板藍根收獲機組合篩面擺動式根土分離裝置設計與試驗

陶桂香 張紫恒 衣淑娟 夏春龍 馬永財

(黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶 163319)

0 引言

板藍根是我國傳統(tǒng)常用中藥材，其藥用價值較高[1]。近年來，隨著市場需求量的增加，板藍根的種植面積也在逐年擴大[2]。但其收獲方式卻相對落后，主要靠人工挖掘收獲為主，勞動量大，工作效率低[3]。因其本身具有主根粗壯發(fā)達，側(cè)根盤根錯節(jié)，整體不規(guī)則，脆性大，根長等特點，現(xiàn)有根莖類作物收獲機械[4-8]均無法滿足板藍根的收獲要求。其中根土分離裝置作為板藍根收獲機核心部件，其工作性能直接影響板藍根收獲機整機的工作性能[9]，是板藍根機械化收獲關鍵環(huán)節(jié)之一。

國內(nèi)外學者關于根土分離裝置的研究主要集中在馬鈴薯、花生、玉米根茬等[10-14]，多采用抖動、碾壓、揉搓、振動沖擊等方式實現(xiàn)根土分離。目前，國外尚未見有關板藍根收獲機根土分離裝置的研究報道，國內(nèi)關于板藍根收獲機根土分離裝置的研究亦較少，但也取得了一些研究成果，如王薇[15]研制的板藍根收獲機根土分離裝置采用輸送鏈機構(gòu)與浮動式碾壓輥組合形式，可實現(xiàn)根土分離與輸送作業(yè)，又可避免將土壤壓實出現(xiàn)堵塞情況，但該分離裝置結(jié)構(gòu)較為復雜，在工作過程中故障率較高，分離后板藍根根莖傷損率高；杜華波等[16]發(fā)明了一種林下種植板藍根的收獲裝置，采用帶有通孔的篩板對根土混合物進行抖動式分離，但該分離裝置篩面通孔易被堵塞，篩分效果較差；黃英群[17]發(fā)明了一種板藍根收獲機，該機采用振動網(wǎng)篩來完成根土分離作業(yè)，但該分離裝置在篩分過程中板藍根易纏掛于網(wǎng)篩，導致土壤透篩性弱，篩分后根土分離率低。

針對上述問題，本文針對黑龍江地區(qū)砂壤土，板藍根的種植模式為單壟四行條件下，設計一種組合擺動式根土分離裝置，通過對篩分過程中組合式篩面根土復合體的動力學分析，明確影響根土分離效果的主要因素及參數(shù)范圍，通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，確定組合擺動式板藍根根土分離裝置最優(yōu)參數(shù)組合，并在優(yōu)化參數(shù)組合條件下與現(xiàn)有全篩條式篩面和全篩板式篩面進行田間對比試驗，為板藍根收獲機根土分離裝置的優(yōu)化及改進設計提供技術(shù)參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

板藍根收獲機結(jié)構(gòu)如圖1所示，該收獲機主要由機架、傳動裝置、根土分離裝置、挖掘裝置等組成。機架采用三點懸掛方式與拖拉機連接；傳動裝置采用皮帶傳動；根土分離裝置為擺動式，主要包括組合式篩面、連桿擺桿機構(gòu)、偏心機構(gòu)、分離篩尾柵、分離篩驅(qū)動軸等，結(jié)構(gòu)如圖2所示；挖掘裝置主要由直立式側(cè)切刀與V型平面挖掘鏟構(gòu)成。該機主要參數(shù)如表1所示。

圖1 板藍根收獲機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of Radix isatidi harvester1.機架 2.傳動裝置 3.根土分離裝置 4.挖掘裝置

圖2 組合擺動式根土分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of combined swing root-soil separation device1.組合式篩面 2.連桿擺桿機構(gòu) 3.偏心機構(gòu) 4.分離篩驅(qū)動軸 5.分離篩尾柵

表1 板藍根收獲機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of Radix isatidi harvester

