撥輥推送式馬鈴薯清選分選機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王相友 孫景彬 許英超 李學(xué)強(qiáng) 程鵬飛

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000； 2.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，德州 253600；3.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255000)

撥輥推送式馬鈴薯清選分選機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王相友1孫景彬1許英超1李學(xué)強(qiáng)2程鵬飛3

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000； 2.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，德州 253600；3.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255000)

針對現(xiàn)有馬鈴薯清選分選機(jī)的薯土分離效果差、傷薯率較高、工作效率低等問題，設(shè)計(jì)了一種撥輥推送式馬鈴薯清選分選機(jī)。對該機(jī)器的工作機(jī)理進(jìn)行了闡述，確定了清選裝置、分選裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了馬鈴薯在清選分選過程中的力學(xué)特性。選取機(jī)組的轉(zhuǎn)速、上料量、機(jī)組提升角度作為試驗(yàn)因素，傷薯率、分選清潔率為試驗(yàn)性能指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯著性分析。結(jié)果表明，各因素對傷薯率影響的主次因素順序?yàn)椋簷C(jī)組提升角度、機(jī)組轉(zhuǎn)速和上料量；對分選清潔率的影響主次因素順序?yàn)椋荷狭狭?、機(jī)組轉(zhuǎn)速和機(jī)組提升角度。按照以馬鈴薯的傷薯率較低，兼顧分選清潔率較高的原則，確定較優(yōu)組合，即機(jī)組轉(zhuǎn)速為145 r/min，上料量為20 t/h，機(jī)組提升角度為12°，并對該參數(shù)組合進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，在該條件下機(jī)器傷薯率為0.773%，分選清潔率為95.42%，符合基本作業(yè)要求。

馬鈴薯； 清選分選機(jī)； 撥輥推送式； 力學(xué)分析； 正交試驗(yàn)

引言

伴隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整以及馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的部署，馬鈴薯的種植面積逐年增加，當(dāng)前馬鈴薯的總產(chǎn)量已經(jīng)穩(wěn)居世界前列[1-4]。但是，我國并不是馬鈴薯的加工和貿(mào)易出口強(qiáng)國，很重要的原因是分選機(jī)械相對比較落后，無法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的清選分選作業(yè)。目前馬鈴薯的清選分選作業(yè)主要依靠果蔬分級通用機(jī)械完成，專用機(jī)械比較少，難以根據(jù)馬鈴薯本身的物料特性實(shí)現(xiàn)低損傷分級[5]。國內(nèi)有關(guān)馬鈴薯清選分選機(jī)械的研究主要有：劉洪義等[6]設(shè)計(jì)了馬鈴薯分級生產(chǎn)線及其關(guān)鍵設(shè)備，主要介紹了一種振動(dòng)篩形式的分級裝置。申屠留芳等[7]設(shè)計(jì)的馬鈴薯分選機(jī)，主要涉及一種輥軸式分選裝置，可有效代替人工分選，提高分級效率。常超等[8]設(shè)計(jì)的基于馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的分級裝置，采用鏈板式輥軸分級方法實(shí)現(xiàn)較為精確的分級。但是，國內(nèi)集清選與分選一體的機(jī)型研究相對較少。

針對現(xiàn)有馬鈴薯分選機(jī)械存在傷薯率較高、清選清潔率低的問題，本文設(shè)計(jì)一種集清選與分選于一體的撥輥推送式馬鈴薯清選分選機(jī)。該機(jī)型通過多級撥輥連續(xù)推動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)薯土的分離、馬鈴薯大小級別的分選，以有效降低分選過程的傷薯率，提高分選效率和清潔率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

撥輥推送式馬鈴薯清選分選機(jī)主要由上料斗、清選裝置、分選裝置、薯土分離裝置、泥土輸送帶、小薯輸送帶及大薯輸送帶等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 馬鈴薯清選分選機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of potato cleaning and sorting machine1.上料斗 2.清選裝置 3.分選裝置 4.大薯輸送帶 5.中薯輸送帶 6.泥土輸送帶 7.薯土分離裝置

