粘重土壤下馬鈴薯挖掘機分離輸送裝置改進設(shè)計與試驗

呂金慶 孫 賀 兌 瀚 彭曼曼 于佳鈺

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

粘重土壤下馬鈴薯挖掘機分離輸送裝置改進設(shè)計與試驗

呂金慶 孫 賀 兌 瀚 彭曼曼 于佳鈺

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

針對升運鏈式馬鈴薯挖掘機輸送分離裝置普遍存在的在粘重土壤條件下升運鏈長度匹配性不佳等問題，設(shè)計了一種適宜粘重土壤的升運鏈輸送分離裝置。通過對該輸送分離裝置及薯土混合物的理論分析，確定了影響最佳薯土分離效果的主要因素，得到影響分離性能的升運鏈長度范圍和抖動器等結(jié)構(gòu)參數(shù)；以二級升運鏈長度、機具前進速度和升運鏈線速度為試驗因素，以明薯率、傷薯率為試驗指標進行田間試驗，試驗結(jié)果表明：二級升運鏈長度為3.1 m、機具前進速度為1.2 m/s、升運鏈線速度為1.5 m/s時，其明薯率為98.1%，傷薯率為1.1%，高于馬鈴薯挖掘機的收獲作業(yè)要求。滿足粘重土壤條件下馬鈴薯挖掘機的作業(yè)要求。

馬鈴薯挖掘機； 粘重土壤； 輸送分離裝置

引言

馬鈴薯收獲機械化是馬鈴薯全程機械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可提高勞動效率、增產(chǎn)增收[1-3]。目前我國北方粘重土壤條件下收獲機械類型較多，但收獲機械作業(yè)質(zhì)量差別較大，主要問題表現(xiàn)在升運鏈長度與粘重土壤相適匹配性差影響升運分離效果；抖動輪的安裝位置、振動幅度、振動頻率等嚴重影響薯土混合物拋散篩分，進而影響分離效果[4-5]。所以研究與粘重土壤相適宜的馬鈴薯挖掘機升運鏈式分離裝置具有重要意義。

國外發(fā)達國家多采用馬鈴薯聯(lián)合收獲機進行收獲作業(yè)，具有多種、多級的輸送分離裝置，薯土分離效果較好，但不適宜北方一季作區(qū)的粘重土壤作業(yè)和小地塊作業(yè)。我國馬鈴薯機械化收獲形式主要采用分段收獲，升運鏈式馬鈴薯挖掘機為應(yīng)用最普遍的機型，升運鏈是其關(guān)鍵輸送分離裝置[6-7]，一般為單級升運鏈或二級升運鏈，并通過加裝抖動器增加收獲過程中的薯土混合物的拋散效果，但目前我國對升運鏈裝置理論研究較少，挖掘機升運鏈長度與土壤物理特性、抖動輪工作性能等匹配不佳，導(dǎo)致薯土分離效果不佳和機械損傷大等問題，造成馬鈴薯挖掘機明薯率低等收獲質(zhì)量問題[8-10]。

針對上述問題，本文設(shè)計升運鏈式馬鈴薯挖掘機振動拋散、破碎分離輸送裝置，通過拋送分離、土壤破碎和土壤篩分的理論分析，得出適宜粘重土壤條件下的升運鏈長度范圍和抖動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過田間試驗確定最佳工作參數(shù)組合，有效提高升運鏈式馬鈴薯輸送分離裝置在粘重土壤工況下的薯土分離效果，減少馬鈴薯機械損傷。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

設(shè)計的升運鏈式馬鈴薯挖掘機為雙行，工作幅寬為1 650 mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括懸掛架、切土圓盤、挖掘鏟、壓草輪、升運鏈式分離裝置、地輪、傳動系統(tǒng)等。挖掘裝置采用浮動的切土圓盤和分體式挖掘鏟結(jié)構(gòu)，可有效降低工作阻力和強化挖掘性能。升運鏈式分離輸送裝置作為升運鏈式馬鈴薯挖掘機的主要核心部件，可對挖掘鏟運送上來的薯土混合物進行分離、篩分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與運動特性直接關(guān)系到薯土分離效果，影響收獲質(zhì)量。