1.2 工作原理

拖拉機通過動力輸出軸帶動收獲機組前進，工作時，挖掘鏟掘出的整株板藍根、雜草及土壤等混合物，沿鏟面向后運動，進入根土分離裝置，在篩面往復運動過程中，首先與篩面前端的橫縱篩條發(fā)生碰撞，利用其良好的碎土能力，將土壤疏松，部分被疏松的土壤通過篩條間隙落下，篩面上剩余的根土混合物等被輸送至分離篩中后部，篩板設計有傾斜擋板，可以防止板藍根莖葉與篩面發(fā)生纏掛等，能夠保證土壤順利透篩以及板藍根向后輸送順暢，最終大部分土壤通過篩面上的篩孔落至地面，實現(xiàn)根土分離。

2 根土分離裝置關鍵部件設計

2.1 組合式篩面

目前根土分離裝置常用篩面形式分為篩條式篩面和篩板式篩面，其中篩條式篩面在篩面中后部位置土壤量減少時，板藍根易纏掛于篩面，不僅堵塞篩孔，降低土壤透篩性，而且整株板藍根易從篩孔漏下，同時在篩分過程中對板藍根的撞擊損傷大，但是篩條式篩面碎土能力強；篩板式篩面與根土混合物為面接觸，與篩條式篩面相比，碎土能力較弱，但能夠防止板藍根纏掛篩面，且對板藍根的撞擊損傷小。綜合考慮二者優(yōu)缺點，本文設計了組合式篩面，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 組合式篩面整體結(jié)構(gòu)圖及局部視圖Fig.3 Overall structure drawing and partial view of combined sieve surface1.縱向篩條 2.橫向篩條 3.篩面框架 4.螺栓孔 5.篩板

該裝置主要由縱向篩條、橫向篩條、篩板、篩面框架等組成。其中組合式篩面前部由橫、縱篩條構(gòu)成，縱篩條位于橫篩條的上部，篩孔呈矩形，該部分主要利用其碎土能力強的優(yōu)點，將挖掘鏟輸送來的根土混合物疏松，便于后續(xù)篩分作業(yè)；篩面中后部由橫向平行等距排列的篩板組成，其中篩板由篩面板和傾斜擋板兩部分組成，篩板單體結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中篩板上傾斜擋板的設計，一方面能夠防止篩分過程中板藍根纏掛篩面，減少堵塞篩孔及漏根現(xiàn)象；另一方面能夠減少被篩分土壤的后拋現(xiàn)象；篩板上篩面板的設計能夠降低對板藍根的撞擊損傷。

圖4 篩板單體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Single schematic of sieve plate1.篩面板 2.傾斜擋板

依據(jù)板藍根產(chǎn)量及現(xiàn)有類似結(jié)構(gòu)機型的設計經(jīng)驗、整機尺寸要求等[18-19]，取篩面長度為1 200 mm，其中篩條段長400 mm，篩板段長800 mm。為使掘出的板藍根從挖掘鏟到分離篩順利過渡，要求分離篩寬度比挖掘鏟鏟寬略大一些，鏟寬依據(jù)板藍根種植模式(圖5)設計為600 mm，因此本文設計分離篩的寬度為650 mm。篩條采用截面直徑為10 mm鋼條，篩板采用厚度為3 mm鋼板，傾斜擋板長為50 mm，篩面板長為30 mm，彎折角為140°。

圖5 板藍根種植模式簡圖Fig.5 Planting pattern of Radix isatidi

篩孔尺寸的確定要考慮板藍根輪廓的平均尺寸，由于板藍根外形的不規(guī)則性，為了得到其輪廓尺寸，將板藍根的葉部和根部輪廓近似看作圓柱體，如圖6所示。根據(jù)實際測量值統(tǒng)計結(jié)果可知，單株板藍根葉部輪廓高度h1、葉部輪廓直徑d1、根部輪廓高度h2、根部輪廓直徑d2分布范圍分別為：220～260 mm、200～250 mm、250～350 mm、35～125 mm。根據(jù)根土分離要求同時保證板藍根不會從篩條間隙落下，要求橫向篩條間隙小于板藍根輪廓高度的最小值，縱向篩條間隙小于板藍根輪廓直徑的最小值。本文設計橫向篩條間隙為200 mm，縱向篩條間隙及篩板間隙為30 mm。

