馬鈴薯低損出倉機設(shè)計

摘要：

目前國內(nèi)馬鈴薯出倉設(shè)備需求較大，但存在出倉設(shè)備研究較少、馬鈴薯出倉效率低，損傷率高、作業(yè)成本高以及自動化程度低等問題。為此，設(shè)計一種由行走轉(zhuǎn)向裝置、伸縮裝置、輸送裝置以及液壓裝置、控制系統(tǒng)、檢測裝置等組成的馬鈴薯出倉機。采用運動學(xué)分析方法明晰影響出倉性能指標(biāo)的因素為輸送線速度、傾斜角度以及喂入量，通過超聲波傳感器與行程限位開關(guān)對輸送線的速度和伸縮程度進行控制，可根據(jù)物料量的大小實現(xiàn)物料與輸送線速度的自動匹配，并防止伸縮過程中產(chǎn)生拖拽造成損傷。對馬鈴薯出倉機進行性能測試，以出倉效率、破皮率及傷薯率作為出倉機性能評價指標(biāo)，對其主要影響因素進行單因素試驗，得出各因素的最佳參數(shù)范圍。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對求解的最佳參數(shù)組合進行驗證試驗，得出平均出倉效率為56.53 t，平均破皮率為0.75%，平均傷薯率為0.55%，滿足較高出倉效率、較低破皮率及傷薯率的設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；出倉機；高效低損；運動學(xué)分析；超聲波傳感器

中圖分類號：S229+.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0124-09

收稿日期：2023年8月25日" 修回日期：2023年10月27日*

基金項目：山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項目（SD2019NJ010）

第一作者：宋鵬程，男，1999年生，山東濰坊人，碩士研究生；研究方向為農(nóng)業(yè)機械及其自動化。E-mail： 18753602772@163.com

通訊作者：王相友，男，1961年生，山東高密人，博士，教授，博導(dǎo)；研究方向為農(nóng)業(yè)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備。E-mail： wxy@sdut.deu.cn

Design of low-loss positioning machine for potato processing

Song Pengcheng1， Wang Xiangyou1， 2， Qu Junzhe1， Ren Jiayi1， Gai Jinxing2， 3， Li Xueqiang2， 3

（1." School of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo， 255091， China；

2. Shandong Provincial Intelligent Engineering and Technology Research Center for Potato Production Equipment，

Dezhou， 253600，China； 3. Shandong Star Agricultural Equipment Co.， Ltd.， Dezhou， 253600， China）

Abstract：

At present， there is a large demand for potato outbound equipment in China， but there are problems such as less research on outbound equipment， low outbound efficiency， high potato damage rate， high operating cost and low degree of automation. Therefore， a kind of potato outbound machine composed of walking steering device， telescopic device， conveying device， hydraulic device， control system and detection device is designed. The kinematics analysis method is used to clarify that the factors affecting the performance index of the warehouse are the speed of the conveyor line， the inclination angle and the feeding amount. The speed and expansion degree of the conveyor line are controlled by the ultrasonic sensor and the stroke limit switch. According to the amount of material， the automatic matching of the material and the speed of the conveyor line can be realized， and the damage caused by dragging during the expansion process can be prevented. The performance test of the potato warehouse machine was carried out. The single factor test was carried out on the main influencing factors with the efficiency of the warehouse， the rate of broken skin and the rate of damaged potato as the performance evaluation index of the warehouse machine， and the optimal parameter range of each factor was obtained. According to the test data， the optimal parameter combination is verified， and the average efficiency of the warehouse is 56.53 t， the average breaking rate is 0.75%， and the average potato injury rate is 0.55%， which meets the design requirements of higher warehouse efficiency， lower breaking rate and potato injury rate.

Keywords：

potato; warehouse exiting machine; high efficiency and low loss; kinematic analysis; ultrasonic sensor

0 引言

馬鈴薯是一種塊莖可食用的草本植物，也被稱為土豆、洋芋等，營養(yǎng)豐富，具有食用價值、營養(yǎng)價值以及經(jīng)濟價值［1］。為了延長馬鈴薯保鮮及上市時間、均衡馬鈴薯時空需求、穩(wěn)定馬鈴薯供需價格，各馬鈴薯種植區(qū)域開始建立儲藏庫［2］。相關(guān)研究表明，馬鈴薯塊莖損傷30%來自包裝、運輸和出入庫等環(huán)節(jié)，損傷的馬鈴薯不僅會影響后續(xù)加工產(chǎn)品品質(zhì)，還會降低種植戶收入。國外已經(jīng)有相對成熟的出入庫設(shè)備，但目前國內(nèi)馬鈴薯出倉機械研究較少，大多依賴人工或者采用半機械化操作，使用成本較高、機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且自動化程度低以及出倉效率低等［3］。

