基于離散元的馬鈴薯分選裝置運行參數(shù)優(yōu)化與試驗

章啟祥 劉發(fā)英 楊振宇 李繼偉 韓夢杰 李學(xué)強

摘要：在馬鈴薯輸送與分選過程中，針對機械損傷引起表皮破損導(dǎo)致儲存時極易腐爛變質(zhì)的問題。通過對馬鈴薯的碰撞分析確定馬鈴薯損傷的影響因素，獲取分選裝置運行參數(shù)的取值范圍，并以傷薯率為評估指標，以輸送帶速度、仿形滾輪移動速度、馬鈴薯滑落落差為試驗因素進行離散元仿真分析的二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗，分析各因素對評估指標的影響規(guī)律。參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明，輸送帶速度為0.32 m/s，馬鈴薯滑落落差為103.5 mm，仿形滾輪移動速度為0.49 m/s時，最低傷薯率為1.98%。經(jīng)試驗驗證，滿足馬鈴薯收獲分選時的國家標準和行業(yè)標準需求，可為同類型的馬鈴薯機械的設(shè)計和優(yōu)化提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；分選裝置；機械損傷；離散元；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：S233.73

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 04-0096-08

Abstract： In the process of potato transportation and sorting， aiming at the problem that the skin damage caused by mechanical damage is very easy to rot and deteriorate during storage. Through the collision analysis of potatoes， the influencing factors of potato damage are determined， and the value range of the operating parameters of the sorting device is obtained. Taking the potato damage rate as the evaluation index， the conveyor belt speed， the movement speed of profiling roller and the potato slip drop as the test factors， the quadratic orthogonal rotation regression test of discrete element simulation analysis is carried out to analyze the influence law of various factors on the evaluation index. The results of parameter optimization showed that when the speed of conveyor belt was 0.32 m/s， the falling drop of potato was 103.5 mm， and the moving speed of profiling roller was 0.49 m/s， the minimum potato injury rate was 1.98%. The experimental results show that it meets the requirements of national standards and industrial standards during potato harvesting and sorting， and can provide technical reference for the design and optimization of the same type of potato machinery.

Keywords：? potato; separator; mechanical damage; discrete element; parameter optimization

0 引言

2015年，原農(nóng)業(yè)部提出馬鈴薯主糧化策略，馬鈴薯成為第四大主糧，經(jīng)濟地位日益重要，馬鈴薯機械化生產(chǎn)對馬鈴薯的增產(chǎn)增收、提高經(jīng)濟效益有著重大作用［1-3］。國外對馬鈴薯損傷進行了一些研究［4-7］，國外學(xué)者的主要研究內(nèi)容是：采用掃描電鏡（SEM）分析、沖擊鐘擺實驗等新技術(shù)，通過試驗研究馬鈴薯損傷機理并確定各個馬鈴薯機械的參數(shù)；國內(nèi)學(xué)者近年來也做了部分研究，桑永英等［8］對馬鈴薯碰撞傷害的原因進行了分析，并建立了馬鈴薯碰撞模型；郭世魯?shù)龋?］使用運動學(xué)對馬鈴薯從馬鈴薯收獲機分離的過程進行分析，得到轉(zhuǎn)速﹑臨界機械碰撞的關(guān)系；洪翔等［10］介紹了一種測量馬鈴薯受到碰撞損傷程度的方法；兌瀚［11］對馬鈴薯收獲機升運過程中的機械損傷進行了分析與實驗；魏忠彩等［12］研究了馬鈴薯機械化輸送過程中的傷薯問題；馮斌［13］對馬鈴薯碰撞損傷機理進行了研究。目前，對馬鈴薯損傷的研究主要是馬鈴薯收獲過程中機械損傷的損傷機理研究［14-16］。在馬鈴薯分選過程中造成的機械損傷研究較少，然而馬鈴薯分選是其在入庫或出庫過程中的一個重要環(huán)節(jié)，由于機械損傷在此過程中造成的馬鈴薯表面破損將導(dǎo)致其在儲存時極易腐爛變質(zhì)，因此需要確定馬鈴薯分選過程分選裝置的最佳運行參數(shù)，降低馬鈴薯表面破損率。

由于馬鈴薯在分選入庫過程中，產(chǎn)生機械損傷主要與馬鈴薯分選裝置的運行參數(shù)（馬鈴薯滑落落差、輸送帶速度和仿形滾輪移動速度）有關(guān)。通過分析馬鈴薯分選過程中的碰撞損傷過程，確定影響馬鈴薯碰撞損傷的主要因素，根據(jù)馬鈴薯分選裝置的運行參數(shù)的取值范圍，利用EDEM軟件進行離散元仿真分析，獲取最佳的分選裝置運行參數(shù)，最后在馬鈴薯分選裝置試驗臺上驗證離散元仿真分析的結(jié)果。

