摘要：设计了一种马铃薯收获机，旨在解决山西丘陵地区600～800 mm垄宽的单垄双行种植模式的马铃薯收获难题。通过对挖掘铲的受力分析，优化设计出一种圆弧边刃口的多铲型式，既能提高切土能力又有利于滑土；通过设计分离助力装置，对其进行调速从而适应不同的土壤类型，增强了收获机的薯土分离性能。

　　关键词：挖掘铲；分离装置；分离助力装置

　　马铃薯和小麦、玉米、水稻主粮一样，是我国的第四大主要粮食作物W。我国的马铃薯种植面积和产量均占世界的1/42,居世界首位，2020年种植面积已达7000多万亩(1亩约等于0.067 hm²),产量达9000万t[3]。2015年在国家马铃薯主粮化战略实施后，马铃薯全程机械化率逐渐提高，综合机械化率约为29.77%4。山西省的马铃薯产区大多为丘陵山区，地块狭小、坡度较大的特点制约着机械化推广，导致综合机械化率低于全国水平。特别是马铃薯收获主要采取人工挖掘、人工捡拾等方式，劳动强度较大，收获效率低。

　　国外对于马铃薯收获机的研究历史比较早，机械化水平比较高。目前马铃薯机械化生产融入了电传感、导航、光电等高新科技5,此类机器的机型比较大，结构复杂，联合化程度高，收获效率也高，但是机具价格昂贵，且我国约50%的马铃薯种植区不适宜使用。国内马铃薯收获机主要有挖掘式收获机、联合收获机2种类型。对于丘陵山区而言，小型的马铃薯挖掘机比较适合，如青岛洪珠4U-110D型/1 2 0D型/1 3 0型，德州鸿友4US-70型、4UD-110型/130型，巨隆4UW-83型/100型/150型等。由于全国各地的土壤类型、地形特点、气候条件、种植模式各不相同，小型马铃薯收获机型的通用性也受到了限制。因此，针对山西省马铃薯种植的特点，研究一款适宜山西省丘陵山区的小型马铃薯收获机意义重大。

　　1整机结构和工作原理

　　1.1整机结构

　　4UIF马铃薯收获机主要由挖掘铲、切草圆盘、变速器、传动装置、悬挂机架、振动分离装置、限深轮、侧支板、助力分离装置等组成，见图1。

　　悬挂机架固定机具的各个工作部件并确定其位置，与拖拉机联结。挖掘铲连接在左右侧板上，切草圆盘位于左右侧板前方用于切断杂草及防止薯土散落机具两侧，限深轮位于机具的后端并可进行高度调整，振动分离装置的主动轴、从动轴、传动链轮轴固定在左右支板上，分离助力装置安装在挖掘铲和振动分离装置之间。

　　1.2工作原理

　　拖拉机通过三点悬挂连结悬挂机架，带动挖掘机进行田间作业。切草圆盘在前进过程中被动旋转，切断杂草残余秧蔓以防止缠绕，挖掘铲按照规定深度挖出薯土混合物，在惯性力等作用下，薯土混合物被输送至助力分离装置。拖拉机动力输出装置PTO经由变速器将动力传递到侧置链轮上，再通过链条带动助力分离装置，同时PTO经皮带带动振动分离装置的主动轴转动，薯土混合物在被过滤掉部分碎土后到达振动分离装置前端，振动分离装置将薯土混合物进行土块破碎并与薯块分离，小于栅条间隙的小土块和杂物从分离装置的栅条中间被振动落下，薯块及少量大土块被带动到分离装置后端并落到田间，集中形成条带铺在地表上。

　　2主要工作部件设计

　　2.1挖掘铲的设计

　　2.1.1挖掘铲的结构及受力分析

　　挖掘铲的主要作用是挖掘薯土混合物，包括薯块、土块、石头及藤草杂物等。挖掘铲可分为固定式、驱动式、组合式。固定式挖掘铲的外廓形状有平面三角形、曲面形、槽形。其中平面三角形铲结构简单，成本低，应用广。三角形铲有单铲、双铲、多铲。多铲由多个单铲组成，中间有间隙。本设计采用三角形的圆弧形多铲，以减小挖掘阻力，见图2。

