馬鈴薯定量裝袋裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王相友 任加意 呂丹陽(yáng) 張 蒙 李學(xué)強(qiáng) 蘇國(guó)粱

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255091；2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心， 德州 253600；3.山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司， 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯是繼玉米、水稻、小麥之后的第四大糧食作物[1]。自馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略實(shí)施以來(lái)，我國(guó)種植面積和總產(chǎn)量已經(jīng)位居世界第一，馬鈴薯機(jī)械化作業(yè)需求也在日益增加[2-4]。裝袋作為馬鈴薯收獲后關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能為馬鈴薯的倉(cāng)儲(chǔ)和運(yùn)輸以及后續(xù)售賣提供便利，因此亟需研發(fā)一種能夠便捷裝換袋且兼具高效低損、精準(zhǔn)定量功能的定量裝袋裝置。

我國(guó)馬鈴薯裝袋機(jī)械與國(guó)外相比仍具有較大差距，國(guó)外已有具備自動(dòng)裝袋功能且相對(duì)成熟的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)等大型一體化機(jī)械，而國(guó)內(nèi)的馬鈴薯裝袋機(jī)械仍處于發(fā)展階段[5-6]。馬鈴薯在裝袋過(guò)程中損傷形式主要為碰撞損傷與摩擦損傷[7-9]，而產(chǎn)生上述損傷主要與馬鈴薯裝袋機(jī)械的工作參數(shù)和裝袋結(jié)構(gòu)有關(guān)。輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重裝袋機(jī)[10]通過(guò)輥式導(dǎo)流實(shí)現(xiàn)了低損導(dǎo)流效果，通過(guò)多工位裝袋實(shí)現(xiàn)了高效裝袋效果，但其定量裝袋裝置在測(cè)量質(zhì)量時(shí)不夠穩(wěn)定，撐袋裝置在裝換袋時(shí)不夠高效便捷，且裝袋過(guò)程存在馬鈴薯破皮和傷薯等損傷較多等現(xiàn)象。針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用S型拉力傳感器原理稱量，提高稱量精度和穩(wěn)定性。在原有氣動(dòng)夾袋原理的基礎(chǔ)上，對(duì)定量裝袋裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)入袋引流機(jī)構(gòu)和夾袋機(jī)構(gòu)的配合，在提高裝換袋效率的同時(shí)減少定量裝袋帶來(lái)的破皮、傷薯等損傷。在此基礎(chǔ)上搭建定量裝袋裝置試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部件分析，明晰影響裝袋效果的主要因素及其參數(shù)范圍，通過(guò)三因素三水平試驗(yàn)確定定量裝袋裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，并在最優(yōu)參數(shù)組合條件下進(jìn)行裝袋效果試驗(yàn)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

馬鈴薯定量裝袋裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)主要由移動(dòng)伸縮支架、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、平整帶、分流機(jī)構(gòu)、定量裝袋裝置入袋引流機(jī)構(gòu)和夾袋機(jī)構(gòu)、定量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。

圖1 馬鈴薯定量裝袋裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of potato quantitative bagging device test bench1.輸送帶 2.平整帶 3.分流機(jī)構(gòu) 4.入袋引流機(jī)構(gòu) 5.安裝架 6.張緊機(jī)構(gòu) 7.萬(wàn)向輪 8.S型拉力傳感器 9.夾袋機(jī)構(gòu) 10.移動(dòng)伸縮支架

其中，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要由減速電機(jī)、主從動(dòng)輥以及輸送帶等組成，其作用是為試驗(yàn)臺(tái)提供輸送動(dòng)力，將馬鈴薯順利輸送至所需工位進(jìn)行下一步處理；分流機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)氣缸、旋轉(zhuǎn)安裝軸、分流擋板以及無(wú)動(dòng)力滾筒等組成，其作用是將輸送帶上的部分馬鈴薯作分流處理；入袋引流機(jī)構(gòu)主要由引流板以及左右側(cè)擋板組成，作用是調(diào)整分流后馬鈴薯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將其引流至夾袋機(jī)構(gòu)處進(jìn)行裝袋處理；夾袋機(jī)構(gòu)主要由夾袋氣缸、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、開(kāi)合板等組成，其作用是實(shí)現(xiàn)馬鈴薯袋的夾緊與松弛動(dòng)作，并在松袋時(shí)儲(chǔ)存一定量的馬鈴薯從而保證裝袋精度；定量系統(tǒng)主要由S型拉力傳感器和變送器組成，其作用是將測(cè)量馬鈴薯質(zhì)量電信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)傳輸；控制系統(tǒng)主要由西門子PLC S7-200CN、拓展模塊、傳感器、開(kāi)關(guān)旋鈕、觸摸屏以及變頻器等組成，其作用是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)半、全自動(dòng)控制，狀態(tài)顯示與報(bào)警停機(jī)等。

