馬鈴薯種薯切塊機(jī)整列裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

呂金慶，張 航，李季成，劉中原，蘇文海，竹筱歆

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量位列全球第一，但單產(chǎn)水平較低[1]。多采用種薯切塊播種種植模式[2-3]。除中耕、收獲等過程外，切塊薯制備也是影響馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[4]。機(jī)械化切割種薯可提高切塊薯質(zhì)量。整列裝置為種薯切塊機(jī)重要組成，種薯切割前擺放姿態(tài)影響切出薯塊質(zhì)量，形狀不規(guī)則種薯直接進(jìn)塊造成薯塊質(zhì)量參差不齊，增加種薯投入。

種薯整列通常分為3種方式：根據(jù)種薯摩擦特性、外形尺寸和空間動(dòng)力學(xué)特性使種薯在運(yùn)動(dòng)過程中完成整列；利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行整列與人工整列[5]。其中，人工整列耗費(fèi)人力且效率低，不適合大規(guī)模種薯切塊作業(yè)；運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)方法整列需采集表面特征，成本較高[6]。國(guó)外對(duì)馬鈴薯整列機(jī)械研究起步較早[7-8]，如比利時(shí)迪沃夫公司研制的PGS型種薯切塊機(jī)[9]，利用安裝于兩側(cè)的半圓錐形滾筒和中間三組圓錐形滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)種薯切塊前整列，自動(dòng)化水平較高，但造價(jià)昂貴，不適合我國(guó)國(guó)情。國(guó)內(nèi)整列機(jī)械研究多見于其他農(nóng)產(chǎn)品[10-11]，劉向東等研制一種鮮杏定向切分去核機(jī)，設(shè)計(jì)帶有自轉(zhuǎn)鞍形輪輥?zhàn)优判蜉斔蜋C(jī)構(gòu)，并進(jìn)行排序、間隔輸送機(jī)理研究[12]；俞亞新等研究水稻整列機(jī)理，通過振動(dòng)激勵(lì)使稻種在導(dǎo)向板上翻滾運(yùn)動(dòng)[13]；徐惠榮等設(shè)計(jì)雙錐式水果輸送翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，依據(jù)水果與工作元件摩擦力實(shí)現(xiàn)水果空間轉(zhuǎn)動(dòng)[14]。

針對(duì)現(xiàn)有種薯切塊機(jī)整列裝置普遍存在切割種薯定位難、種薯排列混雜無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化切塊等關(guān)鍵問題，本文設(shè)計(jì)一種馬鈴薯種薯切塊機(jī)整列裝置，分析整列輸送過程中馬鈴薯受力和運(yùn)動(dòng)軌跡，采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)探究上料量、膠輪直徑、整列輥組轉(zhuǎn)速對(duì)整列率、平均整列時(shí)間、損傷率的影響，優(yōu)化得到最優(yōu)參數(shù)組合，搭建試驗(yàn)臺(tái)作試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為馬鈴薯種薯切塊機(jī)及配套技術(shù)研究提供理論依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

馬鈴薯種薯切塊機(jī)主要分為上料、分級(jí)、整列、切割、出料五部分（見圖1）。初步處理后種薯通過上料裝置輸送到分級(jí)裝置，在分級(jí)裝置中不同大小種薯被分選，體積較大種薯留在上層，體積較小種薯落入下層，清理種薯中土塊雜草等，分級(jí)后種薯進(jìn)入整列裝置，受摩擦力矩作用種薯長(zhǎng)軸與輥軸平行，完成整列后種薯進(jìn)入到切割裝置，體積較大種薯在上層受橫切與縱切，體積較小種薯在下層僅受縱切，種薯切割完畢后進(jìn)入出料裝置并消毒，最終從出料口輸出，完成切塊作業(yè)。

圖1 馬鈴薯種薯切塊機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of potato seed cutting machine

馬鈴薯種薯切塊機(jī)整列裝置試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)架、輸送裝置、擋板、傳動(dòng)電機(jī)、張緊裝置等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中試驗(yàn)臺(tái)左側(cè)為上料端。

圖2 馬鈴薯種薯切塊機(jī)整列裝置試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of the test bench for the sorting deviceof thepotato seed cutting machine

