马铃薯收获机械的研究现状及其存在的问题

马铃薯收获机械的研究现状及其存在的问题

摘要:马铃薯在一些国家是主要的粮食作物,在我国也广泛种植,但是由于马铃薯果实生长在地下,因此给收获带来一定难度,人工收获不仅效率低,劳动强度大,而且成本也高。本文阐述了国内马铃薯收获机械的研究现状和存在的问题,并憧憬了未来马铃薯收获机的发展。

关键词:马铃薯收获机械挖掘铲明薯率

马铃薯是世界上仅次于小麦、水稻、玉米的第四大粮食作物,原产于南美的安第斯山脉,目前已广泛种植于世界各地,我国是世界第一大马铃薯生产消费大国,在马铃薯产业发展中,机械装备特别是收获机械发挥着重要的作用,马铃薯收获机械的研制与推广,有力地推动马铃薯产业全面可持续发展,对确保粮食安全、促进农民增收、振兴农村区域经济具有重要的战略意义。[1]而当前马铃薯收获劳动强度大、难度高,机械化收获水平不足20%,远低于国际70%的水平。而人工收获作业会造成马铃薯单产水平低、产品质量差等问题,国内迫切需求价格合理、可靠性高的马铃薯收获机,满足日益发展的马铃薯产业需求。[1]

甘肃农业大学的李辉设计了一种小型分离轮式马铃薯挖掘机。[2]李辉首先调研了我国马铃薯的种植模式,我国马铃薯种植模式是小行距平作与大行距垄作的形式共存,平作行距在40～55 cm之间,垄作在60～90 cm之间。我国多数地区采用单行或双行高垄栽培的模式,一般

垄高10～15 cm,垄距l00 cm左右,并且明确了马铃薯的收获要求,包括：挖掘深度、伤署率等,确定了设计的总体方案。根据马铃薯收获机的主要参数、马铃薯的生产情况和收获要求,设计关键部件,包括：挖掘铲、分离器、机架和传动装置。挖掘铲的设计参数主要是铲长、铲宽、栅条间距和入土角,分离器主要是确定分离指杆的长度及个数和分离轮的转速,传动部分链轮、齿轮的设计计算。最后进行田间实验,并进行分析,实验表明该机对马铃薯的损伤率大,不能达到农业要求,平均损伤为6.53%。[2]虽然实验验证该机器由于对马铃薯的损伤率大而不能作为马铃薯收获机械,但是李辉的设计方法和设计思想值得我们借鉴,可以基于这种研究方法而改进创新。造成马铃薯损伤率较大的原因可能有以下两点原因:（1）挖掘铲的入土角太大,导致挖掘铲对土壤及薯块的作用力较大,从而伤薯。（2)分离器线速度太快,导致马铃薯在运送到薯箱的过程中上下振动颠簸“受伤”。

内蒙古农业大学的顾丽霞对4SW-170型马铃薯挖掘机摆动筛分离过程的仿真研究,通过对马铃薯挖掘机摆动蹄分离过程的仿真分析,在现有的马铃薯收获机研究基础上,引进新型的设计方法,在改进设计过程中能够缩短生产周期,提高效率,减轻劳动强度。顾丽霞分析了摆动筛的结构和分离过程,并对物料在摆动筛上的运动进行了理论分析,同时对摆动筛和不规则的马铃薯的三维实体建模,进而利用ANSYS 对马铃薯模型进行有限元分析。顾丽霞还建立了设计的样机的模型,进行仿真实验。通过仿真分析,明确了摆动筛在空载状态下的运动规律,并得到马铃薯在筛分过程中的运动规律,且当筛面倾角一定时,马

铃薯之间的碰撞在一定程度上促使了马铃薯与土壤的分离。[3] 甘肃农业大学工学院石林榕等研制与试验了一种圆盘栅式马铃薯挖掘机,这种样机主要是针对国内马铃薯收获机械在收获过程中存在的薯块土壤分离不完全、易于堵塞、振动大和功耗过大等问题。研制设计的一个难点是要很好地让薯土分离且要减少马铃薯的损伤率。圆盘栅分离装置由轴孔、栅架、加固环、旋薯栅组成。挖掘作业期间土薯崛起物以速度一定速度将导薯条抛起,特征尺寸小于杆条间隙的土块会掉到地上,这样薯土就分离了。其他薯土和茎叶等随圆盘栅逆时针输送向上,在离心力和重力的作用下薯土块会在栅面半径方向依质量小大依次分布,同时薯土在向上输送的过程中与圆盘栅栏不断滚动错位,大量土壤会在这个过程中掉落,形成第二次土薯分离。[4]基于避免机前壅土、减少伤薯率和提高明薯率这样的设计要求,根据拖拉机的行驶速度和各地马铃薯的生长情况和规模,得到圆盘栅旋转角速度。田间试验表面挖掘机工作过程中,薯块分离良好,且明薯率高,伤薯率低,各个环节都没有发生堵塞现象。石林榕等还把圆盘栅式与拨指轮式马铃薯挖掘机进行试验比较,结果表明圆盘栅式马铃薯挖掘机较拨指轮式马铃薯挖掘机明薯率高1.5%、伤薯率低0.3%。[4] 中国农业大学工学院的刘宝等设计了MZPH-820型单行马铃薯收获机,首先针对该收获机的主要部件进行了设计,包括挖掘铲及其角度调节机构,然后确定了挖掘铲及悬臂板结构参数,同时还分析了减阻及防堵的机理,为后续设计打下基础。刘宝等还设计了导向限深装置

及支撑行走轮。导向限深轮的作用是设置并稳定挖掘深度,合理控制土壤掘起量,避免挖掘铲切伤薯块,通过镇压作用使垄内土壤及部分土块产生松碎、错动。限深轮的深度是通过调节装置上的螺母来调节的。杆条链式抖动升运装置的主要原理是通过抖动轮的抖动作用使土块分离破碎,从而使小于杆条间隙的土块掉落到地上,但是抖动也会增加马铃薯的受伤率。[5]

我国各地马铃薯种植的农艺要求不一样,因此很难研制一种标准规格的马铃薯收获机,这也是目前国内市场上各种规格的收获机都有的原因。农田的环境都比较恶劣,马铃薯收获机在这样的条件下工作,零部件易损坏。因此应增强收获机械的结构,提高其性能,以延长其使用寿命,减少维护费用。我们还需要加强对收获机关键部件的基础性能研究,包括:挖掘铲进入土层时的受力分析、马铃薯收到挖掘铲和土壤共同作用力的结果,降低马铃薯所受的力是减小其受损率的一个重要方法,这样有利于改善机器的结构,提高其工作性能。马铃薯收获机在不久的未来一定会更快、更健全地发展,希望一些性价比高的收获机能走入寻常老百姓家,给广大群众带来福利。

参考文献

[1] 邵世禄,万芳新,魏宏安,等.我国马铃薯收获机械研制与发展的研究[J].中国农机化,2010(3):35-39.

[2] 李辉.小型分离轮式马铃薯挖掘机的设计[D].甘肃:甘肃农

业大学,2010.

[3] 顾丽霞.4SW-170型马铃薯挖掘机摆动筛分离过程的仿真研究[D].内蒙古:内蒙古农业大学,2012.

[4] 石林榕,吴建民,赵武云,等.圆盘栅式马铃薯掘机的研制与试验[J].农业工程学报,2012,28(24):15-21.

[5] 刘宝,张东兴,李晶.MZPH-820型单行马铃薯收获机设计[J].农业机械学报,2009,40(5):82-85.