德國的PS 511馬鈴薯出倉機可快速從倉庫取出貨物并進一步轉(zhuǎn)給其后續(xù)運送組件，可無級調(diào)整作業(yè)范圍，在不改變倉儲線的情況下，自由改變馬鈴薯出倉機的位置，出倉機的機動性較強［4］。蓋金星等［5］設(shè)計的智能馬鈴薯出倉機通過收集上料機實現(xiàn)馬鈴薯的高效收集，采用光電傳感器檢測物料高度實現(xiàn)后級傳送帶速度的控制，但存在其收集上料裝置在輸送過程中卡薯、傷薯較多，智能化程度低，且光電傳感器在儲藏庫中檢測不夠準(zhǔn)確等現(xiàn)象。

本文對馬鈴薯出倉機前級和后級輸送過程進行動力學(xué)分析，明確影響馬鈴薯出倉效率的主要因素，對馬鈴薯出倉機智能出倉進行邏輯設(shè)計，并對馬鈴薯出倉機進行性能驗證試驗。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

馬鈴薯出倉機主要由行走轉(zhuǎn)向裝置、伸縮裝置、輸送裝置、液壓裝置、控制系統(tǒng)以及物料檢測裝置等組成，如圖1所示。馬鈴薯出倉機相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

行走轉(zhuǎn)向裝置主要由液壓馬達、大號鏈輪、小號鏈輪以及單排傳動滾子鏈、液壓油缸、萬向輪等組成。前進機構(gòu)與左右轉(zhuǎn)動機構(gòu)的作用是將液體的壓力轉(zhuǎn)化為機械能，通過鏈條傳動實現(xiàn)前級轉(zhuǎn)向輪的前進與后退，通過控制液壓油缸行程改變?nèi)f向輪方向從而實現(xiàn)左轉(zhuǎn)動或右轉(zhuǎn)動；伸縮裝置主要由伸縮滑座、伸縮滑軌、限位機構(gòu)、軸承、側(cè)導(dǎo)輪等組成，其作用是根據(jù)實際輸送需要改變后級輸送線的長度，擴大出倉機輸送馬鈴薯范圍；輸送裝置是基于皮帶輸送，分為前、后兩級輸送線，其中后級輸送線可改變輸送長度，主要由電動滾筒、皮帶、從動輥筒、斜輥筒以及松緊輥筒等組成，利用電動滾筒提供動力，將馬鈴薯順利輸送至倉外；液壓裝置主要由油泵、油箱、液壓油、方向控制閥以及油管等組成，其作用是改變液壓油的壓強并增大作用力，及時給液壓馬達提供動力；控制系統(tǒng)基于西門子PLC S7-200CN，主要由拓展模塊、開關(guān)旋鈕、矢量變頻器、傳感器、變送器、觸摸屏等組成，其作用是實現(xiàn)馬鈴薯出倉機的精準(zhǔn)控制，提高出倉工作的自動化水平。

1.2 工作原理

出倉機在工作時，根據(jù)實際馬鈴薯出倉量的需求，固定好轉(zhuǎn)向滑臺位置后，調(diào)整升降裝置，使得后級輸送線達到合適離地高度；調(diào)整伸縮滑臺長度，使得后級輸送線達到合適輸送長度；通過轉(zhuǎn)向滑臺調(diào)整轉(zhuǎn)向位置，從而保證后級輸送線達到合適的輸送角度。通過控制操作手柄調(diào)整轉(zhuǎn)向裝置位置，便于集薯鏟與馬鈴薯接觸，當(dāng)馬鈴薯達到一定量時會與前級輸送帶接觸，并以一定的速度輸送至后級輸送線處，直至到達出倉口。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 前級輸送線設(shè)計與分析

2.1.1 前級輸送線總體設(shè)計

前級輸送線放置需要設(shè)計與地面存在一定水平夾角，由于馬鈴薯為類橢球體，因而，當(dāng)馬鈴薯進入前級輸送線時受到電動輥筒轉(zhuǎn)動產(chǎn)生力偶矩以及重力等因素的影響，在輸送線上會出現(xiàn)翻滾運動等現(xiàn)象，并且馬鈴薯容易在輸送線前端堆積，達到一定量后容易產(chǎn)生較多碰撞損傷積累［6］，因此，需要控制馬鈴薯進入輸送線時的運動狀態(tài)，設(shè)計合適的輸送線工作參數(shù)，讓馬鈴薯進入前級輸送線后較短時間內(nèi)處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，有效降低集薯鏟對馬鈴薯造成的碾壓損傷。

