縱橫刀組協(xié)同式馬鈴薯種薯切塊裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

呂金慶 楊曉涵 李紫輝 李季成 劉中原

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

我國馬鈴薯種植絕大多數(shù)采用種薯切塊的壟作種植模式[1-2]，且大多采用機(jī)械化播種[3-5]，馬鈴薯切塊質(zhì)量及均勻度是影響馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。目前，我國馬鈴薯切塊仍以人工為主，存在作業(yè)效率低、切塊不均勻、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高等問題[6]，嚴(yán)重制約了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，研究馬鈴薯機(jī)械化切種裝備成為馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)的首要問題。

早在20世紀(jì)60年代，國外已開始對(duì)馬鈴薯切種機(jī)械的研究[7-11]。這些機(jī)具屬大型集成化裝備，性能良好，可一次性完成上料、分級(jí)、切種、噴藥等處理，但價(jià)格昂貴，且國內(nèi)一些地區(qū)的馬鈴薯屬小地塊種植，故國外馬鈴薯切塊機(jī)不適于我國國情。國內(nèi)學(xué)者郭志東[12]發(fā)明了一種馬鈴薯自動(dòng)切塊機(jī)，該機(jī)可以小范圍控制所切薯塊的質(zhì)量，通用性較好；張國強(qiáng)[13]設(shè)計(jì)了一種智能控制切塊機(jī)，該切塊機(jī)智能化程度高、操作較為方便；周樹林[14]發(fā)明了舀勺定刀式馬鈴薯切塊機(jī)，該機(jī)通過更換舀勺對(duì)不同大小種薯切種后的薯塊質(zhì)量進(jìn)行控制。目前，我國馬鈴薯種薯自動(dòng)切塊研究尚處于起步階段，現(xiàn)有馬鈴薯切塊機(jī)存在切種合格率差、切種效率不高、機(jī)具集成化水平低等問題，亟需加大對(duì)馬鈴薯切種機(jī)械的研究力度。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)一種縱橫刀組協(xié)同式馬鈴薯種薯切塊裝置，通過對(duì)種薯切割過程的力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和能量學(xué)分析，明確影響馬鈴薯切種效果的主要因素，搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，以期獲得馬鈴薯切種裝置最優(yōu)的工作參數(shù)組合。

1 馬鈴薯切種農(nóng)藝要求

圖1 馬鈴薯切種農(nóng)藝要求Fig.1 Potato cutting agronomic requirements

馬鈴薯是塊莖繁殖作物，種薯切塊能促進(jìn)塊莖內(nèi)外氧氣交換，破除休眠，提早發(fā)芽出苗，節(jié)約薯種。一般選用的種薯質(zhì)量在300 g以下，質(zhì)量在70 g以下的種薯可整薯播種，質(zhì)量在70～140 g的種薯，縱向一切兩瓣，如圖1a所示；質(zhì)量在140～210 g的種薯可切分為3塊，如圖1b所示；質(zhì)量在210 g以上的種薯切分為3段后，仍然會(huì)有部分薯塊體積過大，此時(shí)可采用橫縱切法，把種薯切成4瓣，如圖1c。一般單塊質(zhì)量在35～70 g播種效果較好[15-17]，每個(gè)薯塊須有2個(gè)以上芽眼[18-20]，其農(nóng)藝要求如圖1所示。馬鈴薯切塊機(jī)屬流水線作業(yè)方式，包括清選分級(jí)、整列定位、薯塊切割、噴藥處理等，自動(dòng)切種預(yù)處理流程圖如圖2所示，其中芽眼識(shí)別裝置位于整列定位工序中，本文主要對(duì)切割工序中的切割裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，著重研究薯塊切割過程中受力分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、能量學(xué)分析，建立數(shù)學(xué)模型，通過試驗(yàn)確定切割裝置的工作參數(shù)，驗(yàn)證切種性能。

圖2 馬鈴薯自動(dòng)切種流程圖Fig.2 Flow chart of potato automatic cutting

2 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

馬鈴薯切種裝置試驗(yàn)臺(tái)主要由夾持輥組、橫刀、剝離板組、圓盤刀組、機(jī)架、護(hù)板、輸送輥組、切種裝置傳動(dòng)電機(jī)、輸送裝置傳動(dòng)電機(jī)等組成，裝置兩側(cè)均安裝護(hù)板，為了更加清晰地展示結(jié)構(gòu)，將一側(cè)護(hù)板拆除。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall structure diagram1.夾持輥組 2.橫刀 3.剝離板組 4.圓盤刀組 5.機(jī)架 6.護(hù)板 7.輸送輥組 8.切種裝置傳動(dòng)電機(jī) 9.輸送裝置傳動(dòng)電機(jī)

