馬鈴薯收獲機(jī)輥組式薯土分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊然兵 田光博 尚書旗 王炳軍 張 建 翟宇鳴

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266109；2.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228；3.膠州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，青島 266109)

0 引言

馬鈴薯作為全世界種植最廣泛的作物之一，在飼料、工業(yè)等方面都發(fā)揮著巨大的作用。華北地區(qū)春季馬鈴薯收獲主要集中在每年的第二季度末和第三季度初，收獲期天氣雨水較多，土壤含水量較高，因此，收獲的馬鈴薯表面會帶有一部分黏土，這部分黏土不易脫落。由于當(dāng)前市場上主流收獲機(jī)缺乏薯塊-黏土分離的去土裝置，所以無法對馬鈴薯表面附著的黏土進(jìn)行有效分離[1-2]。

國外相關(guān)科研單位對馬鈴薯收獲機(jī)黏土分離裝置進(jìn)行了研究[3]，其中代表性技術(shù)有：四排指型刮刀網(wǎng)篩分器、循環(huán)刺猬網(wǎng)與雙刮板滾筒組成的輸送分離裝置、Vario-RS分離單元和雙重多級除雜器MultiSep[4]。此外，國外的馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置還加入了機(jī)電一體化控制技術(shù)，在注重去土效率的同時對馬鈴薯產(chǎn)生更好的保護(hù)作用[5-6]。

我國對相關(guān)技術(shù)的研究起步較晚，2000年以后一些科研院所才陸續(xù)展開相關(guān)研究。魏忠彩等[7]設(shè)計(jì)的輸送分離裝置中清雜輥和光輥會形成一個速度差，從而對馬鈴薯產(chǎn)生摩擦去土的效果。張恒[8]設(shè)計(jì)的針對馬鈴薯的清選裝置為左旋和右旋交替排列的尼龍毛刷輥，從而使馬鈴薯在清選輥上可以翻轉(zhuǎn)均勻去土。王相友等[9]設(shè)計(jì)的左右旋彈簧式馬鈴薯輸送分離裝置，可以減少輸送過程中的馬鈴薯集中堆向一側(cè)，保證連續(xù)性，減少對馬鈴薯的擠壓。楊然兵等[10]設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯收獲機(jī)撥輥推送式輸送分離裝置，可初步實(shí)現(xiàn)馬鈴薯薯土輸送分離要求。但目前我國對輸送分離裝置、薯塊-黏土分離以及薯塊損傷的理論研究還處于初級階段，各裝置的結(jié)構(gòu)形式單一且分離效果地區(qū)針對性強(qiáng)，未能有效解決各地區(qū)馬鈴薯收獲作業(yè)傷薯率較高、去土率較低等問題。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)一種去土輥和光輥間距和轉(zhuǎn)速、裝置傾斜角度可調(diào)的馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置，通過對馬鈴薯去土過程的動力學(xué)分析、黏土的薯土分離過程分析、去土過程的馬鈴薯碰撞輔助分析，采用二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)進(jìn)行性能測試，探究去土輥和光輥間距及轉(zhuǎn)速、裝置傾斜角對傷薯率和去土率的影響規(guī)律，以及輸送分離裝置去土過程的運(yùn)動規(guī)律，并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置的去土效果。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 裝置整體結(jié)構(gòu)

輸送分離裝置是馬鈴薯收獲機(jī)的核心部件，主要部件包括液壓馬達(dá)、帶輪、鏈輪、去土輥、光輥、刮土板、馬達(dá)支架、固定桿、連接桿、彈簧、側(cè)擋板等，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 輸送分離裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理和主要技術(shù)參數(shù)

馬鈴薯從前端裝置落至輸送分離裝置中，液壓馬達(dá)驅(qū)動帶輪和鏈輪轉(zhuǎn)動，帶動去土輥和光輥轉(zhuǎn)動，光輥和去土輥采用交錯排列、高低組合的安裝方式，保證馬鈴薯在受力均勻的同時避免馬鈴薯由于薯塊大小的原因堆積，通過去土輥和光輥的轉(zhuǎn)動對馬鈴薯產(chǎn)生摩擦碰撞的作用達(dá)到去土的目的，光輥下方安裝有刮土板可以去除粘結(jié)在光輥上的黏土，分離的土壤直接掉落在收獲完成的土地里。輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置作業(yè)原理如圖2所示。