圖1 升運鏈式馬鈴薯挖掘機整機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure sketch of lifting chain potato digger1.懸掛架 2.切土圓盤 3.挖掘鏟 4.壓草輪 5.第一級升運鏈 6.第二級升運鏈 7.地輪 8.傳動系統(tǒng)

1.1 升運鏈式分離裝置結(jié)構(gòu)

升運鏈式馬鈴薯挖掘機輸送分離裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由升運鏈、前導(dǎo)向輪、后驅(qū)動輪、抖動器、張緊輪、調(diào)節(jié)臂等組成。

圖2 輸送分離裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of conveying and separating device1.前導(dǎo)向輪 2.張緊輪 3.第一級升運鏈驅(qū)動輪 4.升運鏈 5.抖動器 6.調(diào)節(jié)臂 7.第二級升運鏈驅(qū)動輪

該分離輸送裝置采用兩級升運鏈式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為滿足其輸送和破碎大塊土垡能力，設(shè)計第一級升運鏈長度為2.1 m，安裝傾角為16.5°，工作傾角可根據(jù)拖拉機牽引懸掛進行改變。第二級升運鏈安裝有抖動器，為增強其破碎和篩分土壤能力，并由各部件安裝位置關(guān)系，根據(jù)后續(xù)理論分析和試驗得第二級升運鏈長度為3.1 m。

升運鏈采用帶桿式，結(jié)構(gòu)如圖3所示，具有使用周期長、工作性能穩(wěn)定、噪聲小等優(yōu)點[5]；升運鏈桿條直徑為9～11 mm，本文設(shè)計桿條直徑為11 mm；中國馬鈴薯塊莖三軸尺寸中最小的厚度尺寸在30～80 mm之間[11]，為保證裝置有效篩分土壤和薯塊，設(shè)計桿條間距為44 mm。

圖3 升運鏈結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of lifting chain1.連接輸送帶 2.升運鏈桿條 3.鉚釘

抖動器用于拋散薯土混合物，強化分離性能，增加升運鏈所移動土壤的破碎率[12]。根據(jù)各工作部件結(jié)構(gòu)配置和整機傳動設(shè)計要求，抖動器安裝在后驅(qū)動輪的張緊邊下側(cè)，在第二級升運鏈前導(dǎo)向輪和后驅(qū)動輪中間位置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，該抖動器為雙滾子式主動型抖動器，獨立的滾子可繞自身固定軸轉(zhuǎn)動。本文馬鈴薯挖掘機作業(yè)條件為粘重土壤條件，粘重土壤為土壤質(zhì)地中粘粒(土壤顆粒粒徑小于0.001 mm)含量在30%～40%[13-14]，其特點是土壤粘結(jié)力、粘著力較大。抖動器的振幅范圍為15～60 mm[15]，為增強破碎、篩分土壤能力，設(shè)計抖動器振幅為60 mm，后續(xù)的理論分析確定抖動器工作頻率為6 Hz。由于其安裝位置和產(chǎn)生固定振幅的要求，設(shè)定滾子直徑為80 mm，其工作圓周半徑為100 mm，其轉(zhuǎn)過一周可對升運鏈產(chǎn)生兩次往復(fù)振動，增強了第二級升運鏈的拋散破碎能力。

圖4 抖動器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of jitter

1.2 工作原理

挖掘鏟挖掘出的土薯混合物，隨機具的前進而沿鏟面向上運動(如圖1所示)，進入第一級升運鏈。土薯混合物隨第一級升運鏈上升，初步篩分土壤、破裂大塊土垡，當土薯混合物運動到第一級升運鏈末端，落至第二級升運鏈上，第二級升運鏈由于抖動器作用，使升運鏈向上運動的同時伴隨產(chǎn)生一定頻率、振幅的振動，對薯土混合物產(chǎn)生輸送、分離、破碎和篩分等作用，分離出的薯塊最終被輸送到機器的末端，散落到地面上鋪放成條[16]。

