裝包卸包型馬鈴薯聯合收獲機設計與試驗

魏忠彩 韓 夢 蘇國粱 張 浩 李學強 金誠謙

(1.農業農村部南京農業機械化研究所, 南京 210014; 2.山東理工大學農業工程與食品科學學院, 淄博 255091;3.山東思代爾農業裝備有限公司, 德州 253600; 4.山東省馬鈴薯生產裝備智能化工程技術研究中心, 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯是中國第四大糧食作物,種植面積和總產量均居世界首位,但近幾年馬鈴薯種植面積有所下降,裝備支撐不足導致的種植成本增加是主要原因之一,嚴重影響薯農種植積極性[1-2]。2022年初,全國馬鈴薯耕、種、收及綜合機械化率分別為78%、31%、32%和50.06%,遠低于小麥、玉米和水稻三大主糧,尤其是機械化收獲水平[3]。對于馬鈴薯收獲,國內種植模式復雜多變,高效與低損收獲難以兼顧。薯土秧雜分離效果不理想是影響機具作業效率和收獲品質的關鍵[4-5],馬鈴薯秧蔓具有一定的韌性和強度,機收時會產生秧蔓纏繞桿條、團簇秧蔓堵塞分離和除雜部件等現象,導致含雜率過高,迫使機收后直接裝箱、裝袋及入庫后的薯塊需要二次清選,影響生產效率,也會增加薯塊收獲-清選-倉儲整個機械化流程的傷薯率和破皮率[6-8]。在機械化分離、除雜、集薯和裝袋環節產生的碰撞沖擊是導致傷薯破皮的主要原因。傷薯率和破皮率較高,會導致馬鈴薯高病變率,影響儲藏品質[9-11]。

在國外,德國GRIMME公司生產的VARITRON 470型馬鈴薯聯合收獲機,可實現浮動限深挖掘與坡地調平,可在粘重土壤條件下收獲作業,對土塊和石塊等塊狀雜質具有較佳的清選性能;為降低含雜率,美國Double L公司生產的7340型馬鈴薯聯合收獲機,采用氣流除雜、輥式清選和人工排雜相結合的方案,采用傳感器實時監測作業數據和故障;意大利Spedo公司生產的SPRA-1/J型馬鈴薯收獲機,配備人工分揀裝箱平臺,分離輸送單元采用液壓驅動,篩面兩側用于分揀薯塊,篩面中間用于除雜。BULGAKOV等[12]建立了螺旋型薯土分離篩數學模型,探究了薯土秧雜運動過程關系,獲得最佳結構和運行參數;OLT等[13]設計了V型分流裝置,細碎土壤從分流裝置與篩面的間隙穿過,馬鈴薯由橡膠材質分流器翼板向兩側分流輸送,以實現緩沖減損與高效分離;BULGAKOV等[14]設計了一種馬鈴薯收獲機挖掘裝置,上葉片迫使薯壟表層土塊破碎后運移至壟溝,下葉片將薯塊挖掘而出運行至篩面,實現薯塊和土壤的初步分離。

近年來,國內中機美諾1710A型、青島洪珠4U-170B型和希森天成4ULZ-170型等馬鈴薯聯合收獲機均可實現薯土挖掘、輸送分離、清土除雜和集薯裝車等功能[15-16];呂金慶等[17]研制的馬鈴薯收獲機薯秧分離裝置采用擋秧桿、摘秧輥以及驅動輥等結構將秧蔓及雜草拽出,并通過秧蔓排放口排放至地面,解決秧蔓堵塞機具問題的同時,有效提高了薯秧、雜草等雜物的分離效率;魏宏安等[18-19]研制的4UFD-1400型馬鈴薯聯合收獲機,設置兩級薯秧分離裝置,一級薯秧分離裝置為彈性梳桿摘輥式,二級莖稈分離裝置為橡膠帶式,確保不傷薯的同時能夠有效分離薯秧、雜草及地膜等,收獲過程耗用人工少,顯著提高了作業效率;王相友等[20]針對機械化收獲后含雜馬鈴薯物料中石塊和土塊的快速識別及除雜,提出了一種基于改進YOLO v4模型的薯雜檢測方法,采用Mosaic數據增強的方法微調模型,實現了石塊和土塊的檢測;楊然兵等[21]設計了一種馬鈴薯聯合收獲機輥組式輸送分離裝置,采用清土輥與光輥交替排列揉搓的方式實現清土除雜,能夠更好地滿足輸送分離要求,有效提高了作業質量。

本文針對現有的馬鈴薯聯合收獲機薯土秧雜分離效果差、傷薯破皮嚴重以及后續清選除雜成本高等問題,采用薯土雜振動分離、撥板摘薯、人工輔助分揀除雜和自動裝包卸包相結合的作業方式,研制一種裝包卸包型馬鈴薯聯合收獲機。在闡述整機結構設計和工作原理的基礎上,分析關鍵部件的設計過程與參數選取,以及薯塊在雙篩式薯雜分離階段、撥板摘薯階段、緩存集薯階段和裝包卸包階段的運動軌跡和碰撞特性,對樣機的損失率、傷薯率、破皮率和含雜率以及純工作時間生產率等指標進行測試,以期達到減損增效的目的。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