前級輸送線是馬鈴薯出倉機重要裝置之一，如圖2所示，主要由集薯鏟、輸送線以及滾筒電機、從動輥等組成，其作用是將堆垛馬鈴薯順利運輸至后級輸送線進行后續(xù)出倉運輸處理。馬鈴薯被集薯鏟收集后，出倉機需要前后行進才能將馬鈴薯撥動至前級輸送線，經(jīng)過觀察在此入料過程中容易出現(xiàn)馬鈴薯堆積現(xiàn)象，因此，在出倉機機身外端設(shè)計入料擋薯板，其作用是將集薯鏟收集馬鈴薯與堆垛馬鈴薯隔離，避免集薯鏟碾壓馬鈴薯。

2.1.2 轉(zhuǎn)向裝置總體設(shè)計

考慮馬鈴薯出倉機整機載重以及經(jīng)濟實用性，行走轉(zhuǎn)向裝置采用液壓馬達與鏈傳動結(jié)合的方式驅(qū)動，液壓馬達能在低轉(zhuǎn)速條件下產(chǎn)生較大扭矩。鏈傳動具有平均傳動比準(zhǔn)確、過載能力大、無彈性滑動和打滑等優(yōu)點［7］，可以較好實現(xiàn)出倉機的前進或后退的功能?？紤]實際傳動需求，液壓馬達輸出軸與小鏈輪相連，選擇傳動比為2的鏈傳動，大小鏈輪均選用鏈號為12A短節(jié)距精密滾子鏈。為避免鏈傳動在出倉過程中因垂度過大導(dǎo)致嚙合時產(chǎn)生嚙合不良以及鏈條震動等現(xiàn)象，設(shè)計以螺桿為主要元件的張緊裝置，通過調(diào)節(jié)螺桿的距離來實現(xiàn)鏈輪中心距的控制，達到張緊目的。其工作原理：液壓馬達將液壓油轉(zhuǎn)化為機械能，其輸出端與小鏈輪相連，小鏈輪帶動鏈條轉(zhuǎn)動，通過齒輪齒條嚙合帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)出倉機的運動；通過改變液壓油流向控制出倉機前進或后退速度，通過改變液壓油流量大小控制其前進或后退速度。出倉機前進機構(gòu)簡圖如圖3所示。

2.1.3 前級輸送過程損傷分析

由于馬鈴薯與皮帶均為非剛性體，在力的作用下都會發(fā)生一定彈性形變從而形成接觸面，將這些分布力向接觸點A簡化，得到一個力FR與一個力偶，此滾動摩阻力偶的矩為MF。根據(jù)相關(guān)試驗可知，最大滾動摩阻力偶矩Mmax與滾動半徑無關(guān)，只與支承面的正壓力大小成正比，即

Mmax=δ·FRY

（1）

式中： δ——滾動摩阻系數(shù)；

FRY——支承面所受法向約束力，N。

為便于分析，將馬鈴薯在滾動時與皮帶接觸軌跡近似于半徑為R的圓。馬鈴薯在前級輸送線上的運動多為滑動、滾動或者同時具備滾動與滑動，但輸送穩(wěn)定之后馬鈴薯會與輸送線保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，由于同時具備滾動與滑動的馬鈴薯軌跡較為復(fù)雜且多為三維運動，為更好探究馬鈴薯在進入輸送線后的運動狀態(tài)，明晰運動過程以減少馬鈴薯輸送損傷，下文僅分析馬鈴薯穩(wěn)定后（僅與皮帶接觸）的臨界相對滑動狀態(tài)以及純滾動臨界運動狀態(tài)。

當(dāng)馬鈴薯處于臨界相對滑動狀態(tài)時，對馬鈴薯進行受力分析，如圖4所示，將力FR分解為沿X1、Y1方向的分力FRX、FRY，可得到平衡方程如式（2）與式（3）所示。

FRX－G1sinθ1=0

（2）

FRX=μ1FRY

（3）

式中： G1——馬鈴薯重力，N；

θ1——

前級輸送線與水平面所成夾角，（°）；

μ1——馬鈴薯與皮帶輸送線摩擦系數(shù)。

由此可得，垂直于輸送平面即Y1方向有如式（4）所示的關(guān)系。

G1cosθ1－FRY=0

（4）

聯(lián)立式（2）～式（4）可得

θ1=arctanμ1

（5）

根據(jù)上述關(guān)系式可知：當(dāng)θ≤arctanμ1時，馬鈴薯與前級輸送線保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，即不相對滑動，前級輸送線以一定速度將馬鈴薯勻速運送至后級輸送線；當(dāng)θ＞arctanμ1時，馬鈴薯與前級輸送線會發(fā)生相對滑動，此時馬鈴薯容易在前級輸送線前端翻滾堆積，造成馬鈴薯無法正常運送，隨著堆積馬鈴薯數(shù)量增多，增大了損傷概率，影響馬鈴薯出倉品質(zhì)。

