輥式尼龍刷馬鈴薯清選分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析與優(yōu)化

張永志，李旭英，高盛博，郭文斌

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

馬鈴薯是世界上繼小麥、水稻和玉米之后的第4 大糧食作物，目前也是世界上最大的非谷類食品。2016 年，中國(guó)提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，馬鈴薯總種植面積已經(jīng)超過533.3 萬hm2，總產(chǎn)量已達(dá)到9 000萬t，位居世界首位[1]。馬鈴薯含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可作為糧食、蔬菜、飼料和工業(yè)原料等，進(jìn)行深加工具有更大的增值潛力[2]。當(dāng)前，中國(guó)的馬鈴薯產(chǎn)量已經(jīng)躍居為世界第一，但不是馬鈴薯加工貿(mào)易強(qiáng)國(guó)，主要原因之一就是國(guó)內(nèi)馬鈴薯分級(jí)技術(shù)尚未成熟[3]。中國(guó)馬鈴薯分級(jí)設(shè)備發(fā)展水平較低，多數(shù)設(shè)備仍處在試制階段，部分地區(qū)仍然使用手工分選方法對(duì)馬鈴薯進(jìn)行分級(jí)[4]，造成工作效率低，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不一致，無法滿足國(guó)家分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[3]。因此，迫切需要研制能夠量化生產(chǎn)、分級(jí)準(zhǔn)確、高效的馬鈴薯分級(jí)設(shè)備，發(fā)展馬鈴薯深加工，提高馬鈴薯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[5]。馬鈴薯清選分級(jí)是馬鈴薯后續(xù)深加工必需的步驟[6]，分級(jí)準(zhǔn)確率和效率對(duì)馬鈴薯深加工的經(jīng)濟(jì)性有重要影響[7]。

目前，馬鈴薯清選分級(jí)技術(shù)可以歸納為3 類：篩式分選、輥式分選和自動(dòng)分選。篩式分選是國(guó)內(nèi)外研究較早的分選方式，分選時(shí)篩網(wǎng)在水平方向連續(xù)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，小于網(wǎng)眼尺寸的馬鈴薯掉落至下一級(jí)網(wǎng)篩上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小的馬鈴薯進(jìn)行層層篩選[8,9]。在篩選過程中馬鈴薯之間以及馬鈴薯與篩網(wǎng)會(huì)發(fā)生多次碰撞，造成馬鈴薯表皮損傷。輥式分選是在研究馬鈴薯質(zhì)量與外形尺寸的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)分選輥的間距，對(duì)不同大小的馬鈴薯進(jìn)行分級(jí)。申屠留芳等[10]設(shè)計(jì)了一種升降長(zhǎng)輥軸式馬鈴薯分級(jí)設(shè)備，輥軸之間的間距逐漸加大，馬鈴薯在不同位置掉落。楊小平等[11]設(shè)計(jì)了一種使用雙排橡膠分級(jí)輥組機(jī)構(gòu)，通過控制上排分級(jí)輥與相應(yīng)下排分級(jí)輥中心間距來對(duì)馬鈴薯進(jìn)行分級(jí)。姜彥武等[12]設(shè)計(jì)了一種可調(diào)輥式馬鈴薯分級(jí)機(jī)，通過調(diào)節(jié)輥?zhàn)娱g距來進(jìn)行馬鈴薯的分級(jí)。王相友等[13]設(shè)計(jì)了一種利用清選輥和分選輥一體的馬鈴薯清選分級(jí)機(jī)。呂金慶等[14]設(shè)計(jì)的新型輥式馬鈴薯分級(jí)機(jī)采用差動(dòng)分級(jí)裝置，可以通過對(duì)提升角的調(diào)整來改變不同的分級(jí)范圍，分級(jí)效率高。輥式馬鈴薯分級(jí)設(shè)備中輥?zhàn)拥牟牧吓c形狀對(duì)分級(jí)效率和分級(jí)效果有重要影響，馬鈴薯表面較為柔軟，在分級(jí)過程中與清選分組輥進(jìn)行多次接觸與碰撞，易造成嚴(yán)重的機(jī)械式損傷，輕則表皮受損，重則開裂甚至粉碎[15]。自動(dòng)分選主要是基于機(jī)器視覺[16-18]、模糊邏輯[19]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[20,21]、圖像處理[22,23]、深度學(xué)習(xí)[24]等技術(shù)，并且將液壓技術(shù)、電子控制技術(shù)應(yīng)用到分選機(jī)械當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯分選的自動(dòng)化和智能化[25]。周金龍[26]設(shè)計(jì)出馬鈴薯自動(dòng)分級(jí)機(jī)的控制系統(tǒng)與計(jì)數(shù)系統(tǒng)。鄧立苗等[27]在現(xiàn)有水果機(jī)械分選機(jī)的基礎(chǔ)上，加裝機(jī)器視覺系統(tǒng)和智能分級(jí)控制系統(tǒng)，提出馬鈴薯外觀品質(zhì)檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯智能分選。但是這些分選方法成本比較高，且仍處在研發(fā)階段[28]，難以針對(duì)中小型農(nóng)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