1 馬鈴薯分選過程的碰撞分析

1.1 馬鈴薯分選系統(tǒng)組成與工作原理

馬鈴薯分選系統(tǒng)由輸送裝置、馬鈴薯分選裝置和收集框組成，如圖1所示。其中，輸送裝置由支架、輸送帶和電機等部分組成；馬鈴薯分選裝置由底座支架、輸送翻轉(zhuǎn)裝置、圖像采集裝置、剔除裝置和電動滾筒等部分組成；輸送翻轉(zhuǎn)裝置由電動滾筒驅(qū)動鏈傳動，鏈傳動在帶動仿形滾輪移動的同時使得仿形滾輪滾動，實現(xiàn)其支撐的馬鈴薯在輸送過程中翻滾，圖像采集檢測裝置包括工業(yè)相機、控制器、工控機、觸摸屏和傳感器等部分組成，可實現(xiàn)對馬鈴薯表面全面域圖像的獲取、顯示和分析處理，并將處理信號通過控制器傳輸給剔除裝置；剔除裝置由驅(qū)動氣缸和剔除杠桿組成，通過氣缸驅(qū)動剔除杠桿實現(xiàn)不合格馬鈴薯的剔除；兩個收集框位于馬鈴薯分選裝置的右面和后面，可分別收集不合格薯和合格薯。

馬鈴薯出入庫過程中，馬鈴薯通過輸送裝置不斷地輸送到馬鈴薯分選裝置的仿形滾輪上，在仿形滾輪自轉(zhuǎn)和平移的過程中，利用仿形滾輪與馬鈴薯表面產(chǎn)生的摩擦力使馬鈴薯翻轉(zhuǎn)。通過工業(yè)相機獲取馬鈴薯全面域特征圖像，采用機器視覺技術(shù)和缺陷檢測算法對馬鈴薯外部缺陷進行在線識別和檢測分選，發(fā)出控制指令。剔除裝置接收控制系統(tǒng)的指令，可實時對被檢測的不合格馬鈴薯進行剔除操作。在整個馬鈴薯分選系統(tǒng)中，馬鈴薯分選裝置是核心裝置，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

馬鈴薯損傷等級按以下方式進行判斷：（1）特級馬鈴薯：大小均勻，外觀新鮮，硬實，清潔、無泥土、無雜物，成熟度好，薯形好，基本無表皮破損、無機械損傷，無內(nèi)部缺陷及外部缺陷造成的損傷，單薯的質(zhì)量不低于150 g。（2）一級馬鈴薯：大小較均勻，外觀新鮮，硬實，清潔、無泥土、無雜物，成熟度較好，薯形較好，輕度表皮破損及機械損傷，內(nèi)部缺陷及外部缺陷造成的輕度損傷，單薯的質(zhì)量不低于100 g。（3）二級馬鈴薯：大小較均勻，外觀較新鮮，較清潔、允許有少量泥土和雜物，中度表皮破損，無嚴重畸形，無內(nèi)部缺陷及外部缺陷造成的嚴重損傷，單薯的質(zhì)量不低于50 g。

1.2 馬鈴薯碰撞分析

馬鈴薯通過輸送帶滑落到分選裝置的仿形滾輪上的過程如圖2所示，馬鈴薯由輸送帶提升輸送，帶有一定的平拋初速度滑落到仿形滾輪上。在馬鈴薯從輸送帶滑落到仿形滾輪上時，馬鈴薯與仿形滾輪的碰撞過程中，馬鈴薯的機械損傷程度大，馬鈴薯碰撞過程中接觸區(qū)的應(yīng)力分布可用準靜態(tài)Hertz理論進行分析。