2 運動特性分析及升運鏈長度確定

從兩方面進行運動分析研究：輸送分離裝置的運動和薯土混合物的運動。輸送分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接關(guān)系到薯土混合物在升運鏈上的運動狀態(tài)，進而影響收獲效果，其中升運鏈長度和抖動器的工作參數(shù)是影響薯土分離效果的主要因素。升運鏈長度過小，會造成薯土分離效果不佳、明薯率偏低等收獲問題；長度過長，會造成傷薯率偏高，且會導(dǎo)致整機結(jié)構(gòu)過長。所以，針對粘重土壤作業(yè)條件下升運鏈長度的研究具有重要意義。

2.1 輸送分離裝置的運動分析

通過抖動器周期轉(zhuǎn)動帶動升運鏈在垂直鏈面方向做上下往復(fù)振動，升運鏈的振動為簡諧運動。以垂直于鏈面的方向向上為位移的正方向，升運鏈抖動時的最低點為位移零點，得位移與時間方程

(1)

式中X——升運鏈沿垂直于鏈面方向的位移，m

A——升運鏈隨抖動輪振動的振幅，m

ω——升運鏈振動的角速度，rad/s

β——簡諧振動的初相位角，(°)

位移方程對時間t求一階導(dǎo)數(shù)，得速度方程

(2)

式中v——升運鏈沿垂直于鏈面方向的速度，m/s

位移方程對時間求二階導(dǎo)數(shù)，得升運鏈沿垂直于鏈面方向的加速度

(3)

升運鏈振動的頻率與抖動器產(chǎn)生的頻率相同，由頻率和角速度之間的關(guān)系得

ω=2πf

(4)

式中f——抖動器頻率，Hz

將公式(4)代入公式(2)和公式(3)得

v=-Afπsin(2πft+β)

(5)

a=-2π2Af2cos(2πft+β)

(6)

由式(5)和式(6)可得到抖動器作用升運鏈產(chǎn)生的振幅和頻率，對升運鏈垂直鏈面方向上速度、加速度的影響關(guān)系。

2.2 薯土混合物的運動分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

進入馬鈴薯挖掘機分離輸送裝置的薯土混合物，會經(jīng)歷多次分離、拋散、破碎、篩分等復(fù)雜過程[17]。對薯土混合物在升運鏈上被拋起過程分析，可確定抖動器結(jié)構(gòu)；土壤與馬鈴薯分離后，小于桿條間隙的土塊隨升運鏈運動被篩下，大于桿條間隙的土塊會再經(jīng)歷破碎過程再被篩分，通過對土塊破碎和篩分過程的運動學(xué)分析，計算出滿足土壤被破碎并被篩分的最大升運鏈長度范圍，進而得出與粘重土壤相匹配的升運鏈長度。

2.2.1拋送過程分析及抖動器參數(shù)的確定

在第一級升運鏈上，薯土混合物隨升運鏈的運動向后輸送，到達第二級升運鏈時，由于抖動器作用，會對薯土混合物產(chǎn)生拋散作用[11,18]。其拋散程度與抖動器的作用相關(guān)，同時為了保證向后輸送的目的，對其進行力學(xué)和運動學(xué)分析。

當升運鏈振動達到最大振幅時，薯土混合物將被拋起。對其進行力學(xué)分析如圖5所示，薯土混合物拋離升運鏈前，受升運鏈和其他薯土混合物的摩擦力f1，使其隨升運鏈向后輸送，受抖動器作用，使薯土混合物受到沿垂直于鏈面向上的慣性力W1和升運鏈對其支持力FN。建立直角坐標系，X軸方向為平行于升運鏈線速度方向，Y軸為垂直于鏈面方向，當支持力FN為零，沿Y軸建立平衡方程

W1≥m1gcosα

(7)

其中

W1=-m1a

式中m1——薯土混合物質(zhì)量，kg

α——升運鏈工作傾角，(°)

g——重力加速度，m/s2

將式(6)代入式(7)，此時的加速度取最大，得

2π2Af2≥gcosα

(8)