根據國內北方一作區馬鈴薯旱地壟播、單壟單行的種植模式,前期調研收獲期壟型參數為:壟間距900 mm、壟頂寬度400 mm、壟底寬度700 mm、壟高240 mm、壟周長900 mm。結合馬鈴薯收獲高效薯土秧雜分離以及裝包卸包減損增效的現實需求,設計的裝包卸包型馬鈴薯聯合收獲機如圖1所示,采用拖拉機牽引作業方式,作業壟數為2壟,作業幅寬為1 700 mm,主要由松土限深裝置、切土切蔓裝置、挖掘裝置、雙篩式薯雜分離裝置、撥板摘薯裝置、集薯裝包卸包裝置等組成。

圖1 裝包卸包型馬鈴薯聯合收獲機總體結構圖Fig.1 Overall structure diagrams of bagging and unloading potato combine harvester 1.松土限深裝置 2.切土切蔓裝置 3.挖掘裝置 4.一級薯土分離篩 5.雜物分揀平臺 6.雙篩式薯雜分離裝置 7.撥板摘薯裝置 8.集薯裝包卸包裝置 9.機架 10.低位橫向輸送裝置 11.分揀輸送篩 12.側升運裝置 13.高位橫向輸送裝置

機具可一次完成高效切土切蔓、限深挖掘、薯土雜振動分離、雙篩式薯雜分層分離、撥板摘薯、人工輔助分揀除雜及干凈馬鈴薯自動裝包卸包等作業過程。在機械化殺秧、提前去除滴灌帶的前提下,該機具適用于國內北方地勢平坦寬廣、地面起伏較小的地形。馬鈴薯收獲機動力傳遞路線如圖2所示。拖拉機動力輸出軸經傳動軸Ⅲ將動力傳遞至變速箱Ⅱ,變速箱Ⅱ一側的輸出軸通過傳動軸Ⅰ將動力傳遞至變速箱Ⅰ,變速箱Ⅰ的輸出軸通過傳動軸Ⅱ和鏈傳動將動力傳遞至低位橫向輸送裝置,變速箱Ⅰ另一側的輸出鏈輪經鏈傳動將動力傳遞至側升運裝置;變速箱Ⅱ另一側通過鏈傳動將動力分別傳遞至兩級薯土分離篩,二級薯土分離篩的主動軸通過鏈傳動將動力傳遞至薯秧分離篩。

圖2 馬鈴薯收獲機動力傳遞路線Fig.2 Power transfer route of potato harvester1.側升運裝置主動軸 2.低位橫向輸送裝置主動軸 3.變速箱 Ⅰ 4.傳動軸Ⅰ 5.傳動軸Ⅱ 6.變速箱Ⅱ 7.傳動軸Ⅲ 8.一級薯土分離篩主動軸 9.薯秧分離篩主動軸 10.二級薯土分離篩主動軸

1.2 工作原理及主要技術參數

田間作業時,拖拉機牽引收獲機前進,2組松土限深裝置分別對應于薯壟上方位置,對板結土壤施壓擾動,迫使薯土混合物處于相對松散狀態;2對切土圓盤分別對應于薯壟兩側,完成壟側土壤切溝和秧蔓的切斷過程,起到減阻和防纏繞作用,減輕后續分離除雜部件的作業負擔;薯土混合物經挖掘后,由一級薯土分離篩向后輸送,在梅花輪驅動產生的篩面波動及振動裝置的抖動碎土作用下,實現土塊破碎和透篩分離;薯塊經薯秧分離篩透篩后跌落至二級薯土分離篩,向后運行至低位橫向輸送裝置,薯秧和雜草等柔性雜質經薯秧分離篩運行至雜質跌落通道,完成薯土雜二次分離;隨后,薯土混合物經摘薯分離以及人工輔助分揀除雜后,干凈的薯塊被輸送至位于集薯噸包中。

根據前期試驗,為解決地輪較小而導致聯合收獲機作業通過性和靈活性較差的問題,選取外徑為1.1 m,寬度為400 mm的地輪,并增加轉向功能。為避免收獲過程中物料堆積導致人工分揀除雜困難等問題,避免除雜不徹底的現象,在人工輔助分揀平臺兩側增加投雜口,用于土塊、石塊、小薯和秧蔓等雜物的分揀投擲,實現馬鈴薯聯合收獲的精細化除雜作業。根據國內北方馬鈴薯壟作的主導種植模式及其農藝要求,裝包卸包型馬鈴薯聯合收獲機主要技術參數如表1所示。

表1 裝包卸包型馬鈴薯聯合收獲機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of the bagging and unloading potato combine harvester

1.3 主要技術及結構特點

裝包卸包型馬鈴薯聯合收獲機采用薯土雜振動分離、雙篩式薯雜分離、撥板摘薯、人工輔助清土除雜和自動裝包卸包的作業方式,優勢在于:

(1)雙篩薯雜分離與撥板摘薯相結合。利用薯秧分離篩的被動振動作用與摘薯撥板的撥動作用,解決薯秧較難脫附分離的問題,避免薯塊進入除雜通道,以此來降低含雜率和損失率。

(2)人工輔助分揀除雜。經過振動分離-雙篩薯雜分離-撥板摘薯分離后的物料流,進入分揀平臺,未被分離的塊狀雜質和秧蔓等由人工精細剔除,有效避免馬鈴薯二次清選分離,提高收獲效率。