該切種裝置的切割部件為縱向安裝在輸送輥組后方的圓盤刀組和橫向安裝在夾持輥組后方的橫刀，其中圓盤刀組作為第1次切割部件，可完成對(duì)種薯的縱向切割，橫刀作為第2次切割部件，可對(duì)部分已進(jìn)行第一次切割但不滿足切種農(nóng)藝要求的薯塊進(jìn)行第2次橫向切割，兩切割部件組成縱橫刀組，在二者協(xié)同作用下，可得到滿足馬鈴薯切種農(nóng)藝要求的薯塊，具體工作原理如下：切種裝置主要配合分級(jí)裝置和輸送裝置使用，種薯經(jīng)分級(jí)裝置完成清選分級(jí)后進(jìn)入輸送輥組，可能會(huì)產(chǎn)生堆積，輸送輥?zhàn)赞D(zhuǎn)可調(diào)整種薯重心，完成整列定位，同時(shí)輸送輥組向圓盤刀組方向勻速前進(jìn)，圓盤刀對(duì)應(yīng)輸送輥組縫隙，固定安裝在機(jī)架上，繞圓盤刀軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。種薯經(jīng)過圓盤刀時(shí)，被切割成寬度與圓盤刀間隙相同的薯塊，此時(shí)由于種薯與圓盤刀間摩擦因數(shù)較大，種薯塊會(huì)附著在圓盤刀上隨圓盤刀轉(zhuǎn)動(dòng)，一段時(shí)間后會(huì)被固定在圓盤刀組后方的圓盤刀兩側(cè)的剝離板剝離；由于種薯形狀的不規(guī)則以及種薯大小不均，切割完成的薯塊大小不一，質(zhì)量合格的薯塊在被剝離后會(huì)掉落至切割裝置下方，進(jìn)行下一步處理；質(zhì)量過大的薯塊則會(huì)被剝離板引導(dǎo)至夾持輥組，夾持輥組中兩個(gè)夾持輥旋轉(zhuǎn)方向相反，將薯塊夾持住，同時(shí)產(chǎn)生推動(dòng)力，橫刀固定安裝在兩夾持輥中間，在推動(dòng)力的作用下，橫刀將薯塊一分為二，切割完成后的薯塊由種薯流推動(dòng)從橫刀上掉落至切種裝置下方，進(jìn)行下一步處理。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 圓盤刀組

切割器是種薯切割裝置關(guān)鍵部件，目前切割器大多用于玉米、甘蔗等莖稈類作物收獲機(jī)械上，常用的切割器形式有圓盤式、往復(fù)式、甩刀式。其中圓盤式切割器具有切割精度高、切縫整齊、基體不變形、切割使用壽命長等特點(diǎn)，符合種薯切塊的基本要求，故本文選用圓盤式切割器，圓盤刀組結(jié)構(gòu)如圖4所示，圓盤刀組采用2Cr13不銹鋼材料，該材料在淬火狀態(tài)下硬度高，具有良好的耐蝕性和耐磨性；為了提高切割效率，提高能量利用率，設(shè)計(jì)圓盤刀組數(shù)為36組；種薯經(jīng)輸送裝置整列定位后種薯長軸與圓盤刀軸平行，根據(jù)需要切種的種薯平均長軸尺寸，質(zhì)量在70～140 g的種薯長軸長度一般為50～80 mm，質(zhì)量在140～300 g的種薯長軸長度一般為80～120 mm，為了保證切種后薯塊均勻度，相鄰兩圓盤刀間距設(shè)計(jì)為41 mm。理論上圓盤刀片越薄越好，但厚度過小圓盤刀片切割時(shí)容易發(fā)生振動(dòng)，影響切割效果，本文設(shè)計(jì)圓盤刀片厚度為3 mm。

圖4 圓盤刀組結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure drawing of disc cutter set1.圓盤刀 2.圓盤刀軸