馬鈴薯定量裝袋裝置試驗(yàn)臺(tái)共設(shè)有5個(gè)裝袋工位，左右側(cè)各2個(gè)以及尾部1個(gè)，各裝袋工位在觸摸屏中可選擇性同時(shí)工作或單獨(dú)工作，具有較好的裝袋靈活性以及較高的裝袋效率。馬鈴薯定量裝袋裝置試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 馬鈴薯定量裝袋裝置試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of potato quantitative bagging device test bench

1.2 工作原理

通過(guò)觸摸屏以及相關(guān)控制旋鈕控制各工位旋轉(zhuǎn)氣缸、裝袋氣缸等的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)馬鈴薯分流、裝袋的控制，作業(yè)控制原理如圖2所示。隨著馬鈴薯不斷匯入裝袋工位夾緊的尼龍袋中，定量系統(tǒng)分別將各工位實(shí)際測(cè)量質(zhì)量電信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)并輸送至拓展模塊中，PLC在讀取信號(hào)并傳輸至觸摸屏顯示的同時(shí)進(jìn)行一定的判斷與控制：當(dāng)某一裝袋工位達(dá)到設(shè)定裝袋質(zhì)量，PLC控制該工位旋轉(zhuǎn)控制電磁閥斷電、夾袋控制電磁閥通電，即對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)氣缸復(fù)位關(guān)閉、夾袋氣缸前伸松袋，待重新?lián)Q好袋后，PLC控制該工位夾袋控制電磁閥斷電、旋轉(zhuǎn)控制電磁閥通電，即對(duì)應(yīng)夾袋氣缸復(fù)位夾袋、旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)分流，待再次達(dá)到設(shè)定質(zhì)量后重復(fù)上述裝換袋動(dòng)作。

圖2 作業(yè)控制原理圖Fig.2 Work control schematic

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

定量裝袋裝置主要部件為夾袋機(jī)構(gòu)和入袋引流機(jī)構(gòu)，夾袋機(jī)構(gòu)與對(duì)稱放置的S型拉力傳感器一側(cè)相連懸掛測(cè)量，入袋引流機(jī)構(gòu)將馬鈴薯引流至夾袋機(jī)構(gòu)處裝袋處理，其工作結(jié)構(gòu)與相關(guān)裝袋參數(shù)直接影響裝袋精度和裝袋效果，分別對(duì)夾袋機(jī)構(gòu)和入袋引流機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

2.1 夾袋機(jī)構(gòu)

夾袋機(jī)構(gòu)主要由支撐板、夾袋氣缸、開(kāi)合板、轉(zhuǎn)動(dòng)軸等組成，夾袋氣缸為夾袋機(jī)構(gòu)執(zhí)行元件，豎直方向左右斜置并排，氣缸活塞桿一端通過(guò)魚(yú)眼接頭等與開(kāi)合板連接，夾袋機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。參考目前市場(chǎng)上流通與儲(chǔ)藏專用的馬鈴薯尼龍袋規(guī)格，本裝置選用尼龍袋尺寸(長(zhǎng)×寬)為1 000.0 mm×700.0 mm作為定量裝置裝袋用品。夾袋機(jī)構(gòu)整體外形參數(shù)根據(jù)氣動(dòng)夾袋特點(diǎn)以及馬鈴薯袋的尺寸設(shè)計(jì)，取長(zhǎng)×寬×高(L×W×H)為650.0 mm×250.0 mm×390.0 mm。

圖3 夾袋機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of bag clamping mechanism1.雙耳底座 2.支撐板 3.旋轉(zhuǎn)軸 4.開(kāi)合板 5.軸承座 6.夾袋氣缸(配感應(yīng)器) 7.側(cè)擋板 8.中間擋板 9.魚(yú)眼接頭 10.單耳底座

2.1.1夾袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1.1夾袋機(jī)構(gòu)行程設(shè)計(jì)

夾袋氣缸行程是影響夾袋效果和裝換袋效率的重要因素之一。行程太長(zhǎng)，氣缸尺寸增大且伸縮時(shí)間加長(zhǎng)，整個(gè)裝置尺寸大且能耗升高；行程太短，整個(gè)裝置尺寸小，不便于裝換袋的實(shí)現(xiàn)。由于夾袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)氣缸為豎直方向左右斜置并排布置，左、右側(cè)運(yùn)動(dòng)原理一致，因此本文中僅分析左側(cè)運(yùn)動(dòng)部分。圖4a為水平夾角為α1時(shí)左側(cè)夾袋氣缸處于最上位未夾袋狀態(tài)；圖4b為水平夾角為α2時(shí)左側(cè)夾袋氣缸處于最下位夾袋狀態(tài)。

