馬鈴薯定量裝袋裝置設計與試驗

王相友 任加意 呂丹陽 張 蒙 李學強 蘇國粱

(1.山東理工大學農業工程與食品科學學院， 淄博 255091；2.山東省馬鈴薯生產裝備智能化工程技術研究中心， 德州 253600；3.山東思代爾農業裝備有限公司， 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯是繼玉米、水稻、小麥之后的第四大糧食作物[1]。自馬鈴薯主糧化戰略實施以來，我國種植面積和總產量已經位居世界第一，馬鈴薯機械化作業需求也在日益增加[2-4]。裝袋作為馬鈴薯收獲后關鍵環節，能為馬鈴薯的倉儲和運輸以及后續售賣提供便利，因此亟需研發一種能夠便捷裝換袋且兼具高效低損、精準定量功能的定量裝袋裝置。

我國馬鈴薯裝袋機械與國外相比仍具有較大差距，國外已有具備自動裝袋功能且相對成熟的馬鈴薯聯合收獲機等大型一體化機械，而國內的馬鈴薯裝袋機械仍處于發展階段[5-6]。馬鈴薯在裝袋過程中損傷形式主要為碰撞損傷與摩擦損傷[7-9]，而產生上述損傷主要與馬鈴薯裝袋機械的工作參數和裝袋結構有關。輥式導流馬鈴薯定重裝袋機[10]通過輥式導流實現了低損導流效果，通過多工位裝袋實現了高效裝袋效果，但其定量裝袋裝置在測量質量時不夠穩定，撐袋裝置在裝換袋時不夠高效便捷，且裝袋過程存在馬鈴薯破皮和傷薯等損傷較多等現象。針對上述問題，本文采用S型拉力傳感器原理稱量，提高稱量精度和穩定性。在原有氣動夾袋原理的基礎上，對定量裝袋裝置進行結構設計，通過入袋引流機構和夾袋機構的配合，在提高裝換袋效率的同時減少定量裝袋帶來的破皮、傷薯等損傷。在此基礎上搭建定量裝袋裝置試驗臺，通過對關鍵部件分析，明晰影響裝袋效果的主要因素及其參數范圍，通過三因素三水平試驗確定定量裝袋裝置的最優參數組合，并在最優參數組合條件下進行裝袋效果試驗。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

馬鈴薯定量裝袋裝置試驗臺結構示意圖如圖1所示，試驗臺主要由移動伸縮支架、動力傳動系統、平整帶、分流機構、定量裝袋裝置入袋引流機構和夾袋機構、定量系統和控制系統等組成。

圖1 馬鈴薯定量裝袋裝置試驗臺結構示意圖Fig.1 Structure diagram of potato quantitative bagging device test bench1.輸送帶 2.平整帶 3.分流機構 4.入袋引流機構 5.安裝架 6.張緊機構 7.萬向輪 8.S型拉力傳感器 9.夾袋機構 10.移動伸縮支架

其中，動力傳動系統主要由減速電機、主從動輥以及輸送帶等組成，其作用是為試驗臺提供輸送動力，將馬鈴薯順利輸送至所需工位進行下一步處理；分流機構主要由旋轉氣缸、旋轉安裝軸、分流擋板以及無動力滾筒等組成，其作用是將輸送帶上的部分馬鈴薯作分流處理；入袋引流機構主要由引流板以及左右側擋板組成，作用是調整分流后馬鈴薯的運動狀態，并將其引流至夾袋機構處進行裝袋處理；夾袋機構主要由夾袋氣缸、轉動軸、開合板等組成，其作用是實現馬鈴薯袋的夾緊與松弛動作，并在松袋時儲存一定量的馬鈴薯從而保證裝袋精度；定量系統主要由S型拉力傳感器和變送器組成，其作用是將測量馬鈴薯質量電信號轉化為模擬信號并進行信號傳輸；控制系統主要由西門子PLC S7-200CN、拓展模塊、傳感器、開關旋鈕、觸摸屏以及變頻器等組成，其作用是實現試驗臺半、全自動控制，狀態顯示與報警停機等。

馬鈴薯定量裝袋裝置試驗臺共設有5個裝袋工位，左右側各2個以及尾部1個，各裝袋工位在觸摸屏中可選擇性同時工作或單獨工作，具有較好的裝袋靈活性以及較高的裝袋效率。馬鈴薯定量裝袋裝置試驗臺主要技術參數如表1所示。