3.2 剝離板組和夾持輥組

3.2.1剝離板組

當(dāng)薯塊完成第一次切割時(shí)，由于薯塊與圓盤刀間摩擦力較大，薯塊將隨圓盤刀轉(zhuǎn)動(dòng)，若隨著圓盤刀轉(zhuǎn)動(dòng)一周，會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，影響切種，所以設(shè)計(jì)了剝離板組，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。剝離板安裝在兩個(gè)圓盤刀中間，為了防止干涉，需要在剝離板與圓盤刀間留有一定間隙，考慮到安裝精度及剝離板強(qiáng)度，設(shè)計(jì)間隙為10 mm，剝離板寬度為21 mm；剝離板焊接在連接條上，在連接板上開有長孔，連接板與連接條、連接條與機(jī)架、連接板與機(jī)架均以鉸接方式連接，可調(diào)節(jié)剝離板組的安裝角度；同時(shí)，設(shè)計(jì)剝離板存在一定弧度，在起到剝離作用的同時(shí)將薯塊導(dǎo)入到兩夾持輥中間，進(jìn)行二次切割工作。

圖5 剝離板組結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of peeling board group1.剝離板 2.連接條 3.連接板

3.2.2夾持輥組

對(duì)于三軸尺寸較大的種薯，經(jīng)圓盤刀組切割后，仍有部分薯塊體積過大，需要進(jìn)行二次切割，本文設(shè)計(jì)了夾持輥組配合二次切割工作，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，該夾持輥組由左擋板、右擋板、夾持輥軸、橡膠和海綿等組成；整個(gè)夾持輥組通過軸承座連接在機(jī)架上，機(jī)架上開有長孔，因不同種薯品種間平均高度有一定差異，可根據(jù)切種作業(yè)時(shí)所切種薯的平均高度調(diào)節(jié)夾持輥組間距，更好地進(jìn)行夾持作業(yè)，保證薯塊均勻度。同時(shí)，為了保證夾持輥組作業(yè)時(shí)薯塊不發(fā)生滑移，夾持輥表面采用天然橡膠，并在外皮表面均布相距25 mm、寬度2 mm的防滑條；為了減少作業(yè)過程薯塊的損傷，本文設(shè)計(jì)夾持輥組內(nèi)部為中密度海綿，具有一定的彈性和保護(hù)性。夾持輥組長度應(yīng)與圓盤刀組相匹配，設(shè)計(jì)夾持輥長度為1 480 mm。

圖6 夾持輥結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure drawing of pinch roller1.夾持輥軸 2.左端片 3.天然橡膠 4.中密度海綿 5.右端片

薯塊在夾持輥上受力分析如圖7所示。薯塊在二次切割時(shí)受力包括重力、夾持輥組的支持力、與夾持輥之間的摩擦力、橫刀對(duì)薯塊的阻力。

圖7 薯塊二次切割時(shí)受力分析圖Fig.7 Mechanical analysis diagram of potato block during secondary cutting

薯塊在水平方向上所受合力為

Fx=Ff1+Ff2-Ff

(1)

式中Ff1——薯塊與上夾持輥間的摩擦力，N

Ff2——薯塊與下夾持輥間的摩擦力，N

Ff——薯塊與橫刀的摩擦力，N

薯塊在被夾持輥組夾持時(shí)，夾持輥表面會(huì)產(chǎn)生下凹，表面橡膠被拉伸，產(chǎn)生形變，內(nèi)部海綿被壓縮，產(chǎn)生形變；下夾持輥對(duì)薯塊產(chǎn)生的支持力為

F1=A(ε1E1+ε2E2)

(2)

式中A——薯塊與上夾持輥的接觸面積，mm2

ε1——橡膠表皮拉伸應(yīng)變，mm

ε2——海綿壓縮應(yīng)變，mm

E1——橡膠表皮彈性模量，取7.84 MPa

E2——海綿彈性模量，取6.39 MPa[21]

因一次切割薯塊后被夾持薯塊質(zhì)量為70～100 g，薯塊所受重力較小，可忽略不計(jì)，則上夾持輥對(duì)薯塊產(chǎn)生的支持力為

F2=F1

(3)

夾持輥組夾持薯塊完成二次切割條件為

Ff≤2kA(ε1E1+ε2E2)

(4)

式中k——薯塊與橡膠表皮摩擦因數(shù)，取0.19[22]