圖2 輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置作業(yè)原理圖

輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

根據(jù)馬鈴薯在升運(yùn)過程的損傷機(jī)理研究可知[11-12]，在馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)輸送過程中，輥組式分離裝置與前端升運(yùn)鏈輸送裝置存在一定的高度差，可導(dǎo)致馬鈴薯在跌落過程中產(chǎn)生碰撞損傷，由馬鈴薯收獲機(jī)升運(yùn)機(jī)理可知，安全高度的落差應(yīng)在300 mm以下，因此本文中馬鈴薯輸送分離裝置的馬鈴薯跌落高度設(shè)計(jì)為200 mm，使對馬鈴薯的損傷程度降到最小。

去土輥與光輥交錯排列在兩端支撐桿架上，且高低交錯，兩個液壓馬達(dá)分別固定在馬達(dá)支架上，首個去土輥和光輥通過鏈傳動連接，其動力來源為裝置前置液壓馬達(dá)，其余去土輥和光輥由后置液壓馬達(dá)驅(qū)動帶輪提供動力，兩個側(cè)擋板分別固定在支撐架上，保護(hù)馬鈴薯，為避免馬鈴薯與側(cè)擋板碰撞損傷，在側(cè)擋板上安裝橡膠擋板，最大限度減小馬鈴薯的損傷。

2.1 去土輥和光輥材料選擇

去土輥和光輥的材料是影響馬鈴薯去土率和傷薯率的關(guān)鍵因素，需選擇一種具有高彈性和高強(qiáng)度的材料來保證分離裝置作業(yè)時可以提高去土效率并減少對馬鈴薯的損傷。根據(jù)市場調(diào)研和工廠實(shí)地考察，目前市場上在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域最常用的兩種材料為聚氨酯彈性體和橡膠。兩者都是高分子材料，都具有在大的形變下快速恢復(fù)的能力，但是兩者分子鏈結(jié)構(gòu)完全不同，所以兩者之間的力學(xué)特性有較大差異。本文通過探究聚氨酯彈性體和橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來比較兩者之間的性能差異，從而確定去土輥和光輥的材料。

如圖3所示，聚氨酯彈性體與橡膠材料的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在較大差異，在聚氨酯彈性體材料和橡膠材料形變初期，聚氨酯彈性體的變形很小，表現(xiàn)出了一定的剛性。聚氨酯彈性體材料相對于橡膠材料產(chǎn)生相同的應(yīng)變需附加較大的外力。在低應(yīng)力狀態(tài)下，聚氨酯彈性體比橡膠材料具有優(yōu)異的高彈性。聚氨酯彈性體材料在斷裂前應(yīng)力迅速增加，橡膠材料在斷裂前應(yīng)力增加緩慢，即需要受到較大的外力才能造成聚氨酯彈性體的破裂，保證了聚氨酯彈性體材料具有較高強(qiáng)度。因此本文的去土輥和光輥的表面材料選取聚氨酯彈性體。

圖3 聚氨酯彈性體和橡膠材料壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 去土輥和光輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的去土輥為交替排列、高低組合、旋向相反的對稱一體式結(jié)構(gòu)。去土輥中間采用鏤空的設(shè)計(jì)既節(jié)省了材料又減輕了分離裝置的重量，鏤空部分設(shè)計(jì)為環(huán)繞對稱的圓弧形槽口，既保證了去土輥受力均勻又提高了去土輥承載能力，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 去土輥結(jié)構(gòu)簡圖

去土輥外周為旋向相反的螺紋，可以避免在作業(yè)過程中馬鈴薯由于旋向一致而向一側(cè)堆積的問題，從而進(jìn)一步提高去土效率。螺紋和螺距是保證去土效率的關(guān)鍵參數(shù)，過大會降低去土質(zhì)量和馬鈴薯與去土輥、光輥的摩擦面積及摩擦?xí)r間，過小則會造成堵塞，加重馬鈴薯之間的擠壓程度，從而對馬鈴薯造成破壞。收獲時馬鈴薯薯塊的長軸長度為30～150 mm，為保證馬鈴薯不卡在去土輥的螺紋溝槽內(nèi)，并參考大部分馬鈴薯清選機(jī)除雜裝置的除雜輥結(jié)構(gòu)和尺寸[13-14]，本文去土輥螺距選為140 mm，螺紋高度為9 mm，去土輥外輪廓直徑為152 mm，長度為1 650 mm，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。光輥的外輪廓直徑為65 mm，長度為1 650 mm，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 去土輥結(jié)構(gòu)圖

圖6 光輥結(jié)構(gòu)組圖

2.3 去土輥與光輥組數(shù)及排列方式設(shè)計(jì)

