1 前言
1.1 研究背景与意义
甘薯是一年生或多年生蔓生草本，又名山芋、番薯、红薯、地瓜、红笤等，因地区不同而有称谓差异（胡良龙，2012）。甘薯可作为粮食作物、工业原料、能源原料，是全球种植非常广泛的一种作物，是经济落后地区的重要经济来源，产业地位重大（BaritelleA，2000）。
亚洲对于甘薯的栽培面积最多，其次是非洲，美洲居第三。中国的甘薯种植面积和产量居世界首位，常年种植面积 666.7 万 hm2，约占全世界种植面积的 60%；总产量约1.1 亿 t，约为世界总产量的 85%（李祎明，2008）。我国是生产甘薯的大国，但并非强国。目前我国大部分种植甘薯的地方，还是采用人工收获甘薯，通过人工完成割蔓、挖掘、清选、捡拾和收集等工序，这就面临劳动力强度大且工作效率低下的问题。在今天，随着农业机械化及其自动化的发展，甘薯的收获不断的在向机械化的方向发展。
甘薯是劳动密集型土下作物，其产业机械主要包括耕整、起垄、移栽、田间管理（灌溉、植保机械等）、收获等作业机具，耕整和田间管理等机械在大部分产业都比较类似，而其它环节需要使用甘薯特定的作业机具（胡良龙，2012）。国外的甘薯收获机械化技术已经趋于成熟，美国、加拿大、日本等国家的甘薯收获机械化与甘薯产业的农艺特点融合度比较高，已经可以实现甘薯的机械联合收获。自上世纪三四十年代起，国外甘薯机械化技术就已经起步，目前起垄机械、移栽机械、秧蔓处理机械和收获机械等一系列机具产品技术已经比较成熟，作业效率大幅提升，大大缩减了人力劳动成本。相比国内，我国在甘薯产业机械化方向上仍然处于初步阶段。近年来，国内很多科研单位一直在进行甘薯收获机械的研发，在我国现有的技术水平中，现有的甘薯收获机大多更偏向于牵引式甘薯收获机械，这种收获方式需要人工进行二次的甘薯清选捡拾工作，依然存在劳动成本比较高的问题。因此，自走式甘薯联合收获机才是甘薯产业发展的未来。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外甘薯收获机的研究现状
国内外甘薯收获机都经历了从结构简单到复杂的转变，国外的甘薯收获机主要经历了挖掘犁—简易挖掘铲—小型挖掘机—分段收获机—联合收获机五个发展历程（张子瑞，2015）。目前国外甘薯机械化主要采用分段收获和联合收获两种方式：分段收获是指先使用秧蔓处理机械处理秧蔓，然后再使用挖掘机具进行挖掘甘薯，最后经过人工进行捡拾清选、收集装箱等作业完成甘薯收获环节。联合收获是指采用多种机具同时完成秧蔓处理、挖掘、输送分离、清选、集薯等作业。联合收获又可以分为两种形式，一种是采用专门的秧蔓处理机械进行清蔓处理后，再用甘薯收获机械进行甘薯的挖掘收获；另一种是采用一种机具直接完成秧蔓处理和甘薯的挖掘收获（王冰，2018）。
目前，甘薯联合收获机主要有牵引式和自走式甘薯联合收获机，两种类型在经济性，适应性，性能对比和工作效率上各有优缺点。牵引式甘薯联合收获机主要用于大规模甘薯种植基地收获时使用，其机动性比较差，转弯半径大，驾驶难度高；机型较大，结构复杂，不需要配套自驱动力，成本较高；适应性强，可适应单行，双行甚至多行同时作业的情况；可以实现多垄作业，作业效率比较高。自走式甘薯联合收获机主要适合小规模作业，比较符合我国的甘薯种植模式，其驾驶操作方便，机动性强；机型较小，需要配套动力，结构复杂，成本高；大多只能进行单行作业，适应性差，工作效率慢；行进速度比较慢，但可以适当降低甘薯损伤。另外，按甘薯清选方式可以分为人工清选台和自动清选两种类型，按集薯方式可以分为集薯箱式和运输车两种形式（王冰，2018）。
欧美地区和英国地区甘薯的种植已经实现产业化大规模种植，主要采用大型牵引式甘薯联合收获机，典型的有美国 Lockwood 公司生产的甘薯收获机，主要有箱式甘薯收获机和直接装载式甘薯收获机（Chesson J，1971）。集合了液压与气动、电控、机械化技术为一体，可以一次性实现秧蔓处理，薯土挖掘，清选集箱，薯土分离输送等环节，工作效率非常高，而且在降低甘薯块茎损伤方面有着独特之处，但机型庞大，结构复杂，成本比较昂贵。该机型配套 186.5kw 动力，整机质量可达 11t，机具行进速度在 3.2-8.0km/h之间。
