輥式尼龍刷馬鈴薯清選分級機的設(shè)計及響應(yīng)面分析與優(yōu)化

張永志，李旭英，高盛博，郭文斌

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

馬鈴薯是世界上繼小麥、水稻和玉米之后的第4 大糧食作物，目前也是世界上最大的非谷類食品。2016 年，中國提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，馬鈴薯總種植面積已經(jīng)超過533.3 萬hm2，總產(chǎn)量已達到9 000萬t，位居世界首位[1]。馬鈴薯含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，可作為糧食、蔬菜、飼料和工業(yè)原料等，進行深加工具有更大的增值潛力[2]。當(dāng)前，中國的馬鈴薯產(chǎn)量已經(jīng)躍居為世界第一，但不是馬鈴薯加工貿(mào)易強國，主要原因之一就是國內(nèi)馬鈴薯分級技術(shù)尚未成熟[3]。中國馬鈴薯分級設(shè)備發(fā)展水平較低，多數(shù)設(shè)備仍處在試制階段，部分地區(qū)仍然使用手工分選方法對馬鈴薯進行分級[4]，造成工作效率低，分級標準不一致，無法滿足國家分級標準[3]。因此，迫切需要研制能夠量化生產(chǎn)、分級準確、高效的馬鈴薯分級設(shè)備，發(fā)展馬鈴薯深加工，提高馬鈴薯的經(jīng)濟價值[5]。馬鈴薯清選分級是馬鈴薯后續(xù)深加工必需的步驟[6]，分級準確率和效率對馬鈴薯深加工的經(jīng)濟性有重要影響[7]。

目前，馬鈴薯清選分級技術(shù)可以歸納為3 類：篩式分選、輥式分選和自動分選。篩式分選是國內(nèi)外研究較早的分選方式，分選時篩網(wǎng)在水平方向連續(xù)做往復(fù)運動，小于網(wǎng)眼尺寸的馬鈴薯掉落至下一級網(wǎng)篩上，從而實現(xiàn)對不同大小的馬鈴薯進行層層篩選[8,9]。在篩選過程中馬鈴薯之間以及馬鈴薯與篩網(wǎng)會發(fā)生多次碰撞，造成馬鈴薯表皮損傷。輥式分選是在研究馬鈴薯質(zhì)量與外形尺寸的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)分選輥的間距，對不同大小的馬鈴薯進行分級。申屠留芳等[10]設(shè)計了一種升降長輥軸式馬鈴薯分級設(shè)備，輥軸之間的間距逐漸加大，馬鈴薯在不同位置掉落。楊小平等[11]設(shè)計了一種使用雙排橡膠分級輥組機構(gòu)，通過控制上排分級輥與相應(yīng)下排分級輥中心間距來對馬鈴薯進行分級。姜彥武等[12]設(shè)計了一種可調(diào)輥式馬鈴薯分級機，通過調(diào)節(jié)輥子間距來進行馬鈴薯的分級。王相友等[13]設(shè)計了一種利用清選輥和分選輥一體的馬鈴薯清選分級機。呂金慶等[14]設(shè)計的新型輥式馬鈴薯分級機采用差動分級裝置，可以通過對提升角的調(diào)整來改變不同的分級范圍，分級效率高。輥式馬鈴薯分級設(shè)備中輥子的材料與形狀對分級效率和分級效果有重要影響，馬鈴薯表面較為柔軟，在分級過程中與清選分組輥進行多次接觸與碰撞，易造成嚴重的機械式損傷，輕則表皮受損，重則開裂甚至粉碎[15]。自動分選主要是基于機器視覺[16-18]、模糊邏輯[19]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[20,21]、圖像處理[22,23]、深度學(xué)習(xí)[24]等技術(shù)，并且將液壓技術(shù)、電子控制技術(shù)應(yīng)用到分選機械當(dāng)中，實現(xiàn)了馬鈴薯分選的自動化和智能化[25]。周金龍[26]設(shè)計出馬鈴薯自動分級機的控制系統(tǒng)與計數(shù)系統(tǒng)。鄧立苗等[27]在現(xiàn)有水果機械分選機的基礎(chǔ)上，加裝機器視覺系統(tǒng)和智能分級控制系統(tǒng)，提出馬鈴薯外觀品質(zhì)檢測算法，實現(xiàn)馬鈴薯智能分選。但是這些分選方法成本比較高，且仍處在研發(fā)階段[28]，難以針對中小型農(nóng)場推廣應(yīng)用。