　　挖掘铲在工作中主要受力有拖拉机的牵引力和工作阻力。参照农业机械学土壤工作部件的牵引阻力受力分析，挖掘铲的受力

　　R=R₁+R₂+R₃①

　　R₂=ks②

　　R₃=εbh v²③

　　式中，R为挖掘铲牵引阻力(N),k为薯土混合物的抗变系数，s为挖掘铲挖掘横断面积(m²),ε为土壤系数(Ns²/m⁴),v为挖掘铲作业速度(m/s)。R₁为挖掘铲入土切土需要克服的阻力，与作业速度和薯土混合物的大小尺寸无关；R₂为挖掘铲使薯土混合物变形的阻力，与薯土混合物的横截面有关，与作业速度无关；R₃为薯土混合物动能变化阻力。为减小挖掘铲的工作阻力R₁,本文设计了圆弧形铲刃替代常规三角形直刃，见图3。

　　图3(a)中虚线表示常用的三角形铲刃，圆弧线是AB优化后的铲刃刃口曲线，前进方向见图3(a),A点的滑切角是θA,B点的滑切角是θβ,θ是圆弧线AB间的滑切角，A'点的滑切角是θA,16■市栏编辑席尚明B'点的滑切角是θB',θ'是虚线AB间的滑切角。

　　θA=θB=θ'④

　　θA<θB<θ⑤

　　顾耀权等研究表明，滑切比砍切阻力小，而且切割阻力随着滑切角的增大而减小，刃口曲线比直线省力，故优化后的圆弧形铲刃入土切土阻力更小6。

　　2.1.2挖掘铲的参数确定

　　挖掘铲的主要参数有铲面倾角α、铲刃倾角2γ、铲长L、铲宽K等，见图2、图3。其中铲刃倾角需满足以下关系

　　γ+θ=90°⑥

　　因滑切角θ大于摩擦角φ才符合摩擦定律，得γ小于90°-φ。

　　根据土壤类型不同φ都有区别，一般取值是30°~40°,本设计选取γ为45°,在此基础上确定刃口曲线。铲宽K主要考虑行距、马铃薯茎块地下分布情况、挖掘机行走偏差等因素。为了避免漏挖薯块，铲宽可按以下公式计算

　　K=M+b+3σ+2c⑦

　　M为平均行距(mm),本文设定为250 mm;b为薯块平均分布宽度(mm),设定为250 mm;σ为综合标准差(mm),设定为80 mm;c为机具行驶偏差(mm),设定为50 mm。考虑到当地种植情况垄底宽不大于800 mm,挖掘铲的工作宽度K设计为840 mm。

　　铲面倾角α一般取值为15°~24°,角度越小工作阻力越小，本文设定为20°。

　　铲长由下式确定

　　L=L₁+L₂⑧
      

　　L₁为挖掘铲入土长度(mm);L₂为地面长度(mm);h₁为挖掘深度(mm),设定为200mm;v为机具作业速度(m/s),取低值(0.7~1);g为重力加速度(m/s²)。

　　2.2分离装置设计

　　2.2.1振动分离装置结构

　　振动分离装置的作用是把薯土混合物中的薯块从土块、石块、杂物中分离出来，且平铺在地表。常用的分离装置有振动杆式、摆动式、拨齿式、旋转式等形式，本文采用条杆振动装置进行分离，包括传动链、振动装置、杆条、主动轮、从动轮等组成，见图4。

　　2.2.2分离助力装置

　　分离助力装置由一组一致安装的梅花轮组成，位于挖掘铲末端和振动分离装置之间，见图5,梅花轮厚40 mm,梅花齿顶圆直径110 mm,梅花齿根圆直径88 mm,每片梅花轮的横向间距40 mm,梅花轮采用树脂材料，减少对马铃薯的摩擦损伤。梅花轮的动力来源变速箱，并由调速机构连接。