由式(4)可知，影響馬鈴薯二次切割力的因素為薯塊與夾持輥組的接觸面積，即夾持輥組的間距。根據(jù)需二次切種的薯塊平均高度70～90 mm，設(shè)計(jì)夾持輥組中心距可調(diào)范圍為340～360 mm；為避免發(fā)生擁堵，影響后續(xù)薯塊切割，應(yīng)提高薯塊二次切種效率，二次切種效率與薯塊被夾持推動(dòng)速度即薯塊與夾持輥接觸點(diǎn)速度有關(guān)，夾持輥半徑越大，薯塊與夾持輥接觸點(diǎn)速度越大，綜合考慮夾持輥組安裝位置，設(shè)計(jì)夾持輥半徑為158 mm。同時(shí)，夾持輥軸轉(zhuǎn)速n1也是影響二次切種效率的關(guān)鍵參數(shù)。

3.3 橫刀裝置

一次切種后體積仍較大薯塊經(jīng)兩夾持輥夾持后，需要進(jìn)行二次切種，設(shè)計(jì)了橫刀裝置來配合夾持裝置完成二次切種工作，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。橫刀裝置由橫刀片機(jī)構(gòu)、橫刀連接片機(jī)構(gòu)、橫刀連接板機(jī)構(gòu)通過螺栓連接在一起，再由螺栓連接在機(jī)架上，在橫刀連接板機(jī)構(gòu)和橫刀連接片機(jī)構(gòu)上開有長孔，可根據(jù)安裝需要調(diào)整安裝位置。在橫刀片機(jī)構(gòu)下方焊接有導(dǎo)板，將已二次切種薯塊導(dǎo)入到下級(jí)輸送裝置進(jìn)行下一步工作，可防止已二次切種薯塊粘附在橫刀上發(fā)生堵塞，刀片材質(zhì)選用2Cr13不銹鋼材料，設(shè)計(jì)刀片厚度為3 mm，刃角為10°，橫刀長度應(yīng)與夾持輥組長度相匹配，考慮到橫刀安裝情況，設(shè)計(jì)橫刀長度為1 500 mm。

圖8 橫刀結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Fixed knife structure diagram1.橫刀片機(jī)構(gòu) 2.橫刀連接片機(jī)構(gòu) 3.橫刀連接板機(jī)構(gòu)

4 馬鈴薯種薯切割過程分析

4.1 種薯切割過程的力學(xué)分析

在機(jī)器工作時(shí)，圓盤刀高速旋轉(zhuǎn)。為了便于研究種薯被切割時(shí)受力情況，假設(shè)被切割部位的橫截面為規(guī)則的圓，取種薯前進(jìn)方向?yàn)閄軸正方向，豎直向上方向?yàn)閅軸正方向，以圓盤刀中心O為原點(diǎn)建立OXY定坐標(biāo)系，其受力分析圖如圖9所示。

圖9 切割時(shí)種薯受力分析圖Fig.9 Analysis of seed potato stress during cutting

根據(jù)種薯受力列出力學(xué)平衡方程

(5)

Fn1=Fn2

(6)

式中Fn3——圓盤刀作用于切割部位的正壓力，N

Ft——圓盤刀作用于切割部位的切向力，N

G——種薯重力，N

Fn1——輸送輥1的支持力，N

Fn2——輸送輥2的支持力，N

θ1——圓盤刀對(duì)種薯的切割角，(°)

θ2——輸送輥對(duì)種薯的支持角，(°)

由式(5)、(6)可得

Ft=2Fn1sinθ1sinθ2-Gsinθ1

(7)

又根據(jù)其幾何關(guān)系得出

(8)

式中R——圓盤刀半徑，mm

L1——種薯上方最高點(diǎn)與圓盤刀中心的距離，mm

r——種薯半徑，mm

(9)

式中L0——兩輸送輥中心距，取132 mm

r0——輸送輥半徑，取44 mm

將式(8)、(9)代入式(7)可得

(10)

其中輸送輥與圓盤刀垂直中心距L為

(11)

由Ft=λFn3可知，種薯受到切削力合力為

(12)

式中λ——種薯與圓盤刀間摩擦因數(shù)，取0.63[23]

由式(10)～(12)可知，當(dāng)輸送輥半徑r0、種薯半徑r、種薯質(zhì)量m、輸送輥中心距L0一定時(shí)，影響圓盤刀切割種薯切削力的主要因素為輸送輥與圓盤刀垂直中心距L和圓盤刀半徑R。

