旋转式马铃薯收获机作业性能的实验研究学术报告

一、研究团队与发表信息

本研究由乌克兰及爱沙尼亚多所高校与科研机构合作完成，主要作者包括：
- Yevhen Ihnatiev（第聂伯罗彼得罗夫斯克州梅利托波尔市Tavria国立农业技术大学）
- Volodymyr Bulgakov（乌克兰国家生命与环境科学大学）
- Jüri Olt（爱沙尼亚生命科学大学，通讯作者）
其他合作者来自乌克兰国家农业科学院、波迪利亚国立农业工程大学等机构。
论文发表于爱沙尼亚学术期刊《Agraarteadus》（Journal of Agricultural Science）2021年第1期（卷XXXII，页码41–48），DOI: 10.15159/jas.21.15。

二、学术背景与研究目标

科学领域与问题背景

马铃薯收获是农业生产中能耗高、复杂度大的环节，尤其在黏重壤土（heavy loam soils）条件下，传统收获机存在以下问题：
1. 土壤分离率（soil separation ratio）低（仅55–74%），导致马铃薯堆中土壤杂质含量超过20%；
2. 块茎损伤率（tuber damage rate）高达18–25%，远超农艺标准（≤3%）；
3. 现有设备仅适用于砂土或中等质地土壤，在黏重土壤中需依赖人工分拣，增加生产成本。

研究目标

开发一种配备垂直转子（vertical rotor）的新型马铃薯收获机，通过实验优化其设计参数与作业模式，实现：
- 土壤分离率≥93.5%；
- 块茎损伤率≤0.97%；
- 总能耗≤18.27 kW；
- 适应黏重土壤与含石块/植物残渣的复杂环境。

三、研究方法与实验流程

1. 实验设备开发

团队设计了一套实验室-田间联合测试平台（图1），核心组件包括：
- 垂直转子系统：
- 上下两组曲翼式拍打器（upper/lower beater），通过行星减速齿轮（planetary reduction gear）实现反向旋转（减速比2.39）；
- 拍打器叶片采用锥形/圆柱形曲面设计，优化土壤破碎轨迹；
- 转子直径可调（0.55–0.825 m），通过连接板（connection plates）实现（图3–4）。
- 辅助工具：球形圆盘（spherical discs）、栅格链（raddle chain）、液压驱动系统（MGp-160液压马达）。

2. 实验设计

采用四因子全因子实验（full factorial experiment 2⁴），关键变量包括：
- 机器行进速度（*v_m*：1.0–2.2 m/s）；
- 转子转速（*n_p*：50–100 min^–1）；
- 转子直径（*d_p*：0.55–0.825 m）；
- 转子与球形圆盘间距（*l₂*：0.15–0.45 m）。

3. 数据采集与分析

• 性能指标：土壤分离率（*S*）、块茎损伤率（*P_b*）、总功耗（*N_a*）；
  
• 测量设备：应变仪（strain-gauge equipment）、液压压力传感器、示波器记录转速与牵引阻力；
  
• 统计方法：通过Mathcad软件构建响应面模型，采用最速上升法（path-of-steepest-ascent）优化参数。
  

四、主要研究结果

1. 回归模型与参数优化

通过编码转换得到自然形式回归方程（式9–11），例如：
- 土壤分离率模型：
S = 26.418 + 108.179d_p + 0.135n_p – 7.866*d_pl₂ – 24.577*n_p*²
- 最优参数组合：
d_p=0.825 m，n_p=77 min^–1，v_m=2.2 m/s，l₂=0.3 m时，S=93.5%，P_b=0.97%，N_a=18.27 kW。

2. 与传统收获机的对比

• 分离效率：实验机型（91.4%）比商用KST-1.4机型高23%；
  
• 损伤控制：实验机型损伤率（1.14%）比对照组低5%；
  
• 能耗：理论值与实测值偏差<15%，验证模型可靠性。
  

五、研究结论与价值

科学价值

1. 首次量化垂直转子几何参数与作业性能的关系，提出基于响应面分析的优化方法；
   
2. 揭示转子直径与圆盘间距对土壤分离的非线性影响（图7–10），为后续设计提供理论依据。
   

应用价值

1. 为黏重土壤条件下的马铃薯收获提供低损伤、高能效解决方案；
   
2. 开发的模块化转子系统可适配不同土壤条件，降低农户设备改造成本。
   

六、研究亮点

1. 创新设备设计：双拍打器反向旋转结构显著提升黏土破碎效率；
   
2. 多目标优化：同时优化分离率、损伤率与能耗，平衡农业标准与经济性；
   
3. 方法学贡献：结合全因子实验与应变测量技术，建立可推广的农机测试流程。
   

（注：文中未提及利益冲突，所有作者均对研究有实质性贡献。）