去土過程中的馬鈴薯會經(jīng)過每一個去土輥和光輥，從而在去土輥和光輥處產(chǎn)生滾動和摩擦，或者與去土輥和光輥產(chǎn)生碰撞，達(dá)到去除馬鈴薯表面黏土的效果[15-16]，但去土輥和光輥的數(shù)量不能過多，否則會產(chǎn)生過度的滾動摩擦和碰撞，對馬鈴薯造成損傷,過少不能完全去除馬鈴薯表面附著的泥土。因此，對去土輥和光輥數(shù)量的選擇要適中。去土輥和光輥采用交錯排列，高低組合的方式，第一組去土輥和光輥進(jìn)行傾斜狀布置，在去土過程中可以給馬鈴薯提供一個更大的初速度，達(dá)到更好的去土效果。光輥采用可移動布置，以便調(diào)整去土輥和光輥之間的距離，滿足清土分離作業(yè)的實(shí)際需求。當(dāng)馬鈴薯表面的黏土較多時，增大光輥與去土輥的距離，當(dāng)馬鈴薯表面的黏土較少時，可適當(dāng)減小去土輥和光輥的間距。

對去土輥和光輥組數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)中去土輥和光輥間距為16.5 mm，裝置傾角為8°，去土輥轉(zhuǎn)速為100 r/min，光輥的轉(zhuǎn)速為100 r/min，以傷薯率和去土率為試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，由表2可以看出，隨著去土輥和光輥組數(shù)的增加，去土率增加，傷薯率也增加。當(dāng)組數(shù)達(dá)到一定程度時，去土率增長緩慢，傷薯率增長加快，結(jié)合生產(chǎn)成本等因素后，去土輥和光輥組數(shù)選用5組。

表2 去土輥和光輥組數(shù)對去土質(zhì)量影響試驗(yàn)結(jié)果

2.4 傳動方式設(shè)計(jì)

輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置動力傳動如圖7所示，液壓馬達(dá)輸入軸與帶輪輸出軸相連接，從而驅(qū)動帶輪傳動，主帶輪與其下方驅(qū)動去土輥的4個帶輪(除首個去土輥)通過各傳動帶連接，從而驅(qū)動傳動軸轉(zhuǎn)動，整個帶傳動系統(tǒng)連接形式為波浪形，為防止帶輪過于張緊，設(shè)有張緊輪保護(hù)傳動帶，光輥的傳動系統(tǒng)連接方式與去土輥連接方式相同，光輥傳動系統(tǒng)與去土輥傳動系統(tǒng)對稱分布在機(jī)架兩側(cè)，保證了整個輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置的穩(wěn)定性。首個去土輥和光輥通過齒輪鏈傳動連接，在保證首個去土輥和光輥傳動不受后面去土輥和光輥轉(zhuǎn)速影響下實(shí)現(xiàn)差速，而且可以保證輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置的傾角。拖拉機(jī)動力輸出軸與液壓泵相連接，由液壓泵帶動液壓馬達(dá)工作，從而帶動整個液壓系統(tǒng)工作。通過電控電磁線圈式調(diào)速閥控制液壓馬達(dá)流量，達(dá)到控制輸送分離裝置轉(zhuǎn)速的目的。

圖7 動力傳動結(jié)構(gòu)簡圖

3 馬鈴薯與去土輥、光輥?zhàn)饔脛恿W(xué)分析

3.1 動力學(xué)分析

馬鈴薯從輸送裝置落至輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置，在輸送分離裝置中通過去土輥和光輥的配合完成對馬鈴薯的去土過程，馬鈴薯在去土輥和光輥的受力情況如圖8所示，把馬鈴薯近似為一個橢圓，假設(shè)馬鈴薯的長軸長度為a1，短軸長度為a2，去土輥直徑為d1，光輥直徑為d2，去土輥和光輥間距為l，裝置傾斜角為θ，去土輥和光輥轉(zhuǎn)速為n1，馬鈴薯轉(zhuǎn)速為n2，馬鈴薯重心為點(diǎn)O1，馬鈴薯與去土輥、光輥相切點(diǎn)分別為O2、O3。

圖8 馬鈴薯縱向受力分析圖

對馬鈴薯在去土輥和光輥的接觸受力分析可得，馬鈴薯受力分別是馬鈴薯自身所受的重力mg、去土輥對馬鈴薯的支持力Fn1和摩擦力f1、光輥對馬鈴薯的支持力Fn2和摩擦力f2。通過對馬鈴薯輸送分離裝置整體作業(yè)的連續(xù)性分析，如果要使馬鈴薯翻越光輥，就要保證各個力對馬鈴薯的合力矩大于0[9，17]。

