擺動分離篩參數(shù)對馬鈴薯運動特性的影響

謝勝仕，王春光，鄧偉剛，李　靖

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

0　引言

擺動分離篩作為升運鏈—擺動篩組合式馬鈴薯挖掘機最后一個對薯土混合物進行分離的工作部件，是實現(xiàn)薯土分離的核心裝置，其工作性能直接影響著馬鈴薯挖掘機整機的工作性能[1-2]。不同的結(jié)構和工作參數(shù)會有不同的薯土分離效果，其原因是：不同的分離篩參數(shù)會導致分離篩上馬鈴薯運動特性的差異，從而影響分離篩性能。因此，明確分離篩上馬鈴薯的運動特性參數(shù)隨分離篩參數(shù)的變化規(guī)律，對于合理解釋分離篩參數(shù)對分離篩性能的影響具有重要意義。

目前，關于擺動分離篩參數(shù)對馬鈴薯運動特性影響的相關報道中，集中于運用數(shù)值仿真和試驗手段研究曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角等分離篩參數(shù)對馬鈴薯的加速度、速度、拋離篩面次數(shù)、運動時間等運動學參數(shù)的影響[3-7]；而關于機器前進速度對馬鈴薯運動特性影響的相關報道較少，并且在馬鈴薯運動特性參數(shù)的選取中也未考慮馬鈴薯拋離篩面高度這一影響薯土分離效果和質(zhì)量的重要參數(shù)。同時結(jié)合理論計算結(jié)果綜合分析分離篩參數(shù)對馬鈴薯絕對運動速度的相關報道較少，研究內(nèi)容集中于無土篩面上馬鈴薯的運動特性，而針對有土篩面上馬鈴薯運動特性的研究卻未見報道。

基于此，本文以單顆馬鈴薯為研究對象，利用高速攝像機實時拍攝不同分離篩參數(shù)時馬鈴薯相對分離篩的運動影像，對比分析無土篩面和有土篩面上馬鈴薯的絕對運動速度和拋離篩面最大高度等運動學參數(shù)隨分離篩參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合理論分析結(jié)果解析不同分離篩參數(shù)及篩面條件下馬鈴薯運動特性產(chǎn)生差異的原因，為深入剖析分離篩性能隨分離篩參數(shù)的變化規(guī)律提供依據(jù)。

1　分離篩總體結(jié)構及工作原理

1.1　分離篩總體結(jié)構

4SW-170型馬鈴薯挖掘機主要由機架、挖掘鏟、升運鏈和分離篩等組成，如圖1所示。其中，分離篩包括傳動軸、減速箱、鏈輪傳動機構、轉(zhuǎn)軸、曲柄、連桿、前后擺桿、篩角調(diào)節(jié)機構、側(cè)板和篩桿。

1.2　分離篩工作原理

機組作業(yè)時，以馬鈴薯、土壤為主，摻雜少量根系和雜草所組成的薯土混合物被挖掘鏟掘起后由升運鏈運送至擺動分離篩，分離篩在曲柄和連桿機構的驅(qū)動下往復運動進行薯土分離，土壤透過篩桿間隙落至地面，薯塊被輸送至篩尾成條鋪放于地面[3,8-9]。

1.切土圓盤　2.機架　3.挖掘鏟　4.鏈輪傳動機構 5.傳動軸　6.減速箱　7.轉(zhuǎn)軸　8.升運鏈　9.上層篩 10.下層篩　11.側(cè)板　12.后擺桿　13.篩角調(diào)節(jié)機構 14.前擺桿　5.行走輪　16.連桿　17.曲柄

2　馬鈴薯拋離分離篩高度分析

根據(jù)預試驗結(jié)果可知：為保證在相同分離篩參數(shù)條件下，獲得無土和有土篩面上馬鈴薯運動特性隨分離篩參數(shù)的變化規(guī)律，必須使薯土混合物拋離篩面才能在同一試驗中同時具備無土和有土篩面的試驗條件。根據(jù)參考文獻[2-3]可知：馬鈴薯由靜止到拋離篩面前會相對分離篩正向滑動一段時間，馬鈴薯相對分離篩正向滑動時的受力分析如圖2所示。圖2中，x、y組成馬鈴薯相對分離篩運動的相對坐標系；α為篩面傾角(°)；FN為馬鈴薯受到的分離篩的支持力(N)；Ff為馬鈴薯相對分離篩的摩擦力(N)；m為馬鈴薯質(zhì)量(kg)；g為重力加速度(m/s2)。

圖2　馬鈴薯相對分離篩正向滑動時的受力分析

馬鈴薯拋離篩面的臨界條件為FN=0，即

rω2cosωtsin(β+α)=gcosα

(1)

