4UJ-1400马铃薯捡拾机的研制
杨金砖 李国民 刘兴博 陈维刚
摘?要：挖掘放铺后的马铃薯虽然大部分裸露在田间地表，但依然存在与土块、薯秧等不分层次的混杂现象，在土壤黏重地区甚至会有一半又重埋进土壤里，即使人工捡拾往往也要动用耙类工具辅助分离，如果操作不当又会伤薯，费工费力。因此，急需一款马铃薯捡拾机代替人工完成捡拾、分离和装袋（装车），从而提高工作效率，节省劳动力。4UJ-1400马铃薯拣拾机是在马铃薯挖掘机将马铃薯挖掘条铺后，进行集中捡拾、除杂、装袋作业。具有捡拾率高、作业速度快、结构紧凑、重量轻、动力消耗小、不伤薯等特点。该机带有强制推送装置，能将马铃薯进行大角度提升，除土效果好，还带有除杂草功能。机具两侧带有踏板，便于人工分拣、除杂操作。
关键词：捡拾;分离;除杂;装袋
中图分类号：S225文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.02.001
0?引言
目前，我国马铃薯主产区广泛采用机械挖掘、人工捡拾、分级装袋（装运上车）的分段收获模式，主要因为收获过程中普遍存在薯土分离、薯秧分离、薯杂分离、薯薯分级难的现实问题，简化了收获机械结构，加快了半机械化（挖掘放铺）作业方式的推广。然而，随着人工成本的大幅上升以及农忙时节劳动力严重短缺等问题越发突出，广大种植户迫切需要机械化解决挖掘后的人工捡拾装袋装车等问题。为此，我们通过对捡拾、分离、装袋（装车）等关键部件的创新设计及试验研究，确定了可适应不同地区、不同土壤条件、不同品种以及不同种植模式的新型零部件，开发出适合规模化种植要求且能与现有大多数挖掘机配套的马铃薯捡拾机，解决了马铃薯收获过程中以机械代替人工捡拾的关键性技术难题。
1?整体方案的设计
马铃薯捡拾机要完成的工作内容有三条，即捡拾、分离和装袋（装车），其关键技术在于捡拾和分离。课题组在进行了大量调研后结合自身多年从事马铃薯机械研发的经验确定了小角度捡拾铲与大角度运输链配合的捡拾运输关键技术的总体方案，主要包括挖掘铲、一二级输送链、夹持链、除秧机构、分拣平台、装袋系统等部分。
2?4UJ-1400马铃薯捡拾机的主要技术参数
作业宽度：1400 mm;
配套动力：≥70 hp;
外形尺寸（长×宽×高）：3300 mm×1750 mm×1900 mm;
作业速度：2～3 km/h;
挂接方式：三点悬挂式;
整机重量：1080 kg。
3?马铃薯捡拾机关键部件的设计
3.1?捡拾挖掘铲的设计
捡拾挖掘铲是马铃薯捡拾机的重要部件，可以说是该机成败重中之重，在以往的设计中（该种机型在市场上尚无成熟产品批量推广，多数仍处在实验开发阶段）人们通常将马铃薯挖掘机的挖掘铲直接拿来使用，其结果往往是捡拾效果不理想，导致机具研发处于停滞状态。主要原因在于马铃薯挖掘机的挖掘铲入土角度比较大，一般为22°～30°左右。这么大角度的铲在入土较深时即马铃薯挖掘作业时，埋藏在土壤中的马铃薯会被土壤裹住随土壤一起向铲后方滑动，落到运输链上实现挖掘作业。而马铃薯捡拾机作业时马铃薯是铺放在地表上，如再用大角度挖掘铲捡拾，马铃薯不会随土壤向后运动而是在重力作用下向铲前方滚动，当向铲前方滚动的马铃薯越积越多时就开始向机具作业幅宽之外滚动，造成漏捡拾。为解决此难题，课题组在进行大量实验及计算机仿真模拟后掌握了相关数据，设计了小角度带栅格捡拾挖掘铲配合切秧圆盘的技术路线，并实验取得成功，解决了该技术难题。
3.2?输送除杂装置的设计