1.2 工作原理

傳動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整列裝置運(yùn)動(dòng)，整列輥組通過外鏈節(jié)并排安裝在雙排傳動(dòng)鏈上，相鄰兩個(gè)整列輥組安裝有方向不同的單排鏈輪，通過張緊鏈?zhǔn)拐休伣M在前進(jìn)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過整列輥組轉(zhuǎn)動(dòng)與向前移動(dòng)可避免種薯在入料處堆積，滿足切塊裝置整列要求；整列裝置兩側(cè)擋板可以防止種薯在整列過程中運(yùn)動(dòng)到整列裝置外；根據(jù)種薯形狀不均勻?qū)е轮匦牟辉趲缀沃行牡奈锪咸匦?，通過膠輪與種薯相對(duì)運(yùn)動(dòng)合力矩轉(zhuǎn)動(dòng)種薯達(dá)到整列目的，整列完成后整列輥組帶種薯繼續(xù)向前移動(dòng)，到達(dá)整列裝置右側(cè)時(shí)，單排鏈輪不再與張緊鏈接觸，整列輥組與種薯均停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)種薯整列完成，并排安裝的整列輥組支撐種薯進(jìn)入切割裝置進(jìn)行縱向切割，如圖3所示。

圖3 整列裝置作業(yè)Fig.3 Operation of thesorting device

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

種薯切塊機(jī)整列裝置試驗(yàn)臺(tái)主要用于切塊機(jī)整列過程中整列輥組轉(zhuǎn)速、膠輪直徑與上料量對(duì)整列效果影響試驗(yàn)，主要參數(shù)如表1所示。

表1 馬鈴薯種薯切塊機(jī)整列裝置試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parametersof thetest bench of the sorting device of potato seed cutting machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 輸送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸送裝置為種薯切塊機(jī)核心部件，主要由整列輥組、連接軸承、外鏈節(jié)、雙排滾子鏈、單排鏈輪、雙排鏈輪、連接托板等組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。輸送裝置通過連接托板與連接軸承、機(jī)架安裝在一起，其左側(cè)為上料端，36個(gè)整列輥組通過外鏈節(jié)安裝在雙排滾子鏈，由雙排鏈輪帶動(dòng)向前移動(dòng)。單排鏈輪安裝在整列輥組一側(cè)，與張緊裝置相互作用，使整列輥組在整列裝置前進(jìn)時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，相鄰兩個(gè)整列輥組上單排鏈輪方向不同，使相鄰兩個(gè)單排鏈輪相互錯(cuò)開，避免齒輪之間發(fā)生碰撞。

圖4 輸送裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structureof transmission device

2.2 整列輥組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整列輥組為輸送裝置重要組成，整列輥組形狀決定種薯向前傳輸時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。膠輪數(shù)量決定整列裝置可同時(shí)整列種薯數(shù)量，目前已有種薯切塊機(jī)整列裝置，多采用錐形滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)方式進(jìn)行整列。本文設(shè)計(jì)用于種薯切塊機(jī)上的整列輥組，由輥軸、膠輪、左側(cè)帶撥薯臺(tái)膠輪、右側(cè)帶撥薯臺(tái)膠輪等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示，膠輪材料采用丁苯橡膠，可減少種薯跌落損傷，膠輪數(shù)量與切割裝置圓盤刀數(shù)量相匹配[4]，因此設(shè)計(jì)膠輪共35個(gè)，其中31個(gè)膠輪緊密排列在輥軸，兩側(cè)分別安裝2個(gè)帶撥薯臺(tái)的膠輪，為整列時(shí)撥薯臺(tái)通過與種薯表皮接觸給種薯向整列裝置內(nèi)側(cè)提供摩擦力，使種薯向整列裝置內(nèi)側(cè)移動(dòng)，避免種薯與兩側(cè)擋板碰撞發(fā)生損傷。根據(jù)不同質(zhì)量種薯長(zhǎng)軸平均長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)膠輪寬度為41 mm。左側(cè)和右側(cè)帶撥薯臺(tái)膠輪兩端裝有鎖緊片，將安裝在輥軸上的膠輪鎖緊，防止其在輥軸上沿軸向移動(dòng)。

圖5 整列輥組結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of sorting roller

2.2.1 整列輥組間距確定

為使種薯在兩輥中間所受摩擦力僅供種薯旋轉(zhuǎn)，應(yīng)使種薯僅與膠輪有接觸點(diǎn)。因此，膠輪直徑D和兩輥軸距離L1均為與運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)因素，如圖6a所示，將馬鈴薯近似為橢球體，a、b、c分別為橢球體長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、短軸長(zhǎng)度和厚度，如圖6b所示，種薯姿態(tài)為長(zhǎng)軸與輥軸垂直，查閱文獻(xiàn)[15]可知，輥?zhàn)又睆綉?yīng)小于最小種薯直徑3倍，且膠輪間距s應(yīng)最小，兩個(gè)輥軸之間距離還應(yīng)大于所整列馬鈴薯長(zhǎng)軸尺寸，如式（1）所示。