1.2 工作原理

該清選分選機(jī)依靠電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，靠清選輥和分選輥的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)清選和分選作業(yè)，工作原理如圖2所示，圖中箭頭所指方向?yàn)轳R鈴薯的前進(jìn)方向。機(jī)器的上料斗首先將馬鈴薯輸送至清選裝置，該裝置上的清選輥可以將輸送來的馬鈴薯、泥土以及雜草實(shí)現(xiàn)分離，較小的馬鈴薯、泥土及雜草會在清選輥的間隙中落下，落到下邊的薯土分離裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小薯和雜質(zhì)的分離。留在清選輥上的馬鈴薯被輸送到下一級分選裝置，該裝置設(shè)計(jì)6根分選輥，分選輥上設(shè)計(jì)有撥輪，可以使馬鈴薯在翻滾的過程中進(jìn)行大小分級，中薯落至分選輥下面的輸送帶上，大薯落至分選輥后面的輸送帶，從而完成馬鈴薯的整個(gè)清選分選過程。

圖2 工作原理圖Fig.2 Diagram of working principle1.清選輥 2.小薯 3.雜質(zhì) 4.輸送帶 5.大薯 6.分選輥

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 清選裝置

該裝置主要由減速電動(dòng)機(jī)、伸縮架、左旋彈簧、右旋彈簧及清選輥等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。6條清選彈簧中，每兩條相鄰彈簧的旋向是相反的，避免馬鈴薯在輸送過程中被推向一側(cè)，保證了清選工作的連續(xù)性。彈簧的外形設(shè)計(jì)圓滑，可以有效減輕對馬鈴薯的損傷。

圖3 清選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of cleaning device1.減速電動(dòng)機(jī) 2.鏈條 3.短連片體 4.右旋彈簧 5.左旋彈簧 6.清選輥 7.長連片體

圖4 伸縮架結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of telescopic frame1.短連片體 2.長連片體

其中伸縮架是由長連片體和短連片體交錯(cuò)疊加而成，如圖4所示。該伸縮架可以實(shí)現(xiàn)清選輥之間的間距調(diào)節(jié)。中間交叉鉸接4對雙連片體，兩端分別有一對單連片體鉸接相連，使得伸縮架整體結(jié)構(gòu)形似5個(gè)菱形，這樣，伸縮架在調(diào)節(jié)清選輥軸間距時(shí)，避免了傳動(dòng)鏈的張緊調(diào)節(jié)。

2.2 分選裝置

撥輥推送式分選裝置主要由減速電動(dòng)機(jī)、鏈條、長連片體、短連片體、分選輥以及緩沖套管等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中伸縮架的結(jié)構(gòu)與清選裝置中的伸縮架結(jié)構(gòu)相同，分選裝置中的分選輥由撥輪、四方撥輥軸、間隔套等組成，其中撥輪有六齒撥輪和十二齒撥輪兩種，十二齒撥輪安裝于分選裝置的首根軸上，起到承接物料的作用，六齒撥輪安裝于其余5根軸上，起到分選作用。

圖5 分選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of sorting device1.減速電動(dòng)機(jī) 2.鏈條 3.十二齒撥輪 4.六齒撥輪 5.間隔套 6.緩沖套管

2.3 分選輥

分選輥是撥輥推送式分選裝置中的關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對分選效果的影響至關(guān)重要。

2.3.1撥輪齒數(shù)的確定

分選裝置工作時(shí)，馬鈴薯分布于相鄰的分選輥之間，分選輥上的撥輪之間形成持薯空間，撥輪的運(yùn)動(dòng)使得馬鈴薯產(chǎn)生滾動(dòng)、滑動(dòng)或跳動(dòng)[10]。因此，分選輥的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)保證撥輪運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，再根據(jù)分選作業(yè)的需要，分析得撥輪的輪齒數(shù)應(yīng)多于4，當(dāng)輸送轉(zhuǎn)速一定時(shí)，撥輪齒數(shù)的增加會增大馬鈴薯的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，進(jìn)而提高馬鈴薯的分離效果[10]。不同齒數(shù)的撥輪產(chǎn)生的持薯空間如圖6所示。