马铃薯捡拾机作业时的上土量要远小于马铃薯挖掘机的作业，因而在输送链和抖动装置的设计上均应有所不同，不需要也没必要设计多级运输链和多级抖动装置，应尽量减短整机长度，尽量简化整机结构。因为个人认为如果捡拾机整机的规模大小和复杂程度远超挖掘机的话就有點得不偿失了，那就莫不如在挖掘机上增加装置搞联合收获来的经济实惠，毕竟分段收获要用两台机具，这就给用户增加了很多人力和财力的负担。因而就捡拾机来讲应尽可能的通过简化整机结构缩小配套动力来降低整机价格和使用成本。简化整机结构不是说捡拾机的技术含量低，恰恰相反，捡拾机若要达到理想状态的捡拾效果，其技术难度要远高于挖掘机。
为实现结构紧凑，快速除土除杂的目标，我们设计了大角度运输链与柔性夹持链相结合的输送装置。工作时运输链与夹持链相对转动，夹持链上的柔性橡胶板将马铃薯拨靠到运输链上，随运输链与夹持链一起向上运动，直至越过终点的除秧装置后落到二级输送链即分拣平台上。因运输链与水平夹角大，物料的提升速度快，高度高，再加上链条缝隙大，夹持链柔性橡胶板的缺口设计等因素共同作用使杂物达到快速去除的效果。尤其细碎土壤几乎可全部去除，只剩余一些大土块和较长的薯秧杂草等。
我们创新设计了夹持链的特殊结构，即上端通过链轮和链轮轴来定位，下端不定位，在重力作用下自由贴合在运输链上，通过夹持链张紧弹簧来控制贴合紧度，达到理想的贴合位置，便于输送马铃薯。同时，设计了夹持链及运输链的张紧机构，工作时视情况调整其松紧度，使其能够达到最佳工作状态。
接下来是除秧除杂机构的设计。马铃薯在即将脱离运输链和夹持链时，其杂质只剩下大的土块和较长的薯秧及杂草，为此设计梳理齿和夹持辊结合的除秧机构。其工作原理是当薯秧等杂质运动到输送链末端时，在梳理齿的压迫下紧贴输送链做圆周运动至夹持辊。在夹持辊与输送链的相对转动作用下被夹出排掉。为实现梳理齿压紧度及夹持辊与输送链的间隙可调，分别设计了弹簧调节机构，可按实际作业的杂草情况调整各弹簧的松紧度，以便达到完美的作业效果。
3.3?分选平台的设计
通过除秧后的马铃薯及其杂质一同落到水平分拣输送链上进行人工分拣，此时的杂质基本上只剩下大的土块和石头等，非常便于人工挑拣。工作人员挑出的杂质放在隔离挡板一侧，随输送链运动至末端后落入除杂通道内，滑落分离，至此除杂过程全部结束。该分拣平台双侧最多可容纳4人同时作业，一般情况2人即可。
3.4?薯袋托盘的设计
经分拣后的马铃薯落入薯袋，完成装袋作业。薯袋放在薯袋托盘上，薯袋托盘的外形结构比较简单，其关键技术在于托盘高度要随着薯袋内马铃薯的多少及时的调节。目的是保持马铃薯降落的高度始终保持在一个合理的范围，才能避免因降落高度过大导致马铃薯碰撞损伤，经课题组多年实验及经验总结一般品种的马铃薯自由降落高度在小于30 cm时即可免伤。为此设计了液压缸升降机构来解决此难题。其工作原理是拖拉机液压输出至液压缸，液压缸伸出位移变大，通过机械结构联动将托盘升至最高。此后，随着薯袋内的马铃薯逐渐增多，分拣人员按压手动释放阀使液压缸缓慢泄压，无级调节液压缸长度，使托盘高度能按需随时下降，从而达到理想的工作状态。
4?田间实验及存在的问题
4.1?实验结果
经过一个多月的田间捡拾收获作业表明：4UJ-1400马铃薯拣拾机作业效果良好，与人工捡拾相比确实提高了生产效率，减少了劳动强度，达到预期效果，基本能满足马铃薯捡拾作业。
4.2?存在的问题