圖6 整列輥組中整列輥間距的確定Fig.6 Determination of roll spacing in directional

由前期試驗(yàn)測(cè)得常見馬鈴薯物料特性可知[4]，70 g以上種薯短軸b長(zhǎng)度普遍在40 mm以上，210～300 g種薯長(zhǎng)軸a長(zhǎng)度為90～110 mm，因此，由式（1）可得110 mm＜L1＜120 mm。

如圖4所示，整列輥組通過外鏈節(jié)安裝在雙排滾子鏈上，相鄰兩輥軸距離為節(jié)距p的6倍。因此選取標(biāo)號(hào)為12A-2-108的雙排滾子鏈[16]，由鏈號(hào)知節(jié)距p為19.05 mm，故設(shè)計(jì)兩輥軸間距L1為114.3 mm。

2.2.2 膠輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膠輪為整列裝置關(guān)鍵部件，主要由中間圓臺(tái)和兩側(cè)定位環(huán)組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示，整列時(shí)圓臺(tái)對(duì)種薯施加力使其發(fā)生運(yùn)動(dòng)，定位環(huán)可保持相鄰兩圓臺(tái)間距，切割時(shí)圓盤刀將穿過兩中間圓臺(tái)，綜合考慮已有圓盤刀組結(jié)構(gòu)，取兩側(cè)定位環(huán)厚度7 mm，當(dāng)膠輪安裝在輥軸上時(shí)，定位環(huán)使相鄰中間圓臺(tái)距離為14 mm，考慮到外鏈節(jié)強(qiáng)度與輥軸所受載荷，由經(jīng)驗(yàn)選取輥軸直徑為18 mm。

圖7 膠輪結(jié)構(gòu)Fig.7 structural details of rubber wheel

設(shè)計(jì)圓臺(tái)結(jié)構(gòu)為中間水平兩側(cè)傾斜，平面和傾斜面寬度相等，均為9 mm，整列時(shí)種薯與膠輪在傾斜面接觸，為保證種薯受膠輪旋轉(zhuǎn)時(shí)施加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩可克服種薯擺正時(shí)受到與橡膠的摩擦力矩，為避免種薯下落時(shí)與膠輪碰撞損傷，設(shè)計(jì)兩側(cè)傾斜面與輥軸夾角為13°，設(shè)計(jì)定位環(huán)直徑為37 mm。

2.2.3 兩側(cè)帶撥薯臺(tái)膠輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為避免種薯在整列輸送過程中從裝置上掉落，將裝置兩側(cè)設(shè)計(jì)有擋板，種薯與擋板發(fā)生碰撞不僅使種薯表皮破損，且改變種薯在裝置上運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，影響整列率，因此在左右兩側(cè)膠輪上分別設(shè)計(jì)撥薯臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 左側(cè)和右側(cè)帶撥薯臺(tái)膠輪結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of the rubber wheelswith bosson the left and right

以左側(cè)帶撥薯臺(tái)膠輪為例，整列時(shí)種薯受力情況如圖9a所示，此時(shí)合力方向偏向裝置內(nèi)側(cè)，使種薯有向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。撥薯臺(tái)過高會(huì)使其與種薯接觸點(diǎn)較高，影響種薯運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，為保證種薯整列效果同時(shí)避免種薯表皮破損，設(shè)計(jì)撥薯臺(tái)與輥軸夾角為40°，設(shè)計(jì)撥薯臺(tái)長(zhǎng)度為30 mm，高度與寬度均為4.5 mm。由圖9b可知，種薯在撥薯臺(tái)作用下，合力在水平方向指向裝置內(nèi)側(cè)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 撥薯臺(tái)作用下種薯受力分析Fig.9 Stressanalysisof seed potato under the action of boss