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2 输送分离方案设计及甘薯的力学性能测定
2.1 输送分离装置总体方案确定及工作原理
2.1.1 输送分离装置设计及工作原理
甘薯机械化收获可分为：分段收获和联合收获（胡志超，2018）。分段收获是指在甘薯收获前，先用专门的甘薯秧蔓处理机械将秧蔓处理干净，然后再用甘薯收获机械将甘薯挖掘出来，最后通过人工清选、捡拾、装袋完成收获作业。联合收获方式是指采用一种或多种机具完成秧蔓处理、薯土挖掘、杂质清选、分拣装箱等作业过程。可分为两段式收获和一段式收获：两段式联合收获是指先采用秧蔓处理机具进行除蔓，再用甘薯联合收获机收获；一段式甘薯联合收获是指用同时带有秧蔓处理装置的甘薯联合收获机一次性完成秧蔓处理和甘薯的挖掘收获。本文选用两段式甘薯联合收获的方式，设计了自走式甘薯联合收获机的振动输送分离装置，采用升运链和水平链两段式输送分离的结构，主要包括链轮、杆条升运链、档杆及振动装置组成。
综合甘薯收获的前期大量经验，以及甘薯地的种植农艺特点，设计两段式链杆输送分离装置如图 2-1 所示：
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2.2 甘薯基本物理特性的测定
甘薯机械收获过程中，块茎受到挤压、振动、碰撞冲击等作用，这些载荷与甘薯块茎基本物理特性参数息息相关（于恩中，2007），根据甘薯与不同材料之间的碰撞恢复系数，合理的选择分离输送装置的材料。甘薯块茎的摩擦系数为研究其在升运链或振动筛上运动情况的必要数据。甘薯块茎基本物理参数不仅对甘薯块茎在机械收获运动规律研究至关重要，同时也是收获、分级、清选等相关机械结构参数设计优化与性能分析的原始数据和重要参数（于建群，2005）。
因此，对于甘薯块茎的深入了解，有助于更确切的理解其各种力学特性和机械损伤。本节主要研究了甘薯的基本物理特性，包括甘薯果肉的力学性能、薯皮的力学性能、甘薯的密度、甘薯与钢的静摩擦系数、动摩擦系数、碰撞恢复系数等参数，为甘薯收获机的部件的材料选择，结构设计提供了基本的理论参数和依据。
2.2.1 甘薯的几何尺寸统计
甘薯块茎的几何尺寸对甘薯收获过程的研究有着重要的作用，甘薯的几何尺寸影响了薯土混合物的输送分离过程，试验材料品种为烟薯 25 号。
农作物收获过程中，农作物本身的基本力学参数极其重要，直接决定了农作物的收获输送方式。甘薯的基本力学性能参数在研究甘薯碰撞损伤规律的过程中至关重要，同时为离散单元法建立模型时提供了颗粒关键参数。
一般农业物料的基本力学性能参数测定都是通过电子万能试验机进行测得，本文章采用 wdw-5e 型微机控制电子万能试验机进行薯块压缩试验，采用岛津 EZ-SX500N 单柱式质构仪进行薯皮穿刺试验，采用上海第二五金厂 202-2 型号电热干燥箱进行甘薯的含水率测定。
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3 基于 EDEM 的甘薯碰撞损伤规律的研究............................... 36
3.1 EDEM 离散元仿真的设计........................................ 36
3.1.1 离散单元法及 EDEM 软件介绍..................................... 36
3.1.2 输送链几何模型建立............................................37
4 薯土比例变化对甘薯碰撞规律的影响......................... 56
4.1 基于 EDEM 的不同薯土比例的仿真试验设计......................... 57
4.1.1 输送装置模型设计..............................57