圖6 持薯空間對比圖Fig.6 Comparison of space for potatoes

由圖6可知，當(dāng)撥輪的齒數(shù)為5時(shí)，相鄰兩撥輪之間形成的持薯空間不相等，即S1=S3≠S2，并且空間S2易造成卡薯損傷；當(dāng)撥輪的齒數(shù)為6時(shí)，相鄰的兩撥輪之間形成的持薯空間相等，即S1=S2=S3，可以避免因持薯空間不等而造成的馬鈴薯剪傷或磨傷，因此撥輪采用六齒的結(jié)構(gòu)形式。

2.3.2撥輪尺寸的確定

撥輪的設(shè)計(jì)應(yīng)保證馬鈴薯實(shí)現(xiàn)翻滾、前進(jìn)的動(dòng)作，撥輪的結(jié)構(gòu)決定持薯空間的形狀，撥輪的尺寸決定持薯空間[10]。撥輪的尺寸過大，會導(dǎo)致軸徑過大、機(jī)器笨重且耗能，尺寸過小，無法達(dá)到分選的效果且不能保證馬鈴薯的輸送，進(jìn)而影響分選的效率。

經(jīng)力學(xué)分析，為提高馬鈴薯的分選效率、有效保證輸送，減少傷薯率，將撥輪中的邊線1(圖7)設(shè)計(jì)為內(nèi)凹形狀的圓弧，邊線2設(shè)計(jì)為外凸形狀的圓弧，進(jìn)而保證相鄰的2個(gè)撥齒之間形成喇叭口形狀的持薯空間[10]。為減小馬鈴薯的傷損率，持薯空間應(yīng)盡可能平滑，且避免出現(xiàn)尖銳的邊角。

馬鈴薯的形狀近似為橢球狀，根據(jù)其形狀特點(diǎn)，設(shè)計(jì)撥輪輪齒的形狀如圖7所示，由4段圓弧相切過渡組成，圓弧半徑分別為：R1=5 mm；R2=40 mm；R3=10 mm；R4=70 mm。此外，R5=78.5 mm；R6=33.5 mm；R7=25 mm。

圖7 撥輪結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of poking wheel

2.3.3分選輥組數(shù)的確定

撥輥推送式分選機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的大小分級，若分選輥的組數(shù)過少，達(dá)不到分級的目的，若分選輥的組數(shù)過多，會增加馬鈴薯在分級裝置上的輸送行程，極易造成馬鈴薯薯皮的破損[10]。對樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，研究4、5、6組分選輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí)傷薯率，經(jīng)分析，分選輥的數(shù)量為5組時(shí)，傷薯率最低。

2.3.4撥輪間距及分選輥間距的確定

馬鈴薯的大小決定了兩相鄰分選輥上的撥輪間距。根據(jù)實(shí)際測量，經(jīng)清選之后得到馬鈴薯的平均尺寸：長度為59～110 mm，直徑為56～70 mm。為保證馬鈴薯可以在撥輪上的輸送而不從其間隙中落下，確定撥輪的間隙為54 mm。

根據(jù)撥輪的半徑(83.5 mm)以及馬鈴薯的平均尺寸，遵循馬鈴薯的卡傷率最低的原則，確定相鄰分選輥的間距為130 mm，且該間距可以根據(jù)清選過后的馬鈴薯大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 馬鈴薯力學(xué)特性分析

3.1 清選過程力學(xué)特性分析

對馬鈴薯在清選彈簧上的受力分析如圖8所示，主要受到兩相鄰清選彈簧的支持力N1、N2，摩擦力Nf1、Nf2和自身重力mg作用。其中，ω1為清選彈簧的旋轉(zhuǎn)方向，O為馬鈴薯的質(zhì)心位置，O1為馬鈴薯與清選彈簧的一個(gè)接觸點(diǎn)，O2為另一接觸點(diǎn)，θ為機(jī)組的提升角度，θ1為支持力N1與水平方向的夾角，θ2為支持力N2與水平方向的夾角，α1為馬鈴薯的重力mg與O2點(diǎn)法向的夾角，β1為支持力N1與N2的夾角，O到O1的距離為a，O到O2的距離為b。

