馬鈴薯種薯切塊機縱切裝置的設(shè)計與試驗

祝珊，王相友，王琳琳，李學(xué)強

(1. 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；2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，山東 德州 253600；3.山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司，山東 德州 253600)

馬鈴薯屬茄科一年生草本植物，產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富，對環(huán)境的適應(yīng)性較強，是一種重要的糧蔬兼用和工業(yè)原料作物， 在世界范圍內(nèi)種植廣泛，是全球第四大重要的糧食作物，僅次于小麥、稻谷和玉米[1-6]。我國每年種植馬鈴薯的面積超過60 000 km2，是馬鈴薯第一生產(chǎn)大國，但與美國等發(fā)達國家相比，我國馬鈴薯生產(chǎn)機械化程度偏低，單位面積產(chǎn)量遠低于美國、荷蘭等發(fā)達國家[7-10]。影響馬鈴薯單位面積產(chǎn)量的因素很多，其中種薯的品質(zhì)是決定馬鈴薯單位面積產(chǎn)量的重要因素之一[11-13]。

馬鈴薯是塊莖繁殖，將發(fā)芽的馬鈴薯根據(jù)芽眼切成兩塊、三塊、四塊不等，保證每塊有1～2個芽眼，將切好的薯塊拌藥，播種到地下[14-15]。目前，我國馬鈴薯種植一直沿用按芽切塊的傳統(tǒng)種植模式，其種植效率和產(chǎn)量都明顯低于發(fā)達國家，全國每年需要薯種約1 500萬t。人工切種耗費大量勞動力，同時存在消毒不嚴(yán)格、切塊大小不一、用種量大、出苗率難以控制等問題，嚴(yán)重制約大規(guī)模種植模式的發(fā)展，是馬鈴薯全程機械化種植瓶頸之一。隨著我國農(nóng)業(yè)機械化進程的推進，傳統(tǒng)人工切塊模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化馬鈴薯種植的需求[16]。國內(nèi)對馬鈴薯種薯切塊方面的研究還處于起步階段，大多是理論分析和仿真設(shè)計，市場定型產(chǎn)品少。本文借鑒國外相關(guān)技術(shù)并在適應(yīng)我國種植模式的基礎(chǔ)上，研制一款馬鈴薯種薯切塊機縱切裝置，以期為馬鈴薯種薯切塊機的研制提供理論及技術(shù)參考。

1 縱切裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 縱切裝置結(jié)構(gòu)

縱切裝置主要由左支架、右支架、拉簧、行程開關(guān)、圓盤切刀、圓盤切刀調(diào)節(jié)機構(gòu)、磨刀機構(gòu)和鏈傳動及噴藥系統(tǒng)組成，縱切裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.右支架；2.圓盤切刀組件；3.圓盤切刀調(diào)節(jié)機構(gòu)；4.磨刀機構(gòu)；5.拉簧；6.鏈輪；7.左支架；8.行程開關(guān)；9.噴桿固定架。 圖1 縱切裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of slitting device

1.2 工作原理

縱切裝置的主要作用是將輸送裝置排列好的種薯以垂直于種薯長軸的方向正切。作業(yè)時，電機驅(qū)動鏈傳動，切刀軸旋轉(zhuǎn)，圓盤切刀以一定轉(zhuǎn)速將輸送過來的種薯切分；同時，噴藥系統(tǒng)對切刀間歇噴藥消毒，切好的薯塊由輸送裝置繼續(xù)輸送進入下一階段作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件

2.1 圓盤切刀組件的設(shè)計

圓盤切刀是縱切裝置的核心部件，圓盤切刀設(shè)計的合理與否對縱切裝置切塊性能影響較大。圓盤切刀組件由切刀軸、切刀壓蓋、切刀隔套、圓盤切刀、隔套和切刀軸壓墊等組成。圓盤切刀組件剖視圖如圖2所示。

圓盤切刀鉛垂、等距排布在切刀軸上，根據(jù)種薯切塊農(nóng)藝要求，每個種薯可切分為2～6塊，保證每個薯塊有1～2個芽眼，薯塊質(zhì)量范圍為35～65 g。縱切裝置需完成對種薯的初切，保證所切薯塊厚度和質(zhì)量均勻，便于馬鈴薯種薯切塊機后續(xù)作業(yè)?？v切裝置相鄰兩圓盤切刀間距b=41 mm，馬鈴薯種薯在長軸方向每隔41 mm被圓盤切刀縱切為兩塊。長度范圍不同的種薯被切分為2～4塊，薯塊質(zhì)量范圍為50～100 g。