針對馬鈴薯在清選分級中因多次接觸與碰撞，造成嚴重的機械損傷的問題，開展輥式尼龍刷馬鈴薯清選分級機試驗研究，探索輥式馬鈴薯分級設(shè)備中輥子的材料與形狀對分級效率和分級效果的影響，并基于響應(yīng)面分析法[29]進行試驗，分析及優(yōu)化，以提升分級機的作業(yè)穩(wěn)定性、分級效率和分級準確率[30,31]，為馬鈴薯后續(xù)深加工提供技術(shù)保障。

1 輥式尼龍刷馬鈴薯清選分級機的設(shè)計

1.1 整機結(jié)構(gòu)

該輥式尼龍刷馬鈴薯清選分級機主要由馬鈴薯上料機，連接網(wǎng)篩，清選、分級輥組，輸送帶，電控裝置，整機機架等幾大部分組成。圖1為整機三維圖，表1為整機的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 清選分級機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of sorting machine

將馬鈴薯倒入料斗內(nèi)，由上料機提升，經(jīng)連接網(wǎng)篩去掉部分浮土后，落到清選分級輥組上。帶有螺紋槽的清選輥帶動馬鈴薯滾動并在輥子上均勻分布，馬鈴薯表面與輥子上的尼龍刷相互摩擦，清潔馬鈴薯表面土雜。分級輥子之間設(shè)置可調(diào)間隙，當(dāng)馬鈴薯經(jīng)過，尺寸小于輥子間距的馬鈴薯將掉落至輥子下方的輸送帶上。依據(jù)《馬鈴薯商品薯分級與檢驗規(guī)程》，馬鈴薯塊莖長寬比（L/W）是一個形態(tài)表型指標，將馬鈴薯分為小、中、大3個等級。

1.2 關(guān)鍵機構(gòu)的設(shè)計

輥式清選分級設(shè)備中，輥子形狀與材料對清選分級效率與效果有重要影響。馬鈴薯在較大的平面內(nèi)輸送，動力傳輸鏈較長，若采用實心圓柱形輥子，在分級過程中由于馬鈴薯大小不一且形狀不規(guī)則，容易造成大量馬鈴薯在機器上堆積，增加振動，導(dǎo)致分級機性能不穩(wěn)定。金屬材料、橡膠材料制成的輥子在分級作業(yè)過程中容易對馬鈴薯表面產(chǎn)生擠壓磕碰，造成部分馬鈴薯在分級過程中產(chǎn)生擦傷甚至壓碎等問題。

1.2.1 清選輥組的設(shè)計

橡膠輥的彈性模量較大，容易發(fā)生將馬鈴薯擠碎的現(xiàn)象。經(jīng)多次試驗，采用在橡膠輥子上植入直徑為0.3 mm的尼龍絲，制成尼龍刷，該直徑的尼龍絲質(zhì)軟，與馬鈴薯接觸可以有效地清潔表面土雜，又可避免馬鈴薯與輥子表面過度摩擦導(dǎo)致馬鈴薯表皮破損，影響馬鈴薯的后期貯藏。

馬鈴薯在剛落入清選輥組上，會發(fā)生局部堆集現(xiàn)象，影響清選效率。在圓柱型尼龍刷清選輥子上加工深度為15.0 mm，寬度為40.0 mm 的螺旋環(huán)槽，左旋和右旋的尼龍刷輥交錯排列，隨輥子滾動的過程中，馬鈴薯在輥組上均勻分布，提高清選效率，為馬鈴薯分級做準備，且尼龍刷之間不會互相干涉、纏繞。清選輥子之間間距較窄，土雜和較小的馬鈴薯從間隙中掉落，而正常的馬鈴薯會從清選輥組向分級輥組滾動。清選輥組布置如圖2 所示。