馬鈴薯在輸送分離裝置上運(yùn)動中，馬鈴薯與去土輥、光輥的接觸位置不斷變化，由此力的接觸位置也不斷變化，而且馬鈴薯與去土輥、光輥還會有碰撞運(yùn)動，對力的分析也無法確定，因此對馬鈴薯的坐標(biāo)進(jìn)行變換，將馬鈴薯所處的坐標(biāo)系位置進(jìn)行坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換和坐標(biāo)系平移變換，轉(zhuǎn)換到去土輥所在的坐標(biāo)系，然后再加以分析。其變換的具體過程如圖9所示。馬鈴薯短軸與水平線的夾角為α，β為支持力Fn1與去土輥和光輥連線的夾角，坐標(biāo)系的選擇為：以馬鈴薯的長軸為橫坐標(biāo)軸x1、短軸為縱坐標(biāo)軸y1，構(gòu)成x1y1坐標(biāo)系；以馬鈴薯的重心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以水平線為橫坐標(biāo)軸x2、垂直線為縱坐標(biāo)軸y2，構(gòu)成x2y2坐標(biāo)系；以去土輥的圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以水平線為橫坐標(biāo)軸x3、垂直線為縱坐標(biāo)軸y3，構(gòu)成x3y3坐標(biāo)系。

圖9 馬鈴薯坐標(biāo)變換示意圖

在x1y1坐標(biāo)系中，馬鈴薯的近似橢圓方程式為

(1)

在x3y3坐標(biāo)系中，去土輥F1(x3,y3)的方程式為

(2)

在x3y3坐標(biāo)系中，光輥F2(x3,y3)的方程式為

(3)

對x1y1坐標(biāo)系中橢圓的方程式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，變換到x2y2坐標(biāo)系中，根據(jù)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換公式，橢圓的坐標(biāo)為

(4)

從而得到在x2y2坐標(biāo)系中馬鈴薯的橢圓變換方程式

(5)

O1在x3y3坐標(biāo)系中的坐標(biāo)假設(shè)為(x0,y0)，坐標(biāo)平移變換公式為

(6)

假設(shè)在x3y3坐標(biāo)系中橢圓的方程表達(dá)式為F3(x3,y3),原橢圓方程式就變換為

(7)

聯(lián)立上述方程組，可以得到點(diǎn)O1、O2在x3y3坐標(biāo)系中的相對坐標(biāo)，分別為

(8)

(9)

由直線的一般式y(tǒng)=kx+b可以得到Fn2和f2所在直線的公式

(10)

(11)

(12)

其中

b1=(d1+d2+l)(sinθ-k1cosθ)

(13)

b2=yo2-k2xo2

(14)

式中k1——支持力Fn2所在直線的斜率

k2——摩擦力f2所在直線的斜率

根據(jù)點(diǎn)到直線的距離公式，依次求得點(diǎn)O2到Fn2的距離s1為

(15)

點(diǎn)O2到f2的距離s2為

(16)

點(diǎn)O2到mg的距離s3為

(17)

由此得到合力矩為

∑M=Fn2s1+mgs2-f2s3

(18)

化簡得

Fn2[(a1+a2+d1)2sin(α-θ)+(d2+l)2cosθ]+

mga1sinθ-f2la2cos(α+θ)>0

(19)

由理論分析可知，在輥組式輸送分離裝置的去土作業(yè)過程中，馬鈴薯及其表面附著黏土主要受到去土輥和光輥支持力的作用、摩擦力的作用和自身重力的影響。支持力的大小主要受自身重力、馬鈴薯在輸送分離裝置的位置和裝置傾角的影響，摩擦力是由支持力和摩擦因數(shù)決定的，摩擦因數(shù)受到去土輥和光輥?zhàn)陨聿牧系挠绊懀鶕?jù)合力矩公式可知當(dāng)馬鈴薯的形狀和馬鈴薯在輸送分離裝置的位置一定時，其力臂主要受到去土輥和光輥間距l(xiāng)、裝置傾角θ、去土輥直徑d1和光輥直徑d2的影響，因此，在輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置中，影響馬鈴薯去土質(zhì)量的主要因素為去土輥和光輥直徑d1、d2及其之間的間距l(xiāng)，還有裝置傾角θ。在實(shí)際的馬鈴薯運(yùn)動過程中，馬鈴薯之間的碰撞、馬鈴薯形狀的不規(guī)則還有相鄰馬鈴薯之間的碰撞等都是影響去土質(zhì)量的因素，其實(shí)際運(yùn)動過程較為復(fù)雜[18-19]。