馬鈴薯在進入前級輸送線后會與后續(xù)馬鈴薯發(fā)生接觸或碰撞，此時會給原馬鈴薯一定的作用力F，為便于分析，令F合力沿輸送線方向。當(dāng)馬鈴薯處于相對滾動臨界狀態(tài)有向下滾動趨勢時，為便于分析，令前級輸送帶在工作中無打滑等現(xiàn)象，皮帶與電動輥筒緊密接觸。為明晰馬鈴薯臨界滾動狀態(tài)下相關(guān)力及力矩之間關(guān)系，對該狀態(tài)進行受力分析，如圖5（a）所示。由圖5（a）分析可得平衡方程（6）。

∑MA（F）=0，G1sinθ1·R－MF1=0

∑FY=0，F(xiàn)RY－G1cosθ1=0

（6）

式中： MF1——

馬鈴薯向下滾動臨界狀態(tài)力偶矩，N·m；

F1——

向下滾動臨界時馬鈴薯所受后續(xù)馬鈴薯接觸合力，N。

當(dāng)馬鈴薯處于相對滾動臨界狀態(tài)有向上滾動趨勢時，其受力分析圖如圖5（b）所示。由圖5（b）分析可得平衡方程（7）。

∑MA（F）=0，G1sinθ1·R+MF2－F2R=0

∑FY=0，F(xiàn)RY－G1cosθ1=0

（7）

式中： MF2——

馬鈴薯向上滾動臨界狀態(tài)力偶矩，N·m；

F2——

向上滾動臨界時馬鈴薯所受后續(xù)馬鈴薯接觸合力，N。

聯(lián)立式（1）、式（6）、式（7）可得

MF1=G1（Rsinθ1－δcosθ1）

MF2=G1（Rsinθ1+δcosθ1）

（8）

令電動輥筒與皮帶為整體，以一定的速度勻速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的力矩為MB，對皮帶進行受力分析，如圖6所示。

由于馬鈴薯在前級輸送線皮帶上處于臨界滾動狀態(tài)，馬鈴薯與皮帶之間的力與力矩均處于平衡狀態(tài)，可以得到式（9）。

FX－FRX=0

FY－FRY=0

MB1=MF1

MB2=MF2

（9）

式中： FX——皮帶所受馬鈴薯摩擦力，N；

FY——皮帶所受馬鈴薯正壓力，N；

MB1——

馬鈴薯向下滾動臨界時皮帶產(chǎn)生力矩，N·m；

MB2——

馬鈴薯向上滾動臨界時皮帶產(chǎn)生力矩，N·m。

聯(lián)立式（8）、式（9）可得式（10）。

F1=G1sinθ1－δRcosθ1

F2=G1sinθ1+δRcosθ1

MB1=G1（Rsinθ1－δcosθ1）

MB2=G1（Rsinθ1+δcosθ1）

（10）

當(dāng)電動輥筒輸出力矩MB滿足條件G1（Rsinθ1-δcosθ1）≤MB≤G1（Rsinθ1+δcosθ1）時，馬鈴薯在輸送帶上可以保持即將滾動的臨界狀態(tài)從而保持平衡；當(dāng)滿足條件G1（Rsinθ1-δcosθ1）＞MB時，馬鈴薯會向下滾動，由于角度的影響，此時馬鈴薯容易在輸送線前端堆積，導(dǎo)致馬鈴薯碰撞積累；當(dāng)G1（Rsinθ1+δcosθ1）＞MB時，馬鈴薯會沿輸送帶向上運動，增加了其進入后級輸送線的復(fù)雜程度，不可控的馬鈴薯運動軌跡容易導(dǎo)致更高概率的破皮和傷薯等。

