马铃薯收获机工作部件对块茎作用力的比较研究学术报告
作者及机构
本研究由俄罗斯联邦农业工程科学中心（Federal Scientific Agronomic and Engineering Center VIM）的Alexei Siberev*、Alexandr Aksenov、Alexei Dorokhov和Andrei Ponomarev合作完成，通讯作者为Siberev（邮箱：agrodisel@mail.ru）。研究成果发表于期刊Research in Agricultural Engineering 2019年第65卷，页码85–90，DOI编号10.17221/96/2018-RAE。
学术背景
本研究属于农业机械化与收获损伤控制领域，核心目标是量化不同马铃薯收获机工作部件对块茎的机械作用力，并分析损伤机制。背景知识包括：
1. 分离质量的关键因素：马铃薯收获时的商品质量受土壤条件（如疏松度、湿度）、收获机设计（如分离装置材料、运行参数）及块茎物理特性（如硬度、品种）共同影响。
2. 现有问题：传统收获机在分离过程中，块茎与土壤团块、工作部件间的碰撞导致损伤，其中工作部件的直接作用被认定为最大损伤来源（如AVR-Spirit-6200机型作用力峰值达21 N）。
3. 研究目标：通过对比三种主流收获机（AVR-Spirit-6200、Dewulf RA-3060、Bolko）的工作部件作用力，定位高损伤环节并提出改进方向。
研究流程与方法
1. 实验设计与工具开发
- 电子马铃薯记录仪（Electronic Potato Tuber Log）：自主研发的数据记录装置（图1），模拟真实块茎的形态与密度，内置加速度传感器和冲击脉冲记录模块，可实时记录工作部件的力学作用。配套软件用于数据处理与分析（如力-时间曲线生成）。
- 辅助设备：高速摄像机（Inspector Tornado，分辨率960×240像素）用于同步记录块茎在分离装置上的运动轨迹，以匹配力学数据与具体工作部件位置。
2. 实验实施
- 测试机型：对比AVR-Spirit-6200（比利时）、Dewulf RA-3060（荷兰）、Bolko（波兰）三种收获机，其设计差异主要体现在分离装置类型（如阶梯式升运器、指状滑槽）和振动增强器的配置。
- 土壤条件控制：实验在莫斯科州Ozery JSC的砂质土壤进行，土壤湿度21.5%、硬度0.56 MPa（表1、2），确保与实际农田条件一致。
- 参数设置：
- 挖掘深度：0.12–0.18 m（与种植深度匹配）；
- 机器行进速度（*vm*）：3–5.2 km/h；
- 升运器速度（*vel*）：3.6–6.4 km/h（避免块茎堆积）。
3. 数据采集与分析
- 力学作用记录：电子马铃薯在升运器、振动筛等关键部件上的力值（单位：N）通过三组重复实验获取，计算平均值、标准差（σ）和变异系数（ν）。
- 损伤定位：通过视频与力学数据叠加，确定高损伤时段对应的工作部件（如AVR机型的阶梯升运器过渡至指状滑槽时，作用力峰值20.3 N）。
主要结果
作用力分布规律：
- 最大损伤环节：所有机型在块茎从主升运器转移至二级分离装置时作用力最大（图5），AVR-Spirit-6200峰值达21 N，Bolko最低（6.5 N）。
- 土壤缓冲效应：初始挖掘阶段因土壤“垫层”保护，犁铲作用力最小（如Bolko仅3 N）；随着土壤分离，后续装置作用力显著上升（ν=24.8–32.4%）。
机型对比：
- AVR-Spirit-6200：阶梯升运器振动板导致高频冲击（σ=5.7），块茎下落速度超2.6 m/s（安全阈值2.2 m/s）。
- Bolko：整体作用力最低（6.5 N），归因于其分离装置设计更温和（如无振动增强器）。
损伤机制：块茎损伤主因包括：
- 升运器杆件抛掷导致的垂直速度超标（0.7 m/s以上）；
- 分离过程中土壤“垫层”减少，直接碰撞加剧。
结论与价值
- 科学意义：首次系统量化不同收获机工作部件的力学作用，揭示土壤缓冲效应与分离装置设计的协同影响，为损伤控制理论提供数据支撑。
- 应用价值：建议优化分离装置（如降低振动强度、改进过渡结构），优先参考Bolko的温和设计，可减少28–31%的损伤。
- 行业影响：推动收获机设计从“高效分离”向“低损伤优先”转型，尤其适用于高商品价值马铃薯品种的机械化收获。
研究亮点
- 方法创新：电子马铃薯记录仪实现田间实时力学测量，克服传统实验室模拟的局限性。
- 跨机型对比：涵盖欧洲主流机型，结论具有普适性。
- 损伤机制深化：提出“土壤垫层-装置振动”动态平衡理论，为后续研究提供新方向。
其他发现
- 块茎品种和土壤湿度对作用力的敏感性需进一步研究（引用Haverkort等2005年品种差异研究）。
- 建议结合块茎力学模型（Farhadi等2012）优化装置材料选择。
注：文中术语如“电子马铃薯记录仪（Electronic Potato Tuber Log）”、“升运器（elevator）”等均为专业表述。