4.2 種薯切割過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

因運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，可將前進(jìn)中的種薯看作定坐標(biāo)系，因此圓盤刀的速度可看作是由水平前進(jìn)速度v(1.0～1.5 m/s)和圓盤的自身角速度ω合成的。將圓盤刀的旋轉(zhuǎn)中心設(shè)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，X軸正方向與圓盤刀相對(duì)種薯運(yùn)動(dòng)方向一致，即與種薯輸送的方向相反，Y軸正方向豎直向上，建立直角坐標(biāo)系。在即將開始切割時(shí)，圓盤刀位于位置1，開始切割臨界點(diǎn)為A，位置2為切割中途位置，位置3為完成切割位置，切割終止點(diǎn)為B，經(jīng)過一段時(shí)間t′，切割點(diǎn)從A處運(yùn)動(dòng)到B處，切割弧段為lA1B，圓盤刀切割時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖10所示。

圖10 切割時(shí)圓盤刀運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖Fig.10 Kinematic analysis of disc cutter during cutting

根據(jù)切割點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡求出運(yùn)動(dòng)軌跡方程

(13)

式中t——圓盤刀相對(duì)種薯運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

α——入切角，(°)

該軌跡是一個(gè)以時(shí)間t為參數(shù)的余擺線方程。將式(13)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，便可求得圓盤刀端點(diǎn)在X軸和Y軸方向的分速度

(14)

因此圓盤刀端點(diǎn)的絕對(duì)速度為

(15)

設(shè)切出角為β，則β=α+ωt，根據(jù)幾何關(guān)系得

(16)

圓盤刀角速度ω與圓盤刀軸轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為

ω=2πn

(17)

設(shè)切割臨界點(diǎn)A時(shí)刻為t0，切割中途任意時(shí)刻為t1，則切割弧段的弧長為

(18)

其切割一個(gè)種薯所需時(shí)間t′為

(19)

由式(19)可知，在種薯半徑r、輸送速度v一定時(shí)，影響圓盤刀切種時(shí)間的主要因素為輸送輥與圓盤刀垂直中心距L、圓盤刀半徑R和圓盤刀軸轉(zhuǎn)速n。

4.3 種薯切割過程的能量學(xué)分析

圓盤刀位于位置1時(shí)，剛與種薯接觸，因種薯具有一定的彈性，在接觸位置會(huì)產(chǎn)生一定的彈性形變[24-26]，且種薯會(huì)對(duì)圓盤刀在接觸弧區(qū)產(chǎn)生一定的正應(yīng)力σx，相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生線應(yīng)變?chǔ)舩，以種薯與圓盤刀接觸發(fā)生變形弧區(qū)上一點(diǎn)為原點(diǎn)，以正應(yīng)力方向?yàn)閄軸正向，垂直于正應(yīng)力且向上的方向?yàn)閅軸正向，建立直角坐標(biāo)系如圖11所示。當(dāng)圓盤刀切開種薯進(jìn)入種薯內(nèi)部即圓盤刀處于位置2時(shí)，受到種薯作用于圓盤刀刀刃上的切割阻應(yīng)力q以及作用于圓盤刀面的滑動(dòng)阻應(yīng)力τ，假設(shè)種薯在發(fā)生彈性變形過程中始終保持平衡，滑動(dòng)阻應(yīng)力τ在圓盤平面上均勻分布，其方向與圓盤上各點(diǎn)的速度矢量方向相反；切割阻應(yīng)力q在圓盤刀刃口曲線上均勻分布，其方向與刃口曲線上各點(diǎn)的速度矢量方向相反。由以上分析可知圓盤刀完成一次完整的種薯切割過程需要克服滑動(dòng)阻力作功、克服切割阻力作功和克服種薯彈性勢(shì)能。

圖11 切割種薯過程圓盤刀所受阻應(yīng)力示意圖Fig.11 Resistance stress of disc cutter for cutting seed potato process

種薯單位體積內(nèi)具有的應(yīng)變能密度[27]為

(20)

其中正應(yīng)力σx與線應(yīng)變?chǔ)舩的關(guān)系為

(21)

式中E——馬鈴薯彈性模量，取4.15×106Pa[28]

μ——馬鈴薯泊松比，取0.57

聯(lián)立式(20)、(21)得種薯形變勢(shì)能為

(22)

