馬鈴薯二級輸送分離裝置傷薯試驗研究

崔功佩，楊然兵，尚書旗，劉立輝，楊紅光，許鵬曉

(青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

馬鈴薯二級輸送分離裝置傷薯試驗研究

崔功佩，楊然兵，尚書旗，劉立輝，楊紅光，許鵬曉

(青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

針對現(xiàn)有馬鈴薯二級輸送分離裝置破皮、擠壓等傷薯現(xiàn)象嚴重的問題，對馬鈴薯輸送分離作業(yè)機理進行了理論分析，確定了主要影響傷薯性能的作業(yè)參數(shù)。針對傷薯率等作業(yè)指標進行田間二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，通過因素編碼、中心化處理和試驗結(jié)果方差分析，確定了傷薯率和二級輸送分離裝置傾斜角度、驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速和垂直距離的影響規(guī)律，并判定了顯著性因素中影響傷薯率的主次順序：傾斜角度和轉(zhuǎn)速的交互作用、傾斜角度、垂直距離。田間試驗表明：二級輸送分離裝置傷薯率極大值為1.48%，符合馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術規(guī)范(NY/T1130-2006)要求。所獲得的試驗數(shù)據(jù)和結(jié)論分析可為馬鈴薯二級輸送分離裝置的結(jié)構(gòu)改進和參數(shù)優(yōu)化提供參考。

馬鈴薯；二級輸送分離裝置；傷薯

0 引言

2015年1月6日，我國啟動馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，隨著馬鈴薯戰(zhàn)略地位的提高及市場需求的加大，我國馬鈴薯種植面積逐年增加，甘肅、貴州、內(nèi)蒙古等省馬鈴薯種植面積常年在60萬hm2以上，四川、云南等省也達到50萬hm2[1-2]，已逐步形成規(guī)模化生產(chǎn)模式。馬鈴薯收獲季節(jié)時效性強，需要在較短時期內(nèi)完成薯土分離作業(yè)，對馬鈴薯收獲機械高效穩(wěn)定作業(yè)的要求越來越高。

隨著馬鈴薯生產(chǎn)機械向大型化、智能化發(fā)展，田間收獲作業(yè)時馬鈴薯的輸送量越來越大，對馬鈴薯輸送分離裝置的薯土分離能力和自凈能力發(fā)起了巨大挑戰(zhàn)[3]。目前，已有的馬鈴薯輸送分離裝置主要有3種形式：一級升運鏈式、二級升運鏈式和側(cè)向放置式[4-7]。其中，一級升運鏈式和側(cè)向放置式輸送分離裝置適用于中小型馬鈴薯收獲機械，去土性能一般，無傷薯現(xiàn)象。針對大型多壟馬鈴薯收獲機械，為了解決含雜率高及壅土等問題，輸送分離裝置大多采用二級升運鏈式，去土效果明顯，但破皮、擠壓等傷薯現(xiàn)象嚴重。

針對上述問題，本文對馬鈴薯二級輸送分離裝置進行了傷薯試驗研究。通過受力及運動分析確定影響傷薯的作業(yè)參數(shù)，通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合設計進行試驗分析，確定傷薯與相關作業(yè)指標之間的數(shù)學方程，為后續(xù)輸送分離裝置結(jié)構(gòu)改進和參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，對減少傷薯、提高效率、增加農(nóng)戶經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

二級輸送分離式馬鈴薯收獲機主要包括懸掛裝置、拉桿、主機架、集攏裝置、行走地輪、壓壟輥裝置、二級輸送分離裝置、挖掘鏟裝置、吃草盤、切草盤及限深輪裝置等，可一次性完成挖掘、輸送、薯土分離及集攏等工序，大大提高了馬鈴薯田間收獲效率，如圖1所示。

1.懸掛裝置 2.拉桿 3.主機架 4.集攏裝置 5.行走地輪 6.壓壟輥裝置 7.二級輸送分離裝置 8.挖掘鏟裝置 9.吃草盤 10.切草盤 11.限深輪裝置圖1 整機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of harvester