電動輥筒輸出力矩如式（11）所示。

MB=9550PN

（11）

式中： P——電動輥筒功率，kW；

N——電動輥筒轉(zhuǎn)速，r/min。

聯(lián)立式（10）、式（11）可得式（12）。

G1（Rsinθ1－δcosθ1）=PN1

G1（Rsinθ1+δcosθ1）=PN2

（12）

式中： N1——

馬鈴薯向下滾動臨界時皮帶與輥筒運轉(zhuǎn)速度，r/min；

N2——

馬鈴薯向上滾動臨界時皮帶與輥筒運轉(zhuǎn)速度，r/min。

由于滾動系數(shù)摩阻系數(shù)較小，在大多數(shù)情況下可以忽略，綜上可以得到以下規(guī)律：影響馬鈴薯運動狀態(tài)的主要因素為輥筒轉(zhuǎn)速以及輸送線傾斜角度，且輥筒轉(zhuǎn)速與輸前級輸送線角度呈現(xiàn)一定的比例關(guān)系。當(dāng)電動輥筒功率一定，輥筒轉(zhuǎn)速越大，前級輸送線傾斜角度越小，馬鈴薯出倉效率越高，但輸送過程中易造成皮帶打滑現(xiàn)象，且運輸速度過大會增加薯與薯之間的碰撞造成損傷；當(dāng)輥筒轉(zhuǎn)速越小，前級輸送線傾斜角度越大，馬鈴薯在前級輸送線前端易產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，使馬鈴薯循環(huán)翻滾碰撞產(chǎn)生損傷，影響馬鈴薯的出倉效果。因此，需要選擇合適的電動輥筒轉(zhuǎn)速以及輸送線傾斜角度參數(shù)來保證馬鈴薯在前級輸送線上的順利運輸，為滿足運輸要求最終確定使用4kW電動滾筒電機提供動力。

2.2 后級輸送線設(shè)計與分析

2.2.1 后級輸送線總體設(shè)計

后級輸送線為馬鈴薯出倉機重要組成部件之一，主要由電動輥筒、輸送皮帶、從動托輥以及各托輥軸筒、伸縮裝置、移動架側(cè)板、限位拉鉤等組成，選用電動輥筒作為后級輸送線主要動力來源。電動輥筒具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高以及噪聲低、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點，其作用是帶動后級輸送皮帶將前級輸送線運輸而來的馬鈴薯輸送至指定倉位外，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。由于馬鈴薯在儲藏過程中受到儲存位置的影響，為便于后級輸送線輸送，在使用過程中需要及時調(diào)整位置的角度及長度，其中輸送線末端下方連接升降裝置，升降裝置下方與轉(zhuǎn)向滑臺相連，通過控制行走轉(zhuǎn)向裝置帶動后級輸送線在滑臺滑動從而控制輸送線擺放位置角度與輸送長度。

2.2.2 伸縮裝置的設(shè)計

伸縮裝置主要由伸縮滑座、伸縮滑軌等組成，后Ⅰ級輸送線與后Ⅱ級輸送線線內(nèi)部分別安裝滑座與滑軌，通過控制豎直導(dǎo)輪與水平導(dǎo)輪的運動距離來實現(xiàn)后級輸送線實際輸送距離的控制，其伸縮裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示，利用螺桿可以調(diào)節(jié)后級輸送帶整體松緊程度。

為便于描述其伸縮功能，分別根據(jù)安裝位置命名為后Ⅰ級輸送線與后Ⅱ級輸送線。當(dāng)馬鈴薯輸送口與堆放位置距離較遠時，需要調(diào)整好后級輸送線末端位置及角度，控制行走轉(zhuǎn)向裝置使得出倉機向前運動，此時伸縮裝置跟隨出倉機的運動而伸長，后Ⅰ級輸送線與后Ⅱ級輸送線沿著固定滑軌以相反方向運動，此時均向外運動，當(dāng)運動至合適位置時，固定好限位拉鉤，此時后級輸送線長度被固定；當(dāng)需要減小后級輸送線長度時，松開固定拉鉤后控制行走轉(zhuǎn)向裝置使得出倉機倒退，此時后Ⅰ級輸送線與后Ⅱ級輸送線沿著固定滑軌以相反方向運動，此時均向內(nèi)運動，運動至導(dǎo)輪與限位柱接觸時達到后級輸送線最短輸送距離，為防止后級輸送線水平滑動影響馬鈴薯輸送，將限位拉鉤再次固定可以有效起到穩(wěn)固作用。

為實現(xiàn)伸縮上述功能，后級輸送帶設(shè)計安裝示意簡圖如圖9所示。動力源由電動滾筒提供，開始工作時電動輥筒利用摩擦力將動力提供給皮帶，由于后Ⅰ級輸送線會接收前級輸送線輸送而來的馬鈴薯，考慮其受到馬鈴薯重力的影響，在后Ⅰ級輸送線下方安裝多根水平等距離分布的上從動輥，可以在輔助皮帶運動的同時起到支撐作用，防止因馬鈴薯過多導(dǎo)致皮帶下榻影響輸送效率；同時考慮后級輸送線整體長度問題，在輸送線伸長后皮帶會因為整體相對長度的增加而松弛下垂，增大皮帶與電動輥筒間摩擦力進而增大電動輥筒載荷，嚴(yán)重時會導(dǎo)致皮帶打滑或損壞電動輥筒，因而，在后Ⅱ級輸送線安裝多根對稱分布的上下從動輥，可以有效加強輸送皮帶的水平度，減少與電動輥筒間高負(fù)荷的摩擦力，保證后級輸送線的有效運轉(zhuǎn)。

