《Journal of Agriculture and Food Research》：Design of Key Components for Integrated Fresh Sweet Potato Harvesting Based on Agricultural Machinery and Agronomy: Study on Low-Damage Conveying and Separating Mechanism
为降低鲜食甘薯机械化收获过程中的薯块损伤与表皮损伤，研究人员针对4UZ-80型轻简化鲜食甘薯联合收获机，开发了一种低损伤输送分离机构。基于农业机械化与农艺融合理念，该机构的关键结构参数依据种植模式、垄体特征及薯块特性确定。该机构整合了交替排列的直杆-凹杆提升链、被动式振动轮以及橡胶包裹的二级输送链，旨在改善土薯分离效果的同时降低冲击与磨损。采用三因素三水平Box-Behnken试验设计，对输送链速度、输送倾角及前进速度进行优化，以薯块损伤率、薯块表皮损伤率及含土率为响应指标。方差分析与响应面分析表明，输送速度和输送倾角是影响上述三个指标的主导因素。前进速度仅对薯块损伤率和含土率表现出边际影响趋势，在试验范围内对薯块表皮损伤率影响不显著。优化得到的参数组合为：输送速度0.45 m/s，输送倾角30°，前进速度0.25 m/s。在该参数设置下进行田间验证，测得薯块损伤率为0.94%，薯块表皮损伤率为0.97%，含土率为76.56%，预测值与实测值之间的相对误差均低于3%。研究结果表明，所提出的机构能有效提升低损伤收获性能，可为鲜食甘薯收获机的设计提供参考。
甘薯（Ipomoea batatas）是重要的粮食与经济作物，在全球粮食安全中扮演关键角色。其原产于南美洲，于16世纪传入中国。目前，甘薯已成为中国第五大粮食作物。甘薯用途广泛，可用作食物、工业原料和饲料，在保障粮食与能源安全方面展现出显著价值。甘薯营养丰富，具有抗癌和促进健康的特性，被视为一种前景广阔的生物能源作物。2023年，中国甘薯种植面积约为2.32×10
6公顷，占全球总量的30.68%；总产量达到5.16×10
7吨，占全球产量的55.21%，种植规模和产量均居世界首位多年。近年来，随着消费需求升级，鲜食甘薯产业快速发展。研究表明，中国甘薯品种主要分为鲜食型、淀粉型和紫色薯肉型，分别占比47.69%、45.76%和6.55%。中国约70%的甘薯作为鲜食商品薯直接销售，且鲜食市场份额持续扩大，成为产业新增长动力。由于鲜食甘薯对外观品质要求高，必须在收获过程中最大限度减少表皮损伤和机械损伤。因此，开发具有低薯块损伤和低表皮损伤率的机械化收获技术已成为鲜食甘薯产业可持续发展的迫切需求。
当前，中国甘薯收获机械化水平仍相对较低，收获仍是该作物生产链中最薄弱的环节。传统人工收获劳动强度大、效率低且成本高，降低了种植利润。尽管现有的马铃薯或通用根茎作物收获机可在一定程度上提高收获效率，但其并非专门为适应甘薯的农艺和机械特性而设计。甘薯薯块通常比普通马铃薯更大、更重、埋藏更深且空间分布更分散，这增加了机械挖掘和土薯分离的难度；例如，单个薯块重量可能超过250克，生长深度为20-28厘米，要求挖掘深度大于30厘米并需足够动力以克服土壤阻力。此外，甘薯植株长而纤维化的藤蔓容易缠绕，导致堵塞和薯块损伤，因此需要收获前或过程中的割藤与清蔓。中国传统的中小型甘薯收获机往往主要关注挖掘功能，在土薯分离和损伤率方面仍存在不足，不适合用于鲜食甘薯的低损耗收获。对于鲜食生产，薯块外观和表皮完整性直接影响其商品价值和贮藏稳定性。因此，输送分离阶段不仅需要确保有效的土壤清除，还必须减少碰撞、滚动、跌落冲击和表皮磨损。这些局限性凸显了为鲜食甘薯收获开发专用低损伤输送分离机构的必要性。