1.2.2 分級輥組的設(shè)計

分級輥組布置在清選輥組之后，形狀與布置方式如圖3所示，分級輥子同為尼龍刷輥，能使馬鈴薯表面更進一步的清潔。確定分級輥組的第1～4根輥子為第一級分級輥組，輥子上加工出深度為20.0 mm，寬度為40.0 mm半圓形的環(huán)槽，第5～8根輥子為第二級分級輥組，輥子加工出深度為27.5 mm，寬度為55.0 mm的半圓形環(huán)槽。分級輥上相互平行的環(huán)槽有利于馬鈴薯沿同一個方向滾動，使馬鈴薯的長徑與環(huán)槽方向一致，馬鈴薯垂直長徑的側(cè)面與環(huán)槽進行接觸，實現(xiàn)分級功能。馬鈴薯從清選輥組直接運動到第一級分級輥組，中徑小于40.0 mm的馬鈴薯從第一級的輥子間環(huán)槽中掉落，至第一級輸送帶；中徑大于40.0 mm且小于55.0 mm的馬鈴薯從第二級的輥子間環(huán)槽中掉落，至第二級輸送帶；中徑大于55.0 mm的馬鈴薯將從輥組上方通過，掉落至第三級輸送帶上。通過這一方法將馬鈴薯按尺寸分為小、中、大3個等級。

2 分級試驗

2.1 評價指標

針對輥式馬鈴薯清選分級既要保證分級精度又對分級速度有一定要求的難點問題。將試驗的評價指標確定為馬鈴薯分級準確率和整機工作效率。

其中：X總—馬鈴薯清選分級機總分級準確率，%；Mn'—第n級分級正確馬鈴薯的質(zhì)量（n=1,2,3），kg；Mn—落入第n 級輸送帶上馬鈴薯的總質(zhì)量（n=1,2,3），kg；Xn—第n級分級準確率（n=1,2,3）。

其中：η—馬鈴薯清選分級機的工作效率，t/h；M總—馬鈴薯的總喂入量，kg；t—工作過程總時間，s。

2.2 試驗方案及結(jié)果

該馬鈴薯清選分級機上料電機轉(zhuǎn)速、輥組轉(zhuǎn)速和輥組傾角的極限取值分別為0～56 r/min，0～80 r/min，1～3°。假設(shè)影響該清選分級機分級準確率（y1）和工作效率（y2）的主要因素為：上料電機轉(zhuǎn)速（x1）、清選分級輥組轉(zhuǎn)速（x2）和輥組傾角（x3）?；陧憫?yīng)面分析，采用均勻設(shè)計試驗法，設(shè)計了三因素六水平十二次的混合均勻設(shè)計試驗U12（62×3），試驗結(jié)果如表2 所列。對表2 數(shù)據(jù)利用偏最小二乘回歸法進行處理，得到二次多項式回歸模型，分級準確率（y1）如式（4），工作效率（y2）如式（5）。

利用試驗數(shù)據(jù)對回歸方程的擬合度進行檢驗，分級準確率擬合度均值為98.69%，工作效率擬合度均值為93.65%，表明式（4）、式（5）能夠表達上料電機轉(zhuǎn)速、輥組轉(zhuǎn)速和輥組傾角與分級準確率和工作效率之的作用規(guī)律。

表2 均勻試驗數(shù)據(jù)Table 2 Uniform test data

3 響應(yīng)面分析

基于上述二次多項式回歸模型，利用Matlab（2016b）軟件繪制出影響因素與評價指標的三維響應(yīng)曲面圖，進行多因素分析。

3.1 分級準確率的響應(yīng)面分析

設(shè)上料電機轉(zhuǎn)速x1=56 r/min，繪制輥組轉(zhuǎn)速、輥組傾角與分級準確率關(guān)系的響應(yīng)曲面圖，如圖4所示。由圖4可知，輥組傾角較小時，增加輥組轉(zhuǎn)速，可以提高分級準確率，但是增大輥組傾角，馬鈴薯在輥子上前向滾動較快，分級準確率反而下降。

設(shè)輥組傾角x3=1°，繪制上料電機轉(zhuǎn)速、輥組轉(zhuǎn)速與分級準確率的響應(yīng)曲面圖，如圖5所示。由圖5 可知，上料電機轉(zhuǎn)速增加，分級準確率下降，輥組轉(zhuǎn)速增加，分級準確率增加，但是二者存在一定的耦合關(guān)系。上料電機轉(zhuǎn)速高，輥組轉(zhuǎn)速低，馬鈴薯容易發(fā)生堆集、擠壓，導(dǎo)致分級準確率下降；上料電機轉(zhuǎn)速低，輥組轉(zhuǎn)速高，馬鈴薯缺少前向滾動的推力，在輥子上空轉(zhuǎn)，分級準確率下降。當(dāng)輥組轉(zhuǎn)速約為上料電機轉(zhuǎn)速1.4倍時，分級準確率較高。