(3)緩存集薯裝包,隨重漸降卸包。采用柔性緩存料斗,可實現緩存和裝包狀態不停機自動切換;料斗內設有緩沖輥,能夠降低馬鈴薯跌落的速度,有效吸收碰撞沖擊能。

2 關鍵部件設計與參數確定

本文的挖掘裝置采用前期設計的多鏟片挖掘結構[11],具有良好的滑切性能,有利于減阻和切削。多個鏟片間留有間隙,防止秧蔓和雜草纏繞挖掘部件,以確保挖掘效率。由前期馬鈴薯機收試驗可知,殺秧后的秧蔓具有一定的強度和韌性[17],分離篩上的團簇秧蔓和較長的秧蔓清除困難,易與薯塊混在一起并裝入料斗車,含雜率過高,收獲的薯塊必須通過二次清選除雜才能夠入庫,增加清選除雜成本,加劇傷薯破皮現象。為確保薯雜分離效率和收獲品質,以薯-土-秧等混合物清選分離特性分析為基礎,采用多重分離和減損措施,確保摘薯效果,降低損失率;通過人工輔助分揀除雜作業,干凈薯群進入具有緩存功能的料斗,實現自動裝包卸包。

2.1 雙篩式薯雜分離裝置設計

雙篩式薯雜分離裝置如圖3所示,主要由二級薯土分離篩、薯秧分離篩、驅動裝置、換向膠輪和支承膠輪等組成,采用薯秧分離篩與二級薯土分離篩分層布置的結構形式,形成一個從篩面起始端到驅動端逐漸增大的楔角,沿著薯秧分離篩的運行方向看,兩篩面工作段之間的距離逐漸增大。為確保薯秧分離效果,使薯秧分離篩的兩相鄰桿條間距較大,以承托團簇秧蔓等雜質;二級薯土分離篩的兩相鄰桿條間距相對較小,用于薯塊與細碎土壤等雜質的分離,篩面桿條均采用“65Mn桿條包覆橡膠”的結構形式,以減損防損。

圖3 雙篩式薯雜分離裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of double sieve potato impurity separation device1.薯秧分離篩換向膠輪 2.二級薯土分離篩換向膠輪 3.支承膠輪 4.二級薯土分離篩 5.二級薯土分離篩驅動裝置 6.薯秧分離篩 7.薯秧分離篩驅動裝置 8.被動振動膠輪

二級薯土分離篩采用梅花輪驅動結構,薯秧分離篩采用齒-桿嚙合驅動結構。不同種植區域對于分離篩的線速度數值設定有差異,在線速度為1.15～1.85 m/s時,分離效果較好;當線速度超過1.85 m/s時,分離效果較差[22]。雙篩式薯雜分離裝置的傳動系統如圖3中ABC段所示,整個傳動過程分為AB(二級薯土分離篩的傳動過程)和BC(薯秧分離篩的傳動過程)2段。2個階段傳動比為

(1)

式中iAB——二級薯土分離篩傳動過程傳動比

iBC——薯秧分離篩傳動過程傳動比

zbs——變速箱Ⅱ上輸出鏈輪齒數

zstd——二級薯土分離篩一級輸出鏈輪齒數

zstx——二級薯土分離篩二級輸出鏈輪齒數

zsy——薯秧分離篩輸出鏈輪齒數

ωst——二級薯土分離篩輸出鏈輪角速度,rad/s

ωbs——變速箱Ⅱ上輸出鏈輪角速度,rad/s

ωsy——薯秧分離篩輸出鏈輪角速度,rad/s

兩篩面的線速度為

(2)

式中vst——二級薯土分離篩線速度,m/s

Rst——二級薯土分離篩驅動輪半徑,m

vsy——薯秧分離篩線速度,m/s

Rsy——薯秧分離篩驅動輪半徑,m

聯立式(1)、(2)可得

(3)

雙篩式薯雜分離裝置實物圖如圖4所示,利用兩篩面之間楔角來實現分層分離,薯秧和雜草等柔性體雜質在薯秧分離篩桿條的拉拽作用下逐步被抽取,兩篩面的線速度保持一致,避免兩篩面的桿條對薯塊碰撞摩擦而造成破皮損傷。為確保較佳的薯秧土雜分離效果和傳動性能,二級薯土分離篩二級輸出鏈輪齒數小于薯秧分離篩輸出鏈輪的齒數,即zstx/zsy<1,若保證兩篩面的線速度相同,薯秧分離篩驅動輪的半徑Rsy需大于二級薯土分離篩驅動輪的半徑Rst。因此,二級薯土分離篩驅動輪的半徑Rst取75 mm,薯秧分離篩驅動輪的半徑Rsy取140 mm。

圖4 雙篩式薯雜分離裝置實物圖Fig.4 Physical images of double sieve potato impurity separation device

