積損傷，因此破皮率和傷薯率均相對(duì)較高；收獲速度較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)薯土混合物的挖掘量也較高，在分離篩運(yùn)行速度不變的前提下，分離篩的薯土分離負(fù)擔(dān)相對(duì)加大，土壤和秧蔓等雜質(zhì)在有限的分離篩工作行程內(nèi)尚不能及時(shí)分離，導(dǎo)致未來(lái)得及分離的土壤和雜質(zhì)等與薯塊一同落至地表，從而導(dǎo)致掩埋薯相對(duì)較多，明薯率下降。另外，大薯的破皮率和傷薯率顯著高于中薯和小薯，小薯基本不產(chǎn)生破皮和傷薯現(xiàn)象，這是由于質(zhì)量小于（等于）150 g的小薯在分離篩上產(chǎn)生的動(dòng)能較小，在收獲機(jī)后端的跌落過(guò)程中產(chǎn)生的碰撞沖擊也較小，其值一般小于薯塊的臨界損傷極限沖擊力所致。

表2 收獲速度對(duì)收獲效果的影響Table 2 Effect of harvesting speed on harvesting effect

3.4.2 不同分離篩運(yùn)行速度對(duì)收獲效果的影響規(guī)律

由于梅花輪的各個(gè)齒槽構(gòu)成一個(gè)正多邊形，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不僅會(huì)導(dǎo)致分離篩桿條的縱向運(yùn)動(dòng)線速度發(fā)生有規(guī)律的變化，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致接近梅花輪的分離篩桿條產(chǎn)生高低方向有規(guī)律的抖動(dòng)。分離篩的運(yùn)行速度決定了薯土混合物在分離篩上的被迫振動(dòng)以及在梅花輪處的振動(dòng)激勵(lì)作用下的振動(dòng)強(qiáng)度，加之收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中的顛簸等其他因素，導(dǎo)致薯土混合物的速度和加速度產(chǎn)生不同方向多自由度的變化，從而引起薯塊的最大碰撞沖擊力、碰撞過(guò)程產(chǎn)生的沖量及碰撞接觸時(shí)間等碰撞特征不斷變化。當(dāng)收獲速度和挖掘深度不變時(shí)，薯土混合物的挖掘量也保持恒定，此時(shí)分離效率和薯塊在分離篩上的運(yùn)動(dòng)特征主要取決于分離篩的運(yùn)行速度。試驗(yàn)前設(shè)定挖掘深度為220 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅲ級(jí)、收獲速度為0.944m/s，波浪分離段暫不設(shè)置波浪。試驗(yàn)時(shí)，更換收獲機(jī)后端驅(qū)動(dòng)軸上不同齒數(shù)的鏈輪即可控制分離篩的運(yùn)行速度。在未設(shè)置波浪前，機(jī)具獲取較佳收獲品質(zhì)的驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為580 r/min，在結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)選取的驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速分別為：500、540、580、620和660 r/min，對(duì)應(yīng)的分離篩運(yùn)行速度分別為：1.52、1.84、2.16、2.48 和 2.80 m/s。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 分離篩運(yùn)行速度對(duì)收獲效果的影響Table 3 Effect of separation sieve speed on harvesting effect

注：設(shè)定挖掘深度為220 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅲ級(jí)、收獲速度為0.944 m/s，波浪分離段暫不設(shè)置波浪。Note:Excavation depth was 220 mm,vibration intensity was grade III,harvesting speed was 0.944 m?s-1,without setting up waves.