圖4 夾袋氣缸左側(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.4 Motion diagram of left side mechanism of pocket

為滿足夾袋氣缸行程要求，結(jié)合馬鈴薯尼龍袋尺寸以及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[11]，選取L3=320.0 mm，L4=50.0 mm，L5=200.0 mm，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行夾袋動(dòng)作干涉角度演算，得出夾袋氣缸松袋時(shí)對(duì)應(yīng)角度α3=120.0°，夾袋氣缸夾袋時(shí)所對(duì)應(yīng)角度為α4=100.0°，根據(jù)余弦定理得到夾袋氣缸伸縮運(yùn)動(dòng)理論行程ΔL關(guān)系式

(1)

式中L1——?dú)飧自谒綂A角為α1時(shí)總長(zhǎng)度，mm

L2——?dú)飧自谒綂A角為α2時(shí)總長(zhǎng)度，mm

L3——固定點(diǎn)A與固定點(diǎn)B水平距離，mm

L4——固定點(diǎn)A與固定點(diǎn)B垂直距離，mm

L5——夾緊轉(zhuǎn)動(dòng)邊所需長(zhǎng)度，mm

L6——固定點(diǎn)A與固定點(diǎn)B直線距離，mm

通過(guò)計(jì)算得到氣缸伸縮運(yùn)動(dòng)理論行程ΔL為

(2)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得到氣缸伸縮運(yùn)動(dòng)理論行程ΔL為48.7 mm。由于氣體可壓縮，為達(dá)到良好夾袋效果，夾袋氣缸在實(shí)際動(dòng)作中氣缸實(shí)際行程L0需比理論行程ΔL大，即氣缸實(shí)際行程選取需滿足L0>48.7 mm。

2.1.1.2開(kāi)合板參數(shù)設(shè)計(jì)

兩側(cè)開(kāi)合板若單一設(shè)計(jì)為平板形式，在合攏時(shí)雖能達(dá)到松袋效果，但易夾傷馬鈴薯，同時(shí)造成其他馬鈴薯落入袋中影響測(cè)量精度。

針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)合板整體設(shè)計(jì)為由一塊折彎底板與兩塊直角梯形板焊接而成，如圖5a所示，夾袋氣缸活塞桿前伸，左右開(kāi)合板合攏，形成一定的空間用于儲(chǔ)藏達(dá)到裝袋質(zhì)量后滯留的馬鈴薯，避免其跌落入袋來(lái)保證裝袋精度；如圖5b所示，夾袋氣缸活塞桿復(fù)位，馬鈴薯袋被夾緊于折彎底板與側(cè)擋板之間，此時(shí)馬鈴薯通過(guò)左右開(kāi)合板所圍空間入袋。但開(kāi)合板合攏空間過(guò)小，儲(chǔ)藏馬鈴薯時(shí)容易造成夾傷；合攏空間過(guò)大，容易使得夾袋機(jī)構(gòu)整體尺寸過(guò)大，增加制造成本。因此，考慮到夾袋機(jī)構(gòu)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，參考灌裝夾袋機(jī)械相關(guān)設(shè)計(jì)，本夾袋機(jī)構(gòu)開(kāi)合板直角梯形板尺寸取斜邊長(zhǎng)度L9=580.0 mm，高度L10=225.0 mm，下底長(zhǎng)度L7=700.0 mm，上底長(zhǎng)度L8=160.0 mm，折彎底板寬度為220.0 mm，開(kāi)合板整體板材厚度為3.0 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算尼龍袋內(nèi)部被撐起的長(zhǎng)度為480.0 mm，撐起寬度為220.0 mm，滿足尼龍袋尺寸1 000.0 mm×700.0 mm內(nèi)部被撐尺寸范圍。同時(shí)為減少馬鈴薯與開(kāi)合板間的碰撞損失及夾傷損失，在開(kāi)合板內(nèi)部粘貼一定厚度柔性橡膠起到緩沖減損的目的。

圖5 開(kāi)合板動(dòng)作簡(jiǎn)圖Fig.5 Action diagram of opening and closing plate1.夾緊氣缸 2.物料馬鈴薯 3.開(kāi)合板直角梯形板 4.開(kāi)合板折彎底板