1.切刀軸；2.切刀壓蓋；3.切刀隔套；4.圓盤切刀； 5.隔套；6.切刀軸壓墊。圖2 圓盤切刀組件剖視圖Fig.2 Disc cutter assembly

2.2 磨刀機構(gòu)

磨刀機構(gòu)由固定座、導(dǎo)向轉(zhuǎn)動軸、定位卡箍、控制把手、磨刀調(diào)節(jié)拉桿、刀頭固定座、長方形磨刀石、油石墊片等組成(如圖3所示)，其主要作用是打磨圓盤切刀，延長刀具壽命。磨刀調(diào)整拉桿可以在導(dǎo)向轉(zhuǎn)動軸上左右滑動從而調(diào)整打磨不同的刀片，調(diào)整把手安裝在導(dǎo)向轉(zhuǎn)動軸上，用以上、下調(diào)整刀頭固定座，作業(yè)時將刀頭固定座向上或向下調(diào)整，以避開刀片。

1.磨刀調(diào)節(jié)拉桿；2.導(dǎo)向轉(zhuǎn)動軸；3.定位卡箍；4.磨刀石； 5.刀頭固定座；6.固定座；7.控制把手。圖3 磨刀機構(gòu)簡圖Fig.3 Sketch of knife grinding mechanism

2.3 圓盤切刀調(diào)節(jié)機構(gòu)

圓盤切刀調(diào)節(jié)機構(gòu)分為左調(diào)節(jié)和右調(diào)節(jié)，相互對稱，由絲杠、鏈輪、鏈條和調(diào)節(jié)把手組成(如圖4所示)。調(diào)節(jié)把手轉(zhuǎn)動帶動鏈輪和絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠帶動調(diào)節(jié)墊板、壓板和帶立式座軸承前后滑動，從而調(diào)整切刀軸的前后位置。

1.絲杠；2.鏈輪；3.調(diào)節(jié)把手；4.鏈條。 圖4 圓盤切刀調(diào)節(jié)機構(gòu)簡圖Fig.4 Diagram of disc cutter adjustment mechanism

2.4 噴藥系統(tǒng)

噴藥系統(tǒng)主要由噴藥泵、噴桿固定架、直通管接頭、單噴體和噴桿等組成(如圖5所示)。噴桿固定架安裝于縱切裝置左右支架之間、圓盤切刀上方。噴藥系統(tǒng)選擇HY-4700智能型隔膜泵，作為噴藥泵，其自吸能力強、耐腐蝕性好。圓盤切刀消毒液選用高錳酸鉀溶液，配比為1 kg顆粒狀/200 L，噴藥泵由PLC控制，每隔85 s噴藥一次，一次作業(yè)0.8 s，可完成對圓盤切刀間歇消毒，防止切到病薯、壞薯，造成不同薯塊之間交叉感染。

1.噴桿固定架；2.直通管接頭；3.噴頭；4.噴桿。圖5 噴藥系統(tǒng)簡圖Fig.5 Spray system diagram

3 圓盤切刀靜力學(xué)分析

圓盤切刀是馬鈴薯種薯切塊機縱切裝置的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性對縱切裝置切塊性能有重要影響。

根據(jù)圓盤切刀工作時所受載荷和約束，運用ANSYS Workbench仿真軟件對其進行有限元靜力學(xué)分析[17-18]。

3.1 圓盤切刀材料屬性定義

利用SolidWorks三維建模軟件建模，將圓盤切刀的三維模型導(dǎo)入ANSYSWorbench軟件，并定義圓盤切刀材料屬性。選用 2Cr13不銹鋼作為切刀材料，2Cr13不銹鋼淬火狀態(tài)下硬度高、耐蝕性良好，適合做刀具，其硬度為45～50 HRC。Worbench軟件材料庫中沒有2Cr13不銹鋼，需要添加材料。2Cr13的材料屬性見表1。

表1 2Cr13材料屬性Tab.1 Material properties of 2Cr13

3.2 網(wǎng)格劃分及優(yōu)化

為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量、優(yōu)化網(wǎng)格尺寸，對圓盤切刀采用四面體域網(wǎng)格Tetrahedrons劃分，調(diào)整相關(guān)度Relevance值為100，相關(guān)中心為Relevance Center。選擇Fine，網(wǎng)格尺寸Element Size值設(shè)定為6.0 mm，圓盤切刀網(wǎng)格劃分后獲得20 432個節(jié)點，9 848個單元，優(yōu)化后網(wǎng)格劃分效果圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分效果圖Fig.6 Meshing effect diagram