表1 馬鈴薯定量裝袋裝置試驗臺主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of potato quantitative bagging device test bench

1.2 工作原理

通過觸摸屏以及相關控制旋鈕控制各工位旋轉氣缸、裝袋氣缸等的動作，從而實現馬鈴薯分流、裝袋的控制，作業控制原理如圖2所示。隨著馬鈴薯不斷匯入裝袋工位夾緊的尼龍袋中，定量系統分別將各工位實際測量質量電信號轉化為模擬信號并輸送至拓展模塊中，PLC在讀取信號并傳輸至觸摸屏顯示的同時進行一定的判斷與控制：當某一裝袋工位達到設定裝袋質量，PLC控制該工位旋轉控制電磁閥斷電、夾袋控制電磁閥通電，即對應的旋轉氣缸復位關閉、夾袋氣缸前伸松袋，待重新換好袋后，PLC控制該工位夾袋控制電磁閥斷電、旋轉控制電磁閥通電，即對應夾袋氣缸復位夾袋、旋轉氣缸旋轉分流，待再次達到設定質量后重復上述裝換袋動作。

圖2 作業控制原理圖Fig.2 Work control schematic

2 關鍵部件設計與分析

定量裝袋裝置主要部件為夾袋機構和入袋引流機構，夾袋機構與對稱放置的S型拉力傳感器一側相連懸掛測量，入袋引流機構將馬鈴薯引流至夾袋機構處裝袋處理，其工作結構與相關裝袋參數直接影響裝袋精度和裝袋效果，分別對夾袋機構和入袋引流機構進行設計與分析。

2.1 夾袋機構

夾袋機構主要由支撐板、夾袋氣缸、開合板、轉動軸等組成，夾袋氣缸為夾袋機構執行元件，豎直方向左右斜置并排，氣缸活塞桿一端通過魚眼接頭等與開合板連接，夾袋機構示意圖如圖3所示。參考目前市場上流通與儲藏專用的馬鈴薯尼龍袋規格，本裝置選用尼龍袋尺寸(長×寬)為1 000.0 mm×700.0 mm作為定量裝置裝袋用品。夾袋機構整體外形參數根據氣動夾袋特點以及馬鈴薯袋的尺寸設計，取長×寬×高(L×W×H)為650.0 mm×250.0 mm×390.0 mm。

圖3 夾袋機構示意圖Fig.3 Schematic of bag clamping mechanism1.雙耳底座 2.支撐板 3.旋轉軸 4.開合板 5.軸承座 6.夾袋氣缸(配感應器) 7.側擋板 8.中間擋板 9.魚眼接頭 10.單耳底座

2.1.1夾袋機構設計

2.1.1.1夾袋機構行程設計

夾袋氣缸行程是影響夾袋效果和裝換袋效率的重要因素之一。行程太長，氣缸尺寸增大且伸縮時間加長，整個裝置尺寸大且能耗升高；行程太短，整個裝置尺寸小，不便于裝換袋的實現。由于夾袋機構設計氣缸為豎直方向左右斜置并排布置，左、右側運動原理一致，因此本文中僅分析左側運動部分。圖4a為水平夾角為α1時左側夾袋氣缸處于最上位未夾袋狀態；圖4b為水平夾角為α2時左側夾袋氣缸處于最下位夾袋狀態。

圖4 夾袋氣缸左側機構運動簡圖Fig.4 Motion diagram of left side mechanism of pocket

為滿足夾袋氣缸行程要求，結合馬鈴薯尼龍袋尺寸以及國內外現有結構和《農業機械設計手冊》[11]，選取L3=320.0 mm，L4=50.0 mm，L5=200.0 mm，在此基礎上進行夾袋動作干涉角度演算，得出夾袋氣缸松袋時對應角度α3=120.0°，夾袋氣缸夾袋時所對應角度為α4=100.0°，根據余弦定理得到夾袋氣缸伸縮運動理論行程ΔL關系式

(1)

式中L1——氣缸在水平夾角為α1時總長度，mm

L2——氣缸在水平夾角為α2時總長度，mm

L3——固定點A與固定點B水平距離，mm

L4——固定點A與固定點B垂直距離，mm

L5——夾緊轉動邊所需長度，mm

L6——固定點A與固定點B直線距離，mm

通過計算得到氣缸伸縮運動理論行程ΔL為

(2)