近年来，国内外在甘薯联合收获、低损伤输送和高效分离技术方面开展了大量研究和技术改进。在发达国家，甘薯收获主要使用集成联合收获机，融合了振动挖掘铲刀、液压驱动、气流分离和光电分选/分级等先进技术，实现了高效的挖掘和土薯分离。这些先进的收获机还采用传感器和自动控制系统来精确控制挖掘深度和输送机构运行。相比之下，中国的国产甘薯收获机主要是用于小地块的小型机械，作业效率和自动化程度相对较低。一些研究人员已开始解决甘薯机械收获的关键问题。例如，4UGS-2双行甘薯收获机实现了两级分离以及自动行对齐和深度控制，与传统型号相比性能显著提升。在优化条件下，甘薯露薯率提高6.23%，损伤率降低4.11%，薯块表皮损伤率降低3.11%。该机具达到露薯率97.4%、损伤率1.85%、薯块表皮损伤率1.83%，满足了商品化收获质量要求。此外，针对丘陵山区等复杂地形的甘薯收获，设计了适应性收获装置以适应不平整地面，在确保超过99%薯块顺利挖掘的同时，将薯块表皮损伤率降低至约2.15%。近年来，鲜食甘薯的低损伤收获已成为研究热点。研究人员开发了橡胶包裹的输送分离装置，并通过二次回归试验优化其参数，在沙质土壤条件下将薯块表皮损伤率降低至0.86%，收获损失率降低至0.69%，显著提高了鲜食甘薯收获质量。总体而言，现有研究表明，通过优化收获机结构和参数可以有效降低甘薯收获损伤率，但仍存在进一步改进的空间——尤其是在进一步降低损伤和增强对不同土壤条件的适应性方面。鉴于此，亟需开发针对鲜食甘薯的专用收获设备，在确保低损伤和低表皮损伤的同时，保持足够的作业效率。
本研究开发并评估了4UZ-80型轻简化鲜食甘薯联合收获机的低损伤机械化收获关键输送分离部件。与前期基于EDEM的仿真研究不同，本研究侧重于将农艺要求转化为结构参数，设计输送分离机构，利用Box-Behnken试验设计优化关键作业参数，并进行田间收获性能验证。研究结果为专用鲜食甘薯收获机的设计及提升低损耗机械化收获质量提供了技术基础。
2.1 机械化种植模式
机械化甘薯种植模式因田间规模、地形条件、垄体配置和移栽排列方式而异。典型模式包括单垄单行移栽、大垄双行移栽、宽垄单行带双行移栽、双垄单行移栽、两行起垄双垄移栽和三行起垄两垄移栽。这些种植模式决定了垄距、垄高、垄宽、行排列、株距以及薯块空间分布等关键农艺参数。因此，它们直接影响收获机作业宽度、挖掘深度、进料路径和输送分离布局的选择。本研究中，当地鲜食甘薯生产模式以机械起垄和单垄收获为特点，这为4UZ-80型轻简化鲜食甘薯联合收获机的结构设计和参数选择提供了农艺基础。
2.2 机械化收获模式与农机农艺设计内涵
机械化甘薯收获模式因田间类型、垄体配置、作物布局和收获要求而异。典型模式包括单垄收获、双行收获、宽垄收获和全程联合收获。这些模式决定了收获机的进料路径、挖掘宽度、土薯分离过程和收集方式。考虑到当地垄体配置和低损伤鲜食收获的要求，4UZ-80收获机被设计为单垄联合机具，一次作业完成挖掘、初步土薯分离、二次缓冲输送和人工收集。
上述种植和收获模式为4UZ-80收获机的结构设计提供了农机农艺基础。考虑到当地采用的鲜食甘薯生产模式，该机设计为单垄收获，适宜垄距为900毫米。关键的农艺参数，包括垄高、垄宽、株距、薯块深度分布和薯块横向展幅，被用于确定挖掘深度、作业宽度、进料路径以及输送分离机构的布局。因此，第2.1节和2.2节并非对生产模式的泛述，而是为将田间种植特性转化为收获机结构和作业参数而提供的农艺依据。