3.3 施加載荷和約束條件

根據(jù)圓盤切刀在縱切裝置中的實際工作情況，對其添加約束。圓盤切刀在切分種薯時受徑向切分阻力、切向摩擦力及垂直擠壓力，對圓盤切刀施加的載荷及約束如圖7所示。

圖7 施加載荷與約束圖Fig.7 Applied load and constraint diagram

3.4 有限元求解及分析結(jié)果

完成上述前處理操作后，進行圓盤切刀有限元求解，獲得的圓盤切刀等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變云圖和變形云圖如圖8—圖10所示。

圖8 等效應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent stress cloud diagram

圖9 等效應(yīng)變云圖Fig.9 Equivalent strain nephogram

圖10 變形云圖Fig.10 Deformation cloud chart

由圖8的等效應(yīng)力云圖可知，圓盤切刀的主要應(yīng)力集中在圓盤切刀中間孔邊緣處，應(yīng)力最大值為93.053 MPa，遠小于2Cr13的屈服強度，滿足強度要求。

由圖9的等效應(yīng)變云圖可知，圓盤切刀的等效應(yīng)變云圖與等效應(yīng)力云圖變化規(guī)律基本一致，最大應(yīng)變值為0.000 468 22 mm/mm。

由圖10的變形云圖可知，受載荷作用，圓盤切刀的圓周處變形量最大，為0.002 88 mm，變形量很小，在刀片合理變形范圍之內(nèi)，可以接受。

因此，選用2Cr13不銹鋼作為圓盤切刀完全滿足縱切裝置切分種薯的要求。

4 切塊性能試驗

4.1 試驗材料

2019年5月，在山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司的試驗基地進行了種薯切分試驗。選用荷蘭15號種薯(如圖11所示)作為試驗種薯，經(jīng)測量其長度為50～180 mm，寬度為45～80 mm，厚度為30～55 mm，單個種薯質(zhì)量20～300 g，含水率81%～85%。選用功率2.2 kW的電機驅(qū)動縱切裝置，種薯喂入量為1.38 kg/s，圓盤切刀轉(zhuǎn)速控制在35 r/min，進行馬鈴薯種薯切塊機縱切裝置切塊性能試驗。

圖11 荷蘭15號種薯Fig.11 Dutch No.15 seed potato

4.2 試驗指標(biāo)

馬鈴薯種薯切塊機評價指標(biāo)目前尚無國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本試驗依據(jù)山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以薯塊合格率和種薯損耗率為試驗指標(biāo)。

薯塊合格率y1是指縱切裝置切分后薯塊厚度35～40 mm、質(zhì)量50～100 g的薯塊數(shù)量(n1)占薯塊總塊數(shù)量(n)的百分比，即

(1)

種薯損耗率y2是指由縱切裝置切分的種薯頂端及臍部碎片質(zhì)量小于30 g的碎片總質(zhì)量(m1)占種薯總質(zhì)量(m)的百分比，即

(2)

4.3 試驗結(jié)果

重復(fù)5次試驗，試驗過程如圖12所示，試驗結(jié)果統(tǒng)計見表2。

圖12 試驗過程圖Fig.12 Test process chart

表2 試驗結(jié)果統(tǒng)計表Tab.2 Test results

由試驗結(jié)果可知: 縱切裝置的薯塊合格率為93.83%，種薯損耗率為4.35%，優(yōu)于指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。該馬鈴薯種薯切塊機縱切裝置每小時可完成5 t種薯切塊，作業(yè)效率較高，可保證薯塊厚度和質(zhì)量均勻，且薯塊合格率較高、種薯碎片較少、損耗率較低，縱切裝置噴藥系統(tǒng)可保證對圓盤切刀間歇噴藥、不漏噴?？v切裝置所切薯塊效果圖如圖13所示。

圖13 種薯切后效果圖Fig.13 Effect diagram of cut seed potato

5 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種馬鈴薯種薯切塊機縱切裝置，該裝置可完成馬鈴薯種薯的縱向切分、切刀消毒等作業(yè)，可為切塊的其他工序奠定基礎(chǔ)，減輕人工勞動強度，提高馬鈴薯種薯制備效率。

2) 利用ANSYSWorkben18.1有限元軟件對縱切裝置核心部件圓盤切刀進行靜力學(xué)分析，校驗了圓盤切刀強度。

3) 對馬鈴薯種薯切塊機縱切裝置進行的切塊性能試驗結(jié)果表明：該縱切裝置切塊性能穩(wěn)定、作業(yè)效率比較高，所切薯塊合格率為93.83%，種薯損耗率為4.35%，均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值，滿足切塊要求。該研究可為我國馬鈴薯種薯切塊機裝備的研發(fā)提供參考，同時對推動我國馬鈴薯生產(chǎn)全程機械化的發(fā)展進程具有重要意義。