2.2.3 后級輸送過程運動學(xué)分析

馬鈴薯經(jīng)集薯鏟到達前級輸送線后，經(jīng)一定時間運輸會與輸送帶處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)馬鈴薯達到前級輸送線末端后，會以速度V1作斜拋運動，與后級輸送線上馬鈴薯發(fā)生碰撞直至穩(wěn)定，由于受到輸送量的影響，導(dǎo)致輸送線單位面積內(nèi)馬鈴薯分布密度不一致，因而會影響躍起后馬鈴薯之間的碰撞程度，這也是輸送過程中導(dǎo)致馬鈴薯破皮、傷薯等損傷的主要來源［8， 9］。根據(jù)桑永英等［８］分析，馬鈴薯在下落高度為200～300mm時，碰撞產(chǎn)生的破皮和傷薯等損傷概率小于4%［7］，因此在設(shè)計中，將前級輸送線末端與后級輸送線前端相對豎直高度設(shè)定為250mm。當(dāng)馬鈴薯輸送量較小時，馬鈴薯從前級輸送線躍起至后級輸送線運動分析如圖10所示，為便于分析在整個運動過程忽略空氣阻力的影響。

當(dāng)處于ab運動階段，馬鈴薯以初速度V1作斜上拋運動，分解為水平方向上的勻速運動與豎直方向上的勻減速運動，可得式（13）。

V1cosθ1=V2

0－V1sinθ1=gt1

（13）

式中： V1——馬鈴薯斜拋初速度，m/s；

V2——馬鈴薯運動至最高點速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

t1——馬鈴薯運動至最高點所需時間，s。

L1=V2·t1

h1=12gt12

（14）

式中： L1——

ab階段馬鈴薯水平方向運動位移，m；

h1——

ab階段馬鈴薯豎直方向運動位移，m。

當(dāng)處于bc運動階段，馬鈴薯以初速度V2（速度方向水平向右）作斜下拋運動，分解為水平方向上的勻速運動與豎直方向上的勻加速運動，可得式（15）。

V3cosθ2=V2

V3sinθ2=gt2

（15）

式中： V3——

bc階段馬鈴薯末速度，m/s；

θ2——

bc階段馬鈴薯末速度與水平方向所成夾角，（°）；

t2——

bc階段馬鈴薯運動時間，s。

L2=V3cosθ2·t2

h2=12gt22

（16）

式中： L2——

bc階段馬鈴薯水平方向運動位移，m；

h2——

bc階段馬鈴薯豎直方向運動位移，m。

聯(lián)立式（13）～式（16）可得式（17）。

v3=v12cosθ12+2gh2

L1+L2=v1cosθ12h1g+2h2g

（17）

馬鈴薯在躍起高度一定時，其運動軌跡主要與前級輸送線速度以及輸送線傾斜角度有關(guān)。輸送線傾斜角度一定時，前級輸送線速度越大，馬鈴薯運動水平位移就越大，此時落地速度增大后容易造成馬鈴薯在輸送帶上彈跳并與其他馬鈴薯發(fā)生碰撞；前級輸送線速度越小，馬鈴薯躍起運動水平距離就越短，容易在后級輸送線前端堆積，使馬鈴薯不斷翻滾碰撞，增大馬鈴薯破皮、損傷等概率。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 關(guān)鍵控制元件的確定

控制系統(tǒng)硬件主要是由控制基業(yè)箱、三色指示燈、主控制器PLC、觸摸屏、開關(guān)旋鈕、超聲波傳感器、施耐德行程限位開關(guān)、信號變送器、變頻器等元件共同組成，在滿足出倉要求的前提下元件選取恰當(dāng)，既滿足設(shè)計使用要求實現(xiàn)其功能又避免造成資源浪費。控制系統(tǒng)通過采集相應(yīng)傳感器及時動作信息，運用邏輯控制控制相應(yīng)元件動作，保證馬鈴薯出倉機高效智能的運行。