由于薯秧分離篩桿條的拉拽作用,薯秧和雜草等柔性團簇雜質逐步從薯雜混合物中脫離,承托于篩面向后運行;薯塊及細碎雜質跌落在二級薯土分離篩上,完成透篩分離。篩面桿條間距影響秧蔓分離效果和土壤透篩效果,當薯秧分離篩的相鄰桿條間距較小時,一方面,薯塊易從一根薯秧分離篩桿條被甩到相鄰的桿條上,而落不到二級薯土分離篩,達不到薯秧分離的效果;另一方面,篩面與被動振動膠輪配合產生的振動幅度達不到薯秧分離的要求。薯秧分離篩桿條間距較大時,相鄰桿條無法承托長度較短的秧蔓和雜草,導致大量團簇秧蔓和雜草落入二級薯土分離篩,與薯秧分離目的相悖。薯秧分離篩被動膠輪位置處實物圖如圖5所示。

北方馬鈴薯塊莖長度一般在80～110 mm[17],為保證篩面與被動振動膠輪配合產生的振動幅度,以及薯秧分離篩相鄰桿條間距可使薯塊順利落入二級薯土分離篩,結合秧蔓長度并參考國內外薯秧分離實際需求,將薯秧分離篩相鄰桿條中心距確定為180 mm,薯秧分離篩上升段長度為2 540 mm,薯秧分離篩下降段的長度為720 mm,薯秧分離篩形成的“折線形”夾角為132°,將二級薯土分離篩相鄰桿條中心距確定為45 mm。將雜質跌落通道設為上窄下寬的形狀,避免團簇雜質產生擁堵。

2.2 撥板摘薯裝置設計

撥板摘薯裝置如圖6所示,由調整裝置、支撐桿和摘薯撥板等組成。調研及初步試驗發現,在分離階段末端部分薯塊與秧蔓仍有連帶作用,若不采取適當薯秧分離或摘薯措施,薯塊會隨著團簇秧蔓或者長條秧蔓進入雜質輸送通道,增加損失率。

圖6 撥板摘薯裝置結構圖Fig.6 Structure diagram of plate device for picking potatoes1.調整裝置 2.支撐桿 3.扭簧 4.摘薯撥板

撥板摘薯運動過程及受力分析如圖7所示,可分為薯塊未接觸摘薯撥板、薯塊接觸摘薯撥板及薯塊被摘薯撥板撥下3種狀態。

圖7 撥板摘薯運動過程及受力分析Fig.7 Movement process and force analysis of plate device for picking potatoes

在薯秧分離篩的帶動下,秧蔓夾帶著個別薯塊運行至撥板摘薯階段時,摘薯撥板的自由端伸到薯秧分離篩工作段上方。為起到較好的撥動摘薯效果,考慮薯塊最小三軸尺寸[23],以及薯秧分離篩的被動振動激勵作用,摘薯撥板自由端與薯秧分離篩工作段之間的距離確定為0～16 mm。在扭簧作用下,摘薯撥板對連帶在秧蔓上的薯塊施加一定的阻力,將在薯秧分離篩上薯塊從秧蔓上摘取下來。部分秧蔓與薯塊一起跌落至二級薯土分離篩上時,經篩面分離后通過低位橫向輸送裝置輸送至雜物分揀平臺待人工分揀。如圖7b所示,對薯塊接觸摘薯撥板時進行受力分析,可得[24-25]

(4)

式中Fb——摘薯撥板對薯塊的阻力,N

T——扭簧受到的扭矩,N·m

L——摘薯撥板長度,m

φb——摘薯撥板扭轉角度,(°)

k——扭簧扭轉剛度,N·m/(°)

結合式(4),得摘薯撥板對薯塊的阻力為

(5)

其中

式中d——扭簧簧絲線徑,m

E——扭簧材料彈性模量,MPa

n——扭簧受力有效圈數,取6

D——扭簧中徑,m

65Mn扭簧彈性模量為2.10×105MPa[26]。隨著薯秧分離篩的向后運行,當薯塊推動著摘薯撥板扭轉到極限角度時,以摘薯撥板末端線速度方向為正方向,若薯塊受到的合力小于0,薯塊易隨團簇秧蔓或長條秧蔓進入雜質輸送通道。若要薯塊被摘下,須滿足

(6)

式中Fgn——薯秧分離篩桿條對薯塊的支持力,N

Fgn1——Fgn在摘薯撥板對薯塊阻力方向的分力,N

Fm——秧蔓對薯塊的拉力,N

G——薯塊重力,N

G1——薯塊重力在摘薯撥板對薯塊阻力方向的分力,N

fbs——薯秧分離篩桿條對薯塊的摩擦力,N

μbs——薯塊與桿條之間摩擦因數

fbs1——fbs在摘薯撥板對薯塊阻力反方向上的分力,N

αb——支持力Fgn與阻力Fb夾角,(°)

對式(5)、(6)進行分析,可得

(7)

摘薯撥板裝置的兩端固定在機架上,上方鄰近分揀輸送篩,綜合考慮摘薯撥板與薯秧分離篩的位置關系以及撥板摘薯裝置與分揀輸送篩的空間布局,整體尺寸不宜過大,將薯秧分離篩篩面與撥板下方交接處距離分揀輸送篩底部尺寸確定為 580 mm; 為保證撥板摘薯裝置能有良好的高效低損摘薯效果,防止與薯秧分離篩和分揀輸送篩產生干涉,摘薯撥板長度取370 mm、寬度取58 mm;此外,對摘薯撥板的外層包覆一層橡膠材料,以減少薯塊與摘薯撥板之間的碰撞損傷。撥板摘薯裝置實物圖如圖8所示。