設(shè)輥組轉(zhuǎn)速x2=80 r/min，繪制輥組傾角、上料電機轉(zhuǎn)速與分級準確率關(guān)系的響應(yīng)曲面圖，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)輥組傾角為x3=1°，上料電機轉(zhuǎn)速和輥組轉(zhuǎn)速耦合較好時，分級準確率較高。

綜上所述，輥組傾角對馬鈴薯在清選分級過程的前向滾動有利，但是傾角增大，馬鈴薯的滾動速度增加，姿態(tài)來不及調(diào)整，反而影響分級的準確率。輥組轉(zhuǎn)速提升對分級準確率的影響較大，上料電機轉(zhuǎn)速必須與輥組轉(zhuǎn)速適當(dāng)配合，才能確保分級準確率。

3.2 工作效率的影響因素分析

設(shè)上料電機轉(zhuǎn)速x1=56 r/min，繪制輥組轉(zhuǎn)速、輥組傾角與分級準確率的響應(yīng)曲面圖，如圖7 所示，由圖7可知，輥組轉(zhuǎn)速、輥組傾角增加，工作效率增加。

設(shè)輥組傾角x3=1°，繪制上料電機轉(zhuǎn)速、輥組轉(zhuǎn)速與工作效率的響應(yīng)曲面圖，如圖8所示，工作效率隨著上料電機轉(zhuǎn)速、輥組轉(zhuǎn)速的增加而不斷增加。

設(shè)輥組轉(zhuǎn)速x2=80 r/min，上料電機轉(zhuǎn)速、輥組傾角和工作效率的響應(yīng)曲面圖，如圖9所示。由圖9可知，隨著上料電機轉(zhuǎn)速、輥組傾角的逐漸增加，工作效率也隨之增加。

增加電機轉(zhuǎn)速、輥子轉(zhuǎn)速和增大輥組傾角，馬鈴薯上料量增加，馬鈴薯在輥子上滾動的速度越快，可以有效提升工作效率。但是實際情況應(yīng)在保證分級準確前提下盡可能提升工作效率，綜上所述，最佳的工作參數(shù)為：上料電機轉(zhuǎn)速x1= 56 r/min，輥組轉(zhuǎn)速x2= 80 r/min，輥組傾角x3= 1°，分級準確率最高，可達82.02%，分級效率為8.38 t/h，適于中小型農(nóng)戶使用。

4 討 論

馬鈴薯清選分級設(shè)備對馬鈴薯的深加工有重要影響，設(shè)計的輥式尼龍刷馬鈴薯清選分級機，將馬鈴薯分為3級，清選分級一體化，采用尼龍刷能有效減少馬鈴薯在分級過程中的損傷，分選效果好，能夠為馬鈴薯后續(xù)加工提供有效支持。利用響應(yīng)面分析方法優(yōu)化工作參數(shù)，該設(shè)備最佳的工作參數(shù)為：上料電機轉(zhuǎn)速為56 r/min，輥組轉(zhuǎn)速為80 r/min，輥組傾角為1°，分級準確率最高，可達82.02%，分級效率為8.38 t/h。表明該機型適用于中小型農(nóng)戶使用，具有較好的實用價值。

采用一體式設(shè)計，清選分級效率高，但是在實驗過程中發(fā)現(xiàn)有馬鈴薯擠碎現(xiàn)象，分析得出擠碎是由機架結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，馬鈴薯落入清選輥組之前會有馬鈴薯卡住，導(dǎo)致摔碎，需要在后續(xù)研究中改進設(shè)計。本文所設(shè)計的馬鈴薯清選分級設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修方便，但功能單一，適應(yīng)性較差，僅對內(nèi)蒙古西部地區(qū)沙質(zhì)土壤種值的馬鈴薯有較好的清潔作用。

馬鈴薯品種繁多，種植環(huán)境各異，馬鈴薯與粘附的土雜結(jié)合力不同，外加馬鈴薯形狀各異，僅靠尼龍刷的清掃，并不能完全去除馬鈴薯表面的粘附物。需要進一步研究其他方法既能有效去除馬鈴薯表面土雜，又不容易導(dǎo)致馬鈴薯破皮的方法。

隨著馬鈴薯種植面積擴大和產(chǎn)量增加，深加工產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展。馬鈴薯清選分級設(shè)備的研制應(yīng)結(jié)合液壓技術(shù)、智能識別技術(shù)、電氣控制技術(shù)，向綜合型、大型化、智能化方向發(fā)展。