3.2 控制原理

作業(yè)控制原理如圖11所示。

在出倉機工作過程中，集薯鏟離地間隙調(diào)整由液壓控制，超聲波傳感器采集前級輸送線馬鈴薯物料信息，并將此電信號輸送至變送器處進行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號輸送拓展模塊處進行模擬量信號轉(zhuǎn)換，經(jīng)西門子PLC S7-200CN識別模擬量信號后，通過一定的邏輯控制調(diào)整后級輸送線速度，實現(xiàn)馬鈴薯運輸量與后級輸送速度相匹配；采用行程開關(guān)進行檢測后級輸送帶伸縮情況，避免后級傳送帶因伸縮過度在工作中造成拖拽；速度傳感器會分別測量液壓馬達、電動滾筒的速度，經(jīng)過上述數(shù)模轉(zhuǎn)換能夠通過西門子PLC S7-200CN識別并控制其工作狀況，從而保障出倉機的穩(wěn)定工作。

3.3 升降系統(tǒng)調(diào)整模塊

系統(tǒng)采用液壓推桿實現(xiàn)拖車架后端高度的調(diào)整以及轉(zhuǎn)向滑臺的配合，當(dāng)出倉機到達工作位置后，通過觸摸屏發(fā)送信號，控制液壓站和相應(yīng)閥門工作，使液壓推桿完成相應(yīng)動作，使轉(zhuǎn)向滑臺與升降桿上的轉(zhuǎn)向滑輪完成配合，后級轉(zhuǎn)向輪抬升脫離地面，然后停止液壓推桿動作，出倉機開始作業(yè)；當(dāng)出倉結(jié)束后，控制相應(yīng)閥動作，使其恢復(fù)至初始狀態(tài)。其控制流程如圖12所示。

3.4 伸縮控制模塊

伸縮裝置控制流程如圖13所示。

PLC根據(jù)實際工況控制變頻器，通過改變相關(guān)頻率數(shù)值，采用脈沖寬度調(diào)制方式進行高精度控制減速電機的速度。當(dāng)超聲波傳感器未檢測到信號時，此時的入料厚度小，即入料量小，后級減速電機轉(zhuǎn)速不變；當(dāng)超聲波傳感器檢測到信號時，此時的入料厚度大，即入料量大，后級減速電機轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)，為保證物料信號收集的準(zhǔn)確性，設(shè)計擋料板防止物料尖端造成信號干擾。馬鈴薯出倉機在伸縮過程中為了防止伸縮至極限位置造成對轉(zhuǎn)向滑臺的拖拽，需要采用行程限位開關(guān)對極限位置進行控制，當(dāng)后伸縮輪碰到后限位開關(guān)時，到達伸長極限位置，系統(tǒng)接收信號，另前級地輪電機正轉(zhuǎn)停止；當(dāng)前伸縮輪碰到前限位開關(guān)時，到達收縮極限位置，系統(tǒng)接收信號，另前級地輪電機反轉(zhuǎn)停止。

4 出倉機整機驗證試驗

4.1 試驗條件與過程

試驗于2023年7月在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟進行，試驗選用收獲后經(jīng)清選儲藏的荷蘭15號馬鈴薯，根據(jù)實際觀察堆垛馬鈴薯表面無明顯破皮、傷薯等損傷且無黏土附著，馬鈴薯質(zhì)量范圍為100～300g，平均含水率為70%。試驗器具主要為：馬鈴薯出倉機、堆垛馬鈴薯、萬用計時器、游標(biāo)卡尺及電子秤等。

對出倉機進行相關(guān)調(diào)試并進行馬鈴薯出倉作業(yè)，參考標(biāo)準(zhǔn)NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》與標(biāo)準(zhǔn)DB15/T 1418—2018《馬鈴薯種薯智能倉儲技術(shù)規(guī)程》，將出倉作業(yè)中出倉效率、破皮率及傷薯率作為試驗評價指標(biāo)，考慮試驗破皮率、傷薯率工作量較大，試驗為10天，每兩天為1組，共進行5組出倉試驗。

提前稱量試驗堆垛馬鈴薯重量，利用萬用計時器計算馬鈴薯出倉機運輸該堆垛馬鈴薯時間，從而得到出倉機出倉效率η1，計算如式（18）所示。

η1=3.6M1T1

（18）

式中： M1——馬鈴薯出倉量，kg；

T1——馬鈴薯出倉時間，h。

馬鈴薯出倉后，分別收集破皮薯和損傷薯，用電子秤分別稱量破皮薯和損傷薯的質(zhì)量，計算出破皮薯和損傷薯所占馬鈴薯出倉量的比重，得到破皮率η２和傷薯率η３的數(shù)值，計算如式（19）所示。