3.1 农艺设计输入与整机结构
本研究中，农机农艺融合是通过直接将作物和田间要求转化为机械设计参数来实现的。鲜食甘薯在收获过程中需要严格控制薯肉损伤和表皮损伤。在本研究田间条件下，供试品种‘苏薯16号’的薯块呈纺锤形，平均长度约140毫米，平均直径约60毫米，实测最小直径30.04毫米，深度分布约0-230毫米，横向展幅90-540毫米。这些实测值作为品种特异性设计输入，用于确定作业宽度、杆间距和输送参数，使机构能同时满足低损伤处理和有效土薯分离的要求。因此，农艺信息不仅作为背景信息，而是被嵌入到收获机的结构设计和参数优化中。
4UZ-80型轻简化鲜食甘薯联合收获机主要由前端挖掘装置、低损伤输送分离装置、二级输送链、储料斗和行走底盘组成。前端挖掘单元将甘薯连同土壤一起挖起。本研究的重点——低损伤输送分离机构，将甘薯从土壤中轻柔提起并分离大部分土块。二级输送链则进一步分离残余土壤，并将甘薯输送至人工捡拾、分拣或装袋点。该机由车载发动机提供动力，其底盘可调节高度以控制挖掘深度和输送链倾角。
3.2 工作原理与技术参数
作业时，前端铲刀在甘薯垄下方挖掘，松动土壤并抬起甘薯，随后使其进入输送分离机构的初级提升链。随着链杆输送链向上运动，土块被抖落，大部分土壤通过杆间缝隙落回地面。甘薯因其尺寸大于杆间隙而留在输送链上，被输送至后端。一个被动式振动轮机构为输送链施加振动，以进一步破碎土壤并减少薯块附着。甘薯随后转移至包裹橡胶的二级输送链，该链起到缓冲薯块的作用。二级输送链允许任何残留土壤通过，同时将薯块输送至收集点。整个过程旨在最小化薯块的跌落和碰撞，从而减少机械损伤。该机的主要结构和作业参数见表1。
3.3 关键部件结构设计
所提出的输送分离机构的结构创新在于初级提升链、振动单元和二级输送链的协同低损伤设计。首先，交替排列的直杆-凹杆增加了土壤释放空间，同时保持对薯块的支撑，从而减少土壤附着和薯块跌落风险。其次，被动式圆角方形振动轮提供适度的激振力以促进土薯分离，而不会引入可能加剧薯块碰撞的高频主动振动源。第三，包裹橡胶的二级输送链缓冲薯块转移，并减少后续输送和人工分拣过程中的表皮磨损。这种集成设计将薯块形态、最小薯块直径、垄作参数和机械分离要求联系起来。
输送分离机构负责输送和清理挖掘出的土薯混合物。它由初级提升链、二级输送链以及包含相关支架和驱动装置的振动单元组成。作业时，发动机动力通过链传动传递至两条输送链，同时振动单元激励初级链条，以促进土块从甘薯薯块上脱落。由挖掘铲提升的物料首先进入初级提升链，在此处通过振动和杆间缝隙实现初步土壤分离。物料流随后过渡到二级输送链，进行轻柔输送以及商品薯的人工分拣、分级和装箱。残余土块、藤蔓碎片和其他杂物被输送至二级链条的卸料端并返回田间。
3.3.1 输送分离机构杆件设计
杆式输送链广泛应用于甘薯收获机。本研究采用杆式输送链作为输送分离机构。杆件是杆式输送链的重要组成部分，本研究设计的杆件包括三种类型：直杆、包裹橡胶材料的直杆和凹杆。作业时，输送杆承受土壤和甘薯的重量。为确保稳定输送和分离性能，输送杆直径通常设计为9-11毫米。本研究中所有杆直径均设计为10毫米，凹杆弯曲高度为25毫米。
3.3.2 初级提升链设计
一级提升输送链是输送分离机构的重要组成部分。其功能是对土薯混合物进行初步分离，并将其输送至二级输送链。