按照Hertz理論，根據(jù)馬鈴薯分選的環(huán)境狀況，作出如下假設(shè)。

1） 馬鈴薯的表面是不間斷的，而且是非協(xié)調(diào)的。

2） 馬鈴薯與仿形滾輪的接觸區(qū)的有效尺寸遠小于相對曲率半徑。

3） 馬鈴薯與仿形滾輪都可看作半彈性空間，接觸區(qū)的有效尺寸遠小于馬鈴薯與仿形滾輪的有效半徑。

4） 馬鈴薯與仿形滾輪接觸時，無面內(nèi)摩擦，切向力為0。

馬鈴薯與仿形滾輪碰撞過程的分析原理如圖3所示，馬鈴薯與仿形滾輪碰撞的形變狀態(tài)如圖4所示。

從式（5）中可以看出，馬鈴薯與仿形滾輪間的受力與馬鈴薯的質(zhì)量、輸送帶速度、仿形滾輪移動速度、馬鈴薯滑落落差有關(guān)。

2 仿真試驗

2.1 基于離散元的模型建立

2.1.1 馬鈴薯離散元模型的建立

結(jié)合商品馬鈴薯外觀形狀特征，設(shè)置離散元仿真分析的馬鈴薯顆粒模型，如圖5所示。為了盡量還原馬鈴薯真實的形狀并且提高仿真效率及精度，馬鈴薯顆粒模型采用多球聚合模型。為了簡化模型，考慮到不需要對馬鈴薯表面的整個表面進行受力分析，而只需對馬鈴薯整體受力進行仿真分析即可，因此采用4個圓形顆粒構(gòu)建馬鈴薯顆粒模型，進行受力仿真分析，設(shè)置其質(zhì)量范圍為160～320 g。

2.1.2 輸送帶與分選裝置離散元模型的建立

為了能夠合理有效的仿真模擬與計算，結(jié)合馬鈴薯分選裝置的參數(shù)，對馬鈴薯分選裝置進行簡化，去掉機架，保留輸送帶和輸送仿形滾輪。

由于馬鈴薯是從輸送裝置后段的水平輸送帶滑落到仿形滾輪上，因此輸送帶模型只使用水平輸送帶的這一部分，進行離散元模擬仿真分析，簡化后的輸送帶與分選裝置的離散元模擬仿真分析模型如圖6所示。

2.1.3 仿真模型參數(shù)確定

由于馬鈴薯與輸送裝置、馬鈴薯與分選裝置之間不存在黏附力，在EDEM軟件內(nèi)進行接觸模型設(shè)置，選取Hertz-Mindlin（no slip）［17］模型作為馬鈴薯與馬鈴薯、馬鈴薯與輸送裝置、馬鈴薯與分選裝置之間的接觸模型。

2.1.4 仿真設(shè)置

考慮到馬鈴薯的機械損傷與碰撞材料、下落高度、塊莖質(zhì)量、含水率、跌落方向和馬鈴薯品種等因素有關(guān)［18-20］。

結(jié)合本文研究內(nèi)容的實際情況，按照山東滕州地區(qū)種植的馬鈴薯“希森3號”的特征參數(shù)進行仿真參數(shù)設(shè)置；輸送帶采用橡膠材料（TPU）進行仿真參數(shù)設(shè)置；仿形滾輪采用塑料材料（PVC）進行仿真參數(shù)設(shè)置；輸送機兩側(cè)護板材料采用鋼板（Q235A）進行仿真參數(shù)設(shè)置。馬鈴薯與輸送裝置、分選裝置的離散元仿真參數(shù)如表2所示。

為了獲得馬鈴薯分選裝置的輸送帶速度v0、仿形滾輪移動速度v1和馬鈴薯滑落落差h的最佳運行參數(shù)，根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，設(shè)置試驗因素和水平如表3所示。

2.2.2 EDEM參數(shù)設(shè)置

馬鈴薯顆粒模型生成在平傳送帶上，顆粒的生成速度由輸送帶速度決定，重力方向設(shè)置為Z軸向下。為保證馬鈴薯在輸送帶上流暢運動，按照Reyleigh時間步長的16%來設(shè)置固定時間步長，其值為0.37 ms左右，網(wǎng)格單元尺寸為最小顆粒半徑的2.5倍；為了使仿真結(jié)果更精確，設(shè)置仿真次數(shù)為30次。

3 仿真結(jié)果分析與參數(shù)優(yōu)化

仿真試驗結(jié)果如表4所示，表中v0、h、v1表示各因素編碼值。

3.2 響應(yīng)面分析

依據(jù)建立的馬鈴薯傷薯率回歸模型，依次將其中一個仿真分析的因素置于零水平，考慮其他兩個因素對仿真分析的指標影響，繪制其響應(yīng)面圖。如圖7（a）所示，當仿形滾輪移動速度處于中心水平，輸送帶速度試驗因素水平一定時，隨著馬鈴薯滑落落差增加，傷薯率隨之增高；馬鈴薯滑落落差試驗因素水平一定時，輸送帶速度增大，傷薯率隨之增高。