3 馬鈴薯種薯整列過程分析

3.1 種薯整列過程力學(xué)分析

馬鈴薯落到整列裝置后，在裝置上姿態(tài)不一，受力情況如圖10所示。根據(jù)馬鈴薯種薯物理特性，將馬鈴薯假設(shè)為橢球體，假設(shè)種薯落入到整列裝置上任一位置時(shí)其長(zhǎng)軸與裝置平面夾角為λ1，與輥軸夾角為λ2，對(duì)馬鈴薯在空間內(nèi)瞬時(shí)狀態(tài)進(jìn)行受力分析。當(dāng)λ1、λ2均不為0時(shí)，以輥軸軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立參考坐標(biāo)系O-XYZ，其中X方向平行于輥軸，Y方向平行于整列輥組前進(jìn)方向，Z方向垂直于該整列裝置。以馬鈴薯質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立參考坐標(biāo)系O′-xyz，其中，x，y，z軸分別平行于X，Y，Z軸，將受力分析在O′-xyz上簡(jiǎn)化，如圖11所示。

圖10 種薯整列時(shí)受力分析Fig.10 Force analysis when seed potatoesare sorted

圖11 受力簡(jiǎn)化圖Fig.11 Simplified diagram of force

由受力分析可得力學(xué)平衡方程：

式中，M轉(zhuǎn)—種薯受到的整列輥組的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩（N·mm）；M摩—種薯受到整列輥組的摩擦力矩（N·mm）；N1，N2—膠輪對(duì)種薯的支持力（N）；G—種薯所受重力（N）；f1—種薯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到的靜摩擦力（N）；f2—種薯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到的靜摩擦力（N）；Ff1—驅(qū)動(dòng)種薯轉(zhuǎn)動(dòng)的滾動(dòng)摩擦力（N）；Ff2—驅(qū)動(dòng)種薯轉(zhuǎn)動(dòng)的滾動(dòng)摩擦力（N）；μ1—種薯表皮與膠輪的靜摩擦系數(shù)；h1—驅(qū)動(dòng)種薯轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的力臂（mm）；h2—阻礙種薯轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩的力臂（mm）；L1—兩輥軸軸心距離，取114.3（mm）；L2—兩膠輪中心距離，取41（mm）；θ1，θ2—膠輪對(duì)馬鈴薯的支持角（°）；α—兩側(cè)傾斜面與輥軸夾角，取13°；M合—種薯在空間上受M轉(zhuǎn)與M摩的合力矩（N·mm）。

根據(jù)受力分析圖列出力學(xué)方程：

由式（3）（4）（5）可得：

其中：

由式（6）可知，膠輪對(duì)種薯作用轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M轉(zhuǎn)大于種薯轉(zhuǎn)動(dòng)所受摩擦力矩M摩時(shí)，合力矩M合驅(qū)動(dòng)種薯在整列裝置上轉(zhuǎn)動(dòng)。馬鈴薯尺寸、輥軸間距L1和膠輪傾斜面與輥軸夾角α一定時(shí)，膠輪對(duì)馬鈴薯支持角θ1、θ2為影響種薯所受合力矩主要因素，其受膠輪直徑D影響，隨膠輪直徑D增大，支持角θ1、θ2也增大，此時(shí)力臂h1大小不變，力臂h2變大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M轉(zhuǎn)變小，摩擦力矩M摩變大，M合變小。D過大導(dǎo)致M合無法驅(qū)動(dòng)種薯運(yùn)動(dòng)，D過小導(dǎo)致種薯在兩整列輥組溝槽中堆積，影響作業(yè)質(zhì)量，因此選定膠輪直徑D為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)。此時(shí)，種薯在空間上受力矩M合和驅(qū)動(dòng)種薯繞長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)M′共同作用。

3.2 種薯定向輸送過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

種薯完成整列后會(huì)隨整列輥組繼續(xù)定向傳輸，此時(shí)種薯長(zhǎng)軸與輥軸平行，λ1、λ2均為0°，種薯在并排兩個(gè)整列輥組上受力與運(yùn)動(dòng)如圖12所示，此時(shí)種薯受整列輥組施加的以馬鈴薯中心點(diǎn)O′為轉(zhuǎn)軸力矩驅(qū)使種薯發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)整列輥組轉(zhuǎn)速一定，該狀態(tài)下以種薯質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系O-xyz，將受力分析在O-xyz上簡(jiǎn)化，如圖13所示。

圖12 種薯定向傳輸時(shí)的受力與運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.12 Schematic of forceand movement during transmission of seed potatoes

圖13 種薯傳輸時(shí)受力簡(jiǎn)化圖Fig.13 Simplified diagram of forceduring seed potato transmission