針對(duì)馬鈴薯在清選分級(jí)中因多次接觸與碰撞，造成嚴(yán)重的機(jī)械損傷的問題，開展輥式尼龍刷馬鈴薯清選分級(jí)機(jī)試驗(yàn)研究，探索輥式馬鈴薯分級(jí)設(shè)備中輥?zhàn)拥牟牧吓c形狀對(duì)分級(jí)效率和分級(jí)效果的影響，并基于響應(yīng)面分析法[29]進(jìn)行試驗(yàn)，分析及優(yōu)化，以提升分級(jí)機(jī)的作業(yè)穩(wěn)定性、分級(jí)效率和分級(jí)準(zhǔn)確率[30,31]，為馬鈴薯后續(xù)深加工提供技術(shù)保障。

1 輥式尼龍刷馬鈴薯清選分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該輥式尼龍刷馬鈴薯清選分級(jí)機(jī)主要由馬鈴薯上料機(jī)，連接網(wǎng)篩，清選、分級(jí)輥組，輸送帶，電控裝置，整機(jī)機(jī)架等幾大部分組成。圖1為整機(jī)三維圖，表1為整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 清選分級(jí)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of sorting machine

將馬鈴薯倒入料斗內(nèi)，由上料機(jī)提升，經(jīng)連接網(wǎng)篩去掉部分浮土后，落到清選分級(jí)輥組上。帶有螺紋槽的清選輥帶動(dòng)馬鈴薯滾動(dòng)并在輥?zhàn)由暇鶆蚍植?，馬鈴薯表面與輥?zhàn)由系哪猃埶⑾嗷ツΣ?，清潔馬鈴薯表面土雜。分級(jí)輥?zhàn)又g設(shè)置可調(diào)間隙，當(dāng)馬鈴薯經(jīng)過，尺寸小于輥?zhàn)娱g距的馬鈴薯將掉落至輥?zhàn)酉路降妮斔蛶?。依?jù)《馬鈴薯商品薯分級(jí)與檢驗(yàn)規(guī)程》，馬鈴薯塊莖長(zhǎng)寬比（L/W）是一個(gè)形態(tài)表型指標(biāo)，將馬鈴薯分為小、中、大3個(gè)等級(jí)。

1.2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

輥式清選分級(jí)設(shè)備中，輥?zhàn)有螤钆c材料對(duì)清選分級(jí)效率與效果有重要影響。馬鈴薯在較大的平面內(nèi)輸送，動(dòng)力傳輸鏈較長(zhǎng)，若采用實(shí)心圓柱形輥?zhàn)樱诜旨?jí)過程中由于馬鈴薯大小不一且形狀不規(guī)則，容易造成大量馬鈴薯在機(jī)器上堆積，增加振動(dòng)，導(dǎo)致分級(jí)機(jī)性能不穩(wěn)定。金屬材料、橡膠材料制成的輥?zhàn)釉诜旨?jí)作業(yè)過程中容易對(duì)馬鈴薯表面產(chǎn)生擠壓磕碰，造成部分馬鈴薯在分級(jí)過程中產(chǎn)生擦傷甚至壓碎等問題。

1.2.1 清選輥組的設(shè)計(jì)