圖6 板藍根輪廓圖Fig.6 Outline of Radix isatidi

2.2 偏心機構(gòu)

偏心機構(gòu)是板藍根收獲機擺動式根土分離裝置的關鍵部件，用來調(diào)節(jié)曲柄半徑(偏心距)，其性能直接影響根土分離效果。主要由2個半徑相同并帶有螺栓孔的圓盤組成，如圖7所示。內(nèi)圓盤與分離篩驅(qū)動軸偏心焊接，外圓盤與連桿銷軸偏心焊接，內(nèi)外圓盤利用螺栓同心固定，通過不同螺栓孔的匹配形成不同的安裝方式，實現(xiàn)曲柄半徑的改變。曲柄半徑越大，篩面的振幅越大，分離篩碎土效果越好，土壤透篩性增強，但是對板藍根的撞擊損傷增加。因此根據(jù)已有經(jīng)驗確定曲柄半徑r為15～25 mm。

圖7 偏心機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic of eccentric mechanism1.連桿銷軸 2.外圓盤 3.螺栓孔 4.內(nèi)圓盤 5.分離篩驅(qū)動軸

2.3 連桿擺桿機構(gòu)

連桿擺桿機構(gòu)是實現(xiàn)分離篩篩面傾角變化的主要機構(gòu)，直接影響根土分離的效果，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。該機構(gòu)一端與偏心機構(gòu)外圓盤銷軸連接，另一端與前擺桿上的銷軸連接，組成曲柄搖桿機構(gòu)；前、后擺桿兩端分別與機架上、篩架上銷軸連接，組成雙搖桿機構(gòu)。分離篩兩側(cè)連桿擺桿機構(gòu)對稱分布，其中后擺桿主要由一對旋向相反的螺桿和螺套組成，通過轉(zhuǎn)動螺套可以調(diào)節(jié)后擺桿長度，實現(xiàn)分離篩篩面傾角的變化。依據(jù)文獻[3]，常用板藍根收獲機篩面傾角α調(diào)節(jié)范圍為10°～20°，本文設計后擺桿長度為450～570 mm?？紤]收獲機各部件的裝配關系和曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性，設計前擺桿長度為350 mm，連桿長度為400 mm。

圖8 連桿擺桿機構(gòu)簡圖Fig.8 Diagram of connecting rod and swing bar mechanism1.前擺桿 2.連桿 3.后擺桿

3 根土復合體動力學分析與參數(shù)確定

3.1 篩面物料運動狀態(tài)選擇與擺動篩運動學分析

組合式篩面及根土復合體的運動情況直接影響篩面的篩分性能與輸送能力，因此需要對篩面及根土復合體進行運動學分析，確定影響根土復合體相對篩面運動的主要參數(shù)，為組合擺動式根土分離裝置參數(shù)的選取提供理論依據(jù)。

根土復合體相對篩面主要有靜止、正向滑動(與機具前進方向相反)、反向滑動(與機具前進方向相同)以及拋擲等4種基本運動形式。借鑒經(jīng)典篩分理論[20-22]，可將根土復合體相對篩面的運動分為2類：往復滑動和拋擲運動。本文設計的組合擺動式板藍根根土分離裝置的作業(yè)要求為：通過拋擲高度和拋擲次數(shù)來實現(xiàn)土壤破碎，同時在確保篩分效果的前提下，能夠及時地將分離后的板藍根、土壤、雜草等輸送至分離篩尾部。因此，根土復合體相對篩面的運動狀態(tài)確定為拋擲運動。