圖8 撥板摘薯裝置實物圖Fig.8 Physical image of plate device for picking potatoes

摘薯撥板對薯塊的阻力是薯塊能否被成功摘下的關鍵,主要與扭簧的扭轉剛度、摘薯撥板的扭轉角度以及長度有關,由式(7)可知,摘薯撥板的長度為固定值,扭簧的扭轉剛度與扭轉角度成反比。扭簧扭轉剛度過小時,會導致薯塊與摘薯撥板接觸產生作用力時的扭轉角度過大,薯塊容易從摘薯撥板下板面穿過而進入雜物通道;扭簧扭轉剛度過大時,易導致摘薯撥板對薯塊作用力過大而造成破皮或機械損傷,也會增大薯塊在分離篩篩面上的行程。由于摘薯撥板的板間距過大易導致薯塊從間隙穿過隨著秧蔓進入雜質通道,因此相鄰的摘薯撥板間距應小于薯塊三軸尺寸的最小尺寸,取 50 mm;按照作業幅寬1 700 mm計算,將摘薯撥板數量確定為16個。

2.3 雜物分揀平臺設計

馬鈴薯聯合收獲雖然占用勞動力少,但分離后的薯塊中含有較多的秧雜、土塊及石塊等,無法作為商品薯直接裝包入庫或投放市場,一般需要進行二次清選和分選[27-29]。為將聯合收獲后的馬鈴薯作為商品薯直接入庫,需對碎秧、石塊、土塊等大顆粒雜質進行剔除作業,設計的雜物分揀平臺如圖9所示。雜物分揀平臺上方設有分揀輸送篩,薯塊流及摻雜的少量秧蔓、雜草、石塊和土塊等進入分揀輸送篩,分揀輸送篩兩側為雜物分揀工作區。

圖9 雜物分揀平臺Fig.9 Platform for impurity sorting1.斜雜投口 2.站臺 3.直雜投口 4.防護板

綜合考慮成年人的體型以及側身展臂的舒適程度,結合收獲機的實際尺寸,設計雜物分揀工作區域長度為3 370 mm,將人工輔助分揀平臺的除雜輸送篩寬度設計為720 mm,可容納6名撿拾工進行雜質剔除作業,設有2個直投雜口和2個斜投雜口。物料輸送過程中,4名撿拾工撿拾相對較大的塊狀雜質、秧蔓和雜草等柔性體雜質,投入到直投雜口內排出;2名撿拾工撿拾相對細碎的雜物,投入斜投雜口內,排出至機具兩側。

2.4 集薯裝包卸包裝置設計

集薯裝包卸包裝置結構如圖10所示,由緩存料斗、緩沖輥、浮動臂、限位輥、裝包卸包滑臺、踏板、擋秧板和托架外導軌等組成。作業前,裝包卸包滑臺為水平布置;收獲作業時,薯塊、土塊、秧蔓和雜草經多重分離之后,干凈的馬鈴薯物料流由分揀輸送篩輸送至集薯裝包卸包裝置的緩存料斗,再經緩存緩沖后裝入集薯噸包。

圖10 集薯裝包卸包裝置結構示意圖Fig.10 Structure diagram of potato gathering bagging and unloading device1.緩存料斗 2.緩沖輥 3.浮動臂 4.限位輥 5.裝包卸包滑臺 6.踏板 7.擋秧板 8.托架外導軌 9.液壓缸

2.4.1裝包過程的馬鈴薯運動學及碰撞特征分析

在裝包初期,裝包卸包滑臺隨著升降組的液壓缸的伸長上升至最高位置進入裝包狀態,緩沖集薯裝置的液壓缸的缸桿處于伸長狀態,帶動液壓缸兩端的浮動臂和限位輥繞著緩沖集薯架的限位裝置朝外偏移,迫使緩存料斗的出口打開而進入裝包狀態。薯塊在裝包過程的運動軌跡如圖11所示,可分為OA段(薯塊自分揀輸送篩跌落至緩沖輥)、AB段(薯塊自緩沖輥跌落至限位輥)以及BC段(薯塊自限位輥跌落至集薯噸包)。

圖11 裝包時馬鈴薯運動學分析Fig.11 Kinematic analysis of potato bagging

薯塊從分揀輸送篩末端跌落至緩沖輥的過程為平拋運動,如圖11中OA段的運動過程。以分揀輸送篩末端的薯塊中心點O為原點,分揀輸送篩運行方向為x軸正方向,鉛垂向下為y軸正方向建立直角坐標系。將薯塊視作質點,當薯塊從分揀輸送篩以水平速度v0拋落至緩存料斗時,重力加速度g取9.8 m/s2。假設緩沖輥與限位輥的半徑均為R,OA段薯塊運動方程為

(8)

式中vx——薯塊在與緩沖輥剛接觸時在水平方向上的分速度,m/s

vy——薯塊在與緩沖輥剛接觸時在鉛垂方向上的分速度,m/s

hOA——薯塊自分揀輸送篩跌落至緩沖輥的鉛垂高度,m

hsg——分揀輸送篩末端的薯塊與緩沖輥圓心的鉛垂高度,m

θ——法向速度vag與速度vx夾角,(°)

薯塊跌落的瞬時速度v0與分揀輸送篩的運行線速度vs相等,即

(9)