該機適用于大型規(guī)模生產(chǎn)作業(yè)，多用于兩行收獲，挖掘阻力和馬鈴薯輸送量較大，需使用73.55 kW以上功率的拖拉機牽引作業(yè)，限深輪沿地壟方向前進，減少了漏薯率；機械兩側(cè)的切草盤將機械行駛軌跡上的雜草等切斷，并隨輸送分離裝置上方吃草盤的轉(zhuǎn)動將雜草向后輸送，確保收獲機的穩(wěn)定作業(yè)；由挖掘鏟挖掘的馬鈴薯及雜草、土塊等經(jīng)由二級輸送分離裝置進行薯土分離作業(yè)，提高馬鈴薯明薯率；輸送分離裝置下方的壓壟輥通過一定壓力將挖掘輸送后的地表壓實輾平，通過二級輸送分離裝置薯土分離后的馬鈴薯等經(jīng)集攏裝置掉落在壓實的地面上，方便后續(xù)人工撿拾作業(yè)。主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術參數(shù)

二級輸送分離裝置主要由兩段輸送分離鏈構(gòu)成，由拖拉機后輸出軸經(jīng)由變速箱及鏈輪等傳動機構(gòu)驅(qū)動二級輸送分離裝置勻速轉(zhuǎn)動；挖掘的馬鈴薯在第一級輸送分離裝置上受摩擦力作用進行去土作業(yè)；由第一級掉落到第二級輸送分離裝置上時，馬鈴薯受摩擦力和彈性碰撞作用將馬鈴薯上黏附的土塊分離、震碎，從柵條間隙處掉落田間；去土后的馬鈴薯隨第二級輸送分離裝置輸送到集攏裝置，繼而掉落在壓實輾平的地面上。

2 理論分析

二級輸送分離式馬鈴薯收獲機傷薯問題主要是由于馬鈴薯在輸送分離過程中受到的摩擦力和過渡處彈性碰撞導致的[8-9]。本研究中，將馬鈴薯視為彈性球體，在輸送分離過程中受重力、支撐力、滾動摩擦力等，其余受力忽略不計。

2.1運動摩擦分析

二級輸送分離裝置運動分析如圖2所示。

圖2 運動分析Fig.2 Kinematic analysis

由于二級輸送分離式收獲機的兩級輸送分離裝置的傾斜角度相同，馬鈴薯在兩級輸送分離裝置上的受力相同，則

(1)

式中FN—馬鈴薯受到的支撐力(N)；

G—馬鈴薯的重力(N)；G=mg，m為馬鈴薯質(zhì)量(kg),g—重力加速度(N/kg)；

θ—輸送分離裝置的傾斜角度(°)；

Fx—馬鈴薯在輸送分離裝置上受到的線速度方向的合力(N)；

FV—馬鈴薯受到的摩擦力(N)；

Gx—重力G的線速度方向分力(N)；

Gy—重力G的線速度法向分力(N)；

a—馬鈴薯加速度(m/s2)；

μ—土壤對輸送分離鏈柵條的摩擦因數(shù)，土壤對鋼的摩擦因數(shù)為0.577～ 0.721[13]。

由方程組(1)可得

a=g(μcosθ-sinθ)

(2)

輸送分離裝置的作業(yè)目的是將挖掘收獲的馬鈴薯隨著機器運轉(zhuǎn)向后輸送集攏，此時馬鈴薯在輸送分離裝置線速度方向的合力FV應與線速度方向相同，即

a>0

(3)

由式(2)、式(3)推導得

tanθ<μ

(4)

在本研究中，為了探究馬鈴薯二級輸送分離裝置的傷薯機理，需對所有可實行方式進行試驗，μ取土壤對鋼的摩擦因數(shù)的最大值0.721，將其代入式(4)中可得：θ<35.8° 。

另外，挖掘鏟入土角度與后續(xù)薯土分離效果息息相關。當挖掘鏟阻力過大時，易造成土壤破碎的不徹底，易產(chǎn)生壅土等現(xiàn)象，影響薯土分離。根據(jù)參考文獻研究結(jié)論可知，挖掘鏟角度為23°時碎土效果較好[14]。為了降低功耗、提高作業(yè)效率和質(zhì)量，輸送分離裝置傾斜角度應略大于挖掘鏟入土角度，即θ>23°。綜上所述，二級輸送分離裝置傾斜角度θ取值范圍為23°<θ<35.8°。

2.2 碰撞分析

如圖3所示，馬鈴薯經(jīng)過第一級輸送分離裝置后，由于摩擦力的作用具有一定的速度V1，到達第一級輸送分離裝置最高點O1處時，馬鈴薯開始做自由落體運動，將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，使馬鈴薯以相對較大的速度V2落到第二級輸送分離裝置O2處，與輸送分離鏈柵條發(fā)生彈性碰撞。由此可知，較大的相對速度差是造成馬鈴薯傷薯問題的另一主要因素。