為便于分析，建立慣性坐標系XOY，其中X軸為篩面的擺動方向，Y軸垂直于篩面的擺動方向；非慣性坐標系x′oy′固聯(lián)于篩面上，x′軸為篩面切線方向，y′軸為篩面法線方向，如圖9所示。

圖9 根土復合體相對篩面拋擲運動時受力分析Fig.9 Force analysis of root-soil complex during throwing motion relative to sieve surface

根土復合體在篩面上的運動是由擺動篩的運動而產(chǎn)生的，篩面任意一點在篩面擺動方向的位移方程可表示為

X=rsin(ωt)+vct/cos(α+β)

(1)

求導可得篩面任意一點在擺動方向速度、加速度方程表達式為

vX=rωcos(ωt)+vc/cos(α+β)

(2)

aX=-rω2sin(ωt)

(3)

式中X——篩面任意一點在擺動方向的位移，m

ω——曲柄角速度，rad/s

t——工作運行時間，s

vc——機車前進速度，m/s

α——篩面傾角，(°)

β——篩面擺動方向角，(°)

vX——篩面任意一點在擺動方向速度，m/s

aX——篩面任意一點在擺動方向加速度，m/s2

由式(2)、(3)可知，當根土復合體相對篩面做拋擲運動時，篩面任意一點在擺動方向速度vX、加速度aX的擺動幅度與曲柄半徑r、曲柄角速度ω有關，為后續(xù)篩面及根土復合體運動學、動力學分析奠定基礎。

3.2 根土復合體動力學分析

在實際作業(yè)過程中，由于擺動篩面物料主要是由板藍根、土壤、雜草等組成的根土復合體混合物，所以篩上物在運動時必然伴隨各物質(zhì)間的相互擠壓、碰撞以及自身的翻滾[23-24]。這些相互作用具有隨機性、不確定性，給篩上根土復合體的動力學分析帶來了困難，為便于分析，做如下假設：①忽略土壤中板藍根的彈性和相互牽連及空氣對篩上物料的運動阻力。②忽略根土復合體間的相互碰撞及自身的翻滾，將其個體視為自由質(zhì)點。

假設組合式篩面上有一質(zhì)量為m的整株板藍根與土的復合體，發(fā)生拋擲運動被拋起時，復合體受到重力G和慣性力FI，如圖9所示。

由圖9可知，根土復合體相對篩面上產(chǎn)生拋擲運動時，慣性力、重力沿篩面法向分力的合力表達式FIy′-Gy′>0，其中Gy′>0，則FIy′>0，此時慣性力FI的方向沿X軸負向，則FI<0，aX>0。由式(3)可知，當aX>0時，則-1≤sin(ωt)<0，此時曲柄搖桿機構(gòu)轉(zhuǎn)至第Ⅱ、Ⅲ象限，則根土復合體相對篩面發(fā)生拋擲運動的表達式為

-FIsinβ-Gcosα>0

(4)

式中m——整株板藍根質(zhì)量，kg

n——曲柄轉(zhuǎn)速，r/min

整理、化簡式(4)得

(5)

3.3 根土復合體運動學分析

根土復合體脫離篩面瞬間，其運動學參數(shù)與篩面運動學參數(shù)相等，即根土復合體的起點A處初速度vA=vX、初加速度aA=aX。并且根土復合體在脫離篩面瞬間，其慣性力、重力沿篩面法向方向分力的合力表達式FIy′+Gy′=0，即

FIsinβ-Gcosα=0

(6)

aAsinβ=-gcosα

(7)

結(jié)合式(3)得

(8)

由于sin2(ωt)+cos2(ωt)=1，將式(2)、(8)代入，整理化簡得根土復合體的起點A處初速度vA為

(9)

以根土復合體拋出點A為原點，x軸沿水平方向，y軸沿豎直方向建立直角坐標系，如圖10所示。根土復合體脫離篩面后做初速度為vA的斜上拋運動，其拋物線軌跡方程為

圖10 根土復合體拋擲運動軌跡示意圖Fig.10 Trajectory diagram of throwing motion of root-soil complex