式中vs——分揀輸送篩運行線速度,m/s

ns——分揀輸送篩液壓馬達輸出軸轉速,r/min

D1——分揀輸送篩換向輪分度圓直徑,m

D2——分揀輸送篩上連接帶厚度,m

薯塊損傷主要來自薯-薯碰撞和擠壓、薯塊與緩沖輥及限位輥的碰撞沖擊以及薯塊與裝包卸包滑臺的碰撞沖擊,緩存料斗內部、緩沖輥以及限位輥均覆有緩沖材料,薯塊通過緩沖輥與限位輥的2次緩沖減速運行,緩沖材料能有效吸收碰撞沖擊能,減輕薯塊因碰撞沖擊、摩擦等作用而導致機械損傷或切線擦傷。當薯塊碰撞到緩沖輥時,緩沖輥能有效吸收法向速度帶來的沖擊能,減小薯塊運動速度,薯塊跌落至緩存料斗出口兩側的限位輥處,其運動過程如圖11中的AB段所示。薯塊與緩沖輥碰撞接觸時的速度和碰撞后的跌落速度為

(10)

式中va——薯塊與緩沖輥碰撞接觸時速度,m/s

α——速度va與薯塊水平方向速度夾角,(°)

val——薯塊碰撞緩沖輥后跌落速度,m/s

聯立式(8)～(10)并計算得

(11)

薯塊在AB段運動過程滿足能量守恒定律,其運動分析過程為

(12)

式中Ekal——薯塊自緩沖輥跌落時的動能,J

Ekg——薯塊跌落到限位輥上的動能,J

m——薯塊質量,g

vg——薯塊與限位輥碰撞時速度,m/s

hAB——薯塊自緩沖輥跌落至限位輥的鉛垂高度,m

hxg——緩沖輥與限位輥鉛垂高度,m

φ——薯塊碰撞到限位輥的法向速度與限位輥中心水平線夾角,(°)

根據式(12)可得薯塊碰撞到限位輥速度為

(13)

薯塊自緩沖輥跌落到限位輥后,限位輥吸收了碰撞接觸時法向速度帶來的沖擊能,同時也降低了薯塊跌落速度,薯塊低速跌落到集薯噸包中,運動過程如圖11中BC段所示。BC段運動方程為

(14)

式中vgt——速度vg的切向速度,m/s

δ——速度vg與切向速度vgt夾角,(°)

vm——薯塊跌落到集薯噸包中的速度,m/s

hBC——薯塊自限位輥跌落至集薯噸包中的鉛垂高度,m

隨著跌落至集薯噸包內的薯塊越來越多、物料質量逐漸增加,裝包卸包滑臺的升降組的液壓缸缸桿處于縮回狀態,在重力作用下升降底架與裝包卸包滑臺逐漸下降,使得薯塊跌落的鉛垂高度hBC控制在合適的范圍內,以確保薯塊跌落到裝包卸包滑臺上的臨界速度小于薯塊跌落損傷的臨界速度。將式(13)代入式(14)并分析計算可得馬鈴薯跌落速度vm為

(15)

由式(15)可知,薯塊的跌落速度主要與緩沖輥和限位輥的外徑尺寸以及薯塊各個運動階段的跌落高度有關。緩沖輥和限位輥的外徑尺寸對薯塊最終跌入集薯噸包產生的損傷有至關重要的影響。緩沖輥和限位輥的外徑較小時,部分薯塊接觸不到緩沖輥,碰撞沖擊較為劇烈,加劇傷薯破皮現象[30-32];反之,薯塊從緩沖輥跌落到緩存料斗滑落距離較大,薯-料斗的摩擦作用會增加破皮率。在薯塊與包覆有海綿的聚氨酯材料碰撞試驗基礎上,將緩沖輥和限位輥的半徑R確定為100 mm(包覆有70 mm厚度的海綿材料),薯塊跌落軌跡最理想,減損效果最好。查閱文獻,環境溫度、碰撞接觸材料和薯塊跌落角度也是影響薯塊碰撞損傷的主要因素,如馬鈴薯在15℃時與包覆有塑料的65Mn鋼桿碰撞的臨界損傷速度為2.506 m/s[33],在跌落角度為60°時與覆有橡膠材料的65Mn桿條碰撞的臨界損傷高度為275 mm[34]。緩沖輥和限位輥均包覆有海綿的聚氨酯材料,薯塊跌落臨界損傷速度閾值相比于包覆有橡膠65Mn桿條更具有包容性。

綜合考慮整機高度及薯塊不同運動階段的跌落高度,將分揀輸送篩與緩沖輥鉛垂距離hsg設為500 mm,緩沖輥與限位輥的鉛垂高度hxg設為430 mm,結合緩沖輥和限位輥的外徑尺寸,可得薯塊自分揀輸送篩跌落至緩沖輥的鉛垂高度hOA及薯塊自緩沖輥跌落至限位輥的鉛垂高度hAB理論范圍在330 ～500 mm之間,此時薯塊碰撞沖擊較小;裝包卸包滑臺表層附有橡膠墊,裝包初期,裝包卸包滑臺距離緩存料斗出口較近,經過緩沖輥和限位輥的2次緩沖后,薯塊自限位輥跌落至集薯包的速度vgt較小,由薯塊碰撞試驗及結合相關資料[34],限位輥到裝包卸包滑臺最小鉛垂距離設為250 mm。