圖8 清選過程受力分析簡圖Fig.8 Stress analysis diagram of cleaning process

由圖8可得

Nf1=N1f

(1)

Nf2=N2f

(2)

式中f——摩擦因數(shù)

馬鈴薯在清選過程中，可以忽略清選彈簧所引起的馬鈴薯的離心力，進(jìn)而可得作用于馬鈴薯上的所有力對接觸點(diǎn)O2的合力矩為

∑MO2=N1bsin(180-β1)-mgbsinα1-
Nf1(a+bsin(β1-90))

(3)

將式(1)代入式(3)得

∑MO2=N1bsinβ1-mgbsinα1+

N1f(a+bcosβ1)

(4)

馬鈴薯在此特定位置能夠翻越清選彈簧的臨界條件是：對O2點(diǎn)的合力矩大于等于零，即

N1b(sinβ1+fcosβ1)+N1f-mgbsinα1≥0

(5)

同時(shí)應(yīng)該滿足沿著接觸點(diǎn)O2切線方向的合力大于等于零，即

N1sin(180-β1)+Nf 2-Nf 1sin(β1-90)-
mgsinα1≥0

(6)

化簡得

N1sinβ1+N2f+N1fcosβ1-mgsinα1≥0

馬鈴薯在清選過程中，清選彈簧的兩作用力N1和N2之間的夾角β1變化較小，但重力mg與Y軸負(fù)方向的夾角α1是時(shí)刻變化的，主要受機(jī)組提升角度θ的影響。并且，馬鈴薯會受到鄰接馬鈴薯的撞擊力，因此，在該過程中的受力比較復(fù)雜，機(jī)組的轉(zhuǎn)速、上料量以及機(jī)組提升角度均是影響馬鈴薯受力的關(guān)鍵因素，也是影響馬鈴薯在清選過程中傷損率的重要指標(biāo)。

3.2 分選過程力學(xué)特性分析

對馬鈴薯在兩相鄰撥輪上的受力分析如圖9所示，ω2為分選輥的旋轉(zhuǎn)方向。

圖9 分選過程受力分析簡圖Fig.9 Stress analysis diagrams of sorting process

在圖示位置時(shí)，馬鈴薯主要受到撥輪對其的支持力(即撥動(dòng)力)Fn1、Fn2，摩擦力Ff1、Ff2，以及自身重力mg作用，其中，O點(diǎn)為馬鈴薯的質(zhì)心位置，O3為馬鈴薯與撥輪的一個(gè)接觸點(diǎn)，O4點(diǎn)為另一接觸點(diǎn)，α為馬鈴薯重力mg與O4點(diǎn)法向的夾角，β為兩撥輪支持力的夾角，O與O3的距離為c，O與O4的距離為d。

其中

Ff1=Fn1f

(7)

Ff2=Fn2f

(8)

忽略撥輪旋轉(zhuǎn)所引起馬鈴薯的離心力，則作用于馬鈴薯上的力對接觸點(diǎn)O4的合力矩為

∑MO4=Fn1dsin(180-β)-mgdsinα-
Ff1(c+dsin(β-90))

(9)

將式(7)代入式(9)中，化簡得

∑MO4=Fn1dsinβ-mgdsinα+
Fn1f(c+dcosβ)

(10)

馬鈴薯能夠被撥輪撥動(dòng)并且順利輸送到下一撥輪的必要條件為：對O4點(diǎn)的合力矩大于等于零，即

Fn1d(sinβ+fcosβ)+Fn1fc-mgdsinα≥0

(11)

同時(shí)，應(yīng)滿足馬鈴薯受到的沿接觸點(diǎn)O4切線方向的合力大于等于零，即

Fn1sin(180-β)+Ff2-Ff1sin(β-90)-mgsinα≥0

(12)