通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以輥軸中心O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立靜坐標(biāo)系O-YZ[17]，以種薯中心點(diǎn)O′為坐標(biāo)原點(diǎn)建立動(dòng)坐標(biāo)系O′-y1z1和牽連坐標(biāo)系O′-y′z′。由于馬鈴薯截面為橢圓形，在O′-y1z1坐標(biāo)系中，馬鈴薯截面橢圓方程為：

在O-YZ坐標(biāo)系中，左側(cè)整列輥組上一點(diǎn)方程f1（y,z）為：

右側(cè)整列輥組上一點(diǎn)方程f2（y,z）為：

式中，R—整列輥組半徑（mm）。

根據(jù)平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)軸公式：

式中，γ—坐標(biāo)軸O′-y′z′與坐標(biāo)軸O′-y1z1的偏轉(zhuǎn)角（°）

可得在O′-y′z′坐標(biāo)系中橢圓表達(dá)式為：

假設(shè)O′點(diǎn)在O-YZ上坐標(biāo)為（y0,z0），其中z0=f（y0），則有：

設(shè)橢圓在O-YZ上方程為F（y,z），則橢圓坐標(biāo)可變換為：

在C1和C2兩點(diǎn)，馬鈴薯截面橢圓分別與兩個(gè)整列輥組相切，將F（y,z）分別與f1（y,z）和f2（y,z）聯(lián)立，令△1=0，△2=0可得：

假設(shè)C1點(diǎn)在O-yz上坐標(biāo)為（yC1,zC1），C2點(diǎn)在Oyz上坐標(biāo)為（yC2,zC2），可得：

同理由式（16）可推，C1點(diǎn)和C2點(diǎn)坐標(biāo)表達(dá)式均與相鄰兩整列輥組中心距L1和整列輥組直徑D有關(guān)，對(duì)坐標(biāo)方程求導(dǎo)，可得種薯與整列輥組接觸點(diǎn)在O-YZ平面上瞬時(shí)速度，其中L1取114.3 mm。馬鈴薯受力情況如圖12所示，根據(jù)受力分析圖列出力學(xué)平衡方程：

式中，θ3、θ4—膠輪對(duì)種薯支持角（°）；N3—左側(cè)整列輥組對(duì)種薯支持力（N）；N4—右側(cè)整列輥組對(duì)種薯的持力（N）；f3、f4—種薯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到靜摩擦力（N）。

對(duì)種薯運(yùn)動(dòng)所受力矩M′′進(jìn)行分析，設(shè)O′點(diǎn)到N3距離為s1，到N4距離為s2，到f3距離為s3，到f4距離為s4，由點(diǎn)到直線距離公式：

式中，k1—N3所在直線斜率；k2—N4所在直線斜率；k3—f3所在直線斜率；k4—f4所在直線斜率。

可得輸送過程中馬鈴薯所受合力矩M′′為：

由上述分析可知，當(dāng)種薯大小、整列輥組轉(zhuǎn)速n、輥軸間距L1一定時(shí)，合力矩M′′與膠輪直徑D有直接關(guān)系，是影響整列質(zhì)量重要因素。

3.3 種薯定向輸送過程動(dòng)力學(xué)分析

假設(shè)馬鈴薯在運(yùn)動(dòng)過程中重心位于位置1最低點(diǎn)時(shí)，y1軸與y軸夾角為β1，在位置2重心最高點(diǎn)處，y1軸與y軸夾角為β2，設(shè)位置1時(shí)重心位置為O1，位置2時(shí)重心位置為O2，兩個(gè)位置下重心與β1、β2關(guān)系如圖14所示，由動(dòng)能定理可得：

圖14 種薯重心位置變化Fig.14 Change of the position of the center of gravity of seed potatoes

同時(shí)，由公式（23）可知整列輥組上一點(diǎn)的角速度ω：

由公式（24）：

種薯運(yùn)動(dòng)時(shí)，Z方向上分速度影響其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可得重心最低點(diǎn)到最高點(diǎn)做功W12：

當(dāng)Z方向速度過高時(shí)，種薯將被甩離整列裝置，運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定[18]。根據(jù)圖12對(duì)種薯運(yùn)動(dòng)過程力學(xué)分析可知，種薯在膠輪上隨整列輥組轉(zhuǎn)速n不同受靜摩擦或動(dòng)摩擦兩種形式的力。當(dāng)n較大時(shí)，膠輪與種薯接觸點(diǎn)產(chǎn)生動(dòng)摩擦，此時(shí)種薯隨重心變化與膠輪發(fā)生磕碰造成損傷，由式（22）（23）（24）（25）可得，整列輥組轉(zhuǎn)速n為影響整列裝置穩(wěn)定性的因素。