圓盤刀進(jìn)入種薯內(nèi)部切割過程中克服切割阻應(yīng)力作功為

Wq=2qlr

(23)

圓盤刀克服滑動(dòng)阻應(yīng)力作功為

(24)

式中A1——馬鈴薯與圓盤刀接觸面積，mm2

聯(lián)立式(22)～(24)得圓盤刀所需作總功為

(25)

由式(25)可知，為了提高裝置性能，應(yīng)盡量降低圓盤刀所需作總功。同時(shí)保證

Ftl+2rFn3≥W

(26)

由式(26)可知，在種薯彈性模量E、泊松比μ、種薯半徑r一定時(shí)，種薯切割效果和切割效率受圓盤刀切割種薯過程中的弧長l、圓盤刀作用于切割部位的切向力Ft、圓盤刀對(duì)種薯的正壓力Fn3的影響。結(jié)合式(12)、(17)，綜合確定影響種薯切割效果和切割效率的主要因素為圓盤刀半徑R、輸送輥與圓盤刀的垂直中心距L、圓盤刀軸轉(zhuǎn)速n、夾持輥軸轉(zhuǎn)速n1。

5 臺(tái)架試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)于2019年5月進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)北方馬鈴薯全程機(jī)械化試驗(yàn)基地。選擇東農(nóng)303為試驗(yàn)品種，平均含水率為78.5%，凈度大于99%，馬鈴薯質(zhì)量范圍為70～300 g。利用馬鈴薯切種試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)過程Fig.12 Test process

5.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前我國對(duì)馬鈴薯切塊機(jī)的研究處于起步階段，沒有相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本課題針對(duì)人工切種存在的切種效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工時(shí)長、切種合格率低等關(guān)鍵問題，根據(jù)馬鈴薯種薯農(nóng)藝要求、機(jī)械化播種需求及芽眼螺旋生長分布特性，選定馬鈴薯種薯切種效率和切種合格率為試驗(yàn)指標(biāo)。

切種效率計(jì)算公式為

(27)

式中N——切種效率，kg/min

T——完成切種的薯塊總質(zhì)量，kg

tN——完成切種的總時(shí)間，min

切種合格率計(jì)算公式為

(28)

式中M——切種合格率，%

Q——含有2個(gè)及以上芽眼且質(zhì)量合格薯塊的個(gè)數(shù)

P——切割薯塊總數(shù)

5.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

5.3.1試驗(yàn)方案與結(jié)果

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)方案，選取L16(45)正交表安排試驗(yàn)，圓盤刀組一次切種完成后，薯塊附著在圓盤刀隨圓盤刀一起旋轉(zhuǎn)，因部分薯塊需要進(jìn)行二次切種，需要?jiǎng)冸x板組將這部分薯塊導(dǎo)入夾持輥組中，圓盤刀半徑過小會(huì)導(dǎo)致薯塊導(dǎo)入行程過短，造成漏切，圓盤刀半徑過大則會(huì)導(dǎo)致裝置體積過大，薯塊附著在圓盤刀上時(shí)間過長，加大圓盤刀負(fù)載，因此選定圓盤刀半徑為150～180 mm；輸送輥與圓盤刀垂直中心距主要影響圓盤刀對(duì)種薯的入切角，為了保證正常的切割效果，入切角應(yīng)在0°～90°之間，配合圓盤刀半徑，選定輸送輥與圓盤刀垂直中心距為180～210 mm；因圓盤刀組需與輸送裝置進(jìn)行速度匹配，輸送裝置速度為1～1.5 m/s，若圓盤刀軸轉(zhuǎn)速過小會(huì)產(chǎn)生擁堵，圓盤刀軸轉(zhuǎn)速過大會(huì)造成空轉(zhuǎn)，加大能量浪費(fèi)，也會(huì)導(dǎo)致裝置振動(dòng)加大，選定圓盤刀軸轉(zhuǎn)速為85～130 r/min；同理，夾持輥軸轉(zhuǎn)速也需與圓盤刀組進(jìn)行速度匹配，由于夾持輥只夾持一次切種后體積仍然過大的薯塊，相較于圓盤刀組，工作量減少，可適當(dāng)降低夾持輥軸轉(zhuǎn)速，若夾持輥軸轉(zhuǎn)速過低會(huì)產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，若夾持輥軸轉(zhuǎn)速過高，在二次切割完成后會(huì)造成薯塊拋飛，造成種薯損傷，選定夾持輥軸轉(zhuǎn)速為36～66 r/min。各試驗(yàn)因素水平如表1所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示，A、B、C、D為因素水平值。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Experimental factors and levels