(10)

根土復合體彈跳一個周期的運動軌跡如圖10所示，由圖10可知，落點B處水平x軸方向位移xB為

(11)

根土復合體在拋擲運動過程中，水平方向做勻速直線運動，故其自拋起至落回篩面所需的時間t為

(12)

(13)

聯(lián)合式(9)、(13)得

(14)

(15)

則擺動式分離篩加速度比Kv的最大值為

(16)

綜合以上分析可知，本文設計的板藍根收獲機擺動式分離篩加速度比為1

為了獲得擺動方向角對根土分離效果的影響程度，在篩面傾角α為14°、曲柄半徑r為23 mm、曲柄轉(zhuǎn)速n為440 r/min，篩面擺動方向角β分別取20°、21°、22°、23°、24°、25°的條件下，以篩面擺動方向角β為試驗因素對樣機進行單因素試驗，結(jié)果表明篩面擺動方向角β對根土分離效果影響較小。

通過預試驗結(jié)果表明，篩面傾角α主要影響篩面根土混合物的輸送速度，篩面傾角α越大，輸送速度越小，根土分離效果越好，但根土分離效率會降低，另外會出現(xiàn)堆積現(xiàn)象；曲柄半徑r主要影響根土混合物與篩面的撞擊力，曲柄半徑r越大，撞擊力越大，根土分離效果越好，但對板藍根撞擊損傷率增加；曲柄轉(zhuǎn)速n主要影響篩面根土混合物與篩面的撞擊頻率，曲柄轉(zhuǎn)速n越大，撞擊頻率越大，根土分離效果越好，但板藍根的撞擊損傷率增加。

基于以上分析，確定影響板藍根收獲機擺動式根土分離裝置篩分性能的主要因素為：篩面傾角α、曲柄半徑r以及曲柄轉(zhuǎn)速n。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

2020年10月，在黑龍江省齊齊哈爾市泰來縣板藍根種植基地進行田間根土分離試驗。以本文所開發(fā)的板藍根收獲機為試驗機型(圖1)，配套動力為雷沃歐豹M404-E型輪式拖拉機，其功率為29.4 kW，作業(yè)速度為0.8 m/s，挖掘深度為350 mm。試驗地土壤類型為沙壤土，板藍根種植方式為壟作，試驗區(qū)的壟長大于500 m，壟距為600 mm，壟高為150 mm，耕作層土壤含水率為9.19%～15.03%。品種為大青葉型板藍根，株距30～50 mm，生長深度為250～350 mm。

試驗測區(qū)長度100 m，兩端穩(wěn)定區(qū)長度均為15 m。試驗時，在每個試驗測區(qū)隨機選3個小區(qū)對試驗結(jié)果進行測量，取平均值。每個小區(qū)長3 m，寬度為機器的作業(yè)幅寬，試驗過程中通過改變后擺桿長度來調(diào)節(jié)篩面傾角α，改變拖拉機輸出軸擋位和收獲機傳動系統(tǒng)中帶輪傳動比來調(diào)節(jié)曲柄轉(zhuǎn)速n，改變偏心機構(gòu)內(nèi)外偏心圓盤螺栓孔安裝方式來調(diào)節(jié)曲柄半徑r。

4.2 評價指標

參照GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)試驗方法》中規(guī)定的試驗方法，以根土分離率W1和根莖傷損率W2作為評價指標。

(1)根土分離率

根土分離率是衡量樣機脫土性能的關鍵參數(shù)，定義為樣機脫去的土壤占投入樣機前根茬所包裹土壤質(zhì)量的百分比，計算公式為

(17)

式中M1——投入樣機的根土復合體總質(zhì)量，kg

M2——經(jīng)樣機脫土后含殘余土壤的根莖總質(zhì)量，kg

M3——不含殘余土壤的根莖凈總質(zhì)量，kg

(2)根莖傷損率

傷損根莖是指根莖在脫土過程中被碾碎或擊碎成小塊的部分，傷損率計算公式為

(18)