2.1.1.3夾袋氣缸推拉力設(shè)計(jì)

夾袋氣缸推拉力是影響夾袋效果和裝換袋效率的重要因素之一。推拉力太小，不足以將尼龍袋夾緊，無(wú)法滿足夾袋要求并且影響測(cè)量精度；推拉力太大，夾袋氣缸尺寸相應(yīng)增大的同時(shí)，為保證剛度，與其接觸零件厚度也應(yīng)增大，制造成本增加且能耗升高。

為選擇合適氣缸推拉力，將尼龍袋以及袋中馬鈴薯作為整體研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，如圖6a所示，尼龍袋左右兩側(cè)分別受到側(cè)擋板和開(kāi)合板正壓力N1、N2、N3、N4以及摩擦力f1、f2、f3、f4，G為尼龍袋與袋中馬鈴薯總重力，F(xiàn)C為跌落馬鈴薯瞬間所產(chǎn)生的沖擊力。將圖6a受力簡(jiǎn)化后如圖6b所示，得到力學(xué)關(guān)系式

(3)

式中fL——尼龍袋左側(cè)受到的總摩擦力，N

fR——尼龍袋右側(cè)受到的總摩擦力，N

NL——尼龍袋左側(cè)所受壓力，N

NR——尼龍袋右側(cè)所受壓力，N

L11——尼龍袋重心與左側(cè)擋板長(zhǎng)度，mm

μ1——尼龍袋與Q235-A鋼摩擦因數(shù)

圖6 尼龍袋受力分析圖Fig.6 Stress analysis diagrams of nylon bag

由上述分析可知，尼龍袋在裝袋過(guò)程中不滑落，取決于尼龍袋夾緊過(guò)程中總摩擦力fL、fR與裝袋重力G及沖擊力FC之間的關(guān)系，當(dāng)fL+fR≥G+FC時(shí)，夾袋機(jī)構(gòu)將尼龍袋夾緊，尼龍袋不發(fā)生相對(duì)下滑；當(dāng)fL+fR

綜合上述分析，參考《SMC氣缸選型手冊(cè)》，夾袋氣缸選用缸徑50.0 mm、行程75.0 mm的氣缸，氣缸使用壓力為0.4 MPa，此時(shí)單個(gè)裝袋氣缸理論產(chǎn)生推力為630 N，理論拉力為520 N。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行夾袋機(jī)構(gòu)的滿載夾袋試驗(yàn)，結(jié)果表明，夾袋機(jī)構(gòu)在最大裝袋質(zhì)量60 kg時(shí)，能夠達(dá)到尼龍袋夾緊不發(fā)生滑動(dòng)的效果，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.2入袋過(guò)程分析

入袋過(guò)程中馬鈴薯的破皮和傷薯等損傷主要來(lái)源于入袋碰撞，為明晰馬鈴薯入袋碰撞損傷過(guò)程，對(duì)其入袋過(guò)程進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)大量觀察，馬鈴薯入袋碰撞大多為非對(duì)心碰撞，本文中僅考慮兩馬鈴薯的碰撞為發(fā)生在同一平面上的非對(duì)心碰撞，其非對(duì)心碰撞運(yùn)動(dòng)分析圖如圖7a所示。

圖7 非對(duì)心碰撞運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.7 Analysis of non-concentric collision motion

馬鈴薯以速度vA(與豎直方向夾角為γ)跌落入尼龍袋區(qū)域內(nèi)，AB運(yùn)動(dòng)階段可分解為：豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)和水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)。加速度g取9.8 m/s2。此過(guò)程跌落時(shí)間tAB、水平位移L12可表示為

(4)

當(dāng)運(yùn)動(dòng)下落一段距離H3后以速度vB(與豎直方向夾角為α)與下方馬鈴薯在點(diǎn)P主要發(fā)生非對(duì)心碰撞，過(guò)P-B位置作公法線和公切線，此時(shí)兩碰撞馬鈴薯的質(zhì)心不在公法線上。跌落馬鈴薯速度vB由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可表示為

(5)

為便于非對(duì)心碰撞運(yùn)動(dòng)分析，將馬鈴薯等效為一橢球體，令跌落入袋中的馬鈴薯質(zhì)量為m1，赤道半徑分別為c1和b1、極半徑為d1，碰撞后其法向和切向速度分量為v3n、v3τ，角速度為ω1，方向?yàn)轫槙r(shí)針；與其發(fā)生碰撞的馬鈴薯質(zhì)量為m2，赤道半徑分別為c2和b2、極半徑為d2，碰撞后其法向和切向速度分量為v4n、v4τ，角速度為ω2，方向?yàn)轫槙r(shí)針。