　　当挖掘铲上的薯土混合物到达挖掘铲末端后，落在旋转的助力分离装置上，细小的土粒杂物随凹槽或轮间空隙落下，马铃薯及较大体积的土块杂物等或直接抛在振动分离装置的杆条上，或在下落过程中因间隙小不能下落被旋转的杆条带走，而后进入振动分离装置进行薯土分离。助力分离装置的主要作用是初步分离出一部分碎土，减轻振动分离装置的喂入量；进一步使马铃薯上的泥土脱落或者使大土块因揉搓而变小；调速机构是为了适应不同土质，土壤性质不同或者含水率不同要求梅花轮的转速不同。

　　2.2.3参数确定

　　振动分离装置的参数有分离筛倾角、分离筛长度、杆条直径。

　　薯土混合物主要在分离装置的分离筛上进行。杆条选用材料55铬硅杆条，耐磨且对马铃薯擦伤小。杆条直径根据手册及实际需要，设计为12 mm;杆条连接链是具有使用周期长噪声小的柔性橡胶链，杆条间距依据山西省马铃薯的长宽高尺寸范围中最小厚度为35~60 mm,而设计为40 mm;分离筛总长设计为2000 mm,其倾角可调范围10°~20°,倾角通过拖拉机三点悬挂与限深轮的相对位置进行调整。

　　振动分离装置的振动源为主动振动装置，其结构为四滚子式结构，两边各独立安装于分离筛的中间位置。研究表明，马铃薯收获机主动振动装置的振幅为15～60 mml⁷,考虑本地土壤条件确定为30 mm。

　　3试验结果

　　马铃薯收获机的样机于2024年10月在山西省运城市壕村进行试验。种植模式单垄双行垄作，为验证样机性能，试验前进行杀秧处理。测得垄土在0~200mm内含水率为18~22%,土壤坚实度为0.52~0.83 MPa。动力为雷沃804型拖拉机，试验作业速度2.5~3.5 km/h。

　　试验田长度大于35m,宽度大于10m,两端稳定区大于15m,测来回2个行程，每个行程选取3个小区，每个小区长度为3m,幅宽为作业宽度。考核指标为伤薯率、破损率、损失率。

　　结果表明，在挖掘深度20~25 cm时，挖掘铲安装角度为20°,挖掘作业比较稳定，符合行业标准NY/T648—2015《马铃薯收获机质量评价技术规范》的要求。

　　4结论

　　(1)4U1F马铃薯收获机结构紧凑，设计合理。经试验能够满足600~800 mm宽单垄双行马铃薯的收获需求，其考核指标为损失率3.98%、伤薯率1.48%、破皮率1.98%,这些指标均优于国家行业标准。

　　(2)挖掘铲的设计采用了多铲型式，通过理论分析，对刃口曲线加以优化，将刃口设计成圆弧型，这样设计刃口减少了入土切土阻力，提升了顺土效果。

　　(3)助力分离装置中的分离轮在设计上要求具备较强的拨土能力，同时避免直接伤薯影响收获质量，其外形轮廓必须确保把薯块送至分离杆条，且不让薯块从助力分离装置和振动分离装置的间隙掉落。经田间试验观察，助力分离装置的碎土分离效果良好，从而增强了振动分离装置分离性能。

　　[1]刘洋，高明杰，何威明，等.世界马铃薯生产发展基本态势及特点[J].中国农学通报，2014,30(20):78-86.

　　[2]中国农业年鉴编辑委员会.中国农业年鉴：2018[M].北京：中国农业出版社，2019.

　　[3]李彦彬.手扶自走式马铃薯收获机设计与试验[D].昆明：昆明理工大学，2022.

　　[4]云南省统计局.云南统计年鉴2017[M].北京：中国统计出版社，2018.

　　[5]王海翼，张兆国，IBRAHIM,等.丘陵山区小型马铃薯收获机设计与试验[J].浙江农业学报，2021,33(4):724-738.

　　[6]顾耀权，贾洪雷，郭慧，等.农业机械学报[J].2013,44(2):38-42.

　　[7]吕金庆，孙贺，兑瀚，等.黏重土壤下马铃薯挖掘机分离输送装置改进设计与试验[J].农业机械学报，2017,48(11):146-155.