圖5 拋起過程力學(xué)分析Fig.5 Mechanical analysis of throwing process

圖6 薯塊的拋起輸送過程運動學(xué)分析Fig.6 Kinematic analysis of throwing and conveying process of potato

對其進行運動學(xué)分析，如圖6所示，建立直角坐標系，X軸為升運鏈線速度方向，Y軸為垂直于鏈面方向。若實現(xiàn)上行輸送條件，薯土混合物在升運鏈線速度方向分速度之和大于零，得

v0-v1cosαgt;0

(9)

式中v0——升運鏈運動線速度，m/s

v1——機具前進速度，m/s

薯土混合物脫離升運鏈被拋起的最大高度為

(10)

式中v2——分離物在垂直于鏈面方向的分速度，m/s

由式(5)可知，升運鏈沿垂直于鏈面方向的速度在上極限位置時

v2=πAf

(11)

由文獻[19]可知，薯塊被拋起高度不應(yīng)大于0.3 m，此時對馬鈴薯機械損傷較小，馬鈴薯收獲機的作業(yè)速度為0.6～1.8 m/s，升運鏈工作傾角為18°～34°。由式(8)、(10)、(11)計算得

Af≤0.38 m/s

(12)

從上述分析可知：抖動器的振幅和頻率影響著薯土混合物在升運鏈被拋起高度，當振幅、頻率滿足一定關(guān)系時，能夠增強薯土混合物的拋散作用，且減少傷薯。

根據(jù)馬鈴薯收獲機分離裝置設(shè)計要求，抖動器的頻率范圍為3～8 Hz。收獲期的馬鈴薯地塊含水率小于25%[20]，其粘著力較大，土壤多會粘結(jié)薯塊，進而對拋起后薯塊撞擊桿條時有一定保護作用。振幅和頻率過小，會造成薯土分離效果不佳；過大，會造成傷薯率偏高，還會影響升運鏈的輸送能力。根據(jù)式(12)并綜合前期研究，確定抖動器工作振幅A=60 mm，頻率f=6 Hz。

抖動器的類型可分為主動型和從動型兩種。從動型抖動器隨著升運鏈進行運動，并進行振動，受升運鏈線速度限制，其無法直接改變自身頻率大小；主動型抖動器可以自由調(diào)節(jié)自身轉(zhuǎn)速，從而改變升運鏈的振動頻率。本文設(shè)計的抖動器為主動型，設(shè)其轉(zhuǎn)速為n，則抖動器產(chǎn)生的頻率計算公式為

(13)

式中Z——抖動器凸頂數(shù)，個抖動器的轉(zhuǎn)速與拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速、減速器減速比相關(guān)，計算可得凸頂數(shù)Z=2，滿足升運鏈可拋送薯土混合物要求。

2.2.2碎土過程分析及破碎段升運鏈長度確定

在第二級升運鏈，受抖動器振動作用，主要發(fā)生土塊被破碎的過程，也包括薯塊、土壤和根須的三者分離。此過程會發(fā)生薯土混合物與抖動鏈共振，當混合物拋起后下落時，又與升運鏈桿條相碰撞，使其分離，使土塊破裂或破碎[21]。

圖7 土塊破碎過程的分析Fig.7 Analysis of crushing process

將土塊理想化為一個球體，對整個破碎過程進行分析。實際的桿條與土塊撞擊，瞬時的慣性力遠大于升運鏈自身振動對土塊產(chǎn)生的慣性力。設(shè)垂直于工作鏈面的加速度a為土塊的加速度。如圖7所示，對P點列力矩方程，若保證土塊被正常破碎，需保證其所受破碎力矩大于其內(nèi)力的吸附力矩，得

(14)

其中

(15)