過(guò)接觸點(diǎn)P對(duì)碰撞馬鈴薯法向和切向分別應(yīng)用動(dòng)量定理有

(6)

(7)

式中t——非對(duì)心碰撞接觸時(shí)間，s

μ2——馬鈴薯接觸時(shí)摩擦因數(shù)

N5——跌落馬鈴薯正壓力，N

N6——碰撞馬鈴薯正壓力，N

ω1——跌落馬鈴薯旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

ω2——被撞馬鈴薯旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

I1——跌落馬鈴薯轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

I2——被撞馬鈴薯轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

聯(lián)立式(6)、(7)可得

(8)

(9)

非對(duì)心碰撞后，跌落馬鈴薯與被撞馬鈴薯運(yùn)動(dòng)分解為：分別以角速度ω1和ω2轉(zhuǎn)動(dòng)，以速度v3n、v3τ和速度v4n、v4τ平動(dòng)。軌跡由式(4)、(5)、(8)給出。

對(duì)發(fā)生非對(duì)心碰撞的馬鈴薯分別進(jìn)行受力分析，如圖7b所示，根據(jù)柯尼西定理，非對(duì)心碰撞時(shí)所產(chǎn)生的切向摩擦力fm和fn將使得馬鈴薯圍繞薯心發(fā)生一定的旋轉(zhuǎn)從而形成轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，部分能量以平動(dòng)動(dòng)能的形式體現(xiàn)。由于發(fā)生碰撞的時(shí)間極短，而碰撞過(guò)程中一般有機(jī)械能的損失，且馬鈴薯與馬鈴薯之間的碰撞屬于恢復(fù)系數(shù)為0～1的非完全彈性碰撞[12-13]，在碰撞系數(shù)一定的情況下，碰撞過(guò)程會(huì)有能量損失，其損失能量主要轉(zhuǎn)化形式為破皮和傷薯等。

根據(jù)上述分析可以看出馬鈴薯入袋后的運(yùn)動(dòng)軌跡與其跌落速度和跌落高度有關(guān)，馬鈴薯跌落速度與跌落高度越大，水平運(yùn)動(dòng)距離越長(zhǎng)，馬鈴薯越容易與夾袋機(jī)構(gòu)開(kāi)合板以及馬鈴薯袋發(fā)生接觸，從而造成一定的損傷，同時(shí)使入袋碰撞后馬鈴薯旋轉(zhuǎn)的角速度越大，因非對(duì)心碰撞所產(chǎn)生的破皮和傷薯等情況越嚴(yán)重，因此需要合理控制馬鈴薯入袋的運(yùn)動(dòng)軌跡。為避免馬鈴薯在入袋過(guò)程中產(chǎn)生的破皮損傷和傷薯積累，參考現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外馬鈴薯裝袋機(jī)裝袋喂入量的建議數(shù)值，馬鈴薯喂入量取25 t/h。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裝袋高度的單因素試驗(yàn)，最終獲得合適的馬鈴薯裝袋高度范圍為350.0～550.0 mm，在此裝袋高度范圍內(nèi)馬鈴薯入袋效果較好。

2.2 入袋引流機(jī)構(gòu)

入袋引流機(jī)構(gòu)主要由引流板以及左右側(cè)擋板組成，如圖8a所示，馬鈴薯被分流機(jī)構(gòu)分流至入袋引流機(jī)構(gòu)后入袋，根據(jù)實(shí)際觀察隨著馬鈴薯的不斷匯入，經(jīng)過(guò)引流板的馬鈴薯主要存在3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：有滑動(dòng)的滾動(dòng)、無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)以及無(wú)滾動(dòng)的滑動(dòng)，當(dāng)馬鈴薯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為無(wú)滾動(dòng)的滑動(dòng)時(shí)，與開(kāi)合板以及馬鈴薯袋的接觸較少，入袋效果較好。為達(dá)到馬鈴薯在引流板上運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多為無(wú)滾動(dòng)的滑動(dòng)的要求，并且能夠使得馬鈴薯在此過(guò)程順利滑下跌落入袋，無(wú)堵塞、停滯擠壓等現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要合理設(shè)計(jì)引流板的豎直方向安裝角γ1以及板長(zhǎng)LY，如圖8b所示。參考相關(guān)引流導(dǎo)流機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì)，本文入袋引流機(jī)構(gòu)中引流板的豎直方向安裝角γ1主要通過(guò)引流板側(cè)邊與左右側(cè)擋板連接位置來(lái)調(diào)整。結(jié)合馬鈴薯特性以及鈑金件加工工藝性，引流板材料選取韌性和塑性較好的Q235-A碳素結(jié)構(gòu)鋼，寬度取320.0 mm。