圖3 碰撞分析Fig.3 Collision analysis

然而，對于馬鈴薯機械性損傷問題至今還沒有公認通用的評價標準。本文引入傷薯指數(shù)ε這個概念用來表示馬鈴薯損傷程度，即

(5)

式中V2—馬鈴薯落在O2處的速度(m/s)；

V1—馬鈴薯在O1處的速度(m/s)；

V0—第一級輸送分離裝置的線速度(m/s)。

由2.1節(jié)可知，第二級輸送分離裝置的線速度大小相對于第一級輸送分離裝置降低了30%左右。因此，第二級輸送分離裝置線速度的大小可由第一級輸送分離裝置線速度的大小近似表示，即

(6)

根據(jù)能量守恒定律，得到如下方程

(7)

其中，H為馬鈴薯自由落體運動的垂直距離(m)。

聯(lián)立方程(5)～(7)可知

(8)

由傳動關系可知

V0=2πrω

(9)

式中r—驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)半徑(m)；

ω—驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速(rad/s)。

結(jié)合式(2)、式(8)、式(9)可知：馬鈴薯損傷問題與二級輸送分離裝置的傾斜角度θ、轉(zhuǎn)速ω和垂直距離H相關。根據(jù)分析結(jié)果進行正交試驗和試驗結(jié)果分析，以期得到機械傷薯率與傾斜角度θ、轉(zhuǎn)速ω和垂直距離H之間的關系方程，為結(jié)構(gòu)改進和參數(shù)優(yōu)化提供試驗數(shù)據(jù)和參考。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗地點在青島洪珠農(nóng)業(yè)機械有限公司大趙家村馬鈴薯試驗基地，該地區(qū)氣候適宜，雨水充足，適合馬鈴薯種植。試驗地塊為砂壤土，土壤含水率為11.7%。田間收獲的馬鈴薯品種為荷蘭15號，種植模式為壟作，壟距為800～900mm，馬鈴薯生長深度為150～350mm。如圖4所示，選用東方紅LX1004型拖拉機作為二級輸送分離式馬鈴薯收獲機的動力，由田間實際作業(yè)經(jīng)驗豐富的農(nóng)機手進行田間試驗。

圖4 田間試驗Fig.4 Field experiment

3.2 試驗方法

在收獲后的試驗田內(nèi)進行取樣檢測，取樣方式為基點取樣。隨機選擇5壟50m長的馬鈴薯地塊，每壟均劃分為10m穩(wěn)定區(qū)、30m測定區(qū)和停車區(qū)，以測定區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為準。

由上文可知：二級輸送分離裝置的傾斜角度θ范圍為23°～35.8°，輸送分離裝置驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)半徑r為90mm。由式(9)可知：驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速ω范圍為122～197r/min，垂直距離H范圍為150～300mm。以馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術規(guī)范(NY/T 1130-2006)[15]作為傷薯率y1的計算依據(jù)和校驗標準。

傷薯率為

(10)

式中M—試驗時收獲的馬鈴薯總質(zhì)量(kg)；

m1—機器作業(yè)損傷薯肉的馬鈴薯質(zhì)量(kg)。

3.3 試驗方案及結(jié)果

以二級輸送分離裝置的傾斜角度θ、驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速ω和垂直距離H作為試驗因素，傷薯率y1作為試驗指標，進行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗[16]。每組試驗重復5次并取平均值作為試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)上文所得試驗因素范圍對其進行編碼，試驗因素水平編碼如表2所示，試驗方案及結(jié)果分析如表3所示。

表2 因素水平編碼

表3 試驗方案及結(jié)果分析

續(xù)表3

3.4 試驗分析

本文采用DPS v7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對田間試驗數(shù)據(jù)進行分析，以確定傷薯率y1在傾斜角度θ、驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速ω和垂直距離H不同水平組合下的變化規(guī)律。傷薯率試驗結(jié)果方差分析如表4所示。

表4 試驗結(jié)果方差分析

續(xù)表4

F0.05(1,13)=4.67，F(xiàn)0.05(5,8)=3.69，F(xiàn)0.01(1,13)=9.07，F(xiàn)0.01(5,8)=6.63，F(xiàn)0.01(9,13)=4.19。