式中W3、W4——兩半球體所受慣性力，N

F3、F4——土塊粘結(jié)力，N

f3、f4——土塊所受周圍物體的作用力，N

h1、h2——質(zhì)心與土塊斷裂面的垂直距離，mm

m3、m4——半球體質(zhì)量，kg

h′1、h′2——P點與重力G3、G4的垂直距離，mm

G3、G4——土塊兩分離體S3、S4的重力，N

H——土塊質(zhì)心與升運鏈鏈面垂直距離，mm

將式(3)、(15)代入式(14)得

(16)

令

(17)

得破碎力矩方程

M0=KAf2cos(2πft+β)+B

(18)

由式(18)可知，分離輸送裝置的破碎能力與抖動器產(chǎn)生的振幅A和頻率f的平方成正比。

忽略破碎過程其他物體對薯土混合物的作用力，得到土壤破碎所需的破碎力矩和升運鏈對土壤產(chǎn)生的破碎力矩為

(19)

設(shè)球體土塊的半徑為R，根據(jù)幾何關(guān)系可知

(20)

土壤的破碎難易程度與土壤強度成正比，粘結(jié)力是產(chǎn)生土壤強度的主要原因，土壤的粘結(jié)力計算式為

F=cS

(21)

式中S——土壤斷裂面的面積，cm2

c——土壤粘結(jié)強度，kPa

土壤的質(zhì)量

m=γV

(22)

式中γ——土壤容重，g/cm3

V——土壤容積，cm3

將式(20)～(22)代入式(19)，加速度函數(shù)取最大值時，升運鏈產(chǎn)生最大破碎力矩。

(23)

化簡公式，從式(23)可看出，土塊撞擊桿條所受慣性力矩為破碎土塊的最主要的力矩。破碎過程中，土塊會沿慣性力矩方向和土塊粘結(jié)力方向發(fā)生微小位移，慣性力矩和土塊內(nèi)部粘結(jié)力矩在其方向上做功，在數(shù)值上，將慣性力矩和土塊內(nèi)部粘結(jié)力矩視為升運鏈產(chǎn)生破碎能和土塊破碎所需能量[22]，則

γAf2π3R4=Ei

(24)

πR3c=E

(25)

式(24)為升運鏈對土塊產(chǎn)生一次破碎沖擊的能量，式(25)為土塊徹底破碎所需要的總能量。

土塊徹底破碎所需要的比沖擊破碎能為[23-24]

(26)

升運鏈對土塊產(chǎn)生一次比沖擊破碎能

(27)

升運鏈可破碎土塊的沖擊次數(shù)為

(28)

一般旱作土壤耕作層容重為1.0～1.3 g/cm3，收獲期馬鈴薯地塊的土壤容重較大，取土壤容重γ=1.3 g/cm3。北方作業(yè)區(qū)粘黑鈣土收獲期土壤含水率為15%～24%，土壤的平均粘結(jié)強度c為10～12 kPa，計算取最大粘結(jié)強度為c=12 kPa。

本文設(shè)計升運鏈桿條間隙為33 mm，若被破碎后，可篩下的土塊半徑Rlt;16.5 mm，取破碎前土塊半徑R=33 mm。代數(shù)計算，得ni=13.12，取整數(shù)ni=14，即經(jīng)過升運鏈對土塊振動沖擊14次達到土塊被破碎所需破碎能，升運鏈產(chǎn)生加速度滿足簡諧振動，一個周期內(nèi)產(chǎn)生兩次沖擊最大值，方向相反，即升運鏈簡諧運動經(jīng)過ni/2個周期，土塊破碎。則土塊破碎過程所經(jīng)過的長度為

(29)

式中T——升運鏈簡諧運動的周期，s

馬鈴薯收獲機升運鏈的線速度一般在1.0～1.6 m/s為宜[17,25]。計算得土塊破碎過程所經(jīng)過的長度S1在1.17～1.87 m范圍內(nèi)，即需要升運鏈長度L1為1.17～1.87 m。