薯塊自限位輥跌落至集薯噸包內,隨著薯塊重量增加,裝包卸包滑臺逐漸往下移,由初始時的薯-滑臺碰撞逐漸變為薯-薯碰撞,薯塊自限位輥跌入集薯包的鉛垂高度hBC始終控制在250～350 mm之間,當集薯噸包裝滿時,裝包卸包滑臺下移至最低點;液壓缸伸展至極限時,若2個限位輥之間的距離過小,單位時間內落入集薯噸包的薯塊流量較小,影響裝包效率;反之,易導致薯塊跌落至集薯噸包外造成碰撞損傷。為保證薯塊順利跌落至集薯噸包內,結合分揀輸送篩的寬度及集薯噸包開口處尺寸(1 000 mm×1 000 mm),液壓缸伸展至極限時兩個限位輥的距離取1 100 mm。

2.4.2緩存過程的馬鈴薯運動學及碰撞特征分析

緩存狀態時馬鈴薯運動學分析如圖12所示,可劃分為:OA段(薯塊自分揀輸送篩跌落至緩沖輥)、AD段(薯塊自緩沖輥跌落至緩存料斗內壁)及DE段(薯塊自緩存料斗內壁滑落至限位輥)。當集薯噸包內的薯塊裝滿時,浮動臂和限位輥繞著緩沖集薯架的限位裝置朝內偏移,迫使緩存料斗的出口閉合,進入緩存集薯狀態,分揀輸送篩不斷地將干凈的薯塊喂入料斗,薯塊與緩沖輥碰撞減速后跌落到緩存料斗內壁上,與底部限位輥碰撞接觸。

圖12 緩存狀態時馬鈴薯運動學分析Fig.12 Kinematic analysis of potato in cache state

由式(8)～(10)可得薯塊自緩沖輥跌落至緩存料斗內壁(AD段)的初速度val,滿足能量守恒定律,即

(16)

式中Ekd——薯塊跌落到料斗內壁的動能,J

hAD——薯塊自緩沖輥跌落至緩存料斗內壁的鉛垂高度,m

vd——薯塊落到料斗內壁的速度,m/s

聯立式(11)、(16)并計算可得

(17)

薯塊跌落到緩存料斗內壁后,運動軌跡再次發生改變,法向分速度vdd帶來的沖擊能被緩沖材料吸收,以跌落至料斗內壁的切向分速度滑落至限位輥處,其運動軌跡為圖12中DE段的過程。薯塊跌落到緩存料斗內壁的切向分速度vdk為

vdk=vdcosγ

(18)

式中γ——薯塊與緩存料斗內壁碰撞后速度vd與緩存料斗內壁的夾角,(°)

薯塊自緩存料斗內壁滑落至緩存料斗底部限位輥的過程滿足能量守恒定律,即

(19)

式中Ekdk——薯塊自緩存料斗跌落時動能,J

Ekk——薯塊跌落到限位輥的動能,J

hDE——薯塊自緩存料斗內壁滑落至限位輥的鉛垂高度,m

vk——薯塊滑落到限位輥的速度,m/s

聯立式(17)～(19)并計算可得

(20)

其中α為OA段薯塊碰撞到緩沖輥的速度與薯塊水平方向速度的夾角。分析可知,薯塊滑落到限位輥的速度vk與分揀輸送篩的線速度vs有關,薯塊跌落初速度越大,滑落到緩存料斗底部緩沖輥的速度越大,碰撞沖擊劇烈,破皮傷薯越嚴重。結合前期試驗,分揀輸送篩換向輪分度圓直徑D1取125 mm,連接帶厚度D2取27 mm,液壓馬達轉速ns為32 r/min,代入式(9)可得分揀輸送篩線速度vs的理論值為0.3 m/s。緩存狀態下,兩個限位輥接觸閉合,兩個限位輥中心距離由裝包時的1 100 mm調整為200 mm,緩存料斗側壁出口端隨之向兩個限位輥聚攏,薯塊跌落點朝著緩沖輥中心方向上移,薯塊自緩沖輥跌落至緩存料斗內壁的鉛垂高度hAD減小,根據兩個限位輥中心距離的變化及緩存料斗側壁長度,得出緩存料斗從裝包狀態到緩存狀態的角度變化,將薯塊自緩沖輥跌落至緩存料斗內壁的運行軌跡近似為直線,由相似三角形定理,得出薯塊自緩沖輥跌落至緩存料斗內壁的最大理論鉛垂高度hAD約為100 mm;隨著緩存薯塊增多,由薯-輥碰撞變為薯-薯碰撞,薯塊自緩存料斗內壁下滑限位輥的鉛垂高度hDE的距離減小,可減輕薯塊損傷,將薯塊自緩存料斗內壁滑落至限位輥的最大鉛垂高度hDE確定為330 mm。

緩存狀態時,將集薯噸包從吊掛輪上摘下,卸包裝置的擺動缸的伸縮桿伸出,包括卸包滑臺在內的整個裝包平臺繞著緩沖架擺動,迫使卸包滑臺的輸送帶逐漸傾斜,輸送帶一端的位置靠近地表,卸包滑臺的輸送帶下方設置有多根橫向布置的承托輥,集薯噸包可順暢下滑至地表。隨后,將下一個集薯噸包掛到吊掛輪上,調整卸包滑臺的位置和緩存料斗的狀態,再一次完成裝包卸包。