在收获过程中，甘薯的损伤主要来自挖掘和输送分离过程中碰撞造成的表皮损伤和薯肉损伤，包括甘薯与土壤之间、甘薯彼此之间、甘薯与挖掘装置之间以及甘薯与输送分离装置之间的碰撞。本研究主要关注分析输送分离过程中甘薯与土壤之间、甘薯彼此之间以及甘薯与输送分离装置之间的碰撞。主要损伤来源是甘薯与输送分离机构之间的碰撞；因此，对甘薯在输送分离机构上所受的力进行了分析。
从受力分析可知，F1和F2是输送链对甘薯的支撑力，其方向与接触点处的表面法线对齐。G为甘薯重力，Ff为滑动摩擦力，θ为初级提升链的输送倾角。由此可建立甘薯在初级提升链上的力平衡方程。根据甘薯物料属性测试，已知‘苏薯16号’的最小抗压强度极限为33牛。考虑到收获过程中众多影响因素，设定力F2应远低于压缩强度极限。因此，将的最大值设定为15牛。通过计算，得到最小输送倾角θ
min=5.8°，因此输送倾角需大于5.8°。根据文献，甘薯的滑动摩擦系数为0.12，据此计算可得最大输送倾角θ
max≈83.2°。因此，输送倾角应小于83.2°。
在输送分离过程中，破碎的土壤通过杆件缝隙落出，从而实现甘薯-土壤分离。如果杆间隙太小，土壤无法顺利通过；如果间隙太大，较小的甘薯可能通过缝隙掉落，导致损失。因此，需要设计杆件的最大间隙。本研究中，初级提升链采用直杆与凹杆组合排列，直杆和凹杆交替布置以产生最大间隙。根据甘薯生长测量数据，甘薯最小直径为30.04毫米，因此L和L3的最小值需为30毫米。计算得出L2的最大值约为21.48毫米，取整为21毫米。因此，交替位置两根直杆的中心距设计为52毫米，相邻两根直杆的中心距设计为40毫米。
为提高一级提升链的土薯分离效率，本研究采用被动式振动轮对一级提升链施加振动。该机构采用圆角方形结构，振动轮对称安装在一级提升链皮带下方，随提升链运动而旋转，从而对其施加振动。
当振动轮尺寸过大时，施加的振动幅度过大，会加剧甘薯在一级提升链上的运动，甚至导致甘薯反复滚动并被多次输送，从而增加甘薯损伤风险。当振动轮尺寸过小时，施加的振动幅度不足，无法在一级提升链上产生振动效果，无法破碎土壤和改善土豆分离效果。因此，需要分析振动轮与一级提升链之间的关系。
本研究设计了一个边长a为80毫米、圆角半径r为11.5毫米的圆角方形振动轮。以方形中心为原点，建立平行于方形两边的直角坐标系。圆角顶点的坐标可确定。因此，顶点到中心的距离可计算，其中R1为最大高度运动轨迹半径，R2为最小高度运动轨迹半径，H为施加于皮带的最大高度差，a为圆角方形边长，r为圆角半径，x和y为所建立直角坐标系中圆角顶点的坐标。代入数据得出R1约为51.8毫米，最大高度差H为11.8毫米，R2与R1之比为0.77，满足《农业机械设计手册》中对振动轮的设计要求。
基于甘薯生长条件测量数据、甘薯应力分析和杆间距分析，初级提升链宽度设计为800毫米，提升链凹杆间隙为30毫米。为减少甘薯在提升链上的滚动，提升链杆件采用直杆与凹杆交替排列的方式，每四根凹杆布置一根直杆。交替位置两根直杆的中心距设计为52毫米，相邻两根直杆的中心距设计为40毫米。振动轮设计为边长80毫米、圆角半径11.5毫米的圆角方形结构。根据《农业机械设计手册》，当杆链式提升链倾角为30°时，具有良好的输送和分离效果，因此输送倾角设计为30°，提升链长度设计为2600毫米。
3.3.3 二级输送链设计
二级输送链的主要功能是进一步分离由初级提升链输送来的土薯混合物，以便进行人工分拣、分级和包装。二级输送链的设计通常需要侧重于保护甘薯，无需考虑甘薯在其上的运动。可以使用橡胶材料包裹链杆，这样当甘薯落到二级输送链上时，橡胶可以吸收部分冲击力，从而减少甘薯损伤，确保其表皮完整性和薯肉质量。杆件与橡胶之间存在间隙，因此当甘薯与杆件接触时，橡胶会被压缩。