3.2 馬鈴薯表面黏結(jié)土壤分離技術(shù)分析

馬鈴薯收獲的季節(jié)一般雨水較多，因此土壤里水分較多，收獲的馬鈴薯表面黏土較多，需要對馬鈴薯及其表面黏土的分離過程進(jìn)行理論分析，以便對輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到最優(yōu)的去土效果。本文通過莫爾-庫倫理論，對馬鈴薯表面黏結(jié)土壤黏結(jié)力分析，得到薯土分離的條件，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯表面黏結(jié)土壤的分離。將馬鈴薯與表面黏結(jié)土壤等效成一個圓形，由于黏結(jié)土壤分布在馬鈴薯表面，因此將表面黏結(jié)土壤等效成圓形下部分四分之一的弧形截面，并對其進(jìn)行受力分析，其受力情況如圖10所示，馬鈴薯與其表面黏結(jié)土壤受力包括自身重力，薯塊與土壤之間的相互作用力F1、F2和黏結(jié)力F3、F4，薯塊受到其他薯塊的作用力F5，土壤受到的支持力Fn1。

圖10 土塊分離過程分析

根據(jù)莫爾-庫倫理論[20](也稱庫侖強(qiáng)度理論)，可知馬鈴薯表面黏結(jié)土壤的分離與破壞主要是受到作用于土壤的剪切應(yīng)力，庫倫通過土壤的破壞試驗(yàn)和對比各影響因素得出土壤破壞公式

τt=σtanφ+C

(20)

式中τt——土壤抗剪強(qiáng)度，kPa

C——土壤內(nèi)聚力系數(shù)，取 0～25 kPa

φ——土壤內(nèi)摩擦角，取0°～37°

σ——作用于土壤破壞面的法向應(yīng)力，kPa

其中，σ需要通過萬能試驗(yàn)臺進(jìn)行計(jì)算和獲取，其公式為

(21)

式中p——壓力A——接觸面積

由上述理論可知，對馬鈴薯表面黏結(jié)土壤的破壞也就是克服土壤的黏結(jié)力，黏結(jié)力計(jì)算公式為

F3=τtS

(22)

式中S——剪切作用面積

由受力情況可知，為使馬鈴薯表面所附著的泥土分離,需保證對土壤的破壞率大于土壤的黏結(jié)力，因此可以得到

f3+G1sinθ>F3

(23)

式中f3——馬鈴薯表面附著泥土所受的摩擦力

G1——馬鈴薯表面附著泥土所受的重力

土壤含水率也是影響?zhàn)そY(jié)力的重要因素，經(jīng)試驗(yàn)測定得到收獲期馬鈴薯種植區(qū)土壤的含水率為11%～22%。根據(jù)黏結(jié)力的計(jì)算公式得到作用于土壤的平均剪切力為8 000 kPa，由于馬鈴薯表面附著黏土在單位面積的數(shù)量不多，而且附著黏土的重力在單位面積上的大小為300 kPa，因此重力在黏結(jié)力和摩擦力方向上的分力可以忽略不計(jì)。所以在上述公式中，當(dāng)f3滿足單位面積上的力大于0.8 N時，馬鈴薯表面附著泥土可以被分離干凈。摩擦力計(jì)算公式為

f3=μFn1

(24)

式中μ——去土輥與馬鈴薯表面附著泥土的摩擦因數(shù)，取0.9

根據(jù)馬鈴薯與去土輥和光輥的受力分析可知

(25)

由式(25)可知，馬鈴薯及其表面所附著泥土受到的摩擦力主要與裝置傾角θ、去土輥和光輥間距l(xiāng)有關(guān)，另外還與馬鈴薯的尺寸有關(guān)，但是本文所取馬鈴薯大小為平均值，適應(yīng)于大部分情況。且與馬鈴薯的重量成正比，與θ+β的正弦值、余弦值成反比，以薯塊質(zhì)量為150 g、裝置傾角為0°、去土輥與光輥的最小間距為13 mm計(jì)算時，摩擦力最小值近似為0.948 N，大于黏結(jié)力0.8 N，因此能夠去除馬鈴薯表面所附著的泥土，完成去土分離的作業(yè)，保證作業(yè)質(zhì)量。因此，得到分離馬鈴薯表面附著泥土的影響因素：裝置傾角和去土輥與光輥間距。另外，碰撞次數(shù)也是影響作業(yè)質(zhì)量的重要因素，但碰撞次數(shù)與去土輥和光輥組數(shù)及轉(zhuǎn)速有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，碰撞次數(shù)與去土輥和光輥的組數(shù)及轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，把去土輥與光輥間距l(xiāng)、裝置傾角θ作為影響去土質(zhì)量和傷薯率的試驗(yàn)因素，并進(jìn)行試驗(yàn)分析，得到作業(yè)效果最佳的參數(shù)。