式中r—曲柄半徑(mm)；

ω—曲柄角速度(rad/s)；

t—時間(s)；

β—分離篩的振動方向角(°)。

由式(1)可求得馬鈴薯拋離分離篩的時間t0。

馬鈴薯拋離篩面運動過程中相對分離篩y方向的受力平衡方程為

(2)

式中ay—分離篩的加速度在y軸的分量(m/s2)，ay=-rω2sinωtsin(β+α)；

馬鈴薯拋離篩面后相對分離篩y方向的加速度為

(3)

根據(jù)式(3)可得到馬鈴薯拋離篩面后相對分離篩y方向的速度為

g(t-t0)cosα

(4)

馬鈴薯拋離篩面的高度為

(5)

3　試驗條件與方法

3.1　試驗條件與設備

2016年10月初，在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院作物種植基地進行了田間試驗。試驗前1周除秧除草，試驗地塊平坦，砂壤土平作，作業(yè)面積約1hm2，土壤含水率13.1%，土壤硬度277N/cm2。馬鈴薯品種為內(nèi)蒙古中西部地區(qū)廣泛種植的克新1號，行距800mm，株距350mm，結(jié)薯深度150～180mm。

試驗機型為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學自行研制的4SW-170型馬鈴薯挖掘機，配套動力為66.18kW輪式拖拉機。所用儀器設備有高速攝像系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)速儀、皮尺及秒表等。高速攝像系統(tǒng)包括美國Vision Research公司生產(chǎn)的Phantom Miro2高速數(shù)字攝像機和計算機，高速數(shù)字攝像機分辨率為640×480像素，幀速為200幀/s；光電轉(zhuǎn)速儀為臺灣SAMPO公司生產(chǎn)的TD2234B光電轉(zhuǎn)速儀，準確度為±0.05%，量程為1～99 999r/min，分辨率為0.1r/min。

3.2　試驗設計與方法

3.2.1試驗指標

1)馬鈴薯絕對運動速度。根據(jù)參考文獻[3]中理論分析公式，計算馬鈴薯絕對運動速度理論值。

回放馬鈴薯相對分離篩運動的高速影像，將不同分離篩參數(shù)時無土和有土篩面上馬鈴薯相對分離篩x方向的位移除以運動時間，得到無土和有土篩面上馬鈴薯絕對運動速度的試驗值。

2)馬鈴薯拋離篩面的最大高度。由式(5)可知，馬鈴薯拋離分離篩高度最大值的絕對值即為馬鈴薯拋離篩面的最大高度，即

(6)

式中h′—馬鈴薯拋離篩面的最大高度(m)。

結(jié)合文獻[2]，將分離篩參數(shù)代入式(6)中計算得到馬鈴薯拋離篩面的最大高度的理論值。

回放馬鈴薯相對分離篩運動影像，對照標尺得到不同分離篩參數(shù)時無土和有土篩面上馬鈴薯拋離篩面最大高度的試驗值。

3.2.2試驗因素及水平

根據(jù)理論分析結(jié)果可知，馬鈴薯拋離篩面高度主要與曲柄半徑r、曲柄轉(zhuǎn)速n(n=30ω/π)、篩面傾角α和振動方向角β等參數(shù)有關。結(jié)合生產(chǎn)實踐經(jīng)驗可知，機器前進速度也是影響馬鈴薯運動特性的重要因素。因此，確定曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角和機器前進速度作為試驗因素。通過改變傳動鏈輪齒數(shù)調(diào)節(jié)曲柄轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)篩角調(diào)節(jié)機構改變篩面傾角，調(diào)節(jié)拖拉機檔位改變機器前進速度。試驗因素及水平如表1所示。

表1　試驗因素及水平

為保證在分離篩結(jié)構和工作參數(shù)相同的情況下分析無土和有土篩面上馬鈴薯的運動特性，通過觀察預試驗中采集的馬鈴薯相對分離篩的運動影像發(fā)現(xiàn)：同一試驗條件下，篩面長度100～600mm范圍內(nèi)的分離篩上各位置處薯土混合物分布厚度基本相同，滿足分析有土篩面上馬鈴薯運動特性的需要。因此，取篩面長度100～600mm范圍內(nèi)的擺動分離篩作為有土篩面；在篩面長度600～1 100mm范圍內(nèi)的分離篩上，能夠捕捉到不受其他物料干擾的馬鈴薯的運動信息。因此取篩面長度600～1 100mm范圍內(nèi)的擺動分離篩作為無土篩面。