根据甘薯生长测量数据，甘薯最小直径D
S为30.04毫米；杆直径D设计为10毫米；橡胶材料厚度D
X设计为2毫米。为确保甘薯在输送过程中不会从杆间隙中掉落，杆间最小净间隙D
N必须小于30.04毫米。由此可得杆中心距L需满足的条件。根据甘薯生长测量数据和甘薯与二级输送链杆件接触状态分析，二级输送链宽度设计为800毫米，杆间距为44毫米，输送链长度设计为1800毫米。
4.1.1 实验设备与设置
田间试验于2024年10月18日至20日在农业农村部南京农业机械化研究所白马试验基地进行。试验田代表了当地鲜食甘薯生产条件，以黏土为主。收获前，测量了收获层的土壤含水率和土壤硬度，分别为38.47%和2891.6千帕。试验作物为鲜食型品种‘苏薯16号’，种植于机械起垄的垄上，垄距900毫米，垄高250毫米，株距200毫米。根据前期测量，‘苏薯16号’薯块呈纺锤形，平均长度约140毫米，平均直径约60毫米，深度分布约0-230毫米，单株横向展幅90-540毫米。在收获试验前，采用机械方式切割并清除了垄面藤蔓，以减少缠绕并确保稳定进料。
4.1.2 试验设计
采用三因素三水平Box-Behnken试验设计，研究关键作业参数对收获性能的影响。考虑的三个因素是：一级提升输送链速度A（米/秒）、输送倾角B（度）和收获机前进速度C（米/秒）。基于预试验和机器能力，确定因素范围如下：A从0.2米/秒到0.7米/秒，B从20°到40°，C从0.15米/秒到0.35米/秒。每个因素的三个水平（低、中、高）见表2。
选用Box-Behnken设计（一种响应面法设计）是因为它仅需17次试验即可高效地对三因素进行研究，并能对二次响应面进行良好预测。每次处理（参数组合）重复三次，取平均值进行分析以减少随机误差。每次试验运行（即机器在给定参数设置下收获一段固定长度的垄）期间，收集以下响应指标数据：薯块损伤率Y（%）、薯块表皮损伤率Z（%）和收获输出物的含土率K（%）。
4.1.3 评价指标
根据团体标准T/CAAMM 144-2022/T/NJ 1282-2022，选择薯块损伤率、薯块表皮损伤率和含土率作为评价指标。
5. 讨论与结论
5. 讨论
本研究通过设计和参数优化低损伤输送分离机构，显著降低了鲜食甘薯收获过程中的机械损伤。田间验证结果表明，薯块损伤率和薯块表皮损伤率分别为0.94%和0.97%，均低于1%。与许多现有机械化收获机相比，这些数值明显更低，尽管仍高于人工收获（≤0.5%）。例如，经过优化的两级分离收获机的薯块损伤率仍为1.093%，而传统小型收获机的薯块损伤率和表皮损伤率则更高。这些比较表明，所提出的机构在对外观品质要求高的鲜食甘薯收获中具有明显优势。
研究结果还阐明了影响收获质量的主要参数的作用机制。输送速度和输送倾角是影响薯块损伤和表皮损伤的主导因素。较高的输送速度加剧了薯块在初级提升链上的运动，增加了冲击和碰撞的可能性。较大的输送倾角降低了链条的支撑作用，使薯块在输送过程中更容易滚动或弹跳。特别是，输送速度和输送倾角的交互作用很重要：当链条以相对较大的倾角运行时，应相应降低输送速度以保持薯块稳定性。相比之下，在试验范围内，前进速度对薯块表皮损伤率没有显著影响，这表明在田间条件下，只要与输送参数适当匹配，可以灵活调整前进速度。