由于該整列裝置隨整列輥組轉(zhuǎn)速增大前進(jìn)速度增大，當(dāng)種薯從上料口落到裝置時(shí)，會(huì)在上料處經(jīng)歷落料-堆積-散開過程，裝置前進(jìn)速度一定時(shí)，上料量過大會(huì)導(dǎo)致種薯在上料處種薯之間發(fā)生堆積，裝置前進(jìn)速度過慢會(huì)增大種薯在裝置上散開所需時(shí)間，裝置前進(jìn)速度過快導(dǎo)致種薯磕碰發(fā)生損傷，現(xiàn)有馬鈴薯升運(yùn)裝置跌落高度一般為150～320 mm。馬鈴薯種薯切塊機(jī)作業(yè)時(shí)，種薯經(jīng)分級(jí)裝置進(jìn)入整列裝置，臺(tái)架試驗(yàn)采用上料裝置進(jìn)行供料，種薯從上料裝置落到整列裝置時(shí)，種薯以一定初速度被水平拋出，與整列裝置和其他種薯碰撞，速度過大會(huì)對(duì)種薯產(chǎn)生損傷。為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，控制試驗(yàn)變量，結(jié)合前期研究，上料量與切塊機(jī)實(shí)際作業(yè)情況[19]，選取上料跌落高度為180 mm，上料裝置輸送帶運(yùn)輸速度為0.6 m·s-1。

綜合考慮以上料量、膠輪直徑D、整列輥組轉(zhuǎn)速n作為試驗(yàn)因素進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果求得整列效果最優(yōu)解。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與裝置

2021年7月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)北方馬鈴薯全程機(jī)械化試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)品種選擇中薯5號(hào)，平均含水率74.7%，長(zhǎng)度范圍67.31～117.14 mm，寬度范圍58.24～89.22 mm，厚度范圍45～71 mm，長(zhǎng)度平均值82.45 mm，寬度平均值65.57 mm，厚度平均值57.32 mm，平均形狀指數(shù)189，凈度大于98%，種薯形狀指數(shù)按式（26）計(jì)算，種薯質(zhì)量范圍62～271 g，上料跌落高度180 mm，上料裝置輸送帶運(yùn)輸速度0.6 m·s-1，試驗(yàn)過程如圖15所示。

圖15 試驗(yàn)過程Fig.15 Test process

式中，L—種薯最大長(zhǎng)度（mm）；W—種薯最大寬度（mm）；t—種薯最大厚度（mm）。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)因素

我國(guó)對(duì)于種薯切塊機(jī)整列裝置研究處于初始階段，缺少相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)針對(duì)現(xiàn)有種薯切塊機(jī)切塊時(shí)種薯定位難、種薯排列混雜無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化切塊的關(guān)鍵問題，將整列率μ1、平均整列時(shí)間T、損傷率μ2作為本研究的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中，T為相鄰兩輥組中種薯整列率達(dá)到80%所用平均時(shí)間，整列率與損傷率計(jì)算公式為：

式中，K1—符合切割前整列標(biāo)準(zhǔn)種薯個(gè)數(shù)；K2—種薯總個(gè)數(shù)；K3—整列后損傷種薯個(gè)數(shù)。

根據(jù)馬鈴薯種薯在整列過程中力學(xué)特性分析及實(shí)際作業(yè)情況，結(jié)合現(xiàn)有對(duì)整列作業(yè)影響因素的研究，確定上料量、膠輪直徑D、整列輥組轉(zhuǎn)速n為試驗(yàn)因素，上料過程中馬鈴薯從輸送帶均勻落在裝置上。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

結(jié)合前期對(duì)馬鈴薯種薯切塊機(jī)試驗(yàn)獲得性能參數(shù)與整列過程力學(xué)特性分析，分級(jí)裝置上料量為25 t·h-1時(shí)作業(yè)效果最佳，分級(jí)裝置根據(jù)體積不同篩選種薯，此時(shí)從分級(jí)裝置輸送到整列裝置上料量為15 t·h-1，確定試驗(yàn)因素上料量范圍[19]為10～20 t·h-1，整列輥組轉(zhuǎn)速[4]范圍為18～27 r·min-1，膠輪直徑范圍為106～109 mm，整列率、平均整列時(shí)間和損傷率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。試驗(yàn)過程中應(yīng)保證上料均勻[20]，避免馬鈴薯落點(diǎn)過于集中，造成堆積，影響試驗(yàn)結(jié)果顯著性；可通過更換膠輪實(shí)現(xiàn)膠輪直徑調(diào)節(jié)；可通過調(diào)節(jié)變頻器控制整列裝置傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)整列輥組轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Table2 Experimental factorscodes