化簡得

Fn1sinβ+Fn2f+Fn1fcosβ-mgsinα≥0

根據(jù)力學(xué)特性的分析可知，馬鈴薯在撥輪的輸送過程中，所受到的支持力Fn1和Fn2之間的夾角β變化較小，但是，馬鈴薯的重力mg與Y軸負(fù)方向夾角α不斷變化，該變化受機(jī)組(分選輥、清選輥)提升角度的直接影響。馬鈴薯在此過程中的受力是比較復(fù)雜的，機(jī)組的轉(zhuǎn)速、機(jī)組的提升角度均會對馬鈴薯的受力情況產(chǎn)生影響。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

2016年9月在河北省沽源縣希森馬鈴薯種植基地，以荷蘭15號馬鈴薯為分選對象，對樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。其中，荷蘭15號馬鈴薯為國內(nèi)廣泛種植品種，試驗(yàn)用樣機(jī)如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.10 Experimental prototype

4.2 試驗(yàn)參數(shù)和評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)馬鈴薯在清選、分選過程中的力學(xué)分析結(jié)果，確定機(jī)組(清選輥、分選輥)轉(zhuǎn)速、上料量、機(jī)組(清選輥、分選輥)提升角度為試驗(yàn)研究的3個(gè)主要參數(shù)。

綜合樣機(jī)工作的實(shí)際情況，機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化范圍可調(diào)，上料量變化范圍一般為20～50 t/h，機(jī)組的提升角度變化范圍為0°～13°。以馬鈴薯清選分選過程中的重要評價(jià)指標(biāo)：傷薯率y1、分選清潔率y2作為試驗(yàn)指標(biāo)。

(13)

(14)

式中n1——機(jī)組作業(yè)完成后表皮損傷的馬鈴薯質(zhì)量

n2——機(jī)組作業(yè)處理完成后馬鈴薯的總質(zhì)量

N——雜物的總質(zhì)量

4.3 試驗(yàn)方案

綜合樣機(jī)工作的實(shí)際情況，對選取的3個(gè)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行三因素四水平的正交試驗(yàn)，即選用正交表L16(43)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，其因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Experimental factors and levels

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)極差值確定傷薯率、分選清潔率影響因素的主次關(guān)系，極差分析結(jié)果如表2所示。A、B、C為因素水平值。

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，進(jìn)而確定試驗(yàn)指標(biāo)在不同試驗(yàn)因素水平組合下的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果的方差分析如表3所示。

綜合極差分析與方差分析的結(jié)果可知，機(jī)組轉(zhuǎn)速、上料量和機(jī)組提升角度對機(jī)器分選性能的影響是不相同的。并且，根據(jù)方差分析的結(jié)果可知，所選試驗(yàn)指標(biāo)對性能指標(biāo)均具有顯著的影響，因此，這3種參數(shù)的選取是正確的，是影響該機(jī)器性能指標(biāo)的關(guān)鍵性因素。

在所選的3個(gè)參數(shù)中，機(jī)組的轉(zhuǎn)速對傷薯率、分選的清潔率均有顯著影響。并且，機(jī)組轉(zhuǎn)速越快，單個(gè)馬鈴薯在清選輥上的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)越少，清選輥對馬鈴薯的摩擦次數(shù)減少，進(jìn)而導(dǎo)致馬鈴薯的傷薯率降低，反之，傷薯率升高。

上料量對傷薯率的影響不顯著，但對分選的清潔率有非常顯著的影響，且上料量越大，分選的清潔率越低。原因在于，上料量越大，導(dǎo)致馬鈴薯的擁擠，部分馬鈴薯不易接觸到清選輥，降低了摩擦的次數(shù)，此時(shí)傷薯率會降低。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test design scheme and results

表3 分選性能指標(biāo)方差分析Tab.3 Variance analysis of machine performance

注：*表示顯著；**表示非常顯著。F0.05(3,6)=4.757，F(xiàn)0.01(3,6)=9.780。

機(jī)組的提升角度對馬鈴薯的傷薯率具有非常顯著的影響，原因在于，提升角度增大，會使得馬鈴薯在分選輥上的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)減少，進(jìn)而導(dǎo)致馬鈴薯迅速完成整個(gè)清選分選過程，受到的摩擦力減少。反之，馬鈴薯被摩擦的次數(shù)增加，導(dǎo)致傷薯率上升。