优化后的参数组合也反映了低机械损伤与土壤清除性能之间的权衡。优化后，含土率仍为76.56%，表明收获后仍保留了部分附着土壤。虽然这种清洁度低于一些更激进的分离系统，但在本研究的主要目标是低损伤收获而非最大土壤清除的背景下，这是可以接受的。较低的输送速度和适度的振动强度有利于减少冲击载荷和摩擦，但也限制了土壤分离的强度。实际上，适度的残留土壤对鲜食甘薯并非不利，因为如果需要，可以在后续采后处理中进行额外的清洁。
本研究的一个重要贡献是证明了将农机农艺融合概念在收获机设计中的实际应用。供试鲜食品种的生物学和田间特性被直接转化为结构和作业设计选择。最小薯块直径被用于确定杆间距，以降低薯块通过输送链间隙掉落的风险。纺锤形的薯块形态和易损伤的表皮促使采用包裹橡胶的二级输送链和低冲击转移策略。薯块埋深和垄体配置也被考虑用于确定机器的作业宽度和输送配置。这些结果表明，对于鲜食甘薯等高价值作物，收获机设计不仅应受效率要求引导，还应受农艺性状和品质保持需求的指导。
本研究应在所测试条件的范围内进行解读。田间验证仅使用了一种鲜食型品种‘苏薯16号’，并在测试的当地田间条件下进行，该地区土壤以黏土为主，测得含水率为38.47%，硬度为2891.6千帕。因此，尽管所提出的机构在这些条件下表现出良好的低损伤收获性能，但定量结果可能会因品种相关的薯块形状和机械特性，以及土壤质地、土壤水分和田间条件的不同而有所变化。在更广泛地推广优化后的参数组合之前，仍需要对多个品种和土壤环境进行进一步验证。
6. 结论
1) 开发了一种具有低损伤输送分离机构的轻简化鲜食甘薯联合收获机，其创新设计包括由交替排列的直杆和凹杆组成的链杆式提升链、圆角方形被动式振动轮以及具有橡胶包裹杆件的二级输送链。初级提升链设计倾角为30°，长度约2600毫米，链宽800毫米。链杆直径为10毫米，每四根直杆布置一根凹杆；在交替排列中，两根直杆的中心距为52毫米，相邻直杆的中心距为40毫米。振动轮边长80毫米，圆角半径11.5毫米，安装于链条下方，通过摩擦驱动，在提升链上产生约12毫米振幅的周期性振动。二级输送链宽800毫米，长约1800毫米，杆间距44毫米，杆表面有2毫米厚的橡胶涂层。这种结构设计确保了在输送分离过程中有效的土壤分离和薯块的安全缓冲，实现了鲜食甘薯的低损伤处理。
2) 通过三因素三水平Box-Behnken试验，对初级输送链速度、倾角和前进速度进行了实验优化。建立了薯块损伤率、薯块表皮损伤率和含土率与各因素之间的回归关系，并进行了响应面分析。结果表明，输送链速度和倾角是影响甘薯损伤和含土率的主要因素，其交互作用对损伤率有显著影响。前进速度主要影响含土率，对薯块表皮损伤率无明显影响。综合优化得出输送链速度0.45米/秒、倾角30°、前进速度0.25米/秒为最佳参数组合。在此条件下，田间试验验证显示损伤率为0.94%，薯块表皮损伤率为0.97%，含土率为76.56%，均满足鲜食甘薯收获质量要求。
3) 本研究设计的输送分离机构有效降低了鲜食甘薯机械化收获过程中的损伤率，使薯块外观良好，商品性高。这验证了农机农艺融合设计方法的可行性和优越性，并为需要精细收获的类似作物（如马铃薯）收获机械的优化提供了参考价值。同时，也发现该机在降低损伤的同时，存在含土率相对较高以及作业效率有待提升的问题。因此，未来工作可针对不同土壤类型开发可调节的振动清土装置，以在不增加损伤的前提下提高清土效率；可进一步优化机械传动和动力匹配，以适当提高前进速度和作业效率；并结合自动控制技术，实现收获过程中甘薯的自动捡拾与收集，减少人工参与。通过上述改进，预计该机型能在保持其低损伤优势的同时，增强适应性和智能化水平，从而为推动中国鲜食甘薯乃至其他根茎类作物的优质高效机械化收获提供有力支撑。