由表3可見，分離篩運(yùn)行速度由1.52增大到2.80 m/s時(shí)，總破皮率、傷薯率均呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)。分離篩的運(yùn)行速度較慢（vf=1.52 m/s）時(shí)，由于收獲速度不變，相當(dāng)于薯土混合物在分離篩上的分離時(shí)間變長(zhǎng)，薯、土、雜分離充分、徹底，但收獲機(jī)后端相當(dāng)長(zhǎng)的分離階段內(nèi)土壤較少，往往只剩下薯塊，因此易使得受到薯塊在梅花輪的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下產(chǎn)生的局部較強(qiáng)的桿條振動(dòng)激勵(lì)以及薯塊與桿條切線方向的作用力而破皮甚至損傷，故總傷薯率和總破皮率均高于分離篩的運(yùn)行速度為1.84和2.16 m/s時(shí)。分離篩運(yùn)行速度的進(jìn)一步升高使得薯塊動(dòng)能增加，造成薯塊相互間的碰撞次數(shù)增加，跌落地表時(shí)的初速度增加，總破皮率、傷薯率均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。分離篩運(yùn)行速度自2.16提高到2.80 m/s時(shí)，但是，分離篩運(yùn)行速度較快時(shí)，薯土混合物在分離篩上經(jīng)歷的分離時(shí)間相對(duì)較短，這會(huì)導(dǎo)致收獲機(jī)后端分離階段的土壤未能及時(shí)完成分離，埋薯率相對(duì)較高，明薯率下降。分離篩運(yùn)行速度自1.52提高到2.80 m/s時(shí)，明薯率由99.8%下降至96.4%。

3.4.3 不同振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)收獲效果的影響規(guī)律

振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整的目的在于加強(qiáng)振動(dòng)分離階段對(duì)薯土混合物的碎土能力，故能否有效控制振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)薯土分離效率和收獲品質(zhì)至關(guān)重要[31]。試驗(yàn)前設(shè)定挖掘深度為220 mm、收獲速度為0.944 m/s、分離篩運(yùn)行速度為2.16 m/s，波浪分離段暫不設(shè)置波浪。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)改變手柄Ⅰ的位置來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)調(diào)整裝置與分離篩緊段之間的相對(duì)位置，以控制分離篩的振動(dòng)強(qiáng)度。本試驗(yàn)將振動(dòng)分離段由于抖動(dòng)調(diào)整裝置產(chǎn)生的振動(dòng)效果分為無(wú)振動(dòng)、輕微振動(dòng)、中等振動(dòng)、較強(qiáng)振動(dòng)和強(qiáng)烈振動(dòng)，從弱到強(qiáng)依次定義為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ這5個(gè)振動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可見，振動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，有助于減少薯塊“跳躍”與“回流”的現(xiàn)象，大薯和中薯的破皮率、傷薯率以及總破皮率和總傷薯率均較小，特別是總破皮率和總傷薯率均在1%以下，但由于較小的振動(dòng)其碎土能力較弱、分離效率較低，其明薯率也相對(duì)較低；但振動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，使得分離篩在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的形態(tài)變化較大，薯塊“跳躍”和“回流”等現(xiàn)象加劇，其破皮率和傷薯率也明顯增大。振動(dòng)強(qiáng)度由Ⅰ級(jí)增強(qiáng)到Ⅴ級(jí)時(shí)，雖然明薯率提高了3.3%，但總破皮率和總傷薯率分別增加了1.35倍和1.88倍。故在實(shí)際收獲過(guò)程中，振動(dòng)強(qiáng)度的調(diào)整必須兼顧分離效率和收獲品質(zhì)，降低振動(dòng)強(qiáng)度可避免或減少薯塊“跳躍”與“回流”的現(xiàn)象。

表4 振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)收獲效果的影響Table 4 Effect of vibration intensity on harvesting effect