通過極差和方差分析，綜合考慮各試驗(yàn)因素對分選性能指標(biāo)的影響，對傷薯率影響的主次因素順序?yàn)椋簷C(jī)組提升角度、機(jī)組轉(zhuǎn)速和上料量；對分選清潔率影響的主次因素順序?yàn)椋荷狭狭?、機(jī)組轉(zhuǎn)速和機(jī)組提升角度。按照馬鈴薯的傷薯率較低，兼顧分選清潔率較高的原則，從而確定了A4B1C4的較優(yōu)參數(shù)組合，即機(jī)組轉(zhuǎn)速為145 r/min，上料量為20 t/h，機(jī)組提升角度為12°，并且該參數(shù)組合是正交試驗(yàn)過程中的其中一組試驗(yàn)方案，故對該參數(shù)組合進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)研究，而且，由于較優(yōu)參數(shù)組合發(fā)生在所選參數(shù)取值的邊界處，因此進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果如表4所示。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of verification test

根據(jù)重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果，在參數(shù)組合A4B1C4下，馬鈴薯的傷薯率為0.773%，分選清潔率為95.42%，與正交試驗(yàn)時(shí)的結(jié)果基本一致。由1號驗(yàn)證試驗(yàn)，保持A4、B1不變，機(jī)組提升角度C取值為13°(最大角度)，試驗(yàn)結(jié)果傷薯率為0.734%，分選清潔率為94.22%，可見傷薯率有所降低，但分選清潔率降低了1.2個(gè)百分點(diǎn)，故根據(jù)分選性能指標(biāo)的評價(jià)原則，判定機(jī)組提升角度12°優(yōu)于13°；由2號驗(yàn)證試驗(yàn)，保持B1、C4不變，機(jī)組的轉(zhuǎn)速A增大至160 r/min(機(jī)組最高轉(zhuǎn)速)，試驗(yàn)結(jié)果傷薯率為0.815%，分選清潔率為94.67%，可見傷薯率有所上升，分選清潔率有所下降，故機(jī)組轉(zhuǎn)速145 r/min優(yōu)于160 r/min；由3號驗(yàn)證試驗(yàn)，保持A4、C4不變，上料量降低為18 t/h，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)果傷薯率為0.867%，分選清潔率為95.57%，可見傷薯率明顯上升，原因在于馬鈴薯在清選裝置、分選裝置上的摩擦?xí)r間增長，雖然分選清潔率略有上升，但綜合考慮機(jī)器的作業(yè)效率和性能評價(jià)原則，上料量20 t/h優(yōu)于18 t/h。

綜上，驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在A4B1C4這一組合，即機(jī)組轉(zhuǎn)速為145 r/min，上料量為20 t/h，機(jī)組提升角度為12°條件下機(jī)器的傷薯率最低，分選清潔率最高，為該馬鈴薯清選分選機(jī)的最優(yōu)作業(yè)性能參數(shù)組合。

5 結(jié)論

(1)闡述了撥輥推送式馬鈴薯清選分選機(jī)的主要機(jī)構(gòu)參數(shù)和工作原理，為馬鈴薯分選機(jī)械的設(shè)計(jì)研究提供了理論依據(jù)。

(2)分析了馬鈴薯在該機(jī)器的清選裝置、分選裝置上的力學(xué)特性，為馬鈴薯分選機(jī)械的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論參考。

(3)通過正交試驗(yàn)確定了影響機(jī)器清選分選性能指標(biāo)的3個(gè)因素的主次順序。影響傷薯率的主次因素順序?yàn)椋簷C(jī)組提升角度、機(jī)組轉(zhuǎn)速和上料量；影響分選清潔率的主次因素順序?yàn)樯狭狭?、機(jī)組轉(zhuǎn)速和機(jī)組提升角度。

(4)經(jīng)極差分析和方差分析確定了最優(yōu)參數(shù)組合：機(jī)組轉(zhuǎn)速為145 r/min，上料量為20 t/h，機(jī)組提升角度為12°，并且驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果表明這一組合確實(shí)為最優(yōu)參數(shù)組合，在該條件下，機(jī)器的傷薯率為0.773%、分選清潔率為95.42%。

1 KANG Wenqin, FAN Mingshou, MA Zhong, et al.Luxury absorption of potassium by potato plants[J].American Journal of Potato Research,2014,91(5):573-578.