由于无成熟机型借鉴，该机在使用过程中也发现了一定问题。如：用户得增加一台拖拉机与该机配套使用，还得配备一台叉车用于装卸袋装马铃薯，再加上捡拾机本身，无形中给用户增加一些额外负担。同时整个过程要配备4～5人才能完成作业，再加上作业速度相对较低等因素，综合考虑其总成本并没有大幅降低。因此，该机并未达到理想的完美状态，还需继续努力研发改进。
课题组在总结了经验后一致认为：今后在捡拾机的研发上，不但要在提高作业速度上下功夫，还要向捡拾后直接上车的方案方向发展，只有尽量减少中间环节、减少劳动力，才能大幅提高生产效率。
5?结论
4UJ-1400马铃薯拣拾机，是基于当前马铃薯收获后需要投入大量劳动力去捡拾马铃薯，并且在捡拾过程中部分马铃薯被浮土掩埋无法捡拾干净而研发的一款实用性机械。该机一次作业便能完成挖掘放铺后的马铃薯撿拾、除杂、装袋等作业。该机具的成功研发对提高生产效率、降低劳动强度、减少收获损失、增加农民收入，乃至于对发展马铃薯产业、保障粮食安全都具有重要意义。另外，从技术创新的角度考虑，在国内外没有成熟机型可做借鉴的情况下，为解决生产亟需且填补技术空白而进行的这一大胆探索，也是科研单位应该走的自力更生、艰苦努力的原创之路，其攻坚克难的精神意义重大。
参考文献：
[1] 吕金庆，田忠恩，杨颖，等.马铃薯机械发展现状、存在的问题及发展趋[J].农机化研究，2015（12）：260-263.
[2] 李智勇，蒙贺伟，李亚萍.马铃薯收获机械研究现状及存在问题[J].新疆农机化，2016（2）：19-22.
[3] 杨德秋，贾晶霞，越文峰，等.高度自控式马铃薯联合收获机升运装车装置[J].农机化研究，2011（9）：96-99.
[4] 金钟玉，陈长海，毕春辉，等.黑龙江马铃薯种植全程机械化技术初探[J].农机使用与维修，2014（2）：80-81.
摘?要：挖掘放铺后的马铃薯虽然大部分裸露在田间地表，但依然存在与土块、薯秧等不分层次的混杂现象，在土壤黏重地区甚至会有一半又重埋进土壤里，即使人工捡拾往往也要动用耙类工具辅助分离，如果操作不当又会伤薯，费工费力。因此，急需一款马铃薯捡拾机代替人工完成捡拾、分离和装袋（装车），从而提高工作效率，节省劳动力。4UJ-1400马铃薯拣拾机是在马铃薯挖掘机将马铃薯挖掘条铺后，进行集中捡拾、除杂、装袋作业。具有捡拾率高、作业速度快、结构紧凑、重量轻、动力消耗小、不伤薯等特点。该机带有强制推送装置，能将马铃薯进行大角度提升，除土效果好，还带有除杂草功能。机具两侧带有踏板，便于人工分拣、除杂操作。
关键词：捡拾;分离;除杂;装袋
中图分类号：S225文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.02.001
0?引言
目前，我国马铃薯主产区广泛采用机械挖掘、人工捡拾、分级装袋（装运上车）的分段收获模式，主要因为收获过程中普遍存在薯土分离、薯秧分离、薯杂分离、薯薯分级难的现实问题，简化了收获机械结构，加快了半机械化（挖掘放铺）作业方式的推广。然而，随着人工成本的大幅上升以及农忙时节劳动力严重短缺等问题越发突出，广大种植户迫切需要机械化解决挖掘后的人工捡拾装袋装车等问题。为此，我们通过对捡拾、分离、装袋（装车）等关键部件的创新设计及试验研究，确定了可适应不同地区、不同土壤条件、不同品种以及不同种植模式的新型零部件，开发出适合规模化种植要求且能与现有大多数挖掘机配套的马铃薯捡拾机，解决了马铃薯收获过程中以机械代替人工捡拾的关键性技术难题。
1?整体方案的设计