2.2.3篩分過程分析及篩分段升運鏈長度確定

被破碎后土塊的直徑小于升運鏈的桿條間隙時，隨升運鏈振動向后輸送時，由于慣性力的作用沿桿條間隙被篩下。土塊篩分的主要形式是土塊從桿條間隙中漏過。將土塊理想化為球狀散粒體，建立土壤篩分過程的運動模型，如圖8所示，土球完成在升運鏈桿條間篩分所走過的沿垂直鏈面方向的位移為hs，由位移與時間關(guān)系可知

(30)

式中a0——重力加速度沿垂直鏈面方向分量，m/s2

vs——垂直于鏈面方向的速度，m/s

d0——被篩分的土球直徑，mm

d——桿條直徑，mm

t0——土球被篩下所用時間，s

圖8 土球篩分過程分析Fig.8 Analysis of screening of soils

升運鏈抖動使土球具有沿垂直于升運鏈鏈面的方向速度vs，即

vs=-Afπsin(2πft+β)

(31)

當vs沿垂直于鏈面方向向上時，數(shù)值最大，即

vsmax=Afπ

(32)

可被篩分的土球直徑最大為33 mm時，位移hs最大，土球被篩分所經(jīng)歷時間最長。計算得土球被篩分經(jīng)歷最長時間為0.17 s。即被破碎后小于桿條間隙的土塊完成篩分過程需要0.17 s，此時土球沿升運鏈線速度方向運動的位移為

S2=v0t

(33)

即直徑小于桿條間隙的土球篩分過程所需要的升運鏈長度L2=S2，計算得L2為0.17～0.27 m。

根據(jù)土塊被破碎和篩分過程的分析，可計算出完成土塊破碎和分離需要的升運鏈長度L1+L2為1.34～2.14 m，則計算出在粘重土壤條件下，提高薯、土分離能力的馬鈴薯挖掘機升運鏈長度為2.7～4.3 m。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2016年9月末在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地(作業(yè)面積4 hm2、黑粘土)、黑龍江省克山(作業(yè)面積3 hm2、黑粘土)進行了田間收獲試驗。試驗地為旱地壟播，試驗區(qū)的壟長大于500 m，壟距為800 mm，壟高280 mm，土壤含水率為18.8%。品種為：大西洋、克新19，壟播株距約為200 mm，結(jié)薯深度為150～300 mm。馬鈴薯挖掘機配套動力為泰山1004型拖拉機，功率為88.4 kW，田間作業(yè)情況如圖9所示。

圖9 收獲試驗Fig.9 Harvest experiment

3.2 試驗方法及試驗?zāi)康?/p>

根據(jù)國家行業(yè)標準《NY/T 648—2002馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的試驗方法，在壟播旱地類型馬鈴薯種植田地進行收獲試驗。為測定升運鏈式馬鈴薯挖掘機輸送分離裝置在粘重土壤條件下的分離輸送性能，考慮影響其土薯分離效果的主要因素[26]，以升運鏈長度、機具前進速度、升運鏈線速度為試驗因素；以明薯率和傷薯率作為本試驗評價指標，進行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。收獲試驗后，隨機取兩行長度為10 m的試驗區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集測量，每組試驗重復(fù)3次。

3.3 試驗方案與結(jié)果分析

3.3.1試驗方案及結(jié)果

采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計安排試驗，以明薯率和傷薯率為試驗指標，各試驗因素水平范圍為：機具的前進速度為0.6～1.8 m/s、升運鏈的線速度為0.8～2.4 m/s，根據(jù)理論分析部分所得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選定升運鏈的長度為2.5～4.5 m。通過試驗結(jié)果分析，得到影響試驗指標的3個因素的顯著性，并進行分析，根據(jù)實際需求對各參數(shù)組合進行優(yōu)化，最終獲得較合適的各因素水平組合。試驗因素水平編碼如表1所示，試驗方案與試驗結(jié)果如表2所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Experimental factors and levels

3.3.2試驗結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合，得到明薯率Y1和傷薯率Y2的回歸方程，并進行顯著性檢驗。

(1)明薯率Y1

(34)

對上述回歸方程進行失擬檢驗，結(jié)果如表3所示，試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關(guān)系，分析結(jié)果合理。