2 ZHOU K, JENSEN A L, BOCHTIS D D.Simulation model for the sequential in-field machinery operations in a potato production system[J].Computers and Electronics in Agriculture,2015,116(8):173-186．

3 謝從華.馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會科學(xué)版, 2012,31(1):1-4.

XIE Conghua.Potato industry status and development[J].Journal of Huazhong Agricultural University:Social Sciences Edition,2012,31(1):1-4.(in Chinese)

4 柳俊.我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào), 2011,13(5):13-18.

LIU Jun.Research status and prospects of potato industry in China[J].Journal of Agricultural Science and Technology,2011,13(5):13-18.(in Chinese)

5 呂金慶,田忠恩,楊穎, 等.馬鈴薯機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(12):258-263.

LV Jinqing,TIAN Zhongen,YANG Ying, et al.The development situation, existing problems and development trend of potato machinery[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2015,37(12):258-263.(in Chinese)

6 劉洪義, 朱曉民, 譚海林, 等.馬鈴薯分級生產(chǎn)線及其關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(4):84-86.

LIU Hongyi, ZHU Xiaomin, TAN Hailin, et al.The design of potato grading production line and its key equipment[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2010,32(4):84-86.(in Chinese)

7 申屠留芳, 韋奇, 鞏尊國, 等.馬鈴薯分選機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(8):114-117.

SHENTU Liufang, WEI Qi, GONG Zunguo,et al.Design of potato sorter[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2014,36(8):114-117.(in Chinese)

8 常超, 魏宏安.基于馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的分級裝置研究與設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2014,34(2):43-44.

CHANG Chao, WEI Hongan.Research and design of grading device based on potato combine harvester[J].Agriculture and Technology, 2014,34(2):43-44.(in Chinese)

9 程鵬飛, 于文強(qiáng), 李學(xué)強(qiáng), 等.馬鈴薯輸送線動(dòng)堆積角與輸運(yùn)效率優(yōu)化分析計(jì)算[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(7):95-99.

CHENG Pengfei, YU Wenqiang, LI Xueqiang,et al.The analysis between dynamic pile angle and transportation speed on the transportation equipment of potatoes[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2016,38(7)：95-99.(in Chinese)

10 楊然兵, 楊紅光, 尚書旗, 等.撥輥推送式馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(7):119-126.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160717&flag=1&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.ssn.1000-1298.2016.07.017.

YANG Ranbing, YANG Hongguang, SHANG Shuqi, et al.Design and test of poking roller shoving type potato harvester[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(7):119-126.(in Chinese)

11 BENTINI M, CAPRARA C, MARTELLI R.Harvesting damage to potato tubers by analysis of impacts recorded with an instrumented sphere[J].Biosystems Engineering,2006, 94(1):75-85.

12 桑永英, 張東興, 賈晶霞, 等.馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)輸送臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)防碰仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(11):52-55.

SANG Yongying, ZHANG Dongxing, JIA Jingxia, et al.Development of virtual prototype of potato harvester elevator[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2007,38(11):52-55.(in Chinese)

13 孫軍, 于文強(qiáng), 李學(xué)強(qiáng), 等.馬鈴薯分選輸送線靜力學(xué)分析與計(jì)算方法[J].食品與機(jī)械, 2015,31(5):89-92.

SUN Jun, YU Wenqiang, LI Xueqiang, et al.Analysis and calculation method of potato sorting conveyor line statics[J].Food & Machinery,2015,31(5):89-92.(in Chinese)14 劉少達(dá), 李壯哲, 蔡曉玲, 等.一種南方馬鈴薯分級裝置的力學(xué)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(4):48-50.

LIU Shaoda, LI Zhuangzhe, CAI Xiaoling, et al.Mechanics analysis of south potatoes classification device[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2015,37(4):48-50.(in Chinese)

15 桑永英, 張東興, 張梅梅.馬鈴薯碰撞損傷試驗(yàn)研究及有限元分析[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,13(1):81-84.