橡膠輥的彈性模量較大，容易發(fā)生將馬鈴薯擠碎的現(xiàn)象。經(jīng)多次試驗(yàn)，采用在橡膠輥?zhàn)由现踩胫睆綖?.3 mm的尼龍絲，制成尼龍刷，該直徑的尼龍絲質(zhì)軟，與馬鈴薯接觸可以有效地清潔表面土雜，又可避免馬鈴薯與輥?zhàn)颖砻孢^度摩擦導(dǎo)致馬鈴薯表皮破損，影響馬鈴薯的后期貯藏。

馬鈴薯在剛落入清選輥組上，會(huì)發(fā)生局部堆集現(xiàn)象，影響清選效率。在圓柱型尼龍刷清選輥?zhàn)由霞庸ど疃葹?5.0 mm，寬度為40.0 mm 的螺旋環(huán)槽，左旋和右旋的尼龍刷輥交錯(cuò)排列，隨輥?zhàn)訚L動(dòng)的過程中，馬鈴薯在輥組上均勻分布，提高清選效率，為馬鈴薯分級(jí)做準(zhǔn)備，且尼龍刷之間不會(huì)互相干涉、纏繞。清選輥?zhàn)又g間距較窄，土雜和較小的馬鈴薯從間隙中掉落，而正常的馬鈴薯會(huì)從清選輥組向分級(jí)輥組滾動(dòng)。清選輥組布置如圖2 所示。

1.2.2 分級(jí)輥組的設(shè)計(jì)

分級(jí)輥組布置在清選輥組之后，形狀與布置方式如圖3所示，分級(jí)輥?zhàn)油瑸槟猃埶⑤仯苁柜R鈴薯表面更進(jìn)一步的清潔。確定分級(jí)輥組的第1～4根輥?zhàn)訛榈谝患?jí)分級(jí)輥組，輥?zhàn)由霞庸こ錾疃葹?0.0 mm，寬度為40.0 mm半圓形的環(huán)槽，第5～8根輥?zhàn)訛榈诙?jí)分級(jí)輥組，輥?zhàn)蛹庸こ錾疃葹?7.5 mm，寬度為55.0 mm的半圓形環(huán)槽。分級(jí)輥上相互平行的環(huán)槽有利于馬鈴薯沿同一個(gè)方向滾動(dòng)，使馬鈴薯的長(zhǎng)徑與環(huán)槽方向一致，馬鈴薯垂直長(zhǎng)徑的側(cè)面與環(huán)槽進(jìn)行接觸，實(shí)現(xiàn)分級(jí)功能。馬鈴薯從清選輥組直接運(yùn)動(dòng)到第一級(jí)分級(jí)輥組，中徑小于40.0 mm的馬鈴薯從第一級(jí)的輥?zhàn)娱g環(huán)槽中掉落，至第一級(jí)輸送帶；中徑大于40.0 mm且小于55.0 mm的馬鈴薯從第二級(jí)的輥?zhàn)娱g環(huán)槽中掉落，至第二級(jí)輸送帶；中徑大于55.0 mm的馬鈴薯將從輥組上方通過，掉落至第三級(jí)輸送帶上。通過這一方法將馬鈴薯按尺寸分為小、中、大3個(gè)等級(jí)。

2 分級(jí)試驗(yàn)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

針對(duì)輥式馬鈴薯清選分級(jí)既要保證分級(jí)精度又對(duì)分級(jí)速度有一定要求的難點(diǎn)問題。將試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)確定為馬鈴薯分級(jí)準(zhǔn)確率和整機(jī)工作效率。

其中：X總—馬鈴薯清選分級(jí)機(jī)總分級(jí)準(zhǔn)確率，%；Mn'—第n級(jí)分級(jí)正確馬鈴薯的質(zhì)量（n=1,2,3），kg；Mn—落入第n 級(jí)輸送帶上馬鈴薯的總質(zhì)量（n=1,2,3），kg；Xn—第n級(jí)分級(jí)準(zhǔn)確率（n=1,2,3）。