圖8 入袋引流機(jī)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematics of bag drainage mechanism1.引流板 2.右側(cè)擋板 3.左側(cè)擋板

2.2.1引流板安裝角設(shè)計(jì)

馬鈴薯在引流板上無(wú)滾動(dòng)的滑動(dòng)時(shí)受力分析如圖9a所示，此時(shí)的馬鈴薯在引流板上受到引流板垂直板向上支持力F1、自身重力m1g以及發(fā)生滑動(dòng)時(shí)與板面產(chǎn)生滑動(dòng)的摩擦力f5。重力m1g與引流板平面所成夾角和引流板與豎直方向夾角一致，均為γ1。

圖9 引流板處馬鈴薯受力、運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.9 Force and movement analysis diagram of potato at drainage plate

馬鈴薯在引流板上無(wú)滾動(dòng)的滑動(dòng)時(shí)，豎直方向上有關(guān)系式

F1=m1gsinγ1

(10)

馬鈴薯能夠順利滑下的條件為

m1gfcosγ1>f5

(11)

其中

f5=μ3F1

(12)

式中μ3——馬鈴薯與引流板摩擦因數(shù)

聯(lián)立式(10)～(12)得到

(13)

引流板的主要作用是將分流后的馬鈴薯引流至夾袋機(jī)構(gòu)處裝袋，引流板安裝角過(guò)大，容易導(dǎo)致馬鈴薯在引流板處堆積堵塞，產(chǎn)生擠壓損傷；安裝角過(guò)小，容易導(dǎo)致馬鈴薯在引流板上發(fā)生滾動(dòng)并以較大速度入袋，增大入袋碰撞瞬間沖擊力，增加破皮和傷薯等損傷發(fā)生及影響稱量合格率，因此選擇合適引流板安裝角，一定范圍內(nèi)避免較高馬鈴薯破皮和傷薯等損傷。參考國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有引流裝置并結(jié)合定量裝袋裝置尺寸，本文中引流板長(zhǎng)度LY取370.0 mm。文獻(xiàn)[14-15]測(cè)定的馬鈴薯與鋼板間摩擦因數(shù)為0.269～0.445，結(jié)合引流板材料Q235-A碳素結(jié)構(gòu)鋼及其表面處理情況，進(jìn)行引流板角度單因素試驗(yàn)，最終得出引流板豎直方向安裝角γ1合適的取值范圍為60.0°～66.0°。

2.2.2引流過(guò)程分析

令馬鈴薯進(jìn)入引流板的速度為v0，馬鈴薯滑出引流板的速度為v1，此階段馬鈴薯滑動(dòng)的距離為L(zhǎng)13，滑動(dòng)時(shí)間為tH，滑動(dòng)加速度為δ，重力加速度g取9.8 m/s2。

此引流過(guò)程滑動(dòng)階段運(yùn)動(dòng)分析圖如圖9b所示。由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可得

(14)

其中

δ=gcosγ1-μgsinγ1

(15)

聯(lián)立式(14)、(15)，可得

(16)

當(dāng)馬鈴薯喂入量較大時(shí)，大量馬鈴薯沿引流板滑動(dòng)入袋，此時(shí)受到馬鈴薯不斷喂入的影響，馬鈴薯所受到的力復(fù)雜且不均勻，得到馬鈴薯運(yùn)動(dòng)方程

(17)

根據(jù)以上分析可知，在引流板安裝角度一定的情況下，馬鈴薯脫離引流板速度v1受到輸送帶速度的影響：輸送帶速度越大，進(jìn)入引流板中的馬鈴薯越容易滾動(dòng)，脫離引流板速度v1變大，從而增大了馬鈴薯在入袋過(guò)程中與夾袋機(jī)構(gòu)開(kāi)合板的碰撞幾率及與馬鈴薯袋的擦傷幾率，進(jìn)而造成入袋后的馬鈴薯?yè)p傷積累；輸送帶速度越小，進(jìn)入引流板中的馬鈴薯越容易出現(xiàn)堵塞甚至擠壓傷薯等情況，影響后續(xù)馬鈴薯入袋效果。為更好探究輸送帶速度對(duì)引流中馬鈴薯滑動(dòng)過(guò)程的影響規(guī)律，找到合適的輸送帶速度，在引流板豎直方向安裝角γ1取值范圍為60.0°～66.0°以及裝袋高度范圍為350.0～550.0 mm的基礎(chǔ)上進(jìn)行輸送帶速度的單因素試驗(yàn)，最終得到輸送帶速度合適的取值范圍為0.35～0.55 m/s。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2021年10月在山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司進(jìn)行，試驗(yàn)對(duì)象選取為收獲后經(jīng)清選分選的荷蘭15號(hào)馬鈴薯，根據(jù)實(shí)際觀察與稱量，表面無(wú)明顯破皮、傷薯等損傷以及無(wú)黏土附著，馬鈴薯單個(gè)質(zhì)量為100～200 g。