SANG Yongying, ZHANG Dongxing, ZHANG Meimei.Study on bruising damage experiment of potato and finite element analysis[J].Journal of China Agricultural University,2008,13(1):81-84.(in Chinese)

16 金鑫, 杜新武, 王世光, 等.胡蘿卜收獲機(jī)根莖分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(3):82-89.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160312&flag=1&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.03.012.

JIN Xin, DU Xinwu, WANG Shiguang, et al.Design and experiment of stems cutting device for carrot harvester[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(3):82-89.(in Chinese)

17 劉海超, 王春光, 顧麗霞.馬鈴薯在擺動(dòng)分離篩上的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2013,34(1):70-72.

LIU Haichao, WANG Chunguang, GU Lixia.Experimental study on dynamics of potatoes on the separation of potato harvester[J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization,2013,34(1): 70-72.(in Chinese)

18 劉海超.馬鈴薯在擺動(dòng)分離篩上的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

LIU Haichao.The experimental study on dynamics of potatoes on the separation of potato digger[D].Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University,2012.(in Chinese)

19 呂金慶, 田忠恩, 楊穎, 等.4U2A型雙行馬鈴薯挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(6):17-24.

LV Jinqing, TIAN Zhongen, YANG Ying, et al.Design and experimental analysis of 4U2A type double-row potato digger[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31(6):17-24.(in Chinese)

20 魏宏安, 王蒂, 連文香, 等.4UFD-1400 型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(1)：11-17.

WEI Hongan, WANG Di, LIAN Wenxiang, et al.Development of 4UFD-1400 type potato combine harvester[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,29(1): 11-17.(in Chinese)

21 吳建民, 李輝, 孫偉, 等.撥指輪式馬鈴薯挖掘機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010, 41(12):76-79.

WU Jiamin, LI Hui,SUN Wei, et al.Design of potato digger in poke finger’s wheel type[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2010,41(12):76-79.(in Chinese)

22 石林榕,吳建民,趙武云,等.圓盤柵式馬鈴薯挖掘機(jī)的研制與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(24):15-21.

SHI Linrong, WU Jianmin, ZHAO Wuyun, et al.Design and experiment on potato digger of disc ce-grate type[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2012,28(24): 15-21.(in Chinese)

DesignandExperimentofPotatoCleaningandSortingMachine

WANG Xiangyou1SUN Jingbin1XU Yingchao1LI Xueqiang2CHENG Pengfei3

(1.SchoolofAgriculturalEngineeringandFoodScience,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255000,China2.ShandongXichengAgriculturalMachineryScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Dezhou253600,China3.SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255000,China)

In order to solve the problems of poor separation effect, high damage rate and low working efficiency of the existing potato cleaning and sorting machine, a poking roller shoving type potato cleaning and sorting machine was designed.The working mechanism of the potato cleaning machine was described, and the structural parameters of the cleaning device and the sorting device were determined.And the mechanical properties of potato during cleaning and sorting process were analyzed.The orthogonal test was carried out with the unit speed, feeding amount and unit lifting angle as experimental factors, the damaged rate and sorting cleaning rate as experimental indexes.The test results were analyzed by using the data processing software, and it showed that the primary and secondary factors influencing the damaged rate were as follow: unit lifting angle, rotating speed and feeding amount; and the factors affecting the sorting cleaning rate were as follow: feeding amount, unit speed and unit lifting angle.According to the principle of low damage rate and good cleaning rate, the optimum experimental parameters combination were as follow: the unit speed of 145 r/min, the feeding account of 20 t/h, and the unit lifting angle of 12°.And verifying test results were as follows as follow: the damage rate of potato was 0.773% and the sorting cleaning rate was 95.42%, which met the requirement of potato cleaner.The research provided a reference for further reducing the damage rate and optimizing the parameter of potato sorting machine.

potato； sorting machine； shifting roller； mechanical analysis； orthogonal test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.040

S226.5

A

1000-1298(2017)10-0316-07

2017-05-28

2017-07-26

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701603-02)和山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2017YF056)

王相友(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備研究，E-mail: wxy@sdut.edu.cn