引言
馬鈴薯作為一種根莖類作物，其薯塊埋于土層之下，人工收獲費時費力。目前，市場上銷售的馬鈴薯收獲機以小型機為主，能夠實現將薯塊挖掘出土的功能。近幾年，聯合馬鈴薯收獲機的研究取得了較大進展，但我國的地塊相對較小，大型聯合馬鈴薯收獲機的普及尚需時日，小型馬鈴薯收獲機將會在很長的時間里作為主力機型。采用小型馬鈴薯收獲機作業實現將馬鈴薯挖掘出土在地面平鋪，再通過人工撿拾，生產效率較低，人工撿拾工作量較大，勞動強度較高; 而且在收獲下一壟時如果前一壟沒有撿拾完畢，還容易造成對已挖掘出土馬鈴薯的碾壓。
為此，在小型馬鈴薯收獲機的基礎上進行技術改進，通過加長輸送部分，在馬鈴薯收獲機的后方設計一個臨時薯塊收集器，實現馬鈴薯挖掘出土后的定向堆放功能。由此實現馬鈴薯的連續挖掘收獲、收集薯塊間隔堆放，在很大程度上降低了人工撿拾的工作量，同時避免了拖拉機收獲后碾壓傷薯。該定向堆放裝置能起到暫時收集定向排放的作用，較大程度地提高了馬鈴薯的收獲效率，減輕收獲的勞動強度，節約了人工成本，很適合在國內進行廣泛的應用推廣。本文主要介紹定向堆放裝置的工作原理、結構和開啟方式。
1 工作原理
在小型馬鈴薯挖掘機的基礎上，通過加長輸送鏈使得機器后部有足夠的空間設計一個收集箱用來臨時收集薯塊，隨著輸送鏈的加長，使得薯土分離更徹底，明薯率更高。其總體結構圖如圖 1 所示?！緢D1.略】
這款馬鈴薯收獲機適合殺秧后收獲，如果是沙質土壤，收獲效果更好。在拖拉機的牽引下，通過挖掘鏟將薯塊挖掘出土，隨著拖拉機的前行和鏈桿輸送系統的轉動，將馬鈴薯及土塊向上傳輸。為了防止馬鈴薯往下滾落到傳輸鏈上，設計有擋塊; 為了薯土分離更徹底，傳輸鏈下面設有抖動裝置。薯塊往后傳輸落入收集箱，當收集一定的薯塊后，可以根據行程、時間、質量等因素來判斷是否將收集箱開啟，將薯塊快速地往左、往右或者后部堆放。該機器了實現連續挖掘工作及集薯箱的間歇排放，排放和收獲過程不相互干擾，且集薯箱的關閉不會產生卡死、傷薯的情況。
課題組設計了一款四分區收集箱，如圖 2 所示?！緢D2】
該集薯器中間軸部設計有棘輪機構，只能單向旋轉，擋板作為旋轉開關，中間軸的旋轉靠收集薯塊的重力來完成，不需要外力。當擋板開啟瞬間，在臨時集薯區薯塊重力的作用下，中間軸沿著逆時針旋轉，薯塊快速從下面的排薯區排出; 同時擋板恢復原位，使中間軸只能旋轉 90°后停止旋轉，下一分區開始收集薯塊。該設計能夠在不需外力的作用下實現薯塊排放和收集相對分離，在不影響收獲的同時，將收集的薯塊向一側排出，實現了機器的連續收獲和間歇定向堆放。
2 控制開啟方法的研究
定向堆放裝置的開啟方式有多種，主要從時間、行程、質量 3 個方面進行討論。
2． 1 通過時間控制定向堆放裝置的開啟
通過時間控制定向堆放裝置的原理圖如圖 3 所示。定時開啟裝置通過凸輪結構控制擋板的伸縮，來實現薯塊的收集和排放，如圖 4 所示?！緢D3.圖4略】
圖上所對應位置為臨時集薯區收集薯塊的位置。
當達到設定的時間時，凸輪下面的步進電機旋轉 1圈，然后停止，從而在收集薯塊重力的作用下，實現將收集的薯塊從排薯區排除，下一分區轉到臨時集薯區位置開始下一分區的收集。