如圖7（b）所示，當馬鈴薯滑落落差處于中心水平，輸送帶速度試驗因素水平一定時，隨著仿形滾輪移動速度的增快，傷薯率隨之增高；仿形滾輪移動速度試驗因素水平一定時，輸送帶速度增大，傷薯率隨之增高；如圖7（c）所示，當輸送帶速度處于中心水平，仿形滾輪移動速度試驗因素水平一定時，隨著馬鈴薯滑落落差的增大，傷薯率隨之增高；馬鈴薯滑落落差試驗因素水平一定時，仿形滾輪移動速度加快，傷薯率隨之增高。

通過優(yōu)化參數(shù)，得到100組優(yōu)化結(jié)果，將這100組優(yōu)化結(jié)果從小到大排列，得到輸送帶速度為0.32 m/s，馬鈴薯滑落落差為103.5 mm，仿形滾輪移動速度為0.49 m/s時，傷薯率最低為1.98%。從優(yōu)化后的結(jié)果來看，馬鈴薯滑落落差接近約束條件的偏小值，輸送帶速度和仿形滾輪移動速度均是其約束條件的中間值。實際生產(chǎn)過程中，馬鈴薯滑落落差越小，其機械損傷的概率越低，但受輸送帶驅(qū)動滾輪尺寸的限制，馬鈴薯滑落落差不可能無限制小。另外，仿形滾輪移動速度高于輸送帶速度有利于馬鈴薯在仿形滾輪上均隔分布。因此，以上優(yōu)化后的輸送帶速度、馬鈴薯滑落落差和仿形滾輪移動速度的參數(shù)可用。

3.4 試驗驗證

使用優(yōu)化后的輸送帶速度、馬鈴薯滑落落差和仿形滾輪移動速度的運行參數(shù)在馬鈴薯分選裝置進行試驗驗證。輸送帶速度和仿形滾輪移動速度使用VC6236P（Victor）測速儀進行檢測和調(diào)定。

試驗采用山東滕州地區(qū)種植的馬鈴薯“希森3號”作為分選對象，其平均含水率70%左右，平均質(zhì)量230 g 左右。參照原農(nóng)業(yè)部馬鈴薯收獲機械行業(yè)標準（NY/T 1130—2006）和馬鈴薯商品薯分級與檢驗規(guī)程國家標準（GB/T 31784—2015），進行傷薯率試驗。從100組優(yōu)化結(jié)果中選擇具有代表性的5組優(yōu)化結(jié)果，這5組優(yōu)化結(jié)果分別是：第1、25、50、75、100組的優(yōu)化結(jié)果，各組的輸送帶速度、馬鈴薯滑落落差和仿形滾輪移動速度的優(yōu)化參數(shù)和傷薯率優(yōu)化結(jié)果，如表6所示。按照優(yōu)化參數(shù)調(diào)定馬鈴薯分選裝置的運行參數(shù)，每組分別對60個馬鈴薯進行試驗，并依次進行機械損傷標記和統(tǒng)計。傷薯率的試驗結(jié)果，如表6所示。從傷薯率的優(yōu)化結(jié)果和試驗結(jié)果來看，試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本保持一致，沒有產(chǎn)生較大差異。隨著優(yōu)化結(jié)果的傷薯率不斷增大，試驗結(jié)果傷薯率的變化幅度更大，但在允差范圍之內(nèi)。馬鈴薯分選裝置運行參數(shù)優(yōu)化后的最佳傷薯率2.11%的試驗結(jié)果符合國家標準和行業(yè)標準對商品薯進行分級與檢驗的要求。

4 結(jié)論

1） 通過對馬鈴薯分選過程中，其與輸送裝置和分選裝置之間的受力分析，獲得馬鈴薯機械損傷的主要影響因素是輸送帶速度、馬鈴薯滑落落差和仿形滾輪移動速度。

2） 建立基于離散元的分選裝置馬鈴薯運動過程模型，以輸送帶速度、馬鈴薯滑落落差、仿形滾輪移動速度為試驗指標，利用EDEM軟件對馬鈴薯在輸送帶與仿形滾輪上的運動過程進行離散元模擬仿真。使用Box-Behnken試驗設(shè)計原理進行試驗，確定了影響傷薯率因素的順序的從高到低排列順序依次為馬鈴薯滑落落差、輸送帶速度、仿形滾輪移動速度。

3） 利用Design Expert進行輸送帶速度、馬鈴薯滑落落差、仿形滾輪移動速度的參數(shù)優(yōu)化，得出輸送帶速度為0.32 m/s，馬鈴薯滑落落差為103.5 mm，仿形滾輪移動速度為0.49 m/s時，最低傷薯率為1.98%；采用三個優(yōu)化后的運行參數(shù)在樣機上進行試驗，傷薯率最低為2.11%，可滿足馬鈴薯收獲時分選作業(yè)的生產(chǎn)要求。

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