马铃薯作为世界粮食作物的重要组成部分,其种植面积在我国逐年扩大,且薯秧是重要的农业秸秆资源,在生物质能、田间有机肥、动物饲料等领域有广泛的应用前景。目前国内大部分马铃薯种植农业仍采用人工收割薯秧和杀秧还田的处理手段,这种方式效果较差、人工成本高;且薯秧抛弃在田间地头,会造成秸秆资源浪费和田野环境污染。因此,亟需一种高效的马铃薯秧回收处理装置来解决薯秧回收难题。针对马铃薯秧机械化回收薄弱的问题,在研究马铃薯秧物料特性的基础上,设计一种高效的马铃薯秧粉碎抛送装置;采用理论分析、Fluent-EDEM耦合模拟仿真和田间试验相结合的方法,优化装置结构参数和工作参数,充分发挥的装置抛送能力,提高粉碎合格率和回收率。本文主要包括以下研究内容:(1)马铃薯秧物料特性的测量。采用试验测量的方式测定马铃薯收获期的茎叶物料特性参数,研究了薯秧粉碎后的宏观特性、堆积特性、接触特性和主茎的力学特性,为计算粉碎刀刀轴转速、模拟仿真薯秧的切割过程和粉碎薯秧的抛送过程提供参数设置依据。(2)马铃薯秧粉碎回收装置的设计。采用滚刀式旋转粉碎刀和定刀相互配合粉碎薯秧,为保证抛送效果和断杆长度小于30 mm,确定粉碎刀最低刀轴转速为1700 r/min;为保证粉碎薯秧的抛送能力,计算抛送装置的主要尺寸参数:抛送通道高度1.15 m,抛送通道宽度0.25 m;为确定粉碎刀在切割过程中结构的可靠性,对薯秧切断过程进行受力分析,采用显示动力学计算粉碎刀切断薯秧过程的最大应力,计算结果表明,应力值在材料的许用应力范围内,结构稳定。(3)马铃薯秧粉碎回收装置流场的仿真。采用Fluent软件研究粉碎抛送装置的流场特性,研究结果表明:粉碎抛送装置入口处流体流动较平稳,当流体流入粉碎刀的旋转区域后流动变得紊乱且流速显著增加,出口处流速平稳,能够起到很好的粉碎薯秧抛送作用;粉碎刀转速越大、刀片数越多抛送通道流场风速较大且稳定。(4)马铃薯秧粉碎抛送装置中粉碎薯秧颗粒运动仿真。采用Fluent-EDEM耦合的方式,研究粉碎薯秧颗粒流在粉碎抛送装置中的运动特点,研究发现:粉碎薯秧生成后会随着粉碎刀在粉碎室内运动,大量颗粒会从粉碎室中进入抛送通道被抛出,少量薯秧在粉碎室内旋转区域回旋一段时间后进入抛送通道抛出。采用方差分析和拟合回归方程的方法研究模拟仿真结果,在喂入量3.8 kg/s,粉碎刀12片,刀轴转速2100 r/min时,装置能充分发挥其抛送能力。(5)马铃薯秧粉碎抛送装置的试验。采用三因素三水平中心组合试验方法,建立了以粉碎刀刀片数、刀轴转速、机器前进速度为试验因素,马铃薯秧的粉碎合格率、回收率为试验指标的二次回归模型,得到各试验因素对试验指标的影响作用,得到最优工作参数组合:粉碎刀刀片12片、刀轴转速2060 r/min、机器前进速度0.6 m/s,可使马铃薯秧粉碎抛送装置的工作性能达到粉碎合格率为93.282%、回收率为92.728%的设计要求。