马铃薯捡拾机要完成的工作内容有三条，即捡拾、分离和装袋（装车），其关键技术在于捡拾和分离。课题组在进行了大量调研后结合自身多年从事马铃薯机械研发的经验确定了小角度捡拾铲与大角度运输链配合的捡拾运输关键技术的总体方案，主要包括挖掘铲、一二级输送链、夹持链、除秧机构、分拣平台、装袋系统等部分。
2?4UJ-1400马铃薯捡拾机的主要技术参数
作业宽度：1400 mm;
配套动力：≥70 hp;
外形尺寸（长×宽×高）：3300 mm×1750 mm×1900 mm;
作业速度：2～3 km/h;
挂接方式：三点悬挂式;
整机重量：1080 kg。
3?马铃薯捡拾机关键部件的设计
3.1?捡拾挖掘铲的设计
捡拾挖掘铲是马铃薯捡拾机的重要部件，可以说是该机成败重中之重，在以往的设计中（该种机型在市场上尚无成熟产品批量推广，多数仍处在实验开发阶段）人们通常将马铃薯挖掘机的挖掘铲直接拿来使用，其结果往往是捡拾效果不理想，导致机具研发处于停滞状态。主要原因在于马铃薯挖掘机的挖掘铲入土角度比较大，一般为22°～30°左右。这么大角度的铲在入土较深时即马铃薯挖掘作业时，埋藏在土壤中的马铃薯会被土壤裹住随土壤一起向铲后方滑动，落到运输链上实现挖掘作业。而马铃薯捡拾机作业时马铃薯是铺放在地表上，如再用大角度挖掘铲捡拾，马铃薯不会随土壤向后运动而是在重力作用下向铲前方滚动，当向铲前方滚动的马铃薯越积越多时就开始向机具作业幅宽之外滚动，造成漏捡拾。为解决此难题，课题组在进行大量实验及计算机仿真模拟后掌握了相关数据，设计了小角度带栅格捡拾挖掘铲配合切秧圆盘的技术路线，并实验取得成功，解决了该技术难题。
3.2?输送除杂装置的设计
马铃薯捡拾机作业时的上土量要远小于马铃薯挖掘机的作业，因而在输送链和抖动装置的设计上均应有所不同，不需要也没必要设计多级运输链和多级抖动装置，应尽量减短整机长度，尽量简化整机结构。因为个人认为如果捡拾机整机的规模大小和复杂程度远超挖掘机的话就有點得不偿失了，那就莫不如在挖掘机上增加装置搞联合收获来的经济实惠，毕竟分段收获要用两台机具，这就给用户增加了很多人力和财力的负担。因而就捡拾机来讲应尽可能的通过简化整机结构缩小配套动力来降低整机价格和使用成本。简化整机结构不是说捡拾机的技术含量低，恰恰相反，捡拾机若要达到理想状态的捡拾效果，其技术难度要远高于挖掘机。
为实现结构紧凑，快速除土除杂的目标，我们设计了大角度运输链与柔性夹持链相结合的输送装置。工作时运输链与夹持链相对转动，夹持链上的柔性橡胶板将马铃薯拨靠到运输链上，随运输链与夹持链一起向上运动，直至越过终点的除秧装置后落到二级输送链即分拣平台上。因运输链与水平夹角大，物料的提升速度快，高度高，再加上链条缝隙大，夹持链柔性橡胶板的缺口设计等因素共同作用使杂物达到快速去除的效果。尤其细碎土壤几乎可全部去除，只剩余一些大土块和较长的薯秧杂草等。
我们创新设计了夹持链的特殊结构，即上端通过链轮和链轮轴来定位，下端不定位，在重力作用下自由贴合在运输链上，通过夹持链张紧弹簧来控制贴合紧度，达到理想的贴合位置，便于输送马铃薯。同时，设计了夹持链及运输链的张紧机构，工作时视情况调整其松紧度，使其能够达到最佳工作状态。
接下来是除秧除杂机构的设计。马铃薯在即将脱离运输链和夹持链时，其杂质只剩下大的土块和较长的薯秧及杂草，为此设计梳理齿和夹持辊结合的除秧机构。其工作原理是当薯秧等杂质运动到输送链末端时，在梳理齿的压迫下紧贴输送链做圆周运动至夹持辊。在夹持辊与输送链的相对转动作用下被夹出排掉。为实现梳理齿压紧度及夹持辊与输送链的间隙可调，分别设计了弹簧调节机构，可按实际作业的杂草情况调整各弹簧的松紧度，以便达到完美的作业效果。
