马铃薯是一种粮菜兼用、营养丰富、用途广泛的农作物,发展马铃薯产业对保障我国粮食安全具有重要意义。2015年农业部提出马铃薯主粮化发展战略,拟将马铃薯种植面积由当前的557.3万hm2扩大到1000万hm2,其中,充分利用南方666余万hm2冬季闲置水稻田冬种马铃薯成为扩大马铃薯种植面积的有力措施。在马铃薯生产过程中,收获是影响马铃薯品质和生产效益的重要环节,要实现马铃薯的规模化生产,必须采用机械化收获。然而,南方冬种马铃薯为了保温保产,多采用高畦双行稻草或地膜覆盖栽培,且收获时正值雨季,土壤含水率较高,给机械化收获带来困难。其中,地膜覆盖栽培收获时地膜已充分降解或可人工揭膜,对收获作业无明显影响,主要问题是克服黏湿土壤带来的收获难题,采用减阻脱附性能较强的收获机具可实现其马铃薯机械化收获作业;而稻草覆盖栽培模式下收获时稻草残留较多,约有50%的稻草没有腐烂仍覆盖在地表,使得现有马铃薯收获机在收获过程中存在挖掘阻力大,难以实现薯、土、草分离,出现壅堵,明薯率低和伤薯率高等问题。所以,目前南方冬种马铃薯仍以人工收获为主,劳动强度大、效率低,严重制约了马铃薯主粮化战略的实施。为此,本文研制出一种覆草冬种马铃薯收获机,并对其关键部件进行理论研究和设计,对整机进行田间试验,其研究内容和结论如下:(1)探明了冬种马铃薯的种植工艺和农艺要求,研究了冬种马铃薯生长特性和相关物料特性。通过对冬种马铃薯种植地的调研,获得南方冬种马铃薯的种植工艺和农艺要求,为收获作业方案的确定奠定基础;通过对冬种马铃薯生长特性的调研得知马铃薯块茎的最大分布深度为183mm,单行最大分布宽度为338mm,为收获机挖掘宽度和挖掘深度的确定提供依据;同时测量得到马铃薯块茎的最小结构尺寸为38.2mm,最大结构尺寸为133.8mm,平均质量为0.21kg,为收获机分离机构筛杆间隙的确定以及马铃薯的受力分析提供依据;冲击试验表明,当马铃薯所受冲击能量小于0.7J时,马铃薯不受损伤,为马铃薯收获过程中碰撞与作用研究提供理论依据。(2)采用虚拟样机技术,对覆草冬种马铃薯收获机进行整机设计。研制出一种由组合式挖掘铲、杆条升运器、稻草分离机构和摆动筛组成的覆草冬种马铃薯收获机,并对其传动方式和工作原理进行阐述,该机可与29.8kw及以上的拖拉机配套工作,作业幅宽为1000mm,作业深度为150~300mm,生产效率为0.2~0.3hm2/h。(3)设计了一种组合式挖掘部件,并分析其挖掘阻力。根据作业要求以及配套动力条件,设计了一种组合式挖掘平铲,以减阻挖掘为目的,采用力的矢量投影定理和动能定理对挖掘铲的主要参数进行确定,并计算求得其挖掘阻力为8192.84~9254.58N,为配套拖拉机的选取提供依据。(4)设计了收获机的薯、土、草分离部件,对其作用机理进行研究和机构参数确定,并采用试验方式检测和分析关键构件的作业性能。设计了一种由杆条升运器、稻草分离机构和摆动筛组成的薯、土、草分离部件,基于抖动、拨动和摆动的三层作用机理实现薯、土、草分离作业。以稻草层相对杆条链稳定上移不下滑为条件,确定了杆条链的线速度为1.5m/s,升运倾角为24°,抖动轮顶起高度为22mm;以顺利拨离稻草和确保马铃薯不受损伤为目的,确定了稻草分离机构的拨指指尖速度和筛板安装位置;以保证筛上马铃薯向后输送、薯土有效分离为条件,确定了摆动筛的筛面倾角为12°,摆动筛摆动方向角为18°,偏心轮偏心距为35mm,偏心轮转速为25rad/s;进行了薯、土、草模拟分离试验,结果表明稻草分离机构拨指具备分离稻草的作用效果、摆动筛的设计满足薯土有效分离和马铃薯输送的作业要求。(5)进行了田间收获试验,检验覆草冬种马铃薯收获机的工作性能,选出较优的工作参数组合。采用正交试验法进行收获机的田间试验,以收获机作业速度、筛板倾斜角度和分离机构拨杆数量为试验因素,以明薯率、伤薯率和分草率为试验指标,采用加权评分算法分析实验数据,结果表明:机具作业速度为0.4m/s、筛板倾角为8°、拨杆数量为6根时,马铃薯收获机的综合工作性能较优,此时明薯率为99.5%、伤薯率为4.2%、分草率为80.4%,均达到预期的收获技术指标要求。