表2 試驗方案與試驗結(jié)果Tab.2 Test plan and experimental data

(2)傷薯率Y2

(35)

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，結(jié)果如表4所示，驗證分析結(jié)果合理。

3.3.3響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)的處理，得出二級升運鏈長度x1、機具前進速度x2、升運鏈線速度x3之間的顯著和較顯著交互作用對明薯率Y1、傷薯率Y2兩個試驗指標影響的響應(yīng)曲面，如圖10所示。

如圖10a所示，當二級升運鏈長度一定時，明薯率Y1整體上隨機具前進速度的增加呈先增加后減小趨勢，最優(yōu)的機具前進速度范圍為0.8～1.6 m；當機具前進速度一定時，明薯率Y1整體上與二級升運鏈長度成正相關(guān)，最佳的升運鏈長度范圍為3.7～4.5 m，其中，二級升運鏈長度是影響明薯率的主要試驗因素。

表3 明薯率Y1方差分析Tab.3 Variance analysis for obvious rate

注：“/”后面數(shù)字為剔除不顯著因素后明薯率Y1方差分析結(jié)果。*** 表示極顯著(Plt;0.01)；** 表示顯著(0.01lt;Plt;0.05)；*表示較顯著(0.05lt;Plt;0.10)。下同。

表4 傷薯率Y2方差分析Tab.4 Variance analysis for injury rate

圖10 明薯率和傷薯率的雙因素響應(yīng)曲面Fig.10 Response surfaces of double parameters about obvious rate and injury rate

如圖10b所示，二級升運鏈長度一定時，明薯率Y1隨著升運鏈線速度的增加呈先增加后減小趨勢，最優(yōu)的升運鏈線速度范圍為1.1～1.8 m；當升運鏈線速度一定時，明薯率Y1與二級升運鏈長度成正相關(guān)，最優(yōu)的二級升運鏈長度在4.1～4.5 m范圍內(nèi)，其中，二級升運鏈長度是影響明薯率的主要試驗因素。

如圖10c所示，當二級升運鏈長度一定時，傷薯率Y2整體上隨著機具前進速度的增加而減小，最佳的機具前進速度范圍為1.1～1.8 m/s；當機具前進速度一定時，傷薯率Y2隨二級升運鏈長度的增大而逐漸增大，最佳的二級升運鏈長度范圍為2.5～3.7 m，其中，影響傷薯率Y2的主要試驗因素是二級升運鏈長度。

3.3.4參數(shù)優(yōu)化與驗證

通過對圖10中3個響應(yīng)曲面的分析，為得到最佳的試驗因素水平組合，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對3個回歸模型進行求解，根據(jù)馬鈴薯挖掘機收獲作業(yè)的實際工作條件、作業(yè)性能要求及上述相關(guān)模型分析結(jié)果，選擇優(yōu)化約束條件[27]為

(36)

通過優(yōu)化求解，得到二級升運鏈長度范圍為3.1～4.1 m，機具前進速度為1.0～1.6 m/s，升運鏈線速度為1.3～1.6 m/s時，分離裝置輸送分離性能最好，明薯率為98.1%～98.7%，傷薯率為0.9%～1.2%。

3.4 驗證試驗

驗證試驗的試驗條件、試驗測試方法與正交試驗相同，比較經(jīng)過改進設(shè)計和優(yōu)化調(diào)節(jié)后的明薯率和傷薯率與標準指標值之間的差異，進而驗證該升運鏈式馬鈴薯分離輸送裝置的分離輸送性能。

考慮到加工和實際的作業(yè)要求，升運鏈式分離輸送裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)選擇為：二級升運鏈長度為3.1 m、機具前進速度為1.2 m/s、升運鏈線速度為1.5 m/s，相對應(yīng)優(yōu)化的試驗指標明薯率為98.1%、傷薯率為1.1%。將上述因素水平進行驗證試驗，其中測量結(jié)果為3次測量的平均值，與相關(guān)評價標準進行結(jié)果對比[28]。