3.2 試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)上文分析，確定影響定量裝袋裝置性能的因素主要為輸送帶速度、引流板角度和裝袋高度。試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1130—2006《馬鈴薯收獲機(jī)械》、NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》以及DB15/T 1418—2018《馬鈴薯種薯智能倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)規(guī)程》，將稱量合格率η1、破皮率η2和傷薯率η3作為馬鈴薯定量裝袋裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2.1稱量合格率

參考目前儲(chǔ)藏或市場(chǎng)流通的馬鈴薯裝袋質(zhì)量，本試驗(yàn)以30 kg為單袋馬鈴薯裝袋標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，其質(zhì)量誤差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為±5%。裝袋試驗(yàn)后用電子秤稱量各袋中馬鈴薯總質(zhì)量，將袋中馬鈴薯質(zhì)量與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)袋質(zhì)量進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)質(zhì)量誤差在5%以內(nèi)，即為合格裝袋。通過(guò)統(tǒng)計(jì)并計(jì)算馬鈴薯合格裝袋數(shù)SH與馬鈴薯總裝袋數(shù)SZ的比值，從而得到稱量合格率η1為

(18)

3.2.2破皮率和傷薯率

對(duì)于球形果蔬，國(guó)內(nèi)外測(cè)定其損傷時(shí)主要有體積法和面積法，本試驗(yàn)中損傷測(cè)定選擇面積法[16-17]。為方便計(jì)算將馬鈴薯的破皮面積近似為橢圓形，用游標(biāo)卡尺測(cè)量破皮位置處的兩個(gè)赤道半徑，計(jì)算出破皮面積，破皮面積大于0.2 cm2的薯塊視為破皮馬鈴薯；傷薯則同樣用游標(biāo)卡尺來(lái)測(cè)量馬鈴薯的破裂長(zhǎng)度，或者觀察組織損傷程度，測(cè)量長(zhǎng)度或觀察情況結(jié)合馬鈴薯種植戶以及商戶的經(jīng)驗(yàn)觀察來(lái)判定傷薯情況[18]。經(jīng)過(guò)5次重復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯在入袋過(guò)程中主要傷薯情況為組織淤傷。

通過(guò)收集單工位袋中的所有破皮薯和傷薯，分別用電子秤稱量，得到破皮薯和傷薯的質(zhì)量，分別計(jì)算出其與單袋馬鈴薯總質(zhì)量百分比，得到破皮率η2和傷薯率η3，其表達(dá)式為

(19)

式中MDR——單袋中破皮馬鈴薯總質(zhì)量，kg

MSS——單袋中傷薯馬鈴薯總質(zhì)量，kg

M——單袋中馬鈴薯總質(zhì)量，kg

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

運(yùn)用軟件Design-Expert 10.0.3中Design-Behnken組合設(shè)計(jì)法，以上述3個(gè)主要因素為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)[19-20]，其試驗(yàn)因素編碼如表2所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示，共進(jìn)行17組數(shù)據(jù)試驗(yàn)。分別建立評(píng)價(jià)指標(biāo)稱量合格率η1、破皮率η2以及傷薯率η3與試驗(yàn)因素引流板角度、輸送帶速度、裝袋高度之間的數(shù)學(xué)模型，得到上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的多元二次線性回歸方程，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)與響應(yīng)面分析，得出試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of test factors

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test plan and results

3.3.1方差分析

(20)

(21)

(22)

表4 稱量合格率η1、破皮率η2、傷薯率η3方差分析Tab.4 Analysis of variance of weighing qualified rate, peeling rate and potato injury rate

3.3.2響應(yīng)曲面分析

運(yùn)用軟件Design-Expert 10.0.3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到輸送帶速度、引流板角度、裝袋高度之間的極顯著和顯著交互作用對(duì)稱量合格率、破皮率、傷薯率3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面。

對(duì)于稱量合格率η1，輸送帶速度與裝袋高度的交互作用影響顯著。如圖10所示，當(dāng)引流板角度為63°時(shí)，稱量合格率隨著裝袋高度增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，隨著輸送線速度增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)。