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test plan and results

5.3.2試驗(yàn)結(jié)果極差分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，極差分析結(jié)果如表3所示。

表3 切種效率極差分析Tab.3 Range analysis of seed cutting efficiency

由表3可以看出，影響切種效率的因素主次順序?yàn)锳、B、C(D)，即影響切種效率的首要因素是圓盤刀半徑，其次是輸送輥與圓盤刀垂直中心距，再次是圓盤刀軸轉(zhuǎn)速和夾持輥軸轉(zhuǎn)速，由極差分析可得，保證馬鈴薯切種效率的最優(yōu)參數(shù)組合為A4B2C3D3，即圓盤刀半徑為180 mm、輸送輥與圓盤刀垂直中心距為190 mm、圓盤刀軸轉(zhuǎn)速為115 r/min、夾持輥軸轉(zhuǎn)速為56 r/min時(shí)切種效率最高。

5.3.3試驗(yàn)結(jié)果方差分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行方差分析[29-30]，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。方差分析結(jié)果如表4所示。

對(duì)于切種效率，圓盤刀半徑和輸送輥與圓盤刀垂直中心距均有極顯著影響(P<0.01)，圓盤刀軸轉(zhuǎn)速和夾持輥軸轉(zhuǎn)速有顯著影響(0.01

表4 切種效率方差分析Tab.4 Variance analysis of seed cutting efficiency

6 田間試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)條件與正交試驗(yàn)條件完全相同，于2019年5月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)北方馬鈴薯全程機(jī)械化試驗(yàn)基地進(jìn)行。將通過極差分析法得出的最優(yōu)參數(shù)組合A4B2C3D3與正交試驗(yàn)中切塊效率最高的第12號(hào)試驗(yàn)(A3B1C2D3)和第16號(hào)試驗(yàn)(A4B1C1D2)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過極差分析法得出的最優(yōu)參數(shù)組合A4B2C3D3的切種效率試驗(yàn)結(jié)果為74.5 kg/min，優(yōu)于正交試驗(yàn)中最優(yōu)結(jié)果73.7 kg/min，可確定當(dāng)圓盤刀半徑為180 mm、輸送輥與圓盤刀垂直中心距為190 mm、圓盤刀軸轉(zhuǎn)速為115 r/min、夾持輥軸轉(zhuǎn)速為56 r/min時(shí)切種效率最高，為74.5 kg/min。

將裝置以最優(yōu)工作參數(shù)運(yùn)行10 min，切割薯塊總質(zhì)量為744.83 kg，將所有薯塊總質(zhì)量等分為5份，隨機(jī)選取其中3份，統(tǒng)計(jì)芽眼分布情況和薯塊質(zhì)量合格情況，處理過程如圖13所示。將3次統(tǒng)計(jì)結(jié)果取平均值，得到馬鈴薯切種裝置切割薯塊合格率為98.8%，滿足馬鈴薯切種作業(yè)要求。

圖13 統(tǒng)計(jì)過程Fig.13 Statistical process

7 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了馬鈴薯種薯切塊裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，可配合分級(jí)裝置和輸送裝置對(duì)馬鈴薯種薯進(jìn)行均勻切塊，一次切種后，對(duì)體積仍然過大的薯塊可進(jìn)行篩選，并二次切種，提高了馬鈴薯切種效率和切種合格率。

(2)采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，通過分析得出影響馬鈴薯切種效率的因素主次順序?yàn)閳A盤刀半徑、輸送輥與圓盤刀垂直中心距、圓盤刀軸轉(zhuǎn)速、夾持輥軸轉(zhuǎn)速。較優(yōu)的參數(shù)組合為圓盤刀半徑為180 mm、輸送輥與圓盤刀垂直中心距為190 mm、圓盤刀軸轉(zhuǎn)速為115 r/min、夾持輥軸轉(zhuǎn)速為56 r/min，此時(shí)切種效率為74.5 kg/min、切種合格率為98.8%。田間試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，該裝置滿足馬鈴薯切種作業(yè)要求。