馬鈴薯種薯平鋪整序裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊振宇，劉發(fā)英，章啟祥，李晏興，楊元慶

（1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院；3.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

馬鈴薯已成為我國(guó)四大主糧作物之一，種植面積在不斷擴(kuò)大。隨著我國(guó)農(nóng)村務(wù)農(nóng)人口的不斷減少，以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，馬鈴薯產(chǎn)業(yè)全程機(jī)械化、智能化需要進(jìn)一步提高[1-4]。馬鈴薯種薯制備是馬鈴薯種植過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前，馬鈴薯種薯的制備主要有以下3種方式：直接使用小個(gè)體馬鈴薯種薯、人工刀切分塊大個(gè)體馬鈴薯種薯和機(jī)械化刀切分塊大個(gè)體馬鈴薯種薯。采用小個(gè)體馬鈴薯種薯備種，只要保證了種薯質(zhì)量，就不會(huì)對(duì)后續(xù)生長(zhǎng)產(chǎn)生影響；然而，采用刀切分塊的備種方式，存在外界病毒感染和種薯之間交叉感染切口面的情況，從而導(dǎo)致減產(chǎn)。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)一種馬鈴薯種薯制備生產(chǎn)線，如圖1所示，主要包括三大部分：平鋪整序裝置、水射流分塊切割裝置和拌種裝置。該生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)馬鈴薯種薯的平鋪排序、自動(dòng)切割和自動(dòng)拌滑石粉藥劑。分塊切割采用高壓水射流進(jìn)行切割，切割介質(zhì)采用含有藥劑的液體，可實(shí)現(xiàn)分塊切割的同時(shí)進(jìn)行消毒，避免病毒交叉感染。

要實(shí)現(xiàn)馬鈴薯種薯制備的全程自動(dòng)化，首先需要將成堆的馬鈴薯種薯進(jìn)行平鋪和排序，以此來提高種薯分塊切割的精度和效率。

1 馬鈴薯種薯平鋪整序裝置設(shè)計(jì)與基本參數(shù)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)大個(gè)體馬鈴薯種薯制備的作業(yè)環(huán)境，根據(jù)水射流分塊切割裝置作業(yè)時(shí)的需求。將馬鈴薯種薯料斗設(shè)計(jì)為倒錐型，以儲(chǔ)存一定數(shù)量的待處理馬鈴薯種薯，可以順著下料口滑落到輸送帶上；為了適應(yīng)馬鈴薯種薯制備的連續(xù)、高效需求，采用平輸送帶輸送，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用三相交流異步電機(jī)，配合減速器和滾筒驅(qū)動(dòng)輸送帶移動(dòng)，三相交流異步電機(jī)由變頻器控制其轉(zhuǎn)速，從而控制輸送帶移動(dòng)速度；為了能夠盡快將料斗滑落的馬鈴薯種薯攤平，在輸送帶下方安裝振動(dòng)器，振動(dòng)強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)；為了能夠?qū)⑵戒伜蟮鸟R鈴薯種薯進(jìn)行排序，在輸送帶輸送的末端設(shè)計(jì)了導(dǎo)流塊，可將馬鈴薯種薯排成三排輸出，分別落到水射流分塊切割裝置的三列滾輪上，導(dǎo)流塊導(dǎo)流角度α可調(diào)。裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.2 基本參數(shù)

根據(jù)馬鈴薯種薯制備的需求，以及適應(yīng)水射流分塊切割裝置的工作環(huán)境，確定馬鈴薯種薯平鋪整序裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 馬鈴薯種薯平鋪整序裝置主要參數(shù)

2 裝置試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

裝置試運(yùn)行在山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，馬鈴薯種薯品種為脫毒“夏波蒂”，平均質(zhì)量在135～175 g。主要考察的參數(shù)為：輸送帶的輸送速度（v）0.2～0.5 m/s、導(dǎo)流塊角度（α）30°～60°和振動(dòng)器的激振力（F）（0.4±0.02）～（1±0.04）kN。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