其中：η—馬鈴薯清選分級(jí)機(jī)的工作效率，t/h；M總—馬鈴薯的總喂入量，kg；t—工作過程總時(shí)間，s。

2.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

該馬鈴薯清選分級(jí)機(jī)上料電機(jī)轉(zhuǎn)速、輥組轉(zhuǎn)速和輥組傾角的極限取值分別為0～56 r/min，0～80 r/min，1～3°。假設(shè)影響該清選分級(jí)機(jī)分級(jí)準(zhǔn)確率（y1）和工作效率（y2）的主要因素為：上料電機(jī)轉(zhuǎn)速（x1）、清選分級(jí)輥組轉(zhuǎn)速（x2）和輥組傾角（x3）?；陧憫?yīng)面分析，采用均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)了三因素六水平十二次的混合均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)U12（62×3），試驗(yàn)結(jié)果如表2 所列。對(duì)表2 數(shù)據(jù)利用偏最小二乘回歸法進(jìn)行處理，得到二次多項(xiàng)式回歸模型，分級(jí)準(zhǔn)確率（y1）如式（4），工作效率（y2）如式（5）。

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)回歸方程的擬合度進(jìn)行檢驗(yàn)，分級(jí)準(zhǔn)確率擬合度均值為98.69%，工作效率擬合度均值為93.65%，表明式（4）、式（5）能夠表達(dá)上料電機(jī)轉(zhuǎn)速、輥組轉(zhuǎn)速和輥組傾角與分級(jí)準(zhǔn)確率和工作效率之的作用規(guī)律。

表2 均勻試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Uniform test data

3 響應(yīng)面分析

基于上述二次多項(xiàng)式回歸模型，利用Matlab（2016b）軟件繪制出影響因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的三維響應(yīng)曲面圖，進(jìn)行多因素分析。

3.1 分級(jí)準(zhǔn)確率的響應(yīng)面分析

設(shè)上料電機(jī)轉(zhuǎn)速x1=56 r/min，繪制輥組轉(zhuǎn)速、輥組傾角與分級(jí)準(zhǔn)確率關(guān)系的響應(yīng)曲面圖，如圖4所示。由圖4可知，輥組傾角較小時(shí)，增加輥組轉(zhuǎn)速，可以提高分級(jí)準(zhǔn)確率，但是增大輥組傾角，馬鈴薯在輥?zhàn)由锨跋驖L動(dòng)較快，分級(jí)準(zhǔn)確率反而下降。

設(shè)輥組傾角x3=1°，繪制上料電機(jī)轉(zhuǎn)速、輥組轉(zhuǎn)速與分級(jí)準(zhǔn)確率的響應(yīng)曲面圖，如圖5所示。由圖5 可知，上料電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，分級(jí)準(zhǔn)確率下降，輥組轉(zhuǎn)速增加，分級(jí)準(zhǔn)確率增加，但是二者存在一定的耦合關(guān)系。上料電機(jī)轉(zhuǎn)速高，輥組轉(zhuǎn)速低，馬鈴薯容易發(fā)生堆集、擠壓，導(dǎo)致分級(jí)準(zhǔn)確率下降；上料電機(jī)轉(zhuǎn)速低，輥組轉(zhuǎn)速高，馬鈴薯缺少前向滾動(dòng)的推力，在輥?zhàn)由峡辙D(zhuǎn)，分級(jí)準(zhǔn)確率下降。當(dāng)輥組轉(zhuǎn)速約為上料電機(jī)轉(zhuǎn)速1.4倍時(shí)，分級(jí)準(zhǔn)確率較高。

設(shè)輥組轉(zhuǎn)速x2=80 r/min，繪制輥組傾角、上料電機(jī)轉(zhuǎn)速與分級(jí)準(zhǔn)確率關(guān)系的響應(yīng)曲面圖，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)輥組傾角為x3=1°，上料電機(jī)轉(zhuǎn)速和輥組轉(zhuǎn)速耦合較好時(shí)，分級(jí)準(zhǔn)確率較高。

綜上所述，輥組傾角對(duì)馬鈴薯在清選分級(jí)過程的前向滾動(dòng)有利，但是傾角增大，馬鈴薯的滾動(dòng)速度增加，姿態(tài)來不及調(diào)整，反而影響分級(jí)的準(zhǔn)確率。輥組轉(zhuǎn)速提升對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響較大，上料電機(jī)轉(zhuǎn)速必須與輥組轉(zhuǎn)速適當(dāng)配合，才能確保分級(jí)準(zhǔn)確率。