代入相關數據，得到氣缸伸縮運動理論行程ΔL為48.7 mm。由于氣體可壓縮，為達到良好夾袋效果，夾袋氣缸在實際動作中氣缸實際行程L0需比理論行程ΔL大，即氣缸實際行程選取需滿足L0>48.7 mm。

2.1.1.2開合板參數設計

兩側開合板若單一設計為平板形式，在合攏時雖能達到松袋效果，但易夾傷馬鈴薯，同時造成其他馬鈴薯落入袋中影響測量精度。

針對上述問題，開合板整體設計為由一塊折彎底板與兩塊直角梯形板焊接而成，如圖5a所示，夾袋氣缸活塞桿前伸，左右開合板合攏，形成一定的空間用于儲藏達到裝袋質量后滯留的馬鈴薯，避免其跌落入袋來保證裝袋精度；如圖5b所示，夾袋氣缸活塞桿復位，馬鈴薯袋被夾緊于折彎底板與側擋板之間，此時馬鈴薯通過左右開合板所圍空間入袋。但開合板合攏空間過小，儲藏馬鈴薯時容易造成夾傷；合攏空間過大，容易使得夾袋機構整體尺寸過大，增加制造成本。因此，考慮到夾袋機構的實用性和經濟性，參考灌裝夾袋機械相關設計，本夾袋機構開合板直角梯形板尺寸取斜邊長度L9=580.0 mm，高度L10=225.0 mm，下底長度L7=700.0 mm，上底長度L8=160.0 mm，折彎底板寬度為220.0 mm，開合板整體板材厚度為3.0 mm，經過計算尼龍袋內部被撐起的長度為480.0 mm，撐起寬度為220.0 mm，滿足尼龍袋尺寸1 000.0 mm×700.0 mm內部被撐尺寸范圍。同時為減少馬鈴薯與開合板間的碰撞損失及夾傷損失，在開合板內部粘貼一定厚度柔性橡膠起到緩沖減損的目的。

圖5 開合板動作簡圖Fig.5 Action diagram of opening and closing plate1.夾緊氣缸 2.物料馬鈴薯 3.開合板直角梯形板 4.開合板折彎底板

2.1.1.3夾袋氣缸推拉力設計

夾袋氣缸推拉力是影響夾袋效果和裝換袋效率的重要因素之一。推拉力太小，不足以將尼龍袋夾緊，無法滿足夾袋要求并且影響測量精度；推拉力太大，夾袋氣缸尺寸相應增大的同時，為保證剛度，與其接觸零件厚度也應增大，制造成本增加且能耗升高。

為選擇合適氣缸推拉力，將尼龍袋以及袋中馬鈴薯作為整體研究對象進行受力分析，如圖6a所示，尼龍袋左右兩側分別受到側擋板和開合板正壓力N1、N2、N3、N4以及摩擦力f1、f2、f3、f4，G為尼龍袋與袋中馬鈴薯總重力，FC為跌落馬鈴薯瞬間所產生的沖擊力。將圖6a受力簡化后如圖6b所示，得到力學關系式

(3)

式中fL——尼龍袋左側受到的總摩擦力，N

fR——尼龍袋右側受到的總摩擦力，N

NL——尼龍袋左側所受壓力，N

NR——尼龍袋右側所受壓力，N

L11——尼龍袋重心與左側擋板長度，mm

μ1——尼龍袋與Q235-A鋼摩擦因數

圖6 尼龍袋受力分析圖Fig.6 Stress analysis diagrams of nylon bag

由上述分析可知，尼龍袋在裝袋過程中不滑落，取決于尼龍袋夾緊過程中總摩擦力fL、fR與裝袋重力G及沖擊力FC之間的關系，當fL+fR≥G+FC時，夾袋機構將尼龍袋夾緊，尼龍袋不發生相對下滑；當fL+fR

綜合上述分析，參考《SMC氣缸選型手冊》，夾袋氣缸選用缸徑50.0 mm、行程75.0 mm的氣缸，氣缸使用壓力為0.4 MPa，此時單個裝袋氣缸理論產生推力為630 N，理論拉力為520 N。在此基礎上進行夾袋機構的滿載夾袋試驗，結果表明，夾袋機構在最大裝袋質量60 kg時，能夠達到尼龍袋夾緊不發生滑動的效果，滿足設計要求。