3.2.3試驗方法

在分離篩一側(cè)的擋板上距離篩面前端點100mm處起平均分布10段標尺(見圖3)，每段標尺的間距為100mm，用以確定有土和無土篩面的范圍，標尺單元格長度為30mm，用以統(tǒng)計薯土混合物分布厚度及馬鈴薯拋離篩面高度。試驗時，首先把高速攝像機置于準備記錄狀態(tài)，然后啟動拖拉機開始作業(yè)，待機器運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后高速攝像機開始記錄分離篩上馬鈴薯的運動狀況。參照《NY/T 648—2015馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術規(guī)范》中的試驗方法[10]，采集10m穩(wěn)定測試區(qū)數(shù)據(jù)后結(jié)束記錄過程，完成一次測試，試驗數(shù)據(jù)自動存儲至計算機。試驗完成后回放影像，對照標尺統(tǒng)計無土和有土篩面上馬鈴薯的絕對運動速度和拋離篩面的最大高度。每組試驗重復3次，試驗結(jié)果取平均值。

圖3　標尺分布

4　試驗結(jié)果與分析

4.1　曲柄轉(zhuǎn)速對馬鈴薯運動特性的影響

篩面傾角為7.7°、機器前進速度為1.69km/h時，曲柄轉(zhuǎn)速對無土篩面和有土篩面上馬鈴薯絕對運動速度和拋離篩面最大高度的影響規(guī)律如表2所示。

由表2可知：隨著曲柄轉(zhuǎn)速的升高，馬鈴薯絕對運動速度理論值與試驗值均增大；無土篩面上馬鈴薯絕對運動速度試驗值均大于理論值，曲柄轉(zhuǎn)速為161r/min和180r/min時試驗值與理論值差異不顯著，曲柄轉(zhuǎn)為205r/min和230r/min時試驗值與理論值差異顯著。這是因為無土篩面上所選取的分析對象為無其他物料干擾的馬鈴薯，由于馬鈴薯形狀和自身彈性的影響，使其拋離篩面后相對分離篩x方向的正向運動速度較理論值大，造成馬鈴薯絕對運動速度試驗值高于理論值；曲柄轉(zhuǎn)速較小時，馬鈴薯拋離篩面的高度較低，與分離篩桿的碰撞作用力較小，馬鈴薯彈性變形較小，致使馬鈴薯相對分離篩x方向的絕對運動速度理論值與無土篩面上馬鈴薯絕對運動速度的試驗值差異不明顯；而曲柄轉(zhuǎn)速較高時，馬鈴薯落至篩面后與分離篩桿的碰撞作用力大，彈性變形大，使馬鈴薯相對分離篩x方向的絕對運動速度的理論值與無土篩面上馬鈴薯絕對運動速度的試驗值差異明顯。

表2　曲柄轉(zhuǎn)速對馬鈴薯運動特性參數(shù)的影響

有土篩面上馬鈴薯絕對運動速度的試驗值在曲柄轉(zhuǎn)速為161r/min和180r/min時小于理論值，在曲柄轉(zhuǎn)速為205r/min和230r/min時大于理論值。原因為：曲柄轉(zhuǎn)速較小時，有土篩面上薯土混合物料層較厚[(見圖4(a)、(b)]，馬鈴薯不與分離篩面直接接觸，其彈性及形狀對運動速度的影響難以體現(xiàn)；而曲柄轉(zhuǎn)速較大時，有土篩面薯土混合物料層較薄[見圖4(c)、(d)]，馬鈴薯與分離篩碰撞后的彈性形變較大，對馬鈴薯運動特性的影響大，使其絕對運動速度較高。但由于馬鈴薯在有土篩面上運動時終究會受到其他物料的阻礙，致使其絕對運動速度試驗值均低于無土篩面上絕對運動速度的試驗值。

圖4　不同曲柄轉(zhuǎn)速時薯土混合物分布狀態(tài)

由表2還可以看出：隨著曲柄轉(zhuǎn)速的升高，馬鈴薯拋離篩面最大高度的理論值與試驗值均增大，且無土與有土篩面上馬鈴薯拋離篩面最大高度的試驗值均大于理論值，有土篩面上馬鈴薯拋離篩面最大高度的試驗值均小于無土篩面上的試驗值。主要原因是：馬鈴薯為粘彈性橢球體，不同于理論分析中所簡化的質(zhì)點，使其拋離篩面后具有較高的拋離高度，而有土篩面上馬鈴薯會受到雜草、根系等的牽連，致使其拋離篩面最大高度的試驗值均小于無土篩面上的試驗值。

4.2　篩面傾角對馬鈴薯運動特性的影響

曲柄轉(zhuǎn)速為205r/min、機器前進速度為1.69km/h時，篩面傾角對無土篩面和有土篩面上馬鈴薯絕對運動速度和拋離篩面最大高度的影響規(guī)律如表3所示。

表3　篩面傾角對馬鈴薯運動特性參數(shù)的影響

續(xù)表3

由表3可知，馬鈴薯絕對運動速度的理論值與試驗值均隨篩面傾角的增大而增大，說明篩面傾角越大，分離篩輸送物料的能力越強，這與生產(chǎn)實際相符。有土篩面上馬鈴薯絕對運動速度試驗值小于無土篩面上的試驗值，主要是由土篩面上土壤、雜草等的牽連、阻礙作用導致。

