馬鈴薯清選機關鍵工作參數的優化分析

紀曉磊，于文強，吳峰倩

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255091)

0 引言

農業生產中，馬鈴薯表皮破損極易使得受損組織發黑變質，影響貯存。通過對英國665個農場馬鈴薯損傷情況的調查，發現表皮損傷占23%，內部損傷占13%[1-5]。Brook估測每1%的表皮損傷就代表著英國馬鈴薯750萬美元的損失，因此減少馬鈴薯的表皮損傷，可以減少農場經濟的重大損失[6]。然而，馬鈴薯表皮損傷主要發生在馬鈴薯清選分選過程中，因此研究一級分選裝置的工作角度和二級清選裝置轉速之間的關系，對減少馬鈴薯表皮損傷和提高馬鈴薯清選效率有著重大意義。

馬鈴薯清選機工作過程中，接料斗通過液壓裝置改變上料角度，一級分選裝置通過液壓裝置改變分選尺寸，且一級分選裝置工作角度的調整由兩處的液壓裝置共同配合完成，理論上對應于一個最佳的清選角度，既能保證最大清選效率，又能保證最小破皮率。一級分選裝置所對應的最佳清選角度與二級清選裝置所對應的最佳轉速相配合，從而保證最大工作效率，因此研究兩液壓裝置伸縮量的配合，即馬鈴薯的清選角度的最佳選擇，對提高馬鈴薯清選效率和減少馬鈴薯破皮率有著重要意義。

1 馬鈴薯清選整機結構模型及其工作原理

1.1 馬鈴薯清選整機結構模型

現如今，馬鈴薯播種和收獲已基本實現機械化，而清選分選設備發展緩慢，作業勞動強度大。收獲后的馬鈴薯表面往往粘著一層泥土，還摻雜一些薯秧和雜草等，直接影響后續儲存和銷售等環節。目前，清除粘著在馬鈴薯表面的泥土和雜質以及按照不同質量要求對馬鈴薯進行分選等工作，基本上還是依靠人工來完成[7-9]。因此，對馬鈴薯清選設備的研究亟需解決。清選裝置結構如圖1所示。

1.超聲波傳感器 2.接收料斗 3.一級分選裝置 4.二級清選裝置 5.輸送帶 6.主機托架 7.變頻電機圖1 清選整機模型Fig.1 The adjustment device of planting spacing of existing equipment

1.2 工作原理

工作過程中，馬鈴薯通過裝卸車倒入接收料斗中，接收料斗由液壓系統控制其輸送角度，在接收料斗上的變頻電機可以根據輸送馬鈴薯的載荷量而調整其輸送速度，從而有效地提高了馬鈴薯的輸送效率。馬鈴薯由接收料斗輸送到一級分選裝置，小薯塊與碎土雜質通過分選軸間隙落到下面的輸送帶上，被輸送到下一級輸送帶，分選裝置的分選軸間隙大小由液壓系統控制，更精確地保證了馬鈴薯大小規格的統一。馬鈴薯從一級分選裝置被輸送到二級清選裝置上，清選裝置采用橡膠彈性分離齒刷膠輪，既保證馬鈴薯不被碰傷，又能更好地將馬鈴薯表面的粘性土壤揉搓干凈；最后，清理干凈的馬鈴薯被輸送到下一級輸送線，完成分選清選的全過程。清選部件工作示意圖如圖2所示。

1.小薯塊 2.泥土雜質 3.中等薯塊 4.大薯塊圖2 清選示意圖Fig.2 The structure diagram of precision planting unit

1.2.1 一級分選裝置

馬鈴薯清選機一級分選裝置包括伸縮架、電機、電機架、傳動裝置和6條分選輥，如圖3所示。由于各分選輥的轉向相同，而相鄰分選輥上彈簧的旋向相反，避免了馬鈴薯被推向清選裝置的一端，保證分選的連續性。

1.電機 2.主動伸縮架護罩 3.分選彈簧 4.傳動鏈 5.雙連片體 6.單連片體 7.主動托耳圖3 一級分選裝置Fig.3 The automatic adjustment device of planting unit

1.2.2 二級清選裝置

二級清選裝置如圖4所示。采用由橡膠材料制成的“手指”狀且朝著同一圓周方向彎曲的清選棘輪，以最大限度地減輕對馬鈴薯的損傷程度，其在相鄰兩清選輥上交錯相間布置，使得薯土更能充分分離開。此外，變速電機能夠調節清選速度的快慢，保證最佳清選轉速。

1.變速電機 2.雙連片體 3.傳動鏈 4.單連片體 5.主動托耳 6.擋薯套管 7.清選棘輪 8.被動伸縮架護罩圖4 二級清選裝置Fig.4 Structure diagrams of intelligent precision control system