2.1.2入袋過程分析

入袋過程中馬鈴薯的破皮和傷薯等損傷主要來源于入袋碰撞，為明晰馬鈴薯入袋碰撞損傷過程，對其入袋過程進行分析。經過大量觀察，馬鈴薯入袋碰撞大多為非對心碰撞，本文中僅考慮兩馬鈴薯的碰撞為發生在同一平面上的非對心碰撞，其非對心碰撞運動分析圖如圖7a所示。

圖7 非對心碰撞運動分析圖Fig.7 Analysis of non-concentric collision motion

馬鈴薯以速度vA(與豎直方向夾角為γ)跌落入尼龍袋區域內，AB運動階段可分解為：豎直方向的自由落體運動和水平方向的勻速直線運動。加速度g取9.8 m/s2。此過程跌落時間tAB、水平位移L12可表示為

(4)

當運動下落一段距離H3后以速度vB(與豎直方向夾角為α)與下方馬鈴薯在點P主要發生非對心碰撞，過P-B位置作公法線和公切線，此時兩碰撞馬鈴薯的質心不在公法線上。跌落馬鈴薯速度vB由運動學公式可表示為

(5)

為便于非對心碰撞運動分析，將馬鈴薯等效為一橢球體，令跌落入袋中的馬鈴薯質量為m1，赤道半徑分別為c1和b1、極半徑為d1，碰撞后其法向和切向速度分量為v3n、v3τ，角速度為ω1，方向為順時針；與其發生碰撞的馬鈴薯質量為m2，赤道半徑分別為c2和b2、極半徑為d2，碰撞后其法向和切向速度分量為v4n、v4τ，角速度為ω2，方向為順時針。

過接觸點P對碰撞馬鈴薯法向和切向分別應用動量定理有

(6)

(7)

式中t——非對心碰撞接觸時間，s

μ2——馬鈴薯接觸時摩擦因數

N5——跌落馬鈴薯正壓力，N

N6——碰撞馬鈴薯正壓力，N

ω1——跌落馬鈴薯旋轉角速度，rad/s

ω2——被撞馬鈴薯旋轉角速度，rad/s

I1——跌落馬鈴薯轉動慣量，kg·m2

I2——被撞馬鈴薯轉動慣量，kg·m2

聯立式(6)、(7)可得

(8)

(9)

非對心碰撞后，跌落馬鈴薯與被撞馬鈴薯運動分解為：分別以角速度ω1和ω2轉動，以速度v3n、v3τ和速度v4n、v4τ平動。軌跡由式(4)、(5)、(8)給出。

對發生非對心碰撞的馬鈴薯分別進行受力分析，如圖7b所示，根據柯尼西定理，非對心碰撞時所產生的切向摩擦力fm和fn將使得馬鈴薯圍繞薯心發生一定的旋轉從而形成轉動動能，部分能量以平動動能的形式體現。由于發生碰撞的時間極短，而碰撞過程中一般有機械能的損失，且馬鈴薯與馬鈴薯之間的碰撞屬于恢復系數為0～1的非完全彈性碰撞[12-13]，在碰撞系數一定的情況下，碰撞過程會有能量損失，其損失能量主要轉化形式為破皮和傷薯等。

根據上述分析可以看出馬鈴薯入袋后的運動軌跡與其跌落速度和跌落高度有關，馬鈴薯跌落速度與跌落高度越大，水平運動距離越長，馬鈴薯越容易與夾袋機構開合板以及馬鈴薯袋發生接觸，從而造成一定的損傷，同時使入袋碰撞后馬鈴薯旋轉的角速度越大，因非對心碰撞所產生的破皮和傷薯等情況越嚴重，因此需要合理控制馬鈴薯入袋的運動軌跡。為避免馬鈴薯在入袋過程中產生的破皮損傷和傷薯積累，參考現有國內外馬鈴薯裝袋機裝袋喂入量的建議數值，馬鈴薯喂入量取25 t/h。在此基礎上進行裝袋高度的單因素試驗，最終獲得合適的馬鈴薯裝袋高度范圍為350.0～550.0 mm，在此裝袋高度范圍內馬鈴薯入袋效果較好。