3.3?分选平台的设计
通过除秧后的马铃薯及其杂质一同落到水平分拣输送链上进行人工分拣，此时的杂质基本上只剩下大的土块和石头等，非常便于人工挑拣。工作人员挑出的杂质放在隔离挡板一侧，随输送链运动至末端后落入除杂通道内，滑落分离，至此除杂过程全部结束。该分拣平台双侧最多可容纳4人同时作业，一般情况2人即可。
3.4?薯袋托盘的设计
经分拣后的马铃薯落入薯袋，完成装袋作业。薯袋放在薯袋托盘上，薯袋托盘的外形结构比较简单，其关键技术在于托盘高度要随着薯袋内马铃薯的多少及时的调节。目的是保持马铃薯降落的高度始终保持在一个合理的范围，才能避免因降落高度过大导致马铃薯碰撞损伤，经课题组多年实验及经验总结一般品种的马铃薯自由降落高度在小于30 cm时即可免伤。为此设计了液压缸升降机构来解决此难题。其工作原理是拖拉机液压输出至液压缸，液压缸伸出位移变大，通过机械结构联动将托盘升至最高。此后，随着薯袋内的马铃薯逐渐增多，分拣人员按压手动释放阀使液压缸缓慢泄压，无级调节液压缸长度，使托盘高度能按需随时下降，从而达到理想的工作状态。
4?田间实验及存在的问题
4.1?实验结果
经过一个多月的田间捡拾收获作业表明：4UJ-1400马铃薯拣拾机作业效果良好，与人工捡拾相比确实提高了生产效率，减少了劳动强度，达到预期效果，基本能满足马铃薯捡拾作业。
4.2?存在的问题
由于无成熟机型借鉴，该机在使用过程中也发现了一定问题。如：用户得增加一台拖拉机与该机配套使用，还得配备一台叉车用于装卸袋装马铃薯，再加上捡拾机本身，无形中给用户增加一些额外负担。同时整个过程要配备4～5人才能完成作业，再加上作业速度相对较低等因素，综合考虑其总成本并没有大幅降低。因此，该机并未达到理想的完美状态，还需继续努力研发改进。
课题组在总结了经验后一致认为：今后在捡拾机的研发上，不但要在提高作业速度上下功夫，还要向捡拾后直接上车的方案方向发展，只有尽量减少中间环节、减少劳动力，才能大幅提高生产效率。
5?结论
4UJ-1400马铃薯拣拾机，是基于当前马铃薯收获后需要投入大量劳动力去捡拾马铃薯，并且在捡拾过程中部分马铃薯被浮土掩埋无法捡拾干净而研发的一款实用性机械。该机一次作业便能完成挖掘放铺后的马铃薯撿拾、除杂、装袋等作业。该机具的成功研发对提高生产效率、降低劳动强度、减少收获损失、增加农民收入，乃至于对发展马铃薯产业、保障粮食安全都具有重要意义。另外，从技术创新的角度考虑，在国内外没有成熟机型可做借鉴的情况下，为解决生产亟需且填补技术空白而进行的这一大胆探索，也是科研单位应该走的自力更生、艰苦努力的原创之路，其攻坚克难的精神意义重大。
参考文献：
[1] 吕金庆，田忠恩，杨颖，等.马铃薯机械发展现状、存在的问题及发展趋[J].农机化研究，2015（12）：260-263.
[2] 李智勇，蒙贺伟，李亚萍.马铃薯收获机械研究现状及存在问题[J].新疆农机化，2016（2）：19-22.
[3] 杨德秋，贾晶霞，越文峰，等.高度自控式马铃薯联合收获机升运装车装置[J].农机化研究，2011（9）：96-99.
[4] 金钟玉，陈长海，毕春辉，等.黑龙江马铃薯种植全程机械化技术初探[J].农机使用与维修，2014（2）：80-81.