3.4.4 不同峰谷高差對(duì)收獲效果的影響規(guī)律

收獲機(jī)后端設(shè)有2段波浪分離段，且峰谷高差可調(diào)，兩波浪調(diào)整軸中心線距離為425 mm，波浪調(diào)整軸上膠輪連接板上的膠輪中心線與波浪調(diào)整軸之間距離為130mm。一級(jí)和二級(jí)波浪峰谷高差均是薯土分離裝置的主要參數(shù)，波峰與波谷在水平方向的距離一致時(shí)，峰谷高差增加，分離篩的凸起坡面角增大。初步試驗(yàn)表明，峰谷高差小于40 mm時(shí)，波浪形分離與平輸送分離差別不大；峰谷高差大于200 mm時(shí)，薯土混合物易集聚在“波谷”處影響正常的薯土分離與集薯輸送，這是由于薯土混合物與分離篩的“波谷-波峰”之間的摩擦力尚達(dá)不到完成輸運(yùn)任務(wù)所需摩擦力導(dǎo)致的。試驗(yàn)前設(shè)定挖掘深度為220mm、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅲ級(jí)、收獲速度為0.944 m/s、分離篩運(yùn)行速度為2.16 m/s，兩級(jí)波浪峰谷高差hc1和hc2分別設(shè)為40～40、80～80、120～120、160～160 和 200～200 mm（弧線調(diào)整變化對(duì)分離篩形成的波浪形在前后方向有一定的微小偏差，這與整個(gè)分離篩有效分離長(zhǎng)度條件下的分離效果相比，其影響微乎其微，故忽略弧線調(diào)整變化過(guò)程對(duì)分離篩波浪形狀的局部影響）。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可見，隨著峰谷高差的增加，明薯率得到顯著提高，峰谷高差由40～40 mm增加到200～200 mm時(shí)，是一個(gè)由“較小波浪形分離”到“較大波浪形分離”的過(guò)程，使得明薯率由97.2%升高至99.8%，這是由于分離篩形成的“波浪形”曲線顯著增加了分離行程和薯土混合物與分離篩接觸面積，且土塊在多次翻滾作用下，其碎土效果得到改善所致；但其大薯和中薯的破皮率、傷薯率以及總破皮率和總傷薯率均明顯增加，總破皮率和總傷薯率分別增加了 1.48倍和 1.31倍，這是由于分離篩的分離行程增加的同時(shí)，“跳躍”與“回流”的現(xiàn)象增多，在一定程度上也增加了薯塊與桿條的接觸碰撞次數(shù)，多次碰撞摩擦導(dǎo)致疲勞累計(jì)損傷的增加所致。故在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，峰谷高差的調(diào)整必須視不同種植地塊的田間作業(yè)具體情況確定其值，并與機(jī)具的其他作業(yè)參數(shù)協(xié)調(diào)配合，以盡可能做到明薯率與總破皮率和總傷薯率相互兼顧，降低峰谷高差可避免或減少薯塊“跳躍”與“回流”的現(xiàn)象。

表5 波浪形峰谷高差對(duì)收獲效果的影響Table 5 Effect of height difference between wave peak and valley on harvesting effect

通過(guò)對(duì)比分析可以得知，收獲機(jī)后端設(shè)置2段波浪形分離時(shí)，總破皮率和總傷薯率顯著低于上述未設(shè)置波浪形分離的各組試驗(yàn)，故充分說(shuō)明振動(dòng)與波浪兩級(jí)分離具有減損控制的優(yōu)點(diǎn)。

3.5 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.5.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在上述單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將收獲速度、分離篩運(yùn)行速度、振動(dòng)強(qiáng)度和波浪形峰谷高差這4個(gè)因素分別設(shè)置5個(gè)水平，進(jìn)行了4因素5水平正交試驗(yàn)。在進(jìn)行正交試驗(yàn)及分析時(shí)，采用x1、x2、x3、x4分別表示收獲速度、分離篩運(yùn)行速度、振動(dòng)強(qiáng)度和波浪形峰谷高差這4個(gè)因素，其試驗(yàn)方案如表6所示。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表6 影響因素及水平表Table 6 Level table of influence factor