4 去土過程馬鈴薯碰撞分析

經(jīng)研究顯示，在馬鈴薯收獲過程中，其機(jī)械損傷占馬鈴薯所有運(yùn)輸過程總損傷的70%[21]，在輸送分離裝置中馬鈴薯損傷也屬于機(jī)械損傷，因此，研究馬鈴薯在輸送分離裝置碰撞損傷特性必不可少。

在上述分析中，得到輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置的去土輥與光輥的間距和組數(shù)及排列方式、裝置傾角對傷薯率和去土質(zhì)量的影響較大，還缺少輥組式馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置的轉(zhuǎn)速對馬鈴薯的碰撞損傷分析，因此采用馬鈴薯碰撞檢測系統(tǒng)設(shè)備對馬鈴薯的碰撞損傷進(jìn)行輔助分析。設(shè)備主要包括計(jì)算機(jī)、碰撞檢測球和數(shù)據(jù)線。以馬鈴薯碰撞檢測球?yàn)樵囼?yàn)手段，以輸送分離裝置的轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，獲取馬鈴薯在輸送分離裝置上的碰撞信息，找到碰撞損傷嚴(yán)重的區(qū)域，馬鈴薯碰撞檢測系統(tǒng)及試驗(yàn)過程如圖11所示。

圖11 馬鈴薯碰撞檢測

進(jìn)行馬鈴薯輸送分離裝置碰撞試驗(yàn)時，去土輥和光輥選取不同的轉(zhuǎn)速，即分別選取70、82、100、118、130 r/min，選取的轉(zhuǎn)速不能過小和過大，轉(zhuǎn)速過小輸送分離裝置對馬鈴薯的運(yùn)輸過程受阻，會產(chǎn)生馬鈴薯堆積現(xiàn)象；轉(zhuǎn)速過大時輸送分離裝置去土效果不明顯，因此選用5個不同轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)時，提前將馬鈴薯碰撞檢測球放在輸送分離裝置的上方，事先準(zhǔn)備好秒表計(jì)時，進(jìn)行試驗(yàn)時，利用秒表同步記錄馬鈴薯運(yùn)動的各個關(guān)鍵位置，計(jì)算機(jī)同步實(shí)時反映馬鈴薯碰撞特征。試驗(yàn)完成后，將馬鈴薯檢測球取出，并對檢測球采集到的碰撞信息進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 碰撞特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表3可知，馬鈴薯檢測球在輸送分離裝置不同的轉(zhuǎn)速下，碰撞次數(shù)、碰撞加速度和碰撞持續(xù)時間不同。輸送分離裝置光輥和去土輥的轉(zhuǎn)速越大，碰撞次數(shù)越少，傷薯率越低，但去土效果越差，在轉(zhuǎn)速為100 r/min時，碰撞次數(shù)和碰撞加速度較為適中，其薯塊碰撞特征圖如圖12所示。由此可知輸送分離裝置光輥和去土輥轉(zhuǎn)速n也是影響指標(biāo)的重要因素。

圖12 薯塊碰撞特征圖

5 試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料與裝置

由于前端升運(yùn)鏈分離裝置后的馬鈴薯在收集過程中損害大，造成臺架試驗(yàn)無法精確模擬田間試驗(yàn)的工況，試驗(yàn)結(jié)果不精確。因此本文將試驗(yàn)分為裝置仿真試驗(yàn)和樣機(jī)田間試驗(yàn)，兩者互相驗(yàn)證，使試驗(yàn)效果更加精確。仿真試驗(yàn)于2021年6月在實(shí)驗(yàn)室完成，試驗(yàn)田試驗(yàn)于2021年7月進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州馬鈴薯種植基地。試驗(yàn)時輸送分離裝置安裝在馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)上，馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)環(huán)形提升裝置在收獲過程中不工作，撿拾試驗(yàn)后的馬鈴薯才開始工作。馬鈴薯品種為荷蘭17，試驗(yàn)田中按照五點(diǎn)取樣法隨機(jī)抽取5個1 m×1 m的地塊挖掘馬鈴薯，挖掘時注意輕挖輕放，挖掘后觀察其有無受傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)馬鈴薯均無內(nèi)部損傷和外部損傷，且馬鈴薯直徑在32～75 mm之間，長軸長度在33～140 mm之間，馬鈴薯的形狀指數(shù)為0.69，質(zhì)量在102～420 g之間，土壤含水率為19.2%[22]，試驗(yàn)時物料中含有薯秧、土塊等雜質(zhì)。馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置田間試驗(yàn)過程和試驗(yàn)后馬鈴薯狀態(tài)如圖13所示。