試驗(yàn)分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)為馬鈴薯種薯從輸送帶輸送裝置滑落到水射流分塊切割裝置的滾輪上的成功率(%)，依次排列到滾輪上才被判為成功。影響因素分別為：因素A為馬鈴薯種薯輸送帶輸送速度v，憑經(jīng)驗(yàn)值確定三水平值為0.20、0.35、0.50 m/s；因素B為導(dǎo)流塊角度α，憑經(jīng)驗(yàn)取其三水平值為30°、45°和60°；因素C為振動(dòng)器的激振力F，憑經(jīng)驗(yàn)取其水平分別為（0.4±0.02）kN、（0.7±0.03）kN 和（1±0.04）kN。按照正交表L9(33)進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)9個(gè)試驗(yàn)方案，馬鈴薯種薯平鋪整序的正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析結(jié)果如表2所示，各因素極差大小順序?yàn)椋篟A＞RB＞RC，因此影響馬鈴薯種薯平鋪整序成功率的主要因素是輸送帶輸送速度v，其次是導(dǎo)流塊角度α，最后是振動(dòng)器的激振力F。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析

2.3 回歸試驗(yàn)與結(jié)果分析

如表2所示，三因素三水平的組合A1B2C2：因素A的第一水平、因素B的第二水平和因素C的第三水平，可以實(shí)現(xiàn)最高的平鋪整序成功率98.8%。因此選擇較優(yōu)組合A1B2C2為最優(yōu)方案，使馬鈴薯種薯平鋪整序成功率為最高水平。選定因素B導(dǎo)流塊角度α為45°，因素C振動(dòng)器的激振力F為（0.7±0.03）kN，因素A對(duì)輸送帶輸送速度v在0.2～0.5 m/s變化調(diào)整進(jìn)行單因素回歸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖中實(shí)線曲線為回歸曲線、虛線曲線為多項(xiàng)式趨勢(shì)曲線。獲得的回歸曲線方程為：y=-52.689x2+135.4x+40.313，獲得的多項(xiàng)式趨勢(shì)曲線方程為：y=910.11x4-3 595.5x3+5 457.1x2-3 478.4x+863.01，兩條曲線能夠反映馬鈴薯種薯平鋪整序成功率隨輸送帶輸送速度的變化關(guān)系。從圖3中可以看出，當(dāng)輸送帶的輸送速度為0.25 m/s時(shí)，平鋪整序成功率約為98.9%是函數(shù)指標(biāo)的極大值。根據(jù)以上試驗(yàn)的結(jié)果選擇輸送帶輸送速度0.25 m/s、導(dǎo)流塊角度45°和振動(dòng)器的激振力（0.7±0.03）kN進(jìn)行試驗(yàn)，馬鈴薯種薯平鋪整序的平均成功率可達(dá)98.59%，且相對(duì)穩(wěn)定，因此，輸送帶輸送速度0.25 m/s，導(dǎo)流塊角度45°，振動(dòng)器的激振力（0.7±0.03）kN的參數(shù)組合可作為馬鈴薯種薯平鋪整序裝置設(shè)計(jì)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 結(jié)語

針對(duì)為了實(shí)現(xiàn)馬鈴薯種薯切塊制備自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯種薯平鋪整序裝置，該裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)成堆種薯的平鋪整序作業(yè)。通過對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)輸送帶輸送速度v、導(dǎo)流塊導(dǎo)流角度α和振動(dòng)器激振力F進(jìn)行三因素三水平回歸正交試驗(yàn)，最終確定輸送帶輸送速度0.25 m/s、導(dǎo)流塊導(dǎo)流角度45°和振動(dòng)器激振力（0.7±0.03）kN為最佳作業(yè)狀態(tài)參數(shù)，種薯平鋪整序成功率可達(dá)98.59%。馬鈴薯種薯平鋪整序裝置設(shè)計(jì)和最佳關(guān)鍵參數(shù)的確定可為馬鈴薯種薯制備自動(dòng)化提供技術(shù)支持。