3.5.2 正交試驗(yàn)分析

除上述4個(gè)因素外，設(shè)定其他因素保持不變，按照試驗(yàn)要求完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，其正交試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7分析可知，4個(gè)因素對(duì)總破皮率的影響的主次順序?yàn)閤1＞x3＞x4＞x2。若要求盡可能地降低總破皮率，則應(yīng)選擇各因素所對(duì)應(yīng)的K1p、K2p、K3p、K4p和K5p中的最小值作為收獲作業(yè)參數(shù)的最優(yōu)水平，即：收獲速度為1.167 m/s、分離篩運(yùn)行速度為1.52 m/s（對(duì)應(yīng)的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為500 r/min）、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅲ級(jí)、峰谷高差為120～120 mm。同理，4個(gè)因素對(duì)總傷薯率的影響的主次順序?yàn)閤1＞x3＞x2＞x4，收獲作業(yè)參數(shù)的最優(yōu)水平為：收獲速度為1.167 m/s、分離篩運(yùn)行速度為1.52 m/s、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅰ級(jí)、峰谷高差為120～120 mm。4個(gè)因素對(duì)明薯率的影響的主次順序?yàn)閤4＞x3＞x1＞x2，若要求盡可能地提高明薯率，則應(yīng)選擇各因素K1m、K2m、K3m、K4m和K5m中的最大值作為收獲作業(yè)參數(shù)的最優(yōu)水平，即：收獲速度為0.833 m/s、分離篩運(yùn)行速度為2.16 m/s（對(duì)應(yīng)的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為580 r/min）、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅴ級(jí)、峰谷高差為200～200 mm。

試驗(yàn)因素在合理區(qū)間內(nèi)的取值與其他因素共同影響著總破皮率和總傷薯率。綜合分析得：總破皮率和總傷薯率在收獲速度和振動(dòng)強(qiáng)度的2因素水平改變時(shí)，其變化規(guī)律基本一致。相對(duì)于分離篩運(yùn)行速度和峰谷高差來(lái)說(shuō)，收獲速度和振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)薯塊總破皮率和總傷薯率的影響更為顯著，P<0.05；相對(duì)于收獲速度和分離篩運(yùn)行速度來(lái)說(shuō)，振動(dòng)強(qiáng)度和峰谷高差對(duì)明薯率的影響更為顯著，P<0.05。實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，在盡可能提高明薯率的同時(shí)，必須兼顧較低的總破皮率和總傷薯率。

4 結(jié)論

1）基于振動(dòng)與波浪兩級(jí)分離的馬鈴薯收獲機(jī)分為振動(dòng)分離段和波浪分離段，波浪分離段可利用設(shè)計(jì)的波浪形峰谷高差調(diào)整裝置形成不同“波浪形”的變化實(shí)現(xiàn)土塊翻滾、破碎與分離，為馬鈴薯收獲機(jī)的研發(fā)和收獲環(huán)節(jié)的減損控制提供了一種思路。

2）單因素試驗(yàn)表明，收獲速度為0.726 m/s時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)挖掘的薯土混合物較少，易導(dǎo)致薯塊疲勞累積損傷，當(dāng)收獲速度為1.167 m/s時(shí)分離篩的分離負(fù)擔(dān)加大，土壤和雜質(zhì)分離效率降低，導(dǎo)致明薯率下降；分離篩運(yùn)行速度從1.52提高至2.80 m/s時(shí)，破皮率和傷薯率呈先降低后增大的趨勢(shì)，但明薯率自99.8%下降至96.4%。振動(dòng)強(qiáng)度由Ⅰ級(jí)的無(wú)振動(dòng)增加到Ⅴ級(jí)的強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，明薯率提高3.3%，但破皮率和傷薯率均有較大幅度的增加，故在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，收獲機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度的調(diào)整必須兼顧分離效率和收獲品質(zhì)。峰谷高差由40～40 mm增大到200～200 mm時(shí)，明薯率由97.2%升高至99.8%，但其破皮率和傷薯率均有所升高。

3）正交試驗(yàn)表明，降低總破皮率的最優(yōu)參數(shù)為：收獲速度為1.167 m/s、分離篩運(yùn)行速度為1.52 m/s、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅲ級(jí)、峰谷高差為120～120 mm；降低總傷薯率的最優(yōu)參數(shù)為：收獲速度為1.167 m/s、分離篩運(yùn)行速度為1.52 m/s、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅰ級(jí)、峰谷高差為120～120 mm；提高明薯率的最優(yōu)參數(shù)為：收獲速度為0.833 m/s、分離篩運(yùn)行速度為2.16 m/s、振動(dòng)強(qiáng)度為Ⅴ級(jí)、峰谷高差為200～200 mm。實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，在盡可能提高明薯率的同時(shí)，必須兼顧較低的總破皮率和總傷薯率。

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