4.1.2 薯土比例变化对甘薯碰撞规律的影响..........................................57
5 输送装置参数对甘薯碰撞规律的影响及过渡段甘薯的跌落规律..................... 62
5.1 升运链链速与倾角交互作用对薯土输送效果的影响..............................63
5.2 水平链振幅与频率参数取值对甘薯碰撞规律的影响的影响.......................65
6 试验台设计及台架试验
6.1 试验台设计
前文确定了输送分离装置的总体方案为两段式输送分离装置，并且主要应用于自走式甘薯联合收获机，根据对甘薯块茎机械损伤的主要影响因素的研究，主要有振幅频率、输送速度、升运链倾角、薯土比例、跌落高度和进料速度。基于这些影响因素，设计了甘薯块茎机械损伤试验台，试验台三维模型如图所示：
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7 结论与建议
7.1 结论
本文针对甘薯收获机械现状所存在的技术水平落后和甘薯机械损伤的两个问题，提出了基于甘薯联合收获机的两段式输送分离装置；并在离散元仿真的基础上研究了甘薯块茎的损伤规律；为了进一步降低薯块收获过程中的伤薯率并同时保证收获质量，采用理论分析、仿真试验和台架试验的方式，以伤薯率和分离效率两个评价指标，进行了工作参数优化。通过研究，得出的主要结论如下：
（1）结合国内外甘薯联合收获机的发展现状，确定了输送装置的结构设计方案为两段式输送分离装置。包括杆条—档杆配置形式、抖动器的选用并对其性能进行了分析。
（2）研究了甘薯的基本物理参数和力学性能参数，测得成熟期甘薯短轴尺寸大约有 48%集中在 60~70mm，长轴尺寸大约有 52%集中在 130~150mm 之间。甘薯块茎含水率为 79.17%，并且成熟期含水率与生长时间不呈线性相关关系。测得甘薯块茎密度为1200kg/m3，弹性模量为 3.14MPa，泊松比为 0.32，剪切模量为 1.19MPa；薯皮穿刺临界载荷的平均值为 75.15N，临界屈服应力平均值为 1.313MPa。测得甘薯—钢板的静摩擦系数为 0.446，动摩擦系数为 0.275，碰撞恢复系数为 0.76。测得土壤含水率为 21.71%，密度为 2500kg/m3，土壤类型为砂土。
（3）通过 EDEM 软件对薯土混合物的运动分离过程进行了模拟仿真，测定了土壤颗粒 JKR 接触模型关键参数表面能为 7J/m2；通过甘薯块茎在输送过程中的运动分析和碰撞理论分析，确定甘薯在输送分离过程中机械损伤的主要来源于甘薯与杆条的碰撞应力，碰撞应力主要影响因素为碰撞速度，碰撞速度影响因素为输送速度、振幅、频率、倾角和跌落高度差。
（4）通过离散元仿真试验，以甘薯块茎的最大受力和碰撞次数为评价指标，分别研究了 7.83%、30.83%、53.91%、76.95%和 100%五种薯土比例下甘薯的碰撞规律、30.83%、53.91%、76.95%三种薯土比例与 0.15m/s、0.35m/s、0.55m/s、0.75m/s 和 0.95m/s五种输送速度对甘薯碰撞的影响规律、30.83%、53.91%、76.95%三种薯土比例与 10、15、20、25、30mm 五种振动幅度对甘薯碰撞的影响规律。薯土比例越大，输送速度越快，振幅频率越高，甘薯碰撞越严重。
（5）通过离散元仿真试验，以土壤流失率、甘薯最大受力和碰撞次数为评价指标，分别研究了 0.15m/s、0.35m/s、0.55m/s、0.75m/s 四种输送速度和 20°、25°、30°、35°、40°五种升运链倾角对薯土比例变化的影响，10mm、20mm、30mm、40mm 四种振幅与 4.5Hz、6Hz、7.5Hz、9Hz 四种频率对薯土比例以及甘薯碰撞规律的影响；通过 Ansys 显示动力学模拟甘薯与杆条的碰撞过程，得到碰撞速度为 2.21m/s 时，碰撞应力达到 1.3953MPa，已达到碰撞损伤的临界应力。
参考文献（略）