3.2 工作效率的影響因素分析

設(shè)上料電機(jī)轉(zhuǎn)速x1=56 r/min，繪制輥組轉(zhuǎn)速、輥組傾角與分級(jí)準(zhǔn)確率的響應(yīng)曲面圖，如圖7 所示，由圖7可知，輥組轉(zhuǎn)速、輥組傾角增加，工作效率增加。

設(shè)輥組傾角x3=1°，繪制上料電機(jī)轉(zhuǎn)速、輥組轉(zhuǎn)速與工作效率的響應(yīng)曲面圖，如圖8所示，工作效率隨著上料電機(jī)轉(zhuǎn)速、輥組轉(zhuǎn)速的增加而不斷增加。

設(shè)輥組轉(zhuǎn)速x2=80 r/min，上料電機(jī)轉(zhuǎn)速、輥組傾角和工作效率的響應(yīng)曲面圖，如圖9所示。由圖9可知，隨著上料電機(jī)轉(zhuǎn)速、輥組傾角的逐漸增加，工作效率也隨之增加。

增加電機(jī)轉(zhuǎn)速、輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速和增大輥組傾角，馬鈴薯上料量增加，馬鈴薯在輥?zhàn)由蠞L動(dòng)的速度越快，可以有效提升工作效率。但是實(shí)際情況應(yīng)在保證分級(jí)準(zhǔn)確前提下盡可能提升工作效率，綜上所述，最佳的工作參數(shù)為：上料電機(jī)轉(zhuǎn)速x1= 56 r/min，輥組轉(zhuǎn)速x2= 80 r/min，輥組傾角x3= 1°，分級(jí)準(zhǔn)確率最高，可達(dá)82.02%，分級(jí)效率為8.38 t/h，適于中小型農(nóng)戶使用。

4 討 論

馬鈴薯清選分級(jí)設(shè)備對(duì)馬鈴薯的深加工有重要影響，設(shè)計(jì)的輥式尼龍刷馬鈴薯清選分級(jí)機(jī)，將馬鈴薯分為3級(jí)，清選分級(jí)一體化，采用尼龍刷能有效減少馬鈴薯在分級(jí)過程中的損傷，分選效果好，能夠?yàn)轳R鈴薯后續(xù)加工提供有效支持。利用響應(yīng)面分析方法優(yōu)化工作參數(shù)，該設(shè)備最佳的工作參數(shù)為：上料電機(jī)轉(zhuǎn)速為56 r/min，輥組轉(zhuǎn)速為80 r/min，輥組傾角為1°，分級(jí)準(zhǔn)確率最高，可達(dá)82.02%，分級(jí)效率為8.38 t/h。表明該機(jī)型適用于中小型農(nóng)戶使用，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

采用一體式設(shè)計(jì)，清選分級(jí)效率高，但是在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)有馬鈴薯擠碎現(xiàn)象，分析得出擠碎是由機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，馬鈴薯落入清選輥組之前會(huì)有馬鈴薯卡住，導(dǎo)致摔碎，需要在后續(xù)研究中改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的馬鈴薯清選分級(jí)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修方便，但功能單一，適應(yīng)性較差，僅對(duì)內(nèi)蒙古西部地區(qū)沙質(zhì)土壤種值的馬鈴薯有較好的清潔作用。

馬鈴薯品種繁多，種植環(huán)境各異，馬鈴薯與粘附的土雜結(jié)合力不同，外加馬鈴薯形狀各異，僅靠尼龍刷的清掃，并不能完全去除馬鈴薯表面的粘附物。需要進(jìn)一步研究其他方法既能有效去除馬鈴薯表面土雜，又不容易導(dǎo)致馬鈴薯破皮的方法。

隨著馬鈴薯種植面積擴(kuò)大和產(chǎn)量增加，深加工產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展。馬鈴薯清選分級(jí)設(shè)備的研制應(yīng)結(jié)合液壓技術(shù)、智能識(shí)別技術(shù)、電氣控制技術(shù)，向綜合型、大型化、智能化方向發(fā)展。