驗證試驗結(jié)果表明，本設(shè)計的升運鏈式分離輸送裝置其明薯率為98.3%、傷薯率為1.0%，與優(yōu)化所得結(jié)果基本一致，且均明顯優(yōu)于相關(guān)標準。其明薯率較高，是由于升運鏈長度足夠長，能夠?qū)ⅠR鈴薯與土壤分離，大部分土塊被篩分，減少了馬鈴薯被輸送后方時的土壤量，且機具前進速度和升運鏈線速度等工作參數(shù)合理，分離效果提升，明薯率提高；傷薯率較低，主要是由于升運鏈長度設(shè)計合理，在滿足篩分前提下，盡量減少馬鈴薯與桿條直接接觸的升運鏈行程范圍，減少碰撞，降低了傷薯率。驗證試驗表明相關(guān)優(yōu)化組合合理，按優(yōu)化參數(shù)調(diào)節(jié)后的升運鏈式分離裝置提高粘重土壤條件下的薯土分離效果，滿足作業(yè)要求。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計的升運鏈式分離輸送裝置，能夠滿足粘重土壤條件下的馬鈴薯收獲作業(yè)。升運鏈長度和抖動器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，增加了對薯土混合物拋散、分離的作用，提高了破碎、篩分土壤能力，提升了馬鈴薯挖掘機作業(yè)效率。

(2)進行田間試驗，建立試驗指標與影響因素的回歸模型，并進行優(yōu)化求解，試驗結(jié)果表明：當二級升運鏈長度為3.1 m、機具前進速度為1.2 m/s、升運鏈線速度為1.5 m/s時，相對應(yīng)的試驗指標明薯率為98.1%、傷薯率為1.1%，各項指標均優(yōu)于國家行業(yè)標準。

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DesignandExperimentonConveyorSeparationDeviceofPotatoDiggerunderHeavySoilCondition

Lü Jinqing SUN He DUI Han PENG Manman YU Jiayu

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Aiming at the problems that the length of lifting chain, jitter separation ability and separation effect of the mixture of potatoes were not matched, the new type of lifting chain device of potato digger under the condition of heavy soil was designed. Based on the theoretical analysis of the separation, deliver and disintegration of the mixture and the mixture of potato and soil on the lifting chain, the main factors influenced the separation effect of the dispersion and crushing were obtained, and the range of lifting chain length and structure parameters of jitter that affected the process of transportation was got. The combination design of orthogonal and quadratic regression equation for the flail was adopted. Taking the length of the second elevator chain, forward speed of machine and velocity of lifting chain as the experimental factors, the field experiment was carried out to test the obvious potato rate and the injured potato rate. The test was implemented in agricultural sciences of academy in Heilongjiang Province at the beginning of September, 2016. The experimental data was processed and optimized by software Design-Expert 8.0.6. The importance of main factors affecting obvious rate was the second elevator chain length and the forward speed of machine. The importance of main factors affecting injury rate was the second elevator chain length, the forward speed of machine and the velocity of the lift chain. Test results showed that when the second elevator chain length was 3.1 m, the forward speed of machine was 1.2 m/s, lifting chain line speed was 1.5 m/s, the obvious potato rate was 98.1%, and the injured potato rate was 1.1%. The function of machine was fully suitable for the potato excavator harvesting requirements. The relationship between the structure and position of jitter on digger, the installation position of the jitter, and the effects of separation and dripped of potato that suited the condition of heavy soil was determined. The research provided an important theoretical support and reference for the improvements and optimization of the lifting chain conveyor separation parts on potato digger.

potato digger; sticky soil; conveyor separation device

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.018

S225.7

A

1000-1298(2017)11-0146-10

2017-06-02

2017-09-03

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0701600、2017YFD0700705)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金項目(CARS-10-P22)、黑龍江省重大科技攻關(guān)項目(GA15B401)和北方馬鈴薯全程機械化科研基地項目

呂金慶(1970—)，男，研究員，主要從事馬鈴薯新型技術(shù)及裝備研究，E-mail： ljq8888866666@163.com