2.2 入袋引流機構

入袋引流機構主要由引流板以及左右側擋板組成，如圖8a所示，馬鈴薯被分流機構分流至入袋引流機構后入袋，根據實際觀察隨著馬鈴薯的不斷匯入，經過引流板的馬鈴薯主要存在3種運動狀態：有滑動的滾動、無滑動的滾動以及無滾動的滑動，當馬鈴薯運動狀態為無滾動的滑動時，與開合板以及馬鈴薯袋的接觸較少，入袋效果較好。為達到馬鈴薯在引流板上運動狀態多為無滾動的滑動的要求，并且能夠使得馬鈴薯在此過程順利滑下跌落入袋，無堵塞、停滯擠壓等現象的出現，需要合理設計引流板的豎直方向安裝角γ1以及板長LY，如圖8b所示。參考相關引流導流機構具體設計，本文入袋引流機構中引流板的豎直方向安裝角γ1主要通過引流板側邊與左右側擋板連接位置來調整。結合馬鈴薯特性以及鈑金件加工工藝性，引流板材料選取韌性和塑性較好的Q235-A碳素結構鋼，寬度取320.0 mm。

圖8 入袋引流機構示意圖Fig.8 Schematics of bag drainage mechanism1.引流板 2.右側擋板 3.左側擋板

2.2.1引流板安裝角設計

馬鈴薯在引流板上無滾動的滑動時受力分析如圖9a所示，此時的馬鈴薯在引流板上受到引流板垂直板向上支持力F1、自身重力m1g以及發生滑動時與板面產生滑動的摩擦力f5。重力m1g與引流板平面所成夾角和引流板與豎直方向夾角一致，均為γ1。

圖9 引流板處馬鈴薯受力、運動分析圖Fig.9 Force and movement analysis diagram of potato at drainage plate

馬鈴薯在引流板上無滾動的滑動時，豎直方向上有關系式

F1=m1gsinγ1

(10)

馬鈴薯能夠順利滑下的條件為

m1gfcosγ1>f5

(11)

其中

f5=μ3F1

(12)

式中μ3——馬鈴薯與引流板摩擦因數

聯立式(10)～(12)得到

(13)

引流板的主要作用是將分流后的馬鈴薯引流至夾袋機構處裝袋，引流板安裝角過大，容易導致馬鈴薯在引流板處堆積堵塞，產生擠壓損傷；安裝角過小，容易導致馬鈴薯在引流板上發生滾動并以較大速度入袋，增大入袋碰撞瞬間沖擊力，增加破皮和傷薯等損傷發生及影響稱量合格率，因此選擇合適引流板安裝角，一定范圍內避免較高馬鈴薯破皮和傷薯等損傷。參考國內外現有引流裝置并結合定量裝袋裝置尺寸，本文中引流板長度LY取370.0 mm。文獻[14-15]測定的馬鈴薯與鋼板間摩擦因數為0.269～0.445，結合引流板材料Q235-A碳素結構鋼及其表面處理情況，進行引流板角度單因素試驗，最終得出引流板豎直方向安裝角γ1合適的取值范圍為60.0°～66.0°。

2.2.2引流過程分析

令馬鈴薯進入引流板的速度為v0，馬鈴薯滑出引流板的速度為v1，此階段馬鈴薯滑動的距離為L13，滑動時間為tH，滑動加速度為δ，重力加速度g取9.8 m/s2。

此引流過程滑動階段運動分析圖如圖9b所示。由運動學公式可得

(14)

其中

δ=gcosγ1-μgsinγ1

(15)

聯立式(14)、(15)，可得

(16)

當馬鈴薯喂入量較大時，大量馬鈴薯沿引流板滑動入袋，此時受到馬鈴薯不斷喂入的影響，馬鈴薯所受到的力復雜且不均勻，得到馬鈴薯運動方程

(17)