圖13 馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)過程和馬鈴薯狀態(tài)

5.2 試驗(yàn)因素和評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)馬鈴薯在裝置上的動力學(xué)分析和馬鈴薯表面附著泥土分離分析，確定輸送分離裝置轉(zhuǎn)速n、去土輥與光輥間距l(xiāng)、裝置傾角θ為試驗(yàn)因素。

根據(jù)NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》將傷薯率e1和去土效率e2作為試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)，具體公式為

(26)

(27)

式中M1——作業(yè)后損傷的馬鈴薯總質(zhì)量

M2——作業(yè)后馬鈴薯總質(zhì)量

m——土壤質(zhì)量

5.2.1試驗(yàn)方案與結(jié)果

采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)輸送分離裝置的作業(yè)參數(shù)和樣機(jī)實(shí)際的作業(yè)工況，確定各試驗(yàn)因素的范圍為：去土輥與光輥間距13～20 mm、裝置傾角5°～11°、去土輥和光輥轉(zhuǎn)速70～130 r/min[23]。

進(jìn)行試驗(yàn)時，嚴(yán)格控制馬鈴薯收獲機(jī)的挖掘深度和拖拉機(jī)的前進(jìn)速度，避免因挖掘過深和前進(jìn)過快造成馬鈴薯在輸送分離裝置上堆積，從而影響各試驗(yàn)因素顯著性。各因素的調(diào)節(jié)過程如下：通過控制四桿支撐結(jié)構(gòu)的角度和位置來調(diào)節(jié)輸送分離裝置的傾角和去土輥與光輥的間距；通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的流量來調(diào)節(jié)去土輥和光輥的轉(zhuǎn)速。

運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件對影響試驗(yàn)結(jié)果的指標(biāo)進(jìn)行顯著性分析，得到合適的各因素組合。試驗(yàn)因素編碼如表4所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表5所示。

表4 試驗(yàn)因素編碼

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果

5.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

采用Design-Expert 11.0軟件，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析和多元回歸擬合[24-25]，得到傷薯率e1和去土率e2的回歸方程，最后檢驗(yàn)各試驗(yàn)因素的顯著性。

(1)馬鈴薯傷薯率分析

表6 馬鈴薯傷薯率方差分析

e1=-5.465 58+0.577 316X1+0.334 62X2+

0.010 014X3+0.014 881X1X2-

(28)

對回歸方程進(jìn)行失擬試驗(yàn)，如表6所示，失擬差P=0.451 8>0.1，失擬差不顯著，說明上述回歸方程對馬鈴薯傷薯率的模擬較好，無影響馬鈴薯傷薯率的其他因素。由此可知，回歸方程的二次關(guān)系顯著，分析結(jié)果合理。

(2)馬鈴薯去土率分析

e2=57.965 76+2.613 43X1+0.471 217X2+

(29)

對回歸方程進(jìn)行失擬試驗(yàn)，如表7所示，失擬差P=0.158 8>0.1，失擬差不顯著，說明上述回歸方程對馬鈴薯去土率的模擬較好，無影響馬鈴薯去土率的其他因素。由此可知，回歸方程的二次關(guān)系顯著，分析結(jié)果合理。

表7 馬鈴薯去土率方差分析

5.2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)用Design-Expert 11.0軟件，可得到輸送分離裝置中去土輥和光輥間距、裝置傾角、去土輥和光輥轉(zhuǎn)速的交互作用對傷薯率和去土率兩個試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面。去土輥和光輥間距及去土輥和光輥轉(zhuǎn)速對試驗(yàn)指標(biāo)的影響最大，應(yīng)作為變量，考慮實(shí)際情況：馬鈴薯收獲過程中對裝置傾角的改變相比于去土輥和光輥的轉(zhuǎn)速較為麻煩。因此本文以去土輥和光輥間距、裝置傾角作為橫軸，改變?nèi)ネ凛伜凸廨佫D(zhuǎn)速，觀察響應(yīng)曲面的變化，如圖14所示。