η2=M2M1×100%

η3=M3M1×100%

（19）

式中： M2——破皮薯質(zhì)量，kg；

M3——損傷薯質(zhì)量，kg。

4.2 正交試驗

通過前述力學(xué)分析與運動學(xué)分析，確定影響馬鈴薯出倉機性能的主要因素有輸送線速度、傾斜角度以及喂入量。由預(yù)試驗確定各個參數(shù)的取值范圍，得到出倉機最佳輸送線速度范圍為0.4～0.6m/s、出倉機輸送線最佳傾斜角度范圍為30°～36°、出倉機最佳喂入量范圍為58～62 t/h。最終以輸送線速度X1、傾斜角度X2及喂入量X3為試驗因素，以馬鈴薯出倉效率η1、破皮率η2及傷薯率η3為試驗評價指標(biāo)，借助軟件Design—Expert 10.0.3并采用Design—Behnken組合設(shè)計法設(shè)計三因素三水平試驗，其中建立的試驗因素編碼表如表2所示，試驗方案與結(jié)果如表3所示，分別建立上述試驗指標(biāo)與評價指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型并分析試驗因素對評價指標(biāo)的影響規(guī)律。

通過Design—Expert 10.0.3建立各指標(biāo)之間的線性回歸模型擬合并進行顯著性檢驗，通過回歸系數(shù)的比較得出試驗因素對評價指標(biāo)影響程度關(guān)系。

如表4所示，模型X2、X22對出倉效率η1的影響顯著，模型X3對出倉效率η1的影響較顯著，模型X1、X1X2、X1X3對出倉效率η1的影響微顯著，其他模型對出倉效率的影響不顯著，其中，對出倉效率η1的影響程度主次順序為傾斜角度、喂入量及輸送線速度。

如表5所示，模型X2、X12、X32對破皮率η2的影響顯著，模型X1X2對破皮率η2的影響較顯著，模型X1、X3、X2X3對破皮率η2的影響微顯著，其他模型對破皮率的影響不顯著，其中對破皮率η2的影響程度主次順序為傾斜角度、輸送線速度及喂入量。

如表6所示，模型X1、X2、X3、X22、X32對傷薯率η3的影響顯著，模型X12對傷薯率η3的影響較顯著，模型X1X3、X2X3對傷薯率η3的影響微顯著，其他模型對傷薯率的影響不顯著，其中，對傷薯率η3的影響程度主次順序為傾斜角度、喂入量及輸送線速度。

經(jīng)過軟件優(yōu)化求解后得到最佳參數(shù)組合：當(dāng)輸送線速度為0.511m/s、傾斜角度為33.67°以及喂入量為61.27 t/h時，馬鈴薯出倉機各性能評價指標(biāo)較優(yōu)，此時出倉效率為56.62 t/h，破皮率為0.68%，傷薯率為0.43%。

4.3 驗證試驗

當(dāng)控制出倉機輸送線速度為0.5m/s、傾斜角度為33.7°、喂入量為61.3t/h時，平均出倉效率為56.53 t/h、平均破皮率為0.75%、平均傷薯率為0.55%，如表7所示。試驗結(jié)果與正交試驗有一定差距，分析其原因為：馬鈴薯出倉機在出倉作業(yè)時，受到堆垛馬鈴薯量及堆垛位置的影響，導(dǎo)致喂入量不穩(wěn)定，再加上人工測量并計算破皮率與傷薯率存在一定的誤差，最終導(dǎo)致實際試驗結(jié)果與預(yù)期試驗結(jié)果存在一定的偏差。但在整個試驗過程中出倉機良好運轉(zhuǎn)作業(yè)正常，滿足較高出倉效率、較低破皮率及傷薯率的設(shè)計要求。

5 結(jié)論

1）" 通過對物料過程的分析，明晰出倉過程中造成傷薯的主要因素，通過超聲波傳感器檢測物料量，實現(xiàn)后級輸送帶速度與物料量相匹配，避免物料堆積，通過液壓控制離前級輸送裝置的轉(zhuǎn)向，在減少出倉過程中馬鈴薯損傷的同時提高出倉效率與智能化程度，有效降低出倉過程中馬鈴薯的損傷。

2）" 驗證試驗表明：優(yōu)化參數(shù)下馬鈴薯出倉機在實際運轉(zhuǎn)中操作簡便，能夠滿足高效低損的出倉要求，當(dāng)控制出倉機輸送線速度為0.5m/s、傾斜角度為33.7°、喂入量為60.3 t/h時，平均出倉效率為56.53t、平均破皮率為0.75%、平均傷薯率為0.55%，滿足較高出倉效率、較低破皮率及傷薯率的設(shè)計要求，可為馬鈴薯出倉技術(shù)發(fā)展提供一定借鑒。

3）" 為馬鈴薯出倉設(shè)計一種高效低損的馬鈴薯出倉機，在實現(xiàn)智能出倉的同時，解決馬鈴薯出倉人力成本高、出倉效率低、傷薯率高等問題，提高馬鈴薯出倉機械化水平。

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