2． 2 通過行程控制定向堆放裝置的開啟
通過地輪的行程控制堆放裝置的開啟和關閉，如圖 5 所示。其可以利用不完全齒輪或者外槽輪間歇機構\\( 見圖 6\\) 作為觸發開關，控制步進電機旋轉一圈，實現根據行程控制定向堆放裝置的開啟與關閉。
除此之外，也可以考慮采用圓柱分度凸輪機構和弧面分度凸輪機構等間歇機構。如果不采用步進電機，也可以直接通過純機械式間歇機構實現根據行程控制堆放裝置的開啟與關閉，開啟裝置的機構原理圖如圖 7 所示?！緢D5-7】
地輪通過鏈傳動將運動傳遞給一根裝有圓錐齒輪的軸，然后通過圓錐齒輪嚙合將運動傳遞給圖 7 的凸輪。圖 7\\( a\\) 所示位置為收集箱的收集狀態，在上面拉簧的作用下，擋板擋住臨時收集區底部的擋板;隨著地輪的前進，凸輪沿逆時針旋轉; 當轉到圖 7\\( b\\)所在位置，則收集箱打開，薯塊由臨時收集區經過排薯區排出，同時隨著凸輪的轉動，在彈簧的拉力下，將臨時收集區關閉，下一分區開始收集薯塊。此位置要求開啟時間要短，以免在薯塊質量的作用下使得下一分區不能正常收集薯塊。
2． 3 通過薯塊質量控制定向堆放裝置的開啟
通過薯塊質量控制定向堆放裝置的開啟與關閉有兩種思路: 一是通過配重來實現，二是通壓力傳感器來實現。前一種思路不需要電源，通過純機械機構來實現; 后一種思路需要通過單片機來實現，需要電源。由于農機工作環境比較差，應盡量使結構簡單、維修方便、選擇可靠性較高的方案。因此，設計中優先選擇配重方式來實現定向堆放裝置的開啟和關閉。
工作原理為: 配重開啟方式依據杠桿原理，當臨時集薯區的薯塊達到一定質量時，會壓繞固定軸轉動的擋板往下沿順時針轉動，擋板及配重塊繞固定軸旋轉，使裝置開啟，薯塊由臨時集薯區經排薯區排出; 同時，由于擋板右端的壓力消失，配重塊繞逆時針旋轉，擋板復位，在后續收集薯塊重力的作用下，下一分區轉到臨時集薯區開始收集薯塊，從而實現單靠薯塊質量實現四分區的單向轉動，如圖 8 所示?！緢D8】
3 3 種開啟方式性能對比
由于馬鈴薯收獲環境的復雜性，且不同地塊、不同年份等因素對馬鈴薯的單位產量存在較大影響，因此單位壟長的薯塊密度存在一定差別。因此，3 種開啟方式在可調性、可靠性、維修等方面對機器性能有著重要的影響。其性能對比如表 1 所示?！颈?】
為了能夠使定向堆放的薯塊質量相對一致，顯然通過薯塊質量控制堆放裝置的開啟方式更為合理，其分區收集薯塊質量調節方便，可靠性較高，維修相對容易，且不需要電源。
4 結論
設計了馬鈴薯收獲機的定向堆放裝置，能夠實現馬鈴薯的定向堆放功能。重點研究了四分區集薯器，并就堆放裝置的開啟方式進行了討論，對 3 種開啟方式進行了對比研究。配重開啟方式具有方便調節收集薯塊堆放質量、結構比較簡單、不需要額外電源等方面的優點，而且使得每一次排放的薯塊質量大致相同，更適合用在馬鈴薯收獲機上。
參考文獻:
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