圖14 因素交互作用對傷薯率和去土率影響的響應(yīng)曲面

如圖14a～14d所示，當(dāng)裝置傾角和去土輥和光輥間距不變，去土輥和光輥轉(zhuǎn)速由70 r/min上升到130 r/min時，馬鈴薯傷薯率有增大的趨勢；當(dāng)去土輥和光輥轉(zhuǎn)速和間距一定時，馬鈴薯傷薯率隨著裝置傾角的增大呈增大的趨勢，最優(yōu)范圍為7.5°～9.5°；當(dāng)去土輥和光輥轉(zhuǎn)速和裝置傾角一定時，馬鈴薯傷薯率隨著去土輥和光輥間距的增大呈增大的趨勢，最優(yōu)范圍為14～17 mm。其中去土輥和光輥間距是影響傷薯率最主要的因素。

如圖14e～14h所示，當(dāng)裝置傾角、去土輥和光輥間距不變，去土輥和光輥轉(zhuǎn)速由70 r/min上升到130 r/min時，馬鈴薯去土率有先增大后減小的趨勢，且減小幅度不明顯；在去土輥和光輥轉(zhuǎn)速90 r/min時達(dá)到頂峰。當(dāng)去土輥和光輥轉(zhuǎn)速和間距一定時，馬鈴薯去土率隨著裝置傾角的增大呈先增大后減小的趨勢，最優(yōu)范圍為7.8°～9.4°；當(dāng)去土輥和光輥轉(zhuǎn)速和裝置傾角一定時，馬鈴薯去土率隨著去土輥和光輥間距的增大呈先增大后減小的趨勢，最優(yōu)范圍為13.8～16.8 mm，且減小幅度不明顯。其中去土輥和光輥轉(zhuǎn)速是影響傷薯率最主要的因素，最優(yōu)范圍為95.6～108.3 r/min。

5.2.4參數(shù)優(yōu)化

利用Matlab軟件中的優(yōu)化模塊對去土輥和光輥間距和轉(zhuǎn)速及裝置傾角3個回歸模型進(jìn)行求解。優(yōu)化原理利用最大最小值原理，將回歸方程代入目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，選擇優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

(30)

通過優(yōu)化求解，得到去土輥與光輥間距為15.4～16.7 mm、裝置傾角為7.8°～8.6°、去土輥與光輥轉(zhuǎn)速為97.4～106.3 r/min時，輸送分離裝置作業(yè)去土效果最佳，傷薯率為0.71%～0.82%，去土率為97.8%～98.2%。

5.3 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

以馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置作業(yè)過程的傷薯率和去土率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行輥組式馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置與普通馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置對比試驗(yàn)。試驗(yàn)選取輥組式馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置去土輥和光輥間距為16.5 mm，裝置傾角為8°，去土輥轉(zhuǎn)速為100 r/min，光輥轉(zhuǎn)速為100 r/min，普通馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置鏈條間距17.8 mm，裝置傾角16°，鏈條轉(zhuǎn)速110 r/min。田間試驗(yàn)驗(yàn)證的測試方法與5.2.1節(jié)的測試方法一致。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 對比試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，傳統(tǒng)分離裝置平均傷薯率為0.76%，輸送分離裝置平均傷薯率為0.64%，傷薯率降低0.12個百分點(diǎn)。傳統(tǒng)分離裝置平均去土率為94.5%，輸送分離裝置平均去土率為97.1%，去土率提高2.6個百分點(diǎn)。

6 結(jié)論

(1)針對傳統(tǒng)輸送分離裝置傷薯率高、去土率低的問題，通過對橡膠、聚氨酯材料的比對等，設(shè)計(jì)了一種聚氨酯材料的輥組式馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置，提出了去土輥與光輥交替排列的排列方式。

(2)對馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置的去土過程進(jìn)行了動力學(xué)分析，利用莫爾-庫倫定律對馬鈴薯與黏土的分離過程進(jìn)行了分析，通過馬鈴薯碰撞檢測系統(tǒng)對馬鈴薯的碰撞過程進(jìn)行輔助分析，得到了影響去土率和傷薯率的主要試驗(yàn)因素：去土輥和光輥的間距與轉(zhuǎn)速、裝置傾角。對馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置進(jìn)行了仿真試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，對工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，有效提高了作業(yè)質(zhì)量。

(3)通過輥組式馬鈴薯收獲機(jī)輸送分離裝置的試驗(yàn)，建立了去土輥和光輥的間距、轉(zhuǎn)速和裝置傾角與傷薯率和去土率間的回歸模型，并對其進(jìn)行了優(yōu)化。試驗(yàn)表明去土輥和光輥間距為16.5 mm，裝置傾角為8°，去土輥轉(zhuǎn)速為100 r/min，光輥轉(zhuǎn)速為100 r/min時，比傳統(tǒng)分離裝置傷薯率降低0.12個百分點(diǎn)，去土率提高2.6個百分點(diǎn)，能較好地滿足實(shí)際去土作業(yè)要求。