根據以上分析可知，在引流板安裝角度一定的情況下，馬鈴薯脫離引流板速度v1受到輸送帶速度的影響：輸送帶速度越大，進入引流板中的馬鈴薯越容易滾動，脫離引流板速度v1變大，從而增大了馬鈴薯在入袋過程中與夾袋機構開合板的碰撞幾率及與馬鈴薯袋的擦傷幾率，進而造成入袋后的馬鈴薯損傷積累；輸送帶速度越小，進入引流板中的馬鈴薯越容易出現堵塞甚至擠壓傷薯等情況，影響后續馬鈴薯入袋效果。為更好探究輸送帶速度對引流中馬鈴薯滑動過程的影響規律，找到合適的輸送帶速度，在引流板豎直方向安裝角γ1取值范圍為60.0°～66.0°以及裝袋高度范圍為350.0～550.0 mm的基礎上進行輸送帶速度的單因素試驗，最終得到輸送帶速度合適的取值范圍為0.35～0.55 m/s。

3 試驗

3.1 試驗條件

試驗于2021年10月在山東思代爾農業裝備有限公司進行，試驗對象選取為收獲后經清選分選的荷蘭15號馬鈴薯，根據實際觀察與稱量，表面無明顯破皮、傷薯等損傷以及無黏土附著，馬鈴薯單個質量為100～200 g。

3.2 試驗因素與評價指標

通過上文分析，確定影響定量裝袋裝置性能的因素主要為輸送帶速度、引流板角度和裝袋高度。試驗參照標準NY/T 1130—2006《馬鈴薯收獲機械》、NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》以及DB15/T 1418—2018《馬鈴薯種薯智能倉儲技術規程》，將稱量合格率η1、破皮率η2和傷薯率η3作為馬鈴薯定量裝袋裝置的評價指標。

3.2.1稱量合格率

參考目前儲藏或市場流通的馬鈴薯裝袋質量，本試驗以30 kg為單袋馬鈴薯裝袋標準質量，其質量誤差標準設定為±5%。裝袋試驗后用電子秤稱量各袋中馬鈴薯總質量，將袋中馬鈴薯質量與設定標準袋質量進行比對，當質量誤差在5%以內，即為合格裝袋。通過統計并計算馬鈴薯合格裝袋數SH與馬鈴薯總裝袋數SZ的比值，從而得到稱量合格率η1為

(18)

3.2.2破皮率和傷薯率

對于球形果蔬，國內外測定其損傷時主要有體積法和面積法，本試驗中損傷測定選擇面積法[16-17]。為方便計算將馬鈴薯的破皮面積近似為橢圓形，用游標卡尺測量破皮位置處的兩個赤道半徑，計算出破皮面積，破皮面積大于0.2 cm2的薯塊視為破皮馬鈴薯；傷薯則同樣用游標卡尺來測量馬鈴薯的破裂長度，或者觀察組織損傷程度，測量長度或觀察情況結合馬鈴薯種植戶以及商戶的經驗觀察來判定傷薯情況[18]。經過5次重復試驗，發現馬鈴薯在入袋過程中主要傷薯情況為組織淤傷。

通過收集單工位袋中的所有破皮薯和傷薯，分別用電子秤稱量，得到破皮薯和傷薯的質量，分別計算出其與單袋馬鈴薯總質量百分比，得到破皮率η2和傷薯率η3，其表達式為

(19)

式中MDR——單袋中破皮馬鈴薯總質量，kg

MSS——單袋中傷薯馬鈴薯總質量，kg

M——單袋中馬鈴薯總質量，kg

3.3 試驗結果與分析

運用軟件Design-Expert 10.0.3中Design-Behnken組合設計法，以上述3個主要因素為試驗指標，設計三因素三水平試驗[19-20]，其試驗因素編碼如表2所示，試驗方案與結果如表3所示，共進行17組數據試驗。分別建立評價指標稱量合格率η1、破皮率η2以及傷薯率η3與試驗因素引流板角度、輸送帶速度、裝袋高度之間的數學模型，得到上述評價指標的多元二次線性回歸方程，進行顯著性檢驗與響應面分析，得出試驗因素對試驗指標的影響規律。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of test factors

表3 試驗方案與結果Tab.3 Test plan and results

3.3.1方差分析

(20)

(21)

(22)

表4 稱量合格率η1、破皮率η2、傷薯率η3方差分析Tab.4 Analysis of variance of weighing qualified rate, peeling rate and potato injury rate

3.3.2響應曲面分析

運用軟件Design-Expert 10.0.3進行數據處理，得到輸送帶速度、引流板角度、裝袋高度之間的極顯著和顯著交互作用對稱量合格率、破皮率、傷薯率3個試驗指標影響的響應曲面。