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Test plan and experimental data

4.3.2 結(jié)果分析

將試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入Design-Expert 8.0.6軟件，進(jìn)行二次回歸分析[21-22]，多元回歸擬合得到整列率μ1、平均整列時(shí)間T、損傷率μ2三個(gè)指標(biāo)回歸方程，對(duì)其顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

①整列率μ1

由表4可知，對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)整列率μ1，x1、x3、x12、x32影響極顯著（P＜0.01）；x2、x22影響顯著（0.01＜P＜0.05）；x2x3影響較顯著（0.05＜P＜0.1）；其余因素影響不顯著（P＞0.1）。

合并不顯著因素再次進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，得到影響整列率μ1各因素回歸方程：

表4 整列率μ1方差分析Table 4 Variance analysisof potato accuracy of sorting rate

對(duì)式（29）作失擬檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)P為0.5898，不顯著（P＞0.1），證明方程模擬較好，不存在其他主要因素影響指標(biāo)，試驗(yàn)因素與指標(biāo)存在顯著二次關(guān)系，上述分析結(jié)果合理。

②平均整列時(shí)間T

由表5可知，對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)平均整列時(shí)間T，x2、x3、x22影響極顯著（P＜0.01）；x1、x1x2影響顯著（0.01＜P＜0.05）；其余因素不顯著（P＞0.1）。

合并不顯著因素后再次進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示，得到影響平均整列時(shí)間T各因素的回歸方程：

表5 平均整列時(shí)間T方差分析Table5 Varianceanalysisof averagepotato sorting time

對(duì)式（30）進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)P為0.2455，不顯著（P＞0.1），證明方程模擬較好，不存在其他主要因素影響指標(biāo)，試驗(yàn)因素與指標(biāo)存在顯著二次關(guān)系，上述分析結(jié)果合理。

③損傷率μ2

由表6可知，對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)損傷率μ2，x1、x2、x3、x12、x22影響極顯著（P＜0.01）；x1x2影響顯著（0.01＜P＜0.05）；x32影響較顯著（0.05＜P＜0.1）；其余因素不顯著（P＞0.1）。

合并不顯著因素后再次進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表6所示，得到影響損傷率μ2各因素回歸方程：

表6 損傷率μ2方差分析Table 6 Variance analysis of potato breakage rate

對(duì)式（31）進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)P為0.2692，不顯著（P＞0.1），證明方程模擬較好，不存在其他主要因素影響指標(biāo)，試驗(yàn)因素與指標(biāo)存在顯著二次關(guān)系，上述分析結(jié)果合理。

4.3.3 響應(yīng)曲面分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件分析數(shù)據(jù)，生成上料量x1、整列輥組轉(zhuǎn)速x2、膠輪直徑x3之間顯著和較顯著因素交互作用對(duì)整列率μ1、平均整列時(shí)間T、損傷率μ2影響響應(yīng)曲面[23-24]，如圖16所示。

對(duì)整列率μ1，當(dāng)上料量為15 t·h-1時(shí)，整列輥組轉(zhuǎn)速與膠輪直徑交互作用如圖16a所示：當(dāng)整列輥組轉(zhuǎn)速一定時(shí)，整列率隨膠輪直徑增大呈先增后減趨勢(shì)，膠輪直徑最優(yōu)范圍為106.9～108.5 mm；當(dāng)膠輪直徑一定時(shí)，整列率隨整列輥組轉(zhuǎn)速增加呈先增后減趨勢(shì)，整列輥組轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為19.82～23.84 r·min-1，其中，膠輪直徑為影響整列率的主要因素。

對(duì)平均整列時(shí)間T，當(dāng)膠輪直徑為107.5 mm時(shí)，整列輥組轉(zhuǎn)速與上料量交互作用如圖16 b所示，當(dāng)整列輥組轉(zhuǎn)速一定時(shí)，平均整列時(shí)間隨上料量增加而增大，上料量最優(yōu)范圍為15～17.97 t·h-1；當(dāng)上料量一定時(shí)，平均整列時(shí)間隨整列輥組轉(zhuǎn)速增加呈先減后增趨勢(shì)，整列輥組轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為21.16～25.18 r·min-1，其中，整列輥組轉(zhuǎn)速為影響平均整列時(shí)間主要因素。