圖10 因素交互作用對(duì)稱量合格率η1影響的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surface of interaction factors on weight qualification rate

對(duì)于破皮率η2，輸送帶速度與引流板角度、裝袋高度的交互作用影響極顯著。如圖11a所示，當(dāng)引流板角度為63°時(shí)，破皮率隨著裝袋高度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，隨著輸送帶速度的增加呈現(xiàn)先降低后升高趨勢(shì)；如圖11b所示，當(dāng)裝袋高度為450 mm時(shí)，破皮率隨著輸送帶速度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，隨著引流板角度的增加呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。

圖11 因素交互作用對(duì)破皮率η2影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Response surfaces of interaction factors on skin breaking rate

對(duì)于傷薯率η3，引流板角度與輸送帶速度、裝袋高度的交互作用影響極顯著。如圖12a所示，當(dāng)輸送帶速度為0.45 m/s時(shí)，傷薯率隨著裝袋高度的增加呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，引流板角度的增加呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。根據(jù)圖12b所示，當(dāng)裝袋高度為450 mm時(shí)，傷薯率隨著引流板角度的增加呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，隨著輸送帶速度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖12 因素交互作用對(duì)傷薯率η3影響的響應(yīng)曲面Fig.12 Response surfaces of interaction factors on potato injury rate

3.4 參數(shù)優(yōu)化

本試驗(yàn)中，根據(jù)上述分析結(jié)果以及定量稱量實(shí)際工況，得到相關(guān)指標(biāo)的約束條件和目標(biāo)函數(shù)為

(23)

為盡可能達(dá)到較高稱量合格率、較低破皮率及傷薯率的設(shè)計(jì)要求，選取最優(yōu)輸送帶速度、引流板角度及裝袋高度，運(yùn)用軟件Design-Expert 10.0.3中參數(shù)優(yōu)化模塊對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)參數(shù)組合：當(dāng)輸送帶速度為0.44 m/s、引流板角度為62.27°以及裝袋高度為496.07 mm時(shí)，馬鈴薯定量裝袋裝置稱量合格率為96.13%，破皮率為1.25%，傷薯率為0.92%。

3.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)組合的可靠性，結(jié)合實(shí)際測(cè)量?jī)x器的精度，在便于相關(guān)參數(shù)調(diào)整的基礎(chǔ)上取驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)組合為：輸送線速度0.44 m/s、引流板角度62.3°、裝袋高度496.1 mm。試驗(yàn)場(chǎng)景如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.13 Test scene diagram

在此驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)組合下共進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)并取平均值，得到稱量合格率為97.32%，破皮率為1.22%，傷薯率為0.94%。對(duì)比參數(shù)優(yōu)化后的理論值，實(shí)測(cè)值與理論值的相對(duì)誤差分別為1.23%、2.40%、2.17%。試驗(yàn)時(shí)裝換袋效果較好，表明采用S型拉力傳感器原理稱量提高了稱量精度和穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)的定量裝袋裝置在提高裝換袋效率的同時(shí)減少了馬鈴薯破皮和傷薯等損傷。

4 結(jié)論

(1)采用S型拉力傳感器原理稱量，提高了稱量精度和穩(wěn)定性；通過(guò)使用設(shè)計(jì)的定量裝袋裝置，在入袋引流機(jī)構(gòu)和夾袋機(jī)構(gòu)的配合下，提高裝換袋效率同時(shí)減少了破皮和傷薯等損傷。

(2)響應(yīng)面試驗(yàn)分析了引流板角度、裝袋高度以及輸送帶速度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)稱量合格率、破皮率和傷薯率的影響規(guī)律：對(duì)稱量合格率η1的影響主次順序?yàn)橐靼褰嵌?、裝袋高度以及輸送帶速度；對(duì)破皮率η2的影響主次順序?yàn)檠b袋高度、輸送帶速度以及引流板角度；對(duì)傷薯率η3的影響主次順序?yàn)檠b袋高度、輸送帶速度以及引流板角度。

(3)經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后得到定量裝袋裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合為：輸送帶速度為0.44 m/s、引流板角度為62.27°、裝袋高度為496.07 mm。5次重復(fù)裝袋試驗(yàn)結(jié)果表明稱量合格率為97.32%，破皮率為1.22%，傷薯率為0.94%，實(shí)測(cè)值與理論值的相對(duì)誤差分別為1.23%、2.40%、2.17%，表明本定量裝袋裝置能夠達(dá)到稱量合格率較高、破皮率及傷薯率較低的設(shè)計(jì)要求。