式中M——測區(qū)內(nèi)所有根莖總質(zhì)量，kg

M4——被碾壓或擊打成小塊的根莖質(zhì)量，kg

4.3 試驗因素

為了更好地優(yōu)化參數(shù)以及確定試驗因素之間的交互性，根據(jù)理論分析確定的影響根土分離效果的主要參數(shù)及范圍，采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設計方法安排試驗，因素編碼如表2所示，取括號中近似值。試驗各因素水平的標定如圖11所示。每組試驗重復3次，試驗結(jié)果取平均值。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Test factors and codes

圖11 試驗各因素水平的標定Fig.11 Calibration of each factor and level

4.4 試驗結(jié)果與分析

試驗方案與結(jié)果如表3所示，其中x1、x2、x3分別為篩面傾角、曲柄轉(zhuǎn)速和曲柄半徑的編碼值。

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

4.4.1回歸分析與顯著性檢驗

運用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，得到根土分離率W1和根莖傷損率W2回歸方程，并進行顯著性檢驗。

(1)根土分離率回歸模型建立與顯著性分析

(19)

對上述回歸方程進行失擬檢驗，結(jié)果如表4所示，失擬P=0.156 2，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響試驗指標的主要因素。試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關系，分析結(jié)果合理。方差分析得出各因素對根土分離率W1影響的顯著性由大到小依次為：曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角、曲柄半徑。

(2)根莖傷損率回歸模型建立與顯著性分析

(20)

對上述回歸方程進行失擬檢驗，結(jié)果如表5所示，失擬P=0.546 0，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響試驗指標的主要因素。試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關系，分析結(jié)果合理。方差分析得出各因素對根莖傷損率W2影響的顯著性由大到小依次為：曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角、曲柄半徑。

表5 根莖傷損率方差分析Tab.5 Variance analysis for damage rate of rhizome

4.4.2響應曲面分析

由表4、5可知，交互作用項曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角對試驗性能指標根土分離率、根莖傷損率影響均為極顯著，其余交互作用項影響均不顯著，故分析交互作用項曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角對試驗性能指標的影響。通過Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得到曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角交互作用對根土分離率和根莖傷損率的響應曲面，如圖12所示。

表4 根土分離率方差分析Tab.4 Variance analysis for root-soil separation rate

圖12a為曲柄半徑位于中心水平(20 mm)時，曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角交互作用對根土分離率W1影響的響應曲面，由圖可知，當篩面傾角一定時，根土分離率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加呈先增大后減小的趨勢；當曲柄轉(zhuǎn)速一定時，根土分離率隨著篩面傾角的增加呈先增大后逐漸趨于平緩的趨勢。

圖12b為曲柄半徑位于中心水平(20 mm)時，曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角交互作用對根莖傷損率W2影響的響應曲面，由圖可知，當篩面傾角一定時，根莖傷損率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加而增加，但是變化較緩慢；當曲柄轉(zhuǎn)速一定時，根莖傷損率隨著篩面傾角的增加呈先減少后逐漸增加的趨勢。

圖12 試驗因素交互作用對指標影響的響應曲面Fig.12 Response surface of influence of test factors on index

分析其變化原因為：隨著篩面傾角的逐漸增大，掘出的根土混合物沿篩面向后輸送速度變慢，掘出的大部分土壤在分離篩前中部被篩下，根土分離率逐漸變大并趨于穩(wěn)定，而篩分后的板藍根被輸送到分離篩后部時由于缺乏土壤的緩沖保護，導致根莖傷損率變大。

4.5 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

4.5.1參數(shù)優(yōu)化

為尋求板藍根收獲機擺動式根土分離裝置最佳篩分性能的工作參數(shù)組合，采用多目標變量優(yōu)化方法，運用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化功能，對2個回歸模型進行優(yōu)化求解。遵循提高根土分離率、降低根莖傷損率的原則，結(jié)合各試驗因素的邊界條件，構(gòu)建非線性規(guī)劃參數(shù)模型為