由方差分析可知：F回=9.80682 >F0.01(9，13)=4.19，F(xiàn)lf=5.83861

y1= 0.92880 - 0.11253x1+ 0.11030x3+

0.13674x12- 0.25000x1x2

(11)

根據(jù)因素水平編碼表可知

(12)

式中xi—zi因素編碼；

zi—不同試驗因素的不同水平；

z0i—zi因素的零水平；

Δj—變化區(qū)間。

聯(lián)立式(11)、式(12)，將試驗數(shù)據(jù)代入因素編碼公式和中心化處理公式，得到傷薯率與各因素實際值的回歸方程為

y1= - 4.47829 - 0.10078θ+ 0.08480ω+

0.00247H- 0.00287θω + 0.00900θ2

(13)

由表4試驗結(jié)果方差分析進行F值對比可知：在顯著性因素中，傾斜角度和轉(zhuǎn)速的交互作用的F值最大，對傷薯率的影響最大；同理，傾斜角度影響次之，垂直距離的影響相對較小。

4 結(jié)論

1)二級輸送分離裝置采用兩級輸送鏈結(jié)構(gòu)進行薯土分離作業(yè)。馬鈴薯在輸送分離過程中受摩擦力作用，在兩級輸送分離裝置過渡處將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，與輸送分離裝置形成較大相對速度差，在完成輸送、去土作業(yè)的同時，容易造成傷薯。

2)二級輸送分離裝置傷薯問題與輸送分離裝置的傾斜角度、驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速和垂直距離相關。通過三因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，確定了傷薯率和作業(yè)參數(shù)之間的影響規(guī)律。

3)由試驗結(jié)果方差分析可知：影響馬鈴薯收獲作業(yè)傷薯率的試驗因素的主次順序為：傾斜角度和轉(zhuǎn)速的交互作用、傾斜角度、垂直距離。

4)根據(jù)田間試驗可知：二級輸送分離式馬鈴薯收獲機田間作業(yè)綜合性能良好，試驗數(shù)據(jù)中傷薯率極大值為1.48%，符合馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術規(guī)范(NY/T1130-2006)要求。

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更 正

因作者投稿疏忽，造成單位名字不全，內(nèi)容如下：

①2017年8期題目為《基于PLC控制技術的大蒜種植機械瓣方向識別系統(tǒng)設計》，作者為張麗芬，單位應為內(nèi)蒙古化工職業(yè)學院，呼和浩特 010010；

②2017年9期題目為《基于計算機視覺技術的櫻桃自動分選系統(tǒng)設計》，，作者為張麗芬，單位應為內(nèi)蒙古化工職業(yè)學院，呼和浩特 010010。

特此更正。

《農(nóng)機化研究》編輯部

2017年1月11日

Experimental Study on Damaged Potato of Secondary Conveying and Separating Device

Cui Gongpei, Yang Ranbing, Shang Shuqi, Liu Lihui, Yang Hongguang, Xu Pengxiao

(College of Machinery and Electricity,Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

In view of the existing problems about broken skin and extrusion of potato secondary conveying and separating device, in this paper, the operation mechanism of potato secondary conveying and separating device are analyzed in theory. The main operating parameters influencing the performances of injury potato are determined. Quadratic orthogonal rotation combination test against the injury rate of potato in field was proceed. Through factor coding, centralized treatment and variance analysis of test results, the influence law of injury rate of potato and tilt angle of secondary conveying and separating device, rotation speed of drive shaft and vertical distance is confirmed. Sequence of the significant factors affect the injury rate of potato is determined: interaction of tilt angle and rotation speed, tilt angle, vertical distance. Field experiments show that maximum injury rate of potato secondary conveying and separating device is 1.48%, conform to agricultural industry standard of the People's Republic of China-potato harvesting machine(NY/T 1130-2006). The experimental data and conclusions obtained in this paper can provide reference for the structure improvement and parameter optimization of potato secondary conveying and separating device.

potato; secondary conveying and separating device; damaged potato

2016-10-08

山東省農(nóng)機裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目(2015YZ107)

崔功佩(1992-)，男，山東嘉祥人，碩士研究生，(E-mail)cuigongpei689@163.com。

楊然兵(1979-)，男，山東微山人，副教授，碩士生導師，(E-mail)yangranbing@163.com。

S225.7

A

1003-188X(2017)12-0170-06