對于稱量合格率η1，輸送帶速度與裝袋高度的交互作用影響顯著。如圖10所示，當引流板角度為63°時，稱量合格率隨著裝袋高度增加呈現降低趨勢，隨著輸送線速度增加呈現先升高后降低趨勢。

圖10 因素交互作用對稱量合格率η1影響的響應曲面Fig.10 Response surface of interaction factors on weight qualification rate

對于破皮率η2，輸送帶速度與引流板角度、裝袋高度的交互作用影響極顯著。如圖11a所示，當引流板角度為63°時，破皮率隨著裝袋高度的增加呈現降低趨勢，隨著輸送帶速度的增加呈現先降低后升高趨勢；如圖11b所示，當裝袋高度為450 mm時，破皮率隨著輸送帶速度的增加呈現降低趨勢，隨著引流板角度的增加呈現升高趨勢。

圖11 因素交互作用對破皮率η2影響的響應曲面Fig.11 Response surfaces of interaction factors on skin breaking rate

對于傷薯率η3，引流板角度與輸送帶速度、裝袋高度的交互作用影響極顯著。如圖12a所示，當輸送帶速度為0.45 m/s時，傷薯率隨著裝袋高度的增加呈現出降低趨勢，引流板角度的增加呈現出降低趨勢。根據圖12b所示，當裝袋高度為450 mm時，傷薯率隨著引流板角度的增加呈現出降低趨勢，隨著輸送帶速度的增加呈現降低趨勢。

圖12 因素交互作用對傷薯率η3影響的響應曲面Fig.12 Response surfaces of interaction factors on potato injury rate

3.4 參數優化

本試驗中，根據上述分析結果以及定量稱量實際工況，得到相關指標的約束條件和目標函數為

(23)

為盡可能達到較高稱量合格率、較低破皮率及傷薯率的設計要求，選取最優輸送帶速度、引流板角度及裝袋高度，運用軟件Design-Expert 10.0.3中參數優化模塊對上述指標進行優化求解，得到最優參數組合：當輸送帶速度為0.44 m/s、引流板角度為62.27°以及裝袋高度為496.07 mm時，馬鈴薯定量裝袋裝置稱量合格率為96.13%，破皮率為1.25%，傷薯率為0.92%。

3.5 驗證試驗

為驗證最優參數組合的可靠性，結合實際測量儀器的精度，在便于相關參數調整的基礎上取驗證試驗參數組合為：輸送線速度0.44 m/s、引流板角度62.3°、裝袋高度496.1 mm。試驗場景如圖13所示。

圖13 試驗場景Fig.13 Test scene diagram

在此驗證試驗參數組合下共進行5次重復試驗并取平均值，得到稱量合格率為97.32%，破皮率為1.22%，傷薯率為0.94%。對比參數優化后的理論值，實測值與理論值的相對誤差分別為1.23%、2.40%、2.17%。試驗時裝換袋效果較好，表明采用S型拉力傳感器原理稱量提高了稱量精度和穩定性；設計的定量裝袋裝置在提高裝換袋效率的同時減少了馬鈴薯破皮和傷薯等損傷。

4 結論

(1)采用S型拉力傳感器原理稱量，提高了稱量精度和穩定性；通過使用設計的定量裝袋裝置，在入袋引流機構和夾袋機構的配合下，提高裝換袋效率同時減少了破皮和傷薯等損傷。

(2)響應面試驗分析了引流板角度、裝袋高度以及輸送帶速度對試驗指標稱量合格率、破皮率和傷薯率的影響規律：對稱量合格率η1的影響主次順序為引流板角度、裝袋高度以及輸送帶速度；對破皮率η2的影響主次順序為裝袋高度、輸送帶速度以及引流板角度；對傷薯率η3的影響主次順序為裝袋高度、輸送帶速度以及引流板角度。

(3)經參數優化后得到定量裝袋裝置最優工作參數組合為：輸送帶速度為0.44 m/s、引流板角度為62.27°、裝袋高度為496.07 mm。5次重復裝袋試驗結果表明稱量合格率為97.32%，破皮率為1.22%，傷薯率為0.94%，實測值與理論值的相對誤差分別為1.23%、2.40%、2.17%，表明本定量裝袋裝置能夠達到稱量合格率較高、破皮率及傷薯率較低的設計要求。