(21)

通過優(yōu)化求解，得出當篩面傾角α為14.94°，曲柄轉(zhuǎn)速n為440.00 r/min，曲柄半徑r為19.95 mm時，根土分離裝置篩分性能最佳，此最優(yōu)參數(shù)組合下根土分離率為97.19%、根莖傷損率為2.66%。

4.5.2驗證試驗

2020年10月，在黑龍江省齊齊哈爾市泰來縣板藍根種植基地進行驗證試驗，設備作業(yè)效果如圖13所示。為便于實際應用，對工作參數(shù)優(yōu)化理論值進行圓整，即工作參數(shù)設置為篩面傾角為15°，曲柄轉(zhuǎn)速為440 r/min，曲柄半徑為20 mm。進行5次重復驗證試驗，對5次試驗結(jié)果取平均值，結(jié)果如表6所示。

圖13 設備作業(yè)效果Fig.13 Working effects of equipment

表6 模型預測值與驗證試驗結(jié)果對比Tab.6 Comparison of model prediction and validation test results %

由表6可知，實際試驗值與預測值基本吻合，相對誤差均小于5%，表明篩分性能回歸模型合理性、可靠性較高。與行業(yè)標準NY/T 3481—2019《根莖類中藥材收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》對比可知，根土分離率、根莖傷損率均優(yōu)于行業(yè)標準要求。

4.5.3對比試驗與分析

為了進一步驗證設計的組合擺動式板藍根根土分離裝置性能，進行對比試驗，將其與現(xiàn)有的全篩條式根土分離裝置、全篩板式根土分離裝置進行性能比較。

與4.5.2節(jié)相同條件下，分別將全篩條式根土分離裝置與全篩板式根土分離裝置掛接在擺動式板藍根收獲機上，各進行5次重復試驗，取平均值，試驗步驟與方法同上，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 不同篩面試驗結(jié)果對比Tab.7 Contrast experiment results of different sieve surfaces %

由表6、7可知，3種類型的篩面在板藍根收獲機作業(yè)條件相同時，篩條-篩板組合式、全篩條式、全篩板式根土分離率分別為96.09%、90.50%、92.93%；根莖傷損率分別為2.75%、6.20%、3.71%，可見篩條-篩板組合式效果優(yōu)于其他兩種篩面形式。

5 結(jié)論

(1)設計了組合擺動式板藍根根土分離裝置，通過對關鍵部件設計及篩分過程中組合式篩面根土復合體運動學、動力學分析，確定了影響篩分性能的主要因素和范圍。

(2)采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方法，建立了以篩面傾角、曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄半徑為試驗因素，以根土分離率、根莖傷損率為評價指標的二次回歸模型，得到了各因素對根土分離率的影響程度由大到小依次為曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角、曲柄半徑；各因素對根莖傷損率的影響程度由大到小依次為曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角、曲柄半徑。

(3)采用響應面組合試驗法對組合擺動式板藍根根土分離裝置的工作參數(shù)進行優(yōu)化，使用 Design-Expert軟件對根土分離率、根莖傷損率的回歸方程進行優(yōu)化求解，結(jié)果表明在篩面傾角為14.94°、曲柄轉(zhuǎn)速為440 r/min、曲柄半徑為19.95 mm時，模型得到的根土分離率為97.19%，根莖傷損率為2.66%。對試驗條件圓整后進行驗證試驗，得出試驗結(jié)果為根土分離率為96.09%，根莖傷損率為2.75%。與預測值相近，說明所建模型合理。

(4)在優(yōu)化參數(shù)組合條件下，進行田間對比試驗，結(jié)果表明，篩條-篩板組合式篩面篩分性能優(yōu)于全篩條式篩面和全篩板式篩面。