對(duì)損傷率μ2，當(dāng)膠輪直徑為107.5 mm時(shí)，整列輥組轉(zhuǎn)速與上料量交互作用如圖16c所示：整列輥組轉(zhuǎn)速一定時(shí)，損傷率隨上料量增加呈先增后減趨勢(shì)，上料量最優(yōu)范圍為13.33～16.67 t·h-1；當(dāng)上料量一定時(shí)，損傷率隨整列輥組轉(zhuǎn)速增加呈先增后減趨勢(shì)，整列輥組轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為19.82～23.84 r·min-1，其中，整列輥組轉(zhuǎn)速為影響種薯?yè)p傷率的主要因素。

圖16 整列率、平均整列時(shí)間與損傷率的雙因素影響響應(yīng)曲面Fig.16 Response surface affected by two factors:sorting rate,sorting timeand skin break rate

4.3.4 參數(shù)優(yōu)化

通過Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)3個(gè)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解，根據(jù)種薯切塊機(jī)整列裝置作業(yè)性能要求，優(yōu)化約束條件設(shè)置如式（32）：

通過優(yōu)化求解，得到上料量為15 t·h-1，整列輥組轉(zhuǎn)速21.18～23.80 r·min-1，膠輪直徑106.9～107.01 mm時(shí)，馬鈴薯種薯切塊機(jī)整列裝置整列效果最好，此時(shí)整列率為97.44%～97.85%，平均整列時(shí)間為6.7～8.0 s，損傷率為0.7%～0.76%。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)條件與二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)相同，于2021年7月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)北方馬鈴薯全程機(jī)械化試驗(yàn)基地展開，驗(yàn)證該整列裝置關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)設(shè)計(jì)是否滿足要求。實(shí)際加工與作業(yè)時(shí)，選取整列輥組轉(zhuǎn)速為22 r·min-1、膠輪直徑為107 mm、上料量為15 t·h-1，優(yōu)化試驗(yàn)指標(biāo)整列率為97.7%、平均整列時(shí)間為7.5 s、損傷率為0.72%。將上述因素水平進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)量3次結(jié)果取平均值，結(jié)果如表7所示。

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table7 Verification test data

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的馬鈴薯種薯切塊機(jī)整列裝置整列率為97.6%、平均整列時(shí)間為7.6 s、損傷率為0.71%。整列率較高，原因?yàn)槟z輪直徑對(duì)整列率影響顯著，膠輪直徑越大，種薯運(yùn)動(dòng)過程中重心變化越小，運(yùn)動(dòng)越穩(wěn)定，整列率越高，同時(shí)，膠輪直徑過大使摩擦力矩力臂變小，影響整列率。平均整列時(shí)間較短，原因?yàn)檎休伣M轉(zhuǎn)速對(duì)平均整列時(shí)間影響顯著，整列輥組轉(zhuǎn)速越大，裝置前進(jìn)速度越快，平均整列時(shí)間越短。其損傷率較低，原因?yàn)樯狭狭繉?duì)損傷率影響顯著，上料量較低時(shí)，種薯均勻落在裝置表面，當(dāng)上料量較多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致種薯?yè)頂D及種薯之間相互磕碰，同時(shí)種薯與裝置兩側(cè)側(cè)板發(fā)生碰撞。試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)的合理性，將整列裝置按優(yōu)化后參數(shù)調(diào)節(jié)后，馬鈴薯種薯切塊機(jī)作業(yè)質(zhì)量提高。

5 結(jié)論

a.設(shè)計(jì)馬鈴薯種薯切塊機(jī)整列裝置，該機(jī)器可配合分級(jí)裝置和切割裝置對(duì)種薯進(jìn)行切割前整列作業(yè)。

b.通過對(duì)種薯整列過程中力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出影響馬鈴薯種薯切塊機(jī)整列裝置整列效果主要因素為上料量、整列輥組轉(zhuǎn)速和膠輪直徑。采取二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，通過Design-Expert 8.0.6軟件建立各試驗(yàn)因素與指標(biāo)間數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化求解后進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)整列輥組轉(zhuǎn)速22 r·min-1、膠輪直徑107 mm、上料量15 t·h-1時(shí)，馬鈴薯整列裝置作業(yè)整列率為97.6%、平均整列時(shí)間為7.6 s、損傷率為0.71%，整列效果較好，與優(yōu)化結(jié)果一致，可為馬鈴薯種薯切塊機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。