3 試驗

試驗地位于內蒙古自治區杭錦旗獨貴塔拉鎮百世基地,屬溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫為6℃,年平均降水量為250 mm,年平均無霜期170 d。種植模式為單壟單行種植,中性土壤,土壤含水率為9.5%～12.3%,未覆膜種植,機械化播種作業,株距為200 mm。品種為“希森3號”,收獲前7 d進行機械化殺秧。在結合馬鈴薯種植農藝及前期初步試驗的基礎上,挖掘深度設定為220 mm,配有6個撿拾工人分布在雜物分揀平臺兩側撿拾除雜,估算裝包效率為13 000 kg/h左右。馬鈴薯聯合收獲機作業時采用尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm方形集薯噸包,集薯噸包開口處尺寸為1 000 mm×1 000 mm,作業速度分別設定為3.01、3.95 km/h,其測試結果如表2所示。

表2 樣機評價指標測試結果Tab.2 Assessment index test results of prototype

由表2可知,各項參數均滿足NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》的要求。當作業速度由3.01 km/h提高至3.95 km/h時,純工作時間生產率由0.39 hm2/h提高至0.51 hm2/h,對應的傷薯率和破皮率卻明顯降低,但含雜率明顯增加。這是由于在其他因素不變的情況下,作業速度的增加使得單位時間內進入一級薯土分離篩的薯土混合物總量增加,進入雙篩式薯雜分離裝置、輔助分揀平臺甚至是集薯裝包卸包裝置的雜質總量增加,造成在同階段的薯土分離、除雜和人工分揀條件下的雜質分離與分揀負擔相對增加,導致雜質分離不徹底。因此,作業速度是影響破皮率、傷薯率以及含雜率的關鍵。

裝包卸包型馬鈴薯聯合收獲機連續作業能力較佳,挖掘、松土限深調控、一級薯土分離、雙篩式薯雜分離、撥板摘薯、人工輔助分揀和集薯裝包卸包等各環節作業順暢,工作可靠性好。田間試驗如圖13所示。在雙篩式薯雜分離和撥板摘薯裝置的協同作用下,可實現較佳秧蔓分離效果,避免薯塊匯入秧蔓雜質物料中,減少損失率;6個撿拾工人分布在分揀平臺,可降低含雜率。

圖13 田間收獲試驗Fig.13 Field experiment of harvest

試驗過程中,集薯裝包卸包裝置可將干凈的薯塊直接裝包;當集薯噸包內裝滿薯塊,更換集薯噸包時緩存料斗的出口暫時關閉,薯塊暫存于緩存料斗,可實現不停機換包作業,確保收獲效率;裝包卸包滑臺可實現隨重漸降,避免薯塊跌落高度過大,以減輕破皮傷薯現象;裝滿薯塊的集薯噸包承托在裝包卸包滑臺上平順下滑至地面,避免造成薯塊壓潰性損傷[36-37]。對于折疊臂集薯輸送裝置,通過電子馬鈴薯測試收獲過程的碰撞特征,得到落料端是產生高幅值碰撞沖擊的主要源頭,而柔性緩沖輥、限位輥和緩存料斗的緩沖作用,可減輕跌落過程機械沖擊,對薯塊集薯裝包過程和緩存集薯過程均可實現減損防損。通過電子馬鈴薯測試手段,得知薯塊的碰撞加速度峰值低于折疊臂集薯輸送裝置落料端的碰撞加速度峰值,這是由于薯塊在包覆有海綿的聚氨酯材料的彈性變形作用下實現減損控制,充分說明柔性緩存集薯和裝包方式具有良好的降低碰撞沖擊作用[11,38],有利于確保收獲品質。觀察發現,收獲速度的增加導致單位時間內與柔性緩沖輥碰撞接觸的薯塊數量增多,薯-薯之間碰撞沖擊產生了相對較大的碰撞加速度,這進一步說明收獲速度對薯塊緩沖減損效果具有較大影響[39-40]。

4 結論

(1)研制的裝包卸包型馬鈴薯聯合收獲機采用薯土雜振動分離、雙篩式薯雜分離、撥板摘薯、人工輔助分揀除雜和自動裝包卸包相結合的收獲工藝,可一次完成限深挖掘、雙篩式薯雜分離、撥板摘薯、分揀除雜及自動裝包卸包等作業過程。

(2)田間試驗表明,當收獲速度為3.01 km/h和3.95 km/h時,生產率分別為0.39 hm2/h和0.51 hm2/h,損失率分別為1.56%和1.52%,傷薯率分別為1.68%和1.44%,破皮率分別為2.05%和1.71%,含雜率分別為1.75%和1.96%,均符合相關標準要求。

(3)撥板摘薯裝置可實現薯秧脫附分離,降低損失率;緩存集薯裝包與隨重漸降卸包技術,可實現緩存和裝包狀態自動切換,確保不停機柔性集薯與減損卸包。裝包卸包裝置的柔性緩沖輥對薯塊拋落集薯裝包過程起到較佳的減損效果。