由表3還可以看出：馬鈴薯拋離篩面最大高度的理論值與試驗值均隨篩面傾角的增大而增大；無土和有土篩面上馬鈴薯拋離篩面最大高度的試驗值均大于理論值，有土篩面上馬鈴薯拋離篩面最大高度的試驗值均小于無土篩面上的試驗值。主要原因是：馬鈴薯拋離篩面后，其彈性及形狀勢必會對拋離高度產(chǎn)生影響，使馬鈴薯拋離高度試驗值大于理論值；而相同分離篩參數(shù)的情況下，由于土壤、雜草的阻礙和牽連，又會導致有土篩面上馬鈴薯拋離篩面最大高度的試驗值小于無土篩面上的試驗值。

4.3　機器前進速度對馬鈴薯運動特性的影響

機器前進速度的改變會導致擺動分離篩上薯土混合物物料量發(fā)生改變，因此考察機器前進速度對馬鈴薯運動特性的影響規(guī)律時，僅考察有土篩面上馬鈴薯運動特性參數(shù)隨機器前進速度的變化規(guī)律。

曲柄轉(zhuǎn)速為205r/min、篩面傾角為7.7°時機器前進速度對馬鈴薯絕對運動速度和拋離篩面最大高度的影響規(guī)律如表4所示。為表征薯土混合物物料量對馬鈴薯運動特性的影響，對照分離篩側(cè)板標尺，統(tǒng)計不同機器前進速度時篩面長度為100～600mm范圍內(nèi)薯土混合物的平均分布厚度，列于表4中。

表4　機器前進速度對馬鈴薯運動特性參數(shù)的影響

由表4可知：隨著機器前進速度的增大，馬鈴薯絕對運動速度和拋離篩面最大高度均逐漸減小。結(jié)合篩面長度100～600mm范圍內(nèi)薯土混合物平均分布厚度可知：隨著機器前進速度的增加，有土篩面長度100～600mm范圍內(nèi)薯土混合物的平均厚度逐漸增加，薯土混合物對其表面的馬鈴薯的干擾阻礙作用增強，從而減小其絕對運動速度；同時，由于薯土混合物的裹挾與牽連，使馬鈴薯拋離篩面的高度隨著薯土混合物厚度的增加而減小。

機器前進速度為1.11、1.69、2.03km/h時，馬鈴薯絕對運動速度試驗值大于理論值；而機器前進速度為2.37km/h和2.78km/h時馬鈴薯絕對運動速度試驗值小于理論值。主要原因是：理論計算值是將馬鈴薯簡化為質(zhì)點計算得到，未考慮其形狀及彈性的影響；而田間試驗中由于馬鈴薯彈性及自身形狀的影響會導致機器前進速度較低即薯土混合物厚度較薄時馬鈴薯彈性特征得以顯現(xiàn)，增加了馬鈴薯相對分離篩正向運動的速度，使其絕對運動速度較理論值大；機器前進速度較高時，由于薯土混合物較厚，馬鈴薯受到土壤、根系等的牽連、阻礙作用較強，由馬鈴薯本身的物理機械特性對其運動特性的影響難以顯現(xiàn)，因此其絕對運動速度試驗值小于理論值。同理，機器前進速度為1.11、1.69km/h時，馬鈴薯拋離篩面高度試驗值大于理論值。機器前進速度為2.03、2.37、2.78km/h時，馬鈴薯拋離篩面最大高度的試驗值小于理論值。其原因也是馬鈴薯自身形狀、彈性及薯土混合物分布厚度共同作用的結(jié)果。

5　結(jié)論

1)通過對馬鈴薯拋離分離篩的高度進行理論分析，得出影響馬鈴薯拋離篩面高度的分離篩結(jié)構參數(shù)為曲柄半徑r、曲柄轉(zhuǎn)速n(n=30ω/π)、篩面傾角α和振動方向角β。

2)通過高速攝像試驗得出無土和有土篩面上馬鈴薯絕對運動速度和馬鈴薯拋離篩面最大高度隨曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角和機器前進速度的變化規(guī)律，并結(jié)合理論計算結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果表明：馬鈴薯絕對運動速度和拋離篩面最大高度的理論值和試驗值均隨著曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角的增大而增大，馬鈴薯絕對運動速度和拋離篩面最大高度的試驗值隨著機器前進速度的增大而減小。

3)不同曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角時，無土篩面上馬鈴薯絕對運動速度和拋離篩面最大高度的試驗值大于有土篩面上馬鈴薯絕對運動速度和拋離篩面最大高度的試驗值。