1.2.3 技術指標

泥土清除率α/%：≥95

分選準確率β/%：≥90

損傷率γ/%：≤1

2 工作角度的配合調整

馬鈴薯的清選效率與破皮率主要受一級分選裝置工作角度的影響，且其工作角度主要由主輸送支撐液壓缸與三腳架液壓缸共同配合調整，調整角度示意圖如圖5所示。其中，主輸送支撐液壓缸工作行程為200mm，工作壓力16MPa，三腳架行程240mm，工作壓力16MPa。圖5中，可根據三角函數公式得出接料斗的控制角度為

θ=arctan(1325/2940)～ arctan[(1325+200)/2940]

即接料斗的控制角度范圍為24°～27°。主輸送支撐液壓缸的調節直接影響到一級分選裝置的工作角度的調整，并且與三角架液壓缸配合可使一級分選裝置的工作角度的調整范圍為0°～13°。

1.三角架液壓缸 2.主輸送支撐液壓缸圖5 液壓調整裝置示意圖Fig.5 The schematic diagram of hydraulic adjustment device

2.1 試驗

為獲得主輸送支撐液壓缸與三腳架液壓缸最佳配合，保證清選機工作時的最佳工作效率、最大清選率與最低破皮率，取60組含有泥土、石塊情況基本一致的馬鈴薯做清選試驗。試驗樣品情況如表1所示；為減少誤差的影響，數據取5組試驗的均值，試驗結果如表2所示。

表1 試驗樣品情況Table 1 The situation of samplesk g

小尺寸為d≤30；中尺寸為3055。

表2 試驗結果Table2 The test results

2.2 實驗數據分析

一級分選裝置工作角度與清土率和破皮率之間的關系曲線圖如圖6所示，與分選正確率關系曲線圖如圖7所示。曲線中的破皮率見式(1)；清土率見式(2)；石塊、馬鈴薯的分選正確率見式(3)。

(1)

(2)

(3)

圖6 一級分選裝置傾角與破皮率和清土率關系曲線圖Fig.6 The curve of the relationship between the first cleaning device angle and broken skin rate and the relationship between the first cleaning device angle and clearing soil rate

試驗結果表明：隨著清選裝置傾角的增加，破皮率逐漸降低，清土率降低。主要原因是隨著清洗裝置傾角的增加，馬鈴薯與分選輥的接觸時間縮短，從而降低了馬鈴薯的損傷程度。同時，由于泥土和分選輥之間的接觸時間減少，所以泥土不能更好地與馬鈴薯進行分離。因此，當一級分選裝置工作角度為6°～7°，能達到清選參數要求。

3 二級清選裝置轉速模擬仿真

清選機在工作過程中，一級分選裝置分選輥轉速n為固定值2r/s，線速度為540mm/s。接收料斗的運料速度在5～10mm/s之間，相對于一級分選裝置的轉速可視為馬鈴薯離開接料斗的速度為0，利用ansys workbench軟件對馬鈴薯清選過程進行瞬時動力學模擬仿真。

1) 導入三維模型：將SolidWorks的實體模型導入ANSYS Workbench軟件中。

2)劃分網格：賦予馬鈴薯密度為1 100kg/m3，彈性模量為5.41MPa，泊松比為0.49；為減少分析誤差，簡化模型，劃分網格[10-11]。

由以上試驗可知：一級分選裝置最佳工作角度在6°～7°，為了便于分析，取一級分選裝置的工作角度為6.5°。分析馬鈴薯在不同角度時分選所需的時間與馬鈴薯離開一級分選裝置時的速度，結果如圖8所示。

由分析結果得出馬鈴薯離開一級分選裝置的速度，即進入二級清選裝置的速度為0.23～0.24m/s；根據式(4)確定轉速在63～66r/min之間。

(a)

(b)圖8 瞬態動力學分析云圖Fig.8 The cloud of transient dynamics analysis

通過試驗結果與有限元數據分析，得出調整角度與分選時間對比關系，如圖9所示。有限元分析誤差見式(5)，即分析誤差范圍在2.9%～9.5%之間。

(4)

(5)

圖9 試驗數據模擬數據對比圖Fig.9 The contrast of test data and simulation result

4 結論

1)理論計算與試驗結果表明：一級分選裝置工作角度取6°～7°，主輸送線液壓缸工作行程為130mm，三腳架液壓缸行程為225mm，此時分選效率最佳和破皮率最小，且實際工作參數也均能滿足泥土清除率α≥95%，損傷率γ≤1%的技術指標。

2)對清選裝置進行瞬時動力學仿真分表明：當一級分選裝置在最佳工作角度時，為了保證了清選效率最大、破皮率最小及防止物料的堆積，二級清選輥轉速需在63～66r/min之間，且動力學仿真分析誤差在2.9%～9.5%之間，理論上應用該數據是可行的。

3)本文通過理論計算、試驗分析以及瞬時動力學仿真分析，對接料斗的提升角度、一級分選裝置的工作角度和二級清選裝置轉速等關鍵參數進行了優化分析，確定了最佳參數組合，提高馬鈴薯清選分選效率，減少馬鈴薯破皮率和避免物料堆積現象，對